PROTEINY EXTRACELULÁRNÍ MATRIX Jana Novotná

Složení extracelulární matrix Buňky (fibroblasty, hladké svalové buňky, chondroblasty, osteoblasty, epiteliální buňky) Fibrilární složka Nefibrilární složka Tekutina

Funkce extracelulární matrix Podpůrná funkce pro buňky Regulace: polarity buněk dělení buněk adheze pohybu Růst a obnova tkání Určení a udržení tvaru tkáně Architektura tkání a orgánů Membránová filtrační bariéra (glomeruly) Výměna různých metabolitů, iontů a vody

Hlavní složky extracelulární matrix Kolagen a elastin Proteoglykany Glykoproteiny Strukturální glykoproteiny

Kolagen Hlavní strukturální složky pojivové tkáně 29 geneticky odlišných typů kolagenu Specifické mechanické vlastnosti Stabilita pojivové tkáně, orgánů, udržování jejich strukturální integrity

obecná chemická struktura kolagenu Molekula kolagenů má specifickou strukturu. Název kolagen se používá jako generický termín pro proteiny s molekulou o třech polypeptidových řetězcích v podobě trojité šroubovice. Všechny kolageny charakterizuje opakující se doména tripeptidu bohatého na prolin: obecná chemická struktura kolagenu G – X – A – G – A – A – G – Y – A – G – A – A – G – X – A – G – A – – A – G – X – A – G – A – A – G – Y – A – G – A – A – G – X – A – G – A – A – G – X – A – G – A – A – G – Y – A – G – A – A – G – X –A  G - glycin, X - prolin nebo hydroxyprolin, Y – lysin nebo hydroxylysin, A - aminokyselina

Charakteristické vlastnosti molekul kolagenu Délka molekuly fibrilárních kolagenů je 300 nm, a-řetězec obsahuje 1000 aminokyselin. Ostatní kolagenní typy mají molekulu přerušenou intramolekulárními nehelikálními úseky (kolagen VI, délka 200 nm, kolagen X, délka 420 nm). C-propeptid má zásadní význam pro zahájení tvorby trojité šroubovice. N-propeptid se účastní při regulaci průměru primární fibrily.

Molekulární struktura fibrilárních kolagenů pravotočivá trojitá šroubovice - 3 a-řetězce (levotočivá šroubovice s odstupem 18 aminokyseslin na jednu otáčku) homotrimery nebo heterotrimery glyciny jsou uvnitř helixu, ostatní aminokyseliny vně díky glycinům je molekula kolagenu těsně sbalená kolem osy 4-hydroxyprolin je nepostradatelný pro tvorbu intramolekulárních vodíkových vazeb, přispívá ke stabilitě trojité šroubovice.

Sled reakcí syntézy kolagenu: transkripce a-řetězců úprava primárního transkriptu mRNA syntéza a-řetězců hydroxylace prolylových zbytků (prolylhydroxyláza) hydroxylace lysylových zbytků (lysylhydroxyláza) glykosylace hydroxylysylových zbytků tvorba disulfidických vazeb na C-konci tvorba trojité šroubovice Sekrece do ECM odštěpení N- a C-terminálních prokolagenních peptidů řazení molekul do mikrofibril oxidace lysylových a hydroxylysylových zbytků tvorba příčných vazeb zrání kolagenních fibril (tvorba dalších příčných vazeb) interakce s jinými komponentami ECM

Posttranslační modifikace kolagenu Hydroxylace některých prolinů a lysinů prolyl-4-hydroxylasa, lysyl-5-hydroxylasa Reakce vyžaduje - O2 (popř. superoxid) - a-ketoglutarát - Fe2+ - vitamin C (kyselinu askorbovou) Prolin + a-ketoglutarát + O2 + Fe2+ → 4-hydroxyprolin + Fe3+ + CO2 + sukcinát Hydroxyprolin stabilizuje molekulu kolagenu.

Posttranslační modifikace kolagenu galaktosyltransferasa a glukosyltransferasa glykosylují některé hydroxylysylové zbytky lysyloxidasa (hydroxylysyloxidasa) oxidace lysylových a hydroxylysylový zbytků na příslušné aldehydy (oxidativní deaminace). Reakce vyžaduje O2 a jako kofaktor Cu. Odstranění aminoskupiny umožňuje vznik kovalentních vazeb (Schifova báze). tvorba příčných vazeb – Schifovy báze (inhibice b-aminopropionitrilem - lathyrogeny – hrachor, Lathyrus vulgaris lathyrismus)

Posttranslační modifikace kolagenu

Samovolné uspořádávání molekul tropokolagenu do fibril, tvorba příčných vazeb – Schifovy báze mezi sousedními molekulami tropokolagenu. Kolagenní fibrila o průměru 1 mm unese váhu 10 kg

Kolagen – uspořádání do fibril Kolageny I, II, III, V, IX, X

Kolagen – uspořádání do fibril Krátké nehelikální úseky na obou koncích molekuly fibrilárních kolagenů se účastní na vzniku kovalentních příčných vazeb. Přerušení helikální molekuly u nefibrilárních kolagenů dovoluje intramolekulární flexibilitu. Trojitá šroubovice u fibrilárních kolagenů je odolná proti proteolytickému štěpení (pepsin, trypsin). Odbourávání pomocí specifických kolagenas.

