Biologi sel dermal dan Matriks seluler
Kolagen
Srtuktur
Protein yang termasuk kedalam golongan kolagen adalah komponen
fibrilar utama dari jaringan ikat dan protein ekstraselular utama dari tubuh
manusia. Peranan fisiologi dari serat-serat kolagen dalam kulit memberikan
sifat-sifat kenyal yang memungkinkan berfungsi sebagai pelindung terhadap
trauma eksternal. Dalam kulit manusia, serat-serat kolagen membentuk massa
matriks ekstraseluler dan terdiri dari > 70% dermis kering. Pemeriksaan
mikroskop cahaya dari kolagen pada jaringan ikat dermis menunjukan bahwa
kumpulan kolagen diendapkan sebagai tumpukan-tumpukan besar serat yang
tersusun secara beraturan. Kajian lebih lanjut menunjukan bahwa serat-serat ini
terdiri dari fibril dan mikrofibril. Mikrofibril-mikrofibril tersusun dengan cara
paralel, yang menghasilkan pola cross-striations yang bisa dilihat dengan
mikroskop elektron. cross-striations paling menonjol tampak sebagai pita-pita
berulang berjarak sekitar 70 mm.
Prototipe kolagen adalah kolagen tipe I, kolagen yang paling banyak di
dalam dermis dan jaringan ikat lainnya. Molekul kolagen tipe I mempunyai
massa molekul kira-kira 290 kDa dan terdiri dari tiga rangkai polipeptida, yang
masing-masing mempunyai masaa molekul sekitar 94 kDa. Ketiga polipeptida
ini dikenal sebagai rantai α, bergelung mengelilingi satu dengan lainnya seperti
1
halnya untaian-untaian tali. sehingga molekul kolagen mempunyai sebuah
struktur triple-helic. Helic ini memiliki karakteristik bentuk seperti batang kaku
terhadap molekul dengan ukuran kira-kira 1,5 x 300 nm.
Struktur khusus dari triple-helic kolagen sebagian besar bisa komposisi
asam amino yang tidak biasa dari ranta-rantai α. Masing-masing rantai α dari
kolagen tipe I mempunyai sekitar 1000 asam amino, dan glycin, asam amino
yang kecil menyumbang sekitar sepertiga dari jumlah total asam amino.
Perangkaian asam amino dari rantai α menunjukan bahwa glycin terdistribusi
merata pada polypeptida, yang menempati setiap posisi ketiga. Karena itu,
rantai polypeptida dari kolagen bisa dianggap sebagai triple berulang yang
direperesentasikan sebagai (X-Y-Gly) 333 . Posisi X dan Y dari rangkaian
berulang bisa ditempati oleh berbagai jenis asam amino, tetapi posisi X sering
ditempati oleh prolin dan posisi Y ditempati oleh Hydroxyprolin. Kedua asam
amino ini menyumbang sekitar 22% dari total komposisi asam amino dari
kolagen. Kandungan asam amino ini yang relatip tinggi dan distribusi
karakteristik glycin diperlukan untuk pembentukan triple-helic molekul
kolagen, dan hydroxyprolin memegang peranan penting dalam menstabilkan
triple-helic pada suhu fisiologik. Pembentukan triple-helic memberikan banyak
sifat unik terhadap kolagen dan penting untuk fibrillogenesis normal. Mutasi
yang mempengaruhi pembentukan triple-helic mencegah kolagen dari
pembentukan serat dan bisa menyebabkan cacat serius atas fungsi jaringan ikat.
