O colágeno é a proteína mais abundante no corpo humano, e a falta dele é uma das principais causas do envelhecimento. Também ouvimos sobre o tal “banco de colágeno” e da importância de como manter ele “em dia”.
Neste contexto, é importante para um profissional ter o entendimento de como acontecem os intrincados mecanismos da biossíntese do colágeno. Neste artigo, que foi o trabalho de conclusão de curso da hoje especialista em Harmonização Orofacial Dra. Paula Cristina Brunetto Neves, esperamos que vocêr entenda desde a digestão das proteínas até a formação das fibras de colágeno, passando nos nutrientes essenciais, enzimas e cofatores envolvidos nessa síntese. Vamos?
Porque devemos compreender a formação do colágeno?
A Harmonização Orofacial é a especialidade da odontologia que lida de forma bem direta com as estéticas facial e do sorriso, buscando equilibrar proporções, corrigir assimetrias e gerenciar o envelhecimento de forma muito natural, sem causar estranheza e valorizando a beleza presente em cada pessoa.
De acordo com Fisher, Varani & Voorhees (2008), a pele é o maior órgão do corpo humano e é o único exposto cronicamente ao meio ambiente, havendo uma exposição cumulativa da pele, ao longo dos anos, a diversos agressores, chamados expossomas, que podem causar modificações nas condições da pele (Passeron et al., 2020).
A exposição cumulativa da pele à radiação solar, principalmente as do rosto e do pescoço, levam a uma aparência envelhecida, caracterizada pela formação de rugas, opacidade, manchas, frouxidão, rugosidade e telangiectasia. Os raios solares fazem com que as células produzam espécies reativas de oxigênio, os radicais livres, que são a principal causa de danos à pele, no caso do fotoenvelhecimento (Passeron et al., 2020).
A epiderme atingida pelo sol desencadeia a produção de metaloproteinases de matriz (MMPs), uroquinase, plasmina e heparanase. Estas enzimas, degradam a membrana basal da epiderme e as fibras colágenas e elásticas da derme (Passeron et al., 2020).
Além disso, Passeron et al (2020) também relatam que os raios solares penetram mais profundamente na derme, causando, além do fotoenvelhecimento, fotocarcinogênese, fotoimunossupressão, fotodermatoses e desordens de pigmentação.
O envelhecimento, considerando-se idade cronológica, expossomas e hábitos, no geral, tem um grande impacto nas características da pele, podendo levar a alterações de cor, textura, firmeza e elasticidade. A aparência da pele pode comunicar o estilo de vida e, também, a idade e a etnia da pessoa.
Algumas das principais características da pele envelhecida são a flacidez, as manchas, a aspereza, a frouxidão e o enrugamento, o que faz com que muitas pessoas sintam-se incomodadas com estes sinais e busquem tratamentos estéticos que se proponham a resolver estes “problemas”.
O desejo de grande parte da população adulta mundial em manter uma aparência jovem da pele impulsionou um projeto multibilionário da indústria, de cuidados com a pele, que inclui cosméticos, cosmecêuticos, medicamentos tópicos, procedimentos invasivos e não invasivos utilizando produtos químicos, lasers, injeção de preenchimentos, neurotoxinas e cirurgias. Cada vez mais os pacientes procuram ajuda para tratar alterações, na aparência da pele, relacionadas à idade (Fisher, Varani & Voorhees, 2008).
Sendo assim, é preciso levar em consideração muitos procedimentos realizados em consultórios são para prevenir ou tentar suavizar algumas rugas, firmar a pele para tentar evitar ou mesmo reverter algumas quedas que acontecem com o avançar da idade, corrigir cicatrizes atróficas, enfim. Esses procedimentos requerem, principalmente, estímulo da pele para a produção de colágeno, proteína que se organiza em forma de fibras por toda a derme e é responsável por dar sustentação e, junto à elastina, elasticidade à pele.
Conhecer os mecanismos envolvidos no processo de formação desta proteína, como as células, as enzimas, os cofatores enzimáticos, os nutrientes e os sinalizadores pode viabilizar tratamentos mais integrais, associando-se procedimentos de consultório, como bioestimuladores de colágeno, a procedimentos de suplementação de vitaminas e nutrientes e otimização de vias absortivas dos mesmos, ou, até mesmo, otimização hormonal, para que os resultados desejados pelo paciente sejam alcançados de forma otimizada.
Revisão de Literatura na formação do colágeno
Para dar suporte estrutural para a vasculatura, apêndices e epiderme da pele, a derme é composta, principalmente, por matriz extracelular. Essa matriz é composta por vários tipos de proteínas, proteoglicanos e glicosaminoglicanos que são, em grande parte, produzidos pelos fibroblastos (Fisher, Varani & Voorhees 2008).
O colágeno é uma proteína com características funcionais e, no organismo, contribui com a integridade estrutural dos tecidos em que está presente. É encontrado nos tecidos conjuntivos corpo, incluindo ossos, tendões, cartilagens, veias, dentes, músculos, camada córnea dos olhos e pele. Porém, com o início da fase adulta, a deficiência de colágeno começa a ser notada, pois o organismo diminui sua produção (Silva & Penna, 2012).
O colágeno tipo I é, de longe, a proteína mais abundante em humanos, representando mais de 90% seu peso seco, sendo, sua principal propriedade, conferir integridade estrutural para a pele. Os colágenos fibrilares tipos I, III e V se auto-montam em fibras colágenas maiores que formam uma estrutura tridimensional em rede em toda a derme (Fisher, Varani & Voorhees, 2008).
As fibras de colágeno são proteínas do tipo fibrilares e são encontradas extracelularmente principalmente nos tecidos conjuntivos do corpo.
As características de cada proteína são determinadas pelo tipo de aminoácido que as compõem e pela sequência desses aminoácidos. Para que esses aminoácidos estejam em variedade e quantidades adequadas disponíveis nos tecidos para que o colágeno possa ser construído é necessário que as proteínas da dieta, fonte desses aminoácidos, sejam bem digeridas, absorvidas e transportadas até as células (Hall, 2011).
De acordo com Nelson & Cox (2014), o colágeno evoluiu para garantir resistência. Ele é encontrado nos tecidos como os tendões, cartilagens, matriz orgânica dos ossos, córnea dos olhos e pele. A hélice de colágeno é uma estrutura secundária única. Ela gira para esquerda e tem três resíduos de aminoácidos por volta. É uma espiral enrolada, mas com estruturas terciária e quaternária distintas: três polipeptídeos separados, chamados de cadeias a (não confundir com hélices a), são supertorcidos uns sobre os outros. No colágeno, a torção super-helicoidal tem sentido horário, oposto ao da hélice anti-horária das cadeias a.
Normalmente, a molécula de colágeno contém em torno de 35% de glicina (Gly), 11% de alanina e 21% de prolina (Pro) e 4-Hyp (4-hidroxiprolina), um aminoácido incomum. O conteúdo de aminoácidos incomuns do colágeno está relacionado com as restrições estruturais únicas de sua hélice (Nelson & Cox, 2014).
A sequência de aminoácidos no colágeno geralmente é uma repetição de uma unidade tripeptídica, Gly-X-Y, onde X normalmente é uma Pro e Y em geral é uma 4-Hyp. Somente os resíduos Gly podem ser acomodados nas junções muito apertadas entre as cadeias a individuais. Os resíduos de Pro e 4-Hyp permitem a torção acentuada da hélice do colágeno. A sequência de aminoácidos e a estrutura quaternária supertorcida do colágeno permitem uma compactação muito justa de seus três polipeptídeos. A 4-hidroxiprolina tem um papel importante na estrutura do colágeno (Nelson & Cox, 2014).
A cadeia a do colágeno tem uma estrutura secundária repetitiva que é única desta proteína. A sequência tripeptídica que se repete Gly-X-Pro ou Gly-X-4-Hyp adota uma estrutura helicoidal anti-horária com três resíduos por volta. A sequência repetida para gerar este modelo é a Gly-Pro-4-Hyp. Três destas hélices se enrolam uma sobre as outras, no sentido horário (Nelson & Cox, 2014).
Aminoácidos – Digestão e absorção
Hall (2011) nos ensina que a digestão das proteínas da dieta se inicia no estômago através da ação da pepsina, importante enzima que é ativada em pH de 2,0 a 3,0 e inativada em pH acima de 5,0. Consequentemente, para que essa enzima tenha ação digestiva sobre a proteína da dieta, os sucos gástricos precisam ser ácidos.
As glândulas gástricas secretam grande quantidade de ácido clorídrico. Esse ácido clorídrico é secretado pelas células parietais (oxínticas) nas glândulas a pH em torno de 0,8, até se misturar ao conteúdo gástrico e às secreções das células glandulares não oxínticas do estômago. O pH da mistura fica, então, entre 2,0 e 3,0, faixa favorável à atividade da pepsina (Hall, 2011).
Um dos aspectos importantes da digestão pela pepsina é a sua capacidade de digerir a proteína colágeno, proteína de tipo albuminoide, pouco afetada por outras enzimas digestivas. O colágeno é constituinte significativo do tecido conjuntivo celular das carnes. Portanto, para que outras enzimas do trato digestivo digiram outras proteínas das carnes, é preciso, primeiro, que as fibras de colágeno sejam digeridas (Hall, 2011).
Consequentemente, em pessoas que não produzem pepsina adequadamente nos sucos gástricos, a carne ingerida é menos processada por outras enzimas digestivas e, portanto, pode ser mal digerida. A pepsina apenas inicia o processo de digestão das proteínas, usualmente promovendo 10% a 20% da digestão total das proteínas, para convertê-las a proteoses, peptonas e outros polipeptídeos. A clivagem das proteínas ocorre como resultado da hidrólise, nas ligações peptídicas entre os aminoácidos (Hall, 2011).
Grande parte da digestão das proteínas ocorre no intestino delgado superior, duodeno e jejuno, sob a influência de enzimas proteolíticas da secreção pancreática. Imediatamente ao entrar no intestino delgado, provenientes do estômago, os produtos da degradação parcial das proteínas são atacados pelas principais enzimas proteolíticas pancreáticas: tripsina, quimotripsina, carboxipolipeptidase e proelastase (Hall, 2011).
