Le collagène est une glycoprotéine fibreuse dont le rôle peut être comparé à une armature. C’est la protéine la plus abondante de l’organisme. Il est secrété par les cellules des tissus conjonctifs.
Contrairement à l’élastine présente aussi dans les tissus conjonctifs, le collagène est inextensible et résiste bien à la traction. Il est constitué de différents types selon leur localisation. Il est notamment indispensable aux processus de cicatrisation. Après certaines transformations, on peut en faire de la colle (Une colle ou la glu est un produit de nature liquide ou gélatineuse servant à lier des...).
Les biochimistes connaissent aujourd’hui plus de 100 000 protéines. Ces molécules interviennent dans de nombreux processus. Certaines sont au cœur de l’immunologie. D’autres ont une activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) enzymatique indispensable au bon fonctionnement de la machinerie cellulaire. D’autres encore forment les récepteurs membranaires par lesquels les cellules interagissent avec le milieu environnant. Quelques-unes, enfin, participent à la structuration des organismes. C’est le cas du collagène, une protéine essentielle des tissus conjonctifs des Animaux.
Les protéines se séparent en deux catégories. Les protéines fonctionnelles interviennent dans des processus biochimiques (enzymologie, immunologie (L'immunologie est la branche de la biologie qui s'occupe de l'étude du système...), récepteurs membranaires, etc.). Les protéines structurales façonnent les organismes en contribuant à leur structure. Parmi celles-ci, le collagène est particulièrement représentatif. Cette protéine fibreuse est de loin la plus abondante chez tous les Mammifères : elle représente 25% de leurs poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...).
Le collagène est une protéine composée de trois chaînes polypeptidiques associées. Ces trois chaînes pouvant se combiner de différentes manières, on devrait en toute rigueur parler des collagènes, et non du collagène. Chaque type de collagène possède une structure propre et se retrouve dans des organes particuliers. Par exemple, le collagène de type I intervient dans la formation de la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le...), des tendons, des os et de la cornée (La cornée est la partie antérieure transparente du globe oculaire, en forme de calotte...), tandis que le type III se retrouve au niveau du système cardiovasculaire.
Type | Description | Gène (Un gène est une séquence d'acide désoxyribonucléique (ADN) qui spécifie la...) (s) |
I | 90% du collagène d’un vertébré. Il constitue la trame (Le mot trame peut désigner :) de l’os (à comparer aux armatures du béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de...) armé), et plus généralement des tissus conjonctifs banals. On le rencontre dans les os, la peau, les tendons, la cornée et les organes internes. | COL1A1, COL1A2 |
II | Forme de fines fibrilles dans la substance fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) du cartilage (Le cartilage est un tissu conjonctif spécialisé formé par des cellules, les...) hyalin (avec les collagènes IX, X et XI)dans le nucléus pulposus du corps vertébral et dans le corps vitré de l’œil. | COL2A1 |
III | Il est constitutif des fibres de réticuline trouvées en proportion importante dans les tissus hématopoïétiques. À l’état de collagène, on le trouve en particulier dans le muscle (Les muscles sont une forme contractile des tissus des animaux. Ils forment l'un des quatre types...) squelettique et dans la paroi des vaisseaux sanguins.Les fibres sont argyrophiles et PAS positives | COL3A1 |
IV | Spécifique des lames basales, il constitue un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...). Il n'est pas strié en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) électronique | COL4A1, COL4A2, COL4A3, COL4A4, COL4A5, COL4A6 |
V | Localisé dans les tissus conjonctifs, il s’associe au type I | COL5A1, COL5A2, COL5A3 |
