Appunti di BIOCHIMICA – a cura di fabio Zonin
5 - LE PROTEINE FIBROSE
Il collagene e l’elastina
elastina sono componenti della pelle, del tessuto connettivo, della parete dei vasi
sanguigni e della sclera e della cornea dell’occhio. Ogni proteine fibrosa ha specifiche proprietà
meccaniche, dovute alla sua particolare struttura, che dipende dalla combinazione di specificia
aminoacidi in regolari elementi della struttura secondaria. Le proteine fibrose differiscono da quelle
globulari, la cui forma deriva da complesse interazioni di elementi della loro struttura secondaria,
terziaria, ed a volte quaternaria.
IL COLLAGENE
È la proteine più abbondante nel corpo umano. Esso ha una
mediamente struttura rigida formata da 3 polipeptidi, indicati
come catene α, avvolti l’uno attorno all’altro in una tripla elica
simile ad una fune. Il tipo di collagene e la sua peculiare
organizzazione dipendono dal particolare ruolo strutturale che
esso ricopre in un dato organo. Il alcuni tessuti il collagene si
ritrova disperso a formare un gel che sostiene la struttura del
tessuto stesso, come nel caso della matrice extracellulare
dell’umor vitreo dell’occhio. In altri tessuti le molecole di
collagene sono unite in fibre parallele e ravvicinate, in modo da
fornire grande resistenza alla trazione, come nei tendini e nei
legamenti. Nella cornea dell’occhio il collagene è stratificato in
modo da permettere la trasmissione della luce con una minima
dispersione. Nell’osso le fibre di collagene si dispongono ad
angolo fra loro, in modo da fornire una notevole resistenza
meccanica alla torsione in qualsiasi direzione.
Tipi di collagene
Esistono più di 20 tipi di collagene, nonché altre proteine
caratterizzate da domini simili alla stesso. Le 3 catene
polipeptidiche α sono tenute assieme da legami a idrogeno
intercatenari. Le variazioni della sequenza aminoacidica della
catena α si traducono in componenti che hanno le stesse
dimensioni (circa 1000 residui aminoacidici), ma proprietà leggermente differenti. Le diverse catene
α si combinano fra loro, formando i vari tipi di collagene. Il collagene di tipo I,I il più comune,
contiene 2 catene α1 ed 1 catena α2 (α12α2), mentre il collagene di tipo II contiene 3 catene α1
(α13). I diversi tipi di collagene possono essere classificati in 3 gruppi, a seconda della loro
localizzazione nel corpo e della loro funzione.
1. Collageni
Collageni che formano
delle fibrille.
fibrille I collageni di
tipo II, II e III formano
delle fibrille e sono
caratterizzati da una tipica
struttura a fune. al
microscopio elettronico di
osserva in queste fibrille
una caratteristica striatura,
che riflette l’associazione
regolarmente sfasata delle
singole molecole di collagene in ciascuna fibrilla. Il collagene di tipo I si trova in elementi di
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5 - LE PROTEINE
PROTEINE FIBROSE
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sostegno con elevata resistenza alla tensione, quali i tendini e la cornea. Il collagene di tipo II si
ritrova nelle strutture cartilaginee. Il collagene di tipo III prevale in tessuti estensibili, quali i vasi
sanguigni.
2. Collageni che formano dei reticolati.
reticolati I collageni di tipo IV e VII
formano una sorta di rete tridimensionale. Le molecole del
collagene di tipo IV, per esempio, si assemblano in un foglio
reticolare che forma una grossa porzione delle membrane
basali, strutture assottigliate simili a foglietti, che offrono
sostegno meccanico alle cellule ad esse adiacenti e, in organi
quali il rene ed il polmone, fungono da barriera filtrante
semipermeabile, non consentendo il passaggio delle
macromolecole.
3. Collagene associato alle fibrille.
fibrille I collageni di tipo IX e XII si
legano alla superficie delle fibrille di collagene, collegandole l’una all’altra e ad altri componenti
delle matrice extracellulare.
Struttura del collagene
1. La sequenza aminoacidica.
aminoacidica Il collagene è ricco di
prolina e glicina, importanti per la formazione delle
triple eliche. La prolina,
prolina grazie alla sua struttura che
produce delle curvature nella catena polipeptidica,
consente la realizzazione della conformazione
elicoidale da parte di ciascuna catena α. La glicina,
glicina
essendo l’aminoacido più piccolo, riesce a collocarsi nello stretto spazio lasciato
dall’associazione delle 3 catene polipeptidiche, e si trova ogni 3 residui di ogni singola catena
polipeptidica. I residui di glicina fanno parte di una particolare sequenza che si ripete:
-GlyGly-XY-, dove X è in molto casi la prolina ed Y e molto spesso l’idrossiprolina
idrossiprolina o l’idrossilisina
idrossilisina.
idrossilisina La
maggior parte della catena α può essere considerata un polipeptide la cui sequenza può essere
rappresentata dalla formula (-GlyGly-X-Y-)333.