Tanto a tripsina como a quimotripsina clivam as moléculas de proteína em pequenos polipeptídeos; a carboxipolipeptidase, então, libera aminoácidos individuais dos terminais carboxila dos polipeptídeos. A proelastase, por sua vez, é convertida em elastase que, então, digere as fibras de elastina, abundantes em carnes. Apenas pequena porcentagem das proteínas é digerida completamente, pelos sucos pancreáticos, até seus aminoácidos constituintes. A maioria é digerida até dipeptídeos e tripeptídeos (Hall, 2011).
O último estágio na digestão das proteínas, no lúmen intestinal, é feito pelos enterócitos que revestem as vilosidades do intestino delgado, especialmente no duodeno e no jejuno. Essas células apresentam borda em escova, que consiste em centenas de microvilosidades que se projetam da superfície de cada célula. Nas membranas de cada uma dessas microvilosidades encontram-se múltiplas peptidases que se projetam, através das membranas, para o exterior, onde entram em contato com os líquidos intestinais. Dois tipos de peptidases são especialmente importantes, aminopolipeptidase e diversas dipeptidases. Elas continuam a hidrólise dos maiores polipeptídeos remanescentes em tripeptídeos e dipeptídeos e de uns poucos aminoácidos. Aminoácidos, dipeptídeos e tripeptídeos são facilmente transportados através da membrana microvilar para o interior do enterócito. Finalmente, no citosol do enterócito, existem várias outras peptidases específicas para os tipos de aminoácidos que ainda não foram hidrolisados. Em minutos, praticamente todos os últimos dipeptídeos e tripeptídeos são digeridos a aminoácidos. Estes, então, são transferidos para o sangue (Hall, 2011).
Mais de 99% dos produtos finais da digestão das proteínas absorvidas são aminoácidos. Raramente são peptídeos e, mais raramente ainda, proteínas inteiras. Mesmo essas raríssimas moléculas de proteínas absorvidas inteiras podem, por vezes, causar sérios distúrbios alérgicos ou imunológicos (Hall, 2011).
O colágeno é uma proteína cujo papel é, basicamente, formar uma estrutura arquitetônica que define o tamanho e a forma dos tecidos e órgãos de todos os organismos. A seguir observa-se o que Veis & Brownell relataram em 1975.
O sistema de fibras de colágeno é grande e extenso, ocupando um volume muito maior do que as células envolvidas na montagem do mesmo. As propriedades mecânicas únicas das fibras incluem alta resistência à tração, estabilidade estrutural e inextensibilidade.
Cada molécula de colágeno é uma corda rígida totalmente estendida, de três cadeias polipeptídicas entrelaçadas helicoidalmente. O composto helix é resistente à maioria das enzimas proteolíticas, sendo que estabilização adicional é alcançada pela imposição extracelular de ligações cruzadas covalentes entre grupos reativos em moléculas vizinhas em sua matriz fibrosa.
As células sintetizadoras de colágeno têm o papel de depositar esta substância no local extracelular adequado sem degradação ou agregação prematura. Isto é conseguido através de uma série de eventos intra e extracelulares.
A biossíntese de colágeno teria se concentrado, principalmente, em reações de hidroxilação, tendo a hidroxiprolina e a hidroxilisina do colágeno características únicas.
O colágeno é sintetizado e excretado em uma forma precursora diferente da encontrada em tecidos. Em tecidos normais, a biossíntese e o processamento da molécula precursora é bastante rápido, de modo que muito pouco do precursor está presente no tecido em um determinado instante.
Uma vez fora da célula, os precursores de colágeno são modificados em uma ou mais etapas de degradação enzimática e as moléculas modificadas são organizadas em fibrilas e fibras. Esses elementos estruturais são estabilizados por reticulação.
Então, o sistema de fibras deve ser degradado e renovado para permitir o crescimento e a remodelação natural do tecido. Esta etapa requer um sistema para a despolimerização da rede reticulada e degradação das moléculas individuais.
A seguir, serão apresentados aspectos intracelulares da produção de pró-colágeno e do processamento extracelular do colágeno até a formação de fibra de colágeno.
A natureza da forma precursora do colágeno
A composição e estrutura exatas da molécula precursora de colágeno completa ainda é desconhecida. Na verdade, pode ser muito difícil especificar um momento em que a molécula precursora de colágeno completa existe como uma entidade bem definida.
Uma das evidências indica que a molécula é montada a partir de três cadeias polipeptídicas separadas.
Cada cadeia é composta por três seções. A primeira secção, a região amino-terminal sintetizada, pode ser tão grande quanto 50.000 daltons em peso e não é colágeno, no sentido de que não contém as sequências típicas da molécula de colágeno acabada.
A próxima seção, compreendendo aproximadamente 1.000 resíduos de aminoácidos, é a porção de “colágeno”. Esta região é caracterizada por sequências triplas de aminoácidos nas quais a glicina aparece regularmente como o primeiro resíduo de cada tríade de aminoácidos. O colágeno intersticial de todos os mamíferos contém a sequência GLY-PRO-HYPR0 ocorrendo com maior frequência.
A hidroxilação pós-sintética ocorre exclusivamente na prolina na terceira posição.
A única característica distintiva, no entanto, nas sequências da região de colágeno é a aparência regular de glicina a cada terceiro resíduo.
A cadeia peptídica é completada com uma segunda sequência polipeptídica não colágena. Muito menos se sabe sobre a sequência carboxil-terminal da molécula de colágeno do que de qualquer outra parte da molécula.
A molécula de colágeno é formada por três dessas cadeias, dispostas de modo que os três terminais amino estão todos no mesmo final, sendo uma estrutura altamente assimétrica ou polarizada.
Na molécula de colágeno apenas o colágeno está em uma conformação de hélice tripla. Cada uma das regiões finais tem outra conformação.
Primeiramente foi sugerido que moléculas de colágeno são sintetizadas numa forma contendo regiões peptídicas extra-helicoidais.
Após, leventou-se a hipótese de que a extensão extra-hélice e a região amino-terminal em particular servem a dois propósitos. Ele propôs que a informação na sequência de aminoácidos deste peptídeo serve para reunir ou registrar as cadeias de pró-colágeno sintetizadas separadamente no alinhamento correto para formação subsequente de hélice tripla. A estrutura terciária do complexo, isto é, o colágeno de hélice tripla mais o “peptídeo de registro” evitaria que as cadeias interagissem e precipitassem dentro da célula.
Uma vez secretados, os peptídeos extra-hélicos teriam que ser clivados para que os bastões de colágeno residuais pudessem agregar de forma apropriada. Esta informação teve o importante efeito de direcionar a atenção para o processamento intracelular da molécula de colágeno, fornecendo uma função para a região amino-terminal extra-helicoidal.
Síntese em Polissomas Ligados à Membrana – m-RNA
Polissoma é um agrupamento de ribossomas associados a um ácido ribonucleico mensageiro durante o processo de translação na síntese proteica. Nos organismos eucariontes, os polissomas estão ligados à superfície do retículo endoplasmático rugoso e à porção membranar externa do núcleo.
Todas as proteínas destinadas à exportação são sintetizadas por ribossomos ligados à membrana do retículo endoplasmático e transportados através da membrana até a cisterna do retículo endoplasmático, onde estão prontos para exportação. Esse parece ser, também, o caso do colágeno. A partir de 70 a 90% da atividade de síntese de colágeno de embrião de galinha estão localizados dentro de polissomas ligados à membrana, ao invés de polissomos livres.
A síntese de proteínas, entretanto, pode começar antes dos ribossomos se ligarem à membrana do retículo endoplasmático. Há um modelo em que a região amino-terminal nascente contém as informações que fornecem a ligação do polissoma a algum local particular no retículo endoplasmático.
Este modelo sugere que o primeiro papel da região peptídica amino-terminal da cadeia de pró-colágeno nascente pode estar no reconhecimento do local de ligação apropriado para que três cadeias se liguem à membrana na região apropriada com a geometria necessária para direcionar sua interação e seu registro em cadeia no próprio ato de ligação à superfície do retículo endoplasmático.
Um segundo aspecto da função da região amino terminal pode ser facilitar a penetração ao retículo endoplasmático como primeiro passo na extrusão da cadeia nascente nas cisternas do mesmo.
Os polissomas que sintetizam colágeno são de tamanho pequeno e, portanto, parece mais provável que o m-RNA que sintetiza o colágeno tenha uma mensagem monocistrônica (que codifica apenas uma proteína).
Modificações pós-ribossômicas
Os esqueletos peptídicos de cadeia de pró-colágeno estão ligados entre si como dirigido pelos códigos dos m-RNAs específicos.
Ocorrem, então, extensas modificações nas cadeias polipeptídicas que têm sido consideradas eventos pós-ribossômicos.
No entanto, esta pode muito bem ser uma noção equivocada em que a hidroxilação da prolina, por exemplo, pode ocorrer em cadeias ainda em processo ativo de alongamento.
O termo pós-ribossômico utilizado aqui, é para descrever a série de eventos mediados por enzimas necessários para a formação de colágeno, mas que estão sob influência genética indireta, ao contrário da ordenação específica dos aminoácidos em cadeias polipeptídicas específicas.
O estudo pioneiro do metabolismo mostrou que a prolina marcada não resultou na hidroxiprolina marcada. Ao mesmo tempo, demonstraram que a hidroxiprolina livre não foi incorporada diretamente ao colágeno.
Estudos semelhantes após a incorporação de lisina mostraram que a hidroxilisina não é incorporada diretamente no colágeno. Em ambos os casos, os resíduos precursores de prolina e lisina foram acionados e hidroxilados após sua montagem em sequências de cadeia polipeptídica.
Muitas reações biológicas de hidroxilação são observadas, mas, como de costume, com o colágeno, este conjunto de reações têm algumas características incomuns.
Estudos bem-sucedidos mostraram que são cofatores necessários para a hidroxilação natural do colágeno: oxigênio molecular, íons ferrosos, a-cetoglutarato e ácido ascórbico.
