Biochemistry of Collagen

00:01 Die Kollagenstränge werden ursprünglich im endoplasmatischen Retikulum der Zellen gebildet.

00:07 Dort beginnt die Synthese von Kollagen. Innerhalb des endoplasmatischen Retikulums, findet die Hydroxylierung von Prolin- und Lysin-Seitenketten statt, und dies ist entscheidend sowohl für die Freisetzung des Kollagens aus der Zelle als auch für die nötige Festigkeit, damit das Kollagen all die verschiedenen Dinge, die wir beschrieben haben, unterstützen kann. Die Hydroxylierung, die an diesen beiden Aminosäuren stattfindet, ist wie gesagt, für die Sekretion notwendig. Wenn bei der Hydroxylierung etwas passiert und dies verhindert, wird die Kollagenkette nicht aus der Zelle freigesetzt.

00:40 Die abgesonderten Kollagenketten bilden bei ihrer Freisetzung spontan eine Helix.

00:47 Die Helices vernetzen sich, wie gesagt, um stärker zu werden, d. h. sie bilden chemische Bindungen untereinander.

00:53 Diese Folie zeigt die Aminosäuresequenz eines Teils einer der Ketten. Dies ist, was wir die Primärstrukturen nennen, die wir bereits beschrieben haben, genau so wie andere Eigenschaften der Proteine. Sie enthält die Sequenz von Aminosäuren. Wenn wir uns diese Sequenz ansehen, können wir einige interessante Dinge erkennen.

01:10 Es gibt drei Aminosäuren, die herausstechen, die erste davon ist Hydroxyprolin.

01:16 Hydroxyprolin wird in diesem Diagramm als Hpr dargestellt. Hydroxyprolin ist keine natürliche Aminosäure.

01:23 Sie entsteht durch die chemische Veränderung von Prolin, die nach der Herstellung des Kollagens erfolgt.

01:29 Das nennt man eine posttranslationale Modifikation. Hydroxyprolin kommt nicht in allzu vielen Proteinen vor.

01:35 Wir haben auch festgestellt, dass Prolin in diesem Bereich der Primärkette des Kollagens sehr häufig vorkommt.

01:42 Dieser hohe Anteil an Prolin ist besonders ungewöhnlich für ein Protein vom Helixtyp, da Prolin in den meisten Proteinen Krümmungen bildet und Krümmungen sind nicht mit einer Helixstruktur vereinbar.

01:55 Die dritte Aminosäure, die hier sehr häufig vorkommt, ist Glycin. Glycin kommt an jedem 3. Rückstand vor.

02:04 Es tritt fast immer neben einem Prolin auf. Das erweist sich als sehr wichtig, weil Glycin eine sehr kleine Seitenkette hat. Prolin hat eine sehr sperrige Seitenkette.

02:14 Wenn man also diese beiden Komponenten zusammennimmt, schafft Glycin den Raum für Prolin, damit es innerhalb einer Helix genügend Platz hat. Ohne Glycin hätte das Kollagen nicht die Struktur, die es hat. Nun, das andere, was Ihnen vielleicht nicht sofort ins Auge springt, habe ich hier mit einem Pfeil markiert, der auf Lysin zeigt.

02:31 Lysin kommt in einer bestimmten Kollagenkette relativ selten vor, aber Lysin ist sehr wichtig für die Herstellung der Querverbindungen, die die einzelnen Ketten zusammenhalten, wie wir sehen werden. Wie ich bereits sagte, kommt Glycin an jedem dritten Rest vor.

02:47 Darauf folgt in der Regel ein Prolin oder in einigen Fällen ein Hydroxyprolin. Auch dies dient dazu, den Raum zu schaffen, damit Prolin in einer spiralförmigen Kette vorliegen kann, wie hier zu sehen. Die Hydroxylierung von Proteinen ist entscheidend, nicht nur für die Freisetzung aus dem endoplasmatischen Retikulum, wie ich bereits erwähnt habe, sondern auch dafür, dass die gesamte Kollagenkette stabil ist. Diese Wasserstoffbrückenbindungen, die zwischen den einzelnen Prolinresten entstehen, sind sehr wichtig, damit das Kollagen bei der Temperatur des menschlichen Körpers stabil bleibt. Ohne diese Hydroxylierung würde das Kollagen zerfallen. Dem Hydroxyprolin geht fast immer einem Glycin voraus, wie Sie auch in dieser Sequenz sehen können. Auf dieser Folie sehen wir die Hydroxylierung von Prolin zu Hydroxyprolin; Prolin natürlich auf der linken Seite und Hydroxyprolin auf der rechten Seite.

03:39 Prolin wird ursprünglich in der Form, die Sie links sehen, in das Kollagen eingebaut. Die chemische Modifikation, wie also das Hydroxyprolin auf der rechten Seite entsteht, beschreibe ich Ihnen jetzt. Die Herstellung der Hydroxylgruppe am Prolin, um Hydroxyprolin zu bilden, benötigt molekularen Sauerstoff. Das Enzym, das diese Reaktion katalysiert, ist, wie der Name schon sagt, eine Dioxygenase. Dioxygenasen nutzen molekularen Sauerstoff. Es sind eher ungewöhnliche Enzyme, die bei der Katalyse ziemlich komplizierter Reaktionen verwendet werden. In dieser Reaktion können wir sehen, dass es einen Kofaktor, nämlich α-Ketoglutarat gibt, der für diese Gesamtreaktion erforderlich ist. Eines der Sauerstoffatome aus dem molekularem Sauerstoff wird zur Herstellung des Hydroxyls am Hydroxyprolin verwendet. Nun, das erfordert eine Reduktion.

