COLLAGENI

11/04/2013
Julian Foos
http://www.julianvossandreae.com//
Unraveling Collagen (detail), 2005, Stainless steel
Location until Spring 2008: Orange Memorial Park Sculpture Garden
Collagen, the most abundant protein in humans, provides structure to our bodies, protecting and supporting the softer tissues and connecting them with the skeleton. It is responsible for skin elasticity, and its degradation leads to wrinkles that accompany aging.
MEC
COLLAGENI
Strutture extracellulari
delle cellule eucariotiche
Tipo
d’organismo
Struttura
extracellulare
Fibra
strutturale
Animali
Matrice
extracellulare
Collagene ed
elastina
Vegetali
Parete cellulare
Cellulosa
Componenti
idratati della
matrice
Proteoglicani
Molecole
adesive
Fibronectine e
laminine
Emicellulosa ed Pectine
estensine
Ultrastuctural analysis of collagen fibrils. A, negative staining revealing the periodic striation of the fibrils. B, rotary shadowing showing collagen IX molecules that decorates the surface of cartilaginous fibrils. C, atomic force microscopy enlightening the microfibrils that composed large fibers
Becker
The relative composition and amount of the different collagens influence the matrix organization of connective tissues. The non oriented thin fibrils present in cartilage are composed of collagen II/XI and IX. Tendon contains parallel large fibril bundles, which are essentially made of collagen I with small amounts of collagen III and V. Orthogonal array of thin and regulated fibrils in cornea contains unusual high amounts of collagenV. The heterogenous size of fibrils found in dermis are composed of a mixture of collagens I and III with small amounts of collagen V. http://www.wellesley.edu/Chemistry/chem227/structproteins/s
trctprt.htm
1
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Collageni
Collagene
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 dai fibroblasti, ma anche dalle cellule muscolari lisce ed epiteliali.
, 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 meccaniche dipendano dalle differenti miscele di collagene nelle fibre.
Un’ulteriore complessità funzionale sta nei tipi diversi di collageni all’interno della stessa fibra (“blend” diversi).
Karp/Gartner
Collagene
Collagene
Formato da fibrile parallele
Elevato modulo di elasticità*
Diversi tipi (e.g. tipe I)
Costituenti principali dei tendini
, 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 trimeri formati da tre catene polipeptidiche, dette catene α.
– Per almeno una parte delle loro lunghezza, le tre catene polipeptidiche sono avvolte l’uno intorno all’altra in una caratteristica tripla elica.
*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 del materiale di tipo "elastico". Collagene
Karp
, 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.
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Collagene
, segue_4
Collagene
segue_5
La presenza di glicina rende possibile la formazione della tripla elica in 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 idrogeno che coinvolgono gli ossidrili dei residui di idrossiprolina e di idrossilisina delle catene α. Questi ponti idrogeno formano legami crociati sia all’interno che tra le singole molecole di collagene presenti in una fibrilla:
Prolina idrossilasi
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 prolina del collagene.
Gly–X–Y triplet motif of collagen. Representative portions of three individual α‐chains (labeled 1, 2, 3) are shown. Each chain is comprised of glycine (black), proline
(position “X”, blue) and hydroxyproline (position “Y”, red). A hydrogen bond is formed between the N–H of glycine on each chain and the carbonyl group of proline on an adjacent chain. The hydrogen bond between chains 1 and 3 is not shown for clarity. 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]
Collagene segue_6
Nello scorbuto, le catene pro‐α 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. 3
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Le interazioni laterali
delle eliche del collagene sono
stabilizzate mediante
“cross‐link” di tipo
aldolico fra le catene
laterali di due lisine (o idrossiline).
L’enzima extracellulare
lisil ossidasi catalizza la formazione dei gruppi
aldeidici. La lisil ossidasi è Cu‐
dipendente
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21582/figure/A6548/?report=objectonly
Principali tipi di collageni
Structure of the a chain of fibrillar collagens (A), FACITS (B) … and other collagens including membrane collagens, multiplexins and collagen XXVI (C).
