Коллаген - Collagen

Молекула тропоколлагена: три левых проколлагена (красный, зеленый, синий) соединяются, образуя правосторонний тройной спиральный тропоколлаген.

Коллаген ( / к ɒ л ə ə п / ) является основным структурным белком во внеклеточном матриксе найдены в различных тела соединительной ткани . Как основной компонент соединительной ткани, это самый распространенный белок у млекопитающих, составляющий от 25% до 35% всего белка в организме. Коллаген состоит из аминокислот, связанных вместе, образуя тройную спираль удлиненных фибрилл, известную как спираль коллагена . В основном он содержится в соединительной ткани, такой как хрящи , кости , сухожилия , связки и кожа .

В зависимости от степени минерализации коллагеновые ткани могут быть жесткими (кость) или податливыми (сухожилия) или иметь градиент от жесткого к податливому (хрящ). Коллаген также богат роговицей , кровеносными сосудами , кишечником , межпозвоночными дисками и дентином зубов. В мышечной ткани он служит основным компонентом эндомизия . Коллаген составляет от одного до двух процентов мышечной ткани и составляет 6% веса сильных сухожильных мышц. Фибробласты является наиболее распространенными клетками , что создает коллаген. Желатин , который используется в пище и промышленности, представляет собой необратимо гидролизованный коллаген . Коллаген имеет множество медицинских применений при лечении костей и кожи.

Этимология

Название « коллаген» происходит от греческого κόλλα ( kólla ), что означает « клей », и суффикса -γέν, -gen , обозначающего «производство».

Типы людей

Более 90% коллагена в организме человека - это коллаген I типа . Однако по состоянию на 2011 год 28 типов человеческого коллагена были идентифицированы, описаны и разделены на несколько групп в зависимости от структуры, которую они образуют. Все типы содержат как минимум одну тройную спираль . Количество типов показывает разнообразную функциональность коллагена.

  • Фибриллярные (Тип I, II, III, V, XI)
  • Нефибриллярный
    • FACIT (фибриллы Associated Коллагенная с Прерванной Тройной Спиралью) (тип IX, XII, XIV, XIX, XXI)
    • Короткая цепь (Тип VIII, X)
    • Базальная мембрана (Тип IV)
    • Мультиплексин (множественные домены тройной спирали с прерываниями) (тип XV, XVIII)
    • MACIT (ассоциированные с мембраной коллагены с прерывистой тройной спиралью) (Тип XIII, XVII)
    • Формирование микрофибрилл (Тип VI)
    • Заякоренные фибриллы (Тип VII)

Пять наиболее распространенных типов:

Медицинское использование

Сердечные приложения

Коллагеновый скелет сердца, который включает четыре кольца сердечных клапанов , гистологически, эластично и однозначно связан с сердечной мышцей. Каркас сердца включает также разделяющие перегородки камер сердца - межжелудочковую перегородку и атриовентрикулярную перегородку . Вклад коллагена в измерение сердечной деятельности в целом представляет собой непрерывную крутящую силу, противоположную гидравлической механике артериального давления, исходящего из сердца. Коллагеновая структура, которая отделяет верхние камеры сердца от нижних камер, представляет собой непроницаемую мембрану, которая исключает как кровь, так и электрические импульсы с помощью обычных физиологических средств. При поддержке коллагена фибрилляция предсердий никогда не переходит в фибрилляцию желудочков . Коллаген наслоен различной плотности с гладкой мышечной массой. Масса, распределение, возраст и плотность коллагена - все это способствует податливости, необходимой для движения крови вперед и назад. Отдельные створки сердечных клапанов складываются в форму с помощью специального коллагена под переменным давлением . Постепенное отложение кальция в коллагене является естественной функцией старения. Кальцинированные точки в коллагеновых матрицах демонстрируют контраст в движущемся отображении крови и мышц, что позволяет методам технологии визуализации сердца достигать соотношений, по существу указывающих на поступление крови ( сердечный ввод ) и вывод крови ( сердечный выброс ). Патология коллагеновой основы сердца относится к категории заболеваний соединительной ткани .

