Collagène : caractéristiques générales
Le collagène est la principale protéine structurale de la matrice extracellulaire, synthétisée par les cellules du tissu conjonctif : les fibroblastes, les ostéoblastes, les chondroblastes. C'est une protéine fibrillaire qui assure une fonction de soutien et de résistance mécanique dans la peau, les tendons, les os, le cartilage et la paroi des vaisseaux sanguins.
La chaîne polypeptidique du collagène contient environ 1 000 résidus d'acides aminés. Particularités de la composition en acides aminés :
- un acide aminé sur trois est la glycine (≈ 33 %) ;
- environ 20 % sont constitués de proline et d'hydroxyproline ;
- environ 10 % sont constitués de lysine et d'hydroxylysine ;
- absence de cystéine et de tryptophane ;
- faible teneur en histidine, méthionine et tyrosine.
La structure primaire est caractérisée par le triplet répété (Gly-X-Y), où X est le plus souvent la proline et Y l'hydroxyproline ou l'hydroxylysine.
Organisation tridimensionnelle de la molécule
La chaîne polypeptidique s'enroule en une hélice α levogyre, plus étirée que l'hélice α classique des protéines globulaires : chaque tour comporte 3 résidus d'acides aminés. Trois de ces chaînes α s'enroulent l'une autour de l'autre pour former une super-hélice dextrogyre triple — l'unité structurale du collagène mature, le tropocollagène.
Modifications post-traductionnelles
La biosynthèse du collagène s'accompagne d'un grand nombre de modifications post-traductionnelles. La chaîne polypeptidique est synthétisée sur les ribosomes liés à la membrane du réticulum endoplasmique sous forme de précurseur, le préprocollagène. L'extrémité N-terminale comporte un peptide signal qui assure le transport de la chaîne dans la lumière du réticulum endoplasmique, après quoi il est clavé.
Principales étapes de la modification :
- hydroxylation des résidus de proline et de lysine ;
- glycosylation des résidus d'hydroxylysine ;
- assemblage de la triple hélice à partir de trois chaînes pro-α ;
- sécrétion du procollagène dans l'espace extracellulaire ;
- clivage des propeptides N- et C-terminaux (contenant des résidus de cystéine, raison pour laquelle le collagène mature ne contient pas de cystéine) ;
- assemblage des molécules de collagène en microfibrilles, en fibrilles, puis en fibres de collagène.
Hydroxylation de la proline et rôle de la vitamine C
La réaction clé est catalysée par la prolyl 4-hydroxylase. L'enzyme contient un ion Fe²⁺ dans son site actif et requiert comme cofacteurs l'α-cétoglutarate et l'O₂ moléculaire.
Au cours de la réaction :
- un atome d'oxygène est incorporé dans le groupe OH du résidu proline ;
- le second atome d'oxygène sert à la décarboxylation oxydative de l'α-cétoglutarate avec formation de succinate et de CO₂.
L'acide ascorbique (vitamine C) est indispensable pour réduire le fer du site actif à l'état de Fe²⁺, car celui-ci est périodiquement oxydé en Fe³⁺ au cours de la catalyse. L'introduction du groupe OH dans la proline permet la formation de liaisons hydrogène supplémentaires entre les chaînes de la triple hélice, ce qui augmente considérablement la thermostabilité et la résistance mécanique du collagène.
Scorbut — carence en vitamine C
En cas de déficit en acide ascorbique, la prolyl 4-hydroxylase perd son activité, l'hydroxylation de la proline et de la lysine est compromise, et un collagène anormal doté d'une stabilité de triple hélice réduite est synthétisé.
Manifestations cliniques du scorbut :
- fragilité et perméabilité vasculaires accrues, hémorragies cutanées et muqueuses ;
- saignements des gencives, déchaussement et perte des dents ;
- troubles de la cicatrisation des plaies ;
- douleurs articulaires, atteinte du tissu osseux.
Acide hyaluronique et glycosaminoglycanes
L'acide hyaluronique appartient aux glycosaminoglycanes — des polysaccharides linéaires de la matrice extracellulaire, constitués de motifs disaccharidiques répétés (résidus d'acide uronique et d'aminosucre).
Propriétés fonctionnelles de l'acide hyaluronique :
- lie une grande quantité d'eau, conférant à la substance intercellulaire une consistance gélatineuse ;
- lie les ions Na⁺ et Ca²⁺, participant à la régulation du métabolisme hydro-électrolytique ;
- assure l'élasticité du cartilage, du corps vitré et du liquide synovial ;
- exerce une fonction barrière, en freinant la diffusion des micro-organismes.
Pertinence clinique : hyaluronidase et infections
Certaines bactéries pathogènes (par exemple, les agents responsables de la gangrène gazeuse, les streptocoques et les staphylocoques) sécrètent une enzyme, la hyaluronidase, qui dégrade l'acide hyaluronique. La dépolymérisation du polysaccharide entraîne la liquéfaction de la substance fondamentale du tissu conjonctif, augmente sa perméabilité et facilite l'invasion des micro-organismes et des toxines dans les tissus.
Points clés
- Le collagène est constitué de triplets Gly-X-Y, où Y est fréquemment l'hydroxyproline ; la cystéine et le tryptophane sont absents.
- L'unité structurale est la super-hélice dextrogyre triple composée de chaînes α lévogyres.
- La biosynthèse implique de nombreuses modifications post-traductionnelles dans le réticulum endoplasmique et l'espace extracellulaire.
- La prolyl hydroxylase nécessite du Fe²⁺, de l'O₂, de l'α-cétoglutarate et de l'acide ascorbique.
- L'hydroxyproline stabilise la triple hélice par l'intermédiaire de liaisons hydrogène.
- La carence en vitamine C provoque le scorbut, caractérisé par des atteintes vasculaires et gingivales ainsi que des troubles de la cicatrisation.
- L'acide hyaluronique est un glycosaminoglycane qui retient l'eau et les cations dans la matrice.
- La hyaluronidase bactérienne détruit la matrice, favorisant le développement d'infections, notamment la gangrène gazeuse.