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Die Kollagen-Tripelhelix

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In der Aminosäuresequenz X-Hyp-Gly (wobei X eine beliebige Aminosäure sein kann) der Tripelhelix kann die Hyp Rest sowohl Hydroxyprolin als auch Hydroxylysin sein? In unserem Lehrbuch steht, dass der Hyp-Rest Hydroxyprolin ist, aber "Hydroxylysin kommt auch im Kollagen vor".

Dankeschön!


Die Collagen Triple Helix - Biologie

Die Triple-Helix-Struktur von Kollagen

Mit Interesse habe ich den Artikel Der Physiker und die Morgendämmerung der Doppelhelix gelesen [vgl. Karl Sigmund, Science, 366 (6461), 43 (4. Oktober 2019)]. Die Physiker derselben Epoche trugen auch zur Tripelhelix-Struktur des Kollagens bei.

Die Struktur der DNA wurde 1953 entschlüsselt und veröffentlicht und enthüllte die Doppelhelixform, aber die Strukturen komplexer und sogar gewöhnlicher Proteine ​​blieben dann rätselhaft. Auf Anregung des renommierten Kristallographen John Desmond Bernal führte die Gruppe von Gopalasamudram Narayanan Ramachandran in Chennai, Indien, Strukturstudien von Kollagen, dem am häufigsten vorkommenden Protein bei Tieren, durch. Ramachandran verwendete Kollagen aus verschiedenen Quellen (wie Haifischflosse, Rattenschwanz und Känguruschwanzsehne) und zeigte, dass Kollagen eine „Dreifach-Helix-Struktur“ hat und veröffentlichte seine Ergebnisse in einer Reihe von Artikeln, die alle den direkten Titel „Struktur des Kollagens“ trugen. (GN Ramachandran und G. Kartha, Nature 174 269–270 1954 GN Ramachandran und G. Kartha, Nature 176 593–595 1955 GN Ramachandran, Nature 177 710–711 1956 GN Ramachandran und V. Sasisekharan, Nature 190 1004–1005 1961) . Der „Ramachandran Plot“ zählt neben Paulings Beschreibung der α-Helix und Watsons und Cricks Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA zu den herausragendsten Beiträgen in der Strukturbiologie (E. Subramanian, Nature Structural Biology 8 489–491 2001) . Das Auditorium des Central Leather Research Institute in Chennai wird zu Ehren Ramachandrans als „Triple Helix Auditorium“ bezeichnet.


Die Collagen Triple Helix - Biologie

Eröffnungsbild: Die Tripelhelix eines kollagenähnlichen Modellpeptids.

Umriss

Die Kollagen-Triple-Helix und der a -helixförmig gewickelte Spule repräsentieren die beiden grundlegenden Supercoiled-Proteinmotive. Die Kollagentripelhelix besteht aus einem sich wiederholenden Gly &ndashX&ndashY-Sequenz. Es ist eine Hauptdomäne aller Kollagenproteine.

Die Dreifachhelix
Die Dreifachhelix
Rückgrat

Ein genauerer Blick auf das Rückgrat der Tripelhelix (keine Seitenkette oder Wasserstoffatome). Die Ketten werden durch nichtkovalente Wechselwirkungen (van-der-Waals-Kräfte, hydrophobe Wechselwirkungen und Wasserstoffbrücken) zusammengehalten.

Jeder dritte Rest geht durch das Zentrum der Tripelhelix, die so überfüllt ist, dass nur a Gly Seitenkette kann dort passen.

Die Dreifachhelix
Seitenketten

Jetzt werden alle Atome des Rückgrats raumfüllend angezeigt. Hineinzoomen .

Die Dreifachhelix
Interchain-Anleihen

Zoomen Sie heraus, um das gesamte Netzwerk der Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten zu sehen.

Die Dreifachhelix
Gly -15 to Ala Mutant
Die Dreifachhelix
Gly -15 to Ala Mutant

Jetzt für einige rekonstruktive Chirurgie.

Endlich das komplette Rückgrat.

Eine Kollagen-Mikrofibrille

Nun kehren wir zu einem raumfüllenden Modell des Wildtyp-Kollagen-Triple-Helix. Die Residenzen sind nach Gruppen eingefärbt: Gly , Profi und Hyp .

Kollagen funktioniert, indem es Seite an Seite zu aggregiert, die sich zu größeren supramolekularen Anordnungen zusammenfügen, die groß genug sind, um im Elektronenmikroskop gesehen zu werden. Animieren Sie den Zusammenbau einer Mikrofibrille.


Technologie

3Helix hat eine Reihe proprietärer Kollagen-Hybridisierungspeptide entwickelt, die direkt auf das beschädigte Kollagenmolekül abzielen. Kollagen ist der Hauptbestandteil fast jedes menschlichen Gewebes und spielt eine wesentliche Rolle bei der Unterstützung des Zellwachstums und der Gewebebildung. Eine Kollagenschädigung ist ein starker Hinweis auf eine Verletzung des Bindegewebes sowie auf eine Vielzahl von Krankheiten, die Entzündungen und abnormale Gewebeumbildung beinhalten, wie Krebs, Myokardinfarkt, Arthritis, Osteoporose und Fibrose. Mit herkömmlichen Technologien ist es jedoch schwierig, auf beschädigtes Kollagen zu zielen. Neben der Bereitstellung von KWK als Forschungswerkzeug für den Laboreinsatz in Wissenschaft und Industrie entwickelt 3Helix seine Wirkstoffe weiter, um neue Wege zur Erreichung diagnostischer und therapeutischer Ziele zu ermöglichen.

