Proiect
Materia : Biologie Celular ă Profesor coordonator : Fă F ărcăş rcăşanu anu Ileana Studenţ Studenţi : Mitran Corina – Mihaela Stoian Ana Trucă Trucă Alina Facultatea de Chimie Bucureş Bucure şti , Secţ Secţia BTH , anul III , 2013
Ne întrebăm ce au în comun : ligamentele care unesc două oase şi pe care la ţin împreună, oasele şi muşchiul scheletic, tendoanele care leagă muşchii de oase şi ţesutul conjunctiv ce face 1
pielea să fie fermă şi elastic. Ei bine toate acestea au în conum un element “ minune “ dacă îl putem numi aşa şi anume COLAGENUL . Din relatările oamenilor de ştiinţă , în momentul de faţă se cunosc despre colagen urmatoarele : este o proteină multifuncţională ce se gaseşte atât în corpul uman cât şi în cel al animalelor şi este cea mai răspândită protein din organismul nostru. Etimologia colagenului derivă de la substantivul “ kola “ care înseamnă lipici şi după cum îi spune şi numele a fost folosit de către corpul uman cât şi cel animal în acest scop. Colagenul are o putere elastic impresionantă şi este cel mai important element ce se găseşte în piele şi oase , tendoane, cartilagii şi ligamente. El reprezintă cadrul matricei extracelulare a pielii, oaselor şi cartilagiilor. Colagenul este una dintre proteinele structural fibroase ale căr ei funcţii sunt diferite de cele ale proteinelor globulare , cum ar fi enzimele. Legătura durabilă a colagenului este fibra de colagen , component majoritar în matricea extracelulară care susţine majoritatea ţesuturilor şi dă structura exterioară a celulei , dar colagenul se poate găsi de asemenea şi în interiorul celulei. Acesta se află în proporţie de 25 % din totalitatea proteinelor corpului. În cazul osului colagenul reprezintă 23% din masa uscată cu toate acestea, aceste procent este sufficient pentru a corespunde la 90 % din matricea lui organic. Colagenul apare şi în unele organe interne într-un procent mai mic. Concentraţia colagenului,elastinei şi proteoglicanilor polianionici din unele organe (g/ 100g ţesut uscat) Organ
Colagen
Elastină
Proteoglicani anionici
Oase(demineralizate)
88
-
0,8
Oase(în totalitate)
22,8
-
0,2
Tendonul lui Achile
86
4,4
0,5
Piele
71,9
0,6
-
Cornee
68,1
-
4,5
Cartilaj
46-64
-
20,4-37,1
Ligament
17
74
-
Aortă
12,24
30-57
5,9
Plămân
10
3-7
-
Ficat
3,9
0,16-0,30
-
2
Aşa cum am menţionat anterior colagenul conferă organismului rezistenţă şi integritate structural, totodată , colagenul este unicul constituent ce prezintă rezistenţă la tracţiune pentru organismele superioare. Dintre cele 25 de tipuri de colagen care există 15 dintre ele sunt mai cunoscute şi doar 4 ( primele patru ) sunt cele mai răspândite. Colagenul de tip I este cel mai abundant în organism şi poate fi gasit în oase, tendoane, ligament , piele, albul ochilor şi alte ţesuturi, fiind abundant şi în ţesuturile cicatriciale . Tipul II de colagen se află situate în cartilagii, cel de-al III – lea tip este localizat în oase , măduvă şi limfa ţesuturilor ce se caracterizează de o creştere rapidă. Cel de-al IV lea tip este reprezentat de colagenuldim membrane capilarelor.
