Monday, May 23, 2016

Metabolismo del collageno

       
   

Il termine collagene deriva da un termine inglese di circa 150 anni fa, indicante l'aspetto gelatinoso che assumevano il tessuto connettivo di quasi tutte le forme viventi, incluse il corallo e le anemoni di mare, se portate ad ebollizione. Questo dato dimostra l'importanza dal punto di vista filogenetico del collageno per gli esseri viventi multicellulari. 
Il tessuto connettivo è appunto il cemento che unisce differenti tipi cellulari a formare gli organi complessi che permettono la vita agli organismi pluricellulari.
I componenti fondamentali del tessuto connettivo sono la componente cellulare ( fibrociti e fibroblasti ) e la matrice extracellulare composta  dal collagene, da proteine non collageniche, e dai fattori di crescita in grado di modulare l'attività delle cellule circostanti.

Al momento esistono circa 28 tipi di collageno descritti nell'uomo.
La molecola del collagene è formata da una proteina la cui struttura primaria è caratterizzata dalla presenza di uno o più domini proteici che permettono di assumere la tipica conformazione spaziale della tripla elica. 
La " tripla elica " è in definitiva ciò che caratterizza le fibre collagene ed è determinata dalla presenza di una seguenza aminoacidica contenente la caratteristica tripletta:

                                                                X - Y - Gly

Dove la glicina è seguita in circa un terzo dei casi dalla Prolina ( X ) e dalla Idrossiprolina ( Y ). Ciascuna catena contenente tale struttura forma un'elica levogira. 
Ciascuna catena proteica o protomero forma un'elica levogira, è assemblata con altre due catene similari, in modo da formare una proteina a triplice elica destrogira per formare una molecola di pro-collagene. 
In tale molecola tripeptidica i residui di Glicina sono posti al centro della struttura a triplice elica, mentre i residui di Prolina e Idrossiprolina sono disposti in modo da esporre il loro radicale ( R ) lateralmente alla struttura aminoacidica ( CO-CH-NH ).
Pertanto prima di essere assemblato ciascun protomero deve venire sottoposto a reazioni di idrossilazione a livello del reticolo endoplasmatico rugoso dei fibroblasti. Qui sono presenti gli enzimi chiamati idrossilasi in grado di trasferire un ossidrile su un amni acido di Prolina o di Lysina. Avremo quindi :

4 Idrossi Prolina idrossilasi tipo 1 ubiquitario e tipo 2 presente nei condrociti, negli osteoblasti, nelle cellule endoteliali.
3 Idrossi Prolina idrossilasi è formata da un complesso enzimatico formato da Ciclofillina B, CTRAP, P3H1 ne esistono 5 isoenzimi, e la sua mutazione è responsabile di due forme ereditarie di Osteogenesi Imperfetta tipo 7 e 9.
Idrossi Lisina idrossilasi ne esistono 4 isoenzimi. Una rara forma di Osteogenesi Imperfetta tipo 8 è legata al difetto nella sintesi del tipo 1 ( LH1 ) telopetide lisil ossidasi chiamata anche Sindrome di Bruck. Il tipo 2 ( LH2 ) anche conosciuta come procollagene lisina 2 ossoglutarato 5 diossigenasi (PLOD-2) è stata identificata sul cromosoma 3. L'uso enzima tipo 3 ( LH3 ) è un enzima multifunzionale in grado di svolgere anche attività galattosil transferasica e glucosil transferasica. La preponderanza di aldeidi di idrossilisina a livello dei telopetidi del collagene osseo assicura che si formino legami stabili tra catene Alfa adiacenti. Nell'osso si forma idrossiallisina e ketoimine che danno origine ai legami crociati del Piridinio, nella cute l'allisina dà origine ai Pirroli.
Galattosiltransferasi 
Glucosiltransferasi 
Protein disulfide isomerasi agisce anche come subunità beta del tetramero prolil idrossilasi alfa2 beta2

