Kolagen: Różnice pomiędzy wersjami

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
[wersja przejrzana][wersja przejrzana]
Usunięta treść Dodana treść
m lit.
Artykuł napisany od nowa
Linia 1: Linia 1:
[[Plik:Collagentriplehelix.png|300px|thumb|Struktura jednostki tropokolagenu – tzw. potrójna helisa, złożona z 3 łańcuchów polipeptydowych]]
{{dopracować|więcej przypisów=2018-06}}
'''Kolagen''' – [[białka|białko]] [[białka fibrylarne|fibrylarne]] stanowiące główny składnik [[macierz pozakomórkowa|substancji międzykomórkowej]] organizmów zwierzęcych{{r|Czubak}}, nadające [[tkanka|tkankom]] odporność na [[rozciąganie]]{{odn|Alberts|2015|s=G:7}}. Występuje praktycznie we wszystkich [[tkanka zwierzęca|tkankach zwierząt]]{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=49}}{{odn|Hames|Harper|2018|s=800}}, pełniąc rolę głównego białka strukturalnego{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=49}}. Wytrzymałość kolagenu związana jest z powtarzającymi się [[sekwencja aminokwasów|sekwencjami]] [[peptydy|tripeptydowymi]] w trzech budujących go łańcuchach{{odn|Hames|Harper|2018|s=54}}, dzięki czemu możliwe jest wzajemnie owiniecie się tych łańcuchów i powstanie długiej, potrójnej helisy ([[helisa kolagenowa]]){{odn|Alberts|2016|s=141}}.
[[Plik:Collagentriplehelix.png|thumb|upright|Struktura jednostki tropokolagenu – tzw. potrójna helisa, złożona z 3 łańcuchów polipeptydowych]]
'''Kolagen''' – produkt na bazie [[białka]] pochodzący ze zwierzęcych kości, skór, skórek i ścięgien<ref>Rozporządzenie (WE) nr 853/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. ustanawiające szczególne przepisy dotyczące higieny w odniesieniu do żywności pochodzenia zwierzęcego ({{CELEX|32004R0853}}).</ref>.


Kolagen nie stanowi pojedynczego białka o określonej strukturze{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=49}}, występuje wiele typów kolagenów wykazujących pewne różnice w cechach strukturalnych i funkcjonalnych{{r|Czubak}}, stąd mówi się o kolagenach jako rodzinie białek{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=49}}. Wszystkie jednak zawierają przynajmniej jedną [[domena białka|domenę]] z potrójną helisą oraz tworzą [[chemia supramolekularna|supramolekularne]] agregaty w substancji międzykomórkowej{{r|Exposito}}. Typowo są nierozpuszczalnymi w wodzie pałeczkowatymi białkami włókienkowymi{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=49}}.
Ma on bardzo wysoką odporność na rozciąganie i stanowi główny składnik [[Ścięgno|ścięgien]]. Jest odpowiedzialny za elastyczność [[skóra|skóry]]. Ubytek kolagenu ze skóry powoduje powstawanie zmarszczek, w trakcie jej starzenia. Kolagen wypełnia także [[rogówka|rogówkę]] [[oko|oka]], gdzie występuje w formie krystalicznej. Kolagen jest powszechnie stosowany w [[kosmetyki|kosmetykach]], zwłaszcza w kremach i maściach przeciwzmarszczkowych. Stosuje się go też jako wypełniacz w [[Chirurgia plastyczna|chirurgii kosmetycznej]] – np. do wypełniania ust.


Kolagen jest najbardziej rozpowszechnionym białkiem zwierzęcym{{odn|Hames|Harper|2018|s=800}}. W organizmach [[kręgowce|kręgowców]] stanowi ok. 1/3 wszystkich białek{{r|Czubak}}. Jest głównym białkiem w [[skóra|skórze]], [[ścięgno|ścięgnach]] i [[kość|kościach]]{{odn|Alberts|2016|s=704}} – występuje tam najpowszechniejszy kolagen typu I. W [[tkanka chrzęstna|chrząstce]] występuje kolagen typu II, a w [[błona podstawna|błonie podstawnej]] – typu IV{{odn|Alberts|2015|s=G:7}}.
Kolagen stanowi powszechny składnik organizmów [[kręgowce|kręgowców]].


Kolagen wykorzystywany jest w przemyśle [[przemysł skórzany|skórzanym]], [[przemysł spożywczy|spożywczym]], [[kosmetyka|kosmetycznym]], [[biotechnologia|biotechnologicznym]] i [[farmacja|farmaceutycznym]]{{r|Krasnowska}}.
== Własności i budowa kolagenu ==
[[Plik:UnravelingColllagen 2up mid 1part.jpg|thumb|upright|[[Julian Voss-Andreae]]: ''Unraveling Collagen''<ref group=uwaga>Gra słów: ''unravel'' oznacza zarówno „rozplatać”, jak i „rozwikłać zagadkę”.</ref><ref group=uwaga>Rzeźba została wykonana na podstawie współrzędnych atomowych cząsteczki kolagenu z [[Protein Data Bank]].</ref>, 2005]]


== Charakterystyka kolagenu w tkankach zwierzęcych ==
Kolagen ma nietypowy skład [[aminokwasy|aminokwasów]]. Zawiera duże ilości [[glicyna|glicyny]] i [[prolina|proliny]] oraz dwa aminokwasy nie pochodzące bezpośrednio z [[translacja (genetyka)|translacji]] w [[rybosom]]ach – [[Hydroksyprolina|hydroksyprolinę]] i [[Hydroksylizyna|hydroksylizynę]], z czego tę pierwszą w dość dużych ilościach. Aminokwasy te są formowane z proliny i [[lizyna|lizyny]] już w gotowym produkcie translacji w [[enzymy|procesie enzymatycznym]], która wymaga obecności [[kwas askorbinowy|witaminy C]]. Szczegóły tego procesu wciąż nie są dobrze poznane. To właśnie ten proces wymaga konieczności występowania stałego stężenia witaminy C w organizmie, gdyż zablokowanie syntezy kolagenu skutkuje chorobą zwaną [[szkorbut]]em, polegającą na uszkodzeniach skóry, błon śluzowych i wypadaniu zębów.
Występowanie kolagenu bywa uznawane za charakterystyczną cechę [[organizm wielokomórkowy|wielokomórkowych organizmów]] [[zwierzęta|zwierzęcych]] (od [[gąbki|gąbek]] po [[człowiek]]a){{r|Valcourt}}. Kolagen jest głównym włóknistym składnikiem skóry, ścięgien, chrząstki, [[naczynie krwionośne|naczyń krwionośnych]], kości i [[zęby|zębów]]{{odn|Hames|Hooper|2002|s=53}}. W organizmach [[ssaki|ssaków]] stanowi ok. 25% całkowitej masy białek{{odn|Alberts|2016|s=704}}. W ścięgnach kolagen tworzy podłużne włókna, w skórze tworzy luźno utkaną sieć włókien{{odn|Hames|Hooper|2002|s=53}}. [[Skóra (surowiec)|Skóra garbowana]] w rzeczywistości jest wyprawionym kolagenem{{odn|Alberts|2016|s=704}}. W zębach i kościach sieć włókien kolagenu podtrzymuje ich strukturę niczym pręty stalowe w [[żelbet|zbrojonym betonie]]{{odn|Hames|Harper|2018|s=54}}.


Kolagen nadaje tkankom odporność na rozciąganie – szacuje się, że włókno kolagenowe o średnicy 1 mm nie zerwie się w wyniku zawieszenia na nim ciężarka o masie 10 kg{{r|Karp}}. Natomiast odporność na [[ściskanie]] nadają wypełniające wolne przestrzenie w substancji międzykomórkowej [[proteoglikany]] złożone z rdzenia białkowego i [[glikozoaminoglikany|glikozaminoglikanów]] (GAG){{odn|Alberts|2016|s=706}}. O ile w ścięgnach substancja międzykomórkowa składa się niemal wyłącznie z kolagenu (a w kościach z kolagenu i kryształów [[fosforan wapnia|fosforanów wapnia]]), to przejrzysta substancja galaretowata wewnątrz oka zbudowana jest niemal wyłącznie z jednego typu GAG i wody, z niewielką ilością kolagenu. Substancja międzykomórkowa może też być bogata w kolagen i jednocześnie w GAG, co charakteryzuje sprężyste i amortyzujące uderzenia chrząstki{{odn|Alberts|2016|s=704–708}}.
Rozpad kolagenu do aminokwasów stymuluje hormon glikokortykosterydowy [[kortyzol]]<ref>{{Cytuj pismo |nazwisko = Houck |imię = |autor link = |tytuł =Induction of Collagenolytic and Proteolytic Activities by AntiInflammatory Drugs in the Skin and Fibroblasts |czasopismo = Biochemical Pharmacology |wolumin = 17 |wydanie = 10 |strony = 2081–2090 |data = 10-1968 |wydawca = Elsevier Inc.|issn = |doi = 10.1016/0006-2952(68)90182-2}}</ref>.


Struktury te należą do [[tkanka łączna|tkanki łącznej]], która ochrania [[narząd]]y i zapewnia sprężystość, jeśli jest ona potrzebna{{odn|Hames|Harper|2018|s=800}}. Tkanka łączna od innych tkanek zwierzęcych wyróżnia się tym, że substancja międzykomórkowa jest w nich obfita i przenosi siły mechaniczne. Za ich wytrzymałość na rozciąganie odpowiada właśnie kolagen (dla porównania w strukturach roślinnych są to [[polisacharydy]] jak [[celuloza]]). W innych tkankach, np. w [[tkanka nabłonkowa|tkance nabłonkowej]], substancja międzykomórkowa występuje w niewielkiej ilości, komórki są ze sobą połączone bezpośrednio i same przenoszą siły mechaniczne{{odn|Alberts|2016|s=703–704}}. Zatem kolagen powstaje głównie w tkance łącznej{{odn|Alberts|2015|s=1061}}.
Inną rzadką cechą kolagenu jest regularność rozmieszczenia [[aminokwasy|aminokwasów]], w każdym z jego α-łańcuchów. Łańcuchy te składają się z regularnych triad aminokwasów: Gly-X-Y, gdzie Gly – to glicyna a X i Y to inne aminokwasy. Na ogół X to [[prolina]], zaś Y to [[hydroksyprolina]]. Niewiele innych białek wykazuje taką regularność. Regularność ta powoduje, że łańcuchy α mają tendencję do przyjmowania ściśle określonej [[konformacja|konformacji]], na skutek oddziaływań między sobą. Trzy cząsteczki kolagenu skręcają się spontanicznie w podjednostki zwane [[tropokolagen]]em. Tropokolagen ma strukturę potrójnej, ściśle upakowanej [[Helisa alfa|helisy]], o skoku tylko 0,3 nm ([[nano]]metra) w porównaniu ze skokiem 0,36 nm, typowym dla innych białek. [[Wiązanie kowalencyjne|Wiązania kowalencyjne]] i [[wiązanie wodorowe|wodorowe]] tworzone przez hydroksylizynę i hydroksyprolinę odgrywają kluczową rolę w stabilizowaniu helisy kolagenu, a także mają silny wpływ na ostateczny kształt włókien zbudowanych z kolagenu.


Kolagen produkowany jest przede wszystkim w [[fibroblast]]ach, a poza tym w [[chondroblasty|chondroblastach]], [[odontoblast|odontoblastach]] i [[osteoblasty|osteoblastach]]{{r|Kaur}}. Fibroblasty wydzielają także [[fibronektyna|fibronektynę]], [[glikoproteiny|glikoproteinę]] występującą w substancji pozakomórkowej i na powierzchni komórek. Wiąże ona agregujące włókna prokolagenowe i zmienia kinetykę tworzenia włókien{{odn|Hames|Harper|2018|s=803}}. Zawiera regiony wiążące kolagen, regiony wiążące proteoglikany oraz regiony wiążące specyficzne [[integryny]] występujące na powierzchni różnych typów komórek{{odn|Alberts|2015|s=1067}}.
== Rodzaje kolagenu ==
Kolagen występuje w wielu tkankach organizmu zwierząt a jego budowa jest zróżnicowana w zależności od funkcji i miejsca występowania. Generalnie rodzaje kolagenu dzieli się na 8 typów:
* typ I – jest to najbardziej powszechnie występujący rodzaj kolagenu w ludzkim organizmie. Jest on obecny w tkance tworzącej [[blizna|blizny]], w ścięgnach i tkance łącznej [[Kość|kości]]. Występuje on także w skórze, tkance podskórnej,
* typ II – występuje w [[chrząstka]]ch [[staw (anatomia)|stawowych]],
* typ III – występuje w tkance tworzącej się z [[fibroblast]]ów, w trakcie zabliźniania ran, zanim zostanie wytworzony kolagen typu I, tworzy włókna tkanki łącznej właściwej siateczkowej, włókna te wybarwiają się solami metali ciężkich np. srebrem (argentos),
* typ IV – występuje w [[błona podstawna|błonie podstawnej]] – mikrowłóknach międzytkankowych, tworzących cienkie membrany między różnymi tkankami organizmu,
* typ V – śródmiąższowy – występuje na granicy tkanki tworzącej blizny i tkanek na krawędzi blizn – występuje zawsze jako dopełnienie kolagenu typu I,
* typ VI – odmiana typu V – spełniająca tę samą funkcję,
* typ VII – występuje w [[tkanka nabłonkowa|tkance nabłonkowej]], m.in. w skórze i na powierzchni [[tętnica|tętnic]],
* VIII – występuje w [[Śródbłonek|śródbłonku]] – tkankach tworzących błony śluzowe i wnętrze żył i tętnic,
* IX, X, XI – występują w chrząstkach – razem z typem II,
* XII – występuje razem z typami I i III w wielu tkankach.


Kolageny w organizmach pełnią następujące funkcje:
Oprócz tego istnieje jeszcze 8 niesklasyfikowanych dotąd rodzajów kolagenu, których funkcja w organizmie nie jest wciąż wyjaśniona.
* utrzymują strukturalną integralność tkanek i narządów
* uczestniczą w rozwoju narządów i naprawie tkanek
* biorą udział w procesie gojenia ran
* tworzą interakcje ze specyficznymi receptorami, wpływając na [[adhezja|adhezję]], różnicowanie, wzrost i przeżywalność komórek{{r|Czubak}}.


