Kolagen

Kolagen  je glykoprotein, fibrilární protein , který tvoří základ pojivové tkáně těla ( šlachy , kosti , chrupavky , škáry atd.) a zajišťuje její pevnost a pružnost. Kolagen byl nalezen u zvířat ; chybí v rostlinách , bakteriích , virech , prvokech a houbách [1] . Kolagen je hlavní složkou pojivové tkáně a nejhojnějším proteinem u savců [2], který tvoří 25 % až 45 % bílkovin v celém těle. Syntéza kolagenu je energeticky velmi náročná a vyskytuje se pouze u zvířat, která využívají kyslík . Příchod kolagenu umožnil vytvořit kostru, vnější i vnitřní, a dramaticky zvětšit velikost zvířat během kambrické exploze .

Historie výzkumu

Vědci po celá desetiletí nemohli pochopit molekulární strukturu kolagenu. První důkaz, že kolagen má trvalou strukturu na molekulární úrovni, byl předložen v polovině 30. let 20. století. Od té doby mnoho významných vědců, včetně laureátů Nobelovy ceny, jako jsou Francis Crick , Linus Pauling , Alexander Rich , Ada Yonath , Helen Berman, Vileainur Ramachandran , pracovalo na struktuře kolagenového monomeru.

Několik protichůdných modelů (navzdory známé struktuře každého jednotlivého peptidového řetězce) ustoupilo vytvoření ternárního-helikálního modelu, který vysvětlil kvartérní strukturu molekuly kolagenu.

Vlastnosti

Produktem denaturace kolagenu je želatina . Teplota denaturace makromolekul kolagenu je blízká teplotě fibrilogeneze. Tato vlastnost molekuly kolagenu ji činí nejcitlivější k mutačním substitucím.

Fibrilogeneze je tvorba kolagenových vláken v pojivové tkáni sestavením nebo spojením do svazků fibril - tenkých proteinových vláknitých struktur uvnitř buněk a tkání lidského těla. Fibrilogeneze je důležitá v procesu přihojení implantátu a na jejím základě vytvoření silného, ​​správně fungujícího žvýkacího systému. Čím silnější jsou kolagenová vlákna vytvořená v procesu fibrilogeneze, tím silnější je pojivová tkáň.

Struktura

Molekula kolagenu je levotočivá šroubovice tří α-řetězců. Tato formace je známá jako tropokolagen [3] . Jedna otáčka šroubovice a-řetězce obsahuje tři aminokyselinové zbytky . Molekulová hmotnost kolagenu je asi 300 kDa , délka 300 nm , tloušťka 1,5 nm.

Primární struktura proteinu se vyznačuje vysokým obsahem glycinu , nízkým obsahem aminokyselin obsahujících síru a absencí tryptofanu . Kolagen je jedním z mála proteinů živočišného původu, které obsahují nestandardní aminokyselinové zbytky : asi 21 % z celkových zbytků tvoří 3-hydroxyprolin , 4-hydroxyprolin a 5-hydroxylysin [4] . Každý z α-řetězců se skládá z triád aminokyselin. V triádách je třetí aminokyselina vždy glycin, druhá je prolin nebo lysin , první je jakákoli jiná aminokyselina, kromě tří uvedených [3] .

Kolagen existuje v několika formách. Základ struktury všech typů kolagenu je podobný. Kolagenová vlákna vznikají agregací mikrofibril, při barvení hematoxylinem a eosinem jsou růžová a při různých trojchromových skvrnách modrá nebo zelená, po impregnaci stříbrem hnědožlutá.

