GAGs e collagene: struttura e funzione

• Ialuronani, condroitin solfato, eparan solfato e cheratan solfato sono esempi di GAGs.
• I GAGs legati a proteine si aggregano nella cartilagine e sono fondamentali per la formazione dei proteoglicani.

Collagene

• Il collagene è la proteina più abbondante nei mammiferi e la sua struttura varia nei diversi organi.
• La molecola di base del collagene è il tropocollagene.
• Tre eliche (non alfa-eliche) ricche di glicina e prolina si avvolgono per formare fibre insolubili ad alta resistenza.
• La sequenza primaria del collagene è composta da triplette ripetute di amminoacidi: glicina-prolina-(prolina o idrossiprolina, lisina o raramente altri amminoacidi).
• La lisina è un amminoacido comunemente presente nel collagene, occupando circa il 20% delle terze posizioni nelle triplette.
• Amminoacidi "grandi" e "carichi" come il triptofano, l'istidina o il glutammato sono assenti nel collagene che predilige amminoacidi piccoli per la sua struttura secondaria.
• Per motivi di ingombro sterico, ogni tre amminoacidi deve esserci un residuo di glicina
• La struttura secondaria del collagene è l'elica C, specifica per questa molecola.
• Il grafico di Ramachandran prevede strutture proteiche termodinamicamente possibili, inclusa l'elica C.
• A differenza dell'alfa elica, che è comune nella maggior parte delle proteine, l'elica C si trova solo nel collagene.
• L'elica C è stretta e il passo dell'elica è molto piccolo, quindi è avvitata strettamente.
• Per l'avvitamento stretto, la catena deve essere composta da amminoacidi piccoli e non carichi.
• Tre eliche C si associano per formare una triplice elica, che è la struttura terziaria stabile del collagene.
• Il collagene non è una singola proteina ma una famiglia, con 33 geni specifici che possono associarsi in modi diversi.
• Le triplici eliche possono essere omotriplici o eterotriplici, influenzando la loro formazione(Margine di incertezza)
• Il collagene costituisce il 25% della massa corporea, con 19 tipi divisi in classi.
• La proteina del collagene è grande e insolubile in acqua, a meno che non si trovi in un ambiente molto acido.
• Più prolina che lisina nelle sequenze del collagene perché questi amminoacidi subiscono modifiche post traduzionali essenziali per la struttura finale.
• La prolina e la lisina subiscono idrossilazione grazie agli enzimi prolinidrossilasi e lisinidrossilasi, che dipendono dalla vitamina C.
• La carenza di vitamina C compromette la sintesi di collagene.
• Il collagene viene sintetizzato come un precursore chiamato tropocollagene all'interno della cellula.
• Una volta secreto, le molecole di tropocollagene si sovrappongono per formare una fibrilla di collagene.

Struttura del collagene

• L'idrossiprolina è fondamentale per la formazione di ponti a idrogeno.
• l'idrossilisina è una lisina idrossilata con un gruppo -OH
• La prolina può essere idrossilata in posizione 3 o 4 (3-idrossiprolina e 4-idrossiprolina), mentre la lisina solo in posizione 5.
• Struttura primaria: sequenze ripetute Gly-X-Y, X è spesso Pro e Y è spesso OH-Pro, composte da circa 1000 residui
• Struttura secondaria: elica sinistrorsa con 3,3 residui/giro e 0,9 nm/giro, senza legami ad idrogeno intracatena
• Strutture terziaria e quaternaria: 3 catene formano una superelica destrorsa

Forza del collagene

• Il collagene è la proteina più diffusa all'interno del corpo che le conferisce resistenza alla tensione.
• Questa forza deriva dai legami a idrogeno tra le idrossiproline.
• I monomeri di procollagene sono uniti tra loro fuori dalla cellula, sfalsati per conferire forza.
• Cross-links, legami tra lisine non idrossilate, agiscono come "cemento" tra le fibre stabilizzandole ulteriormente.
• Il collagene ha un auto assemblaggio spontaneo con legami intra-catene(minima parte) e inter-catena(maggior parte dei casi).
• Il processo di auto assemblaggio è guidato da diverse proteine, che fungono da chaperons: PPI, Hsp47, disolfuro-isomerasi

Modificazioni post-traduzionali

• Oltre all'idrossilisina e all'idrossiprolina, l'allisina, una lisina ossidata, "cementifica" i mattoni formando ponti disolfuro.
• Questi ponti disolfuro si formano grazie all'azione della lisina ossidasi che ossida due lisine rendendole appiccicose.
• Le due lisine si legano formando un legame covalente aldolico per formare un'allisina.
• La formazione di legami crociati può avvenire tramite l'unione di due allisine o di una lisina e un'allisina generando un base di shiff.

