Коллаген
Коллаге́н (от греч. κόλλα – гумми, камедь, клей и …ген), простой структурный животный белок, составляющий основу соединительной ткани (кожа, кость, сухожилие, хрящ, связки, роговица и др.) и обеспечивающий её прочность. Коллаген – полиморфный белок, известно 28 его типов, поэтому иногда говорят также о семействе коллагенов (коллагеновых белков).
Функции коллагена
Коллаген широко распространён как у позвоночных, так и у беспозвоночных животных, не обнаружен у простейших, грибов и растений (растительным коллагеном, или фитоколлагеном, называют гидролизат белков пшеницы). На его долю приходится почти треть всей массы белков позвоночных, т. е. в количественном отношении он преобладает над всеми другими белками.
Коллаген выполняет опорно-механическую функцию, является одним из основных компонентов внеклеточного матрикса (ВМ); образуя комплексы с другими его компонентами (в том числе с протеогликанами), он участвует в межклеточном взаимодействии, влияет на подвижность клеток, морфогенез органов и тканей в процессе развития и роста организма, т. е. также играет регуляторную роль. Некоторые виды коллагенов присутствуют только в конкретных тканях и выполняют специфические функции [например, коллаген VII участвует в дермо-эпидермальной адгезии, коллаген X задействован в процессах эндохондрального окостенения и способствует кроветворению, коллаген XXIV является маркером дифференцировки остеобластов (Collagen XXIV ... 2008) и т. д.].
Физико-химические свойства коллагена
Аминокислотный состав коллагена характеризуется высоким содержанием остатков глицина (около 30 %) и пролина, наличием остатков модифицированных аминокислот 4-гидроксипролина и 5-гидроксилизина и полным отсутствием циклических аминокислот. На долю пролина и гидроксипролина приходится 25 % от суммы всех других аминокислот.
Коллаген является гликопротеином: на каждые 1000 аминокислотных остатков в полипептидных цепях разных видов коллагенов приходится от 2 до 80 остатков углеводов (галактоза, глюкоза), связанных гликозидной связью через HO-группу гидроксилизина.
Коллаген нерастворим в воде (при рН около 7) и органических растворителях. В воде он набухает, а при нагревании денатурирует, при этом α-цепи расплетаются, образуется желатин; возможна ренатурация с образованием из α-цепей димеров или тримеров, сплетающихся в спираль.
Коллагеновые волокна окрашиваются в розовый цвет под действием гематоксилина и эозина, в голубой или зелёный – при трёххромных окрасках, буро-жёлтый – при импрегнации серебром.
Известно 28 типов коллагена, состоящих из 46 видов полипептидных цепей, которые кодируются почти 40 генами. Они отличаются друг от друга по последовательности аминокислот и по степени модификации, т. е. по интенсивности гликолизирования или гидроксилирования.
Структура коллагена
Первичная структура молекул коллагена представляет собой цепь из повторяющихся пептидных триплетов XY-Gly, где Gly – это глицин, X в большинстве случаев представляет собой пролин (28 %), а Y – гидроксипролин (38 %); триплет ProHypGly – самый распространённый (10,5 %) в коллагене. Вторичная структура молекулы коллагена имеет форму рыхлой «ломаной» α-спирали (3,3 аминокислотных остатка в одном витке, шаг 0,29 нм). Цепи коллагена по размеру составляют от 662 [α1(X)] до 3152 [α3(VI)] аминокислот соответственно.
Третичная структура молекулы коллагена представляет собой суперспираль в виде трёхжильного каната, структура которого стабилизирована главным образом многочисленными водородными связями, а также электростатическими и гидрофобными взаимодействиями. Цепи одних коллагенов идентичны и образуют гомотримеры (коллаген II), других – разные, образуют гетеротримеры (коллаген IX) и встречаются чаще.
Тройная левозакрученная спираль является основной структурной единицей коллагена и называется тропоколлагеном (молекулярная масса около 300 тыс., длина 300 нм, толщина 1,5 нм). Фибриллярные участки тройной спирали, называемые коллагеновыми доменами, фланкированы глобулярными неколлагеновыми (не-XY-Gly) областями (НК-доменами), которые нередко содержат пептидные блоки, характерные для других молекул ВМ. Ковалентно связанные, плотно уложенные молекулы тропоколлагена составляют коллагеновые волокна. Организация последних в соединительной ткани зависит от её биологической функции. Одно волокно коллагена диаметром около 1 мм выдерживает нагрузку более 10 кг.
Биосинтез коллагена
Предшественником коллагена в организме служит проколлаген, который состоит из трёх α-цепей и превращается в функционально активный белок в ходе посттрансляционных модификаций.
Посттрансляционные модификации
Синтез коллагена начинается с образования препропептидов (предшественников α-цепей) с помощью рибосом на поверхности эндоплазматического ретикулума. Полученные препропептиды проходят через ряд посттрансляционных модификаций:
удаление сигнальных N-пептидов на конце препропептидов;
гидроксилирование остатков лизина и пролина с помощью железосодержащих ферментов пролилгидроксилазы и лизилгидроксилазы, а также аскорбиновой кислоты в качестве кофактора с образованием гидроксилизина и гидроксипролина;
гликозилирование отдельных гидроксильных групп лизина галактозой и глюкозой под действием галактозилтрансферазы и глюкозилтрансферазы соответственно.
