Введение
Коллаген -- фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани организма (сухожилие, кость, хрящ, дерма и т. п.) и обеспечивающий её прочность и эластичность. Коллаген обнаружен у многоклеточных животных; отсутствует у растений, бактерий, вирусов, простейших и грибов. Коллаген - основной компонент соединительной ткани и самый распространенный белок у млекопитающих, составляющий от 25 % до 35 % белков во всём теле, т.е. 6% массы тела. Название "коллаген" объединяет семейство близкородственных фибриллярных белков, которые являются основным белковым элементом кожи, костей, сухожилий, хряща, кровеносных сосудов, зубов. В разных тканях преобладают разные типы коллагена, а это, в свою очередь, определяется той ролью, которую коллаген играет в конкретном органе или ткани.
Молекула коллагена (тропоколлагена) построена из трех пептидных цепей, каждая из которых содержит около 1000 аминокислотных остатков. Необычен аминокислотный состав коллагена: каждая третья аминокислота - это глицин, 20 % составляют остатки пролина и гидроксипролина, 10 % - аланина, остальные 40 % представлены всеми другими аминокислотами. Коллаген - единственный белок, в котором содержится гидроксипролин. Эта аминокислота получается путем гидроксилирования части остатков пролина уже после образования пептидных цепей.
Коллаген - сложный белок, гликопротеин: содержит моносахаридные (галактозильные) и дисахаридные (галактозилглюкозильные) остатки, соединенные с гидроксильными группами некоторых остатков оксилизина.
Глава 1.История исследования коллагена
Учёные десятилетиями не могли понять молекулярное строение коллагена. Первое доказательство того, что коллаген имеет постоянную структуру на молекулярном уровне, было представлено в середине 30-х годов прошлого века. С того времени много выдающихся учёных, включая Нобелевских лауреатов, таких как Фрэнсис Крик, Лайнус Полинг, Александр Рич, Ада Йонат, Хелен Берман, Вилеайнур Рамачандран работали над строением мономера коллагена.
Исследования нового пластического материала коллагена в России начались в 1963 году. К тому времени было известно лишь, что коллаген имеет постоянную структуру на молекулярном уровне и, в научных журналах было опубликовано два небольших сообщения о попытках использования коллагена в медицинских целях. Российским ученым Отдела коллагеновых препаратов и изделий НИЦ Московской Медицинской Академии имени И.М. Сеченова предстояло проделать колоссальную работу в области изучения коллагена и его синтеза.
Ученые того времени предсказывали перспективность применения коллагена и материалов на его основе. В результате вначале 80-х появились первые коллагеновые препараты для остановки кровотечений, лечения ожогов, пролежней, трофических язв, длительно незаживающих ран, стоматологических воспалительных заболеваний. Их действие основывается на свойствах коллагена - структурного белка, который образует соединительную ткань и заполняет пространство между клетками и мышечными волокнами. В переводе с греческого «коллаген» - рождающий клей. Именно он несет ответственность за упругость кожи, поддерживает процессы регенерации клеток, удерживает влагу в тканях. Это наиболее существенный биополимер в организме, который составляет 30% от общей белковой массы и участвует во всех процессах жизнедеятельности, при этом кожа на две трети состоит из коллагеновых волокон.
Глава 2.Синтез коллагена
коллаген белок гликопротеин
Коллаген синтезируют и поставляют в межклеточный матрикс почти все клетки (фибробласты, хондробласты, остеобласты, одонтобласты, цементобласты, кератобласты и др.). Синтез и созревание коллагена является сложным многоэтапным процессом, который начинается в клетке и заканчивается в межклеточном матриксе. Нарушения синтеза коллагена, обусловленные мутацией в генах, а также в процессе трансляции и посттрансляционной модификации сопровождаются появлением дефектных коллагенов. Поскольку около 50% всех коллагеновых белков содержатся в тканях скелета, а остальные 40% в дерме и 10% в строме внутренних органов, то нарушения синтеза коллагена сопровождаются патологией как костно-суставной системы, так и внутренних органов.
Синтез коллагена включает два этапа. На внутриклеточном этапе происходит трансляция и посттрансляционная модификация полипептидных цепей, и на внеклеточном - модификации белка, завершающаяся образованием коллагеновых волокон.
Внутриклеточный этап синтеза коллагена. Пептидные б-цепи коллагена синтезируются на полирибосомах, связанных с мембранами эндоплазматической сети. Её синтезированные пептидные цепи в цистернах подвергаются посттрансляционной модификации, которая включает:
* удаление сигнального пептида проколлагеновой цепи при участии специфической протеиназы;
* гидроксилирование остатков пролина и лизина, которое начинается в период трансляции полипептидной цепи вплоть до её отделения от рибосом.
