Strukturelle Biochemie/Kollagen

Kollagen Einführung
Kollagen, die ist die häufigste protein in säugetiere, ist auch die wichtigsten faserigen komponente von haut, knochen, sehnen, knorpel, und zähne. Das Trockengewicht der menschlichen Haut besteht aus über 1/3 Kollagen. Dieses extrazelluläre Protein ist ein stabförmiges Molekül, etwa 3000 Å lang und nur 15 Å im Durchmesser. Es gibt mindestens achtundzwanzig verschiedene Arten von Kollagen, die aus mindestens 46 verschiedenen Polypeptidketten bestehen, die sich in Wirbeln und anderen Proteinen befinden, die kollagene Domänen enthalten. Das bestimmende Merkmal von Kollagen ist, dass es sich um ein Strukturprotein handelt, das aus einem rechtshändigen Bündel von drei parallel linkshändigen Polyprolin-II-Helices besteht. Aufgrund der dichten Packung von PPII-Helices innerhalb der Tripelhelix ist jeder dritte Rest, der eine Aminosäure ist, Gly (Glycin). Dies führt zu einem sich wiederholenden Muster einer XaaYaaGly-Sequenz. Obwohl dieses Muster in allen Arten von Kollagen auftritt, gibt es eine Störung dieses Musters in bestimmten Bereichen, die sich innerhalb der dreifachhelikalen Domäne nichtfibrillärer Kollagene befinden. Die Aminosäure, die das Xaa in der Sequenz ersetzt, ist höchstwahrscheinlich (2S) –Prolin (Pro, 28%). Die wahrscheinlichste Ersatzaminosäure in der Yaa-Position ist (2s,4R) – 4-Hydroxyprolin (Hyp, 38%). Dies bedeutet, dass die Prohypglysequenz das häufigste Triplett in Kollagen ist. Es wurde viel geforscht, um die Struktur der Kollagen-Tripelhelices herauszufinden und wie ihre chemischen Eigenschaften die Stabilität des Kollagens beeinflussen. Es wurde gefunden, dass stereoelektronische Effekte und Vororganisation wichtige Faktoren bei der Bestimmung der Stabilität von Kollagen sind. Eine Art Kollagen namens Kollagen Typ I hat die Struktur im Detail offenbart. Die Synthese künstlicher Kollagenfibrillen, bei denen es sich um kleinere Faserstränge handelt, war nun möglich und kann nun Eigenschaften enthalten, die natürliche Kollagenfibrillen aufweisen. Durch das kontinuierliche Verständnis der mechanischen und strukturellen Eigenschaften nativer Kollagenfibrillen wird die Forschung dabei unterstützt, Wege zur Herstellung künstlicher kollagener Materialien zu finden und zu entwickeln, die auf viele Aspekte unseres Lebens wie Biomedizin und Nanotechnologie angewendet werden können.

Struktur des Kollagens
Die Struktur des Kollagens wurde im Laufe der Geschichte intensiv entwickelt. Zunächst stellten Astbury und Bell ihre Idee vor, dass Kollagen aus einer einzigen verlängerten Polypeptidkette mit all ihren Amidbindungen in der cis-Konformation besteht. 1951 bestimmten andere Forschungen die Strukturen für die Alpha-Helix und das Beta-Blatt korrekt. Pauling und Corey stellen ihre Struktur, dass drei Polypeptidstränge zusammen durch Wasserstoffbrückenbindungen in einer helikalen Konformation gebildet werden. 1964 entwickelten Ramachandran und Kartha eine fortgeschrittene Struktur für Kollagen, indem es eine rechtshändige Dreifachhelix von drei linkshändigen Polypeptid-2-Helices mit allen Peptidbindungen in der Trans-Konformation und zwei Wasserstoffbrückenbindungen in jedem Triplett war. Danach wurde die Struktur von Rich und Crick zur heute akzeptierten Triple-Helix-Struktur geschliffen, die einen einzigen Interstrand N-H (Gly) enthält…O = C (Xaa) Wasserstoffbindung pro Triplett und eine zehnfache helikale Symmetrie mit einem axialen Rapport von 28,6 A.

Funktion und Vielfalt
Kollagen, das in allen vielzelligen Organismen vorhanden ist, ist nicht ein Protein, sondern eine Familie strukturell verwandter Proteine. Die verschiedenen Kollagenproteine haben sehr unterschiedliche Funktionen. Die extrem harten Strukturen von Knochen und Zähnen enthalten Kollagen und ein Calciumphosphatpolymer. In Sehnen bildet Kollagen seilartige Fasern mit hoher Zugfestigkeit, während Kollagen in der Haut lose gewebte Fasern bildet, die sich in alle Richtungen ausdehnen können. Die verschiedenen Kollagentypen zeichnen sich durch unterschiedliche Polypeptidzusammensetzungen aus. Jedes Kollagen besteht aus drei Polypeptidketten, die alle identisch sein können oder aus zwei verschiedenen Ketten bestehen können. Ein einzelnes Molekül des Kollagens der Art I hat eine molekulare Masse von 285kDa, eine Breite von 1.5nm und eine Länge von 300nm.

