Hlavnou zložkou pojivovej tkáne chrupavky je kolagen(asi 70 % sušiny), a to typu II a v menší míře jsou v chrupavce přítomny typy IX a XI. Kolagén je vo vode nerozpustná bielkovina, ktorá tvorí približne 30 % všetkých proteínov v ľudskom tele a v tele živočíchov. Kolagén je hlavná štrukturálna bielkovina v tele, ktorá tvorí asi tretinu všetkých proteínov človeka1. Je základom väzivových tkanív, ako sú koža, šľachy, chrupavky, kosti a dokonca aj cievne steny2. Kolagén je praktická biologická bielkovina, ktorá drží telo pokope a podporuje jeho funkciu.
Kolagén typu II se vyskytuje hlavně v buněčné hmotě hyalinní a elastické chrupavky. Kolagen typu II je tvořen třemi stejnými řetězci (vzorec molekuly- a1(II)3), tvořenými cca 1000 aminokyselinami každý. Kolagen typu II je charakterizován poměrně velkým množstvím hydroxylysinu (cca 20 na řetězec), který je z velké části glykosylován - postranní cukerné řetězce jsou tvořeny galaktosou event. disacharidem galaktosa - glukosa. Zřejmě tato struktura způsobuje větší solvátý obal kolagenu typu II ve srovnání s typy I či III.
Matrix hypertrofickej chrupavky: kolagén II, IX, XI a prierezové väzby
Hyalinní chrupavka dále je tvořena kolagenem typu IX, který se podstatně liší od předchozích dvou typů (Obr.1). Je tvořen třemi různými řetězci a jeho šroubovicová struktura je přerušena třemi nehelikálními oblastmi, přičemž v jednom je molekula jakoby zlomena a v tom místě se váže postranní glykosaminoglykanový řetězec a nadto v tomto místě dochází k vazbě na N-konec typu II nebo na C-konec jiné molekuly typu IX. Kolagen typu XI je tvořen dvěma odlišnými druhy řetězců ( vzorec molekuly - a1(XI)2 a2(XI)), jejichž aminokyselinové složení je podobné typu V. Představuje asi 3% chrupavkového kolagenu a se stárnutím v chrupavce jej ubývá i na úkor kolagenu typu V. Ovšem řetězce obou typů kolagenu vytvářejí hybridní molekuly, obsahující řetězce typu II i typu V.
Na kolagenních fibrilách v hyalinní chrupavce se účestní všechny tři uvedené kolagenní typy, jež jsou navzájem seřetězeny příčnými vazbami typu pyridinolinu, takže chrupavkový kolagen je v extracelulárním prostoru vysoce stabilisován. Zatímco příčná vazba stabilizující kolagenní struktury v jiných je odvozena od dvou lys resp. hyl ( lysinoleucin), jsou deoxypyridinolin resp. pyridinolin ( obr.3) odvozeny od tří lys resp. hyl. Stanovení jejich exkrece močí se používá ke sledování intensity odbourávání kostěné tkáně.
Syntéza kolagénu v chondrocytoch: intracelulárna a extracelulárna fáza
Syntéza zčasti prebieha vo vnútri bunky a čiastočne extracelulárne. Polypeptidové reťazce sú syntetizované na hrubom endoplazmatickomm retikule bunky. Syntéza kolagenu probíhá na polyribozomech, které se vážou na membránu drsného endoplazmatického retikula (GER). Vzniklé polypeptidové řetězce protokolagenu jsou segregovány v jeho cisternách, kde dochází k iniciální glykosylaci a hydroxylaci. Hydroxylace probíhá na aminokyselinových zbytcích prolinu a lysinu, vzniká tak hydroxyprolin a hydroxylysin. Na konci každého řetězce protokolagenu se nacházejí registrační peptidy, které zabraňují předčasné intracelulární polymerizaci vzniklých molekul. Zároveň napomáhají vytvoření trojité šroubovice vždy ze tří řetězců protokolagenu - vzniká tak prokolagen.