2
Heterogenitas Genetik
Kolagen dalam jaringan binatang mengandung lebih tinggi asam amino
(prolin dan hydroxyprolin) dan glycin dalam jumlah yang sama. Namun
demikian, asam amino yang menempati posisi X dan Y dari rangkaian X-Y-Gly
berulang bisa bervariasi secara bermakna. Variasi dalam kandungan
hydroxyprolin dan hydroxylysin dijelaskan sebagian oleh panjangnya rantai
polypeptida yang dimodifikasi setelah translasi RNA pembawa kolagen
(mRNA). Jelas bahwa kolagen adalah golongan dari protein-protein yang
terkait erat namun berbeda secara genetik. Pada gen manusia terdapat sebanyak
25 gen berbeda yang memiliki rantai α dengan rangkaian asam amino yang
sedikit bervariasi, dan rantai α ini bersamaan setidaknya dengan 16 jenis
kolagen yang berbeda, yang diberi angka romawi. Selanjutnya beberapa protein
kolagen tambahan dapat diidentifikasi, sebagian besar melalui teknologi DNA
recombinant, tetapi tidak adanya informasi yang tepat tentang struktur dan
komposisi rantai –α dari kolagen ini mengesampingkan pemberian angka
Romawi kali ini. Selain kolagen yang sudah ditandai dengan jelas, segmen-
segmen kolagen triple-helic pendek ada dalam protein lainnya, yang meliputi
acetycholinesterase, komponen Clq dari sistem komplemen dan reseptor
pemakan makrofag. Akan tetapi, protein-protein ini tidak termasuk dalam
golongan kolagen karena domain kolagen bukanlah bagian dominan dari
molekul, dan protein-protein ini pada intinya tidak berfungsi sebagai
komponen-komponen srtuktural dari matriks ekstraseluler jaringan ikat.
3
Kolagen-kolagen yang berbeda secara genetik bisa dipisahkan
berdasarkan sifat-sifat fisikakimianya. persebaran peptida dengan pencernaan
enzymatik terbatas, atau bahan reaksi kimia seperti cyanogen bromida, yang
membelah polypeptida pada masing-masing residu methionyl, mempermudah
sebagian besar identifikasi bentuk-bentuk genetik kolagen yang berbeda.
Berdasarkan arsitektur serat dalam jaringan, kolagen-kolagen yang berbeda
secara genetik bisa dibagi dalam kelas-kelas yang berbeda. Kolagen tipe I, II,
III, dan V tersusun dalam fibril-fibril yang relatip besar dan karenanya
merupakan kolegan-kolagen pembentuk-fibril. Tipe IV tersusun dalam jaringan
yang saling bertautan, sementara tipe VI dan VII adalah kolagen-kolagen
pembentuk mikrofibril yang berbeda. Kelompok yang dideskripsikan baru-baru
ini, yang disebut dengan kolagen FACIT(Fibril-associated collagens with
interrupted Triple-helic) yang mencakup tipe IX, XII dan XIV, terkait dengan
serat kolagen yang lebih besar dan berfungsi sebagai jembatan molekular yang
penting untuk susunan dan stabilitas matriks ekstraseluler. Setidaknya ada
sepuluh jenis kolagen yang berbeda secara genetik, diidentifikasi dalam kulit
manusia,dan lokasi kromosom yang tepat dari gen diantaranya ada ditentukan
(Tabel 21-2). Jenis kolagen lainnya (II, IX, X, XI) tidak akan dibahas secara
rinci karena tidak ada di dalam kulit.
Kolagen tipe I, bentuk kolagen yang tersebar paling luas dan ditandai
paling ekstensif, pada intinya ditemukan didalam tulang dan tendon, juga
membentuk sebagian besar kolagen kulit. Pada dermis manusia dewasa,
4
kolagen tipe I menyumbang sekitar 80% dari total kolagen. Molekul kolagen
tipe I mengandung dua rantai α yang identik, yang ditandai dengan α I(I) dalam
komposisi asam amino-nya. Molekul-molekul kolagen yang terdiri dari tiga
rantai α I(I) yang identik juga terdeteksi , tetapi yang disebut dengan molekul
trimer α I(I) merupakan sebagian kecil dari kolagen dalam jaringan ikat yang
mensintesa polypeptida α I(I), seperti kulit. Kolagen tipe I dan III membentuk
serat ekstraseluler yang relatip luas yang pada dasarnya bertanggung jawab atas
elastisitas dermis manusia.
Kolagen tipe III, merupakan bentuk kolagen yang berbeda secara
genetik, dominan dalam jaringan ikat gastrointestinal dan vaskular, tetapi juga
menyumbang sekitar 10% dari total kolagen dalam dermis manusia dewasa.
