PROTEINE della MATRICE

EXTRACELLULARE

Bulbarelli Alessandra

Spazio extracellulare, ricco di H20, fattori di crescita, ormoni, citochine +

rete di macromolecole. Molto abbondante nei tessuti connettivi.

RUOLO: STRUTTURALE: impalcatura del corpo dei vertebrati,

FUNZIONALE: migrazione cell., proliferazione cell., forma, attività

metabolica tissutale

ORIGINE: generata da cellule epitelio MESENCHIMALE (tessuto connettivo

embrionale da cui originano connettivi, tessuto osseo, tessuto cartilagineo,

sangue...).

Osteoblasti osso

Fibroblasti tessuto connettivo, tendineo

Condroblasti cartilagine

Odontoblasti denti

MATRICE EXTRACELLULARE

Matrice extracellulare

COMPOSIZIONE: Sostanza fondamentale + proteine fibrose

Sostanza fondamentale: matrice amorfa e gelatinosa contatta il citoscheletro

cellulare ancorando le cellule, attraverso interazioni specifiche proteine

recettoriali TM e proteine fibrose :

extracellulari fibronectina/laminina, proteoglicani, fibre di collagene.

Intracellulari actina, talina, vinculina, (citoscheletro).

Fibre di collagene

COLLAGENE, ELASTINA: proteine fibrose strutturali

RESISTENZA ALLA TRAZIONE.

FIBRONECTINA, LAMININA: proteine fibrose adesive

ADESIONE CELLULARE

PROTEOGLICANI E GLICOSOAMINOGLICANI (GAG)

componenti della matrice gelatinosa, molecole molto

idratateRESISTENZA ALLA COMPRESSIONE,

PRINCIPALI PROTEINE

DELLA MATRICE EXTRACELLULARE

Proteina più abbondante del

tessuto connettivo:

25% delle proteine totale

determina la forma dei tessuti,

> resistenza > quantità collagene

COLLAGENE

72% pelle

68% cornea

50% cartilagine

23% tessuto osseo

10% polmoni

12-24% pareti aorta

4% fegato

Fascio di

fibre di collagene

Fibrille

Presente in qualsiasi alimento di origine

animale.

Insolubile in acqua perché ricca di aminoacidi

idrofobici, denaturato assumendo un aspetto

trasparente/gelatinoso.

Enzima digestivo: COLLAGENASI

Ricco di aa NON essenziali: basso valore

biologico.

COLLAGENE: famiglia di proteine codificate

da geni diversi.

Collagene di tipo I (connettivo propriamente detto: tendini, osso, dentina, cemento)

Collagene di tipo II (fibre reticolari: cartilagine)

Collagene di tipo III (fegato, milza, pelle, polmoni)

Collagene di tipo IV (lamina basale)

COMPOSIZIONE AMINOACIDICA: 33% Glicina (COO-CH2-NH3 più

abbondante, non ha catene laterali): ingombro nullo, elevata compatibilità

con organizzazione strutturale della proteina (tripla elica).

SEQUENZA AA RIPETUTA: Gly – X – Y (sequenza primaria).

prolina (X) e idrossiprolina (Y) aa prevalentemente presenti nella tripletta

aa modificati:

Idrossiprolina: modificazione post-traduzionale in presenza di acido

ascorbico (vitamina C), Fe++ e O2.

Allisina, Idrossilisina: precursore lisina.

UNITÀ FUNZIONALE: TROPOCOLLAGENE: tripla elica allungata,

altamente lineare e ordinata costituita da 3 catene polipeptidiche avvolte

tra loro in modi da prendere contatto sulla glicina (poco ingombro,

massimo compattamento).

STRUTTURA RESISTENTE A TRAZIONE E COMPRESSIONE (analogia con

cavi d’acciaio).

STRUTTURA:

SUPERAVVOLGIMENTO

gly X

Ygly

Ogni catena polipeptidica

si ritorce su se stessa in

senso antiorario

Tre catene si avvolgono

tra di loro in senso orario.

In ogni elica il «passo»

(giro) è di 3 aa.