Реакции гидроксилирования катализируют оксигеназы. В реакции гидроксилирования используются О2 и 2-оксоглутарат, а в качестве кофактора участвует аскорбиновая кислота. Гидроксилазы пролина и лизина в активном центре содержат Fe+2 а аскорбиновая кислота, которая легко окисляется в дегидроаскорбиновую кислоту, необходима для сохранения атома железа в ферроформе. В реакциях гидроксилирования один атом кислорода присоединяется к четвёртому атому углерода в остатке пролина, а второй атом кислорода включается в янтарную кислоту, которая образуется при декарбоксилировании 2-оксоглутарата.
Наряду с гидроксилированием пролина происходит гидроксилирование остатков лизина с образованием 5-гидроксилизина. В дальнейшем гидроксилированные остатки лизина подвергаются гликозилированию.
При участии гликозилтрансфераз образуются ковалентные О-гликозидные связи между 5-ОН группой гидроксилизина и остатком галактозы или дисахаридом галактозилглюкозой. К амидной группе аспарагина присоединяются молекулы N-ацетилглюкозамина или маннозы. Одновременно с гидроксилированием пролина формируется стабильная трёхспиральная структура коллагена. Из эндоплазматической сети молекулы проколлагена перемещаются в аппарат Гольджи, где они включаются в секреторные пузырьки и в их составе секретируются во внеклеточное пространство.
Внеклеточный этап - модификация молекул проколлагена. В межклеточном пространстве при участии протеолитических ферментов от молекулы проколлагена отщепляются N- и С-концевые пептиды и освобождается тройная спираль коллагена (тропоколлагена). Далее происходит процесс самосборки коллагеновых фибрилл, фиксированных межмолекулярными ковалентными связями (сшивками). В формировании этих связей участвуют остатки лизина и 5-гидроксилизина и их альдегидные производные, которые образуются вследствие окислительного дезаминирования. Окислительное дезаминирование лизина и 5-гидроксилизина происходит с участием лизилоксидазы. Особенностью этого фермента является присутствие Cu2+ в активном центре. Молекулы лизилоксидазы синтезируются в клетке в виде проферментов и после связывания с ионами Cu+2 упаковываются в везикулы, которые покидают клетку. На клеточной поверхности молекула пролизилоксидазы подвергается ограниченному протеолизу и в сформировавшемся активном центре при участии ионов Cu2+ происходит окисление остатка тирозина до тирозинхинона. Образовавшаяся в активном центре хиноидная структура связывает остатки лизина в молекуле проколлагена с образованием фермент-субстратного комплекса.
На следующем этапе аллизин и 5-гидроксиаллизин конденсируются вместе с лизиловыми и гидроксилизиловыми остатками; формируются внутри- и межмолекулярные поперечные связи. В реакции конденсации аллизина с остатком лизина другой цепи образуется основание Шиффа. В случае альдольной конденсации двух остатков аллизина образуются альдольные межмолекулярные связи (лизиннорлейцин).
Альдольная конденсация характерна для коллагена костной ткани и дентина, а основания Шиффа наиболее часто встречаются в коллагенах сухожилий.
Около 25% молекул тропоколлагена распадается, не образуя фибрилл. Получившиеся фрагменты выполняют сигнальные функции и стимулируют коллагеногенез. Пространственная организация фибрилл завершается при участии фибронектина, протеогликанов и коллагенов, ассоциированных с фибриллами.
Глава 3. Полиморфизм коллагена
Коллаген - ярко выраженный полиморфный белок. В настоящее время известно 19 типов коллагена, которые отличаются друг от друга по первичной структуре пептидных цепей, функциям и локализации в организме. Вариантов б-цепей, образующих тройную спираль, гораздо больше 19 (около 30). Для обозначения каждого вида коллагена пользуются определённой формулой, в которой тип коллагена записывается римской цифрой в скобках, а для обозначения б-цепей используют арабские цифры: например коллагены II и III типа образованы идентичными б-цепями, их формулы, соответственно [б1(II)]3 и [б1(III)]3; коллагены I и IV типов являются гетеротримерами и образуются обычно двумя разными типами б-цепей, их формулы, соответственно [б1(I)]2б2(I) и [б1(IV)]2б2(IV). Индекс за скобкой обозначает количество идентичных б-цепей.
