Колаген - Биология
Колаген (Предварителен етап Тропоколаген; интернационализирана нотация Колажи; Акцент върху последната сричка) е структурен протеин, който се среща само при многоклетъчни животни (включително хора), главно на съединителната тъкан (по-точно: извънклетъчната матрица). С над 30% от общото тегло на всички протеини, колагенът е най-често срещаният протеин в човешкото тяло. Той е основен органичен компонент на съединителната тъкан (кости, зъби, хрущяли, сухожилия, връзки) и кожата. Колагенът получи името си (от гръцки: Генериране на лепило) първоначално поради по-ранното му използване като костно лепило в дървообработването. Той е основната суровина за направата на желатин.
Колагенът се състои от отделни, дълги колагенови молекули (протеинови вериги), които образуват лява спирала (подобно на спиралата на полипролин II). След това три от тези спирали са подредени в дясна суперспирал, които са стабилизирани една с друга чрез водородни връзки. Удивителното при първичната структура (аминокиселинна последователност) на колагена е, че всяка трета аминокиселина е глицин. Мотивът на последователността, който често се повтаря в семейството на колагеновите протеини, е глицин-пролин-хидроксипролин.
Колагеновите влакна имат огромна якост на опън и са трудно разтегливи. Плътната намотка е определяща за високата якост на опън на колагеновите влакна: те могат да абсорбират силите на опън до десет хиляди пъти собственото си тегло.
В обикновения език колагенът от тип I се приравнява на „колаген“. По отношение на количеството, тип I колаген е най-важният колаген в организма и поради използването му като желатин, най-известният, има и други колагени, които се различават структурно от колаген тип I и изпълняват други важни биологични функции. Желатинът е денатурираната форма на фибриларен колаген тип I, II и/или III и се получава най-вече от кланични отпадъци. Тук трябва да се отбележи, че тип II колаген се среща предимно в хрущяла, смеси от тип I и III колаген идват от сухожилията, сухожилията и кожата.
строителство
Колагенова молекула
Полипептидните вериги на колагена се синтезират индивидуално от рибозомите на грубия ендоплазмен ретикулум. Като колагенова молекула или Тропоколаген се отнасят само тройни спиралови молекули на извънклетъчния матрикс (ECM). Общото между тях е, че са изградени от три полипептидни вериги. Всеки от тях е в леви колагенови спирали (α-вериги) и се навива един около друг под формата на характерната дясна тройна спирала (виж снимката вдясно), суперхеликс или навита намотка. Всяка отделна колагенова спирала може да се състои от 600 до 3000 аминокиселини, в зависимост от вида на колагена, и е оборудвана с големи домейни, съставени от повтарящи се (повтарящи се) G-X-Y последователности:
По този начин има глицин на всяка трета позиция (G)-Почивка. Глицинът като най-малката аминокиселина се вписва перфектно в тройната спирала със своите много плътни завои. Аминокиселината пролин често се намира в позиция X. Поради своята твърда пръстенна структура, пролинът действа тук като „ъгъл“ в полипептидната верига и подпомага образуването на плътни завои в рамките на тройната спирала. 4-хидроксипролинът се намира главно в позиция Y и стабилизира тройната спирала чрез водородни връзки между съседни полипептидни вериги. Използването на глицин, пролин и хидроксипролин ограничава въртенето на полипептидната верига и позволява строгите пространствени условия в рамките на тройната спирала.
| Първична структура (= последователност) | Полипептидни вериги с повтарящи се G-X-Y последователности |
| Вторична структура | леви колагенови спирали (α-вериги) |
| Третична структура | дясна тройна спирала, направена от 3 полипептидни вериги |
| Кватернерна структура | Колагенови фибрили, колагенови мрежи и много други. |
Наличието на хидроксилизин до хидроксипролин също е характерно за колагена. Хидроксилизинът формира предпоставката за образуване на ковалентни напречни връзки, с които отделните тройни спирали могат да бъдат пространствено фиксирани в колагеновите фибрили.
Колагенови фибрили
Във фибрилите съседните молекули на колаген не са подредени на едно ниво, а около 67 nm, т.е. компенсирани с около една пета от дължината им. Последицата от това подреждане е, че напречните ивици могат да се видят на изображения с електронен микроскоп на контрастни метални колагенови фибрили. Създава се характерен модел на свързване, който се повтаря на всеки 67 nm (234 аминокиселини) и се нарича D период. Това разделя α веригите на четири хомоложни области D1-D4. Лентите, появяващи се в D-единица, се означават с a-e. Колагеновите фибрили са подредени полимери, които могат да бъдат дълги много микрометра в зряла тъкан. Те често се групират в по-големи, подобни на кабели снопове, колагеновите влакна. В сухожилията диаметърът на фибрилите на колаген тип I е 50–500 nm, в кожата 40–100 nm, а в роговицата (роговицата на окото) 25 nm. Фибрилогенезата на колагена често се регулира от малки богати на левцин протеогликани, така че в съответните тъкани Могат да възникнат фибрили с определен диаметър и определено разположение.
Изясняване на структурата
Днешната картина на тройната спирала на колагена и пространственото разположение на аминокиселинните остатъци и техните водородни връзки помежду си се основава до голяма степен на рентгеновата кристалографска работа на индийските учени Г. Н. Рамачандран и Гопинат Карта (1954).
Бившият Институт за изследване на протеини и кожи на Макс Планк в Мюнхен (основан през 1956 г. за изясняване на съединителната тъкан чрез спонсорство на кожената индустрия) предоставя съществена информация (цялата първична структура на колаген от тип I, както и макроструктурите от типове IV и VI) от 1966 г. под Ръководител на Клаус Кюн (след преместването на института в Института по биохимия на Макс Планк в Мартинсрид). [1]
биосинтеза
Колагенът от тип I се синтезира, наред с други неща, от специализирани клетки (фибробласти, миофибробласти и остеобласти).