Tali reazioni richiedono alfa cheto glutarato, ione ferroso, ossigeno molecolare ed acido ascorbico. L'utilizzo di alfa cheto glutarato è abbastanza insolito tra le idrossilasi, pertanto tali enzimi vengono anche chiamate 2 oxo glutarato Ossidasi.
Esse infatti non richiedono il gruppo protoemo come gruppo prostetico per legare la molecola di ossigeno. 
Tali enzimi sono in grado di legare lo ione ferrico all'ossigeno semplicemente con l'aiuto dei prodotti del Ciclo di Krebs ed in particolare dell'alfa cheto glutarato e l'Acido piruvico. 
Gli HIFs Alfa e Beta ( Hipoxia Inducing Factors ) sono regolati dalle 2 oxo glutarato deidrogenasi, il primo indotto dagli stati di ipossia tissutale, il secondo attivo in modo constitutivo nelle cellule. Pertanto possono essere considerati enzimi a basso consumo energetico, in grado di utilizzare i soli prodotti della glicolisi aerobica come donatore di energia.
Tali enzimi, localizzati nella matrice mitocondriale, catalizzano reazioni di decarbossilazione ossidativa del substrato keto-acido come l'Acido piruvico o l'alfa cheto glutarato. I fattori indotti dall'ipossia possegono dei siti che sono idrossilati da tali enzimi a livelli dell'aminoacido Prolina. L'idrossilazione ne stimola la degradazione proteosomica. Nei mammiferi tali enzimi entrano a far parte della sintesi del collagene e della biosintesi della carnitina.

Tutti i residui di lisina idrossilati vengono poi attaccati da altri enzimi che sono le glucosiltransferasi o le galattosiltransferasi. Tali enzimi possono agire sulla proteina solo se non è ancora in forma elicoidale  e più sono corti i peptidi sui quali agiscono più facilmente agiscono  sugli aminoacidi.
Sembra poi evidente che i ponti disulfuro interpeptidici si possono formare solo dopo che la struttura elicoidale del procollagene maturo si è assemblata a formare la tripla elica. La struttura elicoidale si può formare solo a livello dell'apparato del Golgi o del reticolo endoplasmatico liscio. Solo a questo punto potrebbero agire le protein disulfide isomerasi, enzimi in grado di formare ponti disulfuro tra le molecole di pro-collageno.
A livello extracellulare il pro-collageno è trasformato in collagene maturo con l'intervento di almeno due enzimi a livello extracellulare:
la procollageno aminoproteasi in grado di rimuovere gli aminopeptidi all'estremità N terminale del collagene ( ADAMs A Disintegrin And Metalloproteinase )
la procollageno corbossipeptidasi che rimuove l'estremità C-terminale con l'aiuto di calcio.


Le molecole di collagene maturo spontaneamente si assemblano in fibrille con le caratteristiche fisico chimiche e le esatte dimensioni di quelle osservate al microscopio elettronico.
Da un punto vista fisicochimico, la struttura ricca di Idrossiprolina preceduta da Prolina non idrossilata a elica levogira è essenziale per rendere stabile la proteina a triplice elica destrogira del collagene.
Dallo studio della nefropatia diabetica gli studiosi scroprirono che le molecole che formano il collagene maturo sono di tipi differenti e individuarono negli anni '60 le catene α1 e α2 che sono responsabili della formazione di molecole di collageno detto "Fibrillare".


