Strukturell biokemi / kollagen
kollagen introduktion
kollagen, som är det vanligaste proteinet hos däggdjur, är också den huvudsakliga fibrösa komponenten i hud, ben, senor, brosk och tänder. Människans torrvikt av huden består av över 1/3 kollagen. Detta extracellulära protein är en stavformad molekyl, ca 3000 kg lång och endast 15 kg i diameter. Det finns minst tjugoåtta olika typer av kollagen som består av minst 46 olika polypeptidkedjor som har lokaliserats i ryggkotor och andra proteiner som innehåller kollagendomäner. Det definierande kännetecknet för kollagen är att det är ett strukturellt protein som består av en högerhänt bunt av tre parallella vänsterhänta polyprolin II-typ helixer. På grund av den täta packningen av PPII-spiraler i trippelhelixen är varje tredje rest, som är en aminosyra, Gly (glycin). Detta resulterar i ett upprepande mönster av en xaayaagly-sekvens. Även om detta mönster förekommer i alla typer av kollagen, finns det en viss störning av detta mönster i vissa områden som ligger inom den tredubbla spiralformiga domänen för icke-fibrillära kollagener. Aminosyran som ersätter Xaa i sekvensen är sannolikt (2s) –prolin (Pro, 28%). Den mest sannolika ersättande aminosyran i Yaa-positionen är (2s,4R)- 4-hydroxiprolin (Hyp, 38%). Detta innebär att prohypgly-sekvensen är den vanligaste tripletten i kollagen. Många forskning har gjorts på att räkna ut strukturen av kollagen trippel helices och hur deras kemiska egenskaper påverkar kollagens stabilitet. Det har visat sig att stereoelektroniska effekter och förOrganisation är viktiga faktorer för att bestämma kollagenets stabilitet. En typ av kollagen som kallas typ i-kollagen har strukturen avslöjad i detalj. Syntetiserande konstgjorda kollagenfibriller, som är mindre fibersträngar, har nu varit möjliga och kan nu innehålla egenskaper som naturliga kollagenfibriller har. Genom att kontinuerligt förstå de mekaniska och strukturella egenskaperna hos nativa kollagenfibriller, hjälper forskningen att utforma och utveckla sätt att skapa konstgjorda kollagenmaterial som kan tillämpas på många aspekter av våra liv, såsom biomedicin och nanoteknik.
struktur av kollagen
strukturen av kollagen har utvecklats intensivt genom historien. Först lade Astbury och Bell fram sin uppfattning att kollagen bestod av en enda förlängd polypeptidkedja med alla sina amidbindningar i cis-konformationen. År 1951 bestämde andra undersökningar korrekt strukturerna för alpha helix och beta-arket. Pauling och Corey lade fram sin struktur att tre polypeptidsträngar bildas tillsammans genom vätebindningar i en spiralformad konformation. 1964 utvecklade Ramachandran och Kartha en avancerad struktur för kollagen genom att det var en högerhänt trippelhelix av tre vänsterhänta polypeptid 2-spiraler med alla peptidbindningar i trans-konformationen och två vätebindningar i varje triplett. Därefter finslipades strukturen av Rich och Crick till den accepterade trippelhelixstrukturen idag, som innehåller en enda interstrand Nh(Gly)…O = c(Xaa) vätebindning per triplett och en tiofaldig spiralformad symmetri med en 28,6 a axiell upprepning.
funktion och mångfald
kollagen, som finns i alla multicellulära organismer, är inte ett protein utan en familj av strukturellt relaterade proteiner. De olika kollagenproteinerna har mycket olika funktioner. De extremt hårda strukturerna i ben och tänder innehåller kollagen och en kalciumfosfatpolymer. I senor bildar kollagen repliknande fibrer med hög draghållfasthet, medan kollagen i huden bildar löst vävda fibrer som kan expandera i alla riktningar. De olika typerna av kollagen kännetecknas av olika polypeptidkompositioner. Varje kollagen består av tre polypeptidkedjor, som kan vara alla identiska eller kan vara av två olika kedjor. En enda molekyl av typ i-kollagen har en molekylmassa av 285kda, en bredd av 1,5 nm och en längd av 300 nm.