Гены коллагена называются соответственно типам коллагена и записываются арабскими цифрами, например COL1 - ген коллагена I типа, COL2 - ген коллагена II типа, COL7 - ген коллагена VII типа и т.д. К этому символу приписываются буква А (обозначает б-цепь) и арабская цифра (обозначает вид a-цепи). Например, COL1A1 и COL1A2 кодируют, соответственно, б1 и б2-цепи коллагена I типа.
Глава 4. Особенности структуры и функции разных типов колла-генов
Молекула коллагена представляет собой правозакрученную спираль из трёх б-цепей. Такое образование известно под названием тропоколлаген. Один виток спирали б-цепи содержит три аминокислотных остатка. Молекулярная масса коллагена около 300 кДа, длина 300 нм, толщина 1,5 нм.
Коллаген относится к тем немногим белкам животного происхождения, которые содержат остатки нестандартных аминокислот: около 21 % от обще-го числа остатков приходится на 3-гидроксипролин, 4-гидроксипролин и 5-гидроксилизин. Каждая из б-цепей состоит из триад аминокислот. В триадах третья аминокислота всегда глицин, вторая -- пролин или лизин, первая -- любая другая аминокислота, кроме трёх перечисленных.
Выделяют 19 типов коллагена, которые подразделяют на несколько классов в зависимости от того, какие структуры они могут образовывать.
Фибриллообразующие (I, II, III, V и XI) типы
95% всего коллагена в организме человека составляют коллагены I, II и III типов, которые образуют очень прочные фибриллы. Значительное содержание именно этих типов коллагена объясняется тем, что они являются ос-новными структурными компонентами органов и тканей, которые испытывают постоянную или периодическую механическую нагрузку (кости, сухожилия, хрящи, межпозвоночные диски, кровеносные сосуды), а также участвуют в образовании стромы паренхиматозных органов. Поэтому коллагены I, II и III типов часто называют интерстициальными. К классу фибриллообразующих относят также минорные коллагены V и XI типов.
Коллагены, ассоциированные с фибриллами
Этот класс объединяет коллагены, которые выполняют очень важную функцию: они ограничивают размер фибрилл, образуемых интерстициальными коллагенами (прежде всего, I и II типов), и участвуют в организации межклеточного матрикса в костях, коже, хрящах, сухожилиях. К этим коллагенам относят коллагены IX, XII, XIV и XVI типов. Коллагены этого класса сами фибрилл не формируют, но непосредственно связаны с фибриллами, которые образуют интерстициальные коллагены.
Коллагены, образующие сетеподобные структуры
К этому классу относят коллагены IV, VIII, X типов. Особенности строения и функционирования таких белков можно рассмотреть на примере наиболее изученных к настоящему времени коллагенов IV и VIII типов.
Коллаген IV типа является ключевым структурным компонентом базальных мембран, которые представляют собой особую форму межклеточного матрикса. Его секретируют различные типы клеток: эпителиальные, эндотелиальные, мышечные, нервные, жировые. Особенностью коллагена IV типа является то, что повторяющиеся спирализованные участки с последовательностью (Гли-х-у)n часто прерываются короткими неспиральными сегментами. Это, вероятно, увеличивает гибкость коллагена IV типа и способствует образованию на его основе сетчатых структур.
Коллагены, образующие микрофибриллы
К этому классу относят коллаген VI типа, который является короткоцепочечным белком. Он образует микрофибриллы, которые располагаются между крупными фибриллами интерстициальных коллагенов. Этот коллаген широко представлен в хрящевом матриксе, но больше всего его содержится в межпозвоночных дисках: в nucleus pulposus он составляет -20% общего коллагена. Две молекулы этого коллагена соединяются антипараллельно с образованием димера. Из димеров образуются тетрамеры, которые секретируются из клетки, и вне клетки связываются "конец в конец" с образованием микро-фибрилл.
Функции коллагена VI типа пока полностью не ясны, хотя известно, что его микрофибриллы могут связываться со многими компонентами межклеточного матрикса: фибриллами интерстициальных коллагенов, гиалуроновой кислотой, протеогликанами. Молекула этого коллагена содержит многочисленные последовательности Арг-Гли-Асп (RGD), поэтому возможно его участие в клеточной адгезии через присоединение к мембранным адгезивным молекулам, например интегринам б1в1 и б2в1.
Коллагены, образующие "заякоренные" фибриллы
К этому классу относят коллагены VII и XVII типов, которые называют также коллагенами, связанными с эпителием, так как они обычно находятся в местах соединения эпителия с субэпителиальными слоями.