Prof. MUDr. Milan Adam, DrSc.
Revmatologický ústav, Praha
Klíčová slova
kolagen • a řetězce • fibrilární kolageny • nefibrilární kolageny
Zvláštnosti syntézy kolagenu oproti jiným bílkovinám jsou dány především posttranslačními modifikacemi, tvorbou terciární struktury, a potom při vytváření kvartárních struktur. Primární struktura kolagenu je charakterizována přítomností glycinu v každé třetí pozici, což umožňuje vytvoření triplhelixu, a dále vysokým obsahem iminokyselin (prolinu a hydroxyprolinu), jež způsobují tuhost kolagenní struktury.
Struktura kolagenu je charakterizována trojnásobnou šroubovicí, tvořící alespoň část její molekuly. Jednotlivé typy, jichž je v současné době popsáno asi 20, se od sebe liší jednak primární strukturou, délkou trojnásobné šroubovice, a dále svými eventuálními globulárními doménami a supramolekulárním uspořádáním. Představují asi jednu třetinu všech bílkovin organismu a jsou lokalizovány v mezibuněčném prostoru. Jiné bílkoviny, např. kolektiny, C1q komplement, které se vyskytují mimo mezibuněčný prostor, i když jejich struktura je charakterizována rovněž trojnásobnou šroubovicí, se mezi kolageny nepočítají. Různé typy kolagenu mají různé funkce a tomu také odpovídají jejich kvartární struktury – fibrily, mikrofibrily, sítě – pro podrobnější údaje viz van der Rest a Garrone, 1991, van der Rest a Bruckner, 1994.
Kolagen typu I, který byl charakterizován jako první, protože je částečně rozpustný v neutrálních či kyselých pufrech, je tvořen třemi řetězci o 1050 aminokyselinách a délce 300 nm, podobně jako později objevené typy II, III, V, a XI. Uspořádání do trojnásobné šroubovice umožňují triplety Gly-Pro-Hyp. Nad to kolem a-uhlíku prolinu a hydroxyprolinu není možná volná otáčivost a navíc OH-skupiny hydroxyprolinu dávají vznik vodíkovým mostům zpevňujícím kolagenní strukturu, a tím zvyšujícím TD z 24 na 36 °C. To umožňuje jednotlivým řetězcům vytvořit trojnásobnou šroubovici a opustit buňku (Deyl a Adam, 1982).
Různorodost struktury a-řetězců způsobuje těžkosti při klasifikaci jednotlivých podskupin, jednoznačně lze snad vydělit jen skupinu fibrilárních kolagenů vytvářejících fibrily o příčném pruhování v elektronově mikroskopickém obraze (Obr. 1). Na obou koncích mají nehelikální telopeptidy a kromě toho i tzv. prokolagenní peptidy, z nichž C-propeptid (CF modul) je seřetězen bisulfidickými můstky a A-propeptid (VC či TN modul) má krátký úsek s triplhelixovou strukturou. Propeptidy před vytvořením fibrily jsou specifickými proteázami odštěpeny, a to umožňuje agregaci jednotlivých molekul – pokud se ony moduly neodštěpí, stérická situace neumožňuje vytvoření normální funkčně plnohodnotné fibrily. Pro nefibrilární kolageny je charakteristické velké množství netriplhelikálních domén včetně von Willebrandova faktoru, fibronektinu, komplementu C1q, trombospodinu (Obr. 2), jež jsou v dalším průběhu obvykle odštěpeny. Skupina nových kolagenů (typy XIII, XV-XIX) byla zjištěna pomocí cDNA sekvenováním, aniž by byly blíže charakterizovány tkáňové formy těchto kolagenních typů (Mayne a Brewton, 1993). Jejich existenci ve tkáních potvrdily analýzy mRNA. Jejich délka je různá a triplhelikální segmenty jsou přerušovány velkými nehelikálními oblastmi. Zajímavé je, že typ XVII obsahuje transmembranózní doménu, svědčící pro to, že daný typ je vázaný na buňku.
