Biochimie structurală / colagen
colagen Introducere
colagenul, care este cea mai abundentă proteină la mamifere, este, de asemenea, principala componentă fibroasă a pielii, osului, tendonului, cartilajului și dinților. Greutatea uscată a pielii umane este formată din peste 1/3 colagen. Această proteină extracelulară este o moleculă în formă de tijă, cu o lungime de aproximativ 3000 de centimetrii și un diametru de numai 15 centimetrii. Există cel puțin douăzeci și opt de tipuri diferite de colagen care sunt alcătuite din cel puțin 46 de lanțuri polipeptidice diferite care au fost localizate în vertebre și alte proteine care conțin domenii colagene. Caracteristica definitorie a colagenului este că este o proteină structurală care este compusă dintr-un pachet dreptaci de trei spirale de tip poliprolină ii cu mâna stângă paralelă. Datorită ambalării strânse a helicelor PPII în Tripla helix, fiecare al treilea reziduu, care este un aminoacid, este Gly (glicină). Aceasta are ca rezultat un model repetat al unei secvențe XaaYaaGly. Deși acest model apare în toate tipurile de colagen, există unele perturbări ale acestui model în anumite zone situate în domeniul triplu elicoidal al colagenilor nonfibrili. Aminoacidul care înlocuiește xaa în secvență este cel mai probabil (2S) –prolină (Pro, 28%). Cel mai probabil aminoacid înlocuitor în poziția Yaa este (2s,4R)- 4-hidroxiprolină (Hyp, 38%). Aceasta înseamnă că secvența ProHypGly este cel mai frecvent triplet din colagen. Multe cercetări au fost făcute pe imaginind structura de colagen triple helices și modul în care proprietățile lor chimice afectează stabilitatea colagenului. S-a constatat că efectele electronice stereo și preorganizarea sunt factori importanți în determinarea stabilității colagenului. Un tip de colagen numit colagen de tip I are structura dezvăluită în detaliu. Sintetizarea fibrilelor artificiale de colagen, care sunt fire mai mici de fibre, au fost acum posibile și pot conține acum proprietăți pe care fibrilele naturale de colagen le au. Prin înțelegerea continuă a proprietăților mecanice și structurale ale fibrilelor de colagen native, va ajuta cercetarea să elaboreze și să dezvolte modalități de a crea materiale artificiale de colagen care pot fi aplicate în multe aspecte ale vieții noastre, cum ar fi Biomedicina și nanotehnologia.
structura colagenului
structura colagenului a fost dezvoltată intens de-a lungul istoriei. La început, Astbury și Bell și-au prezentat ideea că colagenul a fost alcătuit dintr-un singur lanț polipeptidic extins cu toate legăturile lor amidice în conformația cis. În 1951, alte cercetări au determinat corect structurile pentru alfa helix și foaia beta. Pauling și Corey și-au prezentat structura că trei fire polipeptidice sunt formate împreună prin legături de hidrogen într-o conformație elicoidală. În 1964, Ramachandran și Kartha au dezvoltat o structură avansată pentru colagen prin faptul că era o triplă helix dreaptă a trei spirale polipeptidice 2 stângaci cu toate legăturile peptidice din conformația trans și două legături de hidrogen în fiecare triplet. Ulterior, structura a fost perfecționată de Rich și Crick la structura triplă helix acceptată astăzi, care conține un singur interstrand N-H(Gly)…O = c (Xaa) legătura de hidrogen pe triplet și o simetrie elicoidală de zece ori cu o repetare axială de 28,6 A.
funcția și diversitatea
colagenul, care este prezent în toate organismele multicelulare, nu este o proteină, ci o familie de proteine legate structural. Diferitele proteine de colagen au funcții foarte diverse. Structurile extrem de dure ale oaselor și dinților conțin colagen și un polimer fosfat de calciu. În tendoane, colagenul formează fibre asemănătoare frânghiei cu rezistență ridicată la tracțiune, în timp ce în piele colagenul formează fibre țesute slab care se pot extinde în toate direcțiile. Diferitele tipuri de colagen sunt caracterizate prin diferite compoziții polipeptidice. Fiecare colagen este compus din trei lanțuri polipeptidice, care pot fi toate identice sau pot fi din două lanțuri diferite. O singură moleculă de colagen de tip I are o masă moleculară de 285kda, o lățime de 1,5 nm și o lungime de 300nm.