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Tipi collagene segue
Collageni tipo IX e XII – collageni associati alle fibrile.
– “Decorano la superficie delle fibrile di collagene.
– Si ritiene che colleghino queste fibrile ad altre fibrile e alle altre
componenti della ECM.
Collageni tipo IV e VII – Collageni che formano reti.
– Collageno di tipo IV si assemblano formando uno strato feltroso o rete che costituisce la principale parte della lamina basale matura.
– Collageno di tipo VI: formano dimeri che si assemblano in strutture
specializzate dette fibre di ancoraggio.
• Le fibre di ancoraggio aiutano a collegare la lamina basale degli
epiteli pluristratificati al sottostante tessuto connetivo.
http://csls‐text3.c.u‐tokyo.ac.jp/active/11_05.html
“Collagen‐like” proteins –incluso tipo VII – con dominio transmembrana
negli emidesmosomi, tipo XVIII, nella lamina basale dei vasi sanguigni
(frammento endostatina)
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Collageni
RIPASSO SINTESI E
ELABORAZIONE PROTEINE
Ribosomi liberi, segue
Si trovano in numero maggiore rispetto ai ribosomi
legati in quelle cellule che trattengono la maggior
parte delle proteine che fabbricano.
Sono responsabili delle proteine che vanno in
soluzione, o formano strutture citoplasmatiche di
grandi dimensioni o elementi mobili (ad es. il
citoscheletro), o vanno nel nucleo o nei mitocondri,
cloroplasti o perossisomi.
Ribosomi legati
Si trovano legati all’esterno del reticolo endoplasmatico (RE) dando il caratteristico aspetto al reticolo endoplasmatico ruvido/rugoso (RER).
Sono presenti in numero maggiore a quello dei ribosmi liberi in quelle cellule che secernono le proteine sintetizzate (ad es. nelle cellule pancreatiche che producono enzimi digestivi).
http://micro.magnet.fsu.edu/cells/endoplasmicreticulum/images/endoplasmicreticulumfigure1.jpg
Altre localizzazioni dei ribosomi
Si trovano inoltre nei mitocondri e nei cloroplasti delle cellule eucariotiche.
Questi ribosomi hanno sempre minori dimensioni rispetto ai ribosomi citoplasmatici e sono paragonabili ai ribosomi dei procarioti sia in dimensioni che in sensibilità agli antibiotici.
http://www.tutorvista.com/content/bio
logy/biology‐iii/cell‐
organization/cytoplasm.php
PANORAMICA DELLO SMISTAMENTO
DELLE PROTEINE
Nelle cellule eucariotiche superiori, lo smistamento iniziale delle proteine mediato dal reticolo endoplasmatico ha luogo ancora durante il processo della traduzione. Le proteine sintetizzate sui ribosomi liberi o rimangono nel citosol oppure sono trasportate al nucleo, mitocondri, cloroplasti o perossisomi. Viceversa, le proteine sintetizzate sui ribosomi legati alla membrana del RE sono traslocati verso l’ER ancora nel corso della loro traduzione. Esse possono essere sia trattenute all’interno del RE oppure trasportate all’apparato del Golgi e da qui ai lisosomi, alla membrana plasmatica o all’esterno della cellula mediante vescicole di secrezione.
https://www.boundless.com/microbiology/bacteria‐
archaea‐and‐eukaryote‐cell‐structure/internal‐
structures‐eukaryotic‐cells/chloroplasts‐1/
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Indirizzamento co-traduzionale delle proteine
di secrezione verso il reticolo endoplasmatico
(ER).
Piegamento delle proteine nel Reticolo
Endoplasmatico (RE)
La proteina “chaperone” BiP si lega alle catene
polipeptidiche mentre attraversano la membrana del
RE e facilita il piegamento della proteina e
l’assemblaggio all’interno dell’ER.