Nově syntetizované a-řetězce jsou přemístěny do hrubého endoplazmatického retikula a následně vytvářejí trojnásobnou šroubovici, když těsně předchází hydroxylace prolinů v Y-pozici tripletů Gly-X-Y, jež mj. vyžaduje kyselinu askorbovou. Samotné a-řetězce nejsou odolné vůči proteázové digesci a bez zvýšení TD dané vytvořením vodíkových můstků, jak je uvedeno výše, nemohou opustit buňku – což se děje při skorbutu. Další posttranslační změnou je hydroxylace lysinů, jež je důležitá pro vytvoření příčně vazebných elementů typu lysinonorleucinu a pyridinolinů. Jak prolinhydroxyláza, tak lysinhydroxyláza potřebují pro svoji činnost jak askorbovou kyselinu, tak Fe ionty. Některé hydroxylysiny jsou dále glykosylovány za účasti enzymu glykosyltransferázy. Jako její kofaktor mohou sloužit ionty různých kovů, nejvýhodnější se zdá být mangan. Vytváření triplhelixu typů I a III začíná na CF modulu N-konce. Tomu napomáhá přítomnost pěti tripletů Gly-Pro-Hyp a jednoho Gly-Pro-Pro v C-koncové doméně. Vzhledem k neotáčivosti kolem a-uhlíku iminokyselin vytváří tato struktura značnou tuhost C konce molekuly. Podobný mechanismus se předpokládá i u typů II, V a XI.
Kolagenní molekuly existují buď jako homotrimery, tj. jsou tvořeny identickými třemi a-řetězci (typy II, III, XI), nebo jako heterotrimery tvořené různými a-řetězci (typy I, IV, V, VI, IX). Z toho pravidla je několik výjimek: typ I může být někdy a1-homotrimerem, dále a1 (II) může vytvářet trimery s a (XI) řetězci, variabilní trimerové složení existuje i u typu V. V typu IV nejčastěji řetězcovou kombinací je [a1(IV)]2a2(IV), ale jakékoliv kombinace a1(IV) až a6(IV) jsou známy (Kühn, 1994). U nových kolagenů není známé složení trimerů až na typ XVI, kde se vyskytují homotrimery u rekombinantní bílkoviny (Tillet a spol., 1995).
Hlavními producenty kolagenu jsou buňky mezenchymálního původu. Na druhé straně byly získány důkazy pro syntézu kolagenu i epiteliálními, endoteliálními, svalovými a perineurálními buňkami. Většina těchto buněk syntetizuje jen omezený počet kolagenních typů. Na kontrole syntézy se zřejmě účastní cytokiny a další externí faktory jako interakce buňka-matrix (Kadler, 1994). Omezená schopnost syntézy je typická pro chondrocyty, které syntetizují jen typy II, IX, XI a v omezeném množství typy VI a XII. Tyto buňky za hypertrofie syntetizují i typ X, který je přítomen pak v kalcifikačních zónách chrupavky, a za dediferenciace syntetizují i typy I a III (Adam a Deyl, 1983). Osteoblasty syntetizují prakticky jen typ I, v kostní tkáni jiný typ se skutečně za fyziologických podmínek prakticky nevyskytuje.
Kolagenní fibrily jsou složeny z jednotlivých molekul, které jsou proti sobě posunuty o cca 1/4, event. 1/2 své délky. Agregaci molekul do fibril předchází odštěpení propeptidů, a to jak N-, tak C. Tím se mění prokolagen v kolagen. Mezi jednotlivými molekulami prostor není dost veliký (cca 90 nm), proto při nefunkční C-propeptidáze dochází k poruše vytváření fibril a ke vzniku patologických struktur. Kolagen typu I je nejhlavnější komponentou kolagenních fibril a bylo zjištěno, že existují fibrily, které obsahují vedle typu I i molekuly typů III a V, přičemž typ V tvoří jejich páteř. V retikulárních tkáních existují fibrily tvořené jen typy III a V, v kostech pak jsou tvořeny výlučně typem I. Ten je nutný pro deponování hydroxyapatitu při vytváření kosti. Naopak jeho zvýšené odbourávání v postmenopauzálním období u žen uvolňuje kalcium do krevního oběhu a dává vznik osteoporóze. Zde se nabízí myšlenka, že typ III není vhodný pro kalcifikační pochody ve tkáních. Chrupavka a některé další tkáně, jako sklivec, vytvářejí příčně pruhované fibrily z typů II a XI o malých průměrech. Některé z odštěpených propeptidů, jmenovitě CF modul typu II nazývaný chondrokalcin spolu s TN modulem a2(XI) řetězce (PARP doména), se vyskytují spolu s fibrilami ve chrupavce, jejich úloha ve vytváření struktur čtvrtého řádu však není jasná.