Косметическая хирургия

Коллаген широко используется в косметической хирургии в качестве лечебного средства для ожоговых пациентов при реконструкции костей и в самых разных стоматологических, ортопедических и хирургических целях. Коллаген человека и крупного рогатого скота широко используется в качестве кожных наполнителей для лечения морщин и старения кожи. Некоторые интересные места:

  1. При косметическом использовании есть вероятность возникновения аллергических реакций, вызывающих продолжительное покраснение; однако это может быть практически устранено простым и незаметным тестированием пластыря перед использованием в косметических целях.
  2. Большинство медицинского коллагена получают из молодняка крупного рогатого скота (крупного рогатого скота) от сертифицированных животных, не содержащих BSE . Большинство производителей используют животных-доноров либо из «закрытых стад», либо из стран, в которых никогда не было зарегистрировано случаев BSE, таких как Австралия, Бразилия и Новая Зеландия.

Костные трансплантаты

Поскольку скелет формирует структуру тела, жизненно важно, чтобы он сохранял свою силу даже после переломов и травм. Коллаген используется при трансплантации костей, поскольку он имеет тройную спиральную структуру, что делает его очень прочной молекулой. Он идеально подходит для лечения костей, так как не нарушает структурную целостность скелета. Тройная спиральная структура коллагена предотвращает его расщепление ферментами, обеспечивает адгезию клеток и важна для правильной сборки внеклеточного матрикса.

Регенерация тканей

Коллагеновые каркасы используются для регенерации тканей, будь то губки, тонкие листы, гели или волокна. Коллаген обладает благоприятными свойствами для регенерации тканей, такими как структура пор, проницаемость, гидрофильность и стабильность in vivo. Коллагеновые каркасы также способствуют отложению клеток, таких как остеобласты и фибробласты , и, будучи вставленными, способствуют нормальному росту.

Реконструктивное хирургическое использование

Коллагены широко используются в создании искусственных заменителей кожи, используемых при лечении тяжелых ожогов и ран. Эти коллагены могут быть получены из коровьего, конского, свиного или даже человеческого происхождения; и иногда используются в сочетании с силиконами , гликозаминогликанами , фибробластами , факторами роста и другими веществами.

Лечение раны

Коллаген - один из ключевых природных ресурсов организма и компонент кожной ткани, который может принести пользу на всех этапах заживления ран . Когда коллаген становится доступным для ложа раны, может произойти закрытие. Таким образом, можно избежать ухудшения состояния раны, за которым иногда могут следовать такие процедуры, как ампутация.

Коллаген - это натуральный продукт, поэтому он используется в качестве натуральной повязки на рану и обладает свойствами, которых нет у искусственных повязок. Он устойчив к бактериям, что имеет жизненно важное значение для перевязки ран. Это помогает сохранить стерильность раны благодаря своей естественной способности бороться с инфекциями. Когда коллаген используется в качестве ожоговой повязки, здоровая грануляционная ткань может очень быстро образовываться над ожогом, помогая ему быстро зажить.

На протяжении четырех этапов заживления ран коллаген выполняет следующие функции при заживлении ран:

  • Направляющая функция: коллагеновые волокна служат для направления фибробластов. Фибробласты мигрируют по матрице соединительной ткани.
  • Хемотаксические свойства: большая площадь поверхности коллагеновых волокон может привлекать фиброгенные клетки, которые помогают в заживлении.
  • Зарождение ядра : коллаген в присутствии определенных нейтральных молекул соли может действовать как зародышеобразователь, вызывая образование фибриллярных структур. Коллагеновая повязка на рану может служить ориентиром для определения нового отложения коллагена и роста капилляров.
  • Гемостатические свойства: тромбоциты крови взаимодействуют с коллагеном, образуя гемостатическую пробку.

Фундаментальные исследования

Коллаген используется в лабораторных исследованиях для культивирования клеток , изучения поведения клеток и клеточных взаимодействий с внеклеточной средой .

Химия

Белок коллагена состоит из тройной спирали, которая обычно состоит из двух идентичных цепей (α1) и дополнительной цепи, которая немного отличается по своему химическому составу (α2). Аминокислотный состав коллагена нетипичен для белков, особенно в отношении высокого содержания в нем гидроксипролина . Наиболее распространенные мотивы в аминокислотной последовательности коллагена являются глицин - пролин -X и глицин-Х-гидроксипролин, где Х обозначает любую аминокислоту, кроме глицина , пролина или гидроксипролина . Приведен средний аминокислотный состав кожи рыб и млекопитающих.

