11 MZB I - Borsig 2

Defekte in Collagensynthese:

Glasknochenkrankheit (Osteogenesis imperfecta) Collagen type I
Skoliosen Collagen type II

Elastische Fasern bewirken die Elastizität von Gefässwänden, Bändern, Haut usw. Besonders viel elastisches Bindegewebe gibt es z. B. in der Aorta und in bestimmten Bändern.

Elastische Fasern bestehen aus Elastin und darin eingelagerten Mikrofibrillen, die hauptsächlich Fibrillin enthalten

Elastin wird wie Kollagen als lösliche Vorstufe (Proelastin) intrazellulär gebildet, in den Extrazellulärraum exportiert und dort durch limitierte Proteolyse in das 68 kDa grosse Elastin umgewandelt.

Desmosin ist eine Aminosäure, die aus vier L-Lysin-Molekülen gebildet wird.^[2] Desmosin und das verwandte Isodesmosin sind Komponenten des Faserproteins Elastin.

Hypothetisches Modell zur Erklärung der Elastizität von Elastin. Die kompakte Form (relaxed) ist energetisch begünstigt, weil die hydrophoben Molekülbereiche gegen aussen abgeschirmt sind.
-> Im nicht gestreckten, energetisch günstigen Zustand (relaxed) ist das quervernetzte Elastinaggregat kompakt, so dass die hydrophoben Bereiche gegen die wässerige Umgebung abgeschirmt sind. Der hydrophobe Effekt begünstigt die kompakte Konformation. Bei mechanischem Strecken kann sich das Molekülaggregat um ein Mehrfaches ausdehnen; die einzelnen Elastinmoleküle bleiben dabei über die kovalenten Quervernetzungen in den lysinreichen Sequenzabschnitten verbunden. Sobald das Strecken aufhört, gleitet das Aggregat wieder in die energetisch günstigere, kompakte Form zurück

(The elastin core is covered with a sheath of microfibrils, each of which has a diameter of about 10 nm. Microfibrils are composed of a number of distinct glycoproteins, including the large glycoprotein fibrillin, which binds to elastin and is essential for the integrity of elastic fibers. Mutations in the fibrillin gene result in Marfan's syndrome.)

Fibrillin besteht aus über 50 gleichartigen Domänen, die durch Disulfidbrücken stabilisiert sind

Die Grundsubstanz der EZM besteht aus hydrophilen Proteoglykanen und GAG's (Glykosaminoglykane)

Die GAG und die Proteoglykane sind stark anionisch und binden deshalb viele Kationen und dadurch auch viel Wasser (Kationen sind mit einer Hydrathülle umgeben).

Glycosaminoglykane bestehen aus langen Ketten von Disaccharidbausteinen

Die Proteoglykane sind riesengross und mit wenig definierte Struktur. Sie bilden ein sehr hydrophiles Füllmaterial, vor allem im Knorpel.

Die GAG und die Proteoglykane sind mit den Zellmembranen vergesellschaftet und bilden auf diese Weise die Glykokalyx. Sie sind auch mit Kollagenfibrillen vernetzt.

Molecules of aggrecan assemble with hyaluronan in the extracellular space to form aggregates that are as big as a bacterium

(Hyaluronan (also called hyaluronic acid or hyaluronate) is the simplest of the GAGs)

Das im Knorpel enthaltene Aggrecan liegt als Aggregat mit Hyaluronsäure vor. Die Hyaluronsäure bildet dabei das Rückgrat des gesamten Komplexes, an das sich über sog. Verbindungsproteine bis zu 100 Aggrecanmoleküle anlagern (nicht kovalent!). 