== Zastosowanie kolagenu ==
== Typy i budowa kolagenu ==
[[Plik:Collagen biosynthesis (en).png|thumb|Schemat kolagenu od α-łańcuchów do włókna kolagenowego. Specyficzne ułożenie cząsteczek tropokolagenu powoduje to, że w obrazie z mikroskopu elektronowego widoczne są prążkowania]]
Kolagen ma wiele zastosowań, od żywności do [[Medycyna|medycyny]]. Na przykład jest on stosowany w [[Chirurgia plastyczna|chirurgii plastycznej]] i chirurgii oparzeń. Hydrolizowany kolagen może odgrywać ważną rolę w kontroli wagi. Jest on powszechnie stosowany w postaci osłonki kolagenowej do kiełbas oraz procesie tworzenia [[Żelatyna|żelatyny]], która jest wykorzystywana w wielu produktach spożywczych. Poza żywnością, żelatyna została wykorzystana w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym oraz w fotografii. Z żywieniowego punktu widzenia, kolagen jest dobrej jakości źródłem [[białka]], ponieważ zawiera wszystkie niezbędne aminokwasy<ref>{{Cytuj |autor = J. E. Eastoe |tytuł = The amino acid composition of mammalian collagen and gelatin |czasopismo = Biochemical Journal |data = 1955-12 |data dostępu = 2018-08-18 |issn = 0264-6021 |wolumin = 61 |numer = 4 |s = 589–600 |pmid = 13276342 |pmc = PMC1215839}}</ref>. Producenci [[Suplement diety|suplementów]] na bazie kolagenu twierdzą, że ich produkty mogą poprawić jakość skóry i paznokci, a także zdrowie stawów. Niemniej niedobór białka jest jedną z przyczyn złego stanu zdrowia tych organów. Kolagen jest powszechnie stosowany w chirurgii plastycznej, jako środek przyśpieszający regeneracje skóry po oparzeniach i rekonstrukcji kości. Stosowany jest również do różnorodnych celów dentystycznych, ortopedycznych i chirurgicznych (np. jest stosowany jako nośnik leków → [[Opatrunek|spongostan]]). Stosowany jest jako wypełniacz skóry przy zwalczaniu [[Zmarszczka nakątna|zmarszczek]] i starzeniu się skóry. Preparaty kolagenowe różnią się między sobą prawdopodobieństwem wywołania alergii, część z nich wymaga wykonania testów alergicznych przed zastosowaniem<ref>{{Cytuj pismo| autor = Dorota Żelaszczyk, Anna Waszkielewicz, Henryk Marona |tytuł = Kolagen – struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej|czasopismo = Estetologia Medyczna i Kosmetologia |rok = 2012 |wolumin = 2 |wydanie = 1 |strony = 14–20 |doi = 10.14320/EMK.2012.003|data dostępu = 2018-06-28}}</ref>. Jest składnikiem wielu kosmetyków, a również jest sprzedawany w swojej naturalnej formie jako krem oraz pigułki.
[[Plik:Fibers of Collagen Type I - TEM.jpg|thumb|Prążkowania widoczne we włóknach kolagenu typu I]]


Z ludzkich tkanek wyodrębniono ponad 28 typów kolagenu, które zbudowane są z ponad 30 różnych łańcuchów polipeptydowych, każdy kodowany przez osobny gen{{odn|Hames|Harper|2018|s=800–801}}. Wykazują one znaczącą różnorodność funkcjonalną i strukturalną{{r|Czubak}}. Choć wiele z tych typów występuje w niewielkiej ilości w organizmie, to jednak mogą odgrywać ważną rolę w nadawaniu tkankom odpowiednich właściwości. Istnieje też wiele białek, które nie należą do kolagenów, jednak mają domeny przypominające strukturalnie kolagen, stąd nazywane bywają białkami kolegenopodobnymi{{odn|Hames|Harper|2018|s=800–801}}.
Kolagen jest szeroko stosowany w budowie substytutów skóry, jest wykorzystywany przez organizm na każdym etapie gojenia się ran. Generalnie jest jednym z kluczowych zasobów naturalnych [[Tkanka nabłonkowa|tkanki skórnej]].


Kolageny mogą być białkami zbudowanymi z trzech identycznych łańcuchów polipeptydowych (tzw. homotrimery) lub z różnych (heterotrimery). Przykładowo kolagen typu I jest heterotrimerem złożonym z dwóch łańcuchów α1(I) i jednego łańcucha α2(I) (gdzie liczba rzymska oznacza typ kolagenu). Kolagen typu II jest natomiast homotrimerem zbudowanym z trzech łańcuchów α1(II). Geny kodujące łańcuchy kolagenu mają w nazwie przedrostek ''COL'', po nim typ kolagenu oznaczony cyfrą arabską, literę „A” i numer kodowanego łańcucha, np. za tworzenie łańcuchów kolagenu typu I odpowiedzialne są geny ''COL1A1'' i ''COL1A2''{{odn|Hames|Harper|2018|s=804}}.
Kolagen rybi odznacza się większą skutecznością niż kolageny, które wytwarzane są ze skór zwierząt hodowlanych, ponieważ jego cząsteczki są dużo mniejsze<ref>{{Cytuj |autor = Falguni Pati, Basudam Adhikari, Santanu Dhara |tytuł = Isolation and characterization of fish scale collagen of higher thermal stability |czasopismo = Bioresource Technology |data = 2010-05 |issn = 0960-8524 |wolumin = 101 |numer = 10 |s = 3737–3742 |doi = 10.1016/j.biortech.2009.12.133}}</ref>. Na podstawie wyjątkowego RNA ryby dorsza i innych ryb oceanicznych stwierdzono pozytywny wpływ przy wspomaganiu leczenia AZS i łuszczycy poprzez łagodzenie objawów<ref>{{Cytuj |autor = Vesa Koivukangas, Matti Kallionen, Jaakko Karvonen, Helena Autio-Harmainen, Juha Risteli |tytuł = Increased collagen synthesis in psoriasis in vivo |czasopismo = Archives of Dermatological Research |data = 1995-02 |data dostępu = 2018-08-18 |issn = 0340-3696 |wolumin = 287 |numer = 2 |s = 171–175 |doi = 10.1007/bf01262327 |język = en}}</ref><ref>{{Cytuj |tytuł = Effect of fructus Psoraleae and fish collagen peptid on the expression of ALP,typeⅠ collagen mRNA in cultured osteoblast MC3T3-E1 cell--《Pharmacology and Clinics of Chinese Materia Medica》2011年01期 |data dostępu = 2018-08-18 |opublikowany = en.cnki.com.cn |url = http://en.cnki.com.cn/Article_en/CJFDTOTAL-ZYYL201101019.htm}}</ref>.

Kolageny można podzielić na dwie główne grupy – kolageny fibrylarne i kolageny niefibrylarne{{r|Czubak}}. Kolageny fibrylarne są najczęściej spotykanym rodzajem. Mają łańcuchy polipeptydowe splecione w strukturę potrójnej helisy, które wynikają z długich, powtarzających się sekwencji aminokwasów (Gly-X-Y)<sub>n</sub>. W sekwencji tej w pozycji X często (choć nie zawsze) występuje [[prolina]], a w pozycji Y – [[lizyna]]{{odn|Hames|Hooper|2002|s=55–56}}. Kluczowa jest jednak [[glicyna]] (Gly) – co trzecia reszta aminokwasowa każdego polipeptydu wchodzi do środkowej części rdzenia potrójnej helisy i jedynie glicyna (jej reszta) jest na tyle małym aminokwasem, aby się tam zmieścić{{odn|Hames|Hooper|2002|s=55–56}}{{odn|Hames|Harper|2018|s=801}}.

W uogólnionym składzie aminokwasowym kolagenu 33% to glicyna, 10% to prolina. Poza tym występują aminokwasy, których nie spotyka się w większości innych białek jak [[hydroksyprolina|4-hydroksyprolina]] (10%), 3-hydroksyprolina (<0,5%) i [[hydroksylizyna|5-hydroksylizyna]] (1%){{odn|Puri|2011|s=77}}. Podobnie [[elastyna]] tworząca elastyczne włókna jest niestandardowo w porównaniu do innych białek bogata w glicynę i prolinę, ale w przeciwieństwie do kolagenu nie ulega [[glikozylacja|glikozylacji]]{{odn|Alberts|2015|s=1065}}.

Każdy z trzech łańcuchów występujących w kolagenie zbudowany jest z około 1000 reszt aminokwasowych i każdy skręca się w helisę charakterystyczną dla kolagenu (tzw. [[helisa kolagenowa]]). Na pełen skręt takiej helisy przypada 3,3 reszt, tj. mniej niż dla [[helisa alfa|helisy alfa]] (3,6 reszt). Łańcuchy ułożone są równolegle, owijają się jeden wokół drugiego{{odn|Hames|Hooper|2002|s=55–56}}. Trzy takie łańcuchy, każdy lewoskrętny, skręcając się dodatkowo wokół wspólnej osi, tworzą prawoskrętną, rozciągniętą superhelisę{{r|Czubak}}{{r|Schoukens}}. Odwrotny kierunek skręcenia pojedynczych łańcuchów i potrójnej helisy sprawia, że struktura ta jest szczególnie odporna na odwijanie pod wpływem rozciągania{{odn|Puri|2011|s=76}}.

Z takiej potrójnej helisy zbudowany jest tropokolagen, który jest podstawową jednostką strukturalną kolagenu{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=50}}. Struktura ta utrzymywana jest przez sieć wiązań wodorowych, zwłaszcza między [[grupa aminowa|grupą aminową]] glicyny jednej helisy a [[grupa karboksylowa|grupą karboksylową]] proliny w pozycji X innej helisy{{odn|Hames|Hooper|2002|s=55–56}}. Cząsteczki tropokolagenu (o średnicy 1,5 nm){{odn|Alberts|2016|s=705}} agregują we włókienka (fibryle){{odn|Hames|Hooper|2002|s=54}} (o średnicy 10–300 nm){{odn|Hames|Harper|2018|s=801–802}}, a w wyniku dojrzewania ulegają usieciowaniu poprzez wiązania poprzeczne, tworząc włókna kolagenu{{odn|Hames|Hooper|2002|s=54}} (o średnicy 1–20 μm){{odn|Hames|Harper|2018|s=801–802}}.

W typowej fibryli cząsteczki tropokolagenu są względem siebie przesunięte o 67 nm{{r|Morąg}} (64–67 nm){{r|Hulmes}} (nieco mniej niż jedna czwarta długości){{odn|Hames|Harper|2018|s=801–802}}, a w jednym rzędzie są oddalone od siebie o 35 nm{{r|Morąg}}. Taki układ w obrazie z [[mikroskop elektronowy|mikroskopu elektronowego]] prowadzi do uwidocznienia regularnych prążków{{odn|Hames|Harper|2018|s=801–802}}.

Kolageny niefibrylarne charakteryzują się brakiem ciągłości struktury helikalnej w wyniku braku ciągłości powtarzającej się sekwencji Gly-X-Y. Jej brak skutkuje wytworzeniem się fragmentów o strukturze globularnej (niekolagenowej). Kolageny niefibrylarne nie tworzą włókien, tworzą za to układy sieciowe. Do kolagenów niefibrylarnych można zaliczyć kolageny kotwiczące, transbłonowe, multipleksyny czy kolageny FACIT{{r|Czubak}}{{odn|Hames|Harper|2018|s=802–803}}.

{| class="wikitable"
|+Wybrane typy kolagenu{{r|Czubak}}{{r|Kaur}}{{odn|Hames|Harper|2018|s=801–802}}{{r|Lodish}}
!Typ
!Budowa
!Występowanie
!Inne cechy
|-
! colspan="4" |Kolageny fibrylarne (włókniste)
|-
|I
|[α1(I)]<sub>2</sub>[α2(I)]
|[[skóra]], [[ścięgno|ścięgna]], [[więzadło|więzadła]], [[kość|kości]], [[zębina]], inne tkanki łączne niebędące chrząstką
|włókno o dł. 300 nm
|-
|II
|[α1(II)]<sub>3</sub>
|[[tkanka chrzęstna|chrząstki]], [[ciało szkliste]], [[jądro miażdżyste]] (w [[krążek międzykręgowy|krążku międzykręgowym]])
|włókno o dł. 300 nm
|-
|III
|[α1(III)]<sub>3</sub>
|rozciągliwe tkanki łączne jak skóra, mięśnie, układ naczyniowy; często razem z typem I
|włókno o dł. 300 nm
|-
|V
|[α1(V)]<sub>2</sub>[α2(V)], [α1(V)]<sub>3</sub>
|rogówka, zęby, kości, łożysko, skóra, mięśnie gładkie; często razem z typem I
|włókno o dł. 390 nm, N-końcowy fragment globularny
|-
! colspan="4" |Kolageny tworzące układy sieciowe
|-
|IV
|[α1(IV)]<sub>2</sub>[α2(IV)]
|wszystkie błony podstawne
|
|-
|VIII
|[α1(VIII)]<sub>3,</sub> [α2(VIII)]<sub>3</sub>, [α1(VIII)]<sub>2</sub>α2(VIII){{r|Blum}}
|[[śródbłonek]], [[blaszka graniczna tylna rogówki|błona Descemeta]]
|tworzy heksagonalne układy sieciowe
|-
|X
|[α1(X)]<sub>3</sub>
|chrząstka hipertroficzna
|tworzy heksagonalne układy sieciowe
|-
! colspan="4" |Kolageny kotwiczące
|-
|VII
|[α1(VII)]<sub>3</sub>
|[[półdesmosomy]]
|najdłuższa domena trójhelikalna o dł. 420 nm
|-
! colspan="4" |Kolageny towarzyszące włóknom o przerywanej strukturze helisowej (FACIT)
|-
|IX
|[α1(IX)][α2(IX)][α3(IX)]
|chrząstki, ciało szkliste; towarzyszy kolagenowi typu II
|3 krótkie domeny kolagenowe zawierające 4 regiony globularne{{r|Czubak}}
|-
|XII
|α1[XII]<sub>3</sub>{{r|Czubak}}
|towarzyszy kolagenowi typu I
|
|-
! colspan="4" |Kolageny transbłonowe
|-
|XIII
|[α1(XIII)]<sub>3</sub>
|wiele tkanek, m.in. [[płytka nerwowo-mięśniowa]]
| rowspan="2" |kolageny transbłonowe mają N-koniec zatopiony wewnątrz komórki i domenę hydrofobową przechodzącą przez [[dwuwarstwa lipidowa|dwuwarstwę lipidową]] błony{{r|Czubak}}
|-
|XVII
|[α1(XVII)]<sub>3</sub>
|nabłonek, hemidesmosomy
|-
! colspan="4" |Multipleksyny - kolageny o licznych nieciągłych domenach o budowie helikalnej
|-
|XV
|[α1(XV)]<sub>3</sub>
|występuje w proteoglikanach, gdzie stanowi rdzeń białkowy połączony z [[siarczan chondroityny|siarczanem chondroityny]]; towarzyszy kolagenom błony podstawnej
|stabilizuje mięśnie szkieletowe i mikronaczynia
|-
|XVIII
|[α1(XVIII)]<sub>3</sub>
|towarzyszy kolagenom błony podstawnej
|utrzymuje strukturalną integralność błony podstawnej; bliski homolog kolagenu typu XV
|}

Charakterystyczny motyw potrójnej helisy zidentyfikowano także w białkach [[wirus]]ów, [[bakteria|bakterii]], [[grzyby|grzybów]], a także w pewnych białkach zwierzęcych, które nie należą do rodziny kolagenów (białka kolagenopodobne){{r|Valcourt}}. Do takich kolagenopodobnych białek należą m.in. [[kolektyny]], białko [[C1q]] układu [[dopełniacz (biologia)|dopełniacza]], [[receptory zmiatacze]] klasy A{{r|Lodish}}.


