ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΤΟΥ ΣΥΝΔΕΤΙΚΟΥ ΙΣΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟ -ινώδης πρωτεϊνη -σχηματίζει αδιάλυτες ίνες με μεγάλη αντοχή στον εφελκυσμό -η πιο άφθονη πρωτεϊνη των θηλαστικών, αποτελεί το ¼ της συνολικής πρωτείνης του οργανισμού -βασικό συστατικό: -δέρματος -Οστών -τενόντων -χόνδρων -αγγείων -δοντιών
ΧΗΜΙΚΗ ΣΥΣΤΑΣΗ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ -ασυνήθιστη αλληλουχία αμινοξέων -κάθε 3 αμινοξέα: γλυκίνη -πολύ υψηλό ποσοστό προλίνης -δύο πολύ σπάνια αμινοξέα, Υδροξυπρολίνη και υδροξυλυσίνη -τυπική αλληλουχία: Gly-X-Y X= πολύ συχνά προλίνη Υ= πολύ συχνά υδροξυπρολίνη -κάθε αλυσίδα εχει περίπου 1000 αα
ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ Ανάλογη της δομής της εκτεταμένης ελικας του συνθετικού πολυμερούς της πολυ-προλίνης Δομή της εκτεταμένης ελικας της πολυ-προλίνης Μετατόπιση ανα αμινοξύ: 3.12 Å 3 αμινοξέα/στροφή Δομή μιάς αλυσίδας κολλαγόνου
Δομή του κολλαγόνου: τριπλή έλικα (υπερελικωμένο καλώδιο μήκους 3000 Å ) Μετατόπιση ανά αμινοξύ: 2.9 Å 3.3 αμινοξέα ανά στροφή Βήμα της έλικας: 9.6 Å
Η δομή του κολλαγόνου σταθεροποιείται Με δεσμούς υδρογόνου ΑΝΑΜΕΣΑ στις τρείς αλυσίδες Οι δεσμοί υδρογόνου είναι ΚΑΘΕΤΟΙ στον άξονα της έλικας
Οι γλυκίνες είναι πολύ σημαντικές Για την δομη του κολλαγόνου Γιατι? Διατομή έλικας κολλαγόνου Το α-ατομο άνθρακα κάθε γλυκίνης συμβολίζεται με G Κάθε τρίτο αμινοξύ πρέπει να είναι γλυκίνη γιατί δεν υπάρχει χώρος κοντά στον άξονα της έλικας (στο κέντρο) για μεγαλύτερα αμινοξέα
Οι γλυκίνες είναι πολύ σημαντικές Για την δομη του κολλαγόνου Η μετάλλαξη σε μια μόνο γλυκίνη του κολλαγόνου Μπορεί να είναι θανατηφόρα Π.χ. στην ατελή οστεογένεση (osteogenesis imperfecta) Gly 988 Cys Παρεμποδίζεται ο σωστός σχηματισμός Της έλικας του κολλαγόνου Συνέπειες: εύθραυστα οστά, Πολλαπλά κατάγματα
Οι υδροξυπρολίνες είναι επίσης πολύ σημαντικές Για την δομη του κολλαγόνου Οι υδροξυλομάδες της υδροξυπρολίνης Εμπλέκονται σε δικτυα δεσμών υδρογόνου με την μεσολάβηση μορίων νερού, σταθεροποιώντας την τριπλή έλικα
ΒΙΟΣΥΝΘΕΣΗ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ 1) Συνθεση 2) υδροξυλιωση 3) Πυρήνωση της τριπλής έλικας Σημαντικός ρόλος των προπεπτιδίων 4) Διάδοση της τριπλής έλικας 5) Έκκριση 6) Ενζυμική αποκοπή των προπεπτιδίων
ΤΡΟΠΟΚΟΛΛΑΓΟΝΟ= ΔΟΜΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΤΩΝ ΙΝΩΝ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ Μηκος= 3000 Å διάμετρος=15 Å
ΙΕΡΑΡΧΙΚΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΤΩΝ ΙΝΩΝ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ Κενό μεταξύ μορίων στην ίδια σειρά= 400 Å Μετατόπιση μορίων κατά σειρα =680 Å Η δομή επαναλαμβάνεται κάθε 5 σειρές Θέσεις πυρήνωσης υδροξυαπατίτη στο κενό μεταξύ μορίων?? Ca 10 (PO4) 6 (OH) 2
ΙΕΡΑΡΧΙΚΑ ΕΠΙΠΕΔΑ ΟΡΓΑΝΩΣΗΣ ΤΩΝ ΙΝΩΝ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ
