Collageni

1. MEC Collageni

2. Julian Fooshttp://www.julianvossandreae.com/ «Sbrogliando il Collagene» (dettaglio), 2005, Acciaio inossidabile Localizzazione fino alla Primavera di 2008: Orange Memorial Park Sculpture Garden Il collagene, la più abbondante proteina del corpo umano, struttura i nostri corpi, proteggendo e sostenendo i tessuti più morbidi e collegandoli con lo scheletro. E’ responsabile dell’elasticità della pelle e la sua degradazione porta alle rughe che accompagnano l’invecchiamento.

3. Strutture extracellularidelle cellule eucariotiche Becker

4. Top Bottom Center Majno & Joris, 2004

5. Analisi ultrastrutturale delle fibrille collagene. A: Colorazione negativa che rivela una striatura periodica delle fibrille. B: Ombreggiatura rotatoria che mostra le molecole di collagene IX che «decorano» la superficie delle fibrille nella cartilagine. C: Microscopia di forza atomica che mette in risalto le microfibrille che compongono le fibre più spesse.

6. La composizionerelativa e la quantità di collagenidiversi influenza l’organizzazionedellamatricedeitessuticonnettivali. Le fibrillesottili non orientate sonocomposte da collageneII/XI e IX. I tendinicontengonograndifasci di fibrilleparallele, chesonoessenzialmentefatti da collagene I con piccolequantità di collagene III e IV. La disposizioneortogonale di fibrillesottili e regolaridella cornea contienequantitàinsolitamentealte di collagene V. Le fibrille di dimensionieterogeneechesitrovanonel derma sonocomposte da unamiscela di collageni I e III e da piccolequantità di collagene V.

7. Pelle di girino: disposizione tipo legno compensato delle fibrille … Questa composizione si trova anche nell’osso maturo e nella cornea. http://www.wellesley.edu/Chemistry/chem227/structproteins/strctprt.htm http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26810/figure/A3561/?report=objectonly

8. Collageni • Famiglia di glicoproteine fibrose, caratteristiche per la loro alta resistenza alla trazione (resistenza alle forze di stiramento), che svolgono la loro funzione escusivamente nella matrice extracellulare. • Il collagene è prodotto principalmente daifibroblasti, ma anche dalle cellule muscolari lisce ed epiteliali. Karp/Gartner

9. Collagene, segue_1 • Sono stati identificati circa 42 tipi distinti di collagene. • Ogni tipo ha una sua particolare localizzazione nel corpo, ma nella stessa MEC sono presenti spesso 2 o più tipi di collagene diversi. • E’ probabile che le diverse proprietà strutturali e meccanichedipendano dalle differenti miscele di collagene nelle fibre. • Un’ulteriore complessità funzionale sta nei tipi diversi di collageni all’interno della stessa fibra (“blend” diversi).

10. Collagene • Formato da fibrileparallele • Elevato modulo di elasticità* • Diversi tipi (e.g. tipeI) • Costituentiprincipalideitendini *Il modulo di elasticità è una grandezza caratteristica di un materiale che esprime il rapporto tra tensione e deformazione nel caso di condizioni di carico monoassiale ed in caso di comportamento di tipo "elastico" del materiale.

11. Collagene, segue_2 • Nonostante le molte differenze tra i diversi membri della famiglia, tutti condividono almeno due importanti caratteristiche strutturali: • Tutte le molecole di collagene sono dei trimeriformati da tre catene polipeptidiche, dette catene . • Per almeno una parte delle loro lunghezza, le tre catene polipeptidiche sono avvolte l’uno intorno all’altra in una caratteristica tripla elica. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26810/figure/A3552/?report=objectonly Karp

12. Collagene, segue_3 • I collageni hanno una composizione aminoacidica inusuale: hanno un elevato contenuto di glicina e di aminoacidi rari, pressoché assenti in altre proteine, quali l’idrossiprolina e l’idrossilisina. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26810/figure/A3556/?report=objectonly

14. Collagene, segue_4 • La presenza di glicina rende possibile la formazione della tripla elicain quanto la spaziatura della glicina nella sequenza aminoacidica la posiziona sull’asse dell’elica e questo è l’unico aminoacido sufficientemente piccolo da trovar spazio all’interno della tripla elica stessa. • La stabilità delle fibrille di collagene è rinforzata da ponti idrogenoche coinvolgono gli ossidrili dei residui di idrossiprolina e di idrossilisina delle catene . Questi ponti idrogeno formano legami crociati sia all’interno che tra le singole molecole di collagene presenti in una fibrilla. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26810/figure/A3558/?report=objectonly

15. http://csls-text3.c.u-tokyo.ac.jp/active/11_05.html

16. Collagenesegue_5 • Gli aminoacidi idrossilati sono importanti per assicurare la stabilità della tripla elica mediante la formazione di legami di idrogeno fra le catene componenti. • Le condizioni che impediscono l’idrossilazione della prolina provocano lo scorbuto, malattia derivante dalla carenza di vitamina C (ac. ascorbico), caratterizzata da gengive infiammate e perdita dei denti, difficoltosa guarigione delle ferite, ossa fragile e indebolimento della parete dei vasi sanguigni, con conseguenti emorragie interne. • L’acido ascorbico è il coenzima dell’enzima che addizione gruppi idrossilici alla lisina e alla prolina del collagene.