== Biosynteza kolagenu ==
== Biosynteza kolagenu ==
[[Plik:4-hydroxyproline (Hyp).jpg|thumb|upright|4-Hydroksyprolina z zaznaczoną grupą hydroksylową]]
[[Biosynteza]] kolagenu przebiega w 4 etapach<ref>''Biochemia'', pod red. Victora L. Davidsona i Donalda B. Sittmana.</ref>:
[[Plik:4-hydroxylysine (Hyl).jpg|thumb|5-Hydroksylizyna z zaznaczoną grupą hydroksylową]]
[[Plik:Glycosylation du collagène.jpg|thumb|Glikozylacja hydroksylowych reszt hydroksylizyny]]
[[Plik:Tropocollagen cross-linkage lysyl oxidase (EN).svg|thumb|Tworzenie się wiązań poprzecznych między cząsteczkami tropokolagenu]]


W [[Biosynteza|biosyntezie]] kolagenu można wyróżnić trzy główne etapy: syntezę na siateczce śródplazmatycznej szorstkiej (ER), potranslacyjną obróbkę w świetle ER oraz obróbkę pozakomórkową.
1. '''Synteza na retikulum endoplazmatycznym szorstkim'''


Polipeptydowe łańcuchy kolagenu (nazywane α-łańcuchami){{r|Karp}} zsyntetyzowane na [[siateczka śródplazmatyczna szorstka|siateczce śródplazmatycznej szorstkiej]], podobnie większość innych białek, które mają być wydzielone, powstają w postaci prekursorowej jako cząsteczki preprokolagenu{{odn|Hames|Harper|2018|s=800–803}}. Preprokolagen zawiera sekwencję sygnałową, która kieruje łańcuch do cystern siateczki śródplazmatycznej w celu potranslacyjnej obróbki. W świetle ER następuje usunięcie peptydu sygnałowego (przez enzym peptydazę sygnałową, zmieniając tym samym preprokolagen w prokolagen), hydrolizacja reszt proliny i lizyny oraz glikozylacja w cząsteczce{{odn|Hames|Harper|2018|s=800–803}}{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=50–53}}.
Pierwsze łańcuchy alfa-kolagenu mają postać preprokolagenu. Przedrostek „pre” w tej nomenklaturze odnosi się do peptydowych sekwencji sygnałowych, które kierują translacją mRNA alfa-łańcucha na RE. Dodatkowo, poza sekwencjami sygnałowymi jest 150 reszt na N-końcu i 250 aminokwasów na C-końcu, które są niezbędne do prawidłowego uformowania kolagenu, ale które są odcinane przy przekształceniu prokolagenu do kolagenu. Sekwencje nazywane są propeptydami.


Hydroksylacja reszt proliny i lizyny zachodzi przy udziale enzymów:
2. '''Potranslacyjna obróbka wewnątrz RE'''
* hydroksylazy lizyny – przekształca lizynę w sekwencjach X-Lys-Gly do 5-hydroksylizyny
* prolilo-4-hydroksylazy – zamienia prolinę w sekwencjach X-Pro-Gly do 4-hydroksyproliny
* prolilo-3-hydroksylazy – przekształca prolinę w sekwencjach Hyp-Pro-Gly do 3-hydroksyproliny{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=50–53}}.


Powyższe enzymy, [[hydroksylaza lizynowa]] i [[hydroksylaza prolinowa]], mają w swoim centrum aktywnym jon Fe<sup>2+</sup>, poza tym wymagają [[kwas askorbinowy|kwasu askorbinowego]] (witaminy C), aby utrzymywać go w stanie zredukowanym, a substratami reakcji są [[tlen]] i [[kwas α-ketoglutarowy|α-ketoglutaran]]. Reakcja wygląda zatem następująco{{odn|Hames|Hooper|2002|s=54–55}}:
Następuje usuniecie peptydu sygnałowego (przez enzym peptydazę sygnałową). Zmienia to preprokolagenową postać łańcuchów alfa w strukturę prokolagenu.


prolina/lizyna + α-ketoglutaran + O<sub>2</sub> → hydroksyprolina/hydroksylizyna + bursztynian + CO<sub>2</sub>.
Następnym etapem jest hydroksylacja reszt proliny i lizyny. Potrzebne do tego są trzy enzymy:
* Hydroksylaza lizyny – przekształca lizynę w sekwencjach X-Lys-Gly do 5-hydroksylizyny
* Prolilo-4-hydroksylaza – zamienia prolinę w sekwencjach X-Pro-Gly do 4-hydroksyproliny
* Prolilo-3-hydroksylaza – przekształca prolinę w sekwencjach Hyp-Pro-Gly do 3-hydroksyproliny
Opisane reakcje wymagają jonów Fe<sup>2+</sup>, kwasu askorbinowego, tlenu i alfa-ketoglutaranu w reakcji:


Hydroksylowane aminokwasy stabilizują strukturę kolagenu poprzez tworzenie [[wiązanie wodorowe|wiązań wodorowych]]{{odn|Puri|2011|s=78–79}}. Niedobór witaminy C prowadzący do powstania mniejszej ilości takich hydroksylowanych aminokwasów skutkuje osłabieniem włókien kolagenu i wywołuje charakterystyczne objawy [[szkorbut]]u jak kruche naczynia krwionośne, nieprawidłowy rozwój kości, zaburzone gojenie się ran{{odn|Puri|2011|s=78–79}}{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=53–55}}.
reszta aminokwasowa + kwas askorbinowy + O<sub>2</sub> + hydorksylaza alfa-ketoglutaranu →hydroksy aminokwas + bursztynian


Kolejną modyfikacją potranslacyjną jest glikozylacja – reszty cukrowe (zwykle tylko [[glukoza]], [[galaktoza]] oraz budowane przez nie [[disacharydy|dwucukry]]) przyłączane są do nowo powstałych hydroksylowych reszt hydroksylizyny (co nie jest typowym rodzajem glikozylacji dla białek). W zależności od tkanki udział wagowy cukrowców wynosi 0,4–12%{{odn|Hames|Hooper|2002|s=55–56}}.
Oprócz reakcji hydroksylacji, utworzenie stabilnej potrójnej helisy wymaga glikozylacji.
* Reszty galaktozy są odłączane od galaktozourydynodifosforanu (UDP) i przyłączane do modyfikowanych reszt hydroksylizyny przez galaktozylotransferazę.
* Reszty glukozy są odłączane od glukozourydynodifosforanu (UDP) i przyłączane do modyfikowanych reszt hydroksylizyny przez glukozylotransferazę.
* C-końcowe asparaginy propeptydów ulegają N-glikozylacji.
Dalej następuje tworzenie wiązań disiarczkowych między- i wewnątrzłańcuchowych w celu prawidłowego dopasowania do siebie łańcuchów alfa przed uformowaniem potrójnej helisy.


Na tym etapie prokolagen ma dodatkowe reszty aminokwasowe (100–300){{odn|Puri|2011|s=78–79}} o masie cząsteczkowej 20–35 kDa umieszczone na [[koniec N|aminowym]] i [[koniec C|karboksylowym końcu]]. Są to tzw. ''peptydy ekstensyjne''{{odn|Hames|Harper|2018|s=803}} (zwane też ''telopeptydami''){{odn|Hames|Hooper|2002|s=57}}, których w dojrzałym kolagenie nie ma. Zawierają one reszty [[cysteina|cysteinowe]], z udziałem których tworzone są wewnątrz– i międzyłańcuchowe [[mostek dwusiarczkowy|mostki dwusiarczkowe]]. Umożliwiają one odpowiednie ułożenie trzech łańcuchów polipeptydowych przy formowaniu się potrójnej helisy (bez udziału [[enzymy|enzymów]]){{odn|Hames|Harper|2018|s=803}}.
Po uformowaniu superhelisy prokolagen jest transportowany do aparatu Golgiego, gdzie zachodzi ostateczna O-glikozylacja, po czym cząsteczki prokolagenu są pakowane do pęcherzyków transportowych i transportowane poza komórkę.


Prokolagen jest transportowany do [[aparat Golgiego|aparatu Golgiego]]{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=50–53}}, gdzie do niektórych reszt hydroksylizyny przyłączana jest galaktoza lub galaktozyloglukoza [[wiązanie O-glikozydowe|wiązaniem O-glikozylowym]]{{odn|Hames|Harper|2018|s=801}}, po czym cząsteczki prokolagenu są pakowane do pęcherzyków transportowych i wydzielane poza komórkę{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=50–53}}. Poza komórką w wyniku działania aminoproteinazy prokolagenowej i karboksypeptydazy prokolagenowej zostają odłączone peptydy ekstensyjne, w wyniku czego powstaje [[tropokolagen]]{{odn|Hames|Harper|2018|s=803}}.
3. '''Obróbka pozakomórkowa'''


Trójhelikalne cząsteczki tropokolagenu ulegają spontanicznej agregacji w przesuniętym ustawieniu głową do ogona, która prowadzi do powstania włókienek kolagenowych{{odn|Hames|Harper|2018|s=803}}{{odn|Hames|Hooper|2002|s=58}}. Z czasem w wyniku dojrzewania kolagenu następuje wytworzenie kowalencyjnych wiązań poprzecznych wewnątrz cząsteczek tropokolagenu i pomiędzy nimi, co zwiększa wytrzymałość i sztywność struktury{{odn|Hames|Hooper|2002|s=58}}{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=50–53}}. Mówi się wówczas już nie o włókienkach, a o włóknach kolagenowych{{r|Tres}}{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=52–53}}. Te poprzeczne wiązania nie są wiązaniami dwusiarczkowymi, jakie często występują w innych białkach, ale są utworzone między lizyną a jej aldehydową pochodną [[allizyna|allizyną]] przy udziale enzymu [[oksydaza lizynowa|oksydazy lizynowej]]. Enzym ten zawiera miedź i do działania wymaga obecności [[fosforan pirydoksalu|fosforanu pirydoksalu]] (witaminy B6){{odn|Hames|Hooper|2002|s=58}}.
Podczas sekrecji prokolagenu, N- i C- końcowe propeptydy są usuwane przez peptydazy prokolagenowe z utworzeniem tropokolagenu. Nowo utworzona cząsteczka tropokolagenu sama agreguje, tworząc włókienka. Każdy tropokolagen asocjuje równolegle, otoczony w koło czterema innymi tropokolagenami, tworząc kolagenowe włókienko, które razem tworzą włókna kolagenu.


Synteza kolagenu jest stymulowana przez uszkodzenie tkanek – fibroblasty migrują do miejsca [[rana|rany]], gdzie wytwarza się [[blizna|tkanka bliznowata]] złożona głównie z kolagenu. Podobnie miejsca po śmierci komórek miąższowych są wypełniane przez tkankę łączną bogatą w kolagen, np. przy [[marskość wątroby|zwłóknieniu wątroby]]{{odn|Puri|2011|s=81–82}}.
4. '''Dojrzewanie'''


Okres półtrwania kolagenu wynosi do kilku miesięcy. Rozpad kolagenu (i zastępowanie go nowym) występuje podczas normalnego rozwoju i wzrostu, a także przy naprawie tkanek{{odn|Puri|2011|s=79–80}} – w przestrzeni zewnątrzkomórkowej jest nieustannie syntetyzowany i rozkładany. Potrójne helisy są odporne na działanie proteaz takich jak np. [[pepsyna]], [[trypsyna]], [[chymotrypsyna]]{{r|Czubak}}. Degradacja następuje z udziałem [[kolagenazy|kolagenaz]] – pozakomórkowych proteinaz zawierających cynk{{odn|Puri|2011|s=79–80}} ([[metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej]]{{r|Czubak}} – MMP-1, MMP-8, MMP-13){{r|Morąg}}, które przecinają wiązanie Gly-Ile w każdej z trzech nici tropokolagenowych. Wówczas białko to spontanicznie denaturuje się i jest podatne na działanie kilku wewnątrzkomórkowych proteaz (np. [[katepsyny|katepsyn]]). Komórki [[nowotwór|nowotworowe]] mogą mieć zdolność wytwarzania kolagenazy, aby ułatwić sobie [[przerzut nowotworowy|rozsiew]]{{odn|Puri|2011|s=79–80}}. Kolagenazy biorą także udział podczas [[zapalenie stawów|zapalenia stawów]] w rozkładzie chrząstki{{odn|Alberts|2016|s=705}}.
Wewnątrz- i międzycząsteczkowe usieciowanie tropokolagenu tworzy się z czasem, co powoduje powolne dojrzewanie kolagenu.


== Konsekwencje nieprawidłowej budowy kolagenu ==
Pod wpływem oksydazy lizynowej tworzą się aldehydy lizyny i hydroksylizyny, pomiędzy którymi może występować poprzeczne usieciowanie.
Nieprawidłowości w genach kodujących kolagen czy w potranslacyjnej modyfikacji kolagenu (np. ze względu na brak [[kofaktory|kofaktorów]] niezbędnych dla działania enzymów) skutkują chorobami związanymi z nieprawidłową budową tego białka w organizmie, a przez to brakiem odpowiedniej wytrzymałości{{odn|Puri|2011|s=80}}. Do takich chorób zalicza się m.in.:
* [[zespół Ehlersa-Danlosa]] związany z nadmierną rozciągliwością skóry, podatnością tkanek na urazy i zwiększoną ruchomością stawów
* [[zespół Alporta]] związany z nieprawidłowościami w błonie podstawnej
* [[epidermoliza pęcherzowa]] związana z pękaniem skóry i tworzenie się pęcherzy nawet w wyniku niewielkich urazów{{odn|Hames|Harper|2018|s=804–805}}
* [[wrodzona łamliwość kości|łamliwość kości]]{{odn|Puri|2011|s=81–82}}
* [[szkorbut]] wynikający z niedoboru witaminy C (kwasu askorbinowego), która jest kofaktorem w reakcjach hydroksylacji proliny i lizyny{{odn|Davidson|Sittman|2002|s=53–54}}


Do innych nieprawidłowości należy [[latyryzm]] związany ze spożyciem nasion [[groszek pachnący|groszku pachnącego]] zawierających β-aminopropionitryl. Związek ten nieodwracalnie hamuje aktywność oksydazy lizynowej, zaburzając tworzenie poprzecznych wiązań w kolagenie{{odn|Hames|Hooper|2002|s=58}}.
Pomiędzy aldehydami powoli tworzy się również kowalencyjne aldonowe poprzeczne usieciowanie, które nadaje dojrzałemu kolagenowi część jego siły rozciągania. Tworzy się ono powoli, ale w sposób ciągły podczas całego życia, w wyniku czego kolagen zaczyna tracić część swojej elastyczności. Jest to uboczny efekt starzenia.

