Composizione della matrice extracellulare

Le diverse catene alfa si assemblano a 3

a 3 a formare la triplice elica e ognuna di

queste catene è codificata da un gene

diverso. All'interno dei tessuti connettivi i

tipi di collagene sono 1-2-3 e anche 5-9,

mentre ci sono delle molecole di

collagene che hanno la tendenza a

formare reti che polimerizzano a formare

lamine basali, tali molecole sono i tipi 4 e 7 e sono caratteristiche dei tessuti epiteliali.

Quando parliamo di produzione di una proteina il processo non può che partire dalla

cellula e nel caso della cartilagine la cellula che svolge tale operazione è il condrocita

mentre nel derma per esempio tale cellula è il fibroplasta, chiaramente le cellule sono

differenti e di conseguenza le tipologie di collagene che producono sono differenti

perché il DNA ha una configurazione tale per cui solo alcuni geni possono essere

trascritti, infatti le cellule del nostro corpo, indipendentemente dal sito in cui si

trovano, hanno lo stesso DNA ma hanno funzioni diverse e producono proteine

differenti perché le porzioni di cromatina trascrivibili sono differenti.

Quando parliamo del collagene tutto il processo di produzione della proteina parte

all'interno della cellula e il processo si può anche concludere nella cellula, ma nel caso

del collagene non è così: c’è una fase che si realizza all'interno del citoplasma e poi la

proteina viene espulsa nello spazio extracellulare e in questo spazio avvengono una

serie di reazioni che portano all'assemblaggio delle molecole di collagene e quindi alla

formazione della fibrilla. All'interno della cellula avviene in primis la trascrizione, che

avviene all'interno del DNA con la produzione di mRNA, che viene poi espulso nello

spazio citoplasmatico e poi a livello del reticolo endoplasmatico avviene la formazione

della molecola di collagene, che è la pro-catena alfa, chiamata così perché deve subire

delle modifiche post traduzionali, tra cui il processo di glicosilazione (aggiunta di una o

più unità di zucchero) e il processo di ossidrilazione (aggiunta di OH).

Queste reazioni, in particolar modo l'ossidrilazione che adopera in corrispondenza

della prolina è una reazione chimica di una trasformazione che permette la formazione

dell'idrossiprolina, sono fondamentali affinché si possa formare la triplice elica, quindi

solo quando le molecole di collagene subiscono queste trasformazioni si possono

assemblare a formare la triplice elica, perché per esempio attraverso la reazione di

ossidrilazione l'ingombro sterico della prolina cambia e le si può assemblare in una

struttura tridimensionale fibrosa che è quella della triplice elica, e questa molecola che

si forma a triplice elica è detta pro-collagene.

Queste reazioni sono importanti perché tutte le malattie associate al collagene sono

connesse ad un collagene che non ha la sua organizzazione strutturale e possono

essere delle modifiche legate al gene, quindi il primo motivo per cui il collagene

prodotto può essere diverso dal collagene funzionale è perché il gene è diverso dal

gene funzionale, in quel caso parliamo di problemi legati alla base di trascrizione e di

traduzione della pro catena alfa, ma ci sono altre patologie in cui la molecola del

collagene non è funzionale perché non avvengono le reazioni dette prima perché

appunto non si forma la triplice elica, ovvero non si forma la molecola di pro- collagene

e quindi non si forma la molecola collagene e di conseguenza non si assemblano per

formare le fibrille, per poi avere la fibra, quindi otterremo delle molecole di collagene

che sono molto più flessibili, motivo per cui ci sono delle persone che soffrono di

alcune sindromi legate alla funzione del collagene strutturalmente non resistente e

queste patologie sono legate alle ossa fragili.

Ci sono molteplici malattie associate al collagene e che quindi si ripercuotono sui

tessuti in cui il collagene è particolarmente abbondante, inoltre queste patologie

possono essere delle patologie genetiche; quindi, il gene la cui trascrizione permette

la funzione della molecola di collagene, in realtà induce la formazione della molecola

di collagene non funzionante.

Altre patologie invece non sono patologie genetiche ma sono delle patologie connesse

a delle modifiche post trascrizionali non corrette e quindi, come detto prima, per

formare la triplice elica devono avvenire le reazioni descritte prima, ma a volte accade

che queste reazioni non avvengono e si va incontro a delle patologie.

La molecola di collagene si forma nello spazio extracellulare, cioè a livello del reticolo

endoplasmatico rugoso le proteine vengono inserite in alcune vescicole, le quali si

muovono nello spazio citoplasmatico, arrivano nella membrana plasmatica e vengono

espulse nello spazio extracellulare; infatti, alcune proteine devono rimanere nella

cellula, altre invece sono etichettate per sapere dove devono andare e vengono

espulse nello spazio extracellulare.

Le molecole di collagene interagiscono tra di loro attraverso legami trasversali, che

sono legami covalenti, andando a formare la fibrilla, e la presenza di tali legami è

responsabile dell'aumento della resistenza della molecola, infatti quando andiamo

nella regione di snervamento alcuni di questi legami si rompono e se si esercita un

carico per esempio su un singolo legame covalente si avrà un po' di dolore ma se si

lascia a riposo il tessuto si recupera, mentre se si continua ad esercitare il carico (in

caso sportivo) la rottura si estenderà lungo un'intera sezione.