ΟΙ ΙΝΕΣ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ ΙΣΧΥΡΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΜΕ ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΙΣ ΑΝΑΜΕΣΑ ΣΕ ΛΥΣΊΝΕΣ Η ΑΝΤΙΔΡΑΣΗ ΚΑΤΑΛΥΕΤΑΙ ΑΠΌ ΤΟ ΕΝΖΥΜΟ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΤΗΣ ΛΥΣΙΝΗΣ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΑ ΓΙΑ ΤΗΝ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΤΗΣ, ΤΑ ΙΟΝΤΑ ΧΑΛΚΟΥ
ΟΙ ΙΝΕΣ ΤΟΥ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟΥ ΙΣΧΥΡΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΜΕ ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΕΣ ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΕΙΣ (αναλογία με τον βουλκανισμό στο καουτσούκ)
Σταθερότητα ελικας κολλαγόνου και θερμοκρασία τήξης (Tm) Σημείωση 1: Tm της Poly (Pro-Pro-Gly) : 24 ο C Tm της Poly (Pro-Hyp-Gly) : 58 ο C
Σημείωση 2: Εξάρτηση της θερμικής σταθερότητας κολλαγόνου Από την περιεκτικότητα σε ιμινοξέα (Pro+Hyp) Πηγή Pro+Hyp περιοχή θερμικής θερμοκρασία σταθερότητας κολλαγόνου οργανισμού Αγελάδα 232 65-39 ο C 37 ο C Καρχαρίας 191 58-29 24-28 Βακαλάος 155 40-16 10-14 Τι συμπεράσματα βγάζουμε από αυτές τις δύο σημειώσεις?
Τι συμπεράσματα βγάζουμε από αυτές τις δύο σημειώσεις? Οσο ψηλότερο το ποσοστό των ιμινοξέων και ειδικά Της υδροξυπρολίνης, Τόσο σταθερότερη η έλικα του κολλαγόνου Αρα, η τριπλήέλικασταθεροποιείταισημαντικά Εξ αιτίας της υδροξυλίωσης
Η σημασία της υδροξυλίωσης του κολλαγόνου φαίνεται στο σκορβούτο Η ΠΡΟΛΙΝΗ ΥΔΡΟΞΥΛΙΩΝΕΤΑΙ ΑΠΌ ΈΝΑ ΕΝΖΥΜΟ, ΤΗΝ ΠΡΟΛΥΛΟ-ΥΔΡΟΞΥΛΑΣΗ ΒΙΤΑΜΙΝΗ C: ΕΊΝΑΙ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΠΡΟΛΥΛΟ-ΥΔΡΟΞΥΛΑΣΗΣ ΈΝΑ ΙΟΝ ΣΙΔΗΡΟΥ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙ ΩΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΤΟΥ ΕΝΖΥΜΟΥ
ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΛΟΚΟΥ ΣΙΔΗΡΟΥ-ΟΞΥΓΟΝΟΥ ΣΥΧΝΑ ΠΑΓΙΔΕΥΣΗ ΥΠΟ ΜΟΡΦΗ ΤΡΙΣΘΕΝΟΥΣ ΣΙΔΗΡΟΥ ΚΑΙ ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟΥ ΕΝΖΥΜΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑ: ΌΧΙ ΑΡΚΕΤΑ ΥΔΡΟΞΥΛΙΩΜΕΝΟ ΚΟΛΛΑΓΟΝΟ ΑΡΑ, ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΤΗΞΗΣ ΟΧΙ ΑΡΚΕΤΑ ΙΣΧΥΡΕΣ ΙΝΕΣ, ΚΑΚΩΣΕΙΣ ΔΕΡΜΑΤΟΣ, ΕΥΘΡΑΥΣΤΑ ΑΙΜΟΦΟΡΑ ΑΓΓΕΙΑ ΒΙΤΑΜΙΝΗ C: ΕΊΝΑΙ ΑΠΑΡΑΙΤΗΤΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΠΡΟΛΥΛΟ-ΥΔΡΟΞΥΛΑΣΗΣ
BIOXHMEIA, TOMOΣ I ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ ΤΟ ΑΣΚΟΡΒΙΚΟ ΟΞΥ ΧΡΗΣΙΜΕΥΕΙ ΣΑΝ ΑΝΤΙΟΞΕΙΔΩΤΙΚΟΣ ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ, ΑΝΑΓΟΝΤΑΣ ΤΟΝ ΤΡΙΣΘΕΝΗ ΣΙΔΗΡΟ ΤΟΥ ΑΠΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΜΕΝΟΥ ΕΝΖΥΜΟΥ
ΖΕΛΑΤΙΝΗ Διαμορφωση κολλαγονου στην ζελατινη: μερικα δομημενες τριπλες ελικες κολλαγονου που σχηματιζουν πλεγμα ΚΟΛΛΑΓΟΝΟ ΖΕΛΑΤΙΝΗ
ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ ΤΟΥ ΣΥΝΔΕΤΙΚΟΥ ΙΣΤΟΥ ΕΛΑΣΤΙΝΗ -εξαιρετικά ελαστική πρωτεϊνη -σημαντικό συστατικό: -τοιχωμάτων αιμοφόρων αγγείων -αορτικού τόξου (καρδιά) -συνδέσμου του αυχένα των ζώων Χημική σύσταση: Πλούσια σε γλυκίνη (1/3 των αμινοξέων) Πλούσια σε προλίνη Πλούσια σε αλανίνη και αλειφατικά αμινοξέα Ελάχιστο ποσοστό πολικών αμινοξέων (4% λυσίνη)