MATURAZIONE COLLAGENE

PREPROCOLLAGENE

N-term

C-term

Procollagene peptidasi

Eventi a sinistra della linea

avvengono all’interno della

cellula, Eventi a destra sono

extracellulari

PEPTIDI DI ALLUNGAMENTO

(PA):

promuovono avvolgimento

delle catene tra loro

(start: C-terminale).

N-terminale indirizza la catena

nascente verso l’esterno: RE,

Golgi, superficie cellulare

(esocitosi).

PA rimossi dal procollagene da

proteasi nello spazio extracell:

Dal RER catene singole di

PREPROCOLLAGENE, si

assemblano formando

PROCOLLAGENE che per

taglio proteolitico origina

TROPOCOLLAGENE.

Il gruppo ossidrilico dei residui di idrossilisina del collagene può

essere glicosilato mediante l’addizione di glucosio e galattosio prima

che si formi la tripla elica.

Una volta idrossilate e glicosilate le pro-catene formano il

procollagene

ASSEMBLAGGIO COLLAGENE

Molecola di

tropocollagene

pronta ad

organizzarsi

in fibrille

collageniche

STRUTTURA DEL COLLAGENE

TROPOCOLLAGENE

STRUTTURA:tripla elica che deriva dall’avvolgimento di

tre catene polipeptidiche

FIBRILLE DI

COLLAGENE

FIBRE DI

COLLAGENE

I diversi tipi di collagene sono divisi principalmente in due

sottofamiglie:

1) FIBRILLARE: derma, cornea, tendini ecc., aspetto organizzato

in fasci10-300 nm diametro bandeggiature.

2) NON-FIBRILLARE: membrana basale, organizzato in strutture

flessibili a rete ma meno ordinate

1 2

AA MODIFICATI

VIT C

VIT C

LISINA IDROSSILASI

PROLINA IDROSSILASI

LEGAMI TRASVERSALI

L’idrolisi di questi

legami conferisce

aspetto gelatinoso

LISINA, ossidata

ad ALLISINA

Allisine di 2 fibre di

tropocollagene

affiancate formano

tra loro legami

covalenti (legami

forti)

FORMAZIONE DI RUGHE:

La formazione di legami trasversali procede spontaneamente per azione

delle LISIL NH3OSSIDASI ed aumenta con l’invecchiamento assieme ai

residui di allisina : si forma un > numero di rughe.

LISIL NH3OSSIDASILisil

amino-ossidasi

TURNOVER/DEGRADAZIONE del COLLAGENE

Adulti: lento

Embrione/feto: veloce.

Nei tx in fase di rigenerazione, le collagenasi tissutali sostengono ilrimodellamento tissutale: ex. utero dopo parto.

COLLAGENASI: enzimi proteolitici:

idrolizzano tripla elica del collagene.

DEGRADAZIONE lisosomale, attività

monitorabile per l’ escrezione

urinaria di Idrossiprolina, non

metabolizzata dall’organismo

COLLAGENASI BATTERICA:

gangrena gassosa

(Clostridiopeptidasi A).

PATOLOGIESCORBUTO: emorragie, ematomi,

caduta dei denti causata da gengive

lasse.

Mancanza di vitamina C NO

idrossilazione di prolina e lisina NO

legami intracatena

collagene debole, lasso

rilassamento strutturale:

pelle, capillari, gengive, ossa denti ne

risentono.

Denutrizione o malnutrizione: scarso

apporto di vitamina C dalla

frutta/verdura: scorbuto

ALTERAZIONI

GENGIVALI

NELLO

SCORBUTO

Assenza o inattività enzimi maturazione

collagene: patologia di Ehlers-Danlos (9

varianti geniche).

Variante 5: carenza lisil ossidasi, no

allisina, no legami trasversali: collagene

cutaneo lasso. Pazienti affetti da questa

malattia, hanno la pelle che quando

viene tirata non ritorna nella posizione

iniziale.

Gene per collagene mutato:

delezione o sostituzione di aa

(glicina <--> cisteina)

OSTEOGENESI IMPERFECTA

Scorretto assemblaggio della tripla

elica: fratture, deformazioni ossee,

morte prematura nei casi gravi.