Cu mult timp în urmă , pe baza unor studii efectuate în acea periodă se ajunsese la concluzia că în organism colagenul ce s-a format pe parcursul dezvoltării ramâne acelaşi pentru toţ parcursul vieţii. Aceste teorii susţineau că pentru colagen nu ar exista o stare termodinamică de reînnoire aşa cum ar fi existat pentru alte protein existente în organism. O avalanşă de noi cercetări , cercetări în car e s-a folosit aparatură de o calitate superioară şi cu rezultate mult mai clare. Din aceste cercetări s-a putut observa că în diverse procese normale precum şi patologice , colagenul este supus unor procese metabolice de biosinteză sau degradative. Aceste procese implicându-se în metabolismul general al colagenului. 3
Biosinteza colagenului este astăzi un process foarte cunoscut. Procesul presupune parcurgerea a etape ce se înlănţuiesc într -o formă bine ordonată şi permite trecerea de la aminoacizii liberi la fibra de colagen. Etapele acestui process sunt : -
Asamblarea aminoacizilor Hidroxilarea unor resturi de prolină(prolil) şi de lizină ( lizil ) Formarea helixului Glicolizarea Expulzarea din celulă Transportul la fibrila în creştere Transformarea procolagenului în colagen Formarea aldehidelor Formarea fibrilei Stabilirea legăturilor încruciş
4
Unirea aminoacizilor are loc în fibroblaşti, trecându-se prin aceleaşi etape prin care se biosintetizează toate proteinele. Este caracteristic însă faptul că printre aminoacizii constituitivi predomină glicina (33%) reprezentând fiecare al treilea rest aminoacidic (X-Y-Gli)n .Într-o măsură mai mică (23%) se află prolina iar într -o proporţie şi mai redusă se găsesc doi aminoacizi atipici:
hidroxiprolina
HO
H C
CH2
H2C
CH
şi
CH2
COOH
NH 2
N H 4-hidroxiprolina
CH
hidroxilizina:
(CH2)2
OH
CH
COOH
NH2
5-hidroxilizina
Aceşti doi aminoacizi atipici provin din prolină şi lizină iar hidroxilarea lor se face în prezenţa anumitor enzime (prolilhidroxilaza şi lizilhidroxilaza).În ceea ce priveşte prolilhidroxilaza, s-a dovedit că pentru a fi activă enzima necesită prezenţa oxigenului molecular, a ionilor Fe2+ şi a vitaminei C.(Întreg acest sistem funcţionează prin cuplare cu oxidarea αcetoglutaratului la succinat.)Se înţelege, în aceste condiţii,că deficienţa vitaminei C afectează hidroxilarea şi-prin urmare-obţinerea unui colagen normal. Procesul de asamblarea al aminoacizilor decurge rapid;200 aminoacizi/minut.Aceasta înseamnă că biosinteza unei catene de 1000-1100 aminoacizi are loc în 5-6minute. Lanţurile polipeptidice rezultate iau conformaţia elicei şi de aceea, se numesc lanţuri α. Deoarece secvenţele de aminoacizi şi hidroxilările la nivelul la nivelul resturilor prolil sau lizil nu sunt identice în toate lanţurile polipeptidice,se constitue-în genere-două feluri de lanţuri α numite respectiv-lanţuri α1 (cu variantele I,II,III,IV) şi lanţuri α2.Acestea sunt totuşi omoloage fiind formate din circa 1050 resturi de aminoacizi şi având în multe poziţii secvenţe identice. Lanţurile α au masa de 90-95 kdaltoni. În organismele superioare (specii de vertebrate evoluate) s-au evidenţiat - până în prezent – 11 tipuri de colagen şi nu este exclus să se mai descopere în alte tipuri. 5