Al momento attuale 6 tipi di molecole α sono state identificate, codificate dai rispettivi geni:
α 1 localizzato sul cromosoma  13q 21.3 - 22
α 2 localizzato sul cromosoma  13q 21.3 - 22
α 3 localizzato sul cromosoma.  2 q 35 - 37
α 4 localizzato sul cromosoma   2 q 35 - 37
α 5 localizzato sul cromosoma   X q 26 - 48
α 6 localizzato sul cromosoma   X q 26 - 48


                                                              Collagene fibrillare
Il collageno fibrillare è stato il primo ad essere scoperto dagli studi di Nageotte nel 1920 che in seguito alla descrizione istologica della natura fibrillare della matrice extra cellulare del tessuto connettivo dimostrò la sua insolubilità in acqua, ma la formazione di un agglomerato gelatinoso ( da cui prende il nome ) ma la sua solubiltà negli acidi. 
Con l'utilizzo della diffrazione ai raggi X e della microscopia elettronica tali fibre solubili in acido vennero identificate come molecole di collageno assemblate in uno specifico ordine di modo che ciascuna molecola di collagene era distante dalla seguente di 40 nm, ma si sovrapponeva lateralmente ad un'altra fibra di collagene per 300 nm. Inoltre ciascuna fibra di collagene era sfasata lateralmente con la vicina di 67 nm, in modo che una sorta di scalini della profondità di 67 nm si formavano tra una fibra di collagene e quella che scorreva parallela lateralmente.
La lunghezza di ciascuna fibra collagenica risultava quindi pari a circa 400 nm e si sovrapponeva per circa 1/3 della sua lunghezza a quella che scorreva parallela ad essa. 
Alla microscopia elettronica questa struttura era visivamente evidente dalla bandeggiatura di una struttura altamente organizzata del collageno di tipo I, dove ciascuna fibra era distanziata da quella che scorreva ad essa parallela di circa 100 nm ( 67 + 40 nm ), lasciando 300 nm della molecola di collagene sovrapposta a quella adiacente.

Ciascun protomero al polo N-terminale ha una tripla elica a 7S, seguito da una struttura collagenica a tripla elica nella porzione mediana della molecola, e finalmente al lato C-terminale da un trimero non-collagenico ( NCI ). La caratteristica più importante è l'interruzione della caratteristica tripletta Glicina-X-Y nelle porzioni C- terminali e N-terminali della molecola. Tale caratteristica permette alla struttura una volta assemblata flessibilità, permettendo di formare " looping e supercoiling ".

Ai collageni fibrillare appartengono i collageni tipo I , II , III , V , XI , XXVI , XXVII caratterizzati dalla struttura fibrillare microscopicamente descritta più sopra.
Il tipo I è formato da complessi eterotrimerici di 2 catene α1 e 1 catena α2 è presente per la maggior parte nel tessuto connettivo, e nel tessuto osso maturo. La mutazione spesso nei residui di glicina è responsabile di gran parte delle forme conosciute di Osteogenesi Imperfetta ( tipo 1, 2, 3 e 4 )
Il tipo II è formato da complessi homotrimerici di 3 catene α1 è presente nella matrice extra cellulare della cartilagine.
Il tipo III è formato da complessi homotrimerici di 3 catene α1 è presente associato all'elastina nel tessuto elastico.
Il tipo V è formato da complessi eterotrimerici di 1 catena α1, 1 catena α2, 1 catena α3 o una catena α4.
Il tipo IX è formato da complessi eterotrimerici di 1 catena α1, 1 catena α2, 1 catena α3.
Il tipo XXIV è formato da complessi homotrimerici di 3 catene α1, è presente nei centri di ossificazione delle ossa craniofaciali, degli arti e delle vertebre.
Il tipo XXVII è formato da complessi homotrimerici di 3 catene α1, è presente negli abbozzi cartilaginei degli elementi scheletrici.