Fibrily jsou stabilizovány příčnými vazbami odvozenými od lysinů, resp. hydroxylysinů. Tyto vazby jsou vytvářeny extracelulárně za účasti lysyloxidázy, jejímž kofaktorem je měď. Tyto příčné vazby a dále bisulfidické vazby s výjimkou typů I a II způsobují, že kolagen až na typ I je nerozpustný a do roztoku je nutné jej převádět proteolytickým štěpením (nejlépe pepsinem) v telopeptidických oblastech. Peptidické vazby v triplhelikální oblasti jsou štěpitelné prakticky jen kolagenázami, ať již bakteriálními, nebo tkáňovou. Kvartární struktury nefibrilárních kolagenů mají nejrůznější charakter, tak typ VI vytváří mikrofibrilární síťovinu, typ VII krátká filamenta, typy IV, VIII a X membránové sítě. Mikrofibrily tvořené převážně typem VI se vyskytují v nejrůznějších tkáních, ve větších množstvích však jen v rohovce. Monomery kolagenu typu VI jsou dlouhé 100 nm, na obou koncích mají poměrně velké globulární domény tvořené více van Willebrandovými faktory.
Fibrily jsou vytvářeny antiparalelním skládáním jednotlivých molekul do dimerů a tetramerů (end-to-end) (Timpl a Chu, 1994). Výskyt kotevních fibril tvořených typem VII, které mají délku cca 800 nm, je omezen na epitel. Podle přijatého modelu jsou molekuly uspořádány antiparalelně do dimerů s krátkými přesahy na C-koncích. Malé globulární domény na C-koncích jsou při agregaci do fibril proteolyticky odštěpeny, zatímco velký nehelikální A-konec je zachován a funguje jako kotvící struktura. Typ VII se vyskytuje hlavně v rohovce, cévních stěnách a perichondriu.
Kolagen typu IV o složení [a1(IV)]2a2(IV) je sítě tvořícím kolagenem a je přítomen v bazálních membránách celého organismu. Jak bylo uvedeno výše, existují i jiné izoformy kolagenu IV, ty jsou však méně časté (Hudson a spol., 1993). Pro uspořádání do sítí je podstatná dimerizace prostřednictvím C-terminálních globulárních modulů a tvorba tetramerů paralelním a antiparalelním ukládáním podél krátkého N-terminálního triplhelikálního segmentu. Tyto dvě interakce jsou dostačující pro vytvoření nekonečné sítě (Timpl a spol., 1981). Molekuly v síti jsou seřetězeny lysinonorleucinovými a bisulfidickými vazbami. Takto vytvořená síť interaguje se sítí vytvořenou lamininem. I další dva typy – VIII a X – vytvářejí sítě, které mají obdobnou strukturu hexagonálního tvaru a jsou přítomny v Descemetské membráně rohovky. Kolageny typů IX a XII bývají modifikovány interakcí s poměrně rozsáhlým glykosaminoglykanovým řetězcem, který interaguje s fibrilami typu II, a dostávají tak proteoglykanovou funkci. Nadto je typ IX vázán s typem II příčnými vazbami typu pyridinolinů, odvozených od tří lysylových, resp. hydroxylysylových zbytků (Vaughan a spol., 1988). Homologní s typem IX jsou typy XII a XIV, podobnost je však omezena na Col1 a N-terminální trombospondin. Předpokládá se, že od nových kolagenů jsou proteolyticky odštěpeny terminální globulární domény, eventuálně, že dochází ke štěpení uvnitř triplhelikálních segmentů.