VI | Localisé dans le tissu conjonctif, il s’associe au type I | COL6A1, COL6A2, COL6A3 |
VII | Constituant de la lame basale. Il forme des fibrilles permettant l’accrochage de la lame basale au tissu conjonctif sous-jacent. | COL7A1 |
VIII | Localisé dans les cellules endothéliales. | COL8A1, COL8A2 |
IX | Localisé dans le cartilage, s’associe au collagène de type II | COL9A1, COL9A2, COL9A3 |
X | Localisé dans le cartilage hypertrophié et minéralisé. | COL10A1 |
XI | Localisé dans le cartilage. | COL11A1, COL11A2 |
XII | Interagit avec les types I et III. | COL12A1 |
XIII | - | COL13A1 |
XIV | - | COL14A1 |
XV | Disséminés; près de la lame basale des muscles. | COL15A1 |
XVI | - | COL16A1 |
XVII | Également appelé BPAG2. C’est une protéine transmembranaire qui se fixe à la lame basale d’hémidesmosomes, au niveau de l’épiderme notamment. Les fibres de collagène de type XVII sont disposées parallèlement aux intégrines α6β4. Ces deux protéines permettent donc de renforcer l’ancrage de la lame basale. | COL17A1 |
XVIII | - | COL18A1 |
XIX | - | COL19A1 |
XX | - | COL20A1 |
XXI | - | COL21A1 |
XXII | - | COL22A1 |
XXIII | - | COL23A1 |
XXIV | - | COL24A1 |
XXV | - | COL25A1 |
XXVII | - | COL27A1 |
XXVIII | - | COL28A1 |
Lorsque le collagène est partiellement hydrolysé, les trois brins de tropocollagène se dissocient. Ils forment ainsi la gélatine (La gélatine est une substance solide translucide, transparente ou légèrement jaune,...), un produit largement utilisé dans l’agroalimentaire. La gélatine a aussi été utilisée dans l’industie pharmaceutique, en cosmétique (Un cosmétique est une substance ou un mélange destiné à être mis en...) et en photographie. Le collagène et la gélatine sont considérés comme des protéines de piètre qualité car ils ne possèdent pas tous les acides aminés en proportions adéquates.
Le terme collagène signifie "producteur de colle" (le nom vient en effet d’un mot grec, kolla signifiant colle). Les propriétés du collagène ont été utilisées par les Egyptiens il y a 4000 ans. Les Amérindiens l’utilisaient il y a 1500 ans. La plus ancienne colle connue est faite à partir de collagène, et date de 8000 ans. Actuellement on l'utilise dans: les produits de beautés ou comme additif dans les poulets
Le tropocollagène est l'unité fondamentale (Une unité fondamentale est une unité de mesure de base dans un système d'unités. Les unités...) du collagène, et correspond à une molécule asymétrique de 280nm de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...). Il s'agit d'une glycoprotèine formé par l'enroulement (Un enroulement en électrotechnique est un conducteur électrique isolé bobiné (enroulé autour...) en hélice de 3 chaînes polypeptidique α, porteuses de glucide (Les glucides sont une classe de molécules organiques contenant un groupement carbonyl...) (glucose, galactose). Les acides aminées sont constitués pour un tiers de glycine, pour un tiers de proline, d'hydroxyproline et d'alanine (La L-alanine est un des 20 acides aminés les plus courants. Elle est hydrophobe, possède...). Il existe plusieurs types moléculaires de chaînes α. Ces chaînes sont constituées par des séquences répétitives de trois acides aminés, dont le premier, la glycine est répété tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) au long de la molécule. Les glucides sont fixés sur l'hydroxylysine. L'enroulement des 3 chaînes α, aboutit à la constitution de la molécule de tropocollagène, dont la cohésion est assurée par des liaisons hydrogènes entre la glycine et la proline.
L’analyse de la composition d’une molécule de tropocollagène révèle de nombreuses singularités. Les biochimistes ont montré que le tiers des résidus sont des résidus de glycine, ce qui est caractéristique des protéines de structure. Autre fait singulier, plus de 10% des résidus sont des prolines. Enfin, on observe la présence de deux acides aminés peu courants, la 4-hydroxyproline (Hyp) et la 5-hydroxylysine (Hyl).