| Tip | compoziție polipeptidică | distribuție |
|---|---|---|
| I | 2, alfa 2 (I) | piele, os,tendon, cornee, vasele de sânge |
| II | 3 | cartilaj, disc intervertebral |
| III | 3 | piele fetală, vase de sânge |
| IV | 2, alfa 2(IV) | membrană bazală |
| V | 2, alfa 2 (V) | placentă, piele |
Prezentare generală a Biosinteza
polipeptidele de colagen sunt sintetizate de ribozomi pe reticulul endoplasmatic dur (RER). Lanțul polipeptidic trece apoi prin aparatul rer și Golgi înainte de a fi secretat. Pe parcurs este modificat post-translațional: reziduurile Pro și Lys sunt hidroxilate și se adaugă carbohidrați. Înainte de secreție, trei lanțuri polipeptidice se reunesc pentru a forma o structură triplu-elicoidală cunoscută sub numele de procollagen. Procolagenul este apoi secretat în spațiile extracelulare ale țesutului conjunctiv unde eextensiile lanțurilor polipeptidice atât la terminalele N, cât și la C (peptide de extensie) sunt îndepărtate de peptidaze pentru a forma troppcollagen. Moleculele de tropocollagen se agregă și sunt reticulate extensiv pentru a procuce fibra de colagen matură.
stabilitatea structurii Triple Helix
colagenul este important pentru animale, deoarece conține multe proprietăți esențiale, cum ar fi stabilitatea termică, rezistența mecanică și capacitatea de a lega și interacționa cu alte molecule. Știind cum sunt afectate aceste proprietăți necesită o înțelegere a structurii și stabilității colagenului. Înlocuirea aminoacizilor în locul oricărei poziții XaaYaaGly poate afecta structura și stabilitatea colagenului în numeroase moduri.
substituțiile glicinei
înlocuirea poziției glicinei în secvența XaaYaaGly cauzează adesea boli are este asociat cu mutații în domeniile triple elicoidale și non triple-elicoidale ale unei varietăți de colageni. Mutațiile dăunătoare ale colagenului sunt cauzate de înlocuirea Gly implicată în ultimele corpuri de hidrogen din tripla helix. De exemplu, aminoacidul care înlocuiește Gly și localizarea substituției poate afecta patologia osteogenezei. Înlocuirea Gly în zonele bogate în prolină ale secvenței de colagen au o perturbare mai mică decât zonele regiunilor sărace în prolină. Întârzierea de timp cauzată de substituțiile glicinei are ca rezultat o supramodificare a lanțurilor protocollagen, care Modifică starea normală a structurii triple helix și contribuie astfel la dezvoltarea osteogenezei.
structura de colagen de ordin superior.
colagenul este alcătuit din componente hieracharcale din unitățile mai mici de monomeri TC individuali care se asamblează în fibrele macromoleculare. În colagenul de tip 1, monomerii alcătuiesc microfibrili care apoi alcătuiesc fibris.
Structura Fibrilă.
monomerii TC ai colagenului de tip 1 au o caracteristică ciudată prin faptul că sunt instabili la temperatura corpului, ceea ce înseamnă că preferă să fie dezordonați decât structurați și ordonați. Întrebarea este cum poate ceva instabil să fie o componentă a ceva atât de stabil, cum ar fi structura triplă helix a colagenului. Răspunsul la această întrebare este că fibrilogeneza colagenului stabilizează tripla helix, ceea ce înseamnă că atunci când monomerii se formează împreună au un efect stabilizator. Acest lucru contribuie la rezistența structurii triple helix a colagenului.
fibrilogeneza colagenului are loc prin formarea de segmente fibrile de dimensiuni intermediare numite microfibrile. Există două întrebări esențiale la care trebuie să se răspundă pentru a înțelege structura moleculară a fibrilelor de colagen. Prima întrebare este care este aranjamentul monomerilor TC individuali care alcătuiesc microfibrila. A doua întrebare este atunci cum acele microfibrile alcătuiesc fibrilul de colagen. Aceste întrebări sunt dificil de răspuns, deoarece microfibrilele naturale individuale nu pot fi izolate, iar dimensiunea mare și insolubilitatea fibrilelor de colagen mature fac imposibilă tehnicile standard să descopere structura.
