Коллаген: структурный белок организма¶

Коллаген — это семейство структурных белков, составляющих основу соединительной ткани животных и человека. На коллаген приходится 25–35 % от общего количества белка в организме млекопитающих, что делает его наиболее распространённым белком животного мира. Название происходит от греческого слова «kolla» — клей, что отражает способность растворённого коллагена образовывать клейкие массы.

¶Структура и строение

Молекула коллагена представляет собой тройную спираль (тропоколлаген) длиной около 300 нм и диаметром 1,5 нм. Она состоит из трёх полипептидных цепей, закрученных вокруг общей оси. Каждая цепь имеет характерную повторяющуюся последовательность аминокислот Gly-X-Y, где Gly — глицин, X — чаще всего пролин, Y — гидроксипролин или гидроксилизин.

Образование тройной спирали требует витамина C в качестве кофактора ферментов пролин- и лизин-гидроксилаз. Дефицит витамина C нарушает гидроксилирование и приводит к образованию нестабильного коллагена — это основная причина цинги.

¶Типы коллагена

В настоящее время известно 28 типов коллагена, которые различаются по аминокислотному составу, структуре и локализации в тканях:

¶Биосинтез

Образование коллагена — многоэтапный процесс, происходящий в фибробластах (клетках соединительной ткани), остеобластах, хондроцитах и других клетках:

1. В рибосомах синтезируются про-α-цепи — предшественники коллагена.
2. В эндоплазматическом ретикулуме происходит гидроксилирование пролина и лизина (при участии витаминов C и B6).
3. Формируется тройная спираль — тропоколлаген.
4. Молекулы секретируются в межклеточное пространство, где фермент лизилоксидаз образует поперечные сшивки между цепями.
5. Волокна созревают, формируя устойчивые структуры.

Полный цикл обновления коллагена в тканях занимает от нескольких месяцев до лет.

¶Функции в организме

Коллаген выполняет несколько ключевых функций:

• Структурная — образует каркас кожи, костей, хрящей, сухожилий, связок и сосудов.
• Механическая — обеспечивает прочность и эластичность тканей на растяжение.
• Защитная — поддерживает целостность органов и сосудистых стенок.
• Регенераторная — участвует в заживлении ран, формируя основу рубцовой ткани.
• Минерализация костей — коллагеновые волокна служат матрицей для отложения гидроксиапатита кальция.

С возрастом активность ферментов биосинтеза снижается, содержание коллагена в коже уменьшается примерно на 1 % в год после 20 лет, что проявляется в снижении упругости и появлении морщин.

¶Источники и дефицит

Основными пищевыми источниками коллагена являются продукты, богатые соединительной тканью: хрящи, кожа животных, костный бульон, желатин. Однако в желудочно-кишечном тракте коллаген расщепляется до аминокислот и пептидов, поэтому поступление «готового» коллагена в ткани невозможно — синтез идёт из аминокислотного пула организма.

К основным факторам, снижающим уровень коллагена, относятся:

• дефицит витамина C;
• избыточное ультрафиолетовое излучение;
• курение (окислительный стресс и активация матриксных металлопротеиназ);
• гормональные изменения (снижение эстрогенов в менопаузе);
• генетические заболевания — например, остеогенез несовершенства (болезнь хрупких костей), вызываемый мутациями генов коллагена I типа.

¶Применение

Коллаген и его производные (желатин, коллагеновый гидролизат) широко используются в разных областях:

• Медицина — гемостатические губки, раневые покрытия, каркасы для тканевой инженерии, офтальмологические имплантаты.
• Косметология — инъекционные филлеры на основе коллагена (в том числе рекомбинантного), антивозрастные средства.
• Пищевая промышленность — желатин как загуститель и желирующий агент (E441), коллагеновые оболочки для колбас.
• Фармацевтика — капсульные оболочки, носители для лекарственных веществ.

В последние годы получают распространение добавки с гидролизованным коллагеном (коллагеновыми пептидами), которые, по данным ряда исследований, могут улучшать состояние кожи и суставов, однако доказательная база по части из них остаётся ограниченной.

¶Интересные факты

• Коллаген — один из самых древних белков: его структурные гомологи обнаружены у губок, существовавших более 600 млн лет назад.
• Кожа млекопитающих на 75 % состоит из коллагена I типа.
• Наибольшее количество коллагена в организме человека сосредоточено в коже, костях и сухожилиях.

¶Источники

• Кузьмина С. Н. «Коллаген: структура, свойства, биосинтез» // Успехи биологической химии.
• Shoulders M. D., Raines R. T. «Collagen Structure and Stability» // Annual Review of Biochemistry.
• Gelse K. «Collagens — structure, function, and biosynthesis» // Advanced Drug Delivery Reviews.
• Медицинская энциклопедия, раздел «Соединительная ткань».