17. «Limey»: appellativo dei marinai inglesi ai quali venivano forniti «limes»(Citrus aurantifolia) per impedire lo scorbuto.

18. Prolina idrossilasi

19. Motivo a tripletaGly–X–Y del collagene. Sono illustrate porzionirappresentative di tresingolecatene α (designate 1, 2, 3). Ogni catena comprende la glicina (nero), la prolina(positzione“X”, blu) e idrossiprolina(posizione“Y”, rosso). Un legamed’idrogenosi forma frailN–H dellaglicinain ogni catena e ilgruppocarbonilicodellaprolinasulla catena adiacente. Il legamed’idrogenofra le catene 1 e 3 non è illustrato per semplificare. Muiznieks LD, Keeley FW. Molecular assembly and mechanical properties of the extracellular matrix: A fibrous protein perspective. Biochim Biophys Acta. 2012 Dec 6. doi:pii: S0925-4439(12)00283-9. 10.1016/j.bbadis.2012.11.022. [Epub ahead of print]

20. Collagene segue_6 • Nello scorbuto, le catene pro- sintetizzate non riescono a formare triple eliche stabili e vengono immediatamente degradate all’interno della cellula. • Il danno si sente soprattutto nei tessuti in cui la sintesi, degradazione e sostituzione del collageno sono relativamente rapidi. • In altri tessuti come l’osso, il turnover del collagene sembra essere molto lento. Nell’osso, le molecole di collagene persistono per circa 10 anni prima di venire degradate mentre il turnover delle proteine nelle cellule può essere di ore o giorni.

22. Ambiente extracellulare Le interazionilateralidelleeliche del collagenesonostabilizzatemediante “cross-link” di tipoaldolicofra le catenelaterali di due lisine (o idrossiline). L’enzimaextracellularelisilossidasicatalizza la formazionedeigruppialdeidici. La lisilossidasi è Cu-dipendente http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21582/figure/A6548/?report=objectonly

23. Lisil ossidasi e collagene: ambiente extracellulare http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Tropocollagen_cross-linkage_lysyl_oxidase_%28EN%29.svg

24. Tipi di collagene • Tipo I: collagene principale delle pelle e osso (+ comune) • COLLAGENI FIBRILLARI: lunghe strutture a corda ininterrotte o con poche interruzioni. • Dopo la secrezione nello spazio extracellulare si assemblano in polimeri di ordine superiore (FIBRILLE DI COLLAGENE), strutture sottili (10-300 nm diametro), lunghe centinaia di micron nei tessuti maturi (visibili microscopio elettronico). • Le fibrille spesso si aggregano in fasci più grandi, simili a cavi, con un diametro di parecchi micron (FIBRE DI COLLAGENE) (visibili microscopio ottico).

25. Tipi collagene segue • Collagenitipo IX e XII – collageniassociatiallefibrile. • “Decorano la superficiedellefibrile di collagene. • Si ritienechecolleghinoquestefibrile ad altrefibrile e allealtrecomponentidella ECM. • Collagenitipo IV e VII – Collagenicheformanoreti. • Collageno di tipo IV siassemblanoformandounostratofeltroso o rete checostituisce la principale parte della lamina basalematura. • Collageno di tipo VI: formanodimerichesiassemblano in strutturespecializzatedettefibre di ancoraggio. • Le fibre di ancoraggioaiutano a collegare la lamina basaledegliepitelipluristratificati al sottostantetessutoconnetivo. • “Collagen-like” proteins –inclusotipo VII – con dominiotransmembrananegliemidesmosomi, tipo XVIII, nella lamina basaledeivasisanguigni (frammento: endostatina)

26. Principali tipi di collageni

27. Tipi di collagene, localizzazione e struttura Becker

30. Strutturadella catena α dei collageni fibrillari (A), deicollageni associate allefibrille (FACITS) (B) … e di altricollageniinclusocollageni di membrana, multiplexine e collageneXXVI (C).