Sintesi del collagene(processo)

• Nel reticolo endoplasmatico rugoso sono presenti la prolina-ossidasi e la lisina-ossidasi
• L'idrossilazione della prolina, dipendente da vitamina C, stabilizza la tripla elica
• l'idrossilazione della lisina, dipendente da vitamina C e dal ferro (Fe2+), fornisce il substrato per la glicosilazione.
• Pendagli glicidici si aggiungono alle idrossilisine.
• Nella parte terminale, la successione delle triplette diminuisce lasciando spazio a cisteine per formare ponti disolfuro stabilizzando l'elica.
• Il tropocollagene è pronto per lasciare la cellula tramite le vescicole del reticolo endoplasmatico
• La modificazione extracellulare primaria elimina le sequenze di cisteine tramite proteasi n-terminali e c-terminali
• A questo punto, i monomeri si dispongono in modo sfalsato e si formano ponti crociati(cross-links)

Collagene al microscopio elettronico

• Al microscopio elettronico(ME) le molecole di collagene sono grandi e zigrinate.
• Quest'ultima caratteristica è data dalla sfalsatura delle molecole di tropocollagene.
• Le fughe tra le molecole sono punti di differente densità incontrati dagli elettroni del microscopio.

Biosintesi

• La biosintesi avviene sia dentro sia fuori dalla cellula
• La sintesi delle eliche C avviene all'interno della cellula
• Le modifiche post-traduzionali(idrossilazione lisina e prolina e ossidazione della lisina) avvengono sempre all'interno della cellula
• Il filamento di tropocollagene presenta strutture disorganizzate(assenza triplette classiche) con delle cisteine ossidate agli estermi da enzimi
• Queste parti terminali vengono tagliate una volta ossidate(e strette dai legami a idrogeno) per dare il frammento definitivo
• Nella parte extracellulare avviene la maturazione(legami crociati/legami covalenti doppi) del tropocollagene per aumentare la forza del collagene

Geni del collagene

• Ci sono circa 45 geni del collagene localizzati in molti cromosomi, originati sempre tramite duplicazione genica e composti da più o meno 3000 basi
• L'espressione del collageno ha moltissimi sistemi di regolazione

Enzimi

• Lisil-idrossilasi catalizza l'aggiunta di un gruppo OH alle lisine(dipendente con ferro e vitamina C)
• Prolil-idrossilasi catalizza l'aggiunta di un gruppo OH alle proline(dipendente con ferro e vitamina C)
• prolil-idrossilasi>lisil-idrossilasi perché se mancano le idrossilazioni proliniche il collagene non si organizza e non riesce ad avere forza intercatena
• Lisil-ossidasi converte lisine ed idrossilisine in allisina e idrossiallisine(dipende dal rame)

Arrangiamento delle fibrille

• Tendini: devono sopportare una forza su un'unica direzione tramite le fibre parallele
• Cute: sopportare le direzioni diverse tramite le foglie di fibre stratificate
• Cartilagine: casuale perché è soggetta a sollecitazioni meno impattanti
• Cornea: impilati a croce per impedire il scattering della luce

Approfondimento ruolo lisil-ossidasi

• Agisce sulla matrice ed impatta sulla maturazione del collagene, non sulla sua biosintesi
• Le cellule tumorali si muovono sfruttando la matrice matura espressa sulla cellula tumorale(integrine)
• Bloccare la lisil-ossidasi può considerarsi una terapia anti-metastatica

Collagenopatie

• Sono patologie invalidanti e coinvolgono tutte le strutture dove c'è il collagene
• Osteogenesi Imperfetta: osteoporosi pediatrica, fragilità ossea, riduzione massa ossea
• Sindrome di Ehlers Danlos(EDS): causa principale dell'aumento della lassità articolazioni e cartilagini
• Sindrome di Menkes: fragilità ossea
• Scorbuto: carenza vitaminica