3Helix hat seinen Sitz in Salt Lake City, Utah. Es wurde von Drs. Yang Li und Michael Yu basieren auf der Technologie, die sie an der Johns Hopkins University erfunden haben.

Gründer Prof. Michael Yu beschreibt Beispiele für die enormen potenziellen medizinischen Anwendungen von CHP, das früher als Kollagen-mimetisches Peptid bezeichnet wurde. (Kein Zugang zu Youtube? Sehen Sie sich das Video hier an.)


Schlussfolgerungen und Perspektiven

Die Tripelhelix ist unter allen anderen Proteinstrukturen – kugelig oder faserig – einzigartig in ihrer Fähigkeit, riesige Informationsmengen zu kodieren, die auf ihrer Oberfläche für die Verwendung auf der Außenseite von Zellen verfügbar sind (Abb. 5A). Die Tripelhelix, die in verschiedenen Mustern angeordnet ist und verschiedene supramolekulare Gerüste bildet, bindet und organisiert Makromoleküle räumlich und verleiht so Geweben Zugfestigkeit und beeinflusst das Zellverhalten. Diese einzigartige Struktur der Tripelhelix mit ihrem kodierten Informationsgrad evoziert eine Analogie zur DNA-Doppelhelix (Abb. 5A).

Die grundlegende Bedeutung einer Tripelhelix für die Ermöglichung der Mehrzelligkeit von Tieren und der Gewebeevolution. (A) Die einzigartige Struktur und die enormen Kodierungseigenschaften der Kollagen-Tripelhelix außerhalb der Zelle (links) rufen eine Analogie zur DNA-Doppelhelix innerhalb der Zelle (rechts) hervor. (B) Die Tripelhelix-Proteinstruktur war in einzelligen Organismen vorhanden und wurde in Form von Kollagen IV kooptiert, was den Übergang zu mehrzelligen Tieren ermöglichte. Die Tripelhelix wurde auch als Schlüsselmerkmal aller Mitglieder der vielfältigen Kollagen-Superfamilie in der ECM adaptiert, um die Gewebeevolution zu ermöglichen. LCA, letzter gemeinsamer Vorfahre.

Die grundlegende Bedeutung einer Tripelhelix für die Ermöglichung der Mehrzelligkeit von Tieren und der Gewebeevolution. (A) Die einzigartige Struktur und die enormen Kodierungseigenschaften der Kollagen-Tripelhelix außerhalb der Zelle (links) rufen eine Analogie zur DNA-Doppelhelix innerhalb der Zelle (rechts) hervor. (B) Die Tripelhelix-Proteinstruktur war in einzelligen Organismen vorhanden und wurde in Form von Kollagen IV kooptiert, was den Übergang zu mehrzelligen Tieren ermöglichte. Die Tripelhelix wurde auch als Schlüsselmerkmal aller Mitglieder der vielfältigen Kollagen-Superfamilie in der ECM adaptiert, um die Gewebeevolution zu ermöglichen. LCA, letzter gemeinsamer Vorfahre.

Die biologische Bedeutung der Tripelhelix zeigt sich auch an den knapp 40 genetischen Erkrankungen und ihrer allgegenwärtigen Präsenz bei Tieren. Die Tripelhelix wurde in Form von Kollagen IV kooptiert, um den evolutionären Übergang von einzelligen Organismen zu mehrzelligen Tieren zu ermöglichen, und die Tripelhelix wurde auch angepasst, um alle anderen Mitglieder der vielfältigen Kollagen-Superfamilie hervorzubringen, wodurch die Evolution ermöglicht wurde von Geweben und Organen (Abb. 5B). Somit stellt die Tripelhelix eine grundlegende Proteinstruktur dar, die die Natur zum Aufbau einer extrazellulären Matrix angepasst hat.

Zur Funktion von Tripelhelices in Suprastrukturen und deren Dysfunktion bei Erkrankungen gibt es viele provozierende und unbeantwortete Fragen. Dazu gehören: (i) Was sind die unbekannten Stellen, die in der Tripelhelix für Bindungspartner kodiert sind, wie sie beispielsweise in Kollagen I-Fibrillen und Kollagen IV-Netzwerken dargestellt sind (Di Lullo et al., 2002 Parkin et al., 2011)? (ii) Wie werden Informationen in der Tripelhelix verwendet, um Suprastrukturen aufzubauen (Orgel et al., 2011)? (iii) Was sind die Mechanismen, wie Tripelhelices innerhalb von Suprastrukturen die Zellfunktion beeinflussen? (iv) Welchen Einfluss haben PTMs auf die Struktur und Funktion der Tripelhelix? (v) Wie verursachen genetische Mutationen in der Tripelhelix eine Gewebedysfunktion? (vi) Wie beeinflussen genetische Hintergründe die Variationen des Phänotyps? (vii) Was sind die Mechanismen für die Funktion der Tripelhelix beim Übergang von einzelligen Organismen zu mehrzelligen Tieren?