{| class="wikitable"
|+Choroby związane z różnymi typami kolagenu{{r|Kaur}}
!Typ kolagenu
!Powiązane choroby w przypadku nieprawidłowości
!Odpowiedzialne geny lub inne czynniki
|-
|I
|łamliwość kości ''(osteogenesis imperfecta),'' zespół Ehlersa-Danlosa typu VII (postać stawowa)
|''COL1A1, COL1A2''
|-
|II
|[[dysplazje kręgosłupowo-nasadowe]], [[achondrogeneza]], hipochondrogeneza, dysplazja Kniesta, [[zespół Sticklera]]
|''COL2A1''
|-
|III
|zespół Ehlersa-Danlosa typu IV (postać naczyniowa)
|''COL3A1''
|-
| rowspan="3" |IV
|dziedziczna angiopatia z zespołem nefropatii, tętniaków i skurczów mięśni (HANAC)
|''COL4A1''
|-
|[[zespół Alporta]]
|''COL4A3, COL4A4, COL4A5''
|-
|[[zespół Goodpasture’a]]
|autoimmunologiczny
|-
|V
|zespół Ehlersa-Danlosa typu I i II (postać klasyczna)
|''COL5A1, COL5A2''
|-
|VIII
|dystrofie śródbłonka rogówki
|''COL8A2''
|-
| rowspan="2" |IX
|dysplazja wielonasadowa
|''COL9A1, COL9A2''
|-
|zespół Sticklera
|''COL9A1''
|-
|X
|chondrodysplazja przynasadowa typu Schmida
|''COL10A1''
|-
| rowspan="2" |XVII
|pęcherzowe oddzielanie się naskórka w obrębie błony podstawnej
|''COL17A1''
|-
|pemfigoid pęcherzowy
|autoimmunologiczny
|-
|XVIII
|zespół Knoblocha
|''COL18A1''
|}

== Kolagen w sztuce kulinarnej ==
Słowo kolagen pochodzi z języka greckiego κόλλα/kolla – ''klej'' i γεννάω/gennáo – ''rodzić''{{r|Janicki}}. Nazwa nawiązuje do tego, że gotując kości i skóry zawierające kolagen można go rozłożyć i otrzymać lepką mieszaninę zawierającą [[żelatyna|żelatynę]], której można użyć jako klej{{r|Lommel}}. W kontekście żywności kolagen jest to produkt na bazie [[białka]] pochodzący ze zwierzęcych kości, skór, skórek i ścięgien, natomiast żelatyna to naturalne rozpuszczalne białko, żelujące lub nieżelujące, uzyskane w wyniku częściowej [[hydroliza|hydrolizy]] takiego kolagenu<ref>Rozporządzenie (WE) nr 853/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. ustanawiające szczególne przepisy dotyczące higieny w odniesieniu do żywności pochodzenia zwierzęcego ({{CELEX|32004R0853}}).</ref>.

Kolagen w stanie natywnym posiada znaczną zdolność wiązania i utrzymywania wody; obniża ją dodatek [[chlorek sodu|chlorku sodu]] ([[sól kuchenna|soli kuchennej]]){{r|Krasnowska}}.

W przemyśle spożywczym kolagen może być używany do poprawienia elastyczności, stabilności i konsystencji produktu{{r|Hashim}}, do modyfikacji parametrów [[reologia|reologicznych]]{{r|Krasnowska}}. Stosowany jest jako [[dodatki do żywności|dodatek do żywności]] w produkcji [[kiełbasa|kiełbas]], może tworzyć jadalne błony, np. jako [[osłonka (wędliny)|osłonki do kiełbas]]. Źródłem komercyjnego kolagenu są skóry i kości niektórych kręgowców, przede wszystkim świń i bydła{{r|Hashim}}; tworzy się z niego żelatynę metodami chemiczno-termicznymi{{r|Krasnowska}}.

=== Rozmieszczenie kolagenu w mięsie ===
[[Plik:Tendon anatomy - Tendon Epimysium Fascicle Fiber Fibril etc -- Smart-Servier.jpg|250px|thumb|Struktura ścięgna]]
[[Plik:Kycklingfilé.jpg|thumb|250px|Mięso z piersi kurczaka z widocznymi białymi fragmentami stanowiącymi tkankę łączną bogatą w kolagen]]

Kolagen to główny składnik śródmięśniowej tkanki łącznej, która stanowi ok. 2–6 % całkowitej zawartości białek w [[mięso|mięsie]]. Gruba, odporna na rozciąganie tkanka łączna otaczająca [[mięśnie szkieletowe]] nazywana jest [[omięsna|omięsną]] zewnętrzną (''epimysium''){{r|Janicki}}. Włókna mięśniowe skupione w małe pęczki (wiązki) otoczone są przez pierwotną omięsną wewnętrzną (''primary perimysium'') i zebrane w większe pęczki wtórne otoczone grubszą omięsną wewnętrzną wtórną (''secondary perimysium''). Grubość warstw omięsnej wewnętrznej jest zależna od rodzaju mięśni, gatunku i rasy zwierzęcia oraz jego wieku. Pojedyncze włókna mięśni są otoczone cienką [[śródmięsna|śródmięsną]] (''endomysium''){{r|Janicki}}.

Omięsne tworzą sieć kolagenu i elastyny w mięśniach, śródmięśniową tkankę łączną, która istotnie wpływa na teksturę mięsa. Kruchość mięsa generalnie zależy od zawartości, składu i struktury śródmięśniowej tkanki łącznej, jak również od stopnia poubojowej degradacji [[miofibryle|miofibryli]] i [[cytoszkielet]]owych włókien mięśniowych. [[Proteoliza]] białek podczas poubojowego dojrzewania mięsa sprzyja nabieraniu kruchości. Objawem tej proteolizy jest zwiększająca się rozpuszczalność rozpadającego się kolagenu{{r|Janicki}}.

Duża zawartość kolagenu w mięsie obniża jego kruchość, strawność i zmniejsza [[wartość odżywcza|wartość odżywczą]]. Kolagen nie jest [[białka pełnowartościowe|białkiem pełnowartościowym]] ze względu na to, że nie zawiera [[tryptofan]]u oraz ma niską zawartość aminokwasów siarkowych i aromatycznych{{r|Janicki}}.

Z wiekiem zwierzęcia rośnie udział kolagenu w składzie białek mięsa, a co więcej, zwiększa się w nim liczba wiązań poprzecznych. To dlatego mięso młodych zwierząt jest delikatniejsze i mniej „żylaste”{{odn|Puri|2011|s=81-82}}. Przykładowo 20-dniowy kurczak ma 12% mniej całkowitego kolagenu, a w nim 12 razy mniej wiązań poprzecznych w porównaniu do kurczaka półtorarocznego{{odn|Provost|2016|s=282–283}}.

=== Obróbka cieplna kolagenu i poprawa kruchości mięsa ===
Długa, powolna obróbka cieplna mięsa przy obecności wody (jak np. przy [[duszenie (gotowanie)|duszeniu]]) powoduje rozpad bądź rozpuszczenie kolagenu, zamieniając go w żelatynę. Niezbędna woda jest obecna w surowym mięśnie, w tkance mięśniowej, ale długotrwała obróbka cieplna na sucho stwarza ryzyko wyparowania nadmiernej ilości wody i wysuszenia mięsa. W przemianie kolagenu pomagają kwasy pochodzące np. z [[marynata|marynaty]], dodanych pomidorów czy [[wino|wina]], oraz enzymy, zarówno naturalnie występujące w mięsie, jak i dodane (np. [[papaina]]){{odn|Gisslen|2015|s=453–454}}.

Sucha obróbka cieplna (np. [[grill]]owanie) nadaje się bardziej dla kawałków mięsa o dobrej kruchości, powinna być krótka, w przeciwnym razie mięso może stać się suche, chyba że pieczony kawał jest duży{{odn|Gisslen|2015|s=470}}. Przy mokrej, długotrwałej obróbce usuwanie kolagenowych ścięgien nie jest konieczne{{odn|Gisslen|2015|s=365}}; tworząca się z kolagenu żelatyna jest pożądana, nadaje odpowiednią teksturę i utrzymuje wilgotność mięsa{{r|Potter}}. W przypadku suchej obróbki mięso zawierające dużo kolagenu (który nie zdąży się rozłożyć) może być nieprzyjemnie gumowate i zdeformowane{{odn|Gisslen|2015|s=365}}. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem dostarczanej energii kolagen kurczy się nawet do 1/3, 1/4 początkowej długości{{r|Potter}}, wyciskając z mięsa wodę (i pozbawiając go pożądanej soczystości){{odn|Provost|2016|s=302}}. Najlepsi kucharze zajmujący się grillowaniem potrafią zastosować powolną obróbkę cieplną, zachowując jednocześnie jak najwięcej soków w mięsie{{odn|Provost|2016|s=302}}.

W wielu przepisach poleca się po obróbce cieplnej odstawić mięso na kilka-kilkanaście minut. Pozwala to na zatrzymanie większej ilości soków między włóknami przez odtwarzanie się wiązań wodorowych{{odn|Provost|2016|s=302}}.

Można uogólnić, że kolagen zaczyna [[denaturacja białka|denaturować]] w temperaturze 52°C, kurczyć się przy 58°C, a przy 68°C rozpada się, przekształcając w rozpuszczalną żelatynę{{r|Farrimond}}. Przykładowo w temperaturze ok. 71°C (panującej we wnętrzu mięsa) cały kolagen wołowy będzie zdenaturowany i przekształcony w żelatynę, a przy temperaturze 74–77°C panującej we wnętrzu mocno wysmażonych steków (''well done'') mięso będzie pozbawione większości wody, wszystkie białka będą zdenaturowane, a cała [[mioglobina]] przekształcona w brązowy [[hemichrom]]{{odn|Provost|2016|s=300–301}}.

Mięso ryb zawiera znacznie mniej kolagenu niż [[wołowina]] czy [[wieprzowina]] i ma on dodatkowo ma mniej wiązań poprzecznych. Ponadto pewne różnice w składzie aminokwasowym przyczyniają się do faktu, że rybi kolagen denaturuje i rozpuszcza się w niższych temperaturach w porównaniu do kolagenu zwierząt lądowych{{odn|Provost|2016|s=282–283}}. Sporo kolagenu znajduje się za to w [[kałamarnice|kałamarnicach]] i [[ośmiornice|ośmiornicach]] – ich obróbka polega na ich szybkim usmażeniu, aby zachować białka w natywnej formie lub na długim ogrzewaniu, aby doszło do rozpadu kolagenu. W innym przypadku mięso będzie gumowate w teksturze{{r|Potter}}.

Kości na [[zupa|zupę]] są często gotowane na wolnym ogniu, aby przekształcić kolagen w żelatynę i wytworzyć bazę dla zup, nadając nieco gęstości{{odn|Provost|2016|s=302}}. Kolagen może również zagęszczać [[sos]]y{{r|Farrimond}}.

[[Elastyna]] z kolei nie ulega rozkładowi podczas obróbki kulinarnej, a jej udział zwiększa się w mięsie starszych zwierząt. W celu poprawienia kruchości mięsa odcina się ścięgna oraz mechanicznie rozbija włókna poprzez jego tłuczenie, krojenie w kostkę, krojenie w plastry w poprzek włókien czy [[mięso mielone|mielenie]]{{odn|Gisslen|2015|s=453–454}}.

== Kolagen w garbarstwie ==
[[Plik:Gerber.jpg|thumb|[[Wyprawianie skóry]] historycznymi metodami]]

[[Skóra (surowiec)|Skóra]] jako surowiec to wyprawiona powłoka ciała (skóra) kręgowców uzyskiwana przez chemiczną stabilizację włóknistego kolagenu, jej głównego składnika{{r|Haines}}. Od dziesiątków lat najczęściej stosuje się sole [[chrom]]owe. Polega to na sieciowaniu [[garbniki|garbnika]] (chromu) z wolnymi [[grupa karboksylowa|grupami karboksylowymi]] aminokwasów budujących kolagen w skórze. Ze względu jednak na niekorzystne oddziaływanie na środowisko odpadów przemysłu garbarskiego i zużytych skór powstałych w taki sposób szuka się alternatywnych środków garbujących zapewniających pożądane właściwości{{r|Malek}}{{r|Śmiechowski}}.

== Kolagen w medycynie i kosmetyce ==
[[Plik:UnravelingColllagen 2up mid 1part.jpg|thumb|130px|upright|[[Julian Voss-Andreae]], ''Unraveling Collagen''<ref group=uwaga>W tytule dzieła zastosowano grę słów: ''unravel'' oznacza zarówno „rozplatać”, jak i „rozwikłać zagadkę”</ref>, 2005. Rzeźba została wykonana na podstawie współrzędnych atomowych cząsteczki kolagenu z [[Protein Data Bank]]]]

Ze względu na swoje specyficzne właściwości, nietoksyczność i [[biozgodność]] kolagen jest stosowany w medycynie i kosmetyce{{r|Żelaszczyk}}.

W kosmetyce i medycynie estetycznej preparaty kolagenowe można podzielić na trzy główne kategorie:
* preparaty przeznaczone do zastosowania na skórę w postaci [[krem (kosmetyk)|kremów]], żeli, [[maseczka kosmetyczna|masek]]
* [[nutraceutyki]], tj. stosowane doustnie [[suplement diety|suplementy diety]] zawierające kolagen lub jego hydrolizaty
* wypełniacze tkankowe stosowane w postaci [[zastrzyk|iniekcji]]{{r|Żelaszczyk}}.