Prečítajte si tiež: Komplexný pohľad na ryžové mlieko a kolagén
Z GER je prokolagen transportován do Golgiho komplexu, kde je kondenzován a obalen membránou sekrečních vezikul. Vzniknutý prokolagén je vylúčený do extracelulárneho priestoru, kde z neho enzým prokolagenpeptidáza odštiepi tropokolagén. Enzym prokolagenpeptidáza odštěpuje v extracelulárním prostoru od prokolagenu registrační peptidy a vznikne tak tropokolagen. Ten reaguje s ostatnými molekulami tropokolagénu a za prítomnosti katalyzátorov, ktorým je enzým lysyloxidáza, vytvára mikrofibrily. Sousední buňky uspořádávají tropokolagen stupňovitým způsobem a vytvářejí kolagenní fibrily, z fibril dále utvářejí vlákna.
Kofaktory a substráty syntézy
Kolagén sa tvorí z aminokyselín, hlavne glycín, prolín a hydroxyprolín. Tieto aminokyseliny sa skladajú do trojitých špirál, ktoré vytvárajú pevné a pružné vlákna. Kolagén vzniká procesom endogénnej syntézy v špecializovaných bunkách nazývaných fibroblasty. Tieto bunky spájajú aminokyseliny glycín, prolín a lyzín do peptidových reťazcov, ktoré sa za prítomnosti vitamínu C a ďalších kofaktorov stáčajú do stabilnej trojitej skrutkovice. Meď je kľúčovým kofaktorom pre enzým lysyl oxidáza (LOX) [3].
Proteoglykany a adhézia: udržiavanie fenotypu hypertrofických chondrocytov
Jestliže kolagen představuje nejvýznamnější složku hyalinní chrupavky z mechanického hlediska, potom proteoglykany (Obr.4), obsažené rovněž v mezibuněčné hmotě, jsou významné z hlediska transportního včetně uchování fenotypu chondrocytů a také pro svou vysokou hydratační schopnost. Na řetězec hyaluronové kyseliny jsou vázány agrekany ( dříve nazývané proteoglykanové podjednotky) tvořené bílkovinným řetězcem, na nějž jsou vázány postranní řetězce ve formě oligosacharidů, keratansulfanu a chondroitinsulfatu. Vazba agrekanu na hyaluronovou kyselinu je stabilisována dvěma molekulami vazebného proteinu.
Pro expresi genů resp. uchování fenotypu buněk mají významnou roli adhesivní bílkoviny(CAMs - cell adhesion molecules), které se účastní na interakcích mezi buňkami(ICAM - 1 - intercellular adhesion molecule) nebo mezi buňkami a složkami mezibuněčné hmoty. Obě tyto molekuly mají řadu funkcí - stimulují proliferaci a migraci buněk, jakož i diferenciaci různých buněk ( von der Mark a spol.,1992). Vliv těchto adhesivních bílkovin na buněčný fenotyp ukazuje např. přidání fibronektinu do kultury chondrocytů. Následně dojede ke změně jejichfenotypu a ke změně syntézy kolagenu typu II a syntézu kolagenu typů I a III- chondrocyty se pak dediferencují ve fibroblasty (Pennypacker a spol., 1979).
Integríny a signálne toky regulujúce syntézu kolagénu
V řízení biologických aktivit buněk hrají významnou roli integriny, jež jsou membránovými receptory, tvořenými velkými glykoproteiny o dvou podjednotkách - a a b. Jedná se tedy o heterodimery, jež jsou mezi sebou nekovalentně vázány. Větší část molekuly integrinů- N-konec je přítomna extracelulárně, kde vytváří kličku, obsahující polární aminokyseliny. Ty pak interagují prostřednictvím iontových vazeb s adhesivními proteiny za konformační změny obou subkomponent včetně cytoskeletální domény. Integrované řetězce procházejí buněčnou membránou a tak zprostředkovávají oboustranný "dialog" mezi intra- a extracelulárním prostředím.
Prečítajte si tiež: Kolagén: tekutý alebo práškový?