PATOLOGIE

OMIM®

Online Mendelian Inheritance in Man®

Online Catalog of Human Genes and Genetic Disorders

FIBRE ELASTICHE

Le fibre elastiche, a differenza del collagene, si allungano se sottoposte a trazione; al cessare della trazione, le fibre riacquistano la loro forma originale.

• seconda proteina dopo collagene più importante della matrice

• 750 aminoacidi, 72 kDa un solo gene

• 66% aa neutri, soprattutto: glicina (33%), prolina (11%), alanina (22%).

•Poca idrossiprolina 1 %. Manca idrossilisina.

•più idrofobica, aspetto simile alla “gomma”: ritorna nella configurazione

originale dopo allungamento.

• conferisce caratteristiche estensive: arterie e polmoni.

• permette una corretta funzionalità di vasi sanguigni, legamenti e pelle.

ELASTINA

ELASTINA

UNITA’ COSTITUENTE:

TROPOELASTINA (organizzata in

filamenti poveri di legami idrogeno).

Presenti legami crociati (covalenti) tra

residui di allisina o tra lisina-allisina,

ma sono meno numerosi: la

struttura è meno rigida e organizzata.

Legami tra molecole di tropoelastina

formano strutture particolari di

DESMOSINA che conferiscono

elasticità per sostenere la trazione

in tutte le direzioni

CATENE

PEPTIDICHE

DELL’ELASTINA

Stirata: si allunga,

formando una rete

irregolare simile al

collagene

A riposo: struttura

disordinata

molto

irregolare e

compressa

(random coil)

Avvolgimenti casuali (random coil) delle molecole di elastina permettono

ai tessuti (pelle, arterie) di ritornare alla posizione iniziale dopo essere

stati deformati

ESTENSIBILITA’ DELL’ELASTINA

PATOLOGIE

TURNOVER ELASTINA controllato dalla

ELASTASI.

Nelle pareti alveolari del tx polmonare attività

elastasi molto regolata da proteina α1-AT

a1-AT inibisce elastasi impedendo

distruzione tx polmonare (Tx che non

rigenera)

Mutazione nel gene per a1-AT: no inibizione

elastasi, degradazione non controllata tx

connettivo polmonareENFISEMA.

a1-AT agisce sulla ELASTASI interagendo

con un residuo aa di metionina che nel

fumatore è ossidato e non riconoscibile:

enfisema dei fumatori

ENFISEMA POLMONARE

MATRICE EXTRACELLULARE

COMPONENTI DELLA

MATRICE EXTRACELLULARE

Nella sostanza fondamentale sono presenti:

Glicosaminoglicani (GAG): lunghi polimeri lineari di unità

disaccaridiche solforate covalentemente legate a proteine/ residui

aa (unico GAG legato a proteine ma non solforato è acido

ialuronico).

Proteoglicani: costituiti da un asse proteico sul quale si legano i

glicosaminoglicani, nella cartilagine formano la matrice gelificata

legati all’acido ialuronico.

Glicoproteine: molecole a prevalenza proteica, localizzate nella

membrana basale come la laminina o sparse nella matrice come la

fibronectina.

GLICOSAMMINOGLICANI

Catene

oligosaccaridi

di carica

negativa,

si respingono

tra loro:

lasciano libero

dello spazio

per l’H20.

La

compressione

espelleH2O,

(che poi

rientra)

Legano H20 formando gel compatto nel quale sono immerse le fibre

(collageniche, reticolari, elastiche) abbondanti nel liquido sinoviale, umor

vitreo occhio

GAG caratteristiche e localizzazione

SINTESI E DEGRADAZIONE

GLICOSAMMINOGLICANI

SINTESI

Tx connettivi, RER e Golgi

Analoga alla sintesi del

glicogeno

Donatori UDP-zuccheri (che

sono amminozuccheri)