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I PONTI S-S DELLE PROTEINE
SONO FORMATI NEL RETICOLO
ENDOPLASMATICO
L’azione dell’enzima proteina disulfuro isomerasi (PDI)
La formazione dei ponti disulfuro fra le catene
laterali dei residui di cisteina è un importante
aspetto del ripiegamento e assemblaggio
delle proteine all’interno del Reticolo
Endoplasmatico. Questi legami non si
formano nel citosol, che è caratterizzato da un
ambiente riducente che mantiene i residui di
cisteina nel loro stato ridotto (-SH). Tuttavia,
all’interno del ER, un ambiente ossidante
promuove la formazione dei legami disulfuro
(S-S), e i legami disulfuro che si formano nel
ER giocano ruoli molto importanti nella
struttura di proteine di secrezione o della
superficie cellulare. La formazione dei ponti
disulfuro è facilitata dall’enzima “protein
disulfide isomerase”, che si trova nel lume
dell’ER.
ER
INIZIO DELLA
GLICOSILAZIONE
Figure 12-50 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Figure 12-51 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
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Reticoli
«MATURAZIONE» DELLE
PROTEINE
“MATURAZIONE” DELLE PROTEINE
E ALTRE MODIFICAZIONI POST‐TRADUZIONALI (1)
Ripiegamento tridimensionale corretto (aiuto di chaperoni molecolari): struttura terziaria.
Assemblaggio delle subunità peptidiche di proteine con struttura quaternaria
Rimozione di aminoacidi:
sequenze segnale di indirizzamento al reticolo endoplasmatico
metionina iniziale
sequenze presenti nei precursori di altre molecole (es. ormoni, molecole delle proteine della cascata di coagulazione del sangue o del complemento [sistema per marcare una cellula per la distruzione da parte del sistema immunitario], monomeri di proteine destinate alla polimerizzazione extracellulare [es. collageni, elastina]) “MATURAZIONE” DELLE PROTEINE
E ALTRE MODIFICAZIONI POST‐TRADUZIONALI (3)
Modificazioni covalenti di aminoacidi: legame di un gruppo chimico ai gruppi carbossilici o aminici terminali o a gruppi reattivi nelle catene laterali dei residui interni. Es:
fosforilazione/defosforilazione [mediata da chinasi e fosfatasi rispettivamente] di residui OH di tirosina, serina o treonina)
acetilazione (ad es. degli istoni)
metilazione (id., importante per il silenziamento dei geni)
idrossilazione (importante per la formazione di ponti d’idrogeno fra proteine; es. collageno).
“MATURAZIONE” DELLE PROTEINE
E ALTRE MODIFICAZIONI POST‐TRADUZIONALI (2)
Formazione di legami S‐S fra gruppi laterali di cisteine
(richiesto ambiente ossidante)
Aggiunta di carboidrati e successiva elaborazione (rimozione di residui e/o aggiunta di nuovi residui)
Aggiunta di code lipidiche (acido grasso o gruppo farnesilico a proteine associate al fogletto citosolico della membrana plasmatica; coda di glicosil‐inositol‐fosfato [GPI] a proteine associate al versante extracellulare della membrana plasmatica). Passi della creazione di una proteina funzionale.
Come indicato, la traduzione di una sequenza di mRNA in una sequenza di aminoacidi sul ribosoma non é la fine del processo di formazione di una proteina.
Per essere utilizzata dalla cellula, la catena polipeptidica completa deve essere ripiegata correttamente nella sua conformazione tridimensionale, legare eventuali cofattori necessari, ed assemblarsi con le sue catene proteiche partner (se é una proteina con struttura quaternaria). Queste modificazioni sono rese possibili dalla formazione di legami non covalenti. Come indicato, molte proteine subiscono inoltre modificazioni covalenti su aminoacidi particolari. Nonostante le più frequenti di questi siano la glicosilazione delle proteine e la fosforilazione delle proteine, si conoscono più di 100 tipi diversi di modificazioni covalenti. 9
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Biosintesi del collagene
Collageni
BIOSINTESI
Le singole catene sono sintetizzate sui ribosomi attaccate alla membrana ed iniettate nel lume dell’ER sotto forma di precursori di maggiori dimensioni: catene pro‐α.
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‐α si combina con altre due formando una molecola elicoidale tenuta insieme da legami di idrogeno a tre filamenti ‐ procollageno.
