Коллаген представляет собой основной структурный белок соединительной ткани позвоночных, составляя до 30% общего белка организма. Он относится к фибриллярным белкам, характеризуется высокой прочностью и устойчивостью к растяжению. Молекула коллагена состоит из трёх полипептидных цепей, образующих тройную спираль. Каждая цепь имеет повторяющийся мотив Gly-X-Y, где Gly — глицин, X чаще всего пролин, Y — гидроксипролин или гидроксилизин. Глицин, как наименьшая аминокислота, обеспечивает плотное упаковывание спирали, а гидроксипролин стабилизирует структуру за счёт образования водородных связей.
Гидроксилирование пролина и лизина является посттрансляционной модификацией и требует присутствия витамина C как кофактора. Недостаток аскорбиновой кислоты приводит к нарушению синтеза коллагена и развитию патологий, таких как цинга.
Коллаген делят на несколько типов в зависимости от локализации и функции:
Каждый тип коллагена имеет специфическую аминокислотную последовательность и степень гидроксилирования, что определяет механические и биохимические свойства.
Коллаген характеризуется высокой термостабильностью и механической прочностью. Тройная спираль образует плотную структуру, устойчивую к протеазам, за исключением специфических коллагеназ. При нагревании выше 40–50 °C структура спирали разрушается, переходя в растворимый желатин. Водные растворы коллагена образуют гелеобразные системы за счёт самопроизвольного агрегирования фибрилл.
Коллаген растворим в слабых кислотах (например, уксусной) и определённых солевых растворах, что используется в лабораторной и промышленной практике для получения коллагеновых матриц.
Синтез коллагена начинается в рибосомах клеток соединительной ткани (фибробластов, хондробластов) с образования преколлагена. Преколлаген подвергается гидроксилированию и гликозилированию в эндоплазматическом ретикулуме. После образования тройной спирали он транспортируется в аппарат Гольджи, где происходит сборка фибрилл и выделение их в межклеточное пространство. Вне клетки специфические протеиназы удаляют концевые пептиды, превращая преколлаген в зрелый коллаген, способный к формированию фибрилл.
Коллагеновые волокна обеспечивают растяжимую прочность кожи, сухожилий, связок и сосудистых стенок. Механическая прочность достигается за счёт:
Возрастное снижение коллагена сопровождается уменьшением количества гидроксипролина и уменьшением поперечных связей, что ведёт к потере эластичности тканей и развитию старческих изменений кожи и суставов.
Коллаген играет ключевую роль в формировании внеклеточного матрикса, регуляции клеточного деления, миграции и дифференцировки. Он участвует в заживлении ран, формировании рубцов и регенерации костной ткани. В медицине коллаген используется для производства биоматериалов, имплантатов, гелей для доставки лекарственных средств и косметических препаратов.
Дефекты синтеза коллагена связаны с наследственными заболеваниями, включая:
Характеризация коллагена осуществляется с использованием:
Эти методы позволяют изучать структуру, физико-химические свойства и функциональные аспекты коллагена в норме и при патологии.
В регенеративной медицине коллагеновые матрицы служат каркасом для культивирования клеток, формирования органоидов и восстановления повреждённых тканей. Их модификация с помощью химических сшивателей или биополимеров позволяет регулировать прочность, пористость и скорость биодеградации, что критически важно для функциональной интеграции имплантатов в организм.
Коллаген остаётся центральным объектом медицинской химии, связывая фундаментальные биохимические процессы с практическими применениями в клинической и экспериментальной медицине.