Αλληλουχία/δομή : επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες PGVGV Αλληλουχία/δομή : ανάμεσα στίς αλληλουχίες PGVGV Παρεμβάλλονται αλληλουχίες πλούσιες σε λυσίνη και αλανίνη Πχ ΑΑΑΚΑΑΑΚΑΑ, η ΑΑΑΚΑΑΑΚΑΑ
ΒΙΟΣΥΝΘΕΣΗ ΤΗΣ ΕΛΑΣΤΙΝΗΣ Συντίθεται σε μορφή διαλυτού πρόδρομου μορίου, (προελαστίνη) όπως και το κολλαγόνο Η τελική μορφή είναι αδιάλυτες ίνες πού ισχυροποιούνται Με ομοιοπολικές συνδέσεις μεταξύ λυσινών, Ακριβώς όπως και στο κολλαγόνο Η ακριβής δομή της ελαστίνης παραμένει ακόμη άγνωστη
Προτεινόμενο μοντέλο δομής των επαναλαμβανόμενων αλληλουχιών PGVGV της ελαστίνης: Δομή «βητα σπειράματος»
Προτεινόμενο μοντέλο δομής της ελαστίνης: Δομή «βητα σπειράματος»
Η ελαστικότητα της ελαστίνης απορρέει από την δυνατότητα περιστροφής γύρω από την βήτα στροφή και το αμινοξύ της γλυκίνης
Η ελαστικότητα της ελαστίνης απορρέει από την δυνατότητα περιστροφής γύρω από την βήτα στροφή και το αμινοξύ της γλυκίνης
Y p e Υπενθύμιση εννοιών κολλαγόνου/ ελαστίνης
Συγκριση μηχανικων ιδιοτητων βιολογικων ινων με τις ιδιοτητες του Κevlar και του ατσαλιου Υλικο Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Ελαστίνη 0.0011 Ρεζιλίνη 0.002 Κολλαγόνο 1.2 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 0.87 Ινα μυδιών (γειτονική) 0.016 Ιστός αράχνης (dragline) 10 Ιστός αράχνης (viscid) 0.003 Kevlar 130 Ατσάλι υψηλής αντοχής 200
Συγκριση μηχανικων ιδιοτητων βιολογικων ινων με τις ιδιοτητες του Κevlar και του ατσαλιου Υλικο αντοχή, σ max (GPa) Ελαστίνη 0.002 Ρεζιλίνη 0.004 Κολλαγόνο 0.12 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 0.075 Ινα μυδιών (γειτονική) 0.035 Ιστός αράχνης (dragline) 1.1 Ιστός αράχνης (viscid) 0.5 Kevlar 3.6 Ατσάλι υψηλής αντοχής 1.5
Συγκριση μηχανικων ιδιοτητων βιολογικων ινων με τις ιδιοτητες του Κevlar και του ατσαλιου Υλικο εκτατικότητα, ε max Ελαστίνη 1.5 Ρεζιλίνη 1.9 Κολλαγόνο 0.13 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 1.09 Ινα μυδιών (γειτονική) 2 Ιστός αράχνης (dragline) 0.3 Ιστός αράχνης (viscid) 2.7 Kevlar 0.027 Ατσάλι υψηλής αντοχής 0.008
Χαρακτηριστικη καμπυλη τασης/παραμορφωσης Κολλαγονου/ελαστινης (J-shaped)
Υπενθύμιση: Χαρακτηριστικη καμπυλη τασης/παραμορφωσης καουτσούκ (S-shaped)
Σύγκριση κύκλου υστέρησης καουτσούκ (1) και υλικων τύπου κολλαγόνου/ ελαστίνης (2)
Συγκριση μηχανικων ιδιοτητων βιολογικων ινων με τις ιδιοτητες του Κevlar και του ατσαλιου Υλικο resilience (%) Ελαστίνη 90 Ρεζιλίνη 92 Κολλαγόνο 90 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 28 Ινα μυδιών (γειτονική) 53 Ιστός αράχνης (dragline) 35 Ιστός αράχνης (viscid) 35 Kevlar Ατσάλι υψηλής αντοχής
Συγκριση μηχανικων ιδιοτητων βιολογικων ινων με τις ιδιοτητες του Κevlar και του ατσαλιου Υλικο ανθεκτικότητα (MJ/m 3 ) Ελαστίνη 1.6 Ρεζιλίνη 4 Κολλαγόνο 6 Ινα μυδιών (περιφερειακή) 45 Ινα μυδιών (γειτονική) 35 Ιστός αράχνης (dragline) 160 Ιστός αράχνης (viscid) 150 Kevlar 50 Ατσάλι υψηλής αντοχής 6
