Une molécule très abondante

Les protéines sont de deux types. Les protéines fonctionnelles interviennent dans des processus biochimiques (enzymologie, immunologie, récepteurs membranaires, etc.). Les protéines structurales déterminent les organismes en contribuant à leur structure. Parmi celles-ci, le collagène est particulièrement abondant. Chez les mammifères, elle représente un quart de leurs protéines, soit environ 25 % de leur masse.

Typologie

Le collagène est une protéine composée de trois chaînes alpha polypeptidiques, reliées par des liaisons hydrogène entre l'hydroxylysine et l'hydroxyproline et des liaisons covalentes. Une chaîne alpha est constituée de 1 055 acides aminés. 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, des tendons, des os et de la cornée, tandis que le type III se retrouve au niveau du système cardiovasculaire.

Acides aminés particuliers

Un acide aminé fréquent dans le collagène, la 4-hydroxyproline.

Un acide aminé fréquent dans le collagène, la 5-hydroxylysine.

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).

Une séquence particulière

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 – X – Y)_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.

Hydroxylation

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 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 est un processus post-traductionnel. En fait, deux enzymes catalysent cette réaction. Ce sont respectivement la prolyl hydroxylase et la lysine hydroxylase. Toutes deux ne peuvent agir qu’en présence d’ascorbate (ou vitamine C), celui-ci empêchant le fer 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, une maladie due à un défaut de fabrication du collagène, lequel se traduit par une fragilisation des tissus. Le scorbut a sévi sur terre et sur mer jusqu'au XIX^e siècle. Les marins, lors des grands voyages, en étaient souvent victimes, 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 – Gly – … – COO⁻ (extrémité carboxyterminale)

Très rarement, certains résidus de proline sont hydroxylés au niveau du carbone 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.

Glycosylation

Ajout de sucres sur certains résidus.

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 entre le galactose et le groupement hydroxyle d’un résidu hydroxylysine est catalysée par la galactosyl transférase ; celle du glucose fait appel à la glucosyl transférase.

Un cylindre hélicoïdal

La conformation spatiale du tropocollagène est celle d’un cylindre hélicoïdal à trois bandes de 300 nm de long et de 1,5 nm de diamètre. Cette protéine ne présente donc pas la forme globulaire classique des protéines fonctionnelles. C’est une tige longue et fine. Chaque bande du cylindre est une chaîne polypeptidique elle-même repliée en hélice ; l’ensemble des trois chaînes forme une tresse particulièrement résistante. En effet, il faut une charge de 10 kg pour casser une fibre de collagène d’un diamètre d’un millimètre.

Structure en hélice gauche

Proline.

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 secondaire. Il s’agit ici d’une hélice gauche dont l’enroulement résulte de la répulsion des cycles pyrrolidines des nombreux résidus de proline. Les cycles pyrrolidines se repoussent mutuellement en raison de leur fort encombrement stérique. L’hélice obtenue est moins compacte que l’hélice alpha (0,15 nm par résidu) puisque l’on a pu mesurer une distance de 0,29 nm par résidu. Enfin, contrairement aux hélices alpha, on n’observe pas de ponts hydrogène 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 (accepteurs de protons). Lorsque les chaînes se croisent, il est nécessaire de réduire l’encombrement stérique. Ceci est rendu 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.

Interactions coopératives

Pourcentage de triple hélice en fonction de la température.

Lorsque l’on chauffe une solution de tropocollagène, on observe un effondrement brusque de la structure en hélice à une température donnée, notée T_m (température de fusion ou melting temperature dans la terminologie anglo-saxonne). 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 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 d’ébullition « anormalement » élevé, sont la conséquence directe de l’existence de nombreux ponts hydrogène. La mesure de la température de fusion T_m est rendue possible par le fait qu’elle marque un changement de viscosité de la solution et une modification de la dispersion rotatoire optique (DRO).

Procollagène

Le collagène n’a pas sa place dans les cellules elles-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. À l’extrémité carboxy-terminale existent des ponts disulfure intercaténaires à rôle stabilisateur. Les ponts sont intracaténaires à l’extrémité aminoterminale.

Dans le réticulum endoplasmique

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 et de deux propeptides aminoterminal et carboxyterminal. Ceux-ci aident à la maturation de la protéine.

Modifications post-traductionnelles

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 éclair, en direction de l’extrémité aminoterminale.

Dans l'appareil de Golgi

Enfin, dans l’appareil de Golgi, la triple hélice est flanquée de régions non hélicales. Le procollagène est alors libéré dans le milieu extracellulaire par exocytose. Une enzyme, 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 cellulaire, s’interconnectent et forment des fibres de collagène matures.

Formation des fibres de collagène

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 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 aldolique.

Liaison de trois régions polypeptidiques avec formation d’un hydroxypyridinium.

Un autre mécanisme consiste à relier trois régions polypeptidiques par une liaison croisée 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, 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.

Collagénases

La dégradation du collagène est difficile et nécessite des enzymes particulières, les collagénases (de la famille des métalloprotéinases matricielles). Par exemple, les collagénases d’origine bactérienne (par exemple Clostridium histoliticum, dont le nom d’espèce signifie « destructeur de tissus ») sont capables de cliver chaque chaîne de collagène 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 à un site défini.

Substituts du collagène

Le collagène étant une protéine animale, par essence, il ne peut pas être étiqueté végan, car le véganisme vise à s'abstenir de toute utilisation de produits d'origine animale. Tel quel, le terme « collagène végan » n'a pas de sens et est donc trompeur.

Cependant, depuis une trentaine d'années, des tentatives ont été entreprises en laboratoire à petite échelle pour produire du collagène humain recombinant à partir de divers organismes génétiquement modifiés comme des levures (Pichia pastoris), des bactéries (Escherichia coli), et même des insectes avec différents succès^{[5],[6],[7],[8],[9]}. Des modifications post-traductionnelles insuffisantes et un faible rendement restent des problèmes non résolus^[10].

Des articles de revue (Fertala, 2020^[11] et Wang et al., 2017^[10]), il ressort que ces techniques de production de collagène humain recombinant ne sont pas largement reconnues, ni adoptées, par le monde médical, pharmaceutique et des biotechnologies. Des obstacles techniques et réglementaires non résolus expliquent que la production du collagène se fait toujours majoritairement à partir de tissus d'origine animale.

Malgré cela l'appellation « collagène végan » est employée dans certaines campagnes publicitaires pour des cosmétiques et produits de beauté sans savoir à quoi font exactement référence ces produits et si cette expression est abusive ou non.