Um solche fundamentalen Fragen zu beantworten, ist Kollagen IV ein idealer Archetyp, da es das älteste der Kollagene ist und in einzelligen Organismen und nicht-bilaterianischen Tieren vorhanden ist (Fig. 5B). Darüber hinaus haben neuere Studien gezeigt, dass Kollagen IV in einigen Organismen auch in Abwesenheit eines BM vorkommt, wie in bestimmten Ctenophoren und Schwämmen, Placozoen und den einzelligen Filasterea Ministeria vibrans (Fidler et al., 2017 Grau-Bove et al., 2017 Schierwater et al., 2009). Darüber hinaus wurde eine aktuelle Studie über Drosophila Die Entwicklung lieferte den Beweis, dass Kollagen IV in Abwesenheit von BM eine Rolle bei der interzellulären Adhäsion und der wachstumsfördernden Signalübertragung spielt (Dai et al., 2017 Zajac und Horne-Badovinac, 2017). Zusammengenommen zeigen diese neueren Studien deutlich, dass Kollagen IV eine direkte Rolle bei der Beeinflussung des Zellverhaltens außerhalb des BM spielen kann, also die Kernfunktionen der Kollagen-Tripelhelix sowie seine Rolle beim Übergang von einzelligen Organismen zu mehrzelligen Tieren. kann durch vergleichende Studien in diesen Organismen angegangen werden. Dieses Wissen kann Einblicke in unbekannte Rollen von Kollagenen in der Zellbiologie, Krankheitspathogenese und Evolution von Tieren geben.


Die Collagen Triple Helix - Biologie

a Institut für Chemie, Universität Manitoba, Dysart Rd. 144, Winnipeg, Manitoba, Kanada
Email: [email protected]

Abstrakt

Kollagenmimetika sind Peptide, die die strukturellen Merkmale von natürlichem Kollagen reproduzieren. Eine Tripelhelix ist das erste Element in der Hierarchie der Kollagenfaltung. Es ist eine Anordnung von drei parallelen Peptidketten, die durch Packung und Wasserstoffbrücken zwischen den Ketten stabilisiert werden. In diesem Aufsatz fassen wir die bestehenden chemischen Ansätze zur Stabilisierung dieser Struktur zusammen, einschließlich der neuesten Entwicklungen. Derzeit vorgeschlagene Methoden umfassen die Manipulation der Aminosäurezusammensetzung, die Anwendung nichtnatürlicher Aminosäureanaloga, stimuliresponsive Modifikationen, Ansätze zur Kettenbindung, Peptidamphiphile, Modifikationen, die auf Interketteninteraktionen abzielen und mehr. Diese Fähigkeit, die Tripelhelix als supramolekulare Selbstorganisation zu manipulieren, trägt zu unserem Verständnis der Kollagenfaltung bei. Es liefert auch wesentliche Informationen, die für die Entwicklung kollagenbasierter Biomaterialien der Zukunft erforderlich sind.


Kollagene auf einen Blick

Kollagene sind eine große Familie von Triple-Helix-Proteinen, die im ganzen Körper weit verbreitet sind und für eine Vielzahl von Funktionen wichtig sind, darunter Gewebegerüst, Zelladhäsion, Zellmigration, Krebs, Angiogenese, Gewebemorphogenese und Gewebereparatur. Kollagen ist am besten als das wichtigste Zugelement von Wirbeltiergeweben wie Sehnen, Knorpel, Knochen und Haut bekannt, wo es in der extrazellulären Matrix als verlängerte Fibrillen vorkommt. Kollagen ist auch für seine Lage in Basalmembranen bekannt – zum Beispiel im Nierenglomerulus, wo es bei der molekularen Filtration wirkt. Die Identifizierung von Transmembran-Kollagenen auf den Oberflächen einer großen Vielfalt von Zellen und von Kollagenen, die Vorläufer bioaktiver Peptide sind, die parakrine Funktionen haben, hat jedoch zu einer Wiederbelebung des Interesses an Kollagen geführt. Darüber hinaus haben neue Entwicklungen in der 3D-Rekonstruktionselektronenmikroskopie zu neuen Möglichkeiten zur Untersuchung des intrazellulären Transports von Kollagen geführt. Neulinge auf diesem Gebiet stehen vor der gewaltigen Aufgabe, 100.000 Forschungsarbeiten aus 40 Jahren zu sichten. Hier bieten wir 'die Kollagen-Grundlagen'. Mehrere ausgezeichnete Rezensionen werden zitiert, die Quellen für detailliertere Beschreibungen und Diskussionen sind.


50 Jahre Kollagen-Triplehelix: ein Fest der Wissenschaft

Abdul Kalam, Präsident von Indien, auf dem Podium. Sitzend von links nach rechts sind T. Ramasami, S.P. Thyagarajan, R.N. Mashelkar, Kapil Sibal, V.S. Ramamurthy und S. K.
Brahmachari.