Kolagen nie wchłania się przez skórę, nie ma możliwości przejścia przez nabłonek. W przypadku zaaplikowania preparatu na skórę kolagen może tworzyć na jej powierzchni hydrofilowy film, który zapobiega [[transepidermalna utrata wody|transepidermalnej utracie wody]]{{r|Żelaszczyk}}.

Doustne preparaty zawierające kolagen lub hydrolizaty kolagenu stosowane są przede wszystkim w celu profilaktyki chorób związanych ze zmianami w tkance łącznej (zwłaszcza chrzęstno-stawowej) oraz w celach kosmetycznych dla poprawy wyglądu skóry. Skuteczność ich jest jednak słabo zbadana{{r|Żelaszczyk}}. Istnieją doniesienia, że spożywane preparaty z peptydami kolagenowymi mogą poprawić poziom nawilżenia skóry{{r|Asserin}}, a także zredukować dolegliwości w stawach wynikające z intensywnego uprawiania sportu przez młodych dorosłych{{r|Zdzieblik}}.

Kolagen wykorzystuje się w medycynie estetycznej jako wypełniacz w celu wyrównania powierzchni skóry w miejscu zmarszczek czy zanikowych blizn oraz modelowania owalu twarzy i ust{{r|Żelaszczyk}}. Jest jedną z pierwszych substancji używanych w tym celu (ustępując tylko tłuszczowi){{r|Cockerham}}. Zabiegi z jego użyciem wykonuje się od początków lat 80. XX w.{{r|Żelaszczyk}} Można rozróżnić wypełniacze syntetyczne i naturalne, a wśród tych drugich – ksenogeniczne (z tkanek zwierzęcych, zwykle bydlęcych), allogeniczne (z tkanek innych, zmarłych ludzi) lub autogeniczne (z tkanek własnych). Preparaty kolagenowe różnią się między sobą prawdopodobieństwem wywołania [[alergia|alergii]], część z nich wymaga wykonania testów alergicznych przed zastosowaniem; w przypadku stosowania kolagenu bydlęcego – dwukrotnego testu skórnego{{r|Żelaszczyk}}.

Stosowanie wypełniaczy kolagenowych może wywołać pewne działania niepożądane, które można podzielić na reakcje wczesne i opóźnione. Do wczesnych zalicza się m.in. [[obrzęk]], [[ból]], [[świąd]], [[krwiak|zasinienie]], twarde [[guzek|guzki]], infekcje. Do opóźnionych obrzęk, ból, guzki, tworzenie ziarniaków, [[ropień|ropnie]] jałowe, blizny{{r|Żelaszczyk}}{{r|Cockerham}}. Obecnie pochodne [[kwas hialuronowy|kwasu hialuronowego]] stały się bardziej popularne od kolagenu ze względu na mniejsze ryzyko wystąpienia nadwrażliwości i brak konieczności wykonywania uprzednich testów skórnych oraz dłużej utrzymujący się efekt{{r|Cockerham}}. W przypadku kolagenu efekt wypełnienia utrzymuje się zwykle od 3 do kilkunastu miesięcy{{r|Żelaszczyk}}{{r|Cockerham}}.

Jako biomateriał w medycynie stosuje się zwykle kolagen w formie atelokolagenu (pochodna kolagenu typu I z odciętymi peptydami ekstensyjnymi odpowiedzialnymi w głównej mierze za [[immunogenność]] białka){{r|Żelaszczyk}}. Ma zastosowanie w [[medycyna regeneracyjna|medycynie regeneracyjnej]] i [[inżynieria tkankowa|inżynierii tkankowej]]. Wykorzystuje się go m.in. w produkcji [[implant]]ów, błon zaporowych w celu regeneracji tkanek i kości oraz zamykania połączeń ustno-zatokowych po usunięciu zęba. Znajduje zastosowanie w systemach dostarczania leków (DDS). Biomateriały kolagenowe mogą być pomocne m.in. w leczeniu uszkodzeń [[rogówka|rogówki]] i schorzeń [[układ moczowo-płciowy|układu moczowo-płciowego]]{{r|Żelaszczyk}}.


== Uwagi ==
== Uwagi ==
Linia 81: Linia 299:


== Przypisy ==
== Przypisy ==
{{Przypisy}}
{{Przypisy|
* <ref name="Lodish">{{Cytuj |autor = Harvey Lodish, Arnold Berk, Chris A. Kaiser, Monty Krieger, Anthony Bretscher, Hidde Ploegh, Angelika Amon, Kelsey C. Martin |tytuł = Molecular Cell Biology |wydawca = W. H. Freeman and Company|data = 2016 |s = 948 |isbn = 978-1-4641-8339-3}}</ref>
* <ref name="Potter">{{Cytuj |autor = Jeff Potter |tytuł = Gotowanie dla geeków |wydawca = Helion |wydanie = II |miejsce = Gliwice |data = 2019 |s = 196–197 |isbn = 978-83-283-4992-6}}</ref>
* <ref name="Karp">{{Cytuj |autor = Gerald Karp |tytuł = Cell and Molacular Biology |wydawca = Wiley |data = 2010 |s = 232–234 |isbn = 978-0-470-48337-4}}</ref>
* <ref name="Exposito">{{Cytuj |autor r = Jean-Yves Exposito |redaktor = Jerry L. Atwood, Jonathan W. Steed |rozdział = Collagens |tytuł = Encyclopedia of Supramolecular Chemistry |wydawca = CRC Press |data = 2004|s = 295–296 |isbn = 9780824750565 |doi = 10.1081/E-ESMC}}</ref>
* <ref name="Czubak">{{Cytuj |autor = Kamila A. Czubak, Halina M. Żbikowska |tytuł = Struktura, funkcja i znaczenie biomedyczne kolagenów |czasopismo = Annales Academiae Medicae Silesiensis |wolumin = 68 |numer = 4 |s = 245–254 |data = 2014}}</ref>
* <ref name="Valcourt">{{Cytuj |autor = Jean-Yves Exposito, Ulrich Valcourt, Caroline Cluzel, Claire Lethias |tytuł = The Fibrillar Collagen Family |czasopismo = International Journal of Molecular Sciences |numer = 11 |s =407–426 |data = 2010 |doi = 10.3390/ijms11020407}}</ref>
* <ref name="Kaur">{{Cytuj |autor r = Jasvir Kaur, Dieter P. Reinhardt |redaktor = Ajaykumar Vishwakarma, Paul Sharpe, Songtao Shi, Murugan Ramalingam |rozdział = Extracellular Matrix (ECM) Molecules |tytuł = Stem Cell Biology and Tissue Engineering in Dental Sciences |wydawca = Elsevier |data = 2015 |s = 27, 30–33 |isbn = 978-0-12-397157-9}}</ref>
* <ref name="Blum">{{Cytuj |autor = Sylvie Ricard-Blum |tytuł =The Collagen Family |czasopismo = Cold Spring Harb Perspect Biol. |wolumin = 3 |numer = 1 |data = 2011 |doi = 10.1101/cshperspect.a004978}}</ref>
* <ref name="Tres">{{Cytuj |autor = Abraham L. Kierszenbaum, Laura L. Tres |tytuł = Histology and Cell Biology. An Introduction to Pathology |wydawca = Elsevier |data = 2020 |s = 141 |isbn = 978-0-323-67321-1}}</ref>
* <ref name="Morąg">{{Cytuj |autor = Monika Morąg, Agnieszka Burza |tytuł = Budowa, właściwości i funkcje kolagenu oraz elastyny w skórze |czasopismo = Journal of Health Study and Medicine |numer = 2|s = 77–100 |data = 2017}}</ref>
* <ref name="Janicki">{{Cytuj |autor = Bogdan Janicki, Mateusz Buzała |tytuł = Wpływ kolagenu na jakość technologiczną mięsa |czasopismo = Żywność. Nauka. Technologia. Jakość |wolumin = 2 |numer = 87 |s = 19–29 |data = 2013}}</ref>
* <ref name="Hulmes">{{Cytuj |autor r = D.J.S. Hulmes|redaktor = Peter Fratzl|rozdział = Collagen diversity, synthesis and assembly |tytuł = Collagen: Structure and Mechanics |wydawca = Springer | data = 2008 |s = 16 |isbn = 978-0-387-73905-2}}</ref>
* <ref name="Schoukens">{{Cytuj |autor r = G. Schoukens |redaktor = S. Rajendran |rozdział = Bioactive dressings to promote wound healing |tytuł = Advanced Textiles for Wound Care |wydawca = Woodhead Publishing |data = 2009 |s = 114–152 |isbn = 978-1-84569-271-1}}</ref>
* <ref name="Lommel">{{Cytuj |autor = Alfons T.L. Van Lommel |tytuł = From Cells to Organs: A Histology Textbook and Atlas |wydawca = Springer |data = 2003 |s = 306 |isbn = 978-1-4613-5035-4 |doi = 10.1007/978-1-4615-0353-8}}</ref>
* <ref name="Farrimond">{{Cytuj |autor = Stuart Farrimond |tytuł = The Science of Cooking |wydawca = Penguin Random House (DK) |data = 2017 |s = 54–55, 60–61 |isbn = 978-1-4654-6369-2}}</ref>
* <ref name="Hashim">{{Cytuj |autor = P. Hashim, M.S. Mohd Ridzwan, J. Bakar, D. Mat Hashim |tytuł = Collagen in food and beverage industries |czasopismo = International Food Research Journal|wolumin = 22 |numer = 1 |s = 1–8 |data = 2015}}</ref>
* <ref name="Krasnowska">{{Cytuj |autor = Grażyna Krasnowska |tytuł = Charakterystyka i wykorzystanie białek kolagenowych |czasopismo = Medycyna Wet. |wolumin = 61 |numer = 3|s = 271–274 |data = 2005}}</ref>
* <ref name="Haines">{{Cytuj |autor = B. M. Haines, J. R. Barlow |tytuł = The anatomy of leather |czasopismo = Journal of Materials Science |wolumin = 10 |s = 525–538 |data = 1975 | doi = 10.1007/BF00543698}}</ref>
* <ref name="Malek">{{Cytuj |autor = Ammar Malek, Benamar Benotmane, Chouaib Aribi, Messaoud Hachemi |tytuł = Chemical Transformation of Chromedleather Wastes Into Environmentally Harmless Fibrous Biomass |czasopismo = Environment Protection Engineering |wolumin = 42 |numer = 3 |s = 179–192 |data = 2016 | doi = 10.5277/epe160314}}</ref>
* <ref name="Śmiechowski">{{Cytuj |autor = Krzysztof Śmiechowski, Jan Żarłok, Władysław Myjak, Jan Skiba |tytuł = Wpływ zagarbowania bezchromowego na właściwości skór |czasopismo = Przegląd Włókienniczy - Włókno, Odzież, Skóra |numer = 8 |s = 179–192 |data = 2017 | doi = 10.15199/60.2017.08.2}}</ref>
* <ref name="Żelaszczyk">{{Cytuj |autor = Dorota Żelaszczyk, Anna Waszkielewicz, Henryk Marona |tytuł = Kolagen – struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej |czasopismo = Estetologia Medyczna i Kosmetologia |wolumin = 2 |numer = 1|s = 14–20 |data = 2012 |doi = 10.14320/EMK.2012.003}}</ref>
* <ref name="Asserin">{{Cytuj |autor = Jérome Asserin, Elian Lati, Toshiaki Shioya, Janne Prawitt |tytuł = The effect of oral collagen peptide supplementation on skin moistureand the dermal collagen network: evidence from anex vivomodeland randomized, placebo-controlled clinical trials |czasopismo = Journal of Cosmetic Dermatology |numer = 14|s = 291–301 |data = 2015 |doi = 10.14320/EMK.2012.003}}</ref>
* <ref name="Zdzieblik">{{Cytuj |autor = Denise Zdzieblik, Steffen Oesser, Albert Gollhofer, Daniel Konig |tytuł = Improvement of activity-related knee joint discomfort following supplementation of specific collagen peptides |czasopismo = Appl. Physiol. Nutr. Metab. |numer = 42 |s = 588–595 |data = 2017 |doi = 10.1139/apnm-2016-0390}}</ref>
* <ref name="Cockerham">{{Cytuj |autor = Kimberly Cockerham, Victoria J. Hsu |tytuł = Collagen-Based Dermal Fillers: Past, Present, Future |czasopismo = Facial Plastic Surgery |wolumin = 25 |numer = 2 |s = 106–113 |data = 2009|doi = 10.1055/s-0029-1220650}}</ref>
}}

== Bibliografia ==
* {{Cytuj |autor = Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, David Morgan, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter |tytuł = Molecular Biology of the Cell |wydanie = VI |wydawca = Garland Science |data = 2015 |isbn = 978-0-8153-4464-3 |odn = {{odn/id|Alberts|2015}}}}
* {{Cytuj |autor = Bruce Alberts, Dennis Bray, Karen Kopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter |tytuł = Podstawy biologii komórki |wydanie = II |miejsce = Warszawa |wydawca = Wydawnictwo Naukowe PWN |data = 2016 |isbn = 978-83-01-14470-8 |odn = {{odn/id|Alberts|2016}}}}
* {{Cytuj |autor = Victor L. Davidson, Donald B. Sittman |tytuł = Biochemia |miejsce = Wrocław |wydawca = Urban & Partner |data = 2002 |isbn = 83-87944-33-5 |odn = tak}}
* {{Cytuj |autor = Wayne Gisslen |tytuł = Professional Cooking |wydanie = VIII |wydawca = Wiley |data = 2015 |isbn = 978-1-118-63672-5|odn = tak}}
* {{Cytuj |autor = David B. Hames, Nigel M. Hooper |tytuł = Biochemia. Krótkie wykłady |wydanie = II |miejsce = Warszawa |wydawca = Wydawnictwo Naukowe PWN |data = 2002 |isbn = 8301138726 |odn = tak}}
* {{Cytuj |autor = Joseph J. Provost, Keri L. Colabroy, Brenda S. Kelly, Mark A. Wallert |tytuł = The Science of Cooking. Understanding the Biology and Chemistry Behind Food and Cooking |wydawca = Wiley |data = 2016 |isbn = 9781119210320|odn = {{odn/id|Provost|2016}}}}
* {{Cytuj |autor = Dinesh Puri |tytuł = Textbook of Medical Biochemistry |wydanie = III |wydawca = Elsevier |data = 2011 |isbn = 978-81-312-2312-3|odn = tak}}
* {{Cytuj |autor = Victor W. Rodwell, David A. Bender, Kathleen M. Botham, Peter J. Kennelly, P. Anthony Weil |tytuł = Biochemia Harpera |wydanie = VII |miejsce = Warszawa |wydawca = PZWL Wydanictwo Lekarskie |data = 2018 |isbn = 978-83-200-5410-1 |odn = {{odn/id|Harper|2018}}}}


{{Klasyfikacja ATC|B02|D11|G04}}
{{Klasyfikacja ATC|B02|D11|G04}}

Wersja z 20:19, 30 sty 2020

Struktura jednostki tropokolagenu – tzw. potrójna helisa, złożona z 3 łańcuchów polipeptydowych

Kolagenbiałko fibrylarne stanowiące główny składnik substancji międzykomórkowej organizmów zwierzęcych[1], nadające tkankom odporność na rozciąganie[2]. Występuje praktycznie we wszystkich tkankach zwierząt[3][4], pełniąc rolę głównego białka strukturalnego[3]. Wytrzymałość kolagenu związana jest z powtarzającymi się sekwencjami tripeptydowymi w trzech budujących go łańcuchach[5], dzięki czemu możliwe jest wzajemnie owiniecie się tych łańcuchów i powstanie długiej, potrójnej helisy (helisa kolagenowa)[6].

