A constitutive equation for

collagen fibrils based on nonlinear

elasticity

Division of Mechanics 

Lab of Mechanics

Artist: Julian Voss-Andreae,Sculpture shown: "Unraveling Collagen", 2005, stainless steel, height: 11'3' (3.40 m).Location: Orange

Memorial Park Sculpture Garden, City of South San Francisco, CA.

Polytechnic School (AUTH) - Civil engineering departmentLaboratory of Mechanics and Materials (LMM)

Νανο-Μικρο μηχανικές ιδιότητες του κολλαγόνου1.Εισαγωγή

1. Γενικά2. Που βρίσκεται το κολλαγόνο

2.Βιοχημεία1. Πως δημιουργείται?2. Υπερδομές

3.Θεωρητικό πλαίσο1. Μηχανική του συνεχούς2. Θεωρία πολυμερών

4.Πειραματικά1. Μοριακό επίπεδο2. Νανοινίδια3. Μικροινίδια4. Ίνες

5.Μοντέλα6.Εφαρμογές

ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΑ

;Τι είναι το κολλαγόνο• Πρωτεΐνη που ισοδυναμεί στο 25% των

πρωτεϊνών ενός οργανισμού.• Παίζει ρόλο στον συνδετικό ιστό των

θηλαστικών.• Ένα υλικό πολλαπλών επιπέδων

οργάνωσης.• Το συναντάμε τόσο στον άνθρωπο όσο

στα υπόλοιπα θηλαστικά αλλά και σε άλλα διαφορετικά είδη όπως ερπετά, ψάρια, μαλάκια, όστρακα.

• Έχει απομονωθεί τμήμα κολλαγόνου από οστό δεινοσαύρου.

• Πρωτεΐνη σημαντική για την δόμηση των οργανισμών και την ύπαρξη της ζωής

• 5 οικογένειες , 28 τύποι • Το συναντάμε στους τένοντες, στα οστά,

στο δέρμα , στα μάτια, στα τοιχώματα αρτηριών και φλεβών, στους χονδρους , στον εξωκυτταρικό ιστό και στον συνδετικό ιστό.

5

Κολλαγόνο 28 τύποι γνωστοί έως σήμερα Η διαφοροποίηση ΄γίνεται με βάση την

πολυπεπτιδική αλυσίδα και την conformation

Οι ιδιότητες καθορίζονται με βάση τον τύπο

Τύποι που δημιουργούν ίνες I, III, V, XI Τύπο Facit Type I bone, tendon, fibrocartilage, dermis, corneaType II nucleus pulposus, hyaline cartilageType III intestinal and uterine wallType IV endothelial, epithelial membranesType V* cornea, placenta, bone, heart valve

* Found in small quantities

; Που το συναντάμε στον άνθρωπο ΟΣΤΟ

• (a) μακροσκοπικό οστό . (b) οστίδια(osteons) (διάμετρος~100 μm) με κυλινδρική δομή περιέχοντας ίνες κολλαγόνου με διαφορετικές κατευθύνσεις. (c) Μια ίνα κολλαγόνου (Διάμετρος ~5 μm) που αποτελείται από δέσμες ινιδίων κολλαγόνου (διαμέτρου ~500 nm).

• (d) Ινίδιο κολλαγόνου (με περίοδο κατά μήκος ~65-68 nm ) που αποτελείται από κλιμακωτά μόρια κολλαγόνου (διαμέτρου ~1.5 nm) με ενσωματωμένο υδροξυαπατίτη (με διάμετρο από ~2 έως 20 nm και μήκος 30 nm).

• (e) Μια τριπλή έλικα ενός μορίου κολλαγόνου.

; Που το συναντάμε στον άνθρωπο ΤΕΝΟΝΤΕΣ

The 3D structure of crimps in the rat Achilles tendon. - Raspanti M, Manelli A, Franchi M, Ruggeri A. - Matrix Biol. 24:503-7. ( 2005 )

Ιεραρχική δομή του τένονταο από το επίπεδο του μορίου έως τον ιστό.Σε κάθε επίεπδο οργάνωσης εφαρμόζεται διαφορετική τεχνική παρατήρησης και πειραματισμού.

;Που το συναντάμε στον άνθρωπο ΔΕΡΜΑ

• Το κολλαγόνο σε συνδυασμό με άλλα βιομόρια (ελαστίνη) δημιουργεί ένα ικρίωμα για τον συνδετικό ιστό, και είναι υπεύθυνο για πολλά φαινόμενα που έχουν σχέση με το δέρμα περιλαμβάνοντας βέβαια και τις ρυτίδες.

;Που το συναντάμε στον άνθρωπο ΧΟΝΔΡΟΙ

Το κολλαγόνο στον εξωκυταρρικό ιστό (ECM)

• Ο εξωκυτταρικός ιστός στον συνδετικό ιστό μπορεί να θεωρηθεί σαν υλικό ενισχυμένο με ίνες, που περιέχει ίνες κολλαγόνου οι οποίες ενισχύουν την γέλη από GAGs.