G. N. Ramachandran (GNR) war ein herausragender Kristallograph und Strukturbiologe. Das von ihm entwickelte Kollagenmodell hat sich im Laufe der Zeit bewährt und wesentlich zum Verständnis der Rolle dieses wichtigen Faserproteins beigetragen. Seine bahnbrechenden Beiträge zur Kristallographie, insbesondere in Bezug auf Methoden der Strukturanalyse mit Fourier-Techniken und anomaler Dispersion, sind anerkannt. Der Ramachandran-Plot bleibt der einfachste und am häufigsten verwendete Deskriptor und Werkzeug zur Validierung von Proteinstrukturen. Er erhielt viele Preise, darunter 1999 den Ewald-Preis der IUCr.

Ein erster wichtiger Beitrag zur Strukturbiologie war der zusammen mit Gopinath Kartha gemachte Vorschlag der Tripelhelixstruktur des faserigen Proteins Kollagen. Der Vorschlag wurde 1954 in Nature veröffentlicht. Ein Symposium mit dem Titel „50 Jahre Tripelhelix: eine Feier der Wissenschaft“ wurde von S.K. Brahmachari, M. Bansal und T. Ramasami am 7. August 2004 in Neu-Delhi anlässlich des 50. Jahrestages dieser Veranstaltung. Das Symposium und die Produktion eines Dokumentarfilms über Leben und Werk von GNR wurden vom Council of Scientific and Industrial Research (CSIR) und dem Dept. of Science & Technology (DST) unterstützt. R. A. Mashelkar, Generaldirektor des CSIR, hielt die Grundsatzrede. Anhand von Beispielen aus seiner eigenen Polymerforschung betonte er, wie wichtig es ist, mit unvorhergesehenen und ungewöhnlichen Ergebnissen wachsam umzugehen. V.S. Ramamurthy, Sekretär, DST, leitete die Eröffnungsfunktion.

Drei der Referenten waren ehemalige Studenten von Ramachandran. M. Bansal, sein letzter Doktorand, beschäftigte sich mit der Rolle von Hydroxyprolin in Kollagen und zeichnete die Geschichte der Entdeckung der dreifach helikalen Coiled-Coil-Struktur von Kollagen nach. Die Art und Weise, wie Ramachandran und Kartha, die in virtueller Isolation an der Universität von Madras arbeiteten, das Kollagenmodell anhand spärlicher biochemischer und Röntgendaten konzipierten, war wirklich bemerkenswert. Ihre eigene Arbeit führte zur Erkenntnis wasservermittelter Wasserstoffbrücken mit Hydroxyprolin.

C. Ramakrishnan, ein Co-Architekt des Ramachandran-Plots, beschrieb dann, wie die Kontroverse um die sogenannten kurzen interatomaren Abstände in der Kollagenmodellstruktur zu einer gründlichen Untersuchung der minimal zulässigen Abstände zwischen verschiedenen . durch die GNR-Gruppe führte nicht gebundene Atome. Aus Kristallstrukturdaten wurde festgestellt, dass sie erheblich kleiner sind als die Summen der entsprechenden Van-der-Waals-Radien. Diese erneute Untersuchung führte zu dem Ramachandran-Diagramm, das die Beschränkungen der Polypeptidkonformation grafisch veranschaulicht. Dies war zu einer Zeit, als die Struktur nur eines globulären Proteins bestimmt war. Heute, nach vierzig Jahren und Tausenden von Strukturbestimmungen, bleibt das Ramachandran-Diagramm ein sehr wichtiges Werkzeug zur Beschreibung und Validierung von Proteinstrukturen.

WIE. Kolaskar, ein weiterer Student, diskutierte den Beitrag von Ramachandran zur Entwicklung der Computerbiologie und Bioinformatik. Seine eigene Arbeit mit GNR beschäftigte sich mit der Nichtplanarität der Peptideinheit infolge der pyramidalen Natur des Amidstickstoffs. Die Nichtplanarität wurde durch quantenchemische Berechnungen und Analyse von Kristallstrukturdaten festgestellt.

M. Vijayan, ehemaliger Leiter der vom GNR eingerichteten Molecular Biophysics Unit (MBU) am Indian Inst. of Science, Bangalore, beschäftigte sich mit dem GNR-Erbe in der Kristallographie. Er verwies auf den Beitrag von GNR zur Nutzung der anomalen Dispersion für die Strukturanalyse. Viele von Ramachandrans Beiträgen waren theoretischer oder rechnerischer Natur. Er war daran interessiert, in Indien die biologische makromolekulare Kristallographie zu initiieren, aber dies war während seines aktiven Berufslebens nicht möglich. Er erlebte jedoch, dass die MBU, eine der beiden von ihm gegründeten Schulen, eine führende Rolle bei der Entwicklung der makromolekularen Kristallographie in Indien spielte.

Das Zentrale Lederforschungsinstitut. (CLRI), Chennai (ehemals Madras), befindet sich neben dem Labor, in dem GNR in den 1950er und 1960er Jahren arbeitete. Die ursprüngliche Kollagenprobe, die GNR in seinen Röntgenbeugungsexperimenten verwendete, wurde tatsächlich von CLRI geliefert. Der derzeitige Direktor des CLRI, T. Ramasami, beschrieb diese Assoziation sowie die derzeit verfügbaren kollagenbasierten Materialien, insbesondere diejenigen, die an seinem eigenen Institut entwickelt wurden. Es wurde eine große Anzahl von Krankheiten identifiziert, die mit einer Fehlfunktion von Kollagen verbunden sind. Die Präsentation von D. Balasubramanian befasste sich mit diesen Krankheiten, während S.S. Sriramachari über Krankheiten sprach, die mit der Wirkung von Nahrungsproteinen auf Kollagen zusammenhängen.