O a-cetoglutarato está diretamente envolvido na reação. A produção de 1 mol de hidroxiprolina envolve a conversão estequiométrica de 1 mol de a-cetoglutarato em quantidades equimolares de succinato e CO2.
Uma forma mais conveniente de modular a reação de hidroxilação do que recorrer à anóxia ou condições anaeróbicas é a remoção do íon ferroso.
O quelante de ferro a-dipiridil é o meio mais comumente usado para a inibição da hidroxilação. Os primeiros estudos de mostraram que quando a hidroxilação era inibida, a secreção de colágeno era também inibida. Houve um acúmulo concomitante de um material não hidroxilado, chamado pró-colágeno, dentro das células. Quando mais íons ferrosos foram adicionado a essas células, o pró-colágeno pré-formado foi hidroxilado e secretado como colágeno.
Além disso, o pró-colágeno, extraído de cultura com inibição de hidroxilação por a-dipiridil, quando secretado, tem o mesmo peso molecular das cadeias a de colágeno. Por isso, a inibição da hidroxilação não afeta o alongamento da cadeia polipeptídica ou a liberação da cadeia nascente dos ribossomos.
Natureza da Enzima Hidroxilante
Os peptídeos receberam os nomes triviais protocolágeno prolina hidroxilase ou peptidil prolina hidroxilase, ambos abreviados como PPH.
A PPH, portanto, parece ser um oligômero com peso molecular de cerca de 230.000 e consistindo em dois idênticos protômeros. Os protômeros PPH, por sua vez, são compostos por duas subunidades não idênticas.
Apenas a PPH intacta apresenta uma elevada atividade de hidroxilação da prolina. O dímero é ligeiramente ativo e o monômero é completamente inativo.
Os dímeros das subunidades parecem ser pares em forma de V das hastes de monômero. A enzima completa é construída a partir de pares interligados de dímeros em forma de V.
Uma nova linha de estudos observou que os fibroblastos produziam uma forma inativa de PPH. Durante a fase logarítmica inicial do crescimento, essas células sintetizaram um componente semelhante ao colágeno, mas rico em prolina, e nenhuma quantidade apreciável de hidroxiprolina ligada ao peptídeo. No entanto, os ricos em prolina foram prontamente utilizados como substrato por PPH isolada de outras fontes. Quando as células atingiram a fase estacionária inicial, elas começaram a produzir hidroxiprolina ligada a peptídeos ao invés do substrato semelhante a colágeno rico em prolina.
Além disso, a atividade da PPH foi detectável na cultura. A concentração celular foi importante para estimular o aparecimento da atividade da PPH. Em geral, maior concentração ou aglomeração celular estimularam a ativação da PPH. Não foram necessárias nova síntese de m-RNA ou novo precursor inativo para a ativação da PPH.
Outro estudo utilizou a reatividade cruzada imunológica como uma sonda para a presença de um precursor inativo. Os anticorpos foram preparados para uma PPH parcialmente purificada e verificados quanto à especificidade contra PPH altamente purificada usando imunodifusão e técnicas de imunoeletroforese. Não houve reatividade para outras enzimas.
Usando este anti-soro específico, uma proteína de reação cruzada para PPH pode ser demonstrada no lisado de células cultivadas nas fases iniciais de crescimento muitas horas antes que a atividade da PPH pudesse ser detectada.
A medição da quantidade de proteína de reação cruzada durante todo o período de cultura demonstrou que permaneceu constante mesmo após o aparecimento de atividade enzimática. A proteína de reação cruzada também foi capaz de bloquear locais de ligação de anticorpos para PPH. Na verdade, a enzima pode ser deslocada do anticorpo por excesso de proteínas de reação cruzada.
Todos estes dados argumentam a favor da hipótese de que a PPH é produzida pela primeira vez em uma forma precursora inativa e que o processo de ativação é um meio de controle da atividade da PPH.
Os mecanismos pelos quais o aumento da densidade celular ou o aumento da concentração de lactato estimulam a atividade da PPH em cultura celular é desconhecida. Foi demonstrado que o lactato não tem efeito direto sobre a enzima em ensaios in vitro na ausência de células inteiras.
O ácido ascórbico, que estimula a síntese de hidroxiprolina ligada a peptídeos também funciona diretamente para ativar PPH in vitro.
Utilizando células inteiras em cultura, descobriu-se que a adição de ácido ascórbico ao meio de cultura estimulou a atividade da PPH dentro de 1 hora, mesmo quando inibidores da síntese de proteínas e RNA foram adicionados antes da adição do ácido ascórbico. Além disso, o ácido ascórbico estimulou PPH em células da fase log inicial onde não há atividade normalmente detectável. A forma sigmóide de um gráfico de atividade PPH versus concentração de ácido ascórbico sugere fortemente alguma cooperação do ácido ascórbico, possivelmente relacionada com a montagem do oligômero ativo dos protômeros (unidade estrutural de uma proteína oligomérica – a menor unidade composta de pelo menos duas cadeias de proteínas diferentes ).
Outra forte indicação de que uma das funções do ácido ascórbico pode ser facilitar a montagem dos protômeros foi o fato de que a atividade da PPH foi destruída e apenas a reação cruzada da proteína estava presente, quando as células foram incubadas com ditiotrietol (DTT) antes da lise e fracionamento. Incubação adicional com ácido ascórbico, na presença de cicloheximida, restaura a atividade da PPH.
O DTT (tal como o mercaptoetanol) pode reduzir o tamanho da PPH em cerca de metade. Assim, além de seu papel como cofator na reação de hidroxilação, parece que o ácido ascórbico desempenha um segundo papel na ativação da PPH, favorecendo agregação dos protômeros na forma oligomérica ativa.
A estrutura de subunidades da PPH e o fato de que é composta por dois tipos separados de subunidades sugerem que esta enzima pode ser suscetível a regulação por interações de ligantes ou cofatores.
Há evidências de que o Fe+l está ligado em dois locais diferentes na PPH.
Um Fe+2 está fortemente ligado ao sítio catalítico da enzima onde também são encontrados o a-cetoglutarato e o substrato contendo prolina. O segundo Fe+2 forma um complexo com a enzima em algum outro sítio e parece estar envolvido em gerar o superóxido a partir de 02. O superóxido é então transferido para o sítio ativo ou catalítico. É sugerido que o ácido ascórbico atua no sítio não catalítico na produção de superóxido e transporte.
Papel fisiológico da hidroxilação
A hidroxilação tem um efeito profundo em muitos aspectos do sistema sintético de colágeno, embora a inibição da hidroxilação não pareça ter efeito no alongamento da cadeia polipeptídica ou na liberação de cadeias nascentes dos ribossomos.
Estudos indicam que na ausência da hidroxilação a secreção de colágeno é drasticamente inibida, concluindo-se que a hidroxilação é um evento essencial para a secreção do colágeno. Esta proposta é confirmada por estudo em que células com inibição de hidroxilação secretam pró-colágeno em uma taxa de 27% da secreção habitual de uma célula normal.
A secreção de colágeno formado dentro da célula antes da inibição da hidroxilação não é inibida. Assim, o acúmulo de pró-colágeno dentro da célula parece ser devido diretamente ao estado sub-hidroxilado do material recém-sintetizado.
O mecanismo de secreção está intacto. O pró-colágeno sub-hidroxilado é retido dentro da célula em um estado não degradado durante pelo menos 12 horas de inibição em fibroblastos da pele humana. As moléculas de pró-colágeno acumuladas são extrudadas quando o sistema de hidroxilação é restaurado à atividade.
Embora o mecanismo pelo qual a-dipiridil inibe a hidroxilação da prolina possa ser prontamente compreendido em termos da abstração de Fe da HPP, não está tão claro por que a deficiência de ácido ascórbico também leva à inibição da hidroxilação. Foi demonstrado que o ascorbato atua como um doador de elétrons na hidroxilação. Nessa capacidade, não é um cofator específico e pode ser substituído por uma série de outros agentes redutores.
Além do efeito já mencionado do ascorbato na ativação intracelular da PPH, foi comprovado que uma deficiência de ácido ascórbico na cultura celular leva à síntese de uma cadeia polipeptídica pobre em hidroxiprolina.
Enquanto o a-dipiridil inibe a hidroxilação e menos de 0,3% da prolina do pró-colágeno produzido é hidroxilada, as células deficientes em ascorbato ainda realizam 10 a 20% do nível normal de hidroxilação.
Poderíamos explicar a falta de inibição completa da hidroxilação da prolina tanto pela presença de algum nível de ácido ascórbico no soro utilizado para a cultura de células do estudo ou pela presença de algum outro agente redutor no meio de cultura.
O nível de ácido ascórbico para estimulação parcial da hidroxilação é 5 pg/ml.
Assim, a síntese de cadeias de colágeno parcialmente hidroxiladas em culturas deficientes em ascorbato podem refletir a relativa inespecificidade do ácido ascórbico como cofator doador de elétrons.
É evidente que a hidroxilação pós-transcricional da prolina tem um importante papel fisiológico diretamente relacionado com a regulação da secreção de colágeno. Quanto mais a hidroxilação é inibida, mais pró-colágeno se acumula dentro da célula, não sendo excretado para o meio extracelular.
O efeito dos análogos da prolina no colágeno
Vários estudos nos quais análogos da prolina que são incapazes de hidroxilação foram adicionados às células ou tecidos foram realizados. Esses estudos tiveram sucesso limitado lançando luz sobre os requisitos de hidroxilação necessária para a secreção da molécula de colágeno.
Parece que colágenos contendo análogos da prolina são secretados a uma taxa mais lenta do que o normal. Isto se correlaciona com a observação de que esses colágenos podem não ser tão estáveis quanto o colágeno hidroxilado ou podem, nem mesmo, formar a tripla hélice.
O papel fisiológico da hidroxilação da prolina parece, portanto, estar diretamente ligada ao processo de secreção de colágeno recém-formado pelas células que o fabricam.