2. Struttura a tripla elica.
elica Il collagene ha una struttura allungata a tripla elica dove le catene laterali
di molti dei residui aminoacidici si trovano sulla superficie. Ciò permetta la formazione di legami
fra i gruppi R esposti di monomeri di collagene vicini, con la conseguente aggregazione delle
molecole in lunghe fibre.
3. Idrossiprolina e Idrossilisina.
Idrossilisina Il collagene contiene
idrossiprolina (Hyp
Hyp)
Hyl),
Hyp e idrossilisina (Hyl
Hyl assenti
nella maggior parte delle proteine. Questi residui
derivano dall’idrossilazione di una parte dei residui
di prolina e di lisina in un momento successivo alla
loro incorporazione nelle catene polipeptidiche.
L’idrossilazione è dunque un esempio di
modificazione postpost-traduzionale.
traduzionale L’idrossiprolina è
importante per la stabilizzazione della struttura a
tripla elica del collagene, in quanto la sua presenza
massimizza la formazione di legami a idrogeno
intercatena.
4. La glicosilazione
glicosilazione.
azione Il gruppo ossidrilico dei residui di
idrossilisina del collagene può essere glicosilato
enzimaticamente. Mediamente l’addizione in
sequenza del glucosio e del galattosio si verificano
prima che si formi la tripla elica.
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5 - LE PROTEINE FIBROSE
Biosintesi del collagene
I precursori della molecola di collagene si formano nei fibroblasti,
fibroblasti negli osteoblasti e nei condroblasti,
condroblasti
per essere poi secreti nella matrice extracellulare.
extracellulare Dopo la modificazione enzimatica, i monomeri
maturi si associano e stabiliscono dei legami intercatenari, fino a formare le fibrille di collagene.
1. Formazione delle propro-catene α. Il collagene è una delle tante proteine che svolgono la propria
funzione al di fuori delle cellule. I precursori polipeptidici delle catene α appena sintetizzati
contengono una particolare sequenza di aminoacidi all’estremità N. tale sequenza segnala che il
polipeptide in via di sintesi è destinato a lasciare la cellula. La sequenza segnale facilita il legame
dei ribosomi al reticolo endoplasmatico rugoso (RER
RER)
RER e guida il trasferimento della catena
polipeptidica all’interno delle cisterne del RER. Nel RER la sequenza segnale è rapidamente
eliminata dal polipeptide. Si forma così il precursore del collagene denominato propro-catena α.
2. Idrossilazione.
Idrossilazione Nel lume del RER le pro-catene α subiscono una maturazione attraverso una serie
di passaggi enzimatici che si avviano quando ancora è in corso la sintesi dei polipeptidi. I residui
di prolina e di lisina che si trovano nella posizione Y delle sequenza –Gly-X-Y- possono essere
idrossilate, trasformandosi in residui di idrossiprolina ed idrossililina. Le idrossilazioni richiedono
O2 e l’agente riducente Vitamina C (acido ascorbico), senza i quali gli enzimi idrossilanti, la prolil
idrossilasi e la lisil idrossilasi, non possono svolgere la propria funzione. In caso di carenza di
Vitamina C si verifica una ridotta idrossilazione dei residui di prolina e lisina e non possono
formarsi i legami crociati che tengono assieme le fibre di collagene. Si formano perciò delle fibre
con una resistenza alla trazione fortemente ridotta. Una malattia prodotta dalla carenza di
vitamina C è lo scorbuto.
scorbuto I pazienti con tale patologia presentano spesso dei lividi sugli arti
provocati da versamenti di sangue sottocutanei (fragilità
fragilità capillare).
capillare
3. Glicosilazione.
Glicosilazione Alcuni dei resifui di idrossilisina si modificano per la glicosilazione con glucosio e
glucosil-galattosio.
4. Assemblaggio e secrezione.
secrezione Una volta idrossilate e glicosilate le pro-catene α formano il
procollagene,
procollagene un precursore del collagene, la cui regione centrale a tripla elica è affiancata da
tratti ammino- e carbossiterminali chiamati propeptidi.
propeptidi La formazione del procollagene inizia con
la formazione di legami a ponte disolfuro tra i peptidi carbossiterminali delle pro-catene α. Ciò
porta le 3 catene α in una posizione favorevole alla formazione della tripla elica. Le molecole di
procollagene sono poi trasferite al complesso del Golgi, dove sono confezionate in vescicole di
secrezione. Tali vescicole si fondono con la membrana plasmatica, liberando le molecole di
procollagene nello spazio extracellulare.
