Коллаген представляет собой фибриллярный белок, основной компонент внеклеточного матрикса соединительной ткани. Его молекула имеет тройную спиральную организацию, состоящую из трёх полипептидных цепей (альфа-цепей), свернутых друг вокруг друга. Каждая альфа-цепь характеризуется повторяющейся аминокислотной последовательностью Gly-X-Y, где Gly — глицин, X чаще всего пролин, Y — гидроксипролин или гидроксилизин. Глицин, благодаря минимальному размеру боковой цепи, располагается внутри спирали, обеспечивая плотное упаковывание тройной спирали.
Особое значение имеют гидроксипролин и гидроксилизин, которые стабилизируют структуру водородными связями между цепями. Эти посттрансляционные модификации обеспечивают механическую прочность и термическую стабильность коллагена.
Коллаген можно классифицировать по типам. Основные из них:
Биосинтез коллагена начинается в фибробластах с трансляции предшественников — проколлагенов, включающих N- и C-концевые пропептиды. Эти пропептиды предотвращают преждевременную агрегацию молекул внутри клетки.
Гидроксилирование пролина и лизина происходит в эндоплазматическом ретикулуме с участием ферментов пролил- и лизил-гидроксилаз. Для гидроксилирования необходим витамин C, как кофактор, обеспечивающий восстановление Fe²⁺ в активном центре фермента.
После гидроксилирования и гликозилирования остатки лизина могут подвергаться галактозилированию и гликозилированию, что влияет на сборку тройной спирали. Формирование тройной спирали начинается с C-конца, что критично для правильной укладки молекул.
Секреция проколлагена в внеклеточное пространство сопровождается протеолитическим удалением N- и C-пропептидов, превращая его в зрелый коллаген. Внеклеточная фибриллогенеза включает спонтанное ассоциирование молекул и их ковалентное сшивание лизилоксидазой, обеспечивая механическую прочность и устойчивость к протеазам.
Фибриллы коллагена стабилизируются тремя основными типами взаимодействий:
Синтез коллагена регулируется гормонально и цитокинами. Инсулин и гормон роста стимулируют экспрессию генов коллагена, в то время как глюкокортикоиды и ТГФ-β регулируют баланс между синтезом и деградацией. Матриксные металлопротеиназы (MMPs) разрушают зрелый коллаген, обеспечивая ремоделирование ткани.
Нарушения биосинтеза коллагена ведут к различным заболеваниям:
Коллаген обладает высокой прочностью на растяжение при относительной гибкости, что делает его идеальным структурным белком. Температура денатурации тройной спирали варьирует: тип I — около 42–44 °C, тип II — около 39 °C, что отражает различия в гидроксипролиновом содержании.
Коллаген также является основой биоматериалов: его используют для изготовления гелей, пленок, швов, а также в тканевой инженерии, где он служит каркасом для регенерации тканей.
Коллаген взаимодействует с эластином, протеогликанами, гликопротеинами (фибронектин, ламинин), формируя сложные механически и биохимически интегрированные матриксы. Эти взаимодействия обеспечивают не только прочность, но и сигнальные функции для клеток, влияя на их дифференцировку и миграцию.
Многоуровневая организация коллагена — от молекулярной тройной спирали до макрофибрилл — делает его ключевым компонентом соединительной ткани, определяющим механические и биохимические свойства организма.