Die letzte wissenschaftliche Sitzung bezog sich auf Genomik. H. Yang (Beijing Genomics Inst.) gab einen Überblick über die Aktivitäten in diesem Bereich in China. Er beschrieb ihren Fortschritt von der Sequenzierung von einem Prozent des menschlichen Genoms zu 100 Prozent des Reisgenoms. Der letzte Vortrag war von S.K. Brhamachari, der Hauptorganisator des Treffens. Er erinnerte sich an seine frühen experimentellen Arbeiten zur Hydroxylierung von Prolin als Doktorand der MBU. Anschließend diskutierte er an seiner Institution in Delhi über die wichtigsten Bemühungen um Computational Genomics und Bioinformatics, die in Verbindung mit experimentellen Studien verfolgt werden.

Ein Höhepunkt des Symposiums war die Teilnahme des indischen Präsidenten Abdul Kalam. Kalam leistete wichtige Beiträge zu den indischen Raumfahrt- und Verteidigungsbemühungen, bevor er Präsident wurde. Kapil Sibal, der neue Minister für Wissenschaft und Technologie, sprach über das Engagement der indischen Regierung für die wissenschaftliche Forschung und versprach, die bürokratischen Engpässe zu beseitigen, die ihrer sinnvollen Verfolgung im Wege stehen könnten. Der Präsident interagierte auch in einer Frage-Antwort-Runde mit den Studierenden.

Ramachandrans aktive Forschungskarriere in der Strukturbiologie endete vor fast 25 Jahren, lange vor seinem Tod im Jahr 2001, und dennoch ist er auf diesem Gebiet weiterhin präsent. Er war wohl der herausragendste Wissenschaftler, der im unabhängigen Indien gearbeitet hat. Er zeigte auf, wie die internationale Wissenschaft auch unter schwierigen Bedingungen in weniger gut ausgestatteten Quartieren entscheidend beeinflusst werden kann. Das Symposium vom 7. August war in der Tat eine würdige Hommage an sein Andenken.


KOLLAGENREZEPTOREN

Kollagene werden in der extrazellulären Matrix abgelagert, nehmen aber über mehrere Rezeptorfamilien an Zell-Matrix-Interaktionen teil (Heino et al. 2007, 2009 Humphries et al. 2006 Leitinger und Hohenester 2007). Sie sind Liganden von Integrinen, Zelladhäsionsrezeptoren, denen intrinsische Kinaseaktivitäten fehlen. Kollagene binden an Integrine mit einer β1-Untereinheit kombiniert mit einer der vier Untereinheiten mit einer αA-Domäne (α1, α2, α10 und α11) über GFOGER-ähnliche Sequenzen, wobei O Hydroxyprolin ist (Humphries et al. 2006 Heino et al. 2007) . Andere Erkennungssequenzen gibt es in Kollagenen wie KGD in der Ektodomäne von Kollagen XVII, das von α5β1- und αvβ1-Integrinen, nicht aber von den „klassischen“ Kollagenrezeptoren erkannt wird (Heino et al. 2007). Mehrere bioaktive Fragmente, die aus der proteolytischen Spaltung von Kollagenen resultieren, sind Liganden von αvβ3-, αvβ5-, α3β1- und α5β1-Integrinen (Ricard-Blum und Ballut 2011).

Die Kollagene I–III sind auch Liganden der dimeren Diskoidinrezeptoren DDR1 und DDR2, die Tyrosinkinaseaktivitäten besitzen (Leitinger und Hohenester 2007). Die wichtigste DDR2-Bindungsstelle in den Kollagenen I–III ist ein GVMGFO-Motiv (Heino et al. 2009). Die Kristallstruktur eines an die Diskoidindomäne (DS) von DDR2 gebundenen Tripelhelix-Kollagenpeptids hat Einblicke in den Mechanismus der DDR-Aktivierung gegeben, der strukturelle Veränderungen von DDR2-Oberflächenschleifen beinhalten kann, die durch Kollagenbindung induziert werden (Carafoli et al. 2009) ( PDB-ID: 2WUH). Die Aktivierung kann aus der gleichzeitigen Bindung beider DS-Domänen im Dimer an eine einzelne Kollagen-Tripelhelix resultieren oder DS-Domänen können Kollagen unabhängig binden (Carafoli et al. 2009). Die löslichen extrazellulären Domänen von DDR1 und DDR2 regulieren die Kollagenablagerung in der extrazellulären Matrix, indem sie die Fibrillogenese hemmen (Flynn et al. 2010). DDR2 beeinflusst die mechanischen Eigenschaften von Kollagen-I-Fasern, indem es ihre Persistenzlänge und ihren Young-Modul verringert (Sivakumar und Agarwal 2010).