A presença de hidroxiprolina por si só não parece, no entanto, o fator direto envolvido. Ao invés disso, parece que a secreção do colágeno está mais diretamente relacionada com o caráter de tripla hélice da molécula; isto é, naqueles casos em que a hidroxilação da prolina é inibida por a-dipiridil, por deficiência de ácido ascórbico, ou por restrição do teor de O2, ou nos casos onde a hidroxilação é bloqueada pela incorporação dos análogos da prolina, o colágeno sub-hidroxilado intracelular permanece na forma de hélice não tripla, em condições de cultura. Nesta forma, a taxa de secreção é severamente reduzida.
Requisitos de substrato do Pró-colágeno
Todos os colágenos requerem uma glicina ou algum resíduo com uma liberdade conformacional comparativamente grande na posição seguinte ao resíduo de prolina a ser hidroxilado.
Durante a biossíntese do colágeno, um certo comprimento de cadeia é provavelmente necessário antes que a enzima reconheça a cadeia nascente de pró-colágeno como substrato.
Não se sabe quantos resíduos de uma cadeia de pró-colágeno devam ser sintetizados antes que a PPH comece a agir.
Foi demonstrado que o pró-colágeno está na forma desnaturada. Forma-se à temperatura do tecido e não se torna tripla-helicoidal até que a hidroxilação ocorra.
Estudos das sequências de peptídeos de colágeno mostraram o interessante resultado de que nem toda prolina na terceira posição de um tripleto é hidroxilado na mesma extensão em cada molécula.
Há na verdade, uma microheterogeneidade embutida em relação à hidroxilação. Uma causa desta microheterogeneidade pode ser o fato de que a hidroxilação, na verdade, é interrompida pela formação de dobras de colágeno.
O papel fisiológico da hidroxilação pode ser visto da seguinte maneira: primeiro, a extensão da hidroxilação está claramente relacionado com a estabilidade das hélices triplas do colágeno e o grau de hidroxilação corresponde à temperatura ambiente que o animal deve encontrar. Peixes de água fria têm baixos graus de hidroxilação.
Animais de sangue quente que vivem em temperaturas ambientais elevadas apresentam graus mais elevados de hidroxilação e estabilidades de tripla hélice de colágeno comparativamente mais altas. Em segundo lugar, o grau de hidroxilação está novamente relacionado com a temperatura ambiente do ponto de vista de que a formação de hélice tripla parece ser necessária para a secreção de colágeno das células.
Alguém pode especular que as nascentes cadeias de pró-colágeno em suas formas desordenadas continuam a ser hidroxiladas até o grau de hidroxilação atingir um nível, dependendo da temperatura das células, no qual ocorrerá a formação de hélice tripla. A hidroxilação então cessa e o colágeno está pronto para entrar nos estágios posteriores de secreção.
Localização intracelular de PPH
Se a peptidil prolina hidroxilase atuar melhor em cadeias nascentes de pró-colágeno desordenadas, então parece que intracelularmente o local de ação da HPP deve estar intimamente relacionada com a proteína do aparelho sintetizador na célula.
Como discutido a maior parte da atividade de síntese de colágeno nos fibroblastos está localizada dentro de polissomos ligados à membrana do retículo endoplasmático.
Cadeias de colágeno ainda ligados a polissomas demonstraram possuir um pouco de hidroxiprolina. Foi demonstrado em polirribossomos isolados do tecido conjuntivo do embrião de galinha que a membrana reticular plasmática mantém a capacidade de sintetizar hidroxiprolina. Esta e outras evidências semelhantes demonstram que a enzima PPH ou está ligada á membrana do retículo endoplasmático ou está intimamente associada a ele.
Dados de outro estudo sugerem que uma considerável quantidade de hidroxilação deve ocorrer antes da cadeia polipeptídica estar completa. Mais estudos sugerem que à medida que as cadeias nascentes são extrudadas nas cisternas do retículo endoplasmático, a enzima é posicionada de modo que possa ver as cadeias polipeptídicas nascentes, separadas e desordenadas, e que a hidroxilação começa quase imediatamente.
Peptidil Lisina Hidroxilase
Inicialmente pensava-se que apenas uma enzima participasse da hidroxilação de ambos os resíduos prolil e lisil depois de terem sido ligados em ligações peptídicas na cadeia nascente de colágeno.
No entanto, duas enzimas foram separadas cromatograficamente. A purificação é suficientemente boa para que toda a atividade da peptidil lisina hidroxilase possa ser separada de resíduos de atividade da peptidil prolina hidroxilase.
Mesmo antes de a enzima ser altamente purificada, sabia-se que os mesmos cofatores, íon ferroso, a-cetoglutarato, ácido ascórbico e oxigênio molecular, estavam todos envolvidos na hidroxilação de resíduos de prolina e lisina.
Na reação de hidroxilação da lisina, um átomo de oxigênio é incorporado na posição C5 da molécula formando a hidroxilisina, enquanto outro átomo de oxigênio é transferido para o grupo carboxila do succinato formado durante a descarboxilação do a-cetoglutarato.
Isso explica o papel de cofator do a-cetoglutarato.
A lisina hidroxilada está na mesma posição número três do colágeno tripleto assim como a prolina que é hidroxilada. Neste caso, no entanto, os resíduos vizinhos têm um efeito marcante na facilitação da hidroxilação. O resíduo imediatamente anterior à lisina a ser hidroxilada sempre contém uma substância hidrofóbica volumosa do grupo da fenilalanina, isoleucina ou metionina.
Resíduos de lisina ocorrem apenas duas vezes na posição três e ambos os tempos com a mesma sequência GLY-ALA-LYS-GLY.
Assim, no caso da peptidil lisina hidroxilase, a especificidade da sequência parece ser mais crítica do que o comprimento da cadeia.
Tal como no caso da PPH, a peptidil lisina hidroxilase não atua sobre o colágeno no estado de tripla hélice com a mesma facilidade com que hidroxila peptídeo de colágeno desnaturado.
Nada é conhecido sobre a localização intracelular da enzima. No entanto, a descoberta de que a peptidil lisina hidroxilase não irá hidroxilar ainda mais colágeno nativo sugere fortemente que a hidroxilação deve ocorrer antes da formação da hélice.
A lisina hidroxilase deve agir aproximadamente na mesma posição, tanto em termos de localização quanto em termos de tempo, como a peptidil prolina hidroxilase, e isso a coloca como a PPH, ligada à membrana da cisterna do retículo endoplasmático.
Tem sido difícil separar os efeitos da hidroxilação da prolina e da lisina e seu papel na secreção do colágeno completo. Quando a prolil hidroxilase é inibida experimentalmente, a lisil hidroxilase também é inibida devido à semelhança em seus cofatores requeridos.
A hidroxilisina e seus derivados glicosilados também são uma condição necessária para a normal extrusão da molécula de colágeno. Nesse caso, não há evidências de que a hidroxilisina ou suas glicosilações subsequentes têm qualquer efeito na formação de hélice tripla, de modo que os dois efeitos da formação de hidroxilisina e da formação de hélice tripla via a hidroxilação da prolina representa requisitos separados para secreção.
O ácido ascórbico não parece ativar a peptidil lisina hidroxilase como faz com a peptidil prolina hidroxilase. Isso não descarta a possibilidade de que alguma outra molécula desempenhe tal função, mas nenhuma informação é disponível de que a peptidil lisina hidroxilase requeira ativação.
Glicosilação de resíduos de lisina
A etapa sintética final na conclusão da molécula do colágeno está na glicosilação de resíduos de hidroxilisina selecionados.
Obviamente, a glicosilação ocorre em algum momento após a hidroxilação inicial destes mesmos resíduos de lisina. Glicose e galactose são os únicos açúcares que foram encontrados ligados à hidroxilisina no colágeno de mamíferos.
No colágeno de mamíferos, os açúcares estão presentes como galactose ou glucosil galactose, e a ligação entre o colágeno e a galactose é a incomum a1 -+ 2-0-glicosídico bond, uma ligação resistente à maioria das glicosidases.
As enzimas uridina difosfato galactosil transferase e uridina difosfato glucosil transferase foram isolados de tecidos conjuntivos e essas enzimas são específicas. Ambas as enzimas requerem íon Md2.
Em contraste com a faixa bastante estreita de graus da hidroxilação da prolina e, na verdade, no conteúdo total de hidroxilisina na maioria colágenos intersticiais, há uma grande variação na extensão da glicosilação de colágenos de fontes diferentes. Os colágenos de invertebrados geralmente possuem quantidades relativamente grandes de carboidratos. Colágenos intersticiais de mamíferos, por outro lado, têm níveis muito baixos de glicosilação com apenas alguns resíduos de hidroxilisina modificados por cadeia. Os colágenos da membrana basal são altamente glicosilados, mas esses colágenos também contêm um teor muito alto de hidroxilisina em comparação com o colágeno intersticial. Em alguns casos, o dissacarídeo, glucosil galactose é encontrado. Em outros colágenos, apenas um resíduo de galactosil está ligado a uma hidroxilisina.
Há pouca informação, neste momento, para indicar a base para formação de mono ou dissacarídeos, embora a especificidade do tecido possa estar envolvida. As sequências dos peptídeos que contêm o dissacarídeo ligado à hidroxilisina foram determinadas e têm um grupo apolar volumoso precedendo a hidroxilisina e uma região básica seguindo na terceira posição do próximo trigêmeo.
A glicosilação é necessária para a extrusão normal de colágeno. Por outro lado, o tempo de secreção de um colágeno específico parece estar relacionado com a quantidade de glicosilação que acontece. Colágenos intersticiais, com grau de glicosilação relativamente baixo, são secretados das células cerca de 20 minutos após a conclusão das cadeias nascentes. Na membrana basal, colágenos com grau muito mais alto de glicosilação são secretados mais lentamente, aproximando-se de uma hora ou mais.
Não há informações sobre se a glicosilação ocorre em cadeias separadas e desordenadas ou na molécula de colágeno tripla helicoidal totalmente montada. Parece, no entanto, que a glicosilação ocorre bastante rapidamente após a formação de hidroxilisina, e isso pode significar que a glicosilação ocorreria em cadeias nascentes e desordenadas.
Caracterização do Pró-colágeno
Não é possível apresentar uma descrição definitiva do pró-colágeno. Uma importante razão para esta incerteza reside na dificuldade de se isolar uma preparação verdadeiramente homogênea de colágeno.
