Kolagen

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

Kolagen – główne białko tkanki łącznej. Ma ono bardzo wysoką odporność na rozciąganie i stanowi główny składnik ścięgien. Jest odpowiedzialny za elastyczność skóry. Ubytek kolagenu ze skóry powoduje powstawanie zmarszczek, w trakcie jej starzenia. Kolagen wypełnia także rogówkę oka, gdzie występuje w formie krystalicznej. Kolagen jest powszechnie stosowany w kosmetykach, zwłaszcza w kremach i maściach przeciwzmarszczkowych. Stosuje się go też jako wypełniacz w chirurgii kosmetycznej – np. do wypełniania ust.

Kolagen stanowi powszechny składnik organizmów kręgowców.

Własności i budowa kolagenu

Julian Voss-Andreae: Unraveling Collagen, 2005

Kolagen ma nietypowy skład aminokwasów. Zawiera duże ilości glicyny i proliny oraz dwa aminokwasy nie pochodzące bezpośrednio z translacji w rybosomach – hydroksyprolinę i hydroksylizynę, z czego tę pierwszą w dość dużych ilościach. Aminokwasy te są formowane z proliny i lizyny już w gotowym produkcie translacji w procesie enzymatycznym, która wymaga obecności 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 szkorbutem, polegającą na uszkodzeniach skóry, błon śluzowych i wypadaniu zębów.

Rozpad kolagenu do aminokwasów stymuluje hormon glikokortykosterydowy kortyzol.

Inną rzadką cechą kolagenu jest regularność rozmieszczenia 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 konformacji, na skutek oddziaływań między sobą. Trzy cząsteczki kolagenu skręcają się spontanicznie w podjednostki zwane tropokolagenem. Tropokolagen ma strukturę potrójnej, ściśle upakowanej helisy, o skoku tylko 0,3 nm (nanometra) w porównaniu ze skokiem 0,36 nm, typowym dla innych białek. Wiązania kowalencyjne i 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.

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 blizny, w ścięgnach i tkance łącznej kości. Występuje on także w skórze, tkance podskórnej,
• typ II – występuje w chrząstkach stawowych,
• typ III – występuje w tkance tworzącej się z fibroblastów, 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 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 tkance nabłonkowej, m.in. w skórze i na powierzchni tętnic,
• VIII – występuje w 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.

Oprócz tego istnieje jeszcze 8 niesklasyfikowanych dotąd rodzajów kolagenu, których funkcja w organizmie nie jest wciąż wyjaśniona.

Zastosowanie kolagenu

Kolagen ma wiele zastosowań, od żywności do medycyny. Na przykład jest on stosowany w 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 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 niskiej jakości źródłem białka, ponieważ nie zawiera wszystkich niezbędnych aminokwasów. Producenci 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 → spongostan). Stosowany jest jako wypełniacz skóry przy zwalczaniu zmarszczek i starzeniu się skóry. Jego główną zaletą jest absolutna hipoalergiczność. Jest składnikiem wielu kosmetyków, a również jest sprzedawany w swojej naturalnej formie jako krem oraz pigułki.

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 tkanki skórnej.

Biosynteza kolagenu

Biosynteza kolagenu przebiega w 4 etapach:

1. Synteza na retikulum śródplazmatycznym szorstkim

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.

2. Potranslacyjna obróbka wewnątrz RE

Następuje usuniecie peptydu sygnałowego (przez enzym peptydazę sygnałową). Zmienia to preprokolagenową postać łańcuchów alfa w strukturę prokolagenu.

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 Fe²⁺, kwasu askorbinowego, tlenu i alfa-ketoglutaranu w rekacji:

reszta aminokwasowa + kwas askorbinowy + O₂ + hydorksylaza alfa-ketoglutaranu →hydroksy aminokwas + bursztynian

Oprócz reakcji hydroksylacji, utworzenie stabilnej potrójnen 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.

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.

3. Obróbka pozakomórkowa

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.

4. Dojrzewanie

Wewnątrz- i międzycząsteczkowe usieciowanie tropokolagenu tworzy się z czasem, co powoduje powolne dojrzewanie kolagenu.

Pod wpływem oksydazy lizynowej tworzą się aldehydy lizyny i hydroksylizyny, pomiędzy którymi może występować poprzeczne usieciowanie.

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.

Przypisy

Przeczytaj ostrzeżenie dotyczące informacji medycznych i pokrewnych zamieszczonych w Wikipedii.