Kollagene binden an Glykoprotein VI (GPVI), ein Mitglied der gepaarten Immunglobulin-ähnlichen Rezeptorfamilie, auf Thrombozyten (Heino et al. 2007) und an den inhibitorischen Leukozyten-assoziierten Immunglobulin-ähnlichen Rezeptor-1 (LAIR-1, Lebbink et al. 2006). Beide Rezeptoren erkennen das GPO-Motiv in Kollagenen. Liganden von LAIR-1 sind fibrilläre Kollagene I, II und III und Membrankollagene XIII, XVII und XXIII. Die Kollagene I und III sind funktionelle Liganden von LAIR-1 und hemmen die Aktivierung von Immunzellen in vitro. LAIR-1 bindet mehrere Stellen an den Kollagenen II und III (Lebbink et al. 2009). LAIR-1 und LAIR-2 sind hochaffine Rezeptoren für die Kollagene I und III. Sie binden an diese mit höherer Affinität als GPVI (Lebbink et al. 2006, Lebbink et al. 2008), aber drei für die Kollagenbindung zentrale LAIR-1-Aminosäuren sind in GPVI konserviert (Brondijk et al. 2010). Fibrillenbildende Kollagene und Kollagen IV sind auch Liganden von Endo180 (Urokinase-Typ Plasminogen Activator Associated Protein), einem Mitglied der Makrophagen-Mannose-Rezeptor-Familie, das die Kollagen-Internalisierung vermittelt (Leitinger und Hohenester 2007, Heino et al. 2009). Die Identifizierung von Kollagensequenzen, die an Rezeptoren binden, hat von den von Farndale et al. (2008).


Einführung [ bearbeiten | Quelle bearbeiten]

Kollagen ist ein wesentlicher Bestandteil des Rahmens der Gestaltung unserer verschiedenen Körpergewebe. ist das wichtigste unlösliche Faserprotein in der extrazellulären Matrix und im Bindegewebe.

  • Es ist das am häufigsten vorkommende Protein im Tierreich.
  • Es gibt mindestens 16 Kollagentypen, aber 80 – 90 Prozent des Kollagens im Körper bestehen aus den Typen I, II und III
  • Es ist für die Erfüllung einer Vielzahl wichtiger biologischer Funktionen verantwortlich.
  • Es ist am bekanntesten für die strukturelle Rolle, die es im Körper spielt.
  • Es kommt in großen Mengen im Bindegewebe vor und verleiht Knochen, Sehnen und Bändern Zugfestigkeit und der Haut Elastizität. Es wirkt oft in Verbindung mit anderen wichtigen Proteinen wie Keratin und Elastin. [1][2]
  • Die Kollagenproduktion nimmt mit dem Alter und der Exposition gegenüber Faktoren wie Rauchen und UV-Licht ab.
  • Kollagen kann in Kollagenverbänden verwendet werden, um neue Hautzellen an Wundstellen anzuziehen.
  • Kosmetische Lotionen, die behaupten, den Kollagenspiegel zu erhöhen, tun dies wahrscheinlich nicht, da Kollagenmoleküle zu groß sind, um durch die Haut aufgenommen zu werden [3] .

Funktion [ bearbeiten | Quelle bearbeiten]

Kollagen ist ein hartes, unlösliches und faseriges Protein, das ein Drittel des Proteins im menschlichen Körper ausmacht.

  • In den meisten Kollagenen sind die Moleküle zu langen, dünnen Fibrillen zusammengepackt. Diese fungieren als tragende Strukturen und verankern Zellen untereinander. Sie verleihen der Haut Festigkeit und Elastizität.
  • Die Kollagene im menschlichen Körper sind stark und flexibel.
  • Kollagenfibrillen vom Typ 1 sind besonders dehnbar. Gramm für Gramm sind sie stärker als Stahl. [3]

Es gibt fast 30 verschiedene Arten von Kollagen, die bisher identifiziert wurden. Der am häufigsten im menschlichen Körper vorhandene Kollagentyp ist der Typ I, wobei auch signifikante Mengen von Typ II, III und IV berücksichtigt werden.

  • Kollagen I – in Knochen, Sehnen, Organen gefunden
  • Collagen II – hauptsächlich im Knorpel zu finden
  • Kollagen III- kommt hauptsächlich in retikulären Fasern vor (feines fibröses Bindegewebe, das in Netzwerken vorkommt, um das Stützgewebe vieler Organe zu bilden).
  • Kollagen IV – gefunden in der Basalmembran von Zellmembranen (eine dünne nichtzelluläre Schicht zwischen Epithelzellen und dem darunter liegenden Bindegewebe, bestehend aus Kollagen und anderen Proteinen und mit einer Vielzahl von Funktionen, einschließlich Unterstützung und Filtration) [4]
  • Kollagen V- in Haaren, Nägeln gefunden [2]

Kollagensynthese und Struktur [ bearbeiten | Quelle bearbeiten]