33. Collageni BIOSINTESI

34. Biosintesi del collagene • Le singole catene sono sintetizzate sui ribosomi legati alla membranadell’ER ed inserite nel lume dell’ER sotto forma di precursori di maggiori dimensioni: catene pro-. • I precursori hanno il breve peptide segnale di indirizzamento all’ER e aminoacidi addizionali – propeptidi – all’estremità C-terminale e N-terminale. • Nel lume dell’ER proline e lisine selezionate sono idrossilate a formare idrossiprolina e idrossilisina e alcune idrossilisine sono glicosilate. • Ogni catena pro- si combina con altre due formando una molecola elicoidale tenuta insieme da legami di idrogeno a tre filamenti - procollagene.

35. Eventi dopo la secrezione • I propeptidi sono rimossi da enzimi proteolitici specifici. • Le molecole di procollagenesi convertono in molecole di collageno, che si assemblano nello spazio extracellulare formando fibrille di collagene molto più grandi. • I propeptidi hanno almeno due funzioni: • Guidano la formazione intracellulare delle molecole di collageneno a tre filamenti. • Dato che sono rimossi solo dopo la secrezione, impediscono la formazione intracellulare di grandi fibrille di collageno. • La formazione delle fibrille è spinta in parte dalla tendenza delle molecole di collagene, 1000 volte meno solubili delle molecole di procollageno, ad autoassemblarsi. • Le fibrille inizano a formarsi vicino alla superficie della cellula in anfratti della membrana plasmatica derivanti dalla fusione di vescicole secretorie con la superfice cellulare.

37. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26810/figure/A3559/?report=objectonlyhttp://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26810/figure/A3559/?report=objectonly

38. Principali eventi della biosintesidei collageni fibrosi Le modificazioni del polipeptide procollageno nel reticolo endoplasmatico includono l’idrossilazione, la glicosilazione e la formazione di legami disolfuro. I legami disolfuro intercatenari fra i prepeptidi C-terminali dei tre procollageni allineano le tre catene in registro ed iniziano la formazione della triplice elica. Il processo continua come in una cerniera lampo verso l’estremitài N-terminale,.Tutte le modificazioni hanno luogo in una sequenza precisa nel RE ruvido,nel complesso di Golgi e nello spzio extracellulare e permettono l’allineamento laterale e la formazione dei cross-linkerscovalenti che permettono alle eliche di impacchettarsi nelle fibrille di 50nm di diametro. La regione ad α-elica è colorata in rosso. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21582/figure/A6551/?report=objectonly

39. http://ajplung.physiology.org/content/ajplung/304/11/L709/F2.large.jpghttp://ajplung.physiology.org/content/ajplung/304/11/L709/F2.large.jpg

40. http://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/79/1/7/F1.expansionhttp://cardiovascres.oxfordjournals.org/content/79/1/7/F1.expansion

41. Ricard-Blum S. The collagen family. Cold Spring HarbPerspect Biol. 2011 Jan 1;3(1):a004978.

42. Collagene, segue_5 • Inoltre, tra le fibre sono spesso presenti tipi di collagene specializzatila cui struttura a tripla elica è interrotta in più punti permettendo alla molecola di flettersie di funzionare da ponte flessibile tra fibrille di collagene adiacenti oppure tra fibrille ed altri componenti della matrice. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21582/figure/A6555/

43. Interazioni tra collageni fibrosi e collageni non fibrosi associati a fibrille (1) TENDINI • Nei tendini, le fibrille di tipo I sono tutte orientate nella direzione dello stress applicato al tendine. Proteoglicani e collagene di tipo VI si legano in modo non covalente alle fibrille, rivestendone la superficie. Le microfibrille di collagene di tipo VI, che contengono segmenti globulari e a triplice elica, si legano alle fibrille di tipo I, e le collegano in una fibra più spessa. Lodish, 7° ed, 2013 http://www.humpalphysicaltherapy.com/media/img/347556/foot_posterior_causes02.jpg

44. Interazioni tra collageni fibrosi e collageni non fibrosi associati a fibrille (2) b) Nella cartilagine, le molecole di collagene di tipo IX sono legate covalentemente a intervalli regolari lungo le fibrille di tipo II, Una catena di condroitin solfato, legata covalentemente alla catena α2 (IX) in un piegamento flessibile, si proietta all’in fuori dalla fibrilla, come lo fa la regione globulare N-terminale, Lodish, 7° ed, 2013 http://www.nature.com/nrrheum/journal/v2/n7/images/ncprheum0216-f1.jpg

45. TENDINE

46. Ricard-Blum S. The collagen family. Cold Spring HarbPerspect Biol. 3:a004978, 2011.

47. Ricard-Blum S. The collagen family. Cold Spring HarbPerspect Biol. 3:a004978, 2011.

48. Ricard-Blum S. The collagen family. Cold Spring HarbPerspect Biol. 3:a004978, 2011.

49. Ricard-Blum S. The collagen family. Cold Spring HarbPerspect Biol. 3:a004978, 2011.

50. Collageni Collagene di tipo iv Majno & Joris, 2004