A microheterogeneidade química de um colágeno específico foi observado nas discussões anteriores.
Parece que a maioria dos tecidos fabrica mais de uma forma de colágeno, isto é, colágenos que diferem na composição da cadeia. Cada um desses colágenos, no caso de uma população mista, deve passar pela conversão de pró-colágeno em colágeno, multiplicando o número de intermediários potenciais que podem ser encontrados.
Apesar de todas essas complexidades e do grande número de componentes possíveis, foi obtida uma visão sobre a natureza das moléculas de pró-colágeno e sua composição e construção.
A evidência experimental da existência de um precursor do colágeno, o pró-colágeno, veio de estudos de radiomarcação destinados a acompanhar a biossíntese de colágeno em cultura de fibroblastos isolados e ossos embrionários.
Os pró-colágenos geralmente eram reconhecidos pela coleta de contagens de radioatividade, e não havia material suficiente disponível para extensa caracterização bioquímica ou determinação confiável do conteúdo de aminoácidos.
Uma enzima, a pró-colágeno peptidase, existe em tecidos normais. Esta enzima cliva a porção extra-hélica do pró-colágeno, deixando a molécula de colágeno helicoidal intacta com apenas uma pequena região NH2 terminal não helicoidal.
Outros pró-colágenos foram encontrados em tecidos especializados nos quais as moléculas de colágeno diferem tanto em tamanho quanto em aminoácidos.
O pró-colágeno da membrana basal sintetizado pelo cristalino embrionário de pintinhos foi extensivamente estudado. As cadeias dos colágenos de membrana são mais elevadas em peso molecular do que as cadeias de colágenos intersticiais e contêm consideravelmente mais 3-hidroxiprolina e um conteúdo muito maior de hidroxilisina e resíduos de hidroxilisina glicosilados. O pró-colágeno das membranas basais também é consideravelmente maior que o pró-colágeno intersticial.
O tempo necessário para síntese e secreção do pró-colágeno da membrana basal também é mais longo, 1 hora, embora não haja uma explicação simples para esse período de atraso. Inicialmente foi pensado que a etapa de glicosilação pós-sintética pode estar na raiz do atraso na secreção.
No entanto, foi demonstrado que a glicosilação ocorreu logo após a síntese e pelo menos uma meia hora antes da secreção final.
O pró-colágeno da membrana parece prosseguir da mesma forma que o pró-colágeno intersticial.
Formação de ligação dissulfeto
Um dos postulados fundamentais de Speakman foi que o propeptídeo extra-hélice na região amino terminal das cadeias a serviu para registrar os peptídeos recém-sintetizados em seus devidos alinhamento.
Pode-se considerar interações iônicas, ligações de hidrogênio, ligações hidrofóbicas e formação de ligações dissulfeto como bases potenciais para ordenação das cadeias.
Logo, evidências da existência de cisteína no pró-colágeno levaram à especulação de que este último, através da formação de ligações dissulfeto, poderia ser o principal mecanismo de registro, uma vez que este aminoácido não ocorre na porção tripla-hélice da molécula de colágeno.
A quantidade de cisteína nas cadeias de pró-colágeno (pró-crl- e pró-cr2) ainda é uma questão não resolvida.
O pró-colágeno isolado de células cultivadas (intracelular e de meio) parece se adequar melhor ao dado disponível. As células sintetizam cadeias de pró-colágeno nas quais os resíduos de cisteína não são todos à mesma distância do terminal amino em ambas as cadeias. A cisteína em uma das cadeias está mais proximal ao amino terminal. Durante a montagem intracelular, formam-se ligações dissulfeto ligando todas as três cadeias. Além disso, ocorre a formação de hélices.
Acredita-se que a molécula seja secretada na forma de tripla hélice com ligação dissulfeto. Duas ou mais proteases extracelulares então processam sequencialmente a molécula. A primeira peptidase cliva um segmento proximal ao terminal amino que contém a ligação dissulfeto ligando duas cadeias de pró-colágeno. No entanto, outras duas cadeias ainda estão ligadas por outra ligação dissulfeto. Outra peptidase ou a mesma enzima agindo sequencialmente então cliva o pró-peptídeo restante do pró-colágeno modificado, deixando apenas o segmento helicoidal e seus telopeptídeos vizinhos mais próximos. Assim, a ligação dissulfeto que liga as cadeias é perdida.
Localização da formação de ligações dissulfeto e conjunto de tripla hélice
O pró-colágeno secretado está ligado por ligações dissulfeto, mas aproximadamente 20 a 30% existem em uma hélice tripla sem ligações dissulfeto. Por outro lado, o pró-colágeno intracelular é ligado por ligações dissulfeto e parece que os processos de ligação dissulfeto e montagem de hélice tripla são intracelulares, paralelamente um ao outro.
Há evidências de que esses dois processos não ocorreram até as cadeias sejam liberadas dos ribossomos.
Enquanto a ligação dissulfeto pode ser necessária para a formação da hélice, a formação de hélice não é um pré-requisito para a formação de ligação dissulfeto.
A formação de ligações dissulfeto não ocorre com o polissomo nascente ligado aos polipeptídeos.
As cadeias pró são lançadas nas cisternas do retículo endoplasmático rugoso onde começa a ligação dissulfeto. No momento em que a molécula de pró-colágeno atinge o próximo estágio, tendo sido transportado para o retículo endoplasmático liso, o processo de ligação dissulfeto foi concluído.
Há forte indicação de que tanto a formação da ligação dissulfeto quanto a montagem da hélice tripla ocorrem após a liberação das cadeias do ribossomo e provavelmente dentro das cisternas do retículo endoplasmático.
Não se pode afirmar com exatidão o momento em que ocorre a glicosilação em relação aos eventos da síntese de hidroxilisina ligada a peptídeos, para a liberação de pró-cadeias dos ribossomos, para a entrada dessas cadeias nas cisternas do retículo endoplasmático, para ligação dissulfeto, montagem de hélice tripla ou secreção da célula.
A glicosilação pode ocorrer em qualquer tempo após a síntese de hidroxilisina ou até durante o movimento da molécula de procolágeno helicoidal do retículo endoplasmático rugoso para o liso.
Se o glucosil e o galactosil transferases que utilizam hidroxilisina ligada a peptídeos como substratos são de todo análogas às enzimas que glicosilam outras glicoproteínas, eles provavelmente existem dentro dos limites do retículo endoplasmático.
Além disso, uma vez que existe alguma evidência de que a prolil hidroxilase atua apenas nas cadeias de pró-colágeno desdobradas e não na tripla hélice, é provável que a glicosilação possa ocorrer antes da formação da hélice.
Isso é, no entanto, apenas especulação, uma vez que não há evidências disponíveis para localizar as enzimas intracelularmente ou para determinar cineticamente o tempo de glicosilação além dos experimentos relacionados às membranas basais, nos quais descobriram que a glicosilação ocorre em um estágio inicial muito antes de a molécula ser secretada pelas células.
Embalagem intracelular
Em todos os aspectos, exceto talvez pela glicosilação do pró-colágeno, podemos considerar que a molécula de pró-colágeno está totalmente montada e em sua conformação nativa no momento em que deixa as cisternas do retículo endoplasmático e começa seu trânsito na célula.
Várias rotas intracelulares de secreção foram postuladas. A primeira, sugeriu que o colágeno era transportado do retículo endoplasmático ao Golgi, região, onde se formaram vacúolos secretores, movendo o colágeno ligado à membrana para a superfície da membrana plasmática onde ocorre exocitose, pela fusão das vesículas com a membrana plasmática.
Esta forma de secreção merócrina (secreção eliminada sem que haja perda do citoplasma da célula secretora) via Complexo de Golgi é semelhante ao da secreção de outras glicoproteínas.
A segunda, sugeriu que o pró-colágeno poderia passar diretamente das cisternas do retículo endoplasmático rugoso para a superfície celular por uma fusão intermitente da membrana da cisterna com a membrana plasmática ou por pequenas vesículas que surgem das cisternas, contornando o sistema de Golgi inteiramente.
Transporte dos Grânulos Secretores
Os microtúbulos são estruturas intracelulares e parecem estar envolvidos na secreção de material contido em muitos tipos de vacúolos e grânulos.
A via secretora que envolve sáculos secretores ligados à membrana relacionados ao Golgi sugere que os microtúbulos também podem estar envolvidos na sua secreção. Na verdade, quando as células ou tecidos inteiros são incubados com drogas perturbadoras dos microtúbulos, a secreção de pró-colágeno fica prejudicada.
A observação é de que os microtúbulos parecem ser envolvidos na secreção de pró-colágeno e a função seria ser um conduto de transporte ao longo do qual as vesículas secretoras se movem de seu local de biogênese dentro do aparelho de Golgi para sua eventual fusão com a membrana plasmática e despejo de seu conteúdo para fora da célula.
As vesículas secretoras não conseguem atravessar a célula e a secreção é inibida quando o sistema de transporte microtubular é interrompido.
Regulação da biossíntese de colágeno
Muito pouco se sabe sobre os mecanismos pelos quais a síntese e o transporte de colágeno são controlados. As questões relevantes que podem ser observadas são as seguintes: 1) a biossíntese de colágeno é sob algum tipo de controle hormonal; 2) o que direciona os fibroblastos ou qualquer um dos sintetizadores de colágeno para iniciar a síntese das moléculas de m-RNA; 3) qual código para pró-colágeno; 4) Que fatores determinam a taxa de produção do pró-colágeno; 5) é o mecanismo de controle no nível da transcrição ou tradução; 6) existe um mecanismo de feedback que interrompe ou pelo menos diminui a taxa de biossíntese de colágeno; 7) esse controle está no nível da formação da fibrila; 8) a porção pró-peptídeo do pró-colageno após a clivagem da molécula após a exocitose participa da regulação sintética?
O controle hormonal é uma área de regulação da biossíntese de colágeno em que alguns dados são disponíveis, embora estes dados sejam escassos e um tanto em conflito.
