Proiect

Colagenul

Materia : Biologie Celulară

Profesor coordonator : Fărcăşanu Ileana

Studenţi : Mitran Corina – Mihaela

Stoian Ana

1

Trucă Alina

Facultatea de Chimie Bucureşti , 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 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 cărei 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 -

2

Ficat 3,9 0,16-0,30 -

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

3

cercetări , cercetări în care 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.

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 şi hidroxilizina:

5

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 α-

cetoglutaratului 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.

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.

6

Tipurile de colagen

Tipul

Colagenic

Nr.lanţurilor

distincte

Lanţuri

distincte

Masa

lanţurilor

(kD)

Distribuţia tisulară

Tip I 2

1

α1 (I)

α2 (I)

95

95

Piele,tendon,os,cornee

Tip II 1 α1 (II) 95 Cartilaj,disc intervertebral,corp vitros

Tip III 1 α1 (III) 95 Piele fetală,sistem cardiovascular

Tip IV 2

1

α1 (IV)

α2 (IV)

170-

185

Membrana bazală

Tip V 3 α1 (V)

α2 (V)

α3 (V)

130-

200

Aceleaşi ţesuturi ca la tipul I,dar

În cantităţi mult mai mici

Tip VI 3 α1 (VI)

α2 (VI)

α3 (VI)

140-

240

Vilozităţi placentare

Tip VII α1 (VII) 170 Membrane placentare

Tip VIII 1 α1 (VIII) ~150 Celule endoteliale

Tip IX 3 α1 (IX)

α2 (IX)

α3 (IX)

85 Cartilaj hialin

Tip X 1 α1 (X) 59 Cartilaj hialin

Tip XI 3 α1 (XI)

α2 (XI)

α3 (XI)

~100 Cartilaj hialin

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 α1 (IV), α2 (IV)].

7

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.

Fig.2-Asocierea moleculelor de tropocolagen

8

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

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

9

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

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

10

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).

11

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

12

13