Kolagen instant wołowy w proszku 500 g Liniaplus

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

Kolagen – białko 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 owinięcie 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 jest budulcem kutykuli pierścienic. Występuje w mezoglei i tkankach parzydełkowców oraz u szkarłupni, stawonogów czy ramienionogów i innych bezkręgowców. Poza królestwem zwierząt kolagen stwierdzono u otwornic[9].

Kolagen wykorzystywany jest w przemyśle skórzanym, spożywczym, kosmetycznym, biotechnologicznym i farmaceutycznym[10].

Charakterystyka kolagenu w tkankach zwierzęcych

Występowanie kolagenu bywa uznawane za charakterystyczną cechę wielokomórkowych organizmów zwierzęcych (od gąbek po człowieka)[11]. Kolagen jest głównym włóknistym składnikiem skóry, ścięgien, chrząstki, naczyń krwionośnych, kości i zębów[12]. W organizmach ssaków stanowi ok. 25% całkowitej masy białek[8]. W ścięgnach kolagen tworzy podłużne włókna, w skórze tworzy luźno utkaną sieć włókien[12]. 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[13]. Natomiast odporność na ściskanie nadają wypełniające wolne przestrzenie w substancji międzykomórkowej proteoglikanyzłożone z rdzenia białkowego i glikozaminoglikanów (GAG)[14]. 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[15].

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[16]. Zatem kolagen powstaje głównie w tkance łącznej[17].

Kolagen produkowany jest przede wszystkim w fibroblastach, a poza tym w chondroblastach, odontoblastach i osteoblastach[18]. Fibroblasty wydzielają także fibronektynę, glikoproteinę występującą w substancji pozakomórkowej i na powierzchni komórek. Wiąże ona agregujące włókna prokolagenowe i zmienia kinetykę tworzenia włókien[19]. Zawiera regiony wiążące kolagen, regiony wiążące proteoglikany oraz regiony wiążące specyficzne integrynywystępujące na powierzchni różnych typów komórek[20].

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[21]. 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 kolagenopodobnymi[21].

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[22].

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 – często hydroksyprolina[23]. Polipeptydowe łańcuchy kolagenu (nazywane α-łańcuchami)[13] zbudowane są z około 1000 reszt aminokwasowych, gdzie co trzecią resztą aminokwasową jest glicyna. W kolagenie ssaków około 100 pozycji X zajętych jest przez prolinę i około 100 pozycji Y przez 4-hydroksyprolinę. Na kilku pozycjach X znajduje się 3-hydroksyprolina (ale tylko w sąsiedztwie 4-hydroksyproliny). Poza tym 5–50 pozycji Y jest zajętych przez hydroksylizynę. Reszty hydroksylizynowe mogą tworzyć wiązania O-glikozylowe[24]. Kluczowa dla struktury jest 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[23][25].

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%)[26]. 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[27].

Każdy z trzech łańcuchów występujących w kolagenie skręca się w helisę charakterystyczną dla kolagenu (tzw. helisa kolagenowa). Na pełny 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[23]. Trzy takie łańcuchy, każdy lewoskrętny, skręcając się dodatkowo wokół wspólnej osi, tworzą prawoskrętną, rozciągniętą superhelisę[1][28]. Odwrotny kierunek skręcenia pojedynczych łańcuchów i potrójnej helisy sprawia, że struktura ta jest szczególnie odporna na odwijanie pod wpływem rozciągania[29].

Z takiej potrójnej helisy zbudowany jest tropokolagen, który jest podstawową jednostką strukturalną kolagenu[30]. Struktura ta utrzymywana jest przez sieć wiązań wodorowych, zwłaszcza między grupą aminową glicyny jednej helisy a grupą karboksylową proliny w pozycji X innej helisy[23]. Cząsteczki tropokolagenu (o średnicy 1,5 nm)[31] agregują we włókienka (fibryle)[32] (o średnicy 10–300 nm)[33], a w wyniku dojrzewania ulegają usieciowaniu poprzez wiązania poprzeczne, tworząc włókna kolagenu[32] (o średnicy 1–20 μm)[33].