Com uma quantidade considerável de conexões ao tecido, pode-se considerar que os hormônios que promovem crescimento podem aumentar a síntese de colágeno.
Serotonina e estradiol também têm um efeito no metabolismo do colágeno. A serotonina aumenta a síntese de colágeno, mas de maneira inespecífica devido a um aumento no RNA ribossômico 30 S e na síntese de t-RNA.
Os efeitos do estradiol são específicos do tecido. No tendão, fásquia e aorta, o estradiol causou diminuição da atividade específica da hidroxiprolina radiomarcada isolada após administração de prolina radiomarcada.
Os efeitos da insulina no metabolismo do colágeno ósseo foram examinados recentemente usando órgãos e o modo de ação incluiria uma diminuição da degradação do colágeno.
Muitos outros estudos que tratam de uma forma mais geral a maneira com que o tratamento hormonal influencia a cicatrização de feridas ou involução do útero levam à conclusão de que vários hormônios têm um efeito na biossíntese e remodelação do colágeno, mas não está claro se isso é um controle especificamente direcionado ao sistema de colágeno.
Conversão extracelular de pró-colágeno em colágeno e a formação do sistema de fibras
Quando os grânulos secretores contendo colágeno fundem-se com a membrana celular e derramam seus conteúdos para o espaço extracelular, o colágeno ainda está na forma não degradada precursor, pró-colágeno. Micrografias eletrônicas mostram que nesta fase o pró-colágeno é organizado em pacotes e dispostos de forma antiparalela.
Parece que no pacote os segmentos de pró-peptídeo estão alinhados ao longo do centro do pacote. Portanto, o arranjo de embalagem nos feixes maiores é tal que as regiões amino terminais estão todas orientadas para o centro.
Regiões terminais carboxila apontam em direções opostas em ambos os lados da banda central.
No odontoblasto, o primeiro passo na formação da fibra extracelular e sistemas de fibrilas é, portanto, a dissolução desses feixes de moléculas de colágeno antiparalelas e a conversão e reorganização num alinhamento paralelo. Esta é talvez a fase em que a enzima pró-colágeno peptidase faz sua principal clivagem e serve para a liberação de moléculas individuais do estado agregado na secreção.
O acúmulo de uma forma parcialmente degradada de colágeno na camada celular sugere que o primeiro estágio da pró-colágeno peptidase está localizada na membrana da célula.
O pró-colágeno completo, obtido de células dermatoespáticas não forma fibras facilmente. O pró-peptídeo intacto parece, portanto, inibir a fibrilação.
Após a conversão do pró-colágeno em colágeno h, formam-se fibrilas.
Se o segmento h-pró-peptídeo facilita a formação de fibrilas, então é lógico supor que a etapa final na conversão enzimática em colágeno ocorre após a formação de microfibrilas.
Isto, por sua vez, implica que as regiões finais suscetíveis a enzimas devem ser prontamente acessíveis na superfície da microfibrila ou, alternativamente, que a enzima esteja ligada diretamente às fibrilas.
As regiões terminais da molécula de colágeno, como no colágeno h ou no colágeno, são muito importantes no estabelecimento de contatos intermoleculares que levam à formação de fibrilas.
Embora as moléculas de colágeno aparado tanto quanto possível por enzimas para deixar apenas a seção de tripla hélice ainda forma fibrilas com a periodicidade nativa, as condições para a formação da fibrila in vitro deve ser bastante alterada.
Assim, embora as interações iônicas e hidrofóbicas sejam suficientes para ordenar segmentos helicoidais de colágeno na matriz de um quarto de escalonamento, a região final fornece alguns potenciais de interação específicos para registro de moléculas sobrepostas nas extremidades necessárias para a formação de microfibrilas.
Após a formação e estabilização da forma fibrosa, a pró-colágeno peptidase finalmente pode atuar para remover a região final não colágena remanescente.
Deste ponto de vista, os segmentos não helicoidais de colágeno devem ser considerados como tendo uma função extracelular e também intracelular – um registro de fibrila extracelular, bem como registro da cadeia intracelular e funções de transporte.
A importância da Vitamina C na produção do Colágeno
O ácido ascórbico (vitamina C) é essencial para a ativação da enzima prolil hidroxilase que promove a etapa hidroxilativa da formação da hidroxiprolina, constituinte integral do colágeno. Sem o ácido ascórbico, as fibras colágenas formadas em todos os tecidos corporais, são defeituosas e fracas. Por conseguinte, essa vitamina é essencial para o crescimento e para a força das fibras no tecido em que se encontra, seja o subcutâneo ou a cartilagem, ossos e dentes (Hall, 2011).
A deficiência do ácido ascórbico, segundo Hall (2011), por 20 a 30 semanas, que ocorria frequentemente durante as longas viagens marítimas do passado, provoca o escorbuto. Um dos efeitos mais importantes do escorbuto é a incapacidade de cicatrização das feridas. Isso é provocado pela deficiência das células em depositar fibrilas colágenas e substâncias que servem de cimento intercelular. Como resultado, a cicatrização de ferimento pode exigir várias semanas, em vez de alguns dias, normalmente necessários.
Nelson & Cox (2014) também afirmam que a vitamina C é necessária, dentre outras coisas, para a hidroxilação da prolina e da lisina no colágeno. A escassez desta vitamina leva ao desenvolvimento de uma doença chamada escorbuto, caracterizada pela degeneração do tecido conectivo. Sua manifestação em estágio avançado inclui inúmeras pequenas hemorragias causadas por vasos sanguíneos frágeis, perda dos dentes, difícil cicatrização de feridas e reabertura de feridas antigas, dor e degeneração dos ossos, e, no final, falência cardíaca. Casos mais brandos de deficiência de vitamina C são acompanhados de fadiga, irritabilidade e aumento da gravidade das infecções do trato respiratório.
A maioria dos mamíferos, incluindo camundongos, sintetiza ácido ascórbico a partir da glicose, mas os humanos e outros primatas não são capazes de sintetizar ácido ascórbico devido à falta do gene que codifica a enzima é necessária para a última etapa da síntese de ácido ascórbico a partir de glicose. Além disso, a molécula primária não pode ser completamente reduzida a ácido ascórbico em humanos. Assim, os humanos precisam absorver o ácido ascórbico da dieta através de um transportador especializado para manter níveis adequados no corpo (Bürzle & Hediger, 2012).
Nelson & Cox (2014) explicam que o colágeno é formado por unidades repetidas de tripeptídeos Gly-X-Y, dos quais X e Y em geral são Pro e 4-Hyp, que têm um papel importante no entrelaçamento das fibras do colágeno e na manutenção de sua estrutura. A estrutura da hélice de colágeno necessita de resíduos de Pro na posição Y para estar na conformação Cg-exo, sendo essa conformação favorecida pela substituição do hidroxil no C-4 da 4-Hyp. A estrutura de colágeno também requer que o resíduo Pro na posição X tenha uma conformação Cg-endo, e a introdução da 4-Hyp nessa posição pode desestabilizar a hélice.
Na ausência de vitamina C, as células não conseguem hidroxilar a Pro da posição Y. Isso leva a uma instabilidade do colágeno e aos problemas no tecido conectivo observados no escorbuto (Nelson & Cox, 2014).
A hidroxilação de resíduos específicos de Pro no pró-colágeno, o precursor do colágeno, requer a ação da enzima prolil 4-hidroxilase. Essa enzima apresenta-se como um tetrâmero a2b2 em todos os vertebrados. A atividade de hidroxilação da prolina está nas subunidades a. Cada subunidade a contém um átomo de ferro não hemínico, e a enzima faz parte de uma classe de hidroxilases que necessitam de a-cetoglutarato em suas reações. Em uma reação normal da prolil-4-hidroxilase, uma molécula de a-cetoglutarato e uma de O2 se ligam à enzima. O a-cetoglutarato é oxidativamente decarboxilado para formar CO2 e succinato. O átomo de oxigênio remanescente é então usado para hidroxilar o resíduo de Pro apropriado no pró-colágeno (Nelson & Cox, 2014).
Nenhum ascorbato é necessário na reação acima descrita. Entretanto, a prolil-4-hidroxilase também catalisa uma decarboxilação oxidativa de a-cetoglutarato não acoplada à hidroxilação da prolina. Durante essa reação, o Fe21 do grupamento heme se oxida, inativando a enzima e impedindo a hidroxilação da prolina. O ascorbato consumido nessa reação é necessário para restaurar a atividade enzimática – pela redução do ferro do grupamento heme (Nelson & Cox, 2014).
O escorbuto permanece sendo um problema ainda hoje, não somente em regiões remotas onde os alimentos nutritivos são escassos, mas, surpreendentemente, nos campi de universidades americanas. Os únicos vegetais consumidos pelos estudantes são aqueles em saladas refogadas, e os dias passam sem que esses jovens consumam frutas frescas. Um estudo de 1998, com 230 estudantes da Arizona State University, revelou que 10% deles tinham sérias deficiências de vitamina C, e dois estudantes tinham níveis de vitamina C tão baixos que provavelmente tinham escorbuto. Somente metade dos estudantes nessa pesquisa consumia a quantidade diária recomendada de vitamina C (Nelson & Cox, 2014).
O empacotamento compacto das cadeias a na hélice tripla de colágeno garante uma resistência elástica maior do que aquela de uma barra de aço de mesma secção transversal. As fibrilas de colágeno são conjuntos de estruturas supramoleculares formados por triplas hélices de moléculas de colágeno (algumas vezes chamadas de moléculas de tropocolágeno) associadas em uma grande variedade de formas para garantir diferentes graus de resistência elástica. As cadeias a e as fibrilas das moléculas de colágeno são interligadas por tipos incomuns de ligações covalentes envolvendo Lys, HyLys (5-hidroxilisina), ou resíduos His presentes em algumas posições X e Y. Essas ligações criam resíduos de aminoácidos incomuns, como o desidro-hidroxilisinonorleucina. O caráter cada vez mais rígido e quebradiço do tecido conectivo envelhecido resulta do acúmulo de ligações covalentes transversais nas fibrilas de colágeno (Nelson & Cox, 2014).