Отделните колагенови полипептидни вериги се произвеждат върху грубия ендоплазмен ретикулум (транслация) и се транспортират в лумена на ендоплазмения ретикулум. Те са под формата на по-големи молекули-предшественици, про-а веригите, които са снабдени с N- и С-крайни пропептиди. В ендоплазмения ретикулум OH групи са прикрепени към отделни остатъци от пролин и лизин на полипептидни вериги, които са или вече са се образували (хидроксилиране). Образуването на тройната спирала се инициира от образуването на дисулфидни връзки между С-крайните пропептиди. Три про-а вериги образуват триверижна спирална молекула, проколагенът, чрез водородни връзки. И накрая, някои остатъци от лизин обикновено се гликозилират. Фибриларните колагени се освобождават от клетката в тази форма. Освобождаването на молекулите в извънклетъчното пространство става чрез екзоцитоза посредством секреторни везикули, в които изглежда участват гликозилните компоненти. Веднага след освобождаването от клетката пропептидите се отделят с помощта на проколаген пептидази. Молекулата на колагена в тази фаза се нарича тропоколаген. След това отделни молекули тропоколаген се събират, за да образуват колагенови фибрили (фибрилогенеза).
Хидроксилиране
Аскорбиновата киселина (витамин С) е важен кофактор при хидроксилирането на аминокиселините пролин до хидроксипролин от ензима пролил хидроксилаза и лизин до хидроксилизин от ензима лизил хидроксилаза. Хидроксипролинът има функцията да укрепва тройната спирала в молекулата на колаген чрез водородни връзки между съседни колагенови полипептидни вериги. Хидроксилизинът се използва за закрепване на ковалентни кръстосани връзки между молекулите на колаген. Ако няма хидроксилиране, се образуват само увредени молекули на колаген, които не могат да изпълнят функцията си на структурни протеини. Тук трябва да се отбележи, че почти всички симптоми на скорбут с дефицит на аскорбинова киселина могат да бъдат проследени обратно до дефектната биосинтеза на колаген.
Фибрилация
В следващите стъпки се образуват колагенови фибрили. След като отделни спирални молекули на колаген са компенсирани с една пета от дължината си, ковалентните напречни връзки се осъществяват чрез близки остатъци от хидроксилизин, което трайно фиксира пространственото разположение. Много такива колагенови фибрили в крайна сметка образуват колагенови влакна.
Типове колаген
Колагените са разделени на няколко подгрупи.
Колагенът от тип I, фибриларен колаген, е най-често срещаният тип колаген и се среща в кожата, сухожилията, фасциите, костите, съдовете, вътрешните органи и дентина, докато тип II колагенът функционира като структурен протеин в хиалиновия хрущял. Колаген тип III се намира в стените на кръвоносните съдове, вътрешните органи, кожата и роговицата. Колагенът от тип IV и V са компоненти на базалната ламина.
В момента са известни 28 различни вида колаген (типове I до XXVIII), както и поне десет други протеина с колаген-подобни домейни.
Някои членове на семейството на колагена са изброени по-долу.
| Фибриларни колагени | Колагени тип I, II, III, V и XI |
| Мрежообразуващи колагени | Колагени тип IV (lamina densa на базалната мембрана), VIII и X |
| Колагени, свързани с фибрили (FACIT) | Тип IX, XII, XIV, XXII колагени |
| Струна от перлени колагени | Колаген тип VI |
| Фиксиращи фибрили | Тип VII колаген |
| Колагени с трансмембранни домейни | Тип XIII, XVII, XXIII и XXV колагени |
Продукт на разцепване на колаген XVIII е ендостатин с молекулна маса 20 kDa.
Структура на колаген от тип I
В случай на колаген от тип I, трите колагенови полипептидни вериги са α веригите, [α1 (I) 2α2 (I)], които се навиват една около друга, образувайки тройна спирала. Генът на колаген α1 от тип I се състои от 50 екзона, над половината от които са 54 базови двойки (bp) или два до три пъти по-голяма от тази дължина. Те кодират последователността (G-X-Y) 6 или нейната кратна.
използване
Колагенът се използва главно под формата на желатин, който се получава от цепната телешка, свинска кожа и костите на говеда и свине.
Хранене и фураж
В Германия годишно се произвеждат около 32 000 t желатинов качествен желатин, общото европейско производство е 120 000 t (70% свинска кора, 18% кости, 10% говеждо месо, 2% други) [2] Около 90 000 t се използват в Германия, с 2/3 Хранителният сектор представлява около половината от останалата част в сектора на храните за животни. [3]
Pharma
Около 15 000 тона се преработват в химическата и фармацевтичната промишленост. Основните области на приложение във фармацевтичната индустрия са таблетки и витаминни препарати (твърди и меки капсули), както и желатинови супозитории.Желатинът се използва и за хемостатични гъби и като заместител на кръвната плазма.
Козметични продукти
Колагенът също се използва като активна съставка в козметиката в продължение на много години, където е предназначен главно за намаляване на стареенето на кожата, Против стареене, сервирайте. Днес продуктите с колаген се използват в козметиката под формата на кремове. Колагенът, използван за това, се извлича предимно от свинска кожа.
технология
В аналоговата фотография желатинът формира основата за фоточувствителните слоеве върху филма и фотохартията. Съвременните хартии за принтери за печат на цветни изображения също са покрити с желатин. [3]