Les biochimistes ont également constaté que l’ordre d’enchaînement des acides aminés qui composent le tropocollagène présente aussi des anomalies. En d’autres termes, la séquence d’acides aminés ne correspond pas à ce que l’on rencontre habituellement. On observe en effet que les glycines se retrouvent régulièrement tous les trois résidus. La structure de la séquence des acides aminés du collagène est donc (Gly – Xn – Yn)n. De plus, la séquence comporte assez souvent des triplets Gly – Pro – Hyp. Toutes ces propriétés sont singulières dans la mesure où elles ne se retrouvent pas chez la plupart des protéines.
Les deux acides aminés hydroxylés que sont l’hydroxyproline (Hyp) et l’hydroxylysine (Hyl) soulèvent tout naturellement une question : l’hydroxylation intervient-elle avant ou après la synthèse peptidique ? Pour y répondre, les biochimistes ont recherché un aminoacyl-ARNt codant pour l’un ou l’autre de ces acides aminés. N’en ayant pas trouvé, ils ont conclu que l’hydroxylation de certains résidus de proline et de lysine (La L-lysine est un des 20 acides aminés les plus courants constituant les protéines. Elle...) est un processus post-traductionnel. En fait, deux enzymes catalysent cette réaction. Ce sont respectivement la prolylhydroxylase et la lysylhydroxylase. Toutes deux ne peuvent agir qu’en présence d’ascorbate (ou vitamine (Une vitamine est une substance organique nécessaire (en dose allant du microgramme à...) C), celui-ci empêchant le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) ferreux (Fe2+) contenu dans leur centre actif d’être inactivé sous forme de fer ferrique (Fe3+). Une carence sévère en ascorbate est à l’origine du scorbut (Le scorbut (prononciation /skɔʁbyt/ en France, /skɔʁby/ au Québec) est...), une maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal...) due à un défaut de fabrication du collagène, lequel se traduit par une fragilisation des tissus. Les marins, lors des grands voyages, étaient souvent victimes du scorbut, faute de pouvoir consommer des fruits et des légumes.
Les résidus de proline susceptibles d’être hydroxylés sont nécessairement situés à gauche d’un résidu de glycine. Les autres résidus ne peuvent être hydroxylés. Il en va de même pour les résidus de lysine.
(extrémité aminoterminale) NH3+ – … – Pro – Gly – … – COO– (extrémité carboxyterminale)
(extrémité aminoterminale) NH3+ – … – Lys (Les lys ou lis sont des plantes herbacées de la famille des Liliaceae appartenant au genre...) – Gly – … – COO– (extrémité carboxyterminale)
Très rarement, certains résidus de proline sont hydroxylés au niveau du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) 3 et non du carbone 4. L’enzyme responsable de cette hydroxylation n’est pas la prolylhydroxylase, et l’hydroxylation ne respecte pas les règles que nous venons de définir.
En étudiant la structure du tropocollagène, les biochimistes ont également montré que certains résidus d’hydroxylysine possédaient des résidus sucrés (2-glucosyl-galactose). Le fait que le collagène soit lié de façon covalente à de courts glucides en fait une glycoprotéine (par opposition aux protéoglycanes, glucides liés à de petits peptides).La formation d’une liaison covalente (En chimie, une liaison covalente est une liaison chimique dans laquelle chacun des atomes liés...) entre le galactose (Le galactose (C6H12O6) est un ose (monosaccharide) formé par 6 atomes de carbone (figure 1),...) et le groupement hydroxyle d’un résidu hydroxylysine est catalysée par la galactosyl transférase ; celle du glucose (Le glucose est un aldohexose, principal représentant des oses (sucres). Par convention, il est...) fait appel à la glucosyl transférase.