Fibrilární struktura

Tropokolageny (strukturní jednotky kolagenu) se spontánně spojují, připojují se k sobě s konci posunutými o určitou vzdálenost a vytvářejí větší struktury v mezibuněčné látce. U fibrilárních kolagenů jsou molekuly vůči sobě posunuty o cca 67 nm (jednotka, která je označena písmenem „D“ a mění se v závislosti na stavu hydratace látky). Obecně platí, že každé D-období obsahuje čtyři celé a část páté molekuly kolagenu. Hodnota 300 nm dělená 67 nm (300:67) nedává celé číslo a délka molekuly kolagenu je rozdělena na segmenty D, které nejsou konstantní velikosti. Proto v kontextu každého opakování D -období mikrofibril, je zde část skládající se z pěti molekul, nazývaná "překrytí" a část sestávající ze čtyř molekul - "mezera". Tropokolageny jsou také uspořádány v hexagonálním nebo pseudohexagonálním (v příčném řezu) designu v každé oblasti „přesahu“ a „mezery“.

Uvnitř tropokolagenu existuje kovalentní vazba mezi řetězci, stejně jako určité proměnlivé množství těchto vazeb mezi samotnými helixy tropokolagenu, které tvoří dobře organizované struktury (např. fibrily ). Silnější svazky fibril jsou tvořeny několika dalšími třídami proteinů, včetně jiných typů kolagenů, glykoproteinů , proteoglykanů , používaných k vytvoření různých typů tkání z různých kombinací stejných základních proteinů. Nerozpustnost kolagenu byla překážkou pro studium kolagenového monomeru , dokud nebylo zjištěno, že je možné extrahovat tropokolagen mladého zvířete, protože ještě nevytvořil pevné vazby s jinými podjednotkami fibril. Vylepšení mikroskopů a rentgenových přístrojů však výzkum usnadnilo a objevovaly se stále podrobnější snímky struktury molekuly kolagenu. Tyto pozdní objevy jsou velmi důležité pro lepší pochopení toho, jak struktura kolagenu ovlivňuje spojení mezi buňkami a mezibuněčnou substancí , jak se tkáně mění během růstu a regenerace , jak se mění během embryonálního vývoje a patologie .

Kolagenová fibrila je semikrystalická strukturální jednotka kolagenu. Kolagenová vlákna jsou svazky fibril.

Použití

Potravinářský průmysl

Z nutričního hlediska jsou hydrolyzát kolagenu a želatina bílkoviny nízké kvality, protože neobsahují všechny esenciální aminokyseliny, které člověk potřebuje – jedná se o neplnohodnotné bílkoviny. Relativně levné, dnes na trhu často nabízené pod rouškou zdroje volných aminokyselin, kolagenové hydrolyzáty nejsou vždy schopny uspokojit lidské potřeby volných aminokyselin, protože tyto produkty neobsahují aminokyseliny připravené k asimilaci.

Například kolagenové hydrolyzáty jsou téměř zcela bez aminokyseliny L - glutaminu , (není esenciální aminokyselina), která se neliší odolností vůči tepelným vlivům a dlouhodobému skladování surovin, většina glutaminu je zničena již při prvních fázích skladování a zpracování surovin se stávající drobný zbytek téměř úplně rozloží při tepelné extrakci chrupavky.

Kosmetika

Kolagen je součástí kosmetických přípravků pro:

1. Vytvoření prodyšné, vlhkost zadržující vrstvy na povrchu kůže, která má plastifikační (vyhlazující) vlastnosti, s vlastnostmi vlhkého obkladu;
2. Prodloužení účinku extraktů, olejů atd. ve složení kosmetických kompozic;
3. Dodává vlasům lesk, vytváří kolagenovou (ochrannou) vrstvu na povrchu vlasů.

Vědecký výzkum

V roce 2005 se vědcům podařilo izolovat kolagen ze zachovaných měkkých tkání Tyrannosaura rexe [5] a použít jeho chemické složení jako další důkaz příbuznosti dinosaurů s moderními ptáky [6] .