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Eventi dopo la secrezione
I propeptidi sono rimossi da enzimi proteolitici specifici.
Le molecole di procollageno si convertono in molecole di collageno, che si assemblano nello spzaio extracellulare formando fibrille di collageno 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.
Principali eventi della biosintesi
dei 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 corss‐linkers covalenti 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/NBK2158
2/figure/A6551/?report=objectonly
Gartner
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Stadi di assemblamento intra‐ ed extracellulari
Collagene
, segue_5
Inoltre, tra le fibre sono spesso presenti tipi di collagene specializzati la cui struttura a tripla elica è interrotta in più punti permettendo alla molecola di flettersi e 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/
Ricard‐Blum S. The collagen family. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011 Jan 1;3(1):a004978.
Interazioni tra collageni fibrosi e non fibrosi.
(a) Associazione tra i collageni di tipo II e IX nella matrice della cartilagine. Il collageno di tipo II forma fibrille simili in struttura al tipo I, con una simile periodicità di 67 nm, però con diametro minore. Il collageno di tipo IX contiene due lunghe eliche triple collegate con una zona che forma un piegamento flessibile. In questo punto una catena di condroitin sulfato si lega alla catena a2(IX). I collageni di tipo IX si legano ad intervalli regolari lungo le fibrille di tipo II; il N‐terminale del collagene di tipo IX si proietta all’infuori. Si pensa che questi domini leghino le fibrille collagene alla matrice ricca di proteoglicani.
cartilagine
tendine
(b) Organizzazione dei principali componenti fibrosi della matrice extracellulare dei tendini. Le fibrille di tipo I, con la loro periodicità di 67nm, sono tutte orientate longitudinalmente, ossia, in direzione dello stress applicato al tendine. Le fibrille sono rivestite da proteoglicani,come illustrato in blu sulla fibrilla di destra. Fibrille di tipo VI si legano, collegandole, alle fibrille di tipo I. Il collagene di tipo VI consiste di sottili eliche triple, lunghe circa 60 nm, con domini globulari all’estremità. I domini globulari delle molecole di collagene di tipo VI collegano, dando un aspetto di perline infilate in una collana, alla fibrilla di tipo VI.
TENDINE
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Stroma della cornea
Rete di collagene IV della lamina basale
Ricard-Blum S. The collagen family. Cold Spring Harb Perspect Biol. 3:a004978, 2011.
Ricard-Blum S. The collagen family. Cold Spring Harb Perspect Biol. 3:a004978, 2011.
Ricard‐Blum S. The collagen family. Cold Spring Harb Perspect Biol. 3:a004978, 2011.
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Collagene di tipo IV (non fibrillare)
Ci sono 6 catene α del collagene IV e combinazioni di 3 catene α
formano le unità di base del coll. IV.
Ciascuna delle catene α ha tre domini:
Un dominio N‐terminale 7S
Un grande dominio centrale a tripla elica
Un dominio C‐terminale globulare non‐collagenoso (NC) 1.
I domini terminali sono coinvolti nelle interazioni tetrameriche (7S) e dimeriche (NC1) e definiscono la struttura 3D della molecola di coll IV.
I domini NC1 di due molecole si aggregano per formare complessi esamerici stabilizzati da legami disulfuro.
Ricard-Blum S. The collagen family. Cold Spring Harb Perspect Biol. 3:a004978, 2011.
Kalluri R. Basement
membranes: structure,
assembly and role in tumour
angiogenesis. Nat Rev
Cancer. 3:422-433, 2003
Ricard‐Blum S, Ruggiero F. The collagen superfamily: from the extracellular matrix to the cell membrane. Pathol Biol (Paris). 2005 Sep;53(7):430‐42. Sindrome di Marfan
Sintomi / tratti caratteristici
•
•
•
•
•
•
Arti disproporzionatamente lunghi
Alti, snellor con articolazioni lasse
Scoliosi
Piedi piatti
Distacco della retina
Aneurismi dell’aorta toracica e addominale
Incidenza
• 1 in 10,000
• Tratto dominante
Etiologia
• Malattia del tessuto connettivo
ereditaria
ECM
ELASTINA
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Elastina
Molti tessuti (ad es. pelle, vasi sanguigni, polmoni) hanno bisogno di essere sia resistenti che elastici per funzionare.