Tipurile de colagen cunoscute actualmente se deosebesc prin structura lor la nivel molecular:fie din cauza modificărilor survenite în procesele care au loc după translaţiile intra – şi extracelulare în cursul biosintezei, fie datorită diverselor asamblări şi organizări posibile a moleculelor în structurile supramoleculare. Tipurile de colagen Tipul
Nr.lanţurilor
Lanţuri
Masa
Colagenic
distincte
distincte
lanţurilor
Distribuţia tisulară
(kD)
Tip I
2
α1 (I)
95
1
α2 (I)
95
Tip II
1
α1 (II)
95
Cartilaj,disc intervertebral,corp vitros
Tip III
1
α1 (III)
95
Piele fetală,sistem cardiovascular
Tip IV
2
α1 (IV)
170-
Membrana bazală
1
α2 (IV)
185
3
α1 (V)
130-
Aceleaşi ţesuturi ca la tipul I,dar
α2 (V)
200
În cantităţi mult mai mici
α1 (VI)
140-
Vilozităţi placentare
α2 (VI)
240
Tip V
Piele,tendon,os,cornee
α3 (V) Tip VI
3
α3 (VI) Tip VII
α1 (VII)
170
Membrane placentare
Tip VIII
1
α1 (VIII)
~150
Celule endoteliale
Tip IX
3
α1 (IX)
85
Cartilaj hialin
α2 (IX) α3 (IX) Tip X
1
α1 (X)
59
Cartilaj hialin
Tip XI
3
α1 (XI)
~100
Cartilaj hialin
α2 (XI) α3 (XI)
6
Din cele 11 tipuri distincte de colagen,cele mai răspândite în organismele superioare sunt primele patru tipuri .În formă restrânsă,compoziţia lor moleculară – care exprimă natura lanţurilor constitutive – se scrie adesea în felul următor: I[2 α1 (I), α2 (I)]; II[3 α1 (II)]; III[3 α1 (III)]; IV[2 α 1 (IV), α2 (IV)]. Este de remarcat faptul că lanţurile α din constituţia oricărui tip de colagen se deosebesc de lanţurile α din alte proteine deoarece au „pasul”mult mai mare (9,3Å);deci sunt mai întinse. Distanţa dintre doi aminoacizi măsurată în lungimea elicei este de 3,3Åfaţă de 1,4Å din lanţurile α obişnuite .Această dispunere spaţială este impusă de numeroasele resturi de prolină aflate în lanţ .Într -adevăr ,heterociclurile de prolină stânjenesc formarea unei elice mai strânse (cu pasul mai mic). Asocierea a trei lanţuri α (3α1 sau 2α1 şi 1α2 ) şi împletirea lor , unul asupra altuia , tot în formă helicoidală au ca rezultat formarea unei elice triple cu pasul de ~28 Å .În ansamblu ,aceasta este structura unităţii de bază a colagenului ,numită tropocolagen .
Fig.1-Tripla elice a tropocolagenului
Tropocolagenul se prezintă sub forma unui bastonaş lung (300nm) şi subţire (1,4nm) .În fibrele de colagen moleculele de tropocolagen sunt asociate atât în lungime cât şi în lăţime.Pe de altă parte , fiecare moleculă este deplasată faţă de cea alăturată cu un sfert din lungimea ei (Fig.2).În acest fel fibra capătă un aspect striat ; cu zone mai clare separate de zone mai întunecate. 7
Fig.2-Asocierea moleculelor de tropocolagen
La grupele OH din hidroxilizină aflate în unele poziţii ale lanţurilor α se leagă glicozidic resturi constituite din glucoză şi galactoză (glucozil – galactoză).Această glicozilare precede expulzarea din celulă. Colagenul aflat în stadiu de formare intracelulară se numeşte procolagen . Expulzarea lui din fibroblast are loc printr-un mecanism încă necunoscut. În spaţiul extracelular procolagenul pierde unele resturi peptidice , neîmpletite ,de la capătul N-terminal al lanţurilor care cuprind porţiuni cu 20 resturi de aminoacizi (telopeptide). Îndepărtarea acestor resturi de aminoacizi are loc sub acţiunea hidrolizantă a procolagen – peptidazei .