DEGRADAZIONE

emivita breve (2-10 gg)

per fagocitosi entrano in

cellula

Lisosomi: idrolasi acide

Carenza idrolasi lisosomiali:

mucopolisaccaridosi

=

malattie ereditarie:

accumulo di glicosamminoglicani nei

tessuti, deformazioni scheletriche,

alterazioni matrice extracellulare

MUCOPOLISSACARIDOSI

PROTEOGLICANI

PROTEOGLICANI: proteine

con grossa componente

glucidica (>95%)

STRUTTURA: proteina +

centinaia di catene

polisaccaridiche di GAG

FUNZIONI:

partecipano adesione

cellulare,

riempiono spazi intercellulari

nei tessuti,

interazione con

glicosamminoglicani (GAG)

resistenza alla pressione

Nei PG i GAG si legano all’asse proteico sia mediante legame N-

glicosidico che O-glicosidico

Hynes RO, Naba A. Overview of the matrisome--an inventory of extracellularmatrix constituents and functions. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012 Jan1;4(1):a004903.

GLICOPROTEINE

Proteine + oligosaccaridi

sintesi: RER e Golgi

degradate nei lisosomi da idrolasi acide

possono essere secrete o incorporate nella PM

funzioni molto diverse

FUNZIONI

GLICOPROTEINE

La glicosilazione avviene

generalmente a livello del RE

tramite legame tra il C1-P dello

zucchero e UTP. Si libera il gruppo

pirofosforico che PROMUOVE LA

FORMAZIONE DI UDP-ZUCCHERI

L’ UDP-zucchero viene trasferito da

glicosiltransferasi sulla sequenza

aa predestinata (l’energia di legame

viene dalla rottura del legame

UDPzucchero)

zuccheri maggiormente utilizzati:

mannosio, glucosammina, acido

sialico e acido glucuronico

GLICOPROTEINE: PROTEINE+CARBOIDRATI (RAPPORTO

1:60%)

1) Legame tra la porzione glucidica e proteica è covalente,

2) Le catene polisaccaridiche sono ramificate

GLICOPROTEINE

DIVERSE FUNZIONI DELLE GLICOPROTEINE

1) recettori che mediano il riconoscimento delle superfici cellulari

(inibizione da contatto, blocco della proliferazione)

2) conferiscono antigenicità alle superfici cellulari (i gruppi

sanguigni sono determinati da glicoproteine presenti sulla

superficie)

3) proteine plasmatiche la porzione glucidica conferisce >

solubilìtà

4) nel RE molte chaperonine sono glicoproteine (ex. HSP70) che

aiutano nel folding proteico

5) enzimi lisosomiali quando presenti nella membrana lisosomiale

6) importanti componenti della matrice (in particolar modo alcuni

proteoglicani)

7) parti fondamentali delle MUCINE, funzione lubrificante, secreti

mucosi del tratto respiratorio e gastro-intestinale.

SINDROME DI MARFAN: deficit di fibrillina-1 (GLICOPROTEINA).

Alta statura, braccia e gambe lunghe, aracnodattilia, spina dorsale malformata, difetti valvolari cardiaci, dislocazione del cristallino, fragilità dell’aorta

Abraham Lincoln

Charles de Gaulle

Nicolò Paganini

BIOCHIMICA

OSSO

TESSUTO OSSEO

FUNZIONI:

SOSTEGNO

PROTEZIONE

MOVIMENTO

METABOLISMO Ca2+

EMOPOIESI

STRUTTURA dell’osso

OSSO ADULTO = OSSO

LAMELLARE forma l’osso

maturo, tessuto organizzato

con fibre collagene orientate

ordinatamente in parallelo e

strati ossei sovrapposti a

formare lamelle ossee.

osso spugnoso e compatto

costituito da strati di lamelle

ossee prodotte da OSTEOCITI

Osso non lamellare: scheletro

embrione e feto. Adulto: suture

cranio, labirinto osseo, 1° tessuto

osseo che si forma durante la

riparazione delle fratture

Osso leggero, plastico, più elastico,

meno consistente rispetto il lamellare,

contiene minore quantità di minerali.

Fibre di collagene mancano di un

orientamento preferenziale, definite

fibre intrecciate.

