Коллаген I типа

Коллаген I типа — это фибриллярный белок, основной структурный компонент внеклеточного матрикса соединительных тканей организма. Он является наиболее распространённым типом коллагена у млекопитающих, составляя до 90 % от общего количества коллагена в теле человека. Коллаген I типа обеспечивает механическую прочность и упругость костям, сухожилиям, связкам, коже, роговице глаза и стенкам кровеносных сосудов.

Структура и молекулярная организация

Первичная структура

Молекула коллагена I типа представляет собой тропоколлаген — тройную спираль, образованную тремя полипептидными цепями (α-цепями). У человека коллаген I типа является гетеротримером, состоящим из двух идентичных цепей α1(I) и одной цепи α2(I). Каждая α-цепь содержит повторяющуюся аминокислотную последовательность Gly-X-Y, где Gly — глицин, X — часто пролин, а Y — часто гидроксипролин. Глицин, занимающий каждую третью позицию, необходим для плотной упаковки тройной спирали.

Третичная и четвертичная структура

Три α-цепи закручиваются друг вокруг друга в правозакрученную суперспираль. Стабильность тройной спирали обеспечивается водородными связями между глицином одной цепи и пролином/гидроксипролином другой. Гидроксилирование пролина и лизина (катализируемое ферментами пролилгидроксилазой и лизилгидроксилазой, для которых необходим витамин C) критически важно для правильного сворачивания и стабильности коллагена. Нарушение этого процесса, например при дефиците аскорбиновой кислоты (цинга), приводит к нестабильному коллагену и разрушению соединительной ткани.

Фибриллообразование

За пределами клетки молекулы тропоколлагена самособираются в фибриллы. В фибриллах молекулы сдвинуты относительно друг друга на четверть длины (около 67 нм), что создаёт характерную поперечную исчерченность, видимую под электронным микроскопом. Ковалентные сшивки между молекулами (через остатки лизина и гидроксилизина) придают фибриллам дополнительную прочность и нерастворимость.

Генетика и биосинтез

Гены

У человека коллаген I типа кодируется двумя генами:

• COL1A1 (локус 17q21.33) — кодирует цепь α1(I).
• COL1A2 (локус 7q21.3) — кодирует цепь α2(I).

Мутации в этих генах приводят к тяжёлым наследственным заболеваниям соединительной ткани, в первую очередь к несовершенному остеогенезу (болезнь «хрустального человека») и некоторым формам синдрома Элерса — Данлоса.

Биосинтез

Синтез коллагена I типа происходит в фибробластах, остеобластах, хондробластах и других клетках соединительной ткани. Процесс включает несколько этапов:

1. Трансляция — на рибосомах шероховатого эндоплазматического ретикулума (ЭПР) синтезируются препро-α-цепи.
2. Гидроксилирование — в ЭПР пролин и лизин гидроксилируются.
3. Гликозилирование — к гидроксилизину присоединяются остатки галактозы и глюкозы.
4. Сборка тройной спирали — три цепи соединяются, образуя проколлаген.
5. Секреция — проколлаген транспортируется в аппарат Гольджи и выделяется во внеклеточное пространство.
6. Внеклеточный процессинг — ферменты проколлагенпептидазы отщепляют N- и C-концевые пропептиды, превращая проколлаген в тропоколлаген.
7. Фибриллогенез — молекулы самособираются в фибриллы с последующим образованием ковалентных сшивок.

Распределение в тканях

Коллаген I типа является основным белком в следующих тканях:

• Кости — составляет около 90 % органического матрикса кости. Коллагеновые фибриллы служат каркасом для минерализации гидроксиапатитом.
• Сухожилия и связки — обеспечивает высокую прочность на разрыв. В сухожилиях фибриллы ориентированы продольно вдоль оси нагрузки.
• Кожа — в дерме формирует плотную сеть, придающую коже упругость и устойчивость к растяжению.
• Роговица глаза — строма роговицы состоит из упорядоченных слоёв коллагеновых фибрилл, обеспечивающих прозрачность.
• Стенки кровеносных сосудов — входит в состав адвентиции и медии.
• Зубы — дентин содержит коллаген I типа.

Функции

Основные функции коллагена I типа:

• Механическая поддержка — придание прочности и жёсткости тканям.
• Организация внеклеточного матрикса — служит каркасом для клеток и других компонентов матрикса (протеогликанов, гликопротеинов).
• Регуляция клеточной активности — взаимодействует с интегринами на поверхности клеток, влияя на их пролиферацию, миграцию и дифференцировку.
• Минерализация кости — коллагеновые фибриллы направляют отложение кристаллов гидроксиапатита.

Медицинское значение

Нарушения синтеза и структуры

• Несовершенный остеогенез (болезнь Лобштейна — Вролика) — группа наследственных заболеваний, вызванных мутациями в генах COL1A1 или COL1A2. Характеризуется ломкостью костей, деформациями скелета, голубыми склерами, нарушениями слуха. Тип наследования — аутосомно-доминантный.
• Синдром Элерса — Данлоса — некоторые формы (классическая, сосудистая) связаны с дефектами коллагена I типа. Проявляется гипермобильностью суставов, гиперэластичностью кожи, лёгкой ранимостью тканей.
• Остеопороз — снижение плотности костной ткани, связанное с нарушением обмена коллагена I типа.
• Цинга — дефицит витамина C приводит к нестабильному коллагену, что проявляется кровоточивостью дёсен, плохим заживлением ран, болями в суставах.

Применение в медицине и косметологии

• Биоматериалы — коллаген I типа используется для создания матриксов для тканевой инженерии (например, для восстановления костей, хрящей, кожи).
• Косметология — коллагеновые гидролизаты (пептиды коллагена) применяются в составе косметических средств и биологически активных добавок (БАД) для улучшения состояния кожи, волос и ногтей. Эффективность перорального приёма коллагена для омоложения кожи остаётся предметом дискуссий; некоторые исследования показывают умеренное улучшение увлажнённости и эластичности кожи.
• Хирургия — коллагеновые гемостатические губки и плёнки используются для остановки кровотечений и стимуляции регенерации тканей.

Диагностика

Уровень продуктов деградации коллагена I типа (например, N-концевых телопептидов) в крови и моче используется как маркер костного метаболизма при диагностике остеопороза и других заболеваний костей.

Интересные факты

• Коллаген I типа — один из самых прочных белков в природе. Прочность сухожилия на разрыв сопоставима с прочностью стальной проволоки того же диаметра.
• В организме человека коллаген I типа постоянно обновляется, но с возрастом скорость синтеза снижается, а количество поперечных сшивок увеличивается, что приводит к потере эластичности кожи и увеличению хрупкости костей.
• Желатин, используемый в пищевой промышленности, — это частично гидролизованный коллаген I типа, полученный из кожи и костей животных.

Источники

• Lodish H., Berk A., Kaiser C. A. et al. Molecular Cell Biology. 8th ed. — W. H. Freeman, 2016.
• Alberts B., Johnson A., Lewis J. et al. Molecular Biology of the Cell. 6th ed. — Garland Science, 2014.
• Prockop D. J., Kivirikko K. I. Collagens: molecular biology, diseases, and potentials for therapy // Annual Review of Biochemistry. — 1995. — Vol. 64. — P. 403–434.
• Myllyharju J., Kivirikko K. I. Collagens and collagen-related diseases // Annals of Medicine. — 2001. — Vol. 33, № 1. — P. 7–21.
• Shoulders M. D., Raines R. T. Collagen structure and stability // Annual Review of Biochemistry. — 2009. — Vol. 78. — P. 929–958.