Um mamífero tem mais de 30 variantes estruturais de colágeno, específicas para cada tecido e diferentes em sequência e função. Alguns defeitos genéticos na estrutura do colágeno em humanos ilustram a estreita relação entre a sequência de aminoácidos e a estrutura tridimensional nesta proteína. A osteogênese imperfeita é caracterizada pela formação anormal dos ossos em bebês; pelo menos oito variações dessa condição, em diferentes graus de severidade, ocorrem na população humana. A síndrome de Ehlers-Danlos é caracterizada por articulações soltas, e pelo menos seis variantes ocorrem em humanos. O compositor Niccolò Paganini (1782-1840) era famoso por sua destreza aparentemente impossível de tocar violino. Ele sofria de uma variante da síndrome Ehlers-Danlos que lhe rendeu efetivamente juntas duplas. Algumas variantes podem ser letais, outras causam problemas por toda vida. Todas as variantes de ambas as condições resultam da substituição de um resíduo de aminoácido com um grupo R volumoso (como Cys ou Ser) por um resíduo de Gly de uma cadeia a em uma ou outra proteína colágena (um resíduo Gly diferente é substituído em cada uma das doenças). Essas substituições de um único resíduo têm um efeito catastrófico na função do colágeno, pois interrompem a repetição de Gly-X-Y, que garante ao colágeno sua estrutura helicoidal única. Dada sua importância na hélice tripla do colágeno, a Gly não pode ser substituída por outro resíduo de aminoácido sem um efeito substancialmente deletério na estrutura do colágeno (Nelson & Cox, 2014).
O colágeno é uma molécula em forma de bastão, com cerca de 3.000 Å de comprimento e apenas 15 Å de largura. Suas três cadeias a helicoidais entrelaçadas podem ter sequências diferentes; cada cadeia tem aproximadamente 1.000 resíduos de aminoácidos. As fibrilas são feitas de moléculas de colágeno alinhadas de forma escalonada e com ligações cruzadas que garantem resistência. O alinhamento específico e o grau de ligações transversais variam com o tecido e formam estrias transversais características, vistas por microscopia eletrônica (Nelson & Cox, 2014).
Boyera, Galey & Bernard (1998) relatam que o papel crítico da vitamina C na saúde e na homeostase da pele é conhecido há décadas, desde a primeira descrição de escorbuto em marinheiros durante viagens trans oceânicas no início do século XVI. O escorbuto leva a gengivas flácidas, derme frágil e retardo no reparo de feridas na pele. Foi demonstrado que o escorbuto resulta da deficiência de vitamina C e foi revertido pela administração de vitamina C.
Estudos bioquímicos demonstraram que a vitamina C é um cofator para lisil e prolil hidroxilase, duas enzimas essenciais na biossíntese do colágeno que catalisam a hidroxilação da lisina e da prolina no polipeptídeo de colágeno e, essas modificações pós traducionais, permitem a formação e estabilização da tripla hélice de colágeno e sua subsequente secreção para o espaço extracelular como pró-colágeno (Boyera, Galey & Bernard, 1998).
O pró-colágeno é, então, transformado em tropocolágeno por excisão do pró-peptídeo e, finalmente, fibras de colágeno são formadas por rearranjo espacial espontâneo de moléculas de tropocolágeno (Boyera, Galey & Bernard, 1998).
A constituição de uma malha de colágeno maduro é obtida pela formação de ligações intermoleculares nas porções de hidroxilisina do tropocolágeno, por meio da lisil oxidase. Consequentemente, a hidroxilação do colágeno é uma etapa crítica na biossíntese do colágeno, pois orienta a formação da tripla hélice, excreção de pró-colágeno e reticulação de tropocolágeno (Boyera, Galey & Bernard, 1998).
Esta hidroxilação é alcançada por duas enzimas de ferro, lisil e prolil hidroxilase. A vitamina C age como cofator e evita a oxidação do ferro, protegendo essas enzimas contra a inativação. Por isso, a vitamina C promove a síntese de uma rede normal de colágeno maduro, mantendo as atividades ideais das enzimas lisil e prolil hidroxilase (Boyera, Galey & Bernard, 1998).
Portanto, atribui-se ao fornecimento adequado de vitamina C à pele o metabolismo normal do colágeno nos fibroblastos e a manutenção de uma matriz extracelular dérmica firme e tônica, contribuindo para a homeostase da pele (Boyera, Galey & Bernard, 1998).
Estas propriedades conferem à vitamina C um perfil interessante para o desenvolvimento de ações anti envelhecimento e estratégias anti rugas.
A importância do ferro na produção do Colágeno
Toxqui & Vaquero (2015) relatam que o ferro participa de uma variedade de sistemas enzimáticos no corpo, incluindo as enzimas envolvidas na síntese de colágeno.
Afirmam, ainda, que para a síntese de colágeno, primeiro é montada uma estrutura trançada tridimenional com os aminoácidos glicina e prolina como seus principais componentes. Isso ainda não é o colágeno, mas o seu precursor, o pró-colágeno. O pró-colágeno é, então, modificado pela adição de grupos hidroxila aos aminoácidos prolina e lisina, sendo, esta etapa, importante para a posterior glicosilação e formação da tripla hélice do colágeno.
Esta reação requer α-cetoglutarato, oxigênio molecular, ferro ferroso e um agente redutor. Então, a vitamina C reduz o estado Fe3+ inativo para Fe2+ ativo. Durante esta reação, o α-cetoglutarato é descarboxilado oxidativamente para prodizir succinato. Essas reações são catalisadas pelas enzimas prolil-4-hidroxilase e lisil hidroxilase (Toxqui & Vaquero, 2015).
A anemia é uma condição na qual a quantidade de células vermelhas ou sua capacidade de transportar oxigêno para os tecidos do corpo é insuficiente para atender às necessidades fisiológicas da pessoa (Toxqui & Vaquero, 2015).
A deficiência de ferro leva à forma mais comum de anemia e afeta entre 1,5 e 1,7 bilhões de pessoas, o que representa 24.8% da população mundial. Esta, ocorre quando as perdas ou necessidades de ferro excedem a absorção e, frequentemente, é multifatorial. Já é bem estabelecido que o baixo consumo de ferro e a baixa biodisponibilidade do ferro dietético são crucial no desenvolvimento da deficiência de ferro (Toxqui & Vaquero, 2015).
A biodidponibilidade do ferro não-heme, principal fonte de ferro da maioria das dietas (85% a 90% da ingestão) é afetada pela presença de vários componentes dietéticos. Enquanto a absorção do ferro é aumentada pelo consumo de carnes vermelhas, principalmente, e vitamina C, o ácido fítico, o cálcio e os polifenóis são os principais inibidores desta absorção (Toxqui & Vaquero, 2015).
A perda de sangue menstrual contribui para um balanço negativo de ferro em mulheres em idade fértil, constituindo, estas mulheres, um importante grupo de risco às necessidades adicionais de ferro na menstruação e na gravidez (Toxqui & Vaquero, 2015).
Outros fatores que prejudicam a absorção do ferro são: homens e mulheres na pós menopausa, doença celíaca, colite ulcerativa, uso de antiinflamatórios não esteróides ou perda de sangue gastrointestinal e alguns fatores genéticos que também determinam anemia ferropriva (Toxqui & Vaquero, 2015).
Rossert & Crombrugghe (2002) apresentam, a seguir, que cada molécula de colágeno tipo I é, normalmente, uma estrutura composta por duas cadeias a1 e uma daceia a2 enroladas em torno umas das outras em uma hélice tripla. Essas cadeias consistem em um longo domínio helicoidal precedido por um curto peptídeo N-terminal e seguido por uma longa cadeia peptídica C-terminal.
O colágeno tipo I é secretado como um pró-peptídeo, mas o N-telopeptídeo e o C-telopeptídeo são clivados rapidamente por proteases específicas e moléculas maduras se reúnem para formar fibrilas. Nas fibrilas, as moléculas de colágeno são paralelas umas às outras e uma montagem escalonada explica o aspecto em faixas exibido por fibrilas de colágeno tipo I em microscopia eletrônica. Nos tecidos, as fibrilas de colágeno tipo I podem ser paralelas umas às outras e formarem feixes, como nos tendões, ou podem ser orientadas aleatoriamente pra formar uma rede complexa de fibras entrelaçadas, como na pele (Rossert & Crombrugghe, 2002).
No espaço extracelular, as moléculas de colágeno maduro reúnem-se expontaneamente em fibrilas escalonadas. Esta montagem é dirigida pela presença de aglomerados de aminoácidos hidrofóbicos e carregados na superfície das moléculas. A formação de fibrilas foi comparada à cristalização, já que segue o princípio do “crescimento nucleado”. Uma vez que um pequeno número número de moléculas formaram um núcleo, ele cresce rapidamente para formar grandes fibrilas (Rossert & Crombrugghe, 2002).
Durante a fibrilogênese, alguns resíduos de lisil e hidroxilisil são desaminados por uma lisina oxidase que desamina o grupo e-NH2, dando origem a derivados aldeído. Esses aldeídos se associarão espontaneamente com grupos e-NH2 de um resíduo lisil ou hidroxilisil de moláculas adjacentes, formando ligações cruzadas entre cadeias. Essas ligações cruzadas aumentarão a resistência à tração das fibrilas (Rossert & Crombrugghe, 2002).
Cole, Quan, Voorhees & Fisher (2018) lembram que a derme humana é composta por duas regiões distintas: a derme papilar superior, de construção frouxa, e a derme reticular inferior, densamente compactada. Embora a fronteira entre as duas regiões seja indiscriminada, suas composições e organizações de elastina e colágeno as tornam distintas. As moléculas de colágeno maduras são compostas por três cadeias α entrelaçadas, cada uma caracterizada pela distinta repetição tripla de aminoácidos Gly–X–Y, onde Gly é glicina e X e Y podem ser qualquer resíduo, mas são mais frequentemente prolina e hidroxiprolina, respectivamente, e flanqueados por dois segmentos não colágenos, ou telopeptíde. Embora o espaçamento de Gly em cada terceira posição de repetição seja responsável por estabelecer a estrutura helicoidal tripla característica do colágeno, a variabilidade de aminoácidos nas posições X e Y, além da frequência e comprimento dos domínios não colágenos, são responsáveis por determinar o tipo específico de colágeno (28 dos quais foram identificados em vertebrados até o momento.