1) FIBRE COLLAGENE di tipo I

2) PROTEOGLICANI

3) GLICOPROTEINE:

PROTEINE DI ADESIONE

(FIBRONECTINA, OSTEOPONTINA, SIALOPROTEINA

OSSEA)

PROTEINE-REGOLATRICI (OSTEOCALCINA,)

9-11 % fosfato inorganico (PO4)

19-25 % Ca++ 2-4 % Carbonato (CO3)

sotto forma di: CRISTALLI di IDROSSIAPATITE

LUNGHEZZA 20-40nm

SPESSORE 1.5-3nm

TESSUTO CONNETTIVO DENSO, contenente vasi sanguigni, vasi linfatici e

fasci nervosi: approvvigionamento, smaltimento, informazione.

STRUTTURA E

COMPOSIZIONE

PORZIONE MINERALIZZATA:

impalcatura fibrosa proteica costituita da

collagene di tipo I aa prevalenti: Glicina,

Prolina, Lisina, acido Glutammico, Alanina e

Arginina. (Osteoblasti)

strati minerali (fibre ricoperte da

idrossiapatite [Ca10(PO4)6(OH)2]: 60% Ca,

30% P e 10% O2 e H. Minerale presente

anche libero in natura.

CELLULE SPECIALIZZATE: osteoblasti, osteociti, osteoclasti, presenti sia

sulla superficie che all'interno, gestiscono le funzioni metaboliche del

tessuto

PRINCIPALI PROTEINE DELL’OSSO

RIMODELLAMENTO OSSEO

EROSIONE OSSEA: OSTEOCLASTI

RICOSTRUZIONE OSSEA: OSTEOBLASTI

Metabolismo osseoIl tessuto mineralizzato è composto per il 60% da Ca2+ e P immagazzinati nello

scheletro.

[Ca2+] nel corpo = 1.5% del peso corporeo, CALCEMIA= (2.25 - 2.6 mmol/l )

Se valore calcemia scende: osteoclasti intensificano il loro lavoro di

scomposizione ossea.

Se valore calcemia aumenta: osteblasti producono più fibrille sulle quali si

può depositare l'idrossiapatite.

ogni giorno osteoclasti scompongono 500 mg di Ca2+ dalle ossa

ogni anno un soggetto adulto rinnova circa il 25 % del tessuto osseo: elevata

attività metabolica.

Mineralizzazione dell’ossoFormazione e lisi delle VESCICOLE DELLA MATRICE EXTRACELLULARE

(VME)innesco del processo di mineralizzazione dell’osso

Ruolo

centrale

VME in contatto con

matrice extracell si lisa

Microcristalli di fosfato

di Ca++: INNESCO

Degrada PG in

molecole per

aumentare

deposizione

cristalli

Fix Ca2+

Frammenta PPi

RIASSORBIMENTO

(LISI) DELL’OSSO

EFFETTO MINERALIZZANTE

EFFETTO DEMINERALIZZANTE

processo di riassorbimento

occorrono OSTEOCLASTI

MATURI

Maturazione: innescata da

fattori osteolitici (PTH, Vit D)

rilasciati dagli osteoblasti i

cui R sono sugli osteoclasti

RANKL = receptor activator

of NFkappaB.

RANK-R

Attivazione

Trascrizione nucleare

Solubilizzazione idrossiapatite

=

Demineralizzazione osso

OPG = Osteoprotegerina

Domain apicale

increspato

pompa H+/Na

pHacidoSolubilizza

idrossiapatite

x

Malattie a carico del sistema endocrino

o di origine genetica che interessano il tessuto osseo

RACHITISMO (INFANZIA)

OSTEOMALACIA (ETÀ ADULTA)

Incompleta mineralizzazione ossea

EZIOLOGIA:

deficienza o resistenza Vit D Diminuito

intake/produzione Ca++

Metabolismo difettoso (fegato,reni)

Aumentata escrezione Ca++(reni)

Post-menopausa

La carenza di estrogeni,

aumenta l’attività degli osteoclasti

• FATTORI DI RISCHIO

• Menopausa precoce

• Fumo, alcool

OSTEOPOROSI

Prevenzione: dieta, terapia ormonale, calcio,

vitamina D, esercizio fisico