Коллаген — основной фибриллярный белок внеклеточного матрикса,
обеспечивающий прочность и упругость соединительных тканей. Он относится
к гликопротеинам с высоким содержанием аминокислот глицина,
пролина и гидроксипролина, что определяет его уникальные
физико-химические свойства.
Молекула коллагена представляет собой троичную
спираль (трипель-спираль), состоящую из трёх полипептидных
цепей α-цепей. Каждая α-цепь имеет повторяющийся мотив
Gly-X-Y, где Gly — глицин, X чаще всего пролин, Y —
гидроксипролин или гидроксилизин.
Ключевые особенности структуры:
- Глицин, расположенный в каждом третьем остатке,
обеспечивает плотную упаковку цепей в спираль.
- Пролин и гидроксипролин стабилизируют структуру за
счёт ограничения конформации и формирования водородных связей.
- Ковалентные поперечные сшивки между остатками
лизина или гидроксиллизина повышают прочность фибрилл.
Коллаген делится на несколько типов:
- Тип I — основной компонент кожи, костей,
сухожилий.
- Тип II — преобладает в хрящевой ткани.
- Тип III — в стенках сосудов и органах с высокой
эластичностью.
- Тип IV — формирует базальные мембраны.
Биосинтез коллагена
Биосинтез коллагена — сложный многоступенчатый процесс, включающий
транскрипцию, трансляцию, посттрансляционные модификации и
сборку тройной спирали.
1. Синтез предшественника (проколлагена) в
рибосомах:
- Ген коллагена транскрибируется в мРНК, которая транспортируется к
шероховатому эндоплазматическому ретикулуму (ШЭР).
- Там начинается трансляция α-цепей с образованием
проколлагеновых цепей, содержащих сигнальные
последовательности для секреции.
2. Посттрансляционные модификации в эндоплазматическом
ретикулуме:
- Гидроксилирование пролина и лизина ферментами
пролил- и лизил-гидроксилазой. Для реакции требуется витамин C как
кофактор.
- Гликозилирование остатков гидроксилизина с
добавлением галактозы и глюкозы.
- Формирование интрацепных дисульфидных связей на N-
и C-концах предшественника.
3. Сборка тройной спирали:
- Трипель-спираль формируется с C-конца к
N-концу.
- Внутри клетки формируется стабильная структура проколлагена,
предотвращающая преждевременную агрегацию.
4. Секреция и внеклеточная обработка:
- Проколлаген транспортируется через аппарат Гольджи, где могут
происходить дополнительные модификации.
- Внеклеточно специфические проколлагеновые пептидазы
удаляют концевые прок-пептиды, образуя зрелый коллаген, способный
самоорганизовываться в фибриллы.
- Поперечные сшивки, катализируемые лизилоксидазой,
стабилизируют фибриллы и придают механическую прочность тканям.
Функциональные аспекты
коллагена
- Механическая поддержка тканей: обеспечивается
прочностью и устойчивостью к растяжению.
- Матрикс для клеточной миграции: коллаген формирует
направляющие структуры для клеток.
- Регуляция биохимических сигналов: связывает
ростовые факторы и участвует в ремоделировании тканей.
Нарушения синтеза коллагена
- Дефицит витамина C приводит к нарушению
гидроксилирования и развитию цинги.
- Генетические мутации в α-цепях коллагена вызывают
синдромы Элерса–Данлоса и остеогенез несовершенный.
- Возрастное старение сопровождается уменьшением
числа сшивок и деградацией коллагеновых фибрилл, что снижает упругость
кожи и прочность костей.
Биохимические методы
изучения коллагена
- Электронная микроскопия для визуализации
фибриллярной структуры.
- Анализ аминокислотного состава для оценки
содержания глицина, пролина, гидроксипролина.
- Вестерн-блоттинг и иммуноферментный анализ для
выявления специфических типов коллагена.
- Флуоресцентная спектроскопия и атомно-силовая
микроскопия для оценки механических свойств и сшивок.
Коллаген является ключевым компонентом биологической структуры
тканей, соединяя молекулярные особенности с механической функцией
организма. Его синтез и модификация строго регулируются, что
обеспечивает устойчивость и адаптацию тканей к функциональным
нагрузкам.