Получившиеся в результате про-α-цепи скручиваются в тройную спираль, образуя молекулы проколлагена, которые попадают в аппарат Гольджи и с помощью секреторных пузырьков выводятся из клетки в ВМ. Коллагеновые пептидазы в ВМ расщепляют проколлаген, удаляя N- и C-концевые глобулярные домены, в результате чего образуется тропоколлаген и начинается сборка коллагеновых фибрилл. Медь-зависимый фермент лизилоксидаза дезаминирует некоторые остатки лизина и гидроксилизина с образованием альдегидных групп; последние образуют ковалентные связи между собой (при этом формируются альдольные поперечные связи) и с другими остатками лизина и гидроксилизина (при этом формируются ковалентные сшивки между соседними молекулами).
Нарушения в структуре и обмене коллагена
По мере старения организма в тропоколлагене происходит образование всё большего числа поперечных связей, что приводит к изменению механических свойств хрящей и сухожилий, кости становятся ломкими, понижается прозрачность роговицы и т. д.
Нарушения в структуре и обмене коллагена (в том числе генетические) ведут к развитию целого ряда тяжёлых заболеваний, наследственных коллагенопатий, коллагеновых болезней и др. При цинге, например, нарушается процесс гидроксилирования аминокислот; это дестабилизирует тропоколлаген, вследствие чего происходит поражение кожи, сосудов и других органов.
Распад коллагена
Коллаген способен разрушаться под действием специфических ферментов – коллагеназ (из семейства матриксных металлопротеиназ), которые синтезируются в клетках животных и некоторыми бактериями. Период полураспада разных видов коллагена составляет от нескольких дней до года.
Виды коллагена
Известные 28 типов коллагенов (таблица) подразделяют на несколько классов:
Коллагены, образующие фибриллы (фибриллярные коллагены). Самые распространённые коллагены у позвоночных, влияют на форму и механические свойства тканей, например на прочность кожи, устойчивость к растяжению связок и т. п. (коллагены типов I, II, III , V, XI, XXIV и XXVII).
Коллагены, образующие сетеподобные структуры (сетеобразующие коллагены). Например, мономеры коллагена IV образуют димеры за счёт взаимодействия НК-доменов С-концов и тетрамеры при взаимодействии НК-доменов N-концов. Они менее прочные на разрыв, чем фибриллярные, но более устойчивые к растяжению в разных направлениях (коллагены типов IV, VI, VIII, X).
Фибрилл-ассоциированные коллагены с прерывистыми тройными спиралями (fibril-associated collagens with interrupted triple-helices, FACIT). В тройной суперспирали коллагенов из этого класса присутствуют 1–2 коротких неспиральных домена, позволяющие молекулам сгибаться в этих участках. Не образуют фибрилл; связываются с поверхностью фибрилл (или их предшественников), образованных фибриллярными коллагенами (коллаген IX связывается с фибриллами коллагена II, коллаген XII – с фибриллами коллагена I и т. п.), участвуя таким образом в организации ВМ (коллагены VII, IX, XII, XIV, XVI, XIX, XX, XXI, XXII, XXVI).
Коллагены, связанные с мембранами, с прерывистыми тройными спиралями (membrane-associated collagens with interrupted triple-helices, MACIT). Имеют множественные прерывания в тройной спирали, включают в себя трансмембранный домен, не образуют фибрилл, участвуют в процессах клеточной адгезии и передаче сигналов (коллагены XIII, XVII, XXIII, XXV).
Мультиплексины (multiplexins), коллагены с множественными доменами тройной спирали и прерываниями. В эту группу входят коллаген XV (в основном присутствует в скелетных мышцах и миокарде) и коллаген XVIII (в основном локализован в печени). Нефибриллярные коллагены, представляющие собой гибридные молекулы (включают в себя протеогликаны, например коллаген XV содержит цепи хондроитинсульфата) и связывающиеся с базальными мембранами (Collagen XV ... 2020). Влияют на структуру ВМ, участвуют в процессах дифференцировки, регуляции ряда сигнальных путей.