Аминокислота Изобилие в коже млекопитающих
( остатки / 1000)
Изобилие в коже рыб
(остатки / 1000)
Глицин 329 339
Пролин 126 108
Аланин 109 114
Гидроксипролин 95 67
Глютаминовая кислота 74 76
Аргинин 49 52
Аспарагиновая кислота 47 47
Серин 36 46
Лизин 29 26
Лейцин 24 23
Валин 22 21 год
Треонин 19 26
Фенилаланин 13 14
Изолейцин 11 11
Гидроксилизин 6 8
Метионин 6 13
Гистидин 5 7
Тирозин 3 3
Цистеин 1 1
Триптофан 0 0

Синтез

Сначала собирается трехмерная цепочечная структура, основными компонентами которой являются аминокислоты глицин и пролин. Это еще не коллаген, а его предшественник проколлаген. Затем проколлаген модифицируется путем добавления гидроксильных групп к аминокислотам пролину и лизину . Этот этап важен для более позднего гликозилирования и формирования структуры тройной спирали коллагена. Поскольку ферменты гидроксилазы, которые выполняют эти реакции, требуют витамина С в качестве кофактора, длительный дефицит этого витамина приводит к нарушению синтеза коллагена и цинге . Эти реакции гидроксилирования катализируются двумя разными ферментами: пролил-4-гидроксилазой и лизил-гидроксилазой. Реакция потребляет одну молекулу аскорбата на гидроксилирование. Синтез коллагена происходит внутри и вне клетки. Здесь обсуждается образование коллагена, в результате которого образуется фибриллярный коллаген (наиболее распространенная форма). Сетчатый коллаген, который часто участвует в формировании систем фильтрации, является другой формой коллагена. Все типы коллагенов представляют собой тройные спирали, и разница заключается в составе альфа-пептидов, созданных на этапе 2.

  1. Транскрипция мРНК : с образованием коллагена связаны около 44 генов, каждый из которых кодирует определенную последовательность мРНК и обычно имеет префикс « COL ». Начало синтеза коллагена начинается с включения генов, которые связаны с образованием определенного альфа-пептида (обычно альфа 1, 2 или 3).
  2. Формирование пре-пропептида : как только последняя мРНК выходит из ядра клетки и попадает в цитоплазму, она связывается с рибосомными субъединицами, и происходит процесс трансляции. Ранняя / первая часть нового пептида известна как сигнальная последовательность. Сигнальная последовательность на N-конце пептида распознается частицей распознавания сигнала на эндоплазматическом ретикулуме, которая будет отвечать за направление пре-пропептида в эндоплазматический ретикулум. Следовательно, как только синтез нового пептида завершается, он попадает непосредственно в эндоплазматический ретикулум для посттрансляционного процессинга. Сейчас он известен как препроколлаген.
  3. Пре-пропептид на проколлаген : происходят три модификации пре-пропептида, ведущие к образованию альфа-пептида:
    1. Сигнальный пептид на N-конце удаляется, и теперь молекула известна как пропептид (а не проколлаген).
    2. Гидроксилирование лизинов и пролинов на пропептиде ферментами «пролилгидроксилаза» и «лизилгидроксилаза» (с образованием гидроксипролина и гидроксилизина) происходит, чтобы способствовать сшиванию альфа-пептидов. Этот ферментативный этап требует витамина С в качестве кофактора. При цинге отсутствие гидроксилирования пролинов и лизинов вызывает более рыхлую тройную спираль (которая образована тремя альфа-пептидами).
    3. Гликозилирование происходит путем добавления мономеров глюкозы или галактозы к гидроксильным группам, которые были помещены на лизины, но не на пролины.
    4. Как только эти модификации произошли, три из гидроксилированных и гликозилированных пропептидов скручиваются в тройную спираль, образуя проколлаген. У проколлагена еще есть раскрученные концы, которые позже будут обрезаны. На этом этапе проколлаген упаковывается в везикулу переноса, предназначенную для аппарата Гольджи.
  4. Модификация аппарата Гольджи : в аппарате Гольджи проколлаген проходит последнюю посттрансляционную модификацию перед тем, как секретируется из клетки. На этом этапе добавляются олигосахариды (а не моносахариды, как на этапе 3), а затем проколлаген упаковывается в секреторный пузырь, предназначенный для внеклеточного пространства.
  5. Образование тропоколлагена . Оказавшись вне клетки, мембраносвязанные ферменты, известные как коллагеновые пептидазы, удаляют «свободные концы» молекулы проколлагена. То, что осталось, известно как тропоколлаген. Дефекты на этом этапе вызывают одну из многих коллагенопатий, известных как синдром Элерса-Данлоса . Этот этап отсутствует при синтезе типа III, типа фибриллярного коллагена.
  6. Образование фибриллы коллагена : лизилоксидаза , внеклеточный медьзависимый фермент, производит заключительный этап в пути синтеза коллагена. Этот фермент действует на лизины и гидроксилизины, продуцируя альдегидные группы, которые в конечном итоге претерпевают ковалентную связь между молекулами тропоколлагена. Этот полимер тропоколлагена известен как фибрилла коллагена.
Действие лизилоксидазы

