Collageno, una fune a tripla elica

Il collageno è presente in tutti gli animali multicellulari ed è la proteina più abbondante nei vertebrati. Il collageno è una proteina extracellulare organizzata in fibre con una grande resistenza alla tensione. Esso è molto ben adattato alla sua funzione e rappresenta la componente principale del tessuto connettivo, cioè delle ossa, dei denti, della cartilagine e della matrice fibrosa della pelle e dei vasi sanguigni. La singola molecola del collageni di Tipo I ha una massa molecolare di circa 285 kD, composta da tre catene polipeptidiche. I mammiferi possiedono almeno 17 catene polipeptidiche geneticamente diverse che compongono 10 varianti di collageno.  Quest'ultimo, comunque, ha una composizione in amminoacidi caratteristica: praticamente un terzo dei suoi residui è rappresentato da Gly; un'altra porzione dal 15 al 30% dei suoi residui è rappresentata da Pro e da 4-idrossiprolina (Hyp). Nel collageno sono pure presenti residui di 3-idrossiprolina e di 5-idrossiprolina (Hyl) anche se in quantità relativamente basse. Esperimenti di marcatura radioattiva hanno dimostrato che i residui idrossilati compaiono soltanto dopo la sintesi dei polipeptidi che compongono il collageno, quando alcuni residui di Pro vengono convertiti in Hyp in una reazione catalizzata dall'enzima prolil idrossilasi, che ha bisogno dell'acido ascorbico (vitamina C) per espletare questa funzione. Infatti sono state osservate diverse malattie causate dall'assenza o dalla carenza della vitamina C nella formazione delle fibre di collageno. La presenza di Hyp conferisce una maggiore stabilità al collageno, probabilmente mediante la formazione di ponti idrogeno intramolecolari che coinvolgono anche molecole di acqua.
La sequenza amminoacidica del collageno di Tipo I bovino, che è simile a quella degli altri tipi di collageno, è costituita dalla monotona ripetizione di triplette con la sequenza di Gly-X-Y per circa 1011 dei 1042 residui che compongono la catena polipeptidica completa. Il residuo X è molto spesso Pro e il residuo Y è invece spesso Hyp. L'elevato contenuto di questi tre amminoacidi nel collagene suggerisce che la conformazione dello scheletro della catena polipeptidica dia simile a quella delle eliche di poliglicina e della poliprolina. Infatti le tre catene polipeptidiche del collageno, che individualmente hanno eliche simili a quella della poliprolina, sono disposte parallelamente e si arrotolano l'una sull'altra mediante un moderato ripiegamento destrorso, formando una struttura a tripla elica, che ricorda una fune. È inoltre necessario che le tre catene polipeptidiche siano sfalsate in modo che i residui Gly, X e Y non siano localizzati allo stesso livello. I gruppi peptidici sfalsati sono orientati in modo da consentire al gruppo N—H di ogni residuo di Gly di formare un legame idrogeno con l'atomo di ossigeno del gruppo carbonilico di un residuo X presente in una catena vicina. I residui relativamente grossi di Pro e Hyp conferiscono rigidità all'intera struttura. Inoltre il collageno contiene carboidrati legati covalentemente, i quali possono corrispondere a quantità variabili tra lo 0,2% e il 12% del suo peso totale, a seconda del tessuto di origine. I carboidrati, la cui funzione in questa struttura non è ancora nota,  sono costituiti principalmente da glucosio e da galattosio e dai loro disaccaridi e sono legati covalentemente a residui di 5-idrossilisina ad opera di enzimi specifici. Comunque, il collageno contiene, inoltre, legami trasversali (crociati) sia intramolecolari che intermolecolari. Questi legami crociati non possono essere ponti disolfuro come nella cheratina, in quanto il collageno è praticamente privo di residui di Cys. Essi derivano invece dalle catene laterali di residui di Lys e di His. Questi legami crociati sono resi possibili grazie all'azione della lisil ossidasi, un enzima contenente Cu che converte i residui di Lys nell'aldeide allisina. I legami crociati tendono ad accumularsi nelle regioni C-terminale ed N-terminale della molecola del collageno. L'importanza di questi legami nelle funzioni normali del collageno è dimostrata dalla malattia detta latirismo, che colpisce sia gli uomini che altri animali. L'agente scatenante questa malattia è il composto β-aminopropionitrile che inattiva la lisil ossidasi legandosi covalentemente al suo sito attivo. Ciò determina una marcata riduzione dei legami crociati.
Sono note, inoltre, altre malattie associate al collageno che dipendono da deficienze di un particolare tipo di collageno o da quantità anormali di uno degli enzimi che partecipano ai processi di modificazione del collageno, coma la lisil idrossilasi o la lisil ossidasi. Alcune di queste sono le sindromi di Ehlers-Danlos e la sindrome di Marfan, che provocano ipersensibilità delle giunzioni e della pelle, oppure, l'osteogenesi imperfetta, che è causata da mutazioni amminoacidiche che alterano la struttura del collageno portando ad un'estrema fragilità delle ossa.