Τι πλεονεκτήματα προσφέρει αυτή η συμπεριφορά όσον αφορά τους βιολογικούς ρόλους αυτών των υλικών? Το παράδειγμα του φουσκώματος του κυλινδρικού μπαλλονιού
Σχέση Τ (tension, stretch ) που προκαλείται στο τοίχωμα από την εσωτερική πίεση, Δp (transmural pressure) για έναν κύλινδρο και μια σφαίρα
Τ (tension, stretch ) (Δύναμη επιμήκυνσης ανά μονάδα μήκους)
Σχέση Τ (tension, stretch ) που προκαλείται στο τοίχωμα από την εσωτερική πίεση, Δp (transmural pressure) για έναν (άδειο) κύλινδρο Σε μια διατομή κατά μήκος του κυλίνδρου, μήκους l, ηεσωτερικήπίεσηδp δρα στην επιφάνεια της διατομής, 2rl σε αυτήν αντιτίθεται η Τ του τοιχώματος, στο σύνολο του μήκους της διατομής, δηλ 2l 2rlΔp = T2l, αρα T= Δpr
Σχέση Τ (tension, stretch ) που προκαλείται στο τοίχωμα από την εσωτερική πίεση, Δp (transmural pressure) για μία (άδεια) σφαίρα Σε μια διατομή κατά μήκος της σφαίρας ηεσωτερικήπίεσηδp δρα στην επιφάνεια της διατομής, πr 2 σε αυτήν αντιτίθεται η Τ του τοιχώματος, στο σύνολο του μήκους της διατομής, δηλ 2πr πr 2 Δp = T 2πr, άρα T= Δpr/2
Συνεπώς, για έναν κύλινδρο, T= Δpr για μια σφαίρα: T= Δpr/2
Εάν μετατρέψουμε Τ σε τάση (stress, σ), η τάσηθαείναιανάλογητουπάχουςτου τοιχώματος, έστω Δr. Συνεπώς, για έναν κύλινδρο, σ= Δpr/Δr για μια σφαίρα ηγιατιςάκρεςτουκυλίνδρου: σ= Δpr/2Δr
Συνεπώς, η τάση που ασκείται κατά μήκος του κυλίνδρου είναι διπλάσια από αυτήν που ασκείται στα άκρα του κυλίνδρου. Άρα, το κυλινδρικό μπαλόνι υφίσταται περισσότερη τάση κατά μήκος των τοιχωμάτων, παρά στα άκρα, άρα, όταν φουσκώσει στην αρχή, μετά εξακολουθεί να φουσκώνει σχηματίζοντας ένα ανεύρυσμα πριν επιμηκυνθεί, εάν είναι φτιαγμένο από καουτσούκ
Γιατί εάν είναι φτιαγμένο από καουτσούκ?? Διότι το καουτσούκ θα ακολουθησει την S-shaped καμπύλη τάσης/παραμόρφωσης (γραμμική στην αρχή)
Ενώ ένα υλικό τύπου Κολλαγόνου/ελαστινης θα ακολουθησει J-shaped καμπύλη τάσης/παραμόρφωσης
Τι πλεονεκτήματα προσφέρει αυτή η συμπεριφορά όσον αφορά τους βιολογικούς ρόλους αυτών των υλικών? Το παράδειγμα του φουσκώματος του κυλινδρικού μπαλλονιού
Το παράδειγμα του φουσκώματος του κυλινδρικού μπαλλονιού
Το παράδειγμα του φουσκώματος του κυλινδρικού μπαλλονιού
Το παράδειγμα του φουσκώματος του κυλινδρικού μπαλλονιού
Το παράδειγμα του φουσκώματος του κυλινδρικού μπαλλονιού
Το παράδειγμα του φουσκώματος του κυλινδρικού μπαλλονιού
Πλεονεκτήματα πού προσφέρει η J-shaped καμπύλη: 1) Αποφυγή σχηματισμού ανευρυσμάτων 2) Λιγώτερη ενέργεια μπορεί να απελευθερωθεί στο σημείο θραύσης του υλικού μείωση της πιθανότητας διάδοσης σχισμών 3) Το υλικό επιμηκύνεται λιγώτερο στις μεγάλες τάσεις
Συνεπώς: υλικά τύπου κολλαγόνου/ ελαστίνης: 1) εχουν ανθεκτικώτερη συμπεριφορά σε μεγάλες τάσεις 2) είναι κατάλληλα για αποθήκευση και αποτελεσματική απόδοση ενέργειας
Πως δουλευει το τοξο?