Kolagen nie stanowi pojedynczego białka o określonej strukturze[3], występuje wiele typów kolagenów wykazujących pewne różnice w cechach strukturalnych i funkcjonalnych[1], stąd mówi się o kolagenach jako rodzinie białek[3]. Wszystkie jednak zawierają przynajmniej jedną domenę z potrójną helisą oraz tworzą supramolekularne agregaty w substancji międzykomórkowej[7]. Typowo są nierozpuszczalnymi w wodzie pałeczkowatymi białkami włókienkowymi[3].

Kolagen jest najbardziej rozpowszechnionym białkiem zwierzęcym[4]. W organizmach kręgowców stanowi ok. 1/3 wszystkich białek[1]. Jest głównym białkiem w skórze, ścięgnach i kościach[8] – występuje tam najpowszechniejszy kolagen typu I. W chrząstce występuje kolagen typu II, a w błonie podstawnej – typu IV[2].

Kolagen wykorzystywany jest w przemyśle skórzanym, spożywczym, kosmetycznym, biotechnologicznym i farmaceutycznym[9].

Charakterystyka kolagenu w tkankach zwierzęcych

Występowanie kolagenu bywa uznawane za charakterystyczną cechę wielokomórkowych organizmów zwierzęcych (od gąbek po człowieka)[10]. Kolagen jest głównym włóknistym składnikiem skóry, ścięgien, chrząstki, naczyń krwionośnych, kości i zębów[11]. W organizmach ssaków stanowi ok. 25% całkowitej masy białek[8]. W ścięgnach kolagen tworzy podłużne włókna, w skórze tworzy luźno utkaną sieć włókien[11]. Skóra garbowana w rzeczywistości jest wyprawionym kolagenem[8]. W zębach i kościach sieć włókien kolagenu podtrzymuje ich strukturę niczym pręty stalowe w zbrojonym betonie[5].

Kolagen nadaje tkankom odporność na rozciąganie – szacuje się, że włókno kolagenowe o średnicy 1 mm nie zerwie się w wyniku zawieszenia na nim ciężarka o masie 10 kg[12]. Natomiast odporność na ściskanie nadają wypełniające wolne przestrzenie w substancji międzykomórkowej proteoglikany złożone z rdzenia białkowego i glikozaminoglikanów (GAG)[13]. O ile w ścięgnach substancja międzykomórkowa składa się niemal wyłącznie z kolagenu (a w kościach z kolagenu i kryształów fosforanów wapnia), to przejrzysta substancja galaretowata wewnątrz oka zbudowana jest niemal wyłącznie z jednego typu GAG i wody, z niewielką ilością kolagenu. Substancja międzykomórkowa może też być bogata w kolagen i jednocześnie w GAG, co charakteryzuje sprężyste i amortyzujące uderzenia chrząstki[14].

Struktury te należą do tkanki łącznej, która ochrania narządy i zapewnia sprężystość, jeśli jest ona potrzebna[4]. Tkanka łączna od innych tkanek zwierzęcych wyróżnia się tym, że substancja międzykomórkowa jest w nich obfita i przenosi siły mechaniczne. Za ich wytrzymałość na rozciąganie odpowiada właśnie kolagen (dla porównania w strukturach roślinnych są to polisacharydy jak celuloza). W innych tkankach, np. w tkance nabłonkowej, substancja międzykomórkowa występuje w niewielkiej ilości, komórki są ze sobą połączone bezpośrednio i same przenoszą siły mechaniczne[15]. Zatem kolagen powstaje głównie w tkance łącznej[16].

Kolagen produkowany jest przede wszystkim w fibroblastach, a poza tym w chondroblastach, odontoblastach i osteoblastach[17]. Fibroblasty wydzielają także fibronektynę, glikoproteinę występującą w substancji pozakomórkowej i na powierzchni komórek. Wiąże ona agregujące włókna prokolagenowe i zmienia kinetykę tworzenia włókien[18]. Zawiera regiony wiążące kolagen, regiony wiążące proteoglikany oraz regiony wiążące specyficzne integryny występujące na powierzchni różnych typów komórek[19].

Kolageny w organizmach pełnią następujące funkcje:

  • utrzymują strukturalną integralność tkanek i narządów
  • uczestniczą w rozwoju narządów i naprawie tkanek
  • biorą udział w procesie gojenia ran
  • tworzą interakcje ze specyficznymi receptorami, wpływając na adhezję, różnicowanie, wzrost i przeżywalność komórek[1].

Typy i budowa kolagenu

Schemat kolagenu od α-łańcuchów do włókna kolagenowego. Specyficzne ułożenie cząsteczek tropokolagenu powoduje to, że w obrazie z mikroskopu elektronowego widoczne są prążkowania
Prążkowania widoczne we włóknach kolagenu typu I

Z ludzkich tkanek wyodrębniono ponad 28 typów kolagenu, które zbudowane są z ponad 30 różnych łańcuchów polipeptydowych, każdy kodowany przez osobny gen[20]. Wykazują one znaczącą różnorodność funkcjonalną i strukturalną[1]. Choć wiele z tych typów występuje w niewielkiej ilości w organizmie, to jednak mogą odgrywać ważną rolę w nadawaniu tkankom odpowiednich właściwości. Istnieje też wiele białek, które nie należą do kolagenów, jednak mają domeny przypominające strukturalnie kolagen, stąd nazywane bywają białkami kolegenopodobnymi[20].

Kolageny mogą być białkami zbudowanymi z trzech identycznych łańcuchów polipeptydowych (tzw. homotrimery) lub z różnych (heterotrimery). Przykładowo kolagen typu I jest heterotrimerem złożonym z dwóch łańcuchów α1(I) i jednego łańcucha α2(I) (gdzie liczba rzymska oznacza typ kolagenu). Kolagen typu II jest natomiast homotrimerem zbudowanym z trzech łańcuchów α1(II). Geny kodujące łańcuchy kolagenu mają w nazwie przedrostek COL, po nim typ kolagenu oznaczony cyfrą arabską, literę „A” i numer kodowanego łańcucha, np. za tworzenie łańcuchów kolagenu typu I odpowiedzialne są geny COL1A1 i COL1A2[21].

Kolageny można podzielić na dwie główne grupy – kolageny fibrylarne i kolageny niefibrylarne[1]. Kolageny fibrylarne są najczęściej spotykanym rodzajem. Mają łańcuchy polipeptydowe splecione w strukturę potrójnej helisy, które wynikają z długich, powtarzających się sekwencji aminokwasów (Gly-X-Y)n. W sekwencji tej w pozycji X często (choć nie zawsze) występuje prolina, a w pozycji Y – lizyna[22]. Kluczowa jest jednak glicyna (Gly) – co trzecia reszta aminokwasowa każdego polipeptydu wchodzi do środkowej części rdzenia potrójnej helisy i jedynie glicyna (jej reszta) jest na tyle małym aminokwasem, aby się tam zmieścić[22][23].

W uogólnionym składzie aminokwasowym kolagenu 33% to glicyna, 10% to prolina. Poza tym występują aminokwasy, których nie spotyka się w większości innych białek jak 4-hydroksyprolina (10%), 3-hydroksyprolina (<0,5%) i 5-hydroksylizyna (1%)[24]. Podobnie elastyna tworząca elastyczne włókna jest niestandardowo w porównaniu do innych białek bogata w glicynę i prolinę, ale w przeciwieństwie do kolagenu nie ulega glikozylacji[25].

Każdy z trzech łańcuchów występujących w kolagenie zbudowany jest z około 1000 reszt aminokwasowych i każdy skręca się w helisę charakterystyczną dla kolagenu (tzw. helisa kolagenowa). Na pełen skręt takiej helisy przypada 3,3 reszt, tj. mniej niż dla helisy alfa (3,6 reszt). Łańcuchy ułożone są równolegle, owijają się jeden wokół drugiego[22]. Trzy takie łańcuchy, każdy lewoskrętny, skręcając się dodatkowo wokół wspólnej osi, tworzą prawoskrętną, rozciągniętą superhelisę[1][26]. Odwrotny kierunek skręcenia pojedynczych łańcuchów i potrójnej helisy sprawia, że struktura ta jest szczególnie odporna na odwijanie pod wpływem rozciągania[27].

Z takiej potrójnej helisy zbudowany jest tropokolagen, który jest podstawową jednostką strukturalną kolagenu[28]. Struktura ta utrzymywana jest przez sieć wiązań wodorowych, zwłaszcza między grupą aminową glicyny jednej helisy a grupą karboksylową proliny w pozycji X innej helisy[22]. Cząsteczki tropokolagenu (o średnicy 1,5 nm)[29] agregują we włókienka (fibryle)[30] (o średnicy 10–300 nm)[31], a w wyniku dojrzewania ulegają usieciowaniu poprzez wiązania poprzeczne, tworząc włókna kolagenu[30] (o średnicy 1–20 μm)[31].

W typowej fibryli cząsteczki tropokolagenu są względem siebie przesunięte o 67 nm[32] (64–67 nm)[33] (nieco mniej niż jedna czwarta długości)[31], a w jednym rzędzie są oddalone od siebie o 35 nm[32]. Taki układ w obrazie z mikroskopu elektronowego prowadzi do uwidocznienia regularnych prążków[31].

Kolageny niefibrylarne charakteryzują się brakiem ciągłości struktury helikalnej w wyniku braku ciągłości powtarzającej się sekwencji Gly-X-Y. Jej brak skutkuje wytworzeniem się fragmentów o strukturze globularnej (niekolagenowej). Kolageny niefibrylarne nie tworzą włókien, tworzą za to układy sieciowe. Do kolagenów niefibrylarnych można zaliczyć kolageny kotwiczące, transbłonowe, multipleksyny czy kolageny FACIT[1][34].

Wybrane typy kolagenu[1][17][31][35]
Typ Budowa Występowanie Inne cechy
Kolageny fibrylarne (włókniste)
I [α1(I)]2[α2(I)] skóra, ścięgna, więzadła, kości, zębina, inne tkanki łączne niebędące chrząstką włókno o dł. 300 nm
II [α1(II)]3 chrząstki, ciało szkliste, jądro miażdżyste (w krążku międzykręgowym) włókno o dł. 300 nm
III [α1(III)]3 rozciągliwe tkanki łączne jak skóra, mięśnie, układ naczyniowy; często razem z typem I włókno o dł. 300 nm
V [α1(V)]2[α2(V)], [α1(V)]3 rogówka, zęby, kości, łożysko, skóra, mięśnie gładkie; często razem z typem I włókno o dł. 390 nm, N-końcowy fragment globularny
Kolageny tworzące układy sieciowe
IV [α1(IV)]2[α2(IV)] wszystkie błony podstawne
VIII [α1(VIII)]3, [α2(VIII)]3, [α1(VIII)]2α2(VIII)[36] śródbłonek, błona Descemeta tworzy heksagonalne układy sieciowe
X [α1(X)]3 chrząstka hipertroficzna tworzy heksagonalne układy sieciowe
Kolageny kotwiczące
VII [α1(VII)]3 półdesmosomy najdłuższa domena trójhelikalna o dł. 420 nm
Kolageny towarzyszące włóknom o przerywanej strukturze helisowej (FACIT)
IX [α1(IX)][α2(IX)][α3(IX)] chrząstki, ciało szkliste; towarzyszy kolagenowi typu II 3 krótkie domeny kolagenowe zawierające 4 regiony globularne[1]
XII α1[XII]3[1] towarzyszy kolagenowi typu I
Kolageny transbłonowe
XIII [α1(XIII)]3 wiele tkanek, m.in. płytka nerwowo-mięśniowa kolageny transbłonowe mają N-koniec zatopiony wewnątrz komórki i domenę hydrofobową przechodzącą przez dwuwarstwę lipidową błony[1]
XVII [α1(XVII)]3 nabłonek, hemidesmosomy
Multipleksyny - kolageny o licznych nieciągłych domenach o budowie helikalnej
XV [α1(XV)]3 występuje w proteoglikanach, gdzie stanowi rdzeń białkowy połączony z siarczanem chondroityny; towarzyszy kolagenom błony podstawnej stabilizuje mięśnie szkieletowe i mikronaczynia
XVIII [α1(XVIII)]3 towarzyszy kolagenom błony podstawnej utrzymuje strukturalną integralność błony podstawnej; bliski homolog kolagenu typu XV

Charakterystyczny motyw potrójnej helisy zidentyfikowano także w białkach wirusów, bakterii, grzybów, a także w pewnych białkach zwierzęcych, które nie należą do rodziny kolagenów (białka kolagenopodobne)[10]. Do takich kolagenopodobnych białek należą m.in. kolektyny, białko C1q układu dopełniacza, receptory zmiatacze klasy A[35].

Biosynteza kolagenu

4-Hydroksyprolina z zaznaczoną grupą hydroksylową
5-Hydroksylizyna z zaznaczoną grupą hydroksylową
Glikozylacja hydroksylowych reszt hydroksylizyny
Tworzenie się wiązań poprzecznych między cząsteczkami tropokolagenu

W biosyntezie kolagenu można wyróżnić trzy główne etapy: syntezę na siateczce śródplazmatycznej szorstkiej (ER), potranslacyjną obróbkę w świetle ER oraz obróbkę pozakomórkową.

Polipeptydowe łańcuchy kolagenu (nazywane α-łańcuchami)[12] zsyntetyzowane na siateczce śródplazmatycznej szorstkiej, podobnie większość innych białek, które mają być wydzielone, powstają w postaci prekursorowej jako cząsteczki preprokolagenu[37]. Preprokolagen zawiera sekwencję sygnałową, która kieruje łańcuch do cystern siateczki śródplazmatycznej w celu potranslacyjnej obróbki. W świetle ER następuje usunięcie peptydu sygnałowego (przez enzym peptydazę sygnałową, zmieniając tym samym preprokolagen w prokolagen), hydrolizacja reszt proliny i lizyny oraz glikozylacja w cząsteczce[37][38].