• Είναι εξαιρετικά ευλύγιστες ίνες με μήκη από νανόμετρα έως μικρόμετρα ενώ η διάμετρος παραμένει σε κλίμακα νανόμετρων.

• Παράγοντες της ενίσχυσης• Το σχήμα των ινιδίων • το σχετικό μέτρο ελαστικότητας του

κολλαγόνου• οι δεσμοί αλληλεπίδρασης.

; Που το συναντάμε στον άνθρωπο ΟΦΘΑΛΜΟΣ

- -ΔΗΜΙΟΥΡΓΙΑ ΒΙΟΧΗΜΕΙΑ ΔΟΜΗ

13

- Αμινοξέα Πρωτείνες

Οι πρωτείνες δημιουργούνται απο 20 διαφορετικά αμινοξέα τα οποία έχουν διαφορετική πλευρική ομάδα R). Τα αμινοξέα συνδέονται μεταξύ τους με τον αμιδικό δεσμό.

Οι πρωτείνες έχουν τέσσερα επίπεδα δομικής οργάνωσης. Πρωτοταγής Δευτεροταγής Τριτοταγής Τεταρτοταγής

14

Δομή Η πρωτοταγής (primary) δομή αναφέρεται

στην σειρά που συνδέονται τα αμινοξέα και ποιά αμινοξέα συνδέονται. Στο κολλαγόνο κάθε τρίτο αμινοξύ είναι η γλυκίνη.

Στην δευτεροταγής(Secondary) δομή παίζουν ρόλο οι γωνίες στροφής που καθορίζονται τοπικά απο την ακαμψία των πλευρικών αλυσίδων της Προλίνης και της υδροξυπρολίνης και οι δεσμοί υδρογόνου .

Η τριτοταγής (Tertiary) δομή αναφέρεται στην 3D- δομή της πρωτείνης που για το κολλαγόνο είναι το ραβδοειδές μόριο της τριπλής έλικας

Στην τεταρτοταγή (Quaternary) δομή Πολλές πρωτείνες αποτελούνται από συνδυασμό δύο ή περισσοτέρων πολυπεπτιδικών αλυσίδων που σταθεροποιούνται απο τις non-covalent δυνάμεις οι οποίες σταθεροποιούν την τεταρτοταγή δομή . Στο κοολαγόνο είναι η δημιουργία νανοινιδίων

;Πως δημιουργείταιΕιδικά κύτταρα ΙΝΟΒΛΑΣΤΕΣ1-ο ΣΤΑΔΙΟ ΕΝΤΟΣ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥΔημιουργία προκολλαγόνου

2-ο ΣΤΑΔΙΟ ΕΚΤΟΣ ΤΟΥ ΚΥΤΤΑΡΟΥΔημιουργία τροποκολλαγόνου και αυτοοργάνωση σε ινίδια και ίνες

– Αμινοξέα Τα δομικάστοιχεία τουκολλαγόνου

Γλυκίνη(Gly) Προλίνη(Pro)

Black : carbonred : oxygengrey : hydrogenblue : nitrogen

Βιοχημεία : Τριπλέτα διαδοχικών αμινοξέων που δημιουργούν τρείς αλυσίδες οι οποίες συστρέφονται μεταξύ τους. Gly-Xaa-YaaGly:Το πιο μικρό αμινοξύ, ~33% του μορίου , Πάντα πρώτο στην τριπλέτα . Xaa :Προλίνη(Pro),4-Υδροξυπρολίνη

ΠροκολλαγόνοProcollagen

Τροποκολλαγόνο ( Tropocollagen) ： τρείς αλυσίδες προκολλαγόνου α-τύπου συστρέφονται η μία με την άλλη σε έναν αριστερόστροφο τριπλό έλικα

Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των τριών έλικων οι οποίοι σταθεροποιούν το μόριο

17

• Πως δημιουργείται η τριπλή έλικα Η Gly καταλαμβάνει κάθε Τρίτη θέση

στην διαδοχή των αμινοξέων στην αλυσίδα. Η πλευρική αλυσίδα είναι ένα άτομο υδρογόνου το οποίο είναι μικρό σε μέγεθος ώστε να χωρά μέσα στην έλικα. Η γλυκίνη είναι το μικρότερο σε μέγεθος αμινοξύ

Η Gly ευθυγραμίζεται-ενώνεται με την θέση X της προλίνης (Pro) της δεύτερης αλυσίδας και την θέση Y της υδροξυπρολίνης(Hyp) της τρίτης αλυσίδας.

Η σταθερότητα της τριπλής έλικας οφείλεται στους διαμοριακούς δεσμούς και στις συνδέσεις με μόρια του εξωκυτταρικού ιστού.

Staggered arrangement in helix by one residue

(from Beck, 1998)

• → → → → → → Αμινοξέα Αλυσίδες Τροποκολλαγόνο Νανονίδια Μικροινίδια Ινίδια Ίνες

- Πέντε έως έξη τροποκολλαγόνο aggregates δημιουργώντας κυλινδρικά νανοινίδια κολλαγόνου.