Stabilità del collagene

• Esistono dei collagenasi che lo idrolizzano(espresse dalle cellule tumorali).
• Il turnover è accompagnato dall'escrezione di idrossi-lisina e idrossi-prolina.
• quantificare i propeptidi del collageno(marker serici) serve a misurare il turnover del collagene

Patogenesi

• Alterazione del collagene I, formato da 2 catene alfa-1 (COL1A1) e una catena alfa-2 (COL1A2)
• le Osteogenesi Imperfette sono dovuti alla malformazione del collagene dovuti alla alterazioni post traduzionali e mutazioni di enzimi successivi

Elastina

• La "cugina" dell collageno è la principale comonente delle fibre elastiche dei tessuti
• La sua struttura elastica si deve a legami e modifiche post tradizionali
• La biosintesi e struttura primaria è simile al collageno ma non ha idrossilisine
• Idrossilazione proline per fare ponti a idrogeno
• I legami crociati sempre tra allisine e lisine(lisil ossidasi) coinvolgono 4 lisine
• La fusione di 4 catene allisiniche e lisine formano desmosina(elasticità)
• Struttura primaria: non è del tutto simile al collagene a causa della molte proline non dissodilate
• La macromolecola si basa sul concetto di "rubberlike elasticity"

Desmosina

• Legame composto da 4 lisine: la lisil-ossidasi--> ossida le lisine-->condensazione aldolica --> forma desmosina/isodesmosina

Emoglobina

• È la prima proteina di cui è stata studiata la struttura ed è il il capostipite del gruppo globine
• Struttura proteica prevalentemente costituita da a-eliche e un gruppo prostetico, il gruppo eme
• Funzione: legare l'ossigeno al momento giusto e nel posto giusto
• Bisogna distinguerla dalla mioglobina: la prima ha il compito di trasportare l'ossigeno, la seconda ha il compito di accumularlo

Mioglobina ed Emoglobina

• l'accumulatore e il trasportatore: motivo proteine totalmente diverse(sono della stessa famiglia)
• la mioglobina e le globine sorelle sono monomeriche mentre l'emoglobina è tetramerica, il tetramero ha bisogno di regolazione

Ossigeno

• Svolge un ruolo molto importante per il nostro metabolismo, infatti esistono proteine devolute al suo accumulo e al suo trasporto ed esistono sistemi di sensing, di sensibilizzazione della quantità di ossigeno
• l'ossigeno permette alle cellule di respirare, cioè consumare i nutrienti(lipidi, glucidi, protidi ecc.) nei mitocondri ricavandone tantissima energia: per ricavare energia
• a causa del problema del poco solubile bisogna fare un trasportatore: l'emoglobina

Emoglobina

• Costituita da 4 subunità: 2 catene a e 2 catene ẞ(diversi tipi)
• L'emoglobina dell'età post-natale è l'emoglobina A1, tutte le catene hanno il gruppo eme

Subunità Eme(Atomo di ferro)

• è planare con un атомо di ferro in mezzo con 4 anelli chiamati pirroli uniti da legami coppie e singoli
• l'atomo di ferro ha 6 legami di coordinazione con 4 N, 1 è un legame di istidina e l'ultima è reversibilmente con O
• La molecola con un angolo di 180 è per esempio con il monossido di carbonio(CO)=troppo stabile e non si lega più ad O, in contrario l'O deve essere legato un pò storto
• Storto perchè presente anche un'altra istidina distale che garantisce di tenerlo angolato in modo tale da farlo rilasciare
• La emoglobina hanno due istidine una serve a tener ferma la molecola del binding dell' ossigeno
• Gli emoglobina che prendono il CO sono persi

Stati della struttura quaternaria

• l'emoglobina cambia ad adatta cambia conformazione a seconda che abbia legato o no l'ossigeno
• Deossiemoglobina bassa affinità all'ossigeno
• Ossiemoglobina altra affinità all'ossigeno
• Effetto cooperativo: il legame con la prima molecola cambia aumentando la probabilità di aggiungerne altre