Überblick über Biosynthese
Kollagenpolypeptide werden durch Ribosomen auf dem rauen endoplasmatischen Retikulum (RER) synthetisiert. Die Polypeptidkette durchläuft dann den RER- und Golgi-Apparat, bevor sie sezerniert wird. Auf dem Weg dorthin wird es posttranslational modifiziert: Pro- und Lys-Reste werden hydroxyliert und Kohlenhydrate hinzugefügt. Vor der Sekretion kommen drei Polypeptidketten zusammen, um eine dreifachhelikale Struktur zu bilden, die als Prokollagen bekannt ist. Das Prokollagen wird dann in die extrazellulären Räume des Bindegewebes sezerniert, wo Eextensionen der Polypeptidketten sowohl an den N- als auch an den C-Termini (Verlängerungspeptide) durch Peptidasen entfernt werden, um Troppkollagen zu bilden. Die Tropokollagenmoleküle aggregieren und sind weitgehend vernetzt, um die reife Kollagenfaser zu erhalten.

Stabilität der Tripelhelixstruktur
Kollagen ist für Tiere wichtig, da es viele wesentliche Eigenschaften wie thermische Stabilität, mechanische Festigkeit und die Fähigkeit zur Bindung und Wechselwirkung mit anderen Molekülen enthält. Zu wissen, wie diese Eigenschaften beeinflusst werden, erfordert ein Verständnis der Struktur und Stabilität von Kollagen. Das Ersetzen von Aminosäuren anstelle einer der XaaYaaGly-Positionen kann die Struktur und Stabilität von Kollagen auf vielfältige Weise beeinflussen.

Glycinsubstitutionen
Das Ersetzen der Glycinposition in der XaaYaaGly-Sequenz verursacht häufig Krankheiten, da es mit Mutationen in den dreifachhelikalen und nicht dreifachhelikalen Domänen einer Vielzahl von Kollagenen assoziiert ist. Die schädigenden Mutationen für Kollagen werden durch die Substitution von Gly verursacht, das an den letzten Wasserstoff-BSB innerhalb der Tripelhelix beteiligt ist. Zum Beispiel kann die Aminosäure, die das Gly ersetzt, und der Ort der Substitution die Pathologie der Osteogenese beeinflussen. Das Ersetzen des Gly in prolinreichen Bereichen der Kollagensequenz weist eine geringere Störung auf als die Bereiche mit prolinarmen Regionen. Die durch Glycinsubstitutionen verursachte Zeitverzögerung führt zu einer Übermodifikation der Protokollagenketten, die den Normalzustand der Tripelhelixstruktur verändern und somit zur Entwicklung der Osteogenese beitragen.

Kollagenstruktur höherer Ordnung.

Kollagen besteht aus hieracharkalen Komponenten aus den kleineren Einheiten einzelner TC-Monomere, die sich selbst zu den makromolekularen Fasern zusammenbauen. In Typ-1-Kollagen bilden Monomere Mikrofibrillen, die dann Fibris bilden.

Fibrillenstruktur.
TC-Monomere des Typ-1-Kollagens haben eine seltsame Eigenschaft, da sie bei Körpertemperatur instabil sind, was bedeutet, dass sie eher ungeordnet als strukturiert und geordnet sind. Die Frage ist, wie etwas Instabiles eine Komponente von etwas so Stabilem sein kann, wie die Dreifachhelixstruktur von Kollagen. Die Antwort auf diese Frage lautet, dass die Kollagenfibrillogenese die Tripelhelix stabilisiert, dh wenn sich die Monomere zusammen bilden, wirken sie stabilisierend. Dies trägt zur Festigkeit der Kollagen-Triple-Helix-Struktur bei.

Die Kollagenfibrillogenese erfolgt durch die Bildung von Fibrillensegmenten mittlerer Größe, die als Mikrofibrillen bezeichnet werden. Es gibt zwei wesentliche Fragen, die beantwortet werden müssen, um die molekulare Struktur von Kollagenfibrillen zu verstehen. Die erste Frage ist, wie die einzelnen TC-Monomere angeordnet sind, aus denen die Mikrofibrillen bestehen. Die zweite Frage ist dann, wie diese Mikrofibrillen die Kollagenfibrillen bilden. Diese Fragen sind schwer zu beantworten, da einzelne natürliche Mikrofibrillen nicht isoliert werden können und die große Größe und Unlöslichkeit reifer Kollagenfibrillen es Standardtechniken unmöglich machen, die Struktur herauszufinden.

Kollagenfasern Typ I – TEM

Kollagenbiosynthese (fr)