5. Taglio extracellulare delle molecole di procollagene.
procollagene Una volta liberate nello spazio extracellulare,
le molecole di procollagene subiscono dei tagli enzimatici da parte di N- e C-procollagene
peptidasi, che rimuovono i propeptidi terminali, liberando delle molecole di collagene a tripla
elica.
6. Formazione delle fibrille di collagene.
collagene Le molecole di collagene si associano spontaneamente,
fino a formare delle fibrille. Esse assumono una disposizione parallela e sfalsata, nella quale le
molecole di collagene si sovrappongono a quelle vicine per circa ¾ della loro lunghezza.
7. Formazione dei legami crociati.
crociati L’enzima lisil ossidasi catalizza la deamminazione ossidativa di
alcuni dei residui di lisina ed idrossilisina del collagene. Ne derivano delle aldeidi reattive,
l’allisina
allisina e l’idrossiallisina
idrossiallisina,
idrossiallisina che danno luogo a reazioni di condensazione con alcuni residui di
lisina o idrossilisina delle molecole di collagene vicine, formando dei legami covalenti fra catene.
La formazione di tali legami crociati è fondamentale affinché il tessuto connettivo raggiunga la
resistenza alla trazione necessaria al suo corretto funzionamento. Qualunque mutazione tale da
interferire con la capacità delle molecole di collagene di formare tali legami crociati influenzerà
quindi la stabilità del collagene.
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PROTEINE FIBROSE
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5 - LE PROTEINE FIBROSE
La degradazione del collagene
I collageni strutturali sono molecole molto stabili, la cui
emivita è di parecchi mesi. Il tessuto connettivo è tuttavia
costantemente
rinnovato,
in
particolar
modo
nell’accrescimento o in risposta ad un danno tissutale. La
degradazione delle fibrille di collagene dipende dall’azione
proteolitica delle collagenasi.
collagenasi Nel collagene di tipo I il taglio
avviene in un sito specifico e genera frammenti lunghi ¾ e ¼
delle molecola intera. Questi frammenti sono ulteriormente
degradati da altre proteinasi della matrice extracellulare, fino
a liberare gli aminoacidi che li compongono.
Le malattie del collagene
Difetti genetici che colpiscano una qualunque delle tappe
delle sintesi delle fibre di collagene possono generare una
malattia tale da rendere il collagene incapace di formare fibre
con caratteristiche meccaniche adeguate, privando i tessuti
della necessaria resistenza alla trazione offerta da un
collagene normale. Sono state identificate più di 1000
mutazioni in 22 geni che nell’insieme codificano 12 tipi di
collagene.
1. Sindrome di EhrlesEhrles-Danlos (EDS).
(EDS) Questa malattia può
derivare dalla carenza di enzimi che partecipano alla
maturazione del collagene, quali ad esempio una carenza
della lisil idrossilasi o della procollagene peptidasi,
oppure da mutazioni della sequenza aminoacidica dei
collageni di tipo I, III o V. le mutazioni più rilevanti sul
piano clinico sono quelle dei collageni di tipo III. Il
collagene contenente catene mutate non è secreto, ma è
degradato oppure si accumula in gran quantità in alcuni
compartimenti intracellulari. Poiché il collagene di tipo III
è un importante componente delle arterie, si verificano
disturbi vascolari potenzialmente letali. I pazienti affetti da EDS hanno dei difetti anche delle
fibrille di collagene di tipo I; ne derivano una iperestensibilità cutanea ed una lassità articolare.
2. Osteogenesi imperfetta (OI).
(OI) Nota anche come sindrome
delle ossa di vetro,
vetro questa malattia è caratterizzata da
ossa che si incurvano e si fratturano con estrema facilità.
Frequentemente si riscontra anche un ritardo nella
cicatrizzazione delle ferite e l’incurvamento della colonna
vertebrale. L’OI
OI del tipo I,I nota anche come osteogenesi
imperfetta tardiva,
tardiva si presenta nella prima infanzia con
fratture secondarie a traumi di piccola entità, ma il
sospetto può insorgere prima della nascita allorché
l’ecografia rivela incurvature o fratture delle ossa lunghe.
L’OI
OI di tipo II,
II o osteogenesi imperfetta congenita
congenita è più grave, ed i pazienti muoiono in utero o
nel periodo neonatale per ipoplasia polmonare. L’OI è caratterizzata da mutazioni del gene per le
pro-catene α1 o per le pro-catene α2 del collagene di tipo I. mediamente si verifica la
sostituzione di uno dei residui di glicina che si trovano ogni 3 residui aminoacidici della tripla
elica con un aminoacido dotato di catena R voluminosa. Ciò può impedire l’avvolgimento della
proteina in una conformazione a triple elica.
