Коллаген: структура, функции и применение¶

Коллаген — это фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани организма человека и животных. Он является самым распространённым белком у млекопитающих, на его долю приходится от 25 до 35 % от общего количества белков в теле. Коллаген обеспечивает прочность и упругость кожи, связок, сухожилий, костей, хрящей и стенок сосудов, выполняя опорно-механическую функцию. Название происходит от греческого слова «kolla» (клей) и суффикса «-gen» (рождающий), что отражает способность белка при варке образовывать желатин — продукт денатурации коллагена.

¶История изучения

Впервые коллаген был описан в научной литературе в XIX веке. В 1883 году немецкий биохимик Эмиль Фишер начал исследования аминокислотного состава белков, однако структурная модель коллагена была предложена лишь в 1930-х годах. В 1954 году американский биохимик Пол Ингрэм и индийский учёный Г. Н. Рамачандран независимо друг от друга предложили трёхспиральную модель молекулы коллагена. За работы по структуре коллагена Рамачандран был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1968 году (совместно с другими исследователями). Современные методы, такие как рентгеноструктурный анализ и электронная микроскопия, позволили детально изучить упаковку фибрилл и механизмы синтеза белка.

¶Строение и биосинтез

¶Аминокислотный состав

Коллаген отличается уникальным аминокислотным составом. Каждая третья аминокислота в полипептидной цепи — глицин (около 33 %), также высоко содержание пролина (около 12 %) и гидроксипролина (около 10 %). Гидроксипролин и гидроксилизин образуются в результате посттрансляционного гидроксилирования пролина и лизина при участии ферментов и витамина C. Именно гидроксипролин стабилизирует тройную спираль за счёт водородных связей.

¶Тройная спираль

Базовая структурная единица коллагена — тропоколлаген, молекула длиной около 300 нм и диаметром 1,5 нм. Она состоит из трёх полипептидных цепей (α-цепей), закрученных в правую суперспираль. Каждая цепь имеет повторяющуюся последовательность Gly-X-Y, где X — обычно пролин, а Y — гидроксипролин или гидроксилизин. Глицин, будучи самой маленькой аминокислотой, располагается в центре спирали, позволяя плотно упаковать цепи.

¶Фибриллогенез

Вне клетки молекулы тропоколлагена самособираются в фибриллы, которые затем образуют коллагеновые волокна. Сшивка между молекулами происходит за счёт ковалентных связей, что придаёт фибриллам высокую механическую прочность. С возрастом количество поперечных сшивок увеличивается, что делает ткани более жёсткими и хрупкими.

¶Типы коллагена

Известно более 28 типов коллагена, различающихся структурой α-цепей и функциями. Основные типы представлены в таблице:

Коллаген I типа составляет около 90 % всего коллагена в организме человека.

¶Функции в организме

Основная функция коллагена — обеспечение механической прочности соединительной ткани. В костях он образует органический матрикс, на который откладываются минералы (гидроксиапатит), придавая костям устойчивость к переломам. В сухожилиях коллагеновые волокна ориентированы вдоль оси нагрузки и выдерживают нагрузки до нескольких сотен килограммов на квадратный сантиметр. В коже коллаген формирует дерму, отвечая за её упругость и тургор. Кроме того, коллаген участвует в процессах регенерации тканей, заживления ран и адгезии клеток.

¶Медицинское значение

¶Нарушения синтеза

Генетические мутации в генах коллагена приводят к тяжёлым заболеваниям. Наиболее известны несовершенный остеогенез («болезнь хрустального человека») — нарушение синтеза коллагена I типа, проявляющееся повышенной ломкостью костей, и синдром Элерса — Данлоса, характеризующийся гиперэластичностью кожи и подвижностью суставов. Дефицит витамина C нарушает гидроксилирование пролина, что ведёт к цинге — заболеванию, при котором нарушается образование коллагена и возникает кровоточивость дёсен.

¶Применение в хирургии и косметологии

Коллаген широко используется в медицине. Из него изготавливают рассасывающиеся хирургические нити, гемостатические губки, искусственные кожные покровы для лечения ожогов. В косметологии коллаген применяется в составе филлеров для коррекции морщин и увеличения объёма тканей, а также входит в состав увлажняющих кремов и сывороток. Для инъекций используют как бычий (говяжий), так и человеческий (биосинтезированный) коллаген.

¶Коллаген в пищевой промышленности

При термической обработке костей, кожи и хрящей животных коллаген денатурирует и превращается в желатин — студнеобразующее вещество, широко применяемое в пищевой промышленности. Желатин используется для производства мармелада, зефира, желе, йогуртов и мясных консервов. Пищевой коллаген (коллагеновый гидролизат) получают путём ферментативного расщепления и добавляют в спортивное питание и БАДы для поддержания здоровья суставов и кожи.

¶Исследования эффективности добавок

Популярность коллагеновых добавок растёт, однако научные данные об их эффективности неоднозначны. Некоторые клинические исследования показывают умеренное улучшение эластичности кожи и уменьшение боли в суставах при приёме гидролизованного коллагена в дозах 2,5–10 г в день. Однако большинство работ имеют малую выборку и финансируются производителями. При пероральном приёме коллаген расщепляется в желудочно-кишечном тракте на аминокислоты и пептиды, и его прямое включение в ткани организма не доказано. Влияние добавок на синтез собственного коллагена опосредовано наличием глицина, пролина и витамина C в рационе.

¶Интересные факты

• В сухожилиях человека коллагеновые волокна имеют прочность, сравнимую со стальной проволокой того же сечения.
• Кожа человека теряет около 1 % коллагена ежегодно после 25–30 лет, что связано с замедлением синтеза и увеличением активности ферментов, разрушающих белок (матриксных металлопротеиназ).
• Ультрафиолетовое излучение ускоряет деградацию коллагена в коже, что приводит к фотостарению.
• Гидроксипролин используется как маркер содержания коллагена в биологических образцах.

¶Источники

• Lodish H., Berk A., Zipursky S. L. Molecular Cell Biology, 4th ed. — New York: W. H. Freeman, 2000.
• Alberts B., Johnson A., Lewis J. Molecular Biology of the Cell, 6th ed. — New York: Garland Science, 2014.
• Shoulders M. D., Raines R. T. Collagen structure and stability // Annual Review of Biochemistry, 2009.
• Prockop D. J., Kivirikko K. I. Collagens: molecular biology, diseases, and potentials for therapy // Annual Review of Biochemistry, 1995.

SPAWN: [{"topic": "желатин", "title": "Желатин: свойства и применение"}, {"topic": "несовершенный остеогенез", "title": "Несовершенный остеогенез: причины и лечение"}, {"topic": "гидроксипролин", "title": "Гидроксипролин: роль в коллагене"}, {"topic": "синдром Элерса — Данлоса", "title": "Синдром Элерса — Данлоса: симптомы"}, {"topic": "фибриллярные белки", "title": "Фибриллярные белки: структура и функции"}, {"topic": "цинга", "title": "Цинга: симптомы и причины"}]