La conformation (En chimie, la conformation d'une molécule est l'arrangement spatial des atomes qui la composent....) spatiale du tropocollagène est celle d’un cylindre hélicoïdal à trois bandes de 3000 Å de long et de 15 Å de diamètre. Cette protéine ne présente donc pas la forme globulaire (Le genre botanique Globularia (les globulaires) regroupe des plantes classées dans la famille...) classique des protéines fonctionnelles. C’est une tige (La tige est chez les plantes, l'axe généralement aérien, qui prolonge la racine et...) longue et fine. Chaque bande du cylindre est une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) polypeptidique elle-même repliée en hélice ; l’ensemble des trois chaînes forme une tresse particulièrement résistante. En effet, il faut une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) de 10 kg pour casser une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) de collagène d’un diamètre d’un millimètre.
Nous avons dit que chaque chaîne polypeptidique est repliée en hélice. Cette structure secondaire est sans rapport avec l’hélice alpha. Il s’agit d’un autre type de structure se-condaire. Il s’agit ici d’une hélice dont l’enroulement résulte de la répulsion des cycles pyrrolidones des nombreux résidus de proline. Les cycles pyrrolidones se repoussent mutuellement en raison de leur fort encombrement stérique. L’hélice obtenue est moins tassée que l’hélice alpha (1,5 Å par résidu) puisque l’on a pu mesurer une distance de 2,9 Å par résidu. Enfin, il est à noter que, contrairement aux hélices alpha, on n’observe pas de ponts hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) intracaténaires. On trouve néanmoins des ponts hydrogène intercaténaires. Les ponts hydrogène mettent en jeu les résidus de glycine (donneurs de protons) et les groupements carboxyle (En chimie organique, un groupe carboxyle est un groupe fonctionnel composé d'un atome de...) (accepteurs de protons). Lorsque les chaînes se croisent, il est nécessaire de réduire l’encombrement stérique. Ceci est rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) possible par la présence de résidus de glycine, l’acide aminé le moins encombré. Les autres chaînes latérales sont rejetées à l’extérieur de la structure en triple hélice.
Lorsque l’on chauffe une solution de tropocollagène, on observe un effondrement brusque de la structure en hélice à une température donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...), notée Tm (température de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) ou melting temperature dans la terminologie anglo-saxone). Cette expérience montre que les ponts hydrogène assurent le maintien de la structure en triple hélice. Ces interactions faibles (c’est-à-dire non covalentes) sont suffisamment nombreuses pour modifier sensiblement le comportement de la molécule. On ne doit pas s’en étonner : la fibroïne, protéine structurale de la soie (De la soie (fibre textile d'origine animale) est produite par de nombreux insectes, araignées...) fabriquée par les araignées, doit son élasticité et sa résistance à l’existence de très nombreux ponts hydrogène qui constituent des interactions coopératives. De la même façon, les propriétés singulières de l’eau, en particulier son point (Graphie) d’ébullition anormalement élevé, sont la conséquence directe de l’existence de nombreux ponts hydrogène. La mesure de la température de fusion Tm est rendue possible par le fait qu’elle marque un changement de viscosité (La viscosité (du latin viscum, gui) peut être définie comme la résistance...) de la solution et une modification de la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) rotatoire (DOR).
Les hydroxylations observées sur le collagène offrent un gain de stabilité. Leur nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) varie donc en fonction du type de tissu et de la température corporelle. Certains tissus présentent un plus fort taux d’hydroxylation que d’autres. C’est notamment le cas du placenta (Le placenta est un organe unique qui connecte physiquement et biologiquement l'embryon en...) et de la peau.
Pro et Hyp (‰) | Température de fusion (°C) | Température corporelle (°C) | |
Peau de veau (Le veau est un jeune bovin. Ce terme désigne aussi la viande issue de cet animal et vendue...) | 232 | 39 | 37 |
Peau de requin (Requin [ʁəkɛ̃] est un terme désormais ambigu désignant en...) | 191 | 29 | 24 à 28 |
Cabillau | 155 | 16 | 10 à 14 |
Le collagène n’a pas sa place dans les cellules elle-mêmes ; c’est pourquoi sa synthèse s’effectue à partir d’un précurseur présent dans les cellules, le procollagène. Celui-ci est constitué de brins beaucoup plus longs, rallongés par des structures polypeptidiques supplémentaires, de 15 kDa du côté aminoterminal et de 30 kDa du côté carboxyterminal. Ces structures sont banales et portent le nom de propeptides. A l’extrémité carboxy-terminale existent des ponts disulfure intercaténaires à rôle stabilisateur. Les ponts sont intracaténaires à l’extrémité aminoterminale.