Vědecký výzkum v medicíně

Syntéza kolagenu je komplexní enzymatický vícestupňový proces, který je nutné zajistit dostatečným množstvím vitamínů a minerálů. Syntéza probíhá ve fibroblastu a v řadě stadií mimo fibroblast . Důležitým bodem syntézy jsou hydroxylační reakce, které otevírají cestu dalším úpravám nezbytným pro zrání kolagenu. Specifické enzymy katalyzují hydroxylační reakce. Vznik 4-hydroxyprolinu je tedy katalyzován prolinhydroxylázou , v jejímž aktivním centru je železo. Enzym je aktivní, pokud je železo v dvojmocné formě, kterou poskytuje kyselina askorbová (vitamín C). Nedostatek kyseliny askorbové narušuje proces hydroxylace, což ovlivňuje další fáze syntézy kolagenu: glykosylaci , štěpení N- a C-terminálních peptidů atd. Výsledkem je, že se syntetizuje abnormální kolagen, který je volnější. Tyto změny jsou základem rozvoje kurděje . Kolagen a elastin tvoří jakýsi „základ“ pokožky, který zabraňuje jejímu ochabování, zajišťuje její pružnost a pevnost. Nejdůležitější složkou pojivové tkáně je také keratin – rodina fibrilárních proteinů s mechanickou pevností, která je mezi materiály biologického původu na druhém místě za chitinem . Keratiny se skládají převážně z rohovitých derivátů epidermis kůže – jako jsou vlasy, nehty, rohy, peří atd.

Fotografie

Protein je základem pro fotografickou želatinu , která spolu s mikrokrystaly halogenidu stříbra tvoří fotografickou emulzi . Po obdržení fotografické želatiny je kolagen denaturován kyselinou nebo zásadou . Fotografická emulze nanesená v tenké vrstvě na celuloidový film, sklo nebo papír a poté vysušená je fotocitlivá vrstva fotografického materiálu (například fotografického filmu).

Typy kolagenu

V současné době je popsáno 28 typů kolagenu, které jsou kódovány více než 40 geny. Liší se od sebe sekvencí aminokyselin a také stupněm modifikace - intenzitou hydroxylace nebo glykosylace. Společná pro všechny kolageny je existence 1 nebo více domén obsahujících trojitou šroubovici a jejich přítomnost v extracelulární matrix . Více než 90 % celkového kolagenu vyšších organismů tvoří kolagen typu I, II, III a IV.

Kromě kolagenových proteinů existuje mnoho dalších proteinů obsahujících ve své struktuře kolagenní doménu trojité šroubovice [7] [8] . A přesto nejsou klasifikovány jako kolageny, ale pouze jako „kolagenové“. Velká skupina proteinů podobných kolagenu zahrnuje podsložku komplementu C1q, faktor podobný C1q, adiponektin, koletiny a fikoliny, terminální strukturu acetylcholinstarázy, tři makrofágové receptory, ektodysplasin a EMILIN. Tyto proteiny, stejně jako kolageny, hrají strukturální a regulační roli.

Kolagen prvního typu, nejarchetypálnější, je trimerní protein, který se bez přerušení spojuje do trojitých šroubovic, samovolně se skládá do fibril a má nejvyšší mechanickou pevnost. Mezitím se všechny ostatní kolageny od něj liší v jednom nebo více aspektech. Některé kolageny mají trhliny v trojité šroubovici a nemusí se nutně skládat do fibril.

Lékařské aspekty

Porušení syntézy kolagenu v těle je základem takových dědičných onemocnění , jako je dermatosporaxe u zvířat, latyrismus (charakterizovaný uvolněnými klouby , obvyklé luxace ), Ehlers-Danlosův syndrom (až 14 typů projevů), osteogenesis imperfecta (nemoc „skleněného muže“, vrozená křivice , vrozená křehkost kostí ), Marfanova choroba , cystická fibróza .

Charakteristickým projevem těchto onemocnění je poškození vazivového aparátu , chrupavek , kostního systému , přítomnost chlopenních vad .