Z hlediska chondrocytů, jež jsou ve srovnání s jinými druhy buněk chudé na receptory a netvoří některé integriny např. b1 a b5 (Salter a spol., 1992), je důležitý integrin a1b1, který se ještě dále dělí na VLA-1 až 7 (very late activation antigene). Např.VLA-1 je receptorem pro kolagen a laminin, VLA-2 je receptorem pro kolagen, VLA-3 pro fibronektin, laminin a kolagen, VLA-4 pro fibronektin a cévní CAM(VCAM-1). Chondrocyty normální dospělé hyalinní chrupavky tvoří ve větších množstvích dále integriny a5b1, avb1 a a3, jež exprimují jen někdy a v malých množstvích. Integrin avb3, jež je rovněž obsažen v chondrocytech, svědčí pro přítomnost vitronektinu i v chrupavce. Chondrocyty dále exprimují integriny umožňující jejich vazbu s osteokalcinem, osteopontinem a pochopitelně i s kolageny typu II a VI(Loeser,1993).
Extracellular Matrix Animation: Quantifying Tissue Remodeling through the Nordic ProteinFingerPrint™
Cytokíny a modulácia expresie kolagénových génov
Buněčné funkce jsou koordinovány mediátory, jež mají charakter polypeptidů a jsou souhrně nazývány cytokiny. Specifický účinek na expresi genů pro tvorbu a degradaci extracelulárních komponent mají především IL-1, IL-6,TNF-a(-b). Z hlediska chondrocytů má význačný vliv interleukin-1. který působí stimulačně na expresi integrinu a1, kromě toho způsobuje inhibici buněčné proliferace a tvorby proteoglykanů, i když podporuje jejich uvolňování do extracelulární matrix. Velmi významná je i jeho stimulace tvorby metaloproteináz. Z tohoto hlediska má podobný účinek i TNF. Oba tyto cytokiny v lidské chrupavce podporují tvorbu interleukinu-6, jenž má rovněž vztah k metabolismu chrupavky a je podobně jako interleukin-8 syntetizován mj. fibroblasty.
Hypertrofia a prechod k vláknitej prestavbe pri OA
Při OA dochází v chrupavce i subchondrální kosti k řadě změn. Mění se v chondrocytech exprese genů kodujících kolagen a místo kolagenu II jsou syntetisovány kolageny I a III ( Adam a Deyl,1983). S tím zřejmě souvisejí i změny v expresi integrinů-místo obvyklých a3b1 a a5b1 se objevují a1b1a a2b1, jež jsou schopny vázat nově se objevivší kolageny typu I a III a fibronektin, který jsme nebyli schopni prokázat v mladé chrupavce. Vzhledem k tomu, že zmíněné kolageny mají menší solvátový obal nežli typ II, nejsou zřejmě vhodné pro střihová zatížení. Navíc jsou méně odolné vůči nespecifickým proteinásám nežli typ II. Hyalinní chrupavka se tak pomalu mění v chrupavku vláknitou.
Při odbourávání chrupavky i kolagenu přecházejí do synoviální tekutiny kolagenní fragmenty, jejichž množství lze stanovit pomocí koncentrace hydroxyprolinu, pyridinolinu či deoxypyridinolinu. Zatímco příčná vazba stabilizující kolagenní struktury v jiných je odvozena od dvou lys resp. hyl ( lysinoleucin), jsou deoxypyridinolin resp. pyridinolin ( obr.3) odvozeny od tří lys resp. hyl. Stanovení jejich exkrece močí se používá ke sledování intensity odbourávání kostěné tkáně.
Mikroarchitektúra kolagénových fibríl v chrupavke
Kolagénové vlákna často tvoria zväzky, ktoré merajú priemerne 0,5-15 μm. Kolagenová vlákna I. Kolagen typu III je podobný typu I, ale obsahuje více proteoglykanů a glykoproteinů. Všechny kolagenní fibrily a vlákna jsou po celé své délce příčně pruhované s periodou 64 nm[1]. Příčné pruhování je způsobeno stupňovitým uspořádáním tropokolagenových molekul. Tím vznikají oblasti, kde se molekuly tropokolagenu překrývají, a oblasti, kde dochází ke styku dvou molekul = lakunární oblasti.
Prečítajte si tiež: Hydrolyzovaný kolagén Colafit
Kolagénové typy relevantné pre chrupavku
- Kolagén typ II. Kolagén typ IX. Kolagén typ X. Kolagén typ XI.
- Kolagén typ VI je príbuzný typu IV.
- Kolagén typ V. Kolagén typ XII. sa vyskytuje spolu s typom I.