O colágeno tipo III, por exemplo, é um homotrímero de cadeias α1 superenroladas umas em torno das outras em uma fibrila de diâmetro relativamente baixo e constitui 20% da concentração total de colágeno na pele humana, a maior parte da qual está localizada na camada papilar da derme em forma de malha. Os 80% restantes do colágeno dérmico são do tipo I, uma molécula de heterotrímero composta por duas cadeias α1 e uma cadeia α2, que adotam um arranjo de fibrilas antiparalelas na derme reticular para produzir fibras densas (Cole, Quan, Voorhees & Fisher, 2018).
As modificações pós-traducionais do colágeno tipo I incluem a conversão intracelular, mediada por enzimas, dos resíduos de lisina (Lys) em hidroxilisina (Hyl) via lisil hidroxilase e conversão extracelular de Lys e Hyl em aldeídos (Lysald ou Hylald) via lisil oxidase (LOX). Após a secreção de procolágeno e sua conversão em colágeno maduro por remoção proteolítica dos propeptídeos N e C-terminais, a conversão dirigida por LOX de Lys/Hyl em Lysald/Hylald permite a conversão espontânea de Lys/Hyl em Lysald/Hylald, reticulação inter e intrapeptídeo não redutível que estabiliza o colágeno dérmico e confere resistência à clivagem proteolítica. LOX é igualmente vital na geração de ligações cruzadas que evitam elasticidade excessiva e facilitam a deposição de matriz dentro das fibras de elastina (Cole, Quan, Voorhees & Fisher, 2018).
A renovação do colágeno é relativamente pouco frequente; em média, a meia-vida estimada do colágeno reticulado maduro é de 15 anos na pele humana. No entanto, a resposta da ferida desencadeia a rápida degradação do colágeno pelas metaloproteases de matriz (MMPs) para permitir a migração de células imunes para o compartimento. Esta degradação do colágeno durante a fase inicial da resposta da ferida é seguida pela indução da síntese de novo colágeno pelos fibroblastos para restaurar o colágeno perdido na MEC dérmica (Cole, Quan, Voorhees & Fisher, 2018).
Discussão final
Cada proteína é determinada pelos tipos de aminoácidos que a compõem e pela sequência desses aminoácidos. Para que esses aminoácidos estejam em variedade e quantidades adequadas disponíveis nos tecidos para que o colágeno possa ser construído é necessário que as proteínas da dieta sejam bem digeridas, absorvidas e transportadas até as células.
Portanto, conhecer o processo inicial de digestão e absorção desses aminoácidos e também de outros nutrientes indispensáveis para que a biossíntese do colágeno aconteça torna-se importante pois pode contribuir para a identificação de possíveis alterações na oferta desses nutrientes à célula, podendo, este fato, estar relacionado a desordens patológicas ou também a resultados pobres quando se fala em procedimentos de estímulo de colágeno na Harmonização Orofacial.
A digestão das proteínas da dieta se inicia no estômago através da ação de uma importante enzima, a pepsina, que somente será ativada em ph de 2,0 a 3,0 e inativada em pH acima de 5,0, (Hall, 2011) ou seja, o suco gástrico precisa ser ácido o suficiente para que a digestão de proteínas que vão ofertar aminoácidos para a posterior síntese do colágeno pelas células do corpo se inicie. Logo, pode-se imaginar que pessoas que não têm um ph estomacal adequado, ou por conta de qualquer desordem fisiológica ou pelo uso de medicamentos que impedem que o ph estomacal se mantenha entre 2,0 e 3,0, deixando-o menos ácido, como no caso dos inibidores da bomba de prótons, ou pessoas que não produzem pepsina adequadamente, por exemplo, terão proteínas da dieta mal degeridas desde o início do processo e, muito provavelmente, a oferta de aminoácidos será prejudicada.
Nelson & Cox (2014) nos ensinam que a molécula de colágeno contém em torno de 35% de glicina (Gly), 11% de alanina e 21% de prolina (Pro) e 4-Hyp (4-hidroxiprolina) e que sequência de aminoácidos no colágeno geralmente é uma repetição de uma unidade tripeptídica, Gly-X-Y, onde X normalmente é uma Pro e Y em geral é uma 4-Hyp.
Veis & Brownell (1975) nos mostram que molécula de colágeno é montada a partir de três cadeias polipeptídicas separadas e a sequência de aminoácidos que ocorre com maior frequência é GLY-PRO-HYPR0. A glicina aparece regularmente a cada terceiro resíduo e reações de hidroxilação pós sintética ocorrem na prolina da terceira posição, gerando hidroxiprolina. Além disso, o colágeno produzido nas células deve ser depositado no local extracelular adequado sem degradação ou agregação prematura devendo, para tal, ser excretado de forma precursora e, fora da célula, ser rapidamente modificado e transformado em fibras por um processo de reticulação.
Ainda esses mesmos autores nos explicam que cada cadeia polipeptídica é composta por três seções. A primeira, a região amino-terminal ainda não é colágeno, no sentido de que não contém as sequências típicas da molécula de colágeno acabada. A próxima seção, compreendendo aproximadamente 1.000 resíduos de aminoácidos, é a porção de “colágeno”. Esta região é caracterizada por sequências triplas de aminoácidos nas quais a glicina aparece regularmente como o primeiro resíduo de cada tríade de aminoácidos e é essa aparência regular da glicina a cada terceiro resíduo que distingue a região do colágeno propriamente. A cadeia peptídica é completada com uma segunda sequência polipeptídica não colágena, a sequência carboxil-terminal da molécula de colágeno
A molécula de colágeno é formada por três dessas cadeias, dispostas de modo que os três terminais amino estão todos no mesmo final, sendo uma estrutura altamente assimétrica ou polarizada. Na molécula de colágeno apenas o colágeno está em uma conformação de hélice tripla. Cada uma das regiões finais tem outra conformação.
A hidroxilação pós-sintética ocorre exclusivamente na prolina na terceira posição.
Rossert & Crombrugghe (2002) acrescentam que duas cadeias alfa 1 e uma cadeia alfa 2 enrolam-se em torno delas mesmas para formar a tripla hélice. Ainda, o colágeno é secretado como um pró-peptídeo e o N-telopeptídeo e o C-telopeptídeo são clivados para que moléculas maduras formem fibrilas. Durante a fibrilogênese, alguns resíduos de lisil e hidroxilisil são desaminados por uma lisina oxidase que desamina o grupo e-NH2, dando origem a derivados aldeído. Esses aldeídos se associarão espontaneamente com grupos e-NH2 de um resíduo lisil ou hidroxilisil de moláculas adjacentes, formando ligações cruzadas entre cadeias. Essas ligações cruzadas aumentarão a resistência à tração das fibrilas.
A hidroxiprolina livre não é incorporada diretamente ao colágeno. A hidroxilisina também não. Em ambos os casos, os resíduos precursores de prolina e lisina são acionados e hidroxilados após sua montagem em sequências de cadeia polipeptídica (Veis A & Brownell, 1975).
Além do oxigênio molecular, vários outros cofatores são necessários para a hidroxilação natural do colágeno, como: íons ferrosos, a-cetoglutarato e ácido ascórbico. (Veis A & Brownell, 1975).
O ácido ascórbico (vitamina C) é essencial para a ativação da enzima prolil hidroxilase que promove a etapa hidroxilativa da formação da hidroxiprolina, constituinte integral do colágeno (Hall, 2011).
Nelson & Cox (2014) explicam que na ausência de vitamina C, as células não conseguem hidroxilar a Pro da posição Y. Isso leva a uma instabilidade do colágeno e aos problemas no tecido conectivo observados no escorbuto.
Ainda, esses autores destacam que a hidroxilação de resíduos específicos de prolina no pró-colágeno, o precursor do colágeno, requer a ação da enzima prolil 4-hidroxilase. Cada subunidade da enzima contém um átomo de ferro, e a enzima faz parte de uma classe de hidroxilases que necessitam de a-cetoglutarato em suas reações. Em uma reação normal da prolil-4-hidroxilase, uma molécula de a-cetoglutarato e uma de O2 se ligam à enzima. O a-cetoglutarato é oxidativamente decarboxilado para formar CO2 e succinato. O átomo de oxigênio remanescente é então usado para hidroxilar o resíduo de prolina apropriado no pró-colágeno. Nenhum ascorbato é necessário na reação descrita. Entretanto, a prolil-4-hidroxilase também catalisa uma decarboxilação oxidativa de a-cetoglutarato não acoplada à hidroxilação da prolina. Durante essa reação, o Fe21 do grupamento heme se oxida, inativando a enzima e impedindo a hidroxilação da prolina. O ascorbato consumido nessa reação é necessário para restaurar a atividade enzimática – pela redução do ferro do grupamento heme.
As cadeias a e as fibrilas das moléculas de colágeno são interligadas por tipos incomuns de ligações covalentes envolvendo Lys, HyLys (5-hidroxilisina), ou resíduos histidina presentes em algumas posições X e Y. Essas ligações criam resíduos de aminoácidos incomuns, como o desidro-hidroxilisinonorleucina. O caráter cada vez mais rígido e quebradiço do tecido conectivo envelhecido resulta do acúmulo de ligações covalentes transversais nas fibrilas de colágeno (Nelson & Cox, 2014).
Estudos que esclarecem e descrevem os mecanismos de formação do colágeno e os nutrientes, enzimas e cofatores enzimáticos envolvidos neste processo, bem como estudos que elucidam e permitem entender como determinadas condições de desordens fisiológicas podem influenciar neste processo de síntese, são importantes para que os profissionais que lidam com práticas que requeiram formação de novo colágeno possam atuar de forma mais certeira e eficaz, podendo identificar mais facilmente possíveis condições desfavoráveis e que possam levar ao insucesso dos tratamentos realizados, corrigindo-as previamente e aumentando os índices de sucesso dos tratamentos e a satisfação do paciente.