Nemoci způsobené poruchami biosyntézy kolagenu, včetně tzv. kolagenóz, vznikají z různých příčin. To může být způsobeno mutací v genu kódujícím aminokyselinovou sekvenci enzymů produkujících kolagen, což má za následek změnu tvaru molekuly kolagenu, nebo chybu v posttranslační modifikaci kolagenu. Nemoci mohou být také způsobeny nedostatkem nebo "špatnou funkcí" enzymů podílejících se na biosyntéze kolagenu - nedostatek hydroxylačních enzymů ( prolin -, lysinhydroxyláza ), glykosyltransferáz , N-prokolagenových a C-prokolagenových peptidáz , lysyloxidázy s následným narušením křížové -vazby, nedostatek mědi, vitamínů B 6 , B 13 ( kyselina orotová ), C . U získaných onemocnění, jako je kurděje, může obnovení rovnováhy enzymů do normálu vést k úplnému vyléčení.

Téměř každá genová mutace vede ke ztrátě nebo změně funkcí kolagenu, což následně ovlivňuje vlastnosti tkání a orgánů. Genové mutace v kolagenové doméně mohou vést ke změně tvaru trojité šroubovice inzercí/delecí aminokyseliny z polypeptidového řetězce nebo nahrazením Gly jinou bází. Mutace v nekolagenních doménách mohou vést k nesprávnému sestavení α-řetězců do supramolekulárních struktur (fibril nebo sítí), což také vede ke ztrátě funkce. Mutantní a-řetězce jsou schopny tvořit třívláknový komplex s normálními a-řetězci. Ve většině případů jsou takové komplexy nestabilní a rychle se rozkládají, nicméně taková molekula může normálně plnit svou roli, pokud nejsou ovlivněny funkčně důležité oblasti. Většina nemocí způsobených mutacemi v „kolagenových“ genech je dominantní .

Poznámky

1. ↑ Fibrilární kolagen: klíč k evoluci obratlovců? Příběh molekulárního incestu. Boot-Handford RP, Tuckwell DS. bioeseje. únor 2003;25(2):142-51.
2. ↑ Di Lullo, Gloria A.; Sweeney, Shawn M.; Korkko, Jarmo; Ala-Kokko, Leena; San Antonio, James D. Maping the Ligand-binding Sites and Disease-associated Mutations on the Most Hojné proteiny u člověka, kolagen typu I  //  J. Biol. Chem.  : deník. - 2002. - Sv. 277 , č.p. 6 . - str. 4223-4231 . - doi : 10.1074/jbc.M110709200 . — PMID 11704682 .
3. ↑ 1 2 Tropokolagen (Tropokolagen) // Lékařské termíny . - 2000. (Ruština) ve slovníku dic.academic.ru
4. ↑ Chemická encyklopedie / ed. I. L. Knunyants. - M .: Sovětská encyklopedie, 1988.
5. ↑ BBC | Věda a technika | Byly nalezeny měkké tkáně Tyrannosaura rex? Archivováno 18. ledna 2008 na Wayback Machine  – 25. března 2005
6. ↑ Elements - Science News: Kolagen z dinosauřích kostí je již realitou Archivováno 18. května 2008 na Wayback Machine . — 20.04.07
7. ↑ Franzke CW, Bruckner P, Bruckner-Tuderman L. Kolagenní transmembránové proteiny: nedávné pohledy do biologie a patologie. J Biol Chem. 11. února 2005;280(6):4005-8.
8. ↑ Hoppe HJ, Reid KB. Kolektiny – rozpustné proteiny obsahující kolagenní oblasti a lektinové domény – a jejich role ve vrozené imunitě. Protein Sci. 1994 Aug;3(8):1143-58

Literatura

• Kolagen // Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M  .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.

Tematické stránky	FMA
Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Velký Rus Britannica (online) Brockhaus Brockhaus Universalis
V bibliografických katalozích	GND : 4164652-6 J9U : 987007284186005171 LCCN : sh85027969 NDL : 00566622 NKC : ph205184