Аминокислоты

Коллаген имеет необычный аминокислотный состав и последовательность:

  • Глицин содержится почти в каждом третьем остатке .
  • Пролин составляет около 17% коллагена.
  • Коллаген содержит две необычные производные аминокислоты, которые не вставляются непосредственно во время трансляции . Эти аминокислоты находятся в определенных местах относительно глицина и посттрансляционно модифицируются различными ферментами, оба из которых требуют витамина С в качестве кофактора .

Кортизол стимулирует разложение коллагена (кожи) на аминокислоты.

Образование коллагена I

Большинство коллагена образуется аналогичным образом, но для типа I характерен следующий процесс:

  1. Внутри клетки
    1. Два типа альфа-цепей - альфа-1 и альфа 2, образуются во время трансляции на рибосомах вдоль грубого эндоплазматического ретикулума (RER). Эти пептидные цепи, известные как препроколлаген, имеют регистрирующие пептиды на каждом конце и сигнальный пептид .
    2. Полипептидные цепи высвобождаются в просвет RER.
    3. Сигнальные пептиды расщепляются внутри RER, и теперь эти цепи известны как про-альфа-цепи.
    4. Гидроксилирование из лизина и пролина аминокислоты происходит внутри просвета. Этот процесс зависит от аскорбиновой кислоты (витамина С) и потребляет ее в качестве кофактора .
    5. Происходит гликозилирование определенных остатков гидроксилизина.
    6. Тройная альфа-спиральная структура формируется внутри эндоплазматического ретикулума из двух цепей альфа-1 и одной цепи альфа-2.
    7. Проколлаген доставляется в аппарат Гольджи , где он упаковывается и секретируется во внеклеточное пространство посредством экзоцитоза .
  2. Вне камеры
    1. Регистрационные пептиды расщепляются, и тропоколлаген образуется проколлагеновой пептидазой .
    2. Множественные молекулы тропоколлагена образуют фибриллы коллагена посредством ковалентного сшивания ( альдольная реакция ) лизилоксидазой, которая связывает остатки гидроксилизина и лизина. Множественные коллагеновые фибриллы образуют коллагеновые волокна.
    3. Коллаген может быть прикреплен к клеточным мембранам через несколько типов белков, включая фибронектин , ламинин , фибулин и интегрин .

Синтетический патогенез

Дефицит витамина С вызывает цингу , серьезное и болезненное заболевание, при котором дефектный коллаген препятствует образованию прочной соединительной ткани . Десны портятся и кровоточат, с потерей зубов; кожа меняет цвет, а раны не заживают. До 18 века это состояние было печально известно среди длительных военных, особенно военно-морских, экспедиций, во время которых участников лишали продуктов, содержащих витамин С.

Аутоиммунное заболевание , такое как волчанка или ревматоидный артрит может атаковать здоровые волокна коллагена.

Многие бактерии и вирусы выделяют факторы вирулентности , такие как фермент коллагеназа , который разрушает коллаген или препятствует его производству.

Молекулярная структура

Одна молекула коллагена, тропоколлаген, используется для образования более крупных агрегатов коллагена, таких как фибриллы. Он имеет длину примерно 300  нм и диаметр 1,5 нм и состоит из трех полипептидных цепей (называемых альфа-пептидами, см. Шаг 2), каждая из которых имеет конформацию левой спирали - это не следует путать с правая альфа-спираль . Эти три левые спирали скручены вместе в правую тройную спираль или «суперспираль», кооперативную четвертичную структуру, стабилизированную множеством водородных связей . С коллагеном I типа и, возможно, со всеми фибриллярными коллагенами, если не со всеми коллагенами, каждая тройная спираль объединяется в правостороннюю суперспираль, называемую микрофибриллами коллагена. Каждая микрофибрилла пересекается с соседними микрофибриллами до такой степени, что можно предположить, что они индивидуально нестабильны, хотя внутри коллагеновых фибрилл они настолько упорядочены, что являются кристаллическими.