04:24 Für die Reduktion werden Elektronen benötigt. Wie läuft nun dieser gesamte Prozess ab? Nun, die Elektronen, die verwendet werden, um das Hydroxyprolin zu bilden, stammen aus Eisen, dem Fe2+, das Sie in der Reaktion oben sehen können.

04:37 Die Freitsetzung von Elektronen von Fe2+ zu Fe3+ macht die Hydroxylierung möglich.

04:45 Der Verlust von Eisen(II) zu Eisen(III), d.h. von 2+ zu 3+, ist wesentlich für die Reaktion, aber die Zelle verfügt nur über eine begrenzte Menge an Eisen. Wenn das gesamte Eisen in Eisen umgewandelt wird, dann ist die Zelle in Schwierigkeiten und kann nicht mehr existieren.

05:05 Das bedeutet also, dass das Eisen III, das 3+, wieder in 2+ umgewandelt werden muss. Wie geschieht das? Das ist eine der interessantesten und wichtigsten Reaktionen, die ich für Sie hier beschreiben werde.

05:17 Das liegt daran, dass die Elektronen für die Rückverwandlung des Eisens in Eisen von Vitamin C, Ascorbat kommen, wie in der Reaktion, die Sie oben sehen können. Ascorbat ist Vitamin C. Wir brauchen also Vitamin C, um diese Reaktion in Gang zu halten. Wenn wir nicht genug Vitamin C haben, können wir kein Hydroxyprolin herstellen.

05:38 Ich habe euch bereits gesagt, dass Hydroxyprolin für die Bildung von stabilem Kollagen notwendig ist. Das ist also ziemlich wichtig.

05:44 Nun, wir haben auch eine begrenzte Menge an Ascorbat. Was passiert also mit all dem Ascorbat, wenn wir es umwandeln? Alle seine Elektronen bilden das andere Molekül, das Sie hier sehen können, das Monodehydroascorbat.

05:56 Es stellt sich heraus, dass die Elektronen dafür aus NADPH stammen. Die Zelle hat einen ziemlich großen Vorrat an NADPH.

06:03 Durch die Kombination dieser drei Reaktionen kann die Zelle also so viel Hydroxyprolin herstellen, je nachdem wieviel sie braucht. Das Enzym, das ich Ihnen auf der letzten Folie gezeigt habe, wurde als Dioxygenase bezeichnet.

06:16 Dabei möchte ich den molekularen Sauerstoff betonen, der bei der Reaktion verwendet wird. Diese Dioxygenase hat eine Vielzahl von Namen. Wahrscheinlich ist es besser, sie als Prolylhydroxylase zu beschreiben, wie hier zu sehen.

06:28 Die Prolylhydroxylase ist in der Struktur rechts abgebildet. Prolylhydroxylase erkennt eine bestimmte Sequenz, die im Kollagen vorkommt. Diese Sequenz ist bekannt als x-Pro-Gly, wobei x für eine beliebige Aminosäure steht, Pro natürlich für Prolin und Gly für Glycin. Wir haben innerhalb der Kollagensequenz gesehen.

06:47 dass Prolin und Glycin relativ häufig vorkommen. Das Enzym fügt also nicht einfach wahllos Hydroxyl- Gruppen auf Proline, sondern nur solche, in der Proline, in der Sequenz wie hier zu sehen sind, vorkommen.

06:59 Das bedeutet also, dass diese Hydroxylierungsreaktion an vielen Stellen im Kollagen stattfindet.

07:05 Das ist sehr wichtig, denn es verleiht dem Kollagen eine gewisse Stabilität. Nun, diese chemische Modifikation, die ich gerade beschrieben habe, ist die häufigste posttranslationale Modifikation, die überall im Körper auftritt. Das Enzym ist im endoplasmatischen Retikulum angesiedelt, denn wie ich bereits erwähnt habe, ist diese Aktivität wichtig, damit das Kollagen aus der Zelle exportiert werden kann. Ohne die Hydroxylierung wird Kollagen nicht freigesetzt. Selbst wenn es freigesetzt wird, wird es nicht stabil sein. Dieses Enzym ist also flexibel.

07:34 Auch das ist ein wenig ungewöhnlich. Es modifiziert auch die Proline anderer Proteine, die die Sequenz x-Pro-Gly besitzen. Das ist interessant, denn eines der Proteine, die eine große Anzahl von von x-Pro-Glys besitzt, ist das als Elastin bekannte Protein. Elastin ist, wie der Name schon sagt, ein Protein, das den Geweben Flexibilität verleiht. Ein weiteres Protein, das von diesem Enzym hydroxyliert wird, heißt HIF.

07:58 HIF steht für Hypoxie-Induktionsfaktor. Die Hypoxie ist ein Zustand, in dem wenig Sauerstoff für die Zellen verfügbar ist. HIF wird aktiviert, wenn die Sauerstoffkonzentration niedrig ist. Nun, woher weiß die Zelle, wann die Sauerstoffkonzentration niedrig ist? Eine der Möglichkeiten ist die Hydroxylierungsreaktion.

08:19 Sie haben gesehen, dass für die Hydroxylierung molekularer Sauerstoff erforderlich ist. In niedrigen Konzentrationen von molekularem Sauerstoff, findet keine Hydroxylierung von HIF statt. Wenn keine Hydroxylierung stattfindet, ist HIF aktiv. Auf der anderen Seite, wenn viel Sauerstoff vorhanden ist, führt die Hydroxylierung von HIF zur Zerstörung von HIF.

08:39 Durch diese Modifizierung von HIF unter sauerstoffreichen oder sauerstofffreien Bedingungen, kann die Zelle feststellen, wie viel Sauerstoff vorhanden ist und ob HIF tatsächlich benötigt wird.