Kolagen tipe III awalnya disebut dengan kolagen janin, karena dominan dalam
kulit manusia selama kehidupan embrio. akan tetapi sintesa tipe I dipercepat
selama periode pasca lahir awal hingga ratio kolagen tipe I dan III dalam kulit
manusia dewasa adalah ~6:1 kolagen tipe III terdiri dari tiga rantai α yang
identik , α I(III), yang dibedakan dari rantai kolagen tipe I yaitu ciri-ciri
kimianya yang berbeda seperti kandungan hydroxyprolin dan glycin yang
relatif tinggi dan keberadaan cystein.
Kolagen tipe IV adalah kolagen berbeda yang terdapat secara melimpah
dalam membran basal. Di dalam kulit, kolagen tipe IV ditemukan dalam
membran basal pada perbatasan dermis dan epidermis, terutama di dalam
5
lamina densa, tempat di mana kolagen ini membentuk pola, bukan serat kolagen
tipe I, II, dan III.
Kolagen tipe IV yang terdapat di dalam kulit manusia terdiri dari dari 2
rantai polypeptida, α I(IV) dan α2(IV). Bentuk utama dari kolagen tipe IV
adalah heterotrimer, [α (IV)]2α2(IV), walaupun kadang-kadang homopolymer,
[α (IV)]3 dan [α (IV)]3 bisa terangkai. Massa molekul dari rantai α I(IV) dan α
2(IV) masing-masing 185 kDa dan 175 kDa. Molekul kolagen tipe IV ditandai
oleh keberadaan interupsi-interupsi nonkolagen di dalam domain tripel-helic
yang dengan demikian memberikan fleksibilitas terhadap molekul. Baru-baru
ini tiga rantai α tambahan, α3(IV), α4(IV) dan α5(IV) yang teridentifikasi.
molekul kolagen tipe IV yang mengandung subunit polypeptida ini ternyata
pada dasarnya ditampilkan dalam membran basal glomerular.
Kolagen tipe V terdiri dari subgolongan kolagen-kolagen serupa yang
saling terkait yang mengandung empat jenis rantai α yang berbeda, yaitu α1(V),
α2(V), α3(V), dan α4(V). bentuk dominan di dalam kulit adalah [α1(V)]2 α2(V).
Kolagen tipe V sebagian besar ada di dalam jaringan ikat, kecuali kartilago
hyalin kolagen tipe V menyumbang 5% dari total kolagen dalam kulit manusia
dan fungsinya tidak diketahui. ini menunjukan bahwa sel-sel epidermal yang
bermigrasi memproduksi kolagen tipe V dan sintesanya secara berkelanjutan
merupakan prasyarat untuk migrasi sel-sel ini.
Kolagen tipe VI awalnya dianggap sebagai kolagen kecil didalam
jaringan seperti dermis. akan tetapi, peningkatan prosedur isolasi biokimia
6
membuktikan bahwa kolagen tipe VI merupakan komponen yang relatip
melimpah dalam berbagai jaringan, termasuk kulit. Telah terbukti bahwa
kolagen tipe VI adalah produk gen utama dari fibroblas kulit yang dikultur,
sebagimana ditentukan pada tingkat mRNA. Ternyata, hybridisasi molekuler
dengan cDNA spesifik-rangkaian manusia menunjukan bahwa ratio mRNA
kolagen tipe I dengan tipe VI dalam fibroblas kulit yang dikultur adalah sekitar
3:1, yang menunjukan bahwa kolagen tipe VI lebih melimpah daripada kolagen
tipe III di dalam kulit. Molekul-molekul kolagen tipe VI terdiri dari tiga rantai α
yang berbeda, α I (VI), α 2 (VI), dan α 3 (VI),yang berlipat menjadi domain
triple-helic dengan panjang 100 nm, dengan domain globular di kedua ujung
molekul. Kolagen tipe VI terangkai menjadi mikrofibril-mikrofibril yang relatip
kecil, membentuk jaringan yang terlepas dari serat-serat kolagen lebar yang
telah disebutkan sebelumnya. Pada dasarnya terdiri dari kolagen tipe I dan III.