Hydroksylacja reszt proliny i lizyny zachodzi przy udziale enzymów:

  • hydroksylazy lizyny – przekształca lizynę w sekwencjach X-Lys-Gly do 5-hydroksylizyny
  • prolilo-4-hydroksylazy – zamienia prolinę w sekwencjach X-Pro-Gly do 4-hydroksyproliny
  • prolilo-3-hydroksylazy – przekształca prolinę w sekwencjach Hyp-Pro-Gly do 3-hydroksyproliny[38].

Powyższe enzymy, hydroksylaza lizynowa i hydroksylaza prolinowa, mają w swoim centrum aktywnym jon Fe2+, poza tym wymagają kwasu askorbinowego (witaminy C), aby utrzymywać go w stanie zredukowanym, a substratami reakcji są tlen i α-ketoglutaran. Reakcja wygląda zatem następująco[39]:

prolina/lizyna + α-ketoglutaran + O2 → hydroksyprolina/hydroksylizyna + bursztynian + CO2.

Hydroksylowane aminokwasy stabilizują strukturę kolagenu poprzez tworzenie wiązań wodorowych[40]. Niedobór witaminy C prowadzący do powstania mniejszej ilości takich hydroksylowanych aminokwasów skutkuje osłabieniem włókien kolagenu i wywołuje charakterystyczne objawy szkorbutu jak kruche naczynia krwionośne, nieprawidłowy rozwój kości, zaburzone gojenie się ran[40][41].

Kolejną modyfikacją potranslacyjną jest glikozylacja – reszty cukrowe (zwykle tylko glukoza, galaktoza oraz budowane przez nie dwucukry) przyłączane są do nowo powstałych hydroksylowych reszt hydroksylizyny (co nie jest typowym rodzajem glikozylacji dla białek). W zależności od tkanki udział wagowy cukrowców wynosi 0,4–12%[22].

Na tym etapie prokolagen ma dodatkowe reszty aminokwasowe (100–300)[40] o masie cząsteczkowej 20–35 kDa umieszczone na aminowym i karboksylowym końcu. Są to tzw. peptydy ekstensyjne[18] (zwane też telopeptydami)[42], których w dojrzałym kolagenie nie ma. Zawierają one reszty cysteinowe, z udziałem których tworzone są wewnątrz– i międzyłańcuchowe mostki dwusiarczkowe. Umożliwiają one odpowiednie ułożenie trzech łańcuchów polipeptydowych przy formowaniu się potrójnej helisy (bez udziału enzymów)[18].

Prokolagen jest transportowany do aparatu Golgiego[38], gdzie do niektórych reszt hydroksylizyny przyłączana jest galaktoza lub galaktozyloglukoza wiązaniem O-glikozylowym[23], po czym cząsteczki prokolagenu są pakowane do pęcherzyków transportowych i wydzielane poza komórkę[38]. Poza komórką w wyniku działania aminoproteinazy prokolagenowej i karboksypeptydazy prokolagenowej zostają odłączone peptydy ekstensyjne, w wyniku czego powstaje tropokolagen[18].

Trójhelikalne cząsteczki tropokolagenu ulegają spontanicznej agregacji w przesuniętym ustawieniu głową do ogona, która prowadzi do powstania włókienek kolagenowych[18][43]. Z czasem w wyniku dojrzewania kolagenu następuje wytworzenie kowalencyjnych wiązań poprzecznych wewnątrz cząsteczek tropokolagenu i pomiędzy nimi, co zwiększa wytrzymałość i sztywność struktury[43][38]. Mówi się wówczas już nie o włókienkach, a o włóknach kolagenowych[44][45]. Te poprzeczne wiązania nie są wiązaniami dwusiarczkowymi, jakie często występują w innych białkach, ale są utworzone między lizyną a jej aldehydową pochodną allizyną przy udziale enzymu oksydazy lizynowej. Enzym ten zawiera miedź i do działania wymaga obecności fosforanu pirydoksalu (witaminy B6)[43].

Synteza kolagenu jest stymulowana przez uszkodzenie tkanek – fibroblasty migrują do miejsca rany, gdzie wytwarza się tkanka bliznowata złożona głównie z kolagenu. Podobnie miejsca po śmierci komórek miąższowych są wypełniane przez tkankę łączną bogatą w kolagen, np. przy zwłóknieniu wątroby[46].

Okres półtrwania kolagenu wynosi do kilku miesięcy. Rozpad kolagenu (i zastępowanie go nowym) występuje podczas normalnego rozwoju i wzrostu, a także przy naprawie tkanek[47] – w przestrzeni zewnątrzkomórkowej jest nieustannie syntetyzowany i rozkładany. Potrójne helisy są odporne na działanie proteaz takich jak np. pepsyna, trypsyna, chymotrypsyna[1]. Degradacja następuje z udziałem kolagenaz – pozakomórkowych proteinaz zawierających cynk[47] (metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej[1] – MMP-1, MMP-8, MMP-13)[32], które przecinają wiązanie Gly-Ile w każdej z trzech nici tropokolagenowych. Wówczas białko to spontanicznie denaturuje się i jest podatne na działanie kilku wewnątrzkomórkowych proteaz (np. katepsyn). Komórki nowotworowe mogą mieć zdolność wytwarzania kolagenazy, aby ułatwić sobie rozsiew[47]. Kolagenazy biorą także udział podczas zapalenia stawów w rozkładzie chrząstki[29].

Konsekwencje nieprawidłowej budowy kolagenu

Nieprawidłowości w genach kodujących kolagen czy w potranslacyjnej modyfikacji kolagenu (np. ze względu na brak kofaktorów niezbędnych dla działania enzymów) skutkują chorobami związanymi z nieprawidłową budową tego białka w organizmie, a przez to brakiem odpowiedniej wytrzymałości[48]. Do takich chorób zalicza się m.in.:

Do innych nieprawidłowości należy latyryzm związany ze spożyciem nasion groszku pachnącego zawierających β-aminopropionitryl. Związek ten nieodwracalnie hamuje aktywność oksydazy lizynowej, zaburzając tworzenie poprzecznych wiązań w kolagenie[43].

Choroby związane z różnymi typami kolagenu[17]
Typ kolagenu Powiązane choroby w przypadku nieprawidłowości Odpowiedzialne geny lub inne czynniki
I łamliwość kości (osteogenesis imperfecta), zespół Ehlersa-Danlosa typu VII (postać stawowa) COL1A1, COL1A2
II dysplazje kręgosłupowo-nasadowe, achondrogeneza, hipochondrogeneza, dysplazja Kniesta, zespół Sticklera COL2A1
III zespół Ehlersa-Danlosa typu IV (postać naczyniowa) COL3A1
IV dziedziczna angiopatia z zespołem nefropatii, tętniaków i skurczów mięśni (HANAC) COL4A1
zespół Alporta COL4A3, COL4A4, COL4A5
zespół Goodpasture’a autoimmunologiczny
V zespół Ehlersa-Danlosa typu I i II (postać klasyczna) COL5A1, COL5A2
VIII dystrofie śródbłonka rogówki COL8A2
IX dysplazja wielonasadowa COL9A1, COL9A2
zespół Sticklera COL9A1
X chondrodysplazja przynasadowa typu Schmida COL10A1
XVII pęcherzowe oddzielanie się naskórka w obrębie błony podstawnej COL17A1
pemfigoid pęcherzowy autoimmunologiczny
XVIII zespół Knoblocha COL18A1

Kolagen w sztuce kulinarnej

Słowo kolagen pochodzi z języka greckiego κόλλα/kolla – klej i γεννάω/gennáo – rodzić[51]. Nazwa nawiązuje do tego, że gotując kości i skóry zawierające kolagen można go rozłożyć i otrzymać lepką mieszaninę zawierającą żelatynę, której można użyć jako klej[52]. W kontekście żywności kolagen jest to produkt na bazie białka pochodzący ze zwierzęcych kości, skór, skórek i ścięgien, natomiast żelatyna to naturalne rozpuszczalne białko, żelujące lub nieżelujące, uzyskane w wyniku częściowej hydrolizy takiego kolagenu[53].

Kolagen w stanie natywnym posiada znaczną zdolność wiązania i utrzymywania wody; obniża ją dodatek chlorku sodu (soli kuchennej)[9].

W przemyśle spożywczym kolagen może być używany do poprawienia elastyczności, stabilności i konsystencji produktu[54], do modyfikacji parametrów reologicznych[9]. Stosowany jest jako dodatek do żywności w produkcji kiełbas, może tworzyć jadalne błony, np. jako osłonki do kiełbas. Źródłem komercyjnego kolagenu są skóry i kości niektórych kręgowców, przede wszystkim świń i bydła[54]; tworzy się z niego żelatynę metodami chemiczno-termicznymi[9].

Rozmieszczenie kolagenu w mięsie

Struktura ścięgna
Mięso z piersi kurczaka z widocznymi białymi fragmentami stanowiącymi tkankę łączną bogatą w kolagen

Kolagen to główny składnik śródmięśniowej tkanki łącznej, która stanowi ok. 2–6 % całkowitej zawartości białek w mięsie. Gruba, odporna na rozciąganie tkanka łączna otaczająca mięśnie szkieletowe nazywana jest omięsną zewnętrzną (epimysium)[51]. Włókna mięśniowe skupione w małe pęczki (wiązki) otoczone są przez pierwotną omięsną wewnętrzną (primary perimysium) i zebrane w większe pęczki wtórne otoczone grubszą omięsną wewnętrzną wtórną (secondary perimysium). Grubość warstw omięsnej wewnętrznej jest zależna od rodzaju mięśni, gatunku i rasy zwierzęcia oraz jego wieku. Pojedyncze włókna mięśni są otoczone cienką śródmięsną (endomysium)[51].

Omięsne tworzą sieć kolagenu i elastyny w mięśniach, śródmięśniową tkankę łączną, która istotnie wpływa na teksturę mięsa. Kruchość mięsa generalnie zależy od zawartości, składu i struktury śródmięśniowej tkanki łącznej, jak również od stopnia poubojowej degradacji miofibryli i cytoszkieletowych włókien mięśniowych. Proteoliza białek podczas poubojowego dojrzewania mięsa sprzyja nabieraniu kruchości. Objawem tej proteolizy jest zwiększająca się rozpuszczalność rozpadającego się kolagenu[51].

Duża zawartość kolagenu w mięsie obniża jego kruchość, strawność i zmniejsza wartość odżywczą. Kolagen nie jest białkiem pełnowartościowym ze względu na to, że nie zawiera tryptofanu oraz ma niską zawartość aminokwasów siarkowych i aromatycznych[51].

Z wiekiem zwierzęcia rośnie udział kolagenu w składzie białek mięsa, a co więcej, zwiększa się w nim liczba wiązań poprzecznych. To dlatego mięso młodych zwierząt jest delikatniejsze i mniej „żylaste”[55]. Przykładowo 20-dniowy kurczak ma 12% mniej całkowitego kolagenu, a w nim 12 razy mniej wiązań poprzecznych w porównaniu do kurczaka półtorarocznego[56].

Obróbka cieplna kolagenu i poprawa kruchości mięsa

Długa, powolna obróbka cieplna mięsa przy obecności wody (jak np. przy duszeniu) powoduje rozpad bądź rozpuszczenie kolagenu, zamieniając go w żelatynę. Niezbędna woda jest obecna w surowym mięśnie, w tkance mięśniowej, ale długotrwała obróbka cieplna na sucho stwarza ryzyko wyparowania nadmiernej ilości wody i wysuszenia mięsa. W przemianie kolagenu pomagają kwasy pochodzące np. z marynaty, dodanych pomidorów czy wina, oraz enzymy, zarówno naturalnie występujące w mięsie, jak i dodane (np. papaina)[57].

Sucha obróbka cieplna (np. grillowanie) nadaje się bardziej dla kawałków mięsa o dobrej kruchości, powinna być krótka, w przeciwnym razie mięso może stać się suche, chyba że pieczony kawał jest duży[58]. Przy mokrej, długotrwałej obróbce usuwanie kolagenowych ścięgien nie jest konieczne[59]; tworząca się z kolagenu żelatyna jest pożądana, nadaje odpowiednią teksturę i utrzymuje wilgotność mięsa[60]. W przypadku suchej obróbki mięso zawierające dużo kolagenu (który nie zdąży się rozłożyć) może być nieprzyjemnie gumowate i zdeformowane[59]. Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem dostarczanej energii kolagen kurczy się nawet do 1/3, 1/4 początkowej długości[60], wyciskając z mięsa wodę (i pozbawiając go pożądanej soczystości)[61]. Najlepsi kucharze zajmujący się grillowaniem potrafią zastosować powolną obróbkę cieplną, zachowując jednocześnie jak najwięcej soków w mięsie[61].

W wielu przepisach poleca się po obróbce cieplnej odstawić mięso na kilka-kilkanaście minut. Pozwala to na zatrzymanie większej ilości soków między włóknami przez odtwarzanie się wiązań wodorowych[61].

Można uogólnić, że kolagen zaczyna denaturować w temperaturze 52°C, kurczyć się przy 58°C, a przy 68°C rozpada się, przekształcając w rozpuszczalną żelatynę[62]. Przykładowo w temperaturze ok. 71°C (panującej we wnętrzu mięsa) cały kolagen wołowy będzie zdenaturowany i przekształcony w żelatynę, a przy temperaturze 74–77°C panującej we wnętrzu mocno wysmażonych steków (well done) mięso będzie pozbawione większości wody, wszystkie białka będą zdenaturowane, a cała mioglobina przekształcona w brązowy hemichrom[63].

Mięso ryb zawiera znacznie mniej kolagenu niż wołowina czy wieprzowina i ma on dodatkowo ma mniej wiązań poprzecznych. Ponadto pewne różnice w składzie aminokwasowym przyczyniają się do faktu, że rybi kolagen denaturuje i rozpuszcza się w niższych temperaturach w porównaniu do kolagenu zwierząt lądowych[56]. Sporo kolagenu znajduje się za to w kałamarnicach i ośmiornicach – ich obróbka polega na ich szybkim usmażeniu, aby zachować białka w natywnej formie lub na długim ogrzewaniu, aby doszło do rozpadu kolagenu. W innym przypadku mięso będzie gumowate w teksturze[60].

Kości na zupę są często gotowane na wolnym ogniu, aby przekształcić kolagen w żelatynę i wytworzyć bazę dla zup, nadając nieco gęstości[61]. Kolagen może również zagęszczać sosy[62].

