Kollagenase

Kollagenase kann unter physiologischen pH- und Temperaturbedingungen die dreidimensionale Helixstruktur nativen Kollagens gezielt hydrolysieren, ohne andere Proteine und Gewebe zu schädigen. Aufgrund ihrer chemischen Natur als Protein ist Kollagenase sehr empfindlich gegenüber Temperatur, pH-Wert und weiteren Faktoren, die eine Proteindenaturierung verursachen; sie wird leicht durch äußere Bedingungen beeinflusst, die Konformation und Eigenschaften verändern können.

Klassifizierung

Kollagenase lässt sich entsprechend ihres Vorkommens in endogene humane Kollagenase und arzneilich verwendete Kollagenase einteilen. Endogene humane Kollagenase bezeichnet die im menschlichen Körper vorhandene Kollagenase. In Epithelgeweben, der Gelenksynovia und der Bandscheibe liegen unterschiedliche Kollagenasespiegel vor. Sie spielt eine unverzichtbare Rolle beim Kollagenabbau im Organismus. Arzneilich verwendete Kollagenase bezeichnet ein weißes bis weißliches, aseptisches, gefriergetrocknetes Pulver, das mittels biopharmazeutischer Hochtechnologie aus der Fermentationsbrühe von Clostridium histolyticum durch Extraktion und Aufreinigung gewonnen wird.

Kollagenase kann außerdem in die Klassen I, II, III, IV, V sowie in eine spezielle Kollagenase für Leberzellen eingeteilt werden. Der Kollagenasetyp ist entsprechend der Art des zu separierenden und zu verdauenden Gewebes auszuwählen. Kollagenase I wird zur Separation von Zellen aus Epithel-, Lungen-, Fett- und Nebennierengewebe eingesetzt. Kollagenase II eignet sich für Leber-, Knochen-, Schilddrüsen-, Herz- und Speicheldrüsengewebe. Kollagenase IV enthält mindestens 7 Proteasekomponenten mit Molekulargewichten von 68 bis 130 kDa und kann eine Vielzahl von Geweben verdauen. Kollagenase V kann zur Isolierung von Pankreasinselgewebe verwendet werden, wobei Bindegewebe in Einzelzellen dissoziiert wird.

Struktur

Kollagenase wird in Clostridium histolyticum durch zwei separate und unterschiedliche Gene gebildet. Beide Gene wurden kloniert und sequenziert. Das Gen colG kodiert für Kollagenase Typ I, ein Peptid mit 936 Aminosäuren. Das Gen colH kodiert für Kollagenase Typ II, ein Peptid mit 1021 Aminosäuren. Diese Gene weisen eine Sequenzidentität von 72 % auf, die Proteine eine Identität von 43 %. Beide Genprodukte können in zwei oder mehr Isoformen mit unterschiedlichem Molekulargewicht vorliegen. Rohkollagenase-Mischungen können daher sechs bis acht Spezies mit unterschiedlichen Molekulargewichten im Bereich von 68 bis 130 kDa enthalten. Untersuchungen zur Substratspezifität haben gezeigt, dass das colG-Genprodukt im Vergleich zum colH-Genprodukt natürliche Substrate wie intaktes Kollagen bevorzugt. Umgekehrt wirkt das colH-Genprodukt bevorzugt auf kurze synthetische Substrate (FALGPA) im Vergleich zum colG-Genprodukt.

Eigenschaften

Der optimale pH-Wert der Kollagenase liegt bei 6 bis 7, die optimale Temperatur bei 35 bis 45 °C. Die Enzymaktivität ist unterhalb von 45 °C stabil; oberhalb von 80 °C geht die Aktivität nach 10 Minuten irreversibel verloren. Metallionen wie Ca²⁺, Mg²⁺, Ba²⁺ und Mn²⁺ können die Enzymaktivität fördern, während Co²⁺ und Hg²⁺ die Enzymaktivität hemmen können. Nach vollständiger Dialyse von Ca²⁺ geht die Aktivität der Kollagenase nicht verloren. Nach Zugabe von 20 mmol/L EDTA verschwindet die Enzymaktivität nahezu vollständig. Ein zusätzlicher Überschuss an Calciumchlorid kann nur 85 % der Aktivität wiederherstellen. Die Kollagenaseaktivität wird durch den Metallionen-Chelator EDTA, Mercaptoverbindungen (Mercaptoethanol, reduziertes Glutathion) sowie normales Humanplasma gehemmt.

Katalytischer Mechanismus

Die hyperreaktiven Stellen, an denen Enzyme der Klasse I und Klasse II zunächst alle drei Kollagentypen angreifen, wurden 1992 von Wissenschaftlern identifiziert. Die Spaltstellen liegen sämtlich an Yaa-Gly-Bindungen innerhalb der repetitiven Gly-X-Y-Kollagensequenz. Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal clostridialer Kollagenasen ist ihre Fähigkeit, natives, dreifach helikales Kollagen der Typen I, II und III in ein Gemisch kleiner Peptide zu verdauen. Dies erfolgt durch multiple Spaltungen innerhalb der Tripelhelix. Die Verdauung wird durch Hydrolyse dieser Fragmente zu einem Gemisch kleiner Peptide abgeschlossen. Im Gegensatz dazu initiieren Wirbeltier-Kollagenasen die Kollagenolyse durch eine einzelne Spaltung über alle drei Alpha-Ketten, wonach der weitere Angriff auf diese Alpha-Ketten stark begrenzt ist. Gelatinasen und andere Proteasen führen die Kollagenolyse erst nach Denaturierung der Tripelhelix fort.

Anwendungen

Aus Bakterien gewonnene Kollagenase wird hauptsächlich in klinischen und laboranalytischen Anwendungen eingesetzt. Klinische Anwendungen umfassen unter anderem die Traumatherapie sowie die Behandlung von lumbalen Bandscheibenbeschwerden und des Ischiasnervs etc.. Im Labor wird Kollagenase vor allem zur Isolierung von Leberzellen bei Mäusen und zum Abbau von Kollagen verwendet. Darüber hinaus kann Kollagenase durch Kollagenabbau auch zur Fleischzartmachung eingesetzt werden, was in der Lebensmittelindustrie von großer Bedeutung ist.