Три полипептида клубятся с образованием тропоколлагена. Затем многие тропоколлагены связываются вместе, образуя фибриллы, а многие из них затем образуют волокно.

Отличительной особенностью коллагена является регулярное расположение аминокислот в каждой из трех цепей этих субъединиц коллагена. Последовательность часто следует шаблон Gly - Pro -X или Gly-X- Hyp , где Х может быть любой из различных других аминокислотных остатков. Пролин или гидроксипролин составляют около 1/6 всей последовательности. С учетом глицина, составляющего 1/3 последовательности, это означает, что примерно половина последовательности коллагена не является глицином, пролином или гидроксипролином, факт, который часто упускается из виду из-за отвлечения внимания необычным характером GX 1 X 2 альфа-пептидов коллагена. Высокое содержание глицина в коллагене важно для стабилизации коллагеновой спирали, поскольку это позволяет очень тесную ассоциацию коллагеновых волокон внутри молекулы, облегчая водородные связи и образование межмолекулярных поперечных связей. Такое регулярное повторение и высокое содержание глицина обнаруживается только в нескольких других волокнистых белках, таких как фиброин шелка .

Коллаген - это не только структурный белок. Благодаря своей ключевой роли в определении клеточного фенотипа, клеточной адгезии, регуляции тканей и инфраструктуры, многие участки его небогатых пролином областей играют роль ассоциации / регуляции клеток или матрикса. Относительно высокое содержание пролиновых и гидроксипролиновых колец с их геометрически ограниченными карбоксильными и (вторичными) аминогруппами , а также большое количество глицина объясняют тенденцию отдельных полипептидных цепей спонтанно образовывать левые спирали без какой-либо внутрицепной водородная связь.

Поскольку глицин является самой маленькой аминокислотой без боковой цепи, он играет уникальную роль в волокнистых структурных белках. В коллагене Gly требуется в каждой третьей позиции, потому что сборка тройной спирали помещает этот остаток во внутреннюю часть (ось) спирали, где нет места для большей боковой группы, чем единственный атом водорода глицина . По той же причине кольца Pro и Hyp должны быть направлены наружу. Эти две аминокислоты помогают стабилизировать тройную спираль - Hyp даже больше, чем Pro; их более низкая концентрация требуется у таких животных, как рыбы, температура тела которых ниже, чем у большинства теплокровных животных. Более низкое содержание пролина и гидроксипролина характерно для холодноводных, но не для теплопроводных рыб; последние, как правило, имеют такое же содержание пролина и гидроксипролина, что и млекопитающие. Более низкое содержание пролина и гидрокспролина у холодноводных рыб и других пойкилотермных животных приводит к тому, что их коллаген имеет более низкую термостабильность, чем коллаген млекопитающих. Эта более низкая термическая стабильность означает, что желатин, полученный из рыбьего коллагена, не подходит для многих пищевых и промышленных применений.

Субъединицы тропоколлагена спонтанно самоорганизуются с регулярно смещенными концами в еще более крупные массивы во внеклеточных пространствах тканей. Дополнительная сборка фибрилл направляется фибробластами, которые откладывают полностью сформированные фибриллы из фибрипозиторов. В фибриллярных коллагенах молекулы смещены относительно соседних молекул примерно на 67  нм (единица, которая обозначается как «D» и изменяется в зависимости от состояния гидратации агрегата). В каждом повторе D-периода микрофибриллы есть часть, содержащая пять молекул в поперечном сечении, называемая «перекрытием», и часть, содержащая только четыре молекулы, называемая «разрывом». Эти области перекрытия и зазора сохраняются по мере того, как микрофибриллы собираются в фибриллы, и, таким образом, их можно увидеть с помощью электронной микроскопии. Тройные спиральные тропоколлагены в микрофибриллах расположены в виде квазигексагональной упаковки.

D-период коллагеновых фибрилл дает видимые полосы 67 нм при наблюдении с помощью электронной микроскопии.