Tabuľka: Kľúčové proteínové komponenty hypertrofickej chrupavky a ich funkcie
| Komponent | Popis | Funkčná úloha |
|---|---|---|
| Kolagén II | Kolagen typu II je tvořen třemi stejnými řetězci (vzorec molekuly- a1(II)3) | Tvorba fibríl, odolnosť voči tlakovému namáhaniu |
| Kolagén IX | Je tvořen třemi různými řetězci a jeho šroubovicová struktura je přerušena třemi nehelikálními oblastmi | Väzba na GAG a na kolagén II; stabilizácia siete |
| Kolagén XI | Představuje asi 3% chrupavkového kolagenu | Reguluje priemer fibríl kolagénu II |
| Agrekan-HA | Na řetězec hyaluronové kyseliny jsou vázány agrekany | Hydratácia a kompresná elasticita matrix |
| Integríny a1b1, a5b1 | VLA-1 až 7; receptory pre kolagén/fibronektín/laminín | Mechanotransdukcia, regulácia syntézy |
Praktické poznámky k syntéze a degradácii
Rozklad kolagénu v mezibkových priestoroch umožňuju najmä tzv. Vliv těchto adhesivních bílkovin na buněčný fenotyp ukazuje např. přidání fibronektinu do kultury chondrocytů. Následně dojede ke změně jejichfenotypu a ke změně syntézy kolagenu typu II a syntézu kolagenu typů I a III- chondrocyty se pak dediferencují ve fibroblasty (Pennypacker a spol., 1979). Cytokiny působí většinou na úrovni mRNA, stimulují sekreci proteinas a některé inhibují expresi receptorů(integrinů) pro komponenty mezibuněčné hmoty.
Účinok závisí od typ kolagénu, jeho formy, dávky a dĺžky suplementácie. Účinky sa nezobrazia okamžite - telo potrebuje čas, aby z fragmentov vytvorilo nové vlákna. Suplementácia môže byť užitočná, ale nenahradí zdravú životosprávu ani prirodzenú tvorbu kolagénu.
Farebné a ultrastrukturálne znaky kolagénu v tkanive
Kolagen se vyskytuje jako svazky fibril či jednotlivé fibrily a v řezech barvených hematoxylin + eosin se barví růžově (silně eosinofilně). Při barvení Massonovým trichromem se kolagenní vlákna barví zeleně. Retikulární vlákna (kolagen typu III) se barví PAS nebo pomocí solí stříbra tmavě.
Vybrané zložky kostnej a subchondrálnej matrix
Osteokalcin přítomný jak ve tkáních, tak v séru je označován též jako GLA-protein nebo BGP(bone GLA-protein), protože ve své molekule obsahuje tři zbytky g-karboxyglutamové (GLA) (Obr.7). Ve tkáních i séru se zmnožuje při kalcifikačních procesech a to nejen kostí, nýbrž i jiných tkání ( Deyl a Adam, 1979). Zmnožení osteokalcinu v séru je obvykle doprovázeno zvýšením hladiny sérové kostní alkalické fosfatázy.
Chondrocyty dále exprimují integriny umožňující jejich vazbu s osteokalcinem, osteopontinem a pochopitelně i s kolageny typu II a VI(Loeser,1993). V Basálnbích membránách interaguje s kolagenem typu IV, nidogenem, heparansulfátem.
Poznámky k typom kolagénu a ich distribúcii
Existuje mnoho typov kolagénu. Doteraz bolo identifikovaných 27 typov kolagénu (niektoré zdroje uvádzajú 28 a 29 typov). V ľudských tkanivách bolo nájdených viac ako 11 rôznych typov kolagénov. Najčastejšie sú zastúpené kolagény typov I až V. Kolagén typu 2 je primárnou zložkou v chrupavke a tvorí súčasť sklovca v oku, ktorý sietnici zabezpečuje živiny.
Kolageny typů I a III, které jsou podstatně méně glykosylovány nežli typ II, a které mají menší solvátový obal, se ve většině tkání vyskytují společně. V hyalinní chrupavce se vyskytují za patologických podmínek, tzn. když hyalinní chrupavka se mění v chrupavku vazivovou (Adam a Deyl, 1983). Kolagen typu XI je tvořen dvěma odlišnými druhy řetězců … Představuje asi 3% chrupavkového kolagenu.
tags: #hypetroficka #chrupavka #syntetizuje #kolagen