Le procollagène est un assemblage de 3 protéines de collagène alpha en une hélice droite, Les fibres de procollagène s'assemblent en une structure appellée fibrille de collagène. L'assemblage de plusieurs fibrilles de collagène forme la fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) de collagène. Les fibrilles présentent une alternance de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) sombre et claire dûe a l'espacement et au décalage des fibres de procollagène.
Les trois chaînes de procollagène sont synthétisées transférées dans le lumen du réticulum endoplasmique (on parle de translocation). La région contenant la triple hélice est flanquée d’un peptide signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) et deux deux propeptides aminoterminal et carboxyterminal. Ceux-ci aident à la maturation de la protéine.
Une fois dans le réticulum endoplasmique, le peptide signal est clivé. Ensuite intervient l’hydroxylation de plusieurs prolines et lysines. Le propeptide carboxyterminal est modifié par N-glycosylation, tandis que certaines hydroxylysines sont O-glycosylées. Les différentes modifications post-traductionnelles et la formation de ponts disulfure entre les propeptides carboxyterminaux de trois chaînes permettent ensuite leur alignement. La triple hélice s’enroule alors comme une fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) éclair, en direction de l’extrémité aminoterminale.
Enfin, dans l’appareil de Golgi, la triple hélice est flanquée de régions non hélicales Le propeptide est alors libéré dans le milieu extracellulaire par exocytose. Une enzyme (Une enzyme est une molécule (protéine ou ARN dans le cas des ribozymes) permettant...), la procollagène peptidase, clive alors les deux propeptides, permettant la formation de tropocollagène mature. En tout dernier lieu, les faisceaux de tropocollagène s’assemblent à proximité de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) cellulaire, s’interconnectent et forment des fibres de collagène matures.
Pour former des fibres de collagène matures, les faisceaux de tropocollagène doivent s’assembler. Divers processus biochimiques y conduisent. Par exemple, une enzyme, la lysyl oxydase, permet la substitution d’un groupement carbonyle (La fonction carbonyle, C=O, où un atome de carbone est relié à un atome d'oxygène par une...) au groupement amine d’un résidu lysine, ce qui est à l’origine de pontages spontanés en plusieurs faisceaux de tropocollagène. On procède ainsi à une réticulation des molécules par condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de...) aldolique.
Un autre mécanisme consiste à relier trois régions polypeptidiques par une liaison croisée (Croisée peut désigner :) hydroxypyridinium (ou hydroxypyridinoline). Il se forme alors une structure en échelle qui présente une périodicité de 680 Å, visible en microscopie électronique. Les zones inoccupées entre les différentes molécules de tropocollagène sont remplies à l’aide d’un hydroxyphosphate de calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.), l’hydroxyapatite, de formule Ca10 (PO4)6 (OH)2. La succession régulière de tropocollagène et d’hydroxyapatite est à l’origine de la striation visible en microscopie électronique.
La dégradation du collagène est difficile et nécessite des enzymes particulières, les collagénases (ce sont des métalloprotéases). Par exemple, les collagénases d’origine bactérienne (par exemple Clostridium histoliticum, dont le nom d’espèce signifie "destructeur (En programmation orientée objet, le destructeur d'une classe est une méthode lancée...) de tissus") sont capables de cliver chaque chaîne en plus de deux cents points (parmi lesquels X – Gly – Pro – Y). D’autres organismes tels que les Amphibiens possèdent des collagénases très spécifiques, capables d’effectuer une seule coupure.
Outre le scorbut, dont nous avons déjà parlé, de nombreuses maladies sont liées à des défauts de synthèse du collagène, parmi lesquelles la maladie des os de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...). On se référera à l’article Maladies héréditaires du collagène.