Существует некоторое ковалентное сшивание внутри тройных спиралей и различное количество ковалентных сшивок между спиралями тропоколлагена, образующими хорошо организованные агрегаты (такие как фибриллы). Более крупные фибриллярные пучки формируются с помощью нескольких различных классов белков (включая разные типы коллагена), гликопротеинов и протеогликанов, чтобы сформировать разные типы зрелых тканей из альтернативных комбинаций одних и тех же ключевых игроков. Нерастворимость коллагена была препятствием для изучения мономерного коллагена, пока не было обнаружено, что тропоколлаген из молодых животных может быть извлечен, поскольку он еще не полностью сшит . Однако достижения в области методов микроскопии (например, электронной микроскопии (ЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ)) и дифракции рентгеновских лучей позволили исследователям получать все более подробные изображения структуры коллагена in situ . Эти более поздние достижения особенно важны для лучшего понимания того, каким образом структура коллагена влияет на коммуникацию клетка-клетка и клетка-матрица, и как ткани строятся в процессе роста и восстановления и изменяются в процессе развития и болезни. Например, с помощью наноиндентирования на основе АСМ было показано, что единичное коллагеновое волокно представляет собой гетерогенный материал в осевом направлении со значительно разными механическими свойствами в областях зазора и перекрытия, что коррелирует с его различной молекулярной организацией в этих двух областях.

Коллагеновые фибриллы / агрегаты расположены в различных комбинациях и концентрациях в различных тканях для обеспечения различных свойств ткани. В кости целые тройные спирали коллагена расположены в параллельном шахматном порядке. Зазоры в 40 нм между концами субъединиц тропоколлагена (приблизительно равные области зазора), вероятно, служат центрами зародышеобразования для осаждения длинных твердых и мелких кристаллов минерального компонента, которым является гидроксилапатит (приблизительно) Ca 10 (OH) 2 (ПО 4 ) 6 . Коллаген I типа придает костям прочность на разрыв .

Сопутствующие расстройства

Заболевания, связанные с коллагеном, чаще всего возникают из-за генетических дефектов или недостатка питания, которые влияют на биосинтез, сборку, посттрансляционную модификацию, секрецию или другие процессы, участвующие в нормальном производстве коллагена.

Генетические дефекты генов коллагена
Тип Примечания Ген (ы) Расстройства
я Это самый распространенный коллаген в организме человека. Он присутствует в рубцовой ткани, конечном продукте, когда ткань заживает путем восстановления. Он обнаружен в сухожилиях , коже, стенках артерий, роговице, эндомизии, окружающем мышечные волокна, фиброзно- хрящевой ткани и органической части костей и зубов. COL1A1 , COL1A2 Несовершенный остеогенез , синдром Элерса-Данлоса , инфантильный кортикальный гиперостоз, известный как болезнь Каффи
II Гиалиновый хрящ составляет 50% всего хрящевого белка. Стекловидное тело глаза. COL2A1 Коллагенопатия II и XI типов
III Это коллаген грануляционной ткани, который быстро вырабатывается молодыми фибробластами до того, как синтезируется более прочный коллаген I типа. Ретикулярное волокно . Также содержится в стенках артерий, коже, кишечнике и матке. COL3A1 Синдром Элерса-Данлоса , контрактура Дюпюитрена
IV Базальная пластинка ; хрусталик глаза . Кроме того, служит в качестве части системы фильтрации в капиллярах и клубочки из нефрона в почках . COL4A1 , COL4A2 , COL4A3 , COL4A4 , COL4A5 , COL4A6 Alport синдром , синдром Гудпасчера
V Наиболее интерстициальная ткань, ассоциированная. с типом I, связанным с плацентой COL5A1 , COL5A2 , COL5A3 Синдром Элерса-Данлоса (классический)
VI Наиболее интерстициальная ткань, ассоциированная. с типом I COL6A1 , COL6A2 , COL6A3 , COL6A5 Ульрих миопатия , Bethlem миопатия , атопический дерматит
VII Формирует закрепляющие фибриллы в дермоэпидермальных соединениях COL7A1 Буллезно-дистрофический эпидермолиз
VIII Некоторые эндотелиальные клетки COL8A1 , COL8A2 Задняя полиморфная дистрофия роговицы 2
IX FACIT коллаген , хрящ, доц. с фибриллами типа II и XI COL9A1 , COL9A2 , COL9A3 EDM2 и EDM3
Икс Гипертрофический и минерализующий хрящ COL10A1 Метафизарная дисплазия Шмида
XI Хрящ COL11A1 , COL11A2 Коллагенопатия II и XI типов
XII Коллаген FACIT , взаимодействует с типом I, содержащим фибриллы, декорин и гликозаминогликаны. COL12A1 -
XIII Трансмембранный коллаген взаимодействует с интегрином a1b1, фибронектином и компонентами базальных мембран, такими как нидоген и перлекан . COL13A1 -
XIV Коллаген FACIT, также известный как ундулин COL14A1 -
XV - COL15A1 -
XVI - COL16A1 -
XVII Трансмембранный коллаген, также известный как BP180, белок 180 кДа. COL17A1 Буллезный пемфигоид и некоторые формы буллезного узлового эпидермолиза
XVIII Источник эндостатина COL18A1 -
XIX Коллаген FACIT COL19A1 -
XX - COL20A1 -
XXI Коллаген FACIT COL21A1 -
XXII - COL22A1 -
XXIII Коллаген MACIT COL23A1 -
XXIV - COL24A1 -
XXV - COL25A1 -
XXVI - EMID2 -
XXVII - COL27A1 -
XXVIII - COL28A1 -
XXIX Эпидермальный коллаген COL29A1 Атопический дерматит