La resilienza è data da una rete di fibre elastiche che permette il riavvolgimento dopo uno stiramento transitorio.
Le fibre elastiche sono almeno 5 volte più estensibili di una fascia elastica con la stessa sezione.
L’estensione è limitata da lunghe fibrille inelastiche di collagene frammiste con le fibre elastiche, che così impediscono ai tessuti di strapparsi.
L’elastina, come il collagene, è inusualmente ricca di prolina e glicina ma, al contrario del collagene, non è glicosilata e contiene poca idrossiprolina e nessuna idrossilisina.
Elastina, segue 2
Elastina (1)
Le fibre elastiche, tuttavia, non sono composte solo di elastina: la zona centrale di elastina è ricoperta da uno strato di microfibrille, ciascuna delle quali ha un diametro di circa10 nm. Microfibrille dello stesso tipo si possono trovare anche in MECs che non contengono elastina. Le microfibrile sono composte da un gran numero di glicoproteine diverse, che includono la glicoproteina di grandi dimensioni fibrillina che sembra
essere essenziale per l’integrità delle fibre elastiche. Alterazioni delle gene per la fibrillina provocano la sindrome di Marfan, una malattia genetica relativamente comune che colpisce i tessuti connettivi, ricchi in fibre elastiche: negli individui colpiti in modo più serio l’aorta, alcui parete è normalmente piena di elastina, è soggetta a rompersi. Si pensa che le microfibrille giochino un ruolo importante per l’assemblamento delle fibre elastiche: compaiono prima dell’elastina durante lo sviluppo embrionale e sembrano formare una impalcatura su cui viene depositata l’elastina secreta. Mentre l’elastina viene depositata, le microfibrille vengono spostate verso la periferia della fibra in crescita. Elastina (2)
Le fibre di elastina sono insolite in quanto durano quanto l’arco di vita dell’organo in cui sono depositate.
Di solito non c’è formazione di nuove fibre nell’adulto.
Quando le fibre di elastina sono danneggiate nell’adulto l’elastina di nuova sintesi, organizzata in modo improprio, non è in grado di funzionare corretttamente.
Ciò porta a alterazioni della rigidità del tessuto e sviluppo di patologie.
L’elastina è importante per l’integrità ed elasticità dei tessuti, essendo responsabile per la forza e flessibilità.
Microfibril and elastic fibre formation.
Le fibre di elastina sono le più lunghe strutture individuali della ECM e sono composte di una serie di monomeri di tropoelastina circondati da un rivestimento di microfibrille.
Sono state identificate > 30 tipi diproteine associate all’elastina (ruolo non ancora ben definito)
Si ritiene che le microfibrille formano un’impalcatura
che fornisce un sostegno su cui sono depositati i monomeri di tropoelastina, allineati e in seguito collegati enzimaticamente da legami incrociati per foprmare il polimero insolubile di elastina funzionale.
©2002 by The Company of Biologists Ltd
Kielty C M et al. J Cell Sci 2002;115:2817-2828
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Schematic domain structure of the human tropoelastin monomer. The elastin monomer is comprised of alternating hydrophobic domains (orange rectangles) and cross‐linking domains (diamonds). Domains are numbered above the diagram. Genomic human tropoelastin has lost sequence corresponding to exons 34 and 35 compared to other mammalian species. KP‐type cross‐linking domains are shaded blue, KA‐type cross‐linking domains are white. Domain 1 (diagonal stripes) is a signal sequence. The C‐terminal domain 36 (horizontal stripes) is highly basic and contains the only two cysteine residues in the protein. Domains with alternative exon splicing are marked with an asterisk. Domains are not to scale. Gartner
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Elastina
L’elastina è una “molla entropica”
ΔG = ΔH – TΔS
ΔH = enthalpy changes, which don’t normally happen
in solvents.