  1. Die Produktion von Kollagen beginnt mit Prokollagen – der Substanz, die von Ihren Zellen abgesondert wird. Es wird in zwei Teilen Ihrer Zelle verarbeitet, dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Körper.
  2. Dieser ganze Prozess benötigt Vitamin C.
  3. Die Struktur eines Kollagenproteins verleiht ihm die einzigartige Kraft, die Ihr Körper braucht. Es ist eine Tripelhelix – drei Ketten, die sich umeinander drehen.
  4. In jeder der drei Ketten, aus denen Kollagen besteht, befinden sich 1.050 Aminosäuren. Und sie werden mit Wasserstoffen zusammengehalten – dem kleinsten Atom.
  5. Glycin ist eine Aminosäure, die die Mitte der Tripelhelix-Struktur einnimmt, weil sie die einzige ist, die passen kann. Glycin ist eine Aminosäure mit einem einzigen Wasserstoffatom als Seitenkette. Es ist die einfachste Aminosäure.
  6. Diese langen Fasern existieren nicht nur als einzelne Proteinseile. Kollagen kann sich zu gestreiften horizontalen Blättern zusammenfügen. [5]

Hinweis: Je älter Sie werden, desto weniger Kollagen bilden Sie. Und was Sie machen, ist nicht so hochwertig wie das Kollagen Ihrer Jugend. Dies beeinflusst das Erscheinungsbild der Haut, die Erhaltung der Gelenkgesundheit und vieles mehr. [5]


Die Collagen Triple Helix - Biologie

Elektronenmikroskopische Beobachtung von Kollagenfasern

Das Institut für Optik, University of Rochester

Abschlussprojekt Frühjahr 2006

Kollagen ist das Hauptprotein des Bindegewebes bei Tieren und das am häufigsten vorkommende Protein bei Säugetieren, das etwa 40% des Gesamtproteins ausmacht. Es ist eines der langen, faserigen Strukturproteine, deren Struktur und Funktionen sich stark von denen kugelförmiger Proteine ​​wie Enzyme unterscheiden.

Abb. 1. Kollagen-Tripelhelix

Collagen unterscheidet sich von anderen Proteinen dadurch, dass das Molekül drei Polypeptidketten umfasst, die eine einzigartige Triple-Helix-Struktur bilden (siehe 1 ). Es ist zäh und nicht dehnbar, hat eine hohe Zugfestigkeit und ist der Hauptbestandteil von Knorpel, Bändern und Sehnen und der Hauptproteinbestandteil von Knochen und Zähnen. Zusammen mit weichem Keratin ist es für die Festigkeit und Elastizität der Haut verantwortlich, und sein Abbau führt zu altersbedingten Falten. Es stärkt die Blutgefäße und spielt eine Rolle bei der Gewebeentwicklung. Es liegt in kristalliner Form in der Hornhaut und in der Augenlinse vor.

Bisher sind mehr als 20 Kollagentypen bekannt, verschiedene Typen werden durch unterschiedliche Polypeptidsequenzen bestimmt. Ihre Eigenschaften sind unterschiedlich und sie können an verschiedenen Stellen des Tierkörpers gefunden werden.

In diesem Projekt verwendete Proben, darunter eine Rattenhornhautprobe für die SEM-Bildgebung von Kollagen Typ I-Fibrillen, eine Rinderkollagen Typ III-Lösungsprobe (Rockland Immunochemicals Inc. 1-mal PBS verdünnt auf 0,1 mg/ml) für die TEM-Untersuchung von Kollagen Typ III-Fibrillen und ein unlösliches Rind Kollagentyp-I-Faserprobe (Sigma Aldrich) für die Mikroskopbeobachtung.

Die für die REM-Bildgebung verwendete Hornhautprobe von Ratten war HMDS-dehydratisiert, der Fixier- und Dehydratisierungsprozess ist wie folgt:

1) Tauchen Sie die frisch geschnittene Gewebeprobe in physiologische Kochsalzlösung

2) Übertragen Sie die Probe in eine Lösung mit 1 % Glutaraldehyd in 0,1 M Cacodylate-Puffer, pH 7.

Warten Sie 5 Minuten für den Probenfixierungsprozess.

3) 5 Minuten in destilliertem Wasser waschen

4) Entwässern Sie mit einer Reihe von Ethanolwaschungen:

50 % Ethanol 5 Minuten 75 % Ethanol 5 Minuten 90 % Ethanol 5 Minuten 100 % Ethanol 5 Minuten.

5) 15 Minuten in HMDS eintauchen und bei Raumtemperatur im Abzug luftgetrocknet.

Anschließend montierten wir die Probe auf dem SEM-Probenstub und sputterten eine Goldschicht darauf in einem Sputter-Coater.

Danach wurde die Probe mit dem leitfähigen Lack gut geerdet und war bereit für die SEM-Bildgebung.

Um den Kontrast unserer TEM-Bilder zu verbessern, haben wir die Negativfärbungstechnik verwendet.

Für unsere Collagen-Typ-III-Probe verwendeten wir 1% Phosphorwolframsäure als unsere Negativfärbung.

Der Färbeprozess ist wie folgt:

1) Ein Tropfen Kollagenlösung wird auf eine Petrischale gegeben.

2) Ein mit Kohlenstoff beschichtetes EM-Gitter (Abb. 2) wird mit der Kohlenstoffseite nach unten für ungefähr 1-3 Minuten auf den Tropfen der Kollagenlösung gelegt.

3) Das Gitter wird entfernt, mit Filterpapier abgetupft und für eine Minute auf einen Tropfen Färbelösung gelegt.

4) Entfernen Sie dann die überschüssige Färbelösung.