Помимо вышеупомянутых нарушений, при склеродермии происходит чрезмерное отложение коллагена .

Болезни

Тысяча мутаций выявлена ​​в 12 из более чем 20 типов коллагена. Эти мутации могут приводить к различным заболеваниям на тканевом уровне.

Несовершенный остеогенез - вызван мутацией в коллагене 1 типа , доминантным аутосомным заболеванием, приводит к слабости костей и неправильной соединительной ткани, некоторые случаи могут быть легкими, а другие могут быть летальными. В легких случаях уровень коллагена 1 типа снижен, в тяжелых случаях - структурные дефекты коллагена.

Хондродисплазия - заболевание скелета, которое, как считается, вызвано мутацией в коллагене 2 типа , для подтверждения этого проводятся дальнейшие исследования.

Синдром Элерса-Данлоса - известны тринадцать различных типов этого расстройства, которые приводят к деформации соединительной ткани. Некоторые из более редких типов могут привести к летальному исходу и привести к разрыву артерий. Каждый синдром вызван разными мутациями. Например, сосудистый тип (vEDS) этого заболевания вызван мутацией коллагена 3 типа .

Синдром Альпорта - может передаваться генетически, обычно как Х-сцепленная доминантная, но также как аутосомно-доминантное и аутосомно-рецессивное заболевание, у больных есть проблемы с почками и глазами, потеря слуха также может развиться в детстве или подростковом возрасте.

Синдром Кноблоха - вызван мутацией в гене COL18A1 , который кодирует выработку коллагена XVIII. Пациенты обращаются с выпячиванием ткани головного мозга и дегенерацией сетчатки; человек, члены семьи которого страдают этим расстройством, подвергается повышенному риску его развития, поскольку существует наследственная связь.

Характеристики

Коллаген - один из длинных волокнистых структурных белков , функции которого сильно отличаются от функций глобулярных белков , таких как ферменты . Плотные пучки коллагена, называемые коллагеновыми волокнами, являются основным компонентом внеклеточного матрикса, который поддерживает большинство тканей и придает клеточную структуру извне, но коллаген также находится внутри некоторых клеток. Коллаген обладает большой прочностью на разрыв и является основным компонентом фасций , хрящей , связок , сухожилий , костей и кожи. Наряду с эластином и мягким кератином он отвечает за прочность и эластичность кожи, а его деградация приводит к появлению морщин , сопровождающих старение . Он укрепляет кровеносные сосуды и играет роль в развитии тканей . Он присутствует в роговице и хрусталике глаза в кристаллической форме. Это может быть один из самых распространенных белков в летописи окаменелостей, учитывая, что он, по-видимому, часто окаменяет даже в костях мезозоя и палеозоя .

Использует

Салями и коллагеновая оболочка (внизу), в которой она пришла.

Коллаген имеет множество применений, от пищевых продуктов до медицинских. Например, он используется в косметической хирургии и хирургии ожогов . Он широко используется в виде коллагеновых оболочек для колбас.