Am Abbau des Bindegewebes sind verschiedene Proteasen beteiligt. Man hat sie nach dem Katalysemechanismus und den kritischen Resten an der aktiven Stelle in vier Klassen eingeteilt
-> Besonders zahlreich sind die metallabhängigen Proteasen, die als MatrixMetalloproteasen bezeichnet werden (MMP)

Offensichtlich muss der Abbau der Kollagene und der anderen Komponenten der EZM reguliert sein, um einen wahllosen Abbau zu verhindern. Eine Regulationsmöglichkeit besteht darin, dass die Zymogene nur bei Bedarf aktiviert werden. Eine andere Regulation wird durch Proteaseinhibitoren erreicht. Die TIMP (Tissue Inhibitors of Metalloproteases) stehen mit den MMP in einem fein regulierten Gleichgewicht, dessen Störung zu überhöhtem oder mangelhaftem Kollagenabbau führt.

Tumorzellen, welche die Fähigkeit haben, den Primärtumor zu verlassen und sich über die Blutbahn in anderen Geweben auszubreiten (metastasierender Tumor), können mit Hilfe von Kollagenasen die Basalmembran durchbrechen und in Blutgefässe eindringen. Andere Tumorzellen erreichen dasselbe, indem sie mit einer Heparinase den Heparinteil von GAG auflösen und sich dadurch freie Bahn durch die EZM verschaffen.

Gewisse Mikroorganismen bauen Kollagen und andere fibrilläre Strukturen ab, um sich im Wirtsorganismus vermehren zu können. Chlostridium histolyticum produziert eine Kollagenase mit der Spezifität ...Gly-X-Y-↓-Gly-X-Y..., die die Tripelhelix in Hunderte kleiner Peptide zerlegt. Das Bakterium ist der Erreger des Gasbrands, einer sehr gefährlichen Wundinfektion.

Bei der Erbkrankheit Cutis laxa wird Elastin ungenügend quervernetzt und deshalb zu leicht abgebaut. Die Haut wird schlaff und altert frühzeitig. Beim Ehlers-Danlos-Syndrom und beim Marfan-Syndrom sind Defekte bei der Lysinhydroxylase (Abb. 6 ) und bei der extrazellulären Abspaltung der Propeptide aus Kollagen gefunden worden. Symptome dieser Krankheiten sind sehr spröde, verletzliche Haut, aber auch überdehnbare Haut und Gelenke ( Beispiel: Cutis laxa)

Bei der Osteogenesis imperfecta sind die Knochen sehr brüchig (Glasknochenkrankheit). Die Krankheit wird durch ungenügende Synthese und Quervernetzung von Typ I-Kollagen mitverursacht

Mutationen in Typ II Kollagen, dem
wichtigsten Kollagen des Knorpels, wurden bei Skelettmissbildungen (Skoliose = Verkrümmung der Wirbelsäule) beobachtet.

fixen Bindegewebszellen (Fibroblasten), freien Zellen (Mastzellen, Makrophagen) und extrazellulärer Matrix (EZM).

Fibrillärer Anteil: Kollagen
Grundsubstanz: Glykosaminoglykane

Die Kollagene sind eine grosse Proteinfamilie, die mengenmässig den grössten Anteil des Bindegewebes und 25 % der gesamten Proteinmenge des menschlichen Körpers ausmacht

Als grobe Unterteilung unterscheidet man fibrilläre und nichtfibrilläre Kollagene

Die fibrillären bilden seilartige Strukturen. Ihre Grundstruktur ist eine Tripelhelix, die aus drei helikal umeinander gewundenen Polypeptidketten besteht. Zu den fibrilläre Kollagene gehören die Typen I, II, III, V und XI (Tab. 1). Die nichtfibrillären Kollagene enthalten ebenfalls Tripelhelices, dazu aber auch globuläre Bereiche; sie bilden häufig Netzwerke und sind mit den fibrillären Kollagenen wie auch mit den Bindegewebszellen assoziiert.