Jaringan mikrofibril dapat melakukan suatu fungsi dengan cara menstabilkan
rangkaian serat-serat kolagen lebar. Kolagen tipe VI juga mengandung
rangkaian-rangkaian peptida yang berfungsi sebagai tempat pelekatan sel.
Kolagen tipe VII, merupakan komponen mayor yang terkandung dalam
fibril. juga dikenal sebagai kolagen rantai-panjang karena daerah triple-helic –
nya yang panjangnya sekitar 450 nm. ini hanya mempunyai satu tipe rantai α,
α1(VII), dan domain triple-helic mengandung ikatan disulfida antar rantai dan
tempat nonhelik sensitif-pepsin dekat dengan pusat molekul. Domain triple-
helic diapit oleh domain nonhelik besar yang awalnya dianggap berada di
7
terminus carboxcyl pendek tetapi sekarang diketahui berada diterminus amino.
juga ada domain nonhelik terminus- carboxyl pendek yang terbelah secara
ekstraseluler. Kolagen tipe VII merupakan unsur pokok dari fibril dan
membentang dari batas dermis-epidermis hingga ke dermis papilar. Molekul-
molekul kolagen tipe VII dapat tersusun dalam fibril-fibril melalui formasi
dimer-dimer antiparalel yang dihubungkan melalui ujung-ujung terminus
carboxcyl-nya. Domain non kolagen terminus amino dari kolagen tipe VII
dianggap berinteraksi di satu ujung dengan kolagen tipe IV di dalam membran
basal dermis-epidermis dan di ujung lainnya dengan struktur yang mengandung
kolagen tipe IV, yang dikenal sebagai plak-plak yang ditemukan dalam papilar
dermis. Susunan struktur fibril-fibril semacam ini bisa menstabilkan pelekatan
membran basal dermis-epidermis pada dermis dilapisan bawah. Dengan
demikian perubahan dalam tampilan, struktur atau interaksi molekular dari
kolagen tipe VII dan/ atau tipe IV bisa menghasilkan kerapuhan kulit. Kondisi
ini dicontohkan oleh epidermolisis bullosa (EB), kelompok penyakit
mekanobulosa turunan yang ditandai oleh pelepuhan kulit sebagai akibat dari
trauma kecil, Studi belakangan ini memastikan hubungan genetik yang kuat
antara mutasi (EB) dan lokus kolagen tipe VII (COL7AI) pada kromosom 3p
dalam beberapa golongan dengan bentuk distrofik dominan (EB). kelangkaan
kolagen tipe VII dan kelainan dalam fibril terlihat pada bentuk distrofik
dominan EB, fibril dan kolagen tipe VII tidak ada dalam sebagian kasus EB
distrofik resesif berat. kolagen tipe VII berfungsi sebagai autoantigen dalam
8
bentuk EB didapat. Pengamatan ini menunjukan dengan jelas bahwa cacat
genetik primer pada sebagian golongan dengan bentuk EB distrofik ada pada
gen kolagen tipe VII. Karena kolagen tipe VII (antigen EB aquisita) disintesa
oleh keratinosit epidermal dan fibroblas dermal yang dikultur, sistem kultur sel
ini memberi peluang untuk mengkaji tampilan gen kolagen tipe VII untuk
identifikasi rinci mutasi yang mendasari untuk EB distrofik pada golongan
dengan fibril abnormal.
Baru-baru ini beberapa antibodi monoklonal dikembangkan, antibodi ini
mengenali domain di dalam fibril, akan tetapi faktor-faktor antigen yang pasti
untuk antibodi ini dan hubungannya dengan kolagen tipe VII belum diketahui.
Kolagen tipe VIII berkenaan dengan molekul yang awalnya diisolasi
dari kultur sel-sel endotel dan jenis-jenis sel lainnya. Kolagen tipe VIII terdiri
dari dua polypeptida terpisah, α I (VIII), dan α 2 (VIII). Susunannya struktural
dan distribusi jaringan dari kolagen tipe VIII belum dipahami dengan jelas.