Если коллаген подвергается достаточной денатурации , например, при нагревании, три цепи тропоколлагена частично или полностью разделяются на глобулярные домены, содержащие вторичную структуру, отличную от нормальной полипролина коллагена II (PPII), например случайные спирали . Этот процесс описывает образование желатина , который используется во многих пищевых продуктах, включая ароматизированные желатиновые десерты . Помимо продуктов питания, желатин используется в фармацевтической, косметической и фотографической промышленности. Он также используется как пищевая добавка .

От греческого слова «клей», колла , слово «коллаген» означает « производитель клея » и относится к раннему процессу кипячения кожи и сухожилий лошадей и других животных для получения клея. Коллагеновый клей использовался египтянами около 4000 лет назад, а коренные американцы использовали его для изготовления луков около 1500 лет назад. Самый старый клей в мире, углерод от как более чем 8000 лет, было установлено, что коллаген - используется в качестве защитного покрытия на веревочных корзинах и вышитых тканей , держать посуду вместе, и в перекрестном украшения на человеческих черепов . Коллаген обычно превращается в желатин, но выживает в сухих условиях. Клеи для животных термопластичны , снова размягчаются при повторном нагревании, поэтому они все еще используются при изготовлении музыкальных инструментов, таких как прекрасные скрипки и гитары, которые, возможно, придется снова открывать для ремонта - применение несовместимо с жесткими синтетическими пластиковыми клеями, которые являются постоянными. Сухожилия и шкуры животных, в том числе кожа, тысячелетиями использовались для изготовления полезных предметов.

Gelatin- резорцин - формальдегид клей (и с формальдегидом заменен менее токсичен пентандиалом и ethanedial ) был использован для ремонта экспериментальных надрезов в кроличьем легких .

Терминогия и шумиха: веганский коллаген?

Поскольку коллаген является животным белком, по сути, его нельзя назвать веганом , поскольку веганство утверждает, что воздерживается от любого использования продуктов животного происхождения . Как бы то ни было, термин «веганский коллаген» - очевидное вымышленное название и грубая попытка обмануть покупателя, или его следует рассматривать как таковой на первый взгляд.

Однако некоторые производители теперь могут извлекать коллаген из культур генетически модифицированных дрожжей и бактерий, специально запрограммированных на синтез коллагена.

Генетическая структура дрожжей Pichia pastoris была изменена для производства коллагена путем добавления человеческих генов, кодирующих этот белок. Pichia pastoris - это модельный организм, широко используемый в биохимических исследованиях и биотехнологической промышленности. Он хорошо известен в генетических исследованиях и используется в качестве системы экспрессии для производства белка.

Это объясняет, почему термин «веганский коллаген» становится все более популярным во многих рекламных кампаниях косметики и косметических товаров с тем преимуществом, что избегают упоминания способа его производства.

История

Молекулярные и упаковочные структуры коллагена ускользнули от ученых в течение десятилетий исследований. Первые свидетельства того, что он обладает регулярной структурой на молекулярном уровне, были представлены в середине 1930-х годов. Затем исследования были сосредоточены на конформации мономера коллагена , в результате чего было получено несколько конкурирующих моделей, хотя и правильно учитывались конформация каждой отдельной пептидной цепи. Трехспиральная модель «Мадрас», предложенная Г. Н. Рамачандраном в 1955 году, предоставила точную модель четвертичной структуры коллагена. Эта модель была подтверждена дальнейшими исследованиями более высокого разрешения в конце 20-го века.

Структура упаковки коллагена не была определена в такой же степени за пределами фибриллярных типов коллагена, хотя давно известно, что она гексагональная. Как и в случае с его мономерной структурой, несколько противоречащих друг другу моделей предполагают, что упаковка молекул коллагена «пластинчатая» или микрофибриллярная . Микрофибриллярная структура коллагеновых фибрилл в сухожилиях, роговице и хрящах была визуализирована непосредственно с помощью электронной микроскопии в конце 20-го и начале 21-го веков. Микрофибриллярная структура сухожилия хвоста крысы была смоделирована как наиболее близкая к наблюдаемой структуре, хотя она чрезмерно упрощала топологическую прогрессию соседних молекул коллагена и, таким образом, не предсказывала правильную конформацию прерывистого D-периодического пентамерного расположения, называемого микрофибриллами .

Смотрите также

использованная литература