Kolagenní struktury typů I, II, IV a VI jsou důležité pro adhezi buněk. Interakce nativních forem kolagenu s buňkami je umožněna integriny a1b1 a a2b1 (Pfaff a spol., 1993, Kerna a spol., 1993). Kolagen se dále váže s proteoglykany a glykoproteiny, jako jsou fibrinogen a nidogen, dále s malými proteoglykany dekorinem a biglykanem, které mají vliv na fibrilogenezi (Heinegĺrd a Oldberg, 1989). Kolagenní struktury mají zásadní vliv na cytodiferenciaci a poruchy jejich struktury dávají vzniknout patologickým stavům, jako je osteogenesis emperfecta, Ehlersovy- -Danlosovy syndromy, Sticklerův syndrom (mutace v typech I, II, III, event. v posttranslačních modifikacích), epidermolysis bullosa (mutace a1 (VII), Alportův syndrom (mutace a5 (IV)), chondrodysplazie (mutace a2(XI)) (Kuivaniemi a spol., 1991, Kivirikko, 1993). Myši s deficiencí a1(IX) řetězce vykazovaly pozdní výskyt osteoartrózy (Fässker a spol., 1994).
Kolagen je poměrně konzervativní bílkovina a mezi obratlovci jsou jen nevelké odlišnosti ve struktuře. Kolagen bezobratlých však vykazuje podstatné odlišnosti jak ve struktuře, tak ve velikosti (Har-El R a Tanzer, 1993).
Literatura
ADAM, M., DEYL, Z. Altered expression of collagen phenotype in osteoarthrosis. Clin Chim Acta, 1983, 113, p. 25.
DEYL, Z., ADAM, M. Collagen in aging and disease. Praha : Academia, 1982.
FÄSSLER, R., SCHNEGELBERG, PNJ., DAUSMAN, J., et al. Mice lacking a1(IX) collagen develop noninflammatory degenerative joint disease. Proc Natl Acad Sci USA, 1994, 91, p. 5070–5074.
HAR-EK, R., TANZER, M. Evolution of the extracellular matrix in invertebrates. FASEB J, 1993, 7, p. 1115–1123.
HEINEGÄRD, DA., OLDBERG, A. Structure and biology of cartilage and bone matrix noncollagennous macromolecules. FASEB J, 1989, 3, p. 2024–2051.
HUDSON, BG., REEDERS, SI., TRYGVASON, K. Type IV collagen. Sstructure, gene organization, and role in human diseases. J Biol Chem, 1993, 268, p. 26033–26036.
KADLER, K. Extracellular matrix 1: Fibril-forming collagens. Protein Profile, 1994, 1, p. 519–638.
KERN, A., EBLE, J., GLBIK, R., et al. Interaction of collagen type IV with the isolated integrins a1b1 and a2b1, Eur j Biochem, 1993, 215, p. 151–159.
KIVIRIKKO, KI. Collagens and their abnormalities in a wide spectrum of diseases. Ann Med, 1993, 25, p. 113–126.
KUIVANIEMI, K., TROM, G., PROCKOP, DJ. Mutations in mouse in collagen genes: Cause of rare and some common diseases in humans. FASEB J, 1991, 5, p. 2052–2060. 1991.
KÜHN, K. Basement membrane (type IV) collagen. Matrix Biol, 1994, 14, p. 439–445.
PFAFF, AUMAILLEY, M., SPECKS, U., et al. Integrin and Arg-Gly-Asp dependence of cell adhesion to the native and unfolded triple helix of collagen type VI. Exp Cell Res, 1993, 206, p. 167–176.
TILLET, E., MANN, K., NISCHT, R., et al. Recombinant analysis of human a1(XVI) collagen. Evidence for processing of the A-terminal globular domain. Eur J Biochem, 1995, 228, p. 160–168.
TIMP, R., CHU, ML. Nicrofibrillar collagen type VI. In YURCHENCO, PD., BIRK, DE., MRCHAM, RP., (Eds), Extracellular Matrix Assembly and structure. San Diego : Academic Press, 1994, p. 207–242.
TIMPL, R., WIEDEMANN, H., VAN DELDEN, V., et al. A network model for the organization of type IV collagen molecules in basement membranes. Eur J Biochem, 1981, 120, p. 203–211.
VAN DER REST, M., BRUCKNER, P. Collagens: Diversity at the molecular and supramolecular levels. Curr Opin Struct, 1994, 3, p. 430–436.
VAN DER REST, M., GARRONE, R. Collagen family of proteins. FASEB J, 1991, 5, p. 2814–2823.
e-mail: adam@revma.cz