Tripelhelixstruktur in fibrillären Kollagenen wird durch eine aussergewöhnliche Aminosäurensequenz ermöglicht:
(Gly-X-Y)_{n ; wobei}
  n = 300 - 400
  X = Pro, Ala > andere Aminosäure
  Y = Hyp(Hydroxyprolin), Ala > andere Aminosäure
 -> Gly, Ala, Pro, Hyp machen 60 - 70 % der ganzen Sequenz aus
-> Die für Kollagen Kodierenden Exons sind meistens vielfache von 9 Bps (besonderss oft 54 Bps)

Tripelhelixstruktur von Kollagen: Drei Helices mit einer Ganghöhe von 10 Å sind zu einer Superhelix mit 86 Å Ganghöhe verdrillt
-> Die Glycine sind gegen das Innere der Tripelhelix gerichtet. Nur Glycin, das keine Seitenkette trägt, hat in dieser Position Platz. Die sperrigen Proline und Hydroxyproline schauen nach aussen.

Hydroxyprolin und Hydroxylysin entstehen durch posttranslationelle Modifikationen, Vitamin C ist Cofaktor
-> Prolin und seltener Lysin werden in der fertigen, aber noch nicht vollständig zur Tripelhelix gefalteten Polypeptidkette hydroxyliert. Hydoxyllysin kann danach auch noch glykosyliert werden. Vitamin C ist essentieller Cofaktor für die Hydroxylierung. 

Jeweils 5 Kollagentripelhelices lagern sich in ienem Ring verstzt aneinander und bilden eine Mikrofibrille, die durch elektrostatische Bindungen und kovalente Bindungen stabilisiert wird. (Die versetzete Anordnung veruracht ein im EM Bild sichtbares Bandenmuster)

Kovalente Quervernetzungen stabilisieren die Kollagenfibrillen.

Sie entstehen spontan
- z.B. zwischen 2 Lysinaldehyden und 1 Histidin (b)
- z.B. zwischen 1 Lysinaldehyd und 2 Lysinen (c)

-> Lysinaldehyd entsteht in einer Enzymkatalysierten O2 verbrauchenden Desaminierung (a)

Die Biosynthese besteht aus einem intrazellulären und einem extrazellulären Teil. Intrazellulär werden lösliche Vorstufen bis zur Prokollagen-Tripelhelix gebildet. Prokollagen wird danach in den Extrazellulärraum exportiert und dort in mehreren Schritten in die Kollagenfibrille umgewandelt.

Die bei der Translation an den Ribosomen entstehenden Pro-α-Ketten haben am N- und C-Ende
Peptidsequenzen (Propeptide), die dazu dienen, dreiα-Ketten parallel zueinander anzuordnen. Die N- und C-terminalen Propeptide sind nicht-helikal. Sie assoziieren zu globulären Strukturen (hydrophober Effekt) und bringen dadurch die langen helikalen Abschnitte in Register, so dass sich die Tripelhelix vom C-Ende her falten kann. Disulfidbrücken zwischen C-terminalen Propeptiden und H-Brücken zwischen den Peptidhauptketten helfen, die noch wenig stabile Tripelhelix zu stabilisieren. Pro und Lys werden vor der Ausbildung der Tripelhelix hydroxyliert. Das fertige tripelhelikale Prokollagen wird im Golgiapparat in Vesikel verpackt und exozytotisch sezerniert. Im Extrazellulärraum werden die N- und C-terminalen Propeptide, die jetzt zur Stabilisierung der Tripelhelix nicht mehr nötig sind, durch spezifische Matrix-Metalloproteasen (MMP, Abschnitt 4 ) abgespalten (bei gewissen Kollagenen ist die Abspaltung unvollständig).ε-Aminogruppen werden desaminiert, es kommt zur Assoziation und kovalenten Quervernetzung  und schliesslich zur Ausbildung der unlöslichen Kollagenfibrillen.

Es gibt mindestens 20 verschiedene Kollagentypen, die aus Homo- und Heterotrimeren bestehen

Der einzelne Kollagentyp besteht aus drei gleichen (Homotrimer) oder drei unterschiedlichen (Heterotrimer) Polypeptidketten. Die einzelnen Polypeptidketten werden alsαKetten bezeichnet, und die Zugehörigkeit zu einem Kollagentyp wird mit der römischen Zahl in Klammern angemerkt.

s.B.

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