Nei tessuti reticolari si avrà un'organizzazione in cui la dimensione delle fibre di

collagene è più sottile rispetto a quella dei tessuti connettivi.

Nella biosintesi del collagene quindi possiamo dire che avremo una serie di reazioni

all'interno della cellula e altre reazioni all'esterno della cellula, perché appunto ci sono

degli enzimi che devono essere utilizzati che si trovano nello spazio extracellulare, ma

anche perché le dimensioni delle fibre sono molto grandi e non potrebbero essere

contenute nella cellula.

Si parla di struttura quaternaria perché più molecole di collagene si assemblano per

formare una struttura superiore, come anche nel caso dell'emoglobina.

In quest'organizzazione c'è un elevato ordine disorganizzativo al punto che se si

osserva una fibrilla di collagene al microscopio elettronico si vedrà un tipico bandeggio

in cui ci saranno delle regioni scure e delle zone

chiare che sono essenzialmente connesse alle

sovrapposizioni che si realizzano tra le molecole di

collagene, in particolare le regioni scure sono quelle con più sovrapposizioni di

molecole di collagene adiacenti, mentre le regioni chiare sono quelle con meno

sovrapposizioni. La presenza di questo bandeggio, che in realtà è conseguente

dell'organizzazione della molecola sul livello quaternario, è importante perché è

responsabile delle proprietà meccaniche dei tessuti, in particolar modo dei tendini e

dei legamenti, inoltre è anche collegato all'organizzazione ondulata della tripla elica.

Abbiamo detto che la prima regione della curva sforzo-deformazione dei tendini e dei

legamenti è quella della toe-region che è una regione a bassa pendenza, il che

significa modulo elastico basso, perché in realtà quando si applica un carico su un

tendine o su un legamento e ci si trova nel regno delle piccole deformazioni, quello

che realmente si fa non è deformare esercitando un carico sul legame covalente

all'interno della fibrilla, ma si va a distendere la molecola, quindi si va a ridurre il

bandeggio (zone scure e chiare).

Un esempio lo ritroviamo quando distendiamo capelli ricci, infatti nella fase iniziale ci

troviamo nella toe- region dove applichiamo forze molto basse e andiamo a rompere

una serie di legami deboli per distendere il capello, come per esempio i ponti di solfuro

che si realizzano nelle molecole di cheratina, infatti la toe-region è la prima regione

non lineare a bassa pendenza e quindi si riesce a distendere il materiale tanto e con

bassi livelli di forza, ma anche distendendo il capello la sua lunghezza resta la stessa.

Nel momento in cui abbiamo disteso il capello iniziamo a sentire i legami covalenti che

sono presenti nelle molecole che lo costituiscono e li si fa fatica ad allungare il capello;

infatti, non lo allunghiamo ma raggiungiamo un punto critico per cui si spezzerà

arrivando nella regione di fallimento, e una cosa similare succede nei tendini.

Nella regione lineare testiamo i legami covalenti che sono forti e hanno bisogno di più

energia per essere rotti; quindi, applichiamo questa forza e iniziamo realmente a

sentire la resistenza del collagene, questo perché applichiamo livelli di energia che

sono più alti rispetto all'energia necessaria che serve per rompere i legami covalenti e

perciò se si continua a caricare il materiale quest'energia cresce al punto che i legami

si rompono.

La dimensione della lunghezza delle fibre di collagene è predefinita ed è uguale per

tutte le molecole di collagene e di conseguenza anche la lunghezza del bandeggio è

precisa.

Il bandeggio è importante perché, quando si realizzano in vitro dei tessuti, adottando

quindi le strategie di ingegneria dei tessuti, quello che accade è che all'interno dello

scaffold le cellule producono molecole di collagene.

La presenza del bandeggio si traduce in alcune caratteristiche dal punto di vista ottico

molto particolari, per cui, attraverso la luce realizzata con caratteristiche in termini di

energia e pulsazione riuscita, è possibile osservare la fibra di collagene ed è possibile

osservare il bandeggio, inoltre per vedere le fibrille le si rendono fluorescenti, cioè si

legano alle proteine di interesse che eccitate ad una data lunghezza d'onda emettono

luce ad una lunghezza d'onda che generalmente è più alta. Il fatto che queste

molecole invece siano osservabili senza attaccarci un fluorocromo permette di studiare

l'evoluzione di un tessuto durante la sua crescita; quindi, sfruttando queste

caratteristiche per poter osservare, nel caso specifico, le molecole di collagene e avere

un’informazione legata al processo di costruzione del tessuto stesso. Questa cosa oltre

che per il collagene è anche vera per un'altra proteina citoplasmatica che è la miosina.

Nelle cellule muscolari la miosina si organizza assumendo lo stesso tipo di bandeggio,

per questo le cellule muscolari si possono studiare in vitro osservandole sfruttando le

stesse caratteristiche.

I tipi di collagene che eseguono questo processo di costruzione sono il I, II, III, V e XI,

poi ci sono altri tipi d