Elastyna z kolei nie ulega rozkładowi podczas obróbki kulinarnej, a jej udział zwiększa się w mięsie starszych zwierząt. W celu poprawienia kruchości mięsa odcina się ścięgna oraz mechanicznie rozbija włókna poprzez jego tłuczenie, krojenie w kostkę, krojenie w plastry w poprzek włókien czy mielenie[57].

Kolagen w garbarstwie

Wyprawianie skóry historycznymi metodami

Skóra jako surowiec to wyprawiona powłoka ciała (skóra) kręgowców uzyskiwana przez chemiczną stabilizację włóknistego kolagenu, jej głównego składnika[64]. Od dziesiątków lat najczęściej stosuje się sole chromowe. Polega to na sieciowaniu garbnika (chromu) z wolnymi grupami karboksylowymi aminokwasów budujących kolagen w skórze. Ze względu jednak na niekorzystne oddziaływanie na środowisko odpadów przemysłu garbarskiego i zużytych skór powstałych w taki sposób szuka się alternatywnych środków garbujących zapewniających pożądane właściwości[65][66].

Kolagen w medycynie i kosmetyce

Julian Voss-Andreae, Unraveling Collagen[a], 2005. Rzeźba została wykonana na podstawie współrzędnych atomowych cząsteczki kolagenu z Protein Data Bank

Ze względu na swoje specyficzne właściwości, nietoksyczność i biozgodność kolagen jest stosowany w medycynie i kosmetyce[67].

W kosmetyce i medycynie estetycznej preparaty kolagenowe można podzielić na trzy główne kategorie:

Kolagen nie wchłania się przez skórę, nie ma możliwości przejścia przez nabłonek. W przypadku zaaplikowania preparatu na skórę kolagen może tworzyć na jej powierzchni hydrofilowy film, który zapobiega transepidermalnej utracie wody[67].

Doustne preparaty zawierające kolagen lub hydrolizaty kolagenu stosowane są przede wszystkim w celu profilaktyki chorób związanych ze zmianami w tkance łącznej (zwłaszcza chrzęstno-stawowej) oraz w celach kosmetycznych dla poprawy wyglądu skóry. Skuteczność ich jest jednak słabo zbadana[67]. Istnieją doniesienia, że spożywane preparaty z peptydami kolagenowymi mogą poprawić poziom nawilżenia skóry[68], a także zredukować dolegliwości w stawach wynikające z intensywnego uprawiania sportu przez młodych dorosłych[69].

Kolagen wykorzystuje się w medycynie estetycznej jako wypełniacz w celu wyrównania powierzchni skóry w miejscu zmarszczek czy zanikowych blizn oraz modelowania owalu twarzy i ust[67]. Jest jedną z pierwszych substancji używanych w tym celu (ustępując tylko tłuszczowi)[70]. Zabiegi z jego użyciem wykonuje się od początków lat 80. XX w.[67] Można rozróżnić wypełniacze syntetyczne i naturalne, a wśród tych drugich – ksenogeniczne (z tkanek zwierzęcych, zwykle bydlęcych), allogeniczne (z tkanek innych, zmarłych ludzi) lub autogeniczne (z tkanek własnych). Preparaty kolagenowe różnią się między sobą prawdopodobieństwem wywołania alergii, część z nich wymaga wykonania testów alergicznych przed zastosowaniem; w przypadku stosowania kolagenu bydlęcego – dwukrotnego testu skórnego[67].

Stosowanie wypełniaczy kolagenowych może wywołać pewne działania niepożądane, które można podzielić na reakcje wczesne i opóźnione. Do wczesnych zalicza się m.in. obrzęk, ból, świąd, zasinienie, twarde guzki, infekcje. Do opóźnionych obrzęk, ból, guzki, tworzenie ziarniaków, ropnie jałowe, blizny[67][70]. Obecnie pochodne kwasu hialuronowego stały się bardziej popularne od kolagenu ze względu na mniejsze ryzyko wystąpienia nadwrażliwości i brak konieczności wykonywania uprzednich testów skórnych oraz dłużej utrzymujący się efekt[70]. W przypadku kolagenu efekt wypełnienia utrzymuje się zwykle od 3 do kilkunastu miesięcy[67][70].

Jako biomateriał w medycynie stosuje się zwykle kolagen w formie atelokolagenu (pochodna kolagenu typu I z odciętymi peptydami ekstensyjnymi odpowiedzialnymi w głównej mierze za immunogenność białka)[67]. Ma zastosowanie w medycynie regeneracyjnej i inżynierii tkankowej. Wykorzystuje się go m.in. w produkcji implantów, błon zaporowych w celu regeneracji tkanek i kości oraz zamykania połączeń ustno-zatokowych po usunięciu zęba. Znajduje zastosowanie w systemach dostarczania leków (DDS). Biomateriały kolagenowe mogą być pomocne m.in. w leczeniu uszkodzeń rogówki i schorzeń układu moczowo-płciowego[67].

Uwagi

  1. W tytule dzieła zastosowano grę słów: unravel oznacza zarówno „rozplatać”, jak i „rozwikłać zagadkę”

Przypisy

  1. a b c d e f g h i j k l m n Kamila A. Czubak, Halina M. Żbikowska, Struktura, funkcja i znaczenie biomedyczne kolagenów, „Annales Academiae Medicae Silesiensis”, 68 (4), 2014, s. 245–254.
  2. a b Alberts 2015 ↓, s. G:7.
  3. a b c d e Davidson i Sittman 2002 ↓, s. 49.
  4. a b c Hames i Harper 2018 ↓, s. 800.
  5. a b Hames i Harper 2018 ↓, s. 54.
  6. Alberts 2016 ↓, s. 141.
  7. Jean-Yves Exposito, Collagens, [w:] Jerry L. Atwood, Jonathan W. Steed (red.), Encyclopedia of Supramolecular Chemistry, CRC Press, 2004, s. 295–296, DOI10.1081/E-ESMC, ISBN 978-0-8247-5056-5.
  8. a b c Alberts 2016 ↓, s. 704.
  9. a b c d Grażyna Krasnowska, Charakterystyka i wykorzystanie białek kolagenowych, „Medycyna Wet.”, 61 (3), 2005, s. 271–274.
  10. a b Jean-Yves Exposito i inni, The Fibrillar Collagen Family, „International Journal of Molecular Sciences” (11), 2010, s. 407–426, DOI10.3390/ijms11020407.
  11. a b Hames i Hooper 2002 ↓, s. 53.
  12. a b Gerald Karp, Cell and Molacular Biology, Wiley, 2010, s. 232–234, ISBN 978-0-470-48337-4.
  13. Alberts 2016 ↓, s. 706.
  14. Alberts 2016 ↓, s. 704–708.
  15. Alberts 2016 ↓, s. 703–704.
  16. Alberts 2015 ↓, s. 1061.
  17. a b c Jasvir Kaur, Dieter P. Reinhardt, Extracellular Matrix (ECM) Molecules, [w:] Ajaykumar Vishwakarma i inni red., Stem Cell Biology and Tissue Engineering in Dental Sciences, Elsevier, 2015, s. 27, 30–33, ISBN 978-0-12-397157-9.
  18. a b c d e Hames i Harper 2018 ↓, s. 803.
  19. Alberts 2015 ↓, s. 1067.
  20. a b Hames i Harper 2018 ↓, s. 800–801.
  21. Hames i Harper 2018 ↓, s. 804.
  22. a b c d e Hames i Hooper 2002 ↓, s. 55–56.
  23. a b Hames i Harper 2018 ↓, s. 801.
  24. Puri 2011 ↓, s. 77.
  25. Alberts 2015 ↓, s. 1065.
  26. G. Schoukens, Bioactive dressings to promote wound healing, [w:] S. Rajendran (red.), Advanced Textiles for Wound Care, Woodhead Publishing, 2009, s. 114–152, ISBN 978-1-84569-271-1.
  27. Puri 2011 ↓, s. 76.
  28. Davidson i Sittman 2002 ↓, s. 50.
  29. a b Alberts 2016 ↓, s. 705.
  30. a b Hames i Hooper 2002 ↓, s. 54.
  31. a b c d e Hames i Harper 2018 ↓, s. 801–802.
  32. a b c Monika Morąg, Agnieszka Burza, Budowa, właściwości i funkcje kolagenu oraz elastyny w skórze, „Journal of Health Study and Medicine” (2), 2017, s. 77–100.
  33. D.J.S. Hulmes, Collagen diversity, synthesis and assembly, [w:] Peter Fratzl (red.), Collagen: Structure and Mechanics, Springer, 2008, s. 16, ISBN 978-0-387-73905-2.
  34. Hames i Harper 2018 ↓, s. 802–803.
  35. a b Harvey Lodish i inni, Molecular Cell Biology, W. H. Freeman and Company, 2016, s. 948, ISBN 978-1-4641-8339-3.
  36. Sylvie Ricard-Blum, The Collagen Family, „Cold Spring Harb Perspect Biol.”, 3 (1), 2011, DOI10.1101/cshperspect.a004978.
  37. a b Hames i Harper 2018 ↓, s. 800–803.
  38. a b c d e Davidson i Sittman 2002 ↓, s. 50–53.
  39. Hames i Hooper 2002 ↓, s. 54–55.
  40. a b c Puri 2011 ↓, s. 78–79.
  41. Davidson i Sittman 2002 ↓, s. 53–55.
  42. Hames i Hooper 2002 ↓, s. 57.
  43. a b c d Hames i Hooper 2002 ↓, s. 58.
  44. Abraham L. Kierszenbaum, Laura L. Tres, Histology and Cell Biology. An Introduction to Pathology, Elsevier, 2020, s. 141, ISBN 978-0-323-67321-1.
  45. Davidson i Sittman 2002 ↓, s. 52–53.
  46. a b Puri 2011 ↓, s. 81–82.
  47. a b c Puri 2011 ↓, s. 79–80.
  48. Puri 2011 ↓, s. 80.
  49. Hames i Harper 2018 ↓, s. 804–805.
  50. Davidson i Sittman 2002 ↓, s. 53–54.
  51. a b c d e Bogdan Janicki, Mateusz Buzała, Wpływ kolagenu na jakość technologiczną mięsa, „Żywność. Nauka. Technologia. Jakość”, 2 (87), 2013, s. 19–29.
  52. Alfons T.L. Van Lommel, From Cells to Organs: A Histology Textbook and Atlas, Springer, 2003, s. 306, DOI10.1007/978-1-4615-0353-8, ISBN 978-1-4613-5035-4.
  53. Rozporządzenie (WE) nr 853/2004 Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 29 kwietnia 2004 r. ustanawiające szczególne przepisy dotyczące higieny w odniesieniu do żywności pochodzenia zwierzęcego (CELEX: 32004R0853).
  54. a b P. Hashim i inni, Collagen in food and beverage industries, „International Food Research Journal”, 22 (1), 2015, s. 1–8.
  55. Puri 2011 ↓, s. 81-82.
  56. a b Provost 2016 ↓, s. 282–283.
  57. a b Gisslen 2015 ↓, s. 453–454.
  58. Gisslen 2015 ↓, s. 470.
  59. a b Gisslen 2015 ↓, s. 365.
  60. a b c Jeff Potter, Gotowanie dla geeków, wyd. II, Gliwice: Helion, 2019, s. 196–197, ISBN 978-83-283-4992-6.
  61. a b c d Provost 2016 ↓, s. 302.
  62. a b Stuart Farrimond, The Science of Cooking, Penguin Random House (DK), 2017, s. 54–55, 60–61, ISBN 978-1-4654-6369-2.
  63. Provost 2016 ↓, s. 300–301.
  64. B.M. Haines, J.R. Barlow, The anatomy of leather, „Journal of Materials Science”, 10, 1975, s. 525–538, DOI10.1007/BF00543698.
  65. Ammar Malek i inni, Chemical Transformation of Chromedleather Wastes Into Environmentally Harmless Fibrous Biomass, „Environment Protection Engineering”, 42 (3), 2016, s. 179–192, DOI10.5277/epe160314.
  66. Krzysztof Śmiechowski i inni, Wpływ zagarbowania bezchromowego na właściwości skór, „Przegląd Włókienniczy - Włókno, Odzież, Skóra” (8), 2017, s. 179–192, DOI10.15199/60.2017.08.2.
  67. a b c d e f g h i j k Dorota Żelaszczyk, Anna Waszkielewicz, Henryk Marona, Kolagen – struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej, „Estetologia Medyczna i Kosmetologia”, 2 (1), 2012, s. 14–20, DOI10.14320/EMK.2012.003.
  68. Jérome Asserin i inni, The effect of oral collagen peptide supplementation on skin moistureand the dermal collagen network: evidence from anex vivomodeland randomized, placebo-controlled clinical trials, „Journal of Cosmetic Dermatology” (14), 2015, s. 291–301, DOI10.14320/EMK.2012.003.
  69. Denise Zdzieblik i inni, Improvement of activity-related knee joint discomfort following supplementation of specific collagen peptides, „Appl. Physiol. Nutr. Metab.” (42), 2017, s. 588–595, DOI10.1139/apnm-2016-0390.
  70. a b c d Kimberly Cockerham, Victoria J. Hsu, Collagen-Based Dermal Fillers: Past, Present, Future, „Facial Plastic Surgery”, 25 (2), 2009, s. 106–113, DOI10.1055/s-0029-1220650.

Bibliografia

  • Bruce Alberts i inni, Molecular Biology of the Cell, wyd. VI, Garland Science, 2015, ISBN 978-0-8153-4464-3.
  • Bruce Alberts i inni, Podstawy biologii komórki, wyd. II, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2016, ISBN 978-83-01-14470-8.
  • Victor L. Davidson, Donald B. Sittman, Biochemia, Wrocław: Urban & Partner, 2002, ISBN 83-87944-33-5.
  • Wayne Gisslen, Professional Cooking, wyd. VIII, Wiley, 2015, ISBN 978-1-118-63672-5.
  • David B. Hames, Nigel M. Hooper, Biochemia. Krótkie wykłady, wyd. II, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2002, ISBN 83-01-13872-6.
  • Joseph J. Provost i inni, The Science of Cooking. Understanding the Biology and Chemistry Behind Food and Cooking, Wiley, 2016, ISBN 978-1-119-21032-0.
  • Dinesh Puri, Textbook of Medical Biochemistry, wyd. III, Elsevier, 2011, ISBN 978-81-312-2312-3.
  • Victor W. Rodwell i inni, Biochemia Harpera, wyd. VII, Warszawa: PZWL Wydanictwo Lekarskie, 2018, ISBN 978-83-200-5410-1.