                                         Collagene non fibrillare, o solubile o globulare.
Si identificano con tale termine le molecole di collagene facilmente solubili in acqua. Queste molecole sono state identificate in seguito agli studi su particolari malattie ereditarie come la Sindrome di Goodpasture e la Sindrome di Alport.
Nel 1927 Arthur Cecil Alport descrisse una sindrome caratterizzata da sordità sensitivo - neurogena in una famiglia che era pure affetta da nefropatia familiare, lenticono della capsula ottica anteriore, retinopatia, e talvolta ritardo mentale e leiomiomatosi.
La causa della Sindrome di Alport rimase sconosciuta fino al 1990 quando Trygvanson scoprì una mutazione nel gene che codifica per il Collagene tipo IV ed in particolare nel gene per la catena α5. Oggi più di 300 mutazioni in questo gene sono state identificate e tre forme geneticamente differenti della Sindrome di Alport sono state identificate rispettivamente legate a mutazioni dei geni che codificano per la catena α3, la catena α4, la catena α5 del collageno tipo IV.
Interessante notare che mutazioni eterozigoti per le forme di Alport α3 e α4 sono associate solo a piccole alterazioni della filtrazione renale che sono in grado di causare solo piccole anomalie della funzione renale.

La Sindrome di Goodpasture deve il suo nome ad Ernest W. Goodpasture che nel 1919, mentre serviva come Ufficiale Medico nella Marina Militare assegnato all'Ospedale Navale Chelsea, vicino a Boston, descrisse un paziente di 18 anni affetto da emorragia polmonare associata a glomerulonefrite rapidamente progressiva, e fatale; malattia che lo stesso Goodpasture attribuì ad una grave epidemia influenzale. 
Tale osservazione clinica venne trascurata finché Stanton e Tange la riscoprirono nel 1958 e le darono l'eponimo di Goodpasture.
Ora indicata l'associazione di vasculite e porpora polmonare associata a nefrite viene identificata con tale eponimo, qualsiasi ne sia l'eziopatogenesi. 
Conosciamo differenti meccanismi patogenetici che stanno alla base di tale associazione sindromica, tanto che si possono distinguere disordini immuno-mediati, malattie infettive e disordini vari. Tra questi ricordiamo:
anticorpi anti membrana basale glomerulare ( MBG ) o Malattia di Goodpasture

Sindromi di Goodpasture ( porpora polmonare e nefropatia )
la poliangioite microscopica ( con anticorpi antimieloperossidasi ANCA )
granulomatosi con poliangioite ( detta di Wegener - con anticorpi anti proteinasi-3 ANCA )
vasculite granulomatosa eosinofilica ( detta di Churg-Strauss )
porpora di Henoch-Schönlein
sindrome di Behçet
lupus eritematoso sistemico ( con ANCA, anticorpi antifosfolipidi, anticorpi anti membrana basale glomerulare )
nefropatia da IgA
crioglobulinemia mista IgG e IgM
tromboembolia polmonare con coesistente glomerulopatita membranosa
sindrome emolitico-uremica ( con glomerulonefrite trombotica microangiopatica ).

