5 Proteine Fibrose - fabio zonin

Appunti Appunti Appunti di di BIOCHIMICA BIOCHIMICA BIOCHIMICA – a cura di fabio Zonin 5 - LE LE PROTEINE FIBROSE
Il collagene collagene e l’elastina 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 IL IL COLLAGENE COLLAGENE
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 Tipi Tipi di di collagene
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 II,
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. 1. Col Collageni Col
lageni che che formano formano
formano
delle delle fibrille 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 LE PROTEIN PROTEINE PROTEIN
E E FIBROSE 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. 2. Collageni Collageni Collageni che che formano formano dei dei reticolati 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. 3. Collagene Collagene associato associato alle alle fibrille 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 truttura del collagene
1. 1. 1. La a a sequenza sequenza sequenza aminoacidica aminoacidica. aminoacidica Il collagene è ricco di
prolina e glicina, importanti per la formazione delle
triple eliche. La prolina 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, 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: -Gly Gly Gly-X- Gly
Y-, dove X è in molto casi la prolina ed Y e molto spesso l’idrossiprolina
idrossiprolina o l’idrossilisina idrossilisina idrossilisina. idrossilisina La
maggior parte della catena α può essere considerata un polipeptide la cui sequenza può essere
rappresentata dalla formula (-Gly Gly Gly-X-Y-)333 Gly 333 333. 333
2. 2. Struttura Struttura a a tripla tripla elica 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. 3. Idrossiprolina Idrossiprolina e e Idrossilisina Idrossilisina. Idrossilisina Il collagene contiene
idrossiprolina idrossiprolina (Hyp Hyp Hyp) Hyp e idrossilisina (Hyl Hyl 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 modificazione post post-traduzionale
post traduzionale 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. 4. La glicosil glicosilazione
glicosil
azione azione. azione Il gruppo ossidrilico dei residui di
idrossilisina idrossilisina idrossilisina del collagene può essere glicosilato
enzimaticamente. Mediamente l’addizione in
sequenza del glucosio e del galattosio galattosio si verificano
prima che si formi la tripla elica.
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Biosintesi Biosintesi Biosintesi del del del collagene collagene
collagene
I precursori della molecola di collagene si formano nei fibroblasti fibroblasti, fibroblasti
negli osteoblasti osteoblasti osteoblasti e nei condroblasti condroblasti, condroblasti
per essere poi secreti nella matrice extracellulare extracellulare. extracellulare
Dopo la modificazione enzimatica, i monomeri
maturi si associano e stabiliscono dei legami intercatenari, fino a formare le fibrille di collagene.
1. 1. Formazione Formazione delle delle delle pro pro-catene pro pro catene 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 reticolo reticolo endoplasmatico endoplasmatico endoplasmatico rugoso rugoso rugoso (RER 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 pro pro-catena pro
catena catena α.
2. 2. Idrossilazione
Idrossilazione. 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 prolil prolil prolil
idrossilasi idrossilasi idrossilasi idrossilasi e la lisil lisil lisil lisil idrossilasi, idrossilasi idrossilasi 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. scorbuto
I pazienti con tale patologia presentano spesso dei lividi sugli arti
provocati da versamenti di sangue sottocutanei (fragilità fragilità capillare capillare). capillare
3. 3. Glicosilazione
Glicosilazione. Glicosilazione
Glicosilazione Alcuni dei resifui di idrossilisina si modificano per la glicosilazione con glucosio e
glucosil-galattosio.
4. 4. Assemblaggio Assemblaggio e e secrezione secrezione. secrezione secrezione Una volta idrossilate e glicosilate le pro-catene α formano il
procollagene procollagene, procollagene procollagene un precursore del collagene, la cui regione centrale a tripla elica è affiancata da
tratti ammino- e carbossiterminali chiamati propeptidi 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. 5. Taglio Taglio extracellulare extracellulare delle delle molecole molecole di di procollagene procollagene. procollagene Una volta liberate nello spazio extracellulare,
le molecole di procollagene subiscono dei tagli enzimatici da parte di N- e C-procollagene procollagene procollagene procollagene
peptidasi, peptidasi peptidasi peptidasi che rimuovono i propeptidi terminali, liberando delle molecole di collagene a tripla
elica.
6. 6. Formazione Formazione delle delle fibrille fibrille fibrille di di collagene 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. 7. 7. Formazione Formazione dei dei legami legami crociati crociati. crociati L’enzima lisil lisil lisil lisil ossidasi ossidasi ossidasi 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, 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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5 - LE LE PROTEIN PROTEINE PROTEIN
E E FIBROSE FIBROSE
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La La La degradazione degradazione degradazione del del del collagene collagene
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. 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 Le Le malattie malattie malattie del del del collagene collagene
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. 1. Sindrome Sindrome di di Ehrles Ehrles-Danlos Ehrles Danlos (EDS) (EDS). (EDS) Questa malattia può
derivare dalla carenza di enzimi che partecipano alla
maturazione del collagene, quali ad esempio una carenza
della lisil lisil lisil lisil idrossilasi idrossilasi idrossilasi idrossilasi o della procollagene procollagene procollagene procollagene peptidasi, peptidasi peptidasi 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. 2. Osteogenesi Osteogenesi Osteogenesi imperfetta imperfetta (OI) (OI). (OI) Nota anche come sindrome sindrome
delle delle ossa ossa di di vetro 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 OI del tipo II,
I
nota anche come osteogenesi
imperfetta imperfetta tardiva 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, II
o osteogenesi osteogenesi imperfetta imperfetta ccongenita
c ongenita 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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5 - LE LE PROTEIN PROTEINE PROTEIN
E E FIBROSE FIBROSE
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L’ELASTINA
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 Struttura Struttura dell’elastina dell’elastina
dell’elastina
È un polimero proteico insolubile sintetizzato a partire dal suo
precursore, la tropoelasti tropoelastina tropoelasti
na na, 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, fibrillina che hanno la funzione di creare
un’impalcatura sulla quale si deposita la tropoelastina. La lisil lisil lisil lisil
oooossidasi ssidasi ssidasi ssidasi catalizza una deamminazione ossidativa sulle catene
laterali di alcuni residui di lisina dei polipeptidi di tropoelastina,
trasformandoli in residui di allisina 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 desmosina. desmosina Si forma così l’elastina elastina elastina, elastina un
reticolato elastico ampiamente interconnesso che può stirarsi e
piegarsi in ogni direzione, conferendo elasticità al tessuto
connettivo.
Ruolo Ruolo dell’antitripsina dell’antitripsina α1 nella degradazione dell’elastina
1. 1. L’antitripsina ’antitripsina α1. il sangue ed altri liquidi corporei contengono
antitripsina α1 (α1-AT 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 elastasi elastasi 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. 2. Ruolo Ruolo della della della α1-AT AT AT nei nei polmoni 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. enfisema
3. 3. Enfisema Enfisema dovuto dovuto alla alla carenza carenza della della α1-AT AT 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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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 α1-
AT. 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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E E FIBROSE FIBROSE
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