Πως δουλευει ο καταπελτης?
Πως δουλευει ο καταπελτης?
Γιατι οι ψειρες μπορουν να πηδουν?
Τα «βιολογικά ελαστικά» biological rubbers Ελαστίνη θηλαστικών Resilin (τένοντες ακρίδων, ψειρών) Abductin (αρμός μυδιών)
Τα εντομα προσφερουν εμπνευση για το «καλυτερο λαστιχο του κοσμου» Φυσική ρεζιλίνη: επαναληπτικές ακολουθίες GGRPSDSYGAPGGGN
Η ρεζιλίνη ισχυροποιειται με Ομοιοπολικές συνδέσεις μεταξύ τυροσινών
Ρεζιλίνη πού εχει παραχθεί μέσα σε βακτηρίδια με τεχνικές ανασυνδυασμένου DNA Έχει ιδιότητες ανάλογες με τη φυσική.. και Resilience: 97%
Ένα ακόμη «βιολογικό ελαστικό» Γλουτένη από αλεύρι σιταριού
Η Γλουτένη είναι ένα μίγμα τουλάχιστον 50 πρωτεϊνών Δυο σημαντικές κατηγορίες: 1) Γλοιαδίνες (χαμηλό μοριακό βάρος, μονομερείς, διαλυτές σε μίγματα αλκοόλης/νερού) 2) Γλουτενίνες (αδιάλυτες, διακρίνονται περαιτέρω σε -υψηλού μοριακού βάρους (HMW) -χαμηλού μοριακού βάρους (LMW)
ΟΙ πρωτεΐνες υψηλού μοριακού βάρους (HMW) της γλουτενίνης αποτελούνται από: -Μια κεντρική επικράτεια με επαναληπτικές ακολουθίες -αμινοτελικές και καρβοξυτελικές επικράτειες πλούσιες σε κυστεινες
ΟΙ πρωτεΐνες υψηλού μοριακού βάρους (HMW) της γλουτενίνης αποτελούνται από: -Μια κεντρική επικράτεια με επαναληπτικές ακολουθίες -Επαναληπτικές ακολουθίες: -PGQGQQ, GYYPTSLQQ (y-type HMW) -PGQGQQ, GYYPTSPQQ and GQQ (x-type HMW)
ΟΙ πρωτεΐνες υψηλού μοριακού βάρους (HMW) της γλουτενίνης είναι υπεύθυνες για την ελαστικότητα της γλουτένης και των ζυμών Πως μπορεί να εξηγηθεί αυτό σε μοριακό επίπεδο?
Πως μπορεί να εξηγηθεί αυτό σε μοριακό επίπεδο? -Η διαμόρφωση των επαναληπτικών αλληλουχιών είναι ανάλογη του βήτα-σπειράματος της ελαστίνης -διαφορά με την ελαστινη: πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε γλουταμίνη
Πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε γλουταμίνη Συνεπάγεται: -1) Δυνατότητα δεσμών υδρογόνου με το νερό -2)Δυνατοτητα διαμοριακών δεσμών υδρογόνου ανάμεσα στα μόρια γλουτενινης
Με το ζύμωμα, οι δυνάμεις που εξασκούμε Σε συνδυασμό με: -χαμηλή περιεκτικότητα σε νερό Ευνοούν το «stretching» των μορίων της γλουτενίνης (αποδιπλωση των βητα-turns) και σχηματισμό διαμοριακων δεσμών υδρογόνου Με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται η ελαστικότητα της ζύμης Επίσης, δισουλφιδικοι δεσμοί μεταξύ των HMW αλυσίδων ενισχύουν τις ίνες της γλουτενινης