ΔS = entropy changes…
changes in the degree of
order
Stretching a polymer
increases it’s order, and
makes ΔS negative.
ΔG is then positive, and
unfavorable.
Proteina amorfa
Modulo di elasticità
molto inferiore a
quello del collagene
Constituente
primario di molti
ligamenti
Crosslinked:
tropoelastina
Desmosina
La desmosina è la designazione data ad un cross‐link fra tre
catene laterali alisiniche ed una catena laterale inalterata di lisina dello stesso o di polipeptidi vicini.
Si trova nell’elastina, provocando un colore giallastro.
E’ responsabile dalle proprietà gommose dell’elastina. http://en.wikipedia.org/wiki/Desmosine
Patel D, Menon R, Taite LJ. Self‐assembly of elastin‐based peptides into the ECM: the importance of integrins and the elastin binding protein in elastic fiberassembly. Biomacromolecules. 12:432‐440, 2011. Luisetti M, Ma S, Iadarola P, Stone PJ, Viglio S, Casado B, Lin YY, Snider GL, Turino GM. Desmosine as a biomarker of elastin degradation in COPD: current status and future directions. Eur Respir J. 2008 Nov;32(5):1146‐57. Elastin production involves a sequence of events involving the secretion of tropoelastin, which binds the elastin binding protein (EBP) on cell surfaces. Tropoelastin aggregates are then transported to adjacent microfibrils involved in elastin fiber assembly, and the EBP is recycled. The αvβ3 integrin also binds the C‐terminal region of tropoelastin, playing a yet unknown role in the synthesis of mature elastin.
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FIBRE ELASTICHE
Comuni nei tessuti che richiedono la capacità di deformarsi ripetutamente e reversibilmente.
Hanno una zona centrale amorfa che consiste di elastina, circondata da piccoli filamenti a perline, le microfibrille. La componente principale delle microfibrille è la grande glicoproteina, fibrillina.
L’elastina viene inizialmente sintetizzata come monomero solubile, la tropoelastina, che viene secreta dalle cellule.
Dopo la secrezione, i monomeri di tropoelastina subiscono legami incrociati mediante l’azione dell’enzima lisil ossidasi. L’elastina con i legami incrociati è una proteina estremamente insolubile. Il gene umano contiene 36 esoni (27 ‐ 165 coppie di basi).
Il turnover dell’elastina è estremamente basso, con una emi‐vita che si avvicina all’età dell’organismo. L’elastina è sintetizzata soprattutto durante lo sviluppo embrionale e qualsiasi elastina “danneggiata” o non viene sostituita oppure è sostituita da fibre non funzionali. Nell’enfisema l’aterosclerosi si ha una eccessiva degradazione dell’elastina. Differenze tra collageno e elastina, segue
Differenze tra collageno e elastina
Il collageno è una tripla elica formata da tre proteine allungate che si avvolgono l’una con l’altra. Nello spazio extracellulare, molte molecole di collagene simili a bastoncini sono unite l’una all’altra da legami trasversali e formano fibrille di collageno inestensibili (in alto) che hanno la resistenza alla trazione dell’acciaio.
Le catene polipeptidiche di elastina sono unite da legami trasversali e formano fibre elastiche. Ciascuna molecola di elastina si svolge in una conformazione più allungata quando la fibra è stirata. Il sorprendente contrasto fra le proprietà fisiche dell’elastina e del collagene è dovuto interamente alle loro sequenze aminoacidiche molto diverse.
ELASTINA & PATOLOGIA
Le fibre elastiche sono una delle principali classi del fibre della matrice extracellulare, abbondanti nei tessuti connettivi dinamici quali le arterie, i polmoni, la pelle e i legamenti.
Il loro ruolo strutturale più importante è quello di fornire ai tessuti la capacità di riavvolgimento elastico e la resilienza.
Inoltre fungono da importante stampo (“template”) per l’adesione delle cellule e regolano la disponibilità dei fattori di crescita.