| Typ | Polypeptidsammansättning | Distribution |
|---|---|---|
| I | 2, alfa 2 (I) | hud,ben,senor, hornhinna, blodkärl |
| II | 3 | brosk, intervertebral skiva |
| III | 3 | Fosterhud, blodkärl |
| IV | 2, alfa 2 (IV) | källarmembran |
| V | 2,alfa 2(V) | Placenta, hud |
översikt över Biosyntes
Kollagenpolypeptider syntetiseras av ribosomer på det grova endoplasmatiska retikulumet (RER). Polypeptidkedjan passerar sedan genom rer-och Golgi-apparaten innan den utsöndras. Längs vägen är det Post-translationellt modifierat: Pro-och Lys-rester hydroxyleras och kolhydrat tillsätts. Före utsöndring samlas tre polypeptidkedjor för att bilda en trippel-spiralformad struktur som kallas prokollagen. Prokollagen utsöndras sedan i de extracellulära utrymmena i bindvävnaden där eextensioner av polypeptidkedjorna vid både n-och C-termini (förlängningspeptider) avlägsnas av peptidaser för att bilda troppkollagen. Tropokollagenmolekylerna aggregeras och är i stor utsträckning tvärbundna för att procuce den mogna kollagenfibern.
stabilitet av trippel spiralstruktur
kollagen är viktigt för djur eftersom det innehåller många väsentliga egenskaper såsom termisk stabilitet, mekanisk styrka och förmågan att binda och interagera med andra molekyler. Att veta hur dessa egenskaper påverkas kräver en förståelse för kollagens struktur och stabilitet. Byte av aminosyror i stället för någon av XaaYaaGly-positionerna kan påverka strukturen och stabiliteten hos kollagen på många sätt.
Glycinsubstitutioner
byte av Glycinpositionen i xaayaagly-sekvensen orsakar ofta sjukdomar har det är associerat med mutationer i de tredubbla spiralformade och icke-trippel-spiralformiga domänerna hos en mängd olika kollagener. De skadliga mutationerna till kollagen orsakas av substitutionen av Gly involverad i de sista vätekropparna i trippelhelixen. Till exempel kan aminosyran som ersätter Gly och platsen för substitutionen påverka patologin för osteogenes. Att ersätta Gly i prolinrika områden i kollagensekvensen har mindre störningar än områdena i prolinfattiga regioner. Tidsfördröjningen orsakad av Glycinsubstitutioner resulterar i en övermodifiering av protokollagenkedjorna, vilket förändrar det normala tillståndet för den tredubbla helixstrukturen och därmed bidrar till utvecklingen av osteogenes.
högre ordning kollagenstruktur.
kollagen består av hierakarkala komponenter från de mindre enheterna av enskilda TC-monomerer som själv monteras i de makromolekylära fibrerna. I typ 1-kollagen utgör monomerer mikrofibriller som sedan utgör fibris.
Fibril Struktur.
TC-monomerer av typ 1-kollagen har en konstig egenskap genom att de är instabila vid kroppstemperatur, vilket innebär att de föredrar att vara oordnade snarare än strukturerade och ordnade. Frågan är att hur kan något instabilt vara en del av något så stabilt, som den tredubbla helixstrukturen av kollagen. Svaret på denna fråga är att kollagenfibrillogenes stabiliserar trippelhelixen, vilket betyder att när monomererna bildas tillsammans har de en stabiliserande effekt. Detta bidrar till styrkan i kollagentrippelhelixstrukturen.
Kollagenfibrillogenes sker genom bildandet av mellanstora fibrilsegment som kallas mikrofibriller. Det finns två viktiga frågor som måste besvaras för att förstå den molekylära strukturen hos kollagenfibriller. Den första frågan är vad som är arrangemanget för de enskilda TC-monomererna som utgör mikrofibrilen. Den andra frågan Är då hur gör dessa mikrofibriller utgör kollagen fibril. Dessa frågor är svåra att svara på eftersom enskilda naturliga mikrofibriller inte kan isoleras och den stora storleken och olösligheten hos mogna kollagenfibriller gör det omöjligt för standardtekniker att räkna ut strukturen.