Lichtmikroskopische Probenvorbereitung

Für lichtmikroskopische Proben benötigen wir keine spezielle Probenvorbereitung. Wir legen einfach ein Stück Kollagenfaserprobe auf einen Objektträger, bedecken es mit einem Deckglas und legen die Probe dann zur Beobachtung unter das Mikroskopobjektiv.

Unterschiedliche Proben sollten durch unterschiedliche Bildgebungsverfahren abgebildet werden. Für Massen- und nicht transparente Proben wie die Hornhautprobe von Ratten verwenden wir REM. Für dünne und transparente Proben wie die Kollagen-Typ-III-Lösungsprobe verwenden wir TEM. Für vorherige elektronenmikroskopische Beobachtungen, die keine großen Vergrößerungen benötigen, verwenden wir das Lichtmikroskop.

Fig. 3 ist ein SEM-Bild, das wir von der Hornhautprobe von Ratten bei 10000-facher Vergrößerung erhalten haben. Wir können auf diesem Bild einige große Bündel von Kollagenfibrillen sehen, die herumliegen. Auch können wir deutlich die feinen Gewebe einzelner Kollagenfibrillen sehen, aus denen die gesamte Rattenhornhaut besteht.

Abb.3 Rattenhornhaut-REM-Bild 10000 &mal

Wir haben uns dann einen kleinen Bereich bei 50000-facher Vergrößerung genauer angeschaut. Hier sind im Hintergrund deutlich einzelne Fibrillen zu erkennen, die im Durchschnitt etwa 20 nm Durchmesser haben. Über dem Hintergrund des Kollagenfibrillengewebes liegt ein großes Bündel von Fibrillen. Wir können sogar fast sehen, wie sich einzelne Kollagenfibrillen miteinander verdreht haben, um das Fibrillenbündel zu bilden. Das linke Bild in der Abbildung ist das Originalbild und das rechte ist ein koloriertes Bild.

Abb.4 REM-Aufnahme der Rattenhornhaut 50000 &mal

5 und 6 sind TEM-Bilder, die wir von der PBS-gepufferten 0,1 mg/ml Rinderkollagen-Typ-III-Lösungsprobe erhalten haben. Der Kontrast dieser Bilder ist aufgrund der negativen Färbung gut: 1% Phosphorwolframsäure haben wir im Experiment verwendet. Die Vergrößerung beträgt 125000-fach und wir können deutlich das große Durcheinander der Kollagen-Fibrillen vom Typ III sehen. Die Fibrillen haben auch einen Durchmesser von etwa 20 nm. Die linken Bilder in diesen Abbildungen sind die Original-TEM-Bilder und die rechten sind die kolorierte Version. Wir können sehen, dass die Kollagen-Typ-III-Fibrillen in der Lösung ein Gel bilden und eine komplizierte 3D-Struktur aufweisen.

Abb. 5. Rinderkollagen Typ III-Lösung TEM-Bild 125000 ×

Abb. 6. Rinderkollagen Typ III Lösung TEM-Bild 125000 ×

7 ist die lichtmikroskopische Aufnahme der unlöslichen Faserprobe aus Rinderkollagen Typ I .

Abb. 7. Lichtmikroskop aus Rinderkollagen Typ I Faserprobe 100 &mal

Lichtmikroskopie, SEM, TEM, Probenfixierung und -trocknung für REM, Probensputterbeschichtung für REM, Negativfärbung für TEM, Bildkolorierung.

Glücklicherweise sehen die REM- und TEM-Bilder alle gut aus. Wir haben mit verschiedenen elektronenmikroskopischen Techniken erfolgreich verschiedene Kollagentypen beobachtet und die Bilder sehen alle so aus, wie sie erwartet werden. Die Kollagen-Typ-I-Fibrillen in der Rattenhornhaut bilden ein feines Gewebe oder sind zu einem großen Bündel zusammengedreht. Die Kollagenfibrillen in der Lösung von Rinderkollagen Typ III bilden ein Kollagengel mit komplizierter 3D-Struktur. Dieses Projekt ist sehr hilfreich für ein besseres Verständnis der Kollagenstrukturen und -eigenschaften sowie für ein besseres Wissen über REM-, TEM- und Lichtmikroskop-Bildgebungstechniken.

Danke Brian für seine Hilfe und Anleitung. Vielen Dank an Frau Karen für die großzügige Spende von 1% Phosphowolframsäure-negativer Färbung. Danke Dr. Edward Brown für das Schneiden der Hornhaut von Ratten und seine Anleitung.

1) Kadleret al., Bildung von Kollagenfibrillen, Biochem. J. (1996) 316, 1-11


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Bemerkungen:

  1. Abdul-Muta'al

    Ich denke, du hast nicht Recht. Treten Sie ein, wir besprechen es. Schreib mir per PN.

  2. Trang

    Entschuldigen Sie mich für das, was mir der Interferenzung bewusst ist ... diese Situation. Forum -Einladung.

  3. Fagen

    Ich empfehle Ihnen, die Website zu besuchen, auf der Sie viele Informationen zum Interesse finden. Wird dich nicht schade.

  4. Zushicage

    sehr gutes stück

  5. Oxnatun

    Vielen Dank für die Informationen, kann ich Ihnen auch etwas helfen?



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