Таблица. Типы коллагенов
Тип | Класс | Гены | Структура молекулы | Ткани и органы |
I | Фибриллярные | COL1A1 COL1A2 | [α1(I)]2, α2(I) | Кожа, сухожилия, связки, рубцовая ткань, костная ткань, дентин; 90 % всего коллагена позвоночных |
II | Фибриллярные | COL2A1 | [α1(II)]3 | Хрящ (50 % всего хряща, 85–90 % всего суставного хряща), стекловидное тело |
III | Фибриллярные | COL3A1 | [α1(III)]3 | В основном коллаген соединительной ткани полых органов (сосуды, матка, кишечник) |
IV | Сетеобразующие | COL4A1 COL4A2 COL4A3 COL4A4 COL4A5 COL4A6 | [α1(IV)]2, α2(IV) α3(IV), α4(IV), α5(IV) [α5(IV)]2, α6(IV) | Базальные мембраны; участвует в адгезии клеток, миграции, дифференцировке |
V | Фибриллярные | COL5A1 | [α1(V)]2, α2(V) [α1(V)]3 [α1(V)]2, α4(V) α1(XI), α1(V), α3(XI) | Костная ткань, кожа, роговица, мышечная ткань, плацента, хорион. Влияет на образование других коллагеновых фибрилл |
VI | Сетеобразующие | COL6A1 COL6A2 COL6A3 COL6A4 COL6A5 COL6A6 | α1(VI), α2(VI), α3(VI) [у человека α3(VI) замещена на α5(VI) или α6(VI)] α1(VI), α2(VI), α4(VI) | Костная ткань, хрящ, роговица, кожа. Один из основных компонентов ВМ скелетных мышц |
VII | FACIT | COL7A1 | [α1(VII)]3 | |
VIII | Сетеобразующие | COL8A1 COL8A2 | [α1(VIII)]3 [α2(VIII)]3 [α1(VIII)]2, α2(VIII) α1(VIII), [α2(VIII)]2 | Кожа, головной мозг, сердце, почки. Базальная мембрана эндотелия роговицы |
IX | FACIT | COL9A1 COL9A2 COL9A3 | α1(IX), α2(IX), α3(IX) | Ткани с коллагеном II, гиалиновый хрящ, роговица, стекловидное тело |
X | Сетеобразующие | COL10A1 | [α1(X)]3 | Хрящ (экспрессируется во время эндохондрального окостенения) |
XI | Фибриллярные | COL11A1 COL11A2 | α1(XI), α2(XI), α3(XI) α1(XI), α1(V), α3(XI) | Хрящ, стекловидное тело, межпозвоночные диски |
XII | FACIT | COL12A1 | [α1(XII)]3 | Кожа, сухожилия; участвует во взаимодействии коллагена I с ВМ |
XIII | MACIT | COL13A1 | [α1(XIII)]3 | Эндотелий, кожа, ткани глаза, сердце |
XIV | FACIT | COL14A1 | [α1(XIV)]3 | Костная ткань, кожа, хрящ; участвует в связывании других типов коллагена и в клеточной адгезии |
XV | Мультиплексины | COL15A1 | [α1(XV)]3 | Связан с базальными мембранами, играет структурную роль в сердечно-сосудистой и нервно-мышечной системах |
XVI | FACIT | COL16A1 | [α1(XVI)]3 | Фибробласты, кератиноциты, гладкая мускулатура, амнион; участвует в структуризации ВМ |
XVII | MACIT | COL17A1 | [α1(XVII)]3 | Трансмембранный белок, обеспечивающий связь между внутри- и внеклеточными структурными элементами, участвует в эпидермальной адгезии |
XVIII | Мультиплексины | COL18A1 | [α1(XVIII)]3 | Базальная мембрана эндотелия и эпителия; расщепляется с образованием эндостатина, ингибирующего рост кровеносных сосудов |
XIX | FACIT | COL19A1 | [α1(XIX)]3 | Головной мозг; участвует в формировании синапсов в области гиппокампа |
XX | FACIT | COL20A1 | [α1(XX)]3 | Роговица, кожа эмбриона, хрящ, сухожилия |
XXI | FACIT | COL21A1 | [α1(XXI)]3 | ВМ стенок кровеносных сосудов |
XXII | FACIT | COL22A1 | [α1(XXII)]3 | Сухожилия |
XXIII | MACIT | COL23A1 | [α1(XXIII)]3 | Трансмембранный белок. Эпидермис, эпителий языка, кишечника, лёгких; головной мозг, почки, роговица |
XXIV | Фибриллярные | COL24A1 | [α1(XXIV)]3 | Костная ткань, роговица |
XXV | MACIT | COL25A1 | [α1(XXV)]3 | Головной мозг |
XXVI | FACIT | COL26A1 | [α1(XXVI)]3 | |
XXVII | Фибриллярные | COL27A1 | [α1(XXVII)]3 | Хрящ |
XXVIII | – | COL28A1 | [α1(XXVIII)]3 | Седалищный нерв, базальная мембрана шванновских клеток, эпителий почечных канальцев |
Существует также ряд белков, содержащих коллагеноподобные домены с тройной коллагеновой спиралью, однако в классификацию коллагенов не входящих. Такие белки (адипонектин, эктодисплазин, глиомедин, колектины, фиколины, рецепторы макрофагов и др.) называют коллагеноподобными, они выполняют структурную и регуляторную роль.
Использование коллагена
Коллаген (его гидролизаты, а также желатин) используется в пищевой промышленности, фармацевтической (производство капсулированных средств), в медицине (препараты для лечения травм и регенерации соединительной ткани, производство имплантов), входит в состав косметических средств. В текстильной промышленности коллагеном обрабатывают ткани для придания им огнезащитных и гидрофобных свойств.