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PROTEINE FIBROSE
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L’ELASTINA
È una proteina del tessuto connettivo con proprietà elastiche. Fibre elastiche composte da elastina e
da micro fibrille glicoproteiche si trovano nei polmoni, nella parete delle grandi arterie e nei
legamenti elastici. Esse possono estendersi raggiungendo una lunghezza multipla delle loro
lunghezza a riposo. Una volta cessata la forza tensiva, le fibre di elastina si riavvolgono recuperando
la forma originale.
Struttura dell’elastina
È un polimero proteico insolubile sintetizzato a partire dal suo
precursore, la tropoelastina
tropoelastina,
na un polipeptide lineare composto da
circa 700 aminoacidi, prevalentemente di piccole dimensioni e non
polari, quali alanina, glicina e valina. L’elastina è inoltre ricca di
prolina e di lisina, ma contiene minime quantità di idrossiprolina e
non contiene idrossilisina. La tropoelastina è secreta nello spazio
extracellulare, dove interagisce con specifiche micro fibrille
glicoproteiche, quali la fibrillina,
fibrillina che hanno la funzione di creare
un’impalcatura sulla quale si deposita la tropoelastina. La lisil
ossidasi catalizza una deamminazione ossidativa sulle catene
laterali di alcuni residui di lisina dei polipeptidi di tropoelastina,
trasformandoli in residui di allisina.
allisina Le catene laterali di 3 residui
di allisina, assieme alla catena laterale di una lisina non
modificata, appartenenti allo stesso polipeptide formano un
legame crociato di desmosina.
elastina,
desmosina Si forma così l’elastina
elastina un
reticolato elastico ampiamente interconnesso che può stirarsi e
piegarsi in ogni direzione, conferendo elasticità al tessuto
connettivo.
Ruolo dell’antitripsina α1 nella degradazione dell’elastina
1. L’antitripsina α1. il sangue ed altri liquidi corporei contengono
antitripsina α1 (α1-AT o antiproteinasi α1) che inibisce vari enzimi proteolitici che idrolizzano e
degradano le proteine. La α1-AT forma più del 90% della frazione globulinica α1 del plasma
normale. Essa ha l’importante ruolo fisiologico di inibire l’elastasi dei neurofili, una potente
proteasi che si libera nello spazio extracellulare, dove degrada l’elastina delle pareti alveolari ed
altre proteine strutturali di una varietà di tessuti. La maggior parte della α1-AT plasmatica è
sintetizzata e secreta dal fegato. La restante parte è sintetizzata da varie cellule, fra cui i monociti
ed i macrofagi alveolari che hanno la funzione di impedire che l’elastasi provochi un danno
tissutale locale.
2. Ruolo della α1-AT nei polmoni.
polmoni Nei polmoni normali gli alveoli sono cronicamente esposti a bassi
livelli di elastasi dei neutrofili, liberata dai neutrofili attivati nella loro fase degenerativa. Questa
arttività proteolitica distruggerebbe l’elastina delle pareti alveolari se non fosse contrastata
dall’azione inibente della α1-AT , il principale inibitore della elastasi dei neutrofili. Poiché il
tessuto polmonare non può rigenerarsi, la distruzione del tessuto connettivo delle partei alveolari
provoca l’enfisema
enfisema.
enfisema
3. Enfisema dovuto alla carenza della α1-AT.
AT Negli Stati Uniti il 2-5% dei pazienti affetti da enfisema
sono predisposti alla malattia a causa di difetti ereditari della α1-AT. La mutazione del gene della
α1-AT più diffusa è la mutazione di un’unica base purinica (GAG AAG, alla quale consegue la
sostituzione di un acido glutammico con una lisina nella posizione 342 della proteina). Il legame
dell’inibitore alle proteasi bersaglio richiede la presenza di una specifica metionina della α1-AT .
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5 - LE PROTEINE FIBROSE
Il fumo di sigaretta provoca l’ossidazione e la conseguente
inattivazione di quel residuo di metionina, rendendo
l’inibitore inefficace nel neutralizzare l’elastasi. Nei fumatori
con un difetto della α1-AT la distruzione polmonare avviene
ad una velocità molto elevata, ed il tasso di sopravvivenza è
inferiore a quello dei non fumatori con lo stesso difetto. Un
difetto dell’inibitore dell’elastasi può essere compensato
somministrando settimanalmente per via endovenosa la α1AT. La α1-AT diffonde dal sangue ai polmoni, dove raggiunge
un livello terapeutico nel fluido che circonda le cellule
epiteliali polmonari.
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