Dělení kolagenů Fibrilární kolageny Kolageny FACIT (fibril associated collagens) Kolageny tvořící sítě Kolageny ukotvující velké fibrily Transmembránové kolageny Kolageny bazálních membrán Ostatní kolageny s jinými funkcemi

Fibrilární kolageny 90 % všech kolagenů Typ Molekulární složení Lokalizace I [a1(I)2a2(I)] kost, kůže, šlacha, ligamenta rohovka, cévy II [a1(II)]3 chrupavka, sklivec, nukleus pulposus III [a1(III)]3 kůže, cévy, retikulární vlákna v mnoha tkáních (plíce, játra, slezina, atd.) V XI a1(V)a2(V)a3(V) a1(XI)a2(XI)a3(XI) plíce, rohovka, kost, fetální membrány, doprovází kolagen I chrupavka, sklivec Délka molekuly je 300 nm, a-řetězec obsahuje 1000 aminokyselin.

Bazální membrána IV [a1(IV)2a2(IV)]; a1 – a6 bazální membrána Mnohanásobné přerušení šroubovice nehelikálními úseky, krátká nehelikální oblast na N- konci a globulární oblast NC1 na C- konci. Polymerizuje do polygonální sítě (díky tetramerizaci N- konců pomocí disulfidických vazeb a dimerizací mezi NC1 konci).

Interakce mezi kolageny fibrilární a nefibrilární kolageny Chrupavka Šlacha

Kolagen a choroby pojiva Nadbytek kolagenu – fibróza - plicní fibróza - jaterní cirhóza - ateroskleróza Nedostatek kolagenu Osteogenesis imperfecta (křehké kosti) mutace kolagenu typu porucha tvorby trojité šroubovice molekuly kolagenu snadné odbourávání kolagenu lámavost kostí Ehlers-Danlosův syndrom - porucha syntézy kolagenu šlachy a kůže snadno natažitelné hypermobilita v kloubech roztržení velkých cév

Elastin Pevnost v tahu díky konformaci náhodného klubka. Složen z monomerů – tropoelastin, obsahuje hlavně glycin, hydrofóbní aminokyseliny prolin, valin. Lysin a hydroxylysin (lysylhydroxylasa) vytvářejí příčné vazby Vysoký obsah prolinu a hydroxyprolinu. Monomer – tropoelastin.

Elastin Desmosin a isodesmosin (lysylové a hydroxylysylové zbytky) zajišťují tvorbu příčných vazeb. Vznik působením lysyloxidasy. Výskyt – plíce, velké arterie, ligamenta

Proteoglykany Obří molekuly obsahující z 95% cukernou složku

Proteoglykany a GAG - funkce vyplňují extracelulární prostor - odolnost proti tlaku - návrat původního tvaru tkáně - lubrikační agens v kloubech - hydratace chrupavek v kloubech zachycují vodu odpuzují negativně nabité molekuly vazba na kolagenní fibrily - tvorba sítí - v kosti se na ně váží vápenaté soli (hydroxyapatit a uhličitanvápenatý) adheze buněk a jejich migrace podíl na vývoji buněk a tkání

Struktura proteoglykanů Glykosaminoglykany (GAG) – dlouhé nerozvětvené molekuly, střídající se disacharidové jednotky: uronové kyseliny: D-glukuronová nebo L-iduronová aminocukry: N-acetyl-glukosamin (GlcNAc) nebo N-acetylgalaktosamin (GalNAc) GAG jsou vysoce negativně nabité

Vazba GAG na proteinové jádro pomocí tří sacharidových jednotek

Kyselina hyaluronová a keratansulfát

Chondroitin-6-sulfát a heparansulfát

Dermatansulfát a heparin

Výskyt GAG Hyaluronová kyselina mezi GAG unikátní, neobsahuje sulfát nekovalentně se váže s komplexem proteoglykanů obrovské polymery, které váží velké množství vody Dermatansulfát - kůže, cévy, srdeční chlopně Chondroitinsulfát - chrupavka, kost, srdeční chlopně Heparinsulfát - granula žírných buněk vyskytujících se kolem plicních artérií, játra a kůže Heparansulfát - bazální membrány, komponenty buněčných povrchů Keratansulfát - rohovka, kost, chrupavka

Rozdělení proteoglykanů podle velikosti Agrekan - hlavní proteoglykan v chrupavce Versikan – v mnoha tkáních, hlavně v cévách a v kůži Dekorin – malý proteoglykan mnoha tkání Biglykan – malý proteoglykan chrupavky

Strukturální glykoproteiny Fibronektin a laminin přímá vazba na kolagen nebo proteoglykany fibronektin na kolagen typu I, II a III laminin na kolagen typu IV v bazálních membránách ukotvení buněk k ECM, fibronektin má sekvenci aminokyselin RGDS (arg, gly, asp, ser) vazba s povrchovými buněčnými receptory

Fibronektin Glykoprotein vázaný na povrch buněk Cirkuluje také v plasmě Dva identické polypeptidové podjednotky spojené disulfidickými můstky na C-konci Segment, který váže buňky (RGDS) Vazebné domény - kolagen, heparinsulfát, hyaluronová kyselina, fibrin

Laminin Molekula má tvar kříže 3 polypeptidové řetězce Vazebné domény pro: kolagen IV, heparin, heparinsulfát, doména pro vazbu na buňky. Důležitý a biologicky aktivní glykoprotein bazální membrány. Ovlivňuje buněčnou diferenciaci, migraci, adhesi, fenotyp.