Kolagen tipe IX termasuk dalam kelompok kolagen-kolagen yang
ditandai baru-baru ini yang disebut kolagen-kolagen FACIT. Kolagen –
kolagen ini (tipe IX, XII, XIV) mengandung lebih dari satu domain triple-helic
yang dipisahkan oleh segmen-segmen nonkolagen. Kolagen-kolagen ini tidak
mengalami fase proteolytik dari proform yang lebih besar dan karenanya tidak
disekresikan sebagai prokolagen. Kolagen FACIT membentuk serat hanya
dengan kaitannya dengan kolagen fibrillar. sebagai contoh misalnya kolagen
tipe XII, yang terdiri dari tiga rantai α I (XII), yang identik, terlokalisasi di
9
dalam jaringan ikat padat yang terkait dengan kolagen tipe I. akan tetapi, kulit
menunjukan reaktivitas yang relatif kecil dengan antibodi spesifik-kolagen tipe
XII, dan penentuan kuantitas serta peran fisiologis yang pasti dari kolagen tipe
XII di dalam kulit masih harus dijelaskan.
Kolagen tipe XIII tersebar diman-mana dalam jumlah kecil disebagian
besar jaringan yang mengandung kolagen fibrillar utama, tipe I dan III. kolagen
tipe XIII juga ditemukan dalam jaringan yang tidak mengandung kolagen
fibrillar utama, seperti epidermis. peranan kolagen tipe XIII di dalam struktur
ini belum diketahui.
Kolagen tipe XIV termasuk dalam kelompok FACIT dan mempunyai
homologi struktural yang kuat dengan kolagen tipe XIII. Melalui analogi
dengan kolagen tipe IX, komponen yang telah ditandai dengan jelas dari
matriks kartilago, kolagen tipe XIV terorientasi paralel pada permukaan serat-
serat kolagen besar yang terdiri dari kolagen tipe I dan III. Kolagen tipe XIV,
seperti halnya kolagen FACIT lainnya. mungkin terlibat dalam penentuan
interaksi fibril-fibril kolagen dengan satu sama lainnya dan dengan komponen
matriks ekstraseluler lainnya.
Selain kolagen yang sudah ditandai, beberapa protein kolagen
diidentifikasi baru-baru ini melalui prosedur cloning molekular. Salah satu
molekul ini adalah antigen pemphigoid bulla 2 (BPAG2), suatu protein 180
kDA, yang dikenali oleh autoantibodi sirkulasi dalam serum sebagian pasien
penderita pemphigoid bulla atau herpes gestasionis. Antigen ini dilokalisasi
10
dengan mikroskop immunoelektron pada hemidesmosom di zona membran
basal dermis-epidermis kulit manusia. Cloning recombinant gen antigen
pemphigoid bulla 180-kDA. Baru-baru ini menunjukan keberadaan domain
kolagen dengan rangkaian Gly-X-Y berulang karakteristik, sebagaimana
disimpulkan dari rangkaian nukleotida dalam DNA komplemen dan genom.
Domain-domain kolagen ini dipisahkan oleh beberapa segmen nonkolagen
dengan berbagai ukuran. Dengan demikian, antigen pemphigoid bulla 180-kDA
adalah suatu protein yang ditandai oleh segmen-segmen kolagen dan
nonkolagen bergantian. Probe cDNA yang baru dikembangkan juga digunakan
untuk memetakan gen BPAG2 pada lengan panjang kromosom 10 manusia.
Lokasi ini berbeda dari kolagen yang didistribusikan sebelumnya dan juga
membedakan BPAG2 dan BPAG1, antigen pemphigoid bulla 230 kDA, yang
didistribusikan pada lengan pendek dari kromosom 6.
11
Kesimpulan
1. Kolagen adalah struktur pada kulit yang memberikan sifat-sifat kenyal
yang memungkinkan kulit bisa berfungsi sebagai organ pelindung
terhadap trauma eksternal.
2. Dalam tubuh manusia, serat kolagen membentuk massa matriks
ekstraseluler dan terdiri >70% berat dari dermis.
3. Prototipe kolagen terdapat 14 tipe, terdiri dari tipe I-XIV.
4. Kolagen tipe I, II, III, dan V merupakan kolagen-kolagen pembentuk
fibril.
5. Kolagen tipe I penyumbang 80%, tipe III sebanyak 10% dan sisanya
campuran dari kolagen tipe lain.
12