W typowej fibryli cząsteczki tropokolagenu są względem siebie przesunięte o 67 nm[34] (64–67 nm)[35] (nieco mniej niż jedna czwarta długości)[33], a w jednym rzędzie są oddalone od siebie o 35 nm[34]. Taki układ w obrazie z mikroskopu elektronowego prowadzi do uwidocznienia regularnych prążków[33].

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][36].

Wybrane typy kolagenu[1][18][33][37]

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)[38]

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)[11]. Do takich kolagenopodobnych białek należą m.in. kolektyny, białko C1q układu dopełniacza, receptory zmiatacze klasy A[37].

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 zsyntetyzowane na siateczce śródplazmatycznej szorstkiej, podobnie większość innych białek, które mają być wydzielone, powstają w postaci prekursorowej jako cząsteczki preprokolagenu[39]. 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), hydroksylacja reszt proliny i lizyny oraz glikozylacja w cząsteczce[39][40].

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[40].

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[41]:

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

Hydroksylowane aminokwasy stabilizują strukturę kolagenu poprzez tworzenie wiązań wodorowych[42], decydują o sztywności[25]. 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[42][43].

Niektóre reszty hydroksylizyny ulegają kolejnej modyfikacji potranslacyjnej – glikozylacji[25] – reszty cukrowe (zwykle tylko glukoza, galaktoza oraz budowane przez nie dwucukry) przyłączane są do nowo powstałych hydroksylowych reszt hydroksylizyny[23]. Taka glikozylacja nie zachodzi w innych białkach – tylko w kolagenie[25]. W zależności od tkanki udział wagowy cukrowców wynosi 0,4–12%[23].

Na tym etapie prokolagen ma dodatkowe reszty aminokwasowe (100–300)[42] o masie cząsteczkowej 20–35 kDa umieszczone na aminowym i karboksylowym końcu. Są to tzw. peptydy ekstensyjne[19] (zwane też telopeptydami)[44], 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)[19].

Prokolagen jest transportowany do aparatu Golgiego, gdzie zachodzi ostateczna glikozylacja[40] – proces, w którym do niektórych reszt hydroksylizyny przyłączana jest galaktoza lub galaktozyloglukoza[25]. Następnie cząsteczki prokolagenu są pakowane do pęcherzyków transportowych i wydzielane poza komórkę[40]. Poza komórką w wyniku działania aminoproteinazy prokolagenowej i karboksypeptydazy prokolagenowej zostają odłączone peptydy ekstensyjne, w wyniku czego powstaje tropokolagen[19].

Trójhelikalne cząsteczki tropokolagenu ulegają spontanicznej agregacji w przesuniętym ustawieniu głową do ogona, która prowadzi do powstania włókienek kolagenowych[19][45]. Z czasem w wyniku dojrzewania kolagenu następuje wytworzenie kowalencyjnych wiązań poprzecznych wewnątrz cząsteczek tropokolagenu i pomiędzy nimi, co zwiększa wytrzymałość i sztywność struktury[45][40]. Mówi się wówczas już nie o włókienkach, a o włóknach kolagenowych[46][47]. 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)[45].

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[48].

Okres półtrwania kolagenu wynosi do kilku miesięcy. Rozpad kolagenu (i zastępowanie go nowym) występuje podczas normalnego rozwoju i wzrostu, a także przy naprawie tkanek[49] – 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[49] (metaloproteinazy macierzy zewnątrzkomórkowej[1] – MMP-1, MMP-8, MMP-13)[34], 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 kolagenaz, które ułatwiają im wzrost i rozsiew[49]. Kolagenazy biorą także udział podczas zapalenia stawów w rozkładzie chrząstki[31].

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[50]. 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[51]
• łamliwość kości[48]
• szkorbut wynikający z niedoboru witaminy C (kwasu askorbinowego), która jest kofaktorem w reakcjach hydroksylacji proliny i lizyny[52]

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[45].

Choroby związane z różnymi typami kolagenu[18]

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