Sicuramente anche se la forma legata alla presenza di autoanticorpi diretti contro la membrana basale glomerulare è una delle forme meno comuni di tale sindrome, bisogna considerare questa forma per comprenderne l'importanza nella scoperta del collageno di tipo non fibrillare.
Lerner RA ( 1967 ) trasferì passivamente in primati anticorpi anti membrana basale glomerulare di pazienti affetti da malattia di Goodpasture e dimostrarono che da soli questi autoanticorpi potevano causare la malattia. 
In seguito il target di tali autoanticorpi venne identificato il tratto non colagenico-1 ( NC-1 ) della catena α3 del collagene tipo IV. Ulteriori studi rivelarono che il collagene di tipo IV è formato da una famiglia di tre proteine formate dall'associazione di tutte e sei le molecole di collegeno finora conosciute:
Collageno IVα1 o embrionale formato dall'associazione di 2 catene α1, e 1 catena α2
Collagene IVα2 o adulto formato dall'associazione di1 catena α3, 1 catena α4, e 1 catena α5
Collagene IVα3 formato dall'associazione di 2 catene α5 e 1 catena α6.
Le proteine del collageno tipi IVα1 all'estremità N- terminale ha numerose oligosaccaridi legati a residui di azoto, e numerosi disaccaridi lungo la struttura collagenica centrale vera e propria. Come accennato tale molecola è presente solo nel tessuto embrionale.
Al contrario il collagene tipo IVα2 possiede parecchi ponti disulfuro tra le varie molecole che lo compongono anche a livello delle porzioni N-terminali 7S che a livello N-terminale NC1, tali interazioni intramolecolari danno la tipica struttura alla molecola matura, che è tipica dell'organismo adulto ed è in grado di formare la rete extracellulare della membrana basale presente nell'organismo adulto.
Mentre l'associazione a livello del l'estremità N-terminale porta direttamente alla formazione della caratteristica tripla elica destrogira e alla susseguente associazione termino-terminale delle molecole di collagene, a livello dell'estremità C-terminale le strutture non collageniche formano legami tra due protomeri di collageno vicini in modo da formare un esamero NC1. La maggior parte degli esameri NC1 è rinforzata da nuovi ponti sulfiliminici che devono essere dissociati perchè si possano legare gli autoanticorpi.
Pertanto è opinione diffusa che gli autoanticorpi siano diretti contro gli esameri α3,4,5,NC1 presenti sia nella Sindrome di Alport sia nella Malattia di Goodpasture. Sarebbe la dissociazione di tali strutture esameriche presenti a livello dell'estremità C terminale della molecole di collagene tipo IV la causa scatenante la reazione immunitaria diretta contro i neo antigeni formatisi a livello della membrana basale.
La malattia di Goodpasture risulterebbe pertanto una "conformeropatia" vale a dire una malattia scatenata dal cambiamento di conformazione del collageno della membrana basale, come probabilmente altre malattie autoimmunitarie quale il Morbo di Basedow , il Lupus e l'Artrite Reumatoide.
Semplificando forse in maniera eccessiva le malattie del tessuto connettivo in genere, anche chiamate connettiviti o collagenopatie potrebbero essere riviste alla luce di quanto prima esposto come disordini del metabolismo del collageno, in grado di scatenare reazioni immunitarie con danno tissutale conseguente e deficit funzionale degli organi colpiti.






                                                             Bibliografia


Prockop DJ, Kivirikko KI, Tuderman L et al. The biosynthesis of collagen and its disorders ( First of two parts ). New Engl J Med 1979;301:13-23.

Prockop DJ, Kivirikko KI, Tuderman L et al. The biosynthesis of collagen and its disorders ( Second of two parts ). New Engl J Med 1979;301:77-85.

Spiro RG. Biochemistry of renal glomerular basement membrane and its alterations in diabetes mellitus. N Engl J Med 1973;288:1337-42.

Sykes B, Francis MJO, Smith R. Altered relation of two collagen types in osteogenesis imperfecta. N Engl J Med 1977;296:1200-3.

Uitterlinden AG, Burger H, Huang Q et al. Relation of alleles of the collagen type 1 alfa (I) gene to bone density and the risk of osteoporotic fractures in postmenopausal women. N Engl J Med 1991;338:1016-21.

Barnes AM, Chang W, Morello R et al. Deficiency of cartilage associated protein in recessive lethal osteogenesis imperfecta. N Engl J Med 2006;355:2757-64.

Barnes AM, Carter EM, Cabral WA et al. Lack of cyclophillin B in Osteogenesis Imperfecta ( IX ) with normal collagen folding. N Engl J Med 2010;362:521-8.

Hudson BG, Tryggvanson K, Sundaramoorthy M et al. Alport's syndrome, Goodpasture's syndrome, and type IV collagen. N Engl J Med 2003;348:2543-56.

Pedchenko V, Bondar O, Fogo A et al. Molecular architecture of the Goodpasture autoantigen in Anti-GBM nephritis. N Engl J Med 2010;363:343-54.

Salant DJ. Goodpasture's disease - New secrets revealed. N Engl J Med 2010;363:388-91.

Who take care about that?

Followers