Unirea entităţii dizaharidice cu grupul hidroxil
Transformarea procolagenului în tropocolagen
al restului de hidroxilizină din catena polipeptidică a procolagenului
8
După cum se observă ,odată cu îndepărtarea celor trei peptide N-terminale (fiecare având masa de aproximativ 15kD), se îndepărtează şi trei peptide de la capetele C-terminale (fiecare cu masa de aproximativ 30kD). Regiunile C-terminale ale celor trei lanţuri α cuprind legături disulfidice intercatenare. Ulterior , moleculele de tropocolagen rezultate se autoasamblează în microfibrile care se dispun paralel , fiind stabilizate prin legături covalente , încucişate. Formarea legăturilor încrucişare din microfibrile necesită parcurgerea următoarelor 4 categorii de procese extracelulare : (1) oxidarea unor resturi de lizină şi hidroxilizină la aldehidele corespunzătoare (alizină şi hidroxializină ) sub acţiunea enzimei numită colagen-lizin oxidaza care este inactivă faţă de aminoacii respectivi când se află în stare liberă; (2) condensarea aldehidelor formate cu resturi de lizină conducând la bazele Schiff corespunzătoare; (3) condensări (aldolică şi crotonică) a două resturi de aldehidă; (4) condensarea, de tip crotonic, aldehidei cu resturi de histidină. Datorită acestor legături încrucişate inter - şi intramoleculare, fibrilele de colagen capătă o mare rezistenţă mecanică. Este de remarcat că odată cu înaintarea în vârstă numărul legăturilor încrucişate creşte. Pe de altă parte, diversele tipuri de colagen se deosebesc între ele şi prin numărul legăturilor încrucişate precum şi prin grosimea fibrelor. Astfel, colagenul de tip I este constituit din fibre mai groase care au un conţinut mai redus de hidroxilizină şi glucide. Mai multe microfibrile de colagen, vizibile numai la microscopul electronic, se asociază constituind fibrele de colagen, vizibile la microscopul optic. În fond, din punct de vedere al compoziţiei şi structurii sale, fibrila de colagen este produsul final al unei agregări proprii – bine cunoscute şi controlate – de aminoacizi dispuşi în anumite secvenţe. Este de remarcat că deşi biosinteza colagenului decurge în acelaşi fel în toate ţesuturile (parcurgându-se cele 10 etape menţionate anterior), microfibrilele rezultate se se dispun în mod deosebit în diverse organe. Astfel, în tendoane formaţiunile fibrilare (microfibrile, fibrile) sunt dispuse în mănunchiuri paralele; în piele microfibrilele sunt orientate într -un acelaşi plan iar în cartilaje ele sunt asociate cu proteoglicani, astfel încât nu se mai pot recunoaşte microfibrilele 9
individuale. O altă deosebire importantă în cazul colagenului din diverse organe sau ţesuturi se referă la diametrul microfibrilelor: el este de 150-250 Å în cartilaje, 300 Å în cornee, 600 Å în piele şi 300-1200 Å în tendoane. De asemenea, odată cu înaintarea în vârstă, diametrul microfibrilelor de colagen din diverse ţesuturi creşte apreciabil, putând ajunge până la valoarea maximă de 2000 Å. Colagenoliza. Colagenul izolat din diverse ţesuturi se reînnoieşte în perioade variabile de
timp, în funcţie de organul căruia aparţine. Astfel, studiile cu izotopi radioactivi – făcute pe şobolani – au dovedit că timpul de înjumătăţire al colagenului din piele este de 200 zile, al celui din muşchi de 60 zile şi al celui din ficat de 30 zile. Se cunosc şi situaţii în care colagenul se degradează şi se reînnoieşte mult mai repede; spre exemplu, în involuţia uterului după naştere şi în vindecarea rănilor. Indiferent de ritmul de reînnoire, în procesele fiziologice normale există un echilibru foarte bine păstrat între biosinteza colagenului şi degradarea lui. Această degradare se mai numeşte colagenoliză şi are loc sub acţiunea unor enzime hidrolitice numite colagenaze. Colagenazele sunt secretate de către celulele ţesutului conjuctiv sub formă inactivă, de procolagenaze. În mediul extracelular ele sunt activate şi îşi exercită acţiunea hidrolitică. În urma intervenţiei colagenazelor, din colagen rezultă peptide cuprinzând hidroxiprolina sau chiar hidroxiprolină liberă. Hidroxiprolina nu poate fi reutilizată pentru biosinteza de colagen. De aceea, sete luată de sânge (devenind un component al plasmei) şi dusă la ficat unde este degradată .O parte din hidroxiprolina plasmatică se elimină prin urină . Pentru motivul că toate procesele degradative ale colagenului au loc cu intervenţia colagenazelor iar în urma acţiunii lor se eliberează hidroxiprolină,dozarea acestui aminoacid în plasmă şi în urină are rol de diagnostic. Într -adevăr, nivelul crescut al hidroxiprolinei libere în plasmă sau a celei urinare este adesea un indicator preţios pentru aprecierea diverselor stări patologice însoţite de colagenolize (hiperparatiroidism primar ,unele boli osoase).
10
Bibliografie : 1 ) Molecular Cell Biology 5th ed - Lodish et al – pag. 216-223 2 ) http://en.wikipedia.org/wiki/Collagen 3 ) http://www.i-medic.ro/articole/colagenul
11
12