Mutazioni nelle principali componenti strutturali delle fibre elastiche, specialmente l’elastina, le fibrilline e la fibulina‐5, provocano patologie ereditari molto gravi, che spesso mettono a repentaglio la vita, quali la sindrome di Marfan, la stenosi sopravalvolare aortica e la cutis laxa.
La funzione delle fibre elastiche è inoltre frequentemente compromessa nei tessuti elastici danneggiati o invecchiati.
La capacità di regenerare o ingegnerizzare le fibre e i tessuti elastici rimane un una sfida significativa, che richiede una comprensione approfondita delle basi molecolari e cellulari della biologia e patologia delle fibre elastiche, e la capacità di regolare l’espressione spazio‐
temporale e l’assemblaggio dei suoi componenti molecolari. (Kielty CM. Elastic fibres in health and disease. Expert Rev Mol Med. 8:1‐23, 2006)
Wagenseil JE, Mecham RP: New insights into elastic fiber assembly. Birth Defects Res C Embryo Today ;81:229‐240, 2007.
Elastic fibers provide recoil to tissues that undergo repeated stretch, such as the large arteries and lung. These large extracellular matrix (ECM) structures contain numerous
components, and our understanding of elastic fiber assembly is changing as we learn
more about the various molecules associated with the assembly process. The main
components of elastic fibers are elastin and microfibrils. Elastin makes up the bulk of the mature fiber and is encoded by a single gene. Microfibrils consist mainly of fibrillin, but also contain or associate with proteins such as microfibril associated
glycoproteins (MAGPs), fibulins, and EMILIN‐1. Microfibrils were thought to facilitate alignment of elastin monomers prior to cross‐linking by lysyl oxidase (LOX). We now
know that their role, as well as the overall assembly process, is more complex. Elastic
fiber formation involves elaborate spatial and temporal regulation of all of the involved proteins and is difficult to recapitulate in adult tissues. This report summarizes the known interactions between elastin and the microfibrillar proteins and their role in elastic fiber assembly
based on in vitro studies and evidence from knockout mice. We also propose a model of elastic fiber assembly
based on the current data that incorporates interactions between elastin, LOXs, fibulins and the microfibril, as
well as the pivotal role played by cells in structuring the final functional fiber. Pathway of elastin‐derived fragment (EF) formation. EFs containing desmosine derive only from the degradation of mature, cross‐linked elastin; EFs not containing desmosine
may derive either from tropoelastin during assembly of mature elastin or from degradation of mature, cross‐linked elastin. http://erj.ersjournals.com/content/32/5/1146/F2.expansion.html
18
11/04/2013
(1) Tropoelastin is transported to assembly sites
on the plasma membrane where it is organized
into small aggregates that are cross‐linked by a LOX. Cell surface receptors/binding proteins
such as heparan sulfate proteoglycans at these
sites may serve to assist with the initial
assembly steps. Interaction with Fibulin‐4 and/or ‐5 may facilitate cross‐linking or possibly help limit the size of the aggregates.
Model of elastic fiber assembly
Concetti importanti per capire
le matrichine derivate dall’elastina
(2) The aggregates remain on the cell surface
while newly secreted elastin is added to increase the size. (3) The aggregates are then transferred to extracellular microfibrils, which interact with the cell through integrins. Fibulin‐4 and/or ‐5, or another microfibril‐associated protein, may
assist the transfer of elastin aggregates to the microfibril. (4) Elastin aggregates on the microfibril coalesce
into larger structures. Fibulin‐4 and/or ‐5 may
facilitate this process.
(5) The elastin aggregates are further cross‐linked
by LOX to form the complete elastic fiber.
Wagenseil JE, Mecham RP: New insights into elastic fiber
assembly. Birth Defects Res C Embryo Today ;81:229‐
240, 2007
.
Il collagene e l’elastina della parete dei vasi sanguigni sono secreti dalle cellule muscolari lisce della parete dei vasi sanguigni. I legami incrociati stabilizzano il collagene e l’elastina rendendoli meno vulnerabili alla proteolisi. Gli strati ben‐
organizzati di collagene e di elastina danno origine ad un vaso sanguigno più forte e conforme alle sollecitazioni dinamiche. 19