- Τα νανοινίδια δημιουργούν τα μικρονίδια με διάμετρο ~ 20-500 nm)

- Τροποκολλαγόνο - Μάζα ~285kDa- Μήκος ~ 300-400nm- Διάμετρος ~1.5 nm)

- Τα μικροινίδια δημιουργούν τα ινίδια και τις ίνες κολλαγόνου

Ιεραρχική δομή

Τα τερματικά σημεία της τριπλής έλικας είναι διαφορετικά τα C-τελοπεπτίδια και N-τελοπεπτίδια. Είναι μη ελικοειδή και παίζουν σημαντικό ρόλο στην δημιουργία των ανωδομών.

Δομή και σχηματισμός του COL I

;Ποια είναι η δομή του

Δομή της έλικαςΔύναμη σταθεροποίησης της έλικας

Δεσμοί υδρογόνου μεταξύ της Γλυκίνης της μιας αλυσίδας και της προλίνης της άλλης αλυσίδας. Περίπου ένας δεσμός ανά τριπλέτα

Δομή των ινών Κολλαγόνου• 5 μόρια σε μία μικροίνα• Δημιουργία της ίνας διαδικασία εντροπική• Μικρότερη μονάδα 67nm.• Περίπου εξαγωνική συμμετρία διαμ~4nm

(from Orgel, 2001)

(from Hulmes, 2002)

Το μήκος και η διάμετρος διαφέρει ανάλογα με τον ιστό, την ηλικία, και την γενετική

30 – 500 nm διάμετρος

Kολλαγόνο ιεραρχικό υλικό

Αμινοξέα -> 3 πολυπεπτιδικές αλυσίδεςΠεριέλιξη των τριών αλυσίδων -> ΤροποκολλαγόνοΥδρόλυση τροποκολλαγόνου ->ΚολλαγόνοSelf-assemble των μορίων ->ινίδια κολλαγόνουΙνίδια κολλαγόνου συμπτύσσονται ->Ίνες κολλαγόνου

Creation and structure of collagen fibril

25

Γεωμετρία της τριπλής έλικας Τρεις πολυπεπτιδικές αλυσίδες C-telopeptides & N-telopeptides of each chain are aligned Winding C N Οι δυνάμεις σταθεροποίησης είναι ο

δεσμός υδρογόνου μεταξύ της Gly και της Pro της επόμενης ~1 H-bond ανά τριπλέτα

Geometry Right-handed coil Left-handed coil 3.33 residues per helix turn 2.86 A° rise per residue 9.52 A° rise per turn 1.5 A° helix radius ~1000 residues per chain 300 nm length 2.8 A° helix radius 1.5 nm molecular diameter 85.5 A° coil pitch

(from Beck, 1998)

26

ΤαΝανοινίδια συνθέτουν τα μικροινίδια 5 μόρια κολλαγόνου σε ένα νανοινίδια Εντροπική διαδικασία αυτοσύνθεσης Smallest unit that contains 1 D = 67 nm

repeat

(from Kadler, 1995)

CM broken down into 5 segments 1-4 segments of length D 5 segment of length 0.46D

Segments 1 & 5 contain the telopeptides Intermolecular cross-links Provide structural integrity & strength

(from Piez, 1984)

27

Μικροινίδια Cross-links

Το πρώτο τμήμα διασυνδέεται με το τμήμα 5 μεταξύ των διπλανών μορίων με δεσμό αλδεϋδης μεταξύ της λυσίνης και της αλλυσίνης στα τελοπεπτίδια.

Γεωμετρία Περίπου εξαγωνική διάρθρωση με πάχος ~ 4 nm

(from Orgel, 2001)

(from Orgel, 2002)

28

Από τα μικροινίδια στα ινίδια

Ευθυγράμιση των μικροινιδίων Ευθυγράμιση

Ένα C-terminal ευθυγραμμίζεται με ένα N-terminal Δεν έχουμε ποτέ ευθυγράμμιση N-N Υπάρχει πιθανότητα C-C μπερδέματος λόγω μιας

πολικ΄ς περιοχής μετάβασης(polarity transition region)

Η N-terminal περιοχή προσανατολίζεται πάντα προς την κατεύθυνση ανάπτυξης του ινιδίου.

Διασύνδεση Διασύνδεση μεταξύ των μικροινιδίων Ευθυγράμμιση του C-terminal to the shaft του

διπλανού μορίου Branched network stability00

Διάμετρος ανάπτυξης σε βήματα των ~8 nm 2 microfibrils

(from Prockop, 1998)

29

Ινίδια Γεωμετρία

Αριστερόστροφη ελίκωση Μεταβαλλόμενο μήκος

και διάμετρος Διάμετρος 30 – 500 nmΕξαρτάται απο τον ιστό την ηλικία και την γενετική

Τα μικροινίδια ευθυγραμμίζονται σε γωνία 17° σε σχέση μ,ε τον άξονα του ινιδίου

(from Hulmes, 2002)