Колагени

1. є найбільш поширеними білками клітин ссавців,

2. складають головний компонент сполучної тканини,

3. утворюють родину фібрилярних білків, що секретуються фібробластами та клітинами сполучної тканини,

4. їх молекули мають характерну будову – довгу жорстку потрійну спіраль:

1. три поліпептидних ланцюги колагену - a-ланцюги- скручені одна з одною у правообернену суперспіраль, що утворює стрижневу структуру (рис.5.1.),

2. довжина спіралі – 300 нм, діаметр – 1,5 нм.

Властивості колагену:

1. Колагени збагачені проліновими та гліциновими залишками, які забезпечують формування потрійної спіралі. Кожний третій залишок a-ланцюгу – гліцин, єдина амінокислота, що підходить для центральної ділянки спіралі. Перша амінокислота у такій послідовності може бути будь-якою, друга – пролін, гідроксипролін або лізин.

Рис.5.1. А. Модель одного α-ланцюгу колагену: складається з довгої серії триплетів Gly-X-Y, де X и Y можуть бути будь-якою амінокислотою (хоча за звичай одна з них - пролін). Б.Модель ділянки молекули колагену, в якій три α-ланцюги скручені у спіральний джгут.

2. Виявлено близько 25 різних a-ланцюгів колагену, кожна кодується окремим геном, у різних тканинах експресуються різні комбінації цих генів.

3. Сьогодні визначають близько 15 типів колагену.

4. Колагени мають залишки гідроксипроліну та гідроксиоізину, які утворюються при посттрансляційному гідроксилюванні залишків проліну та лізину. Утворення цих залишків каталізується пролілгідроксилазою та лізилгідроксилазою, відповідно.

Колаген сполучної тканини складається з різних типів колагену, найбільш поширеними є колагени І типу.

Біосинтез колагену

1. Колаген синтезують фібро-, хондро- та остеобласти та інші клітини,

2. колаген синтезується у вигляді про-a-ланцюгів,

3. в процесі синтезу колаген підлягає значним післятрансляційним змінам,

4. поліпептиди колагену секретуються у позаклітинний простір і групуються у впорядковані полімери колагенових фібрил, які становлять 10-300 нм у діаметрі, та можуть досягати декількох сотень мікрометрів у довжину,

5. ці фібрили збираються у пучки колагенових волокон канатоподібних структур до 3 мм у діаметрі,

6. колагенові волокна зшиваються один з одним компонентами позаклітинного матриксу за допомогою фібрил-зв’язувальних колагенів (ІХ та ХІІ типів),

7. зшивки роблять структуру колагену міцнішою,

8. колагени ІV та VІІ типів відповідають за формування мережі, ІV тип є одним з основних базальної мембрани.

Як і більшість секреторних білків, колаген секретується у вигляді попередників із сигнальним пептидом, що направляє їх до грЕР. Крім того, на N- та C-кінцях колагенів є пропептиди (20 та 30 кДа, відповідно) (рис. 5.2.).

Рис.5.2. В молекулах фибрилярного колагену α-ланцюги спочатку синтезуються у формі про-α-ланцюгів, які містять додаткові пептиди на обох кінцях.

Пропептиди відщеплюються після того, як потрійні спіралі колагену секретуються у позаклітинний простір. Після переносу колагену у порожнину грЕР специфічні гідроксилази у присутності кофактору - аскорбінової кислоти (вітаміну С) гідроксилюють залишки проліну та лізину з утворенням гідроксипроліну та гідроксилізину. Після цього між про-a-ланцюгами утворюються водневі зв’язки і формується потрійна спіраль проколагену (рис.5.3.).

Рис.5.3. Схема синтезу колагенової фібрили.

Припускають, що гідроксильні групи гідроксипроліну та лізину утворюють внутрішній ланцюг водневих зв’язків, який стабілізує потрійну спіраль. Крім цього, у окислювальному середовищі грЕР N- та С-кінцеві пропептиди утворюють дисульфідні містки, які також можуть сприяти утворенню потрійної спіралі.

Молекули проколагену накопичуються у секреторних гранулах та вивільнюються у позаклітинний простір.

Після секреції у позаклітинний простір специфічні аміно- та карбоксипептидази відщеплюють N- та С-кінцеві пропептиди, і проколаген перетворюється у зрілий колаген. Після видалення пропептидів триспіральні молекули збираються у волокна.

Проколаген – відносно розчинний пептид, тоді як зріла молекула нерозчинна.

Таким чином пропептиди виконують дві головні функції при синтезі колагену:

1. забезпечують утворення потрійної спіралі всередині клітини,

2. запобігають внутрішньоклітинному утворенню колагенових фібрил, що перешкоджають процесу секреції в силу нерозчинності колагену.

У позаклітинному просторі, близько до клітинної поверхні, інколи навіть у інвагінаціях плазмолеми, зрілі молекули колагену утворюють фібрили. Зрілі молекули колагену мають морфологічну особливість – поперечну посмугованість через кожні 67 нм. Ця посмугованість зумовлена ступеневим розташуванням окремих колагенових поліпептидів, які складають фібрилу.

Після утворення колагенових фібрил їх міцність значно зростає за рахунок формування зшивок між залишками лізину всередині молекул колагену і між ними.

В залежності від типу тканини колагенові фібрили мають різну товщину і розташування, що дозволяє їм виконувати спеціалізовані функції. Наприклад, у шкірі фібрили формують переплетіння хрест-навхрест, структуру, яка забезпечує стійкість тканини до різних навантажень, у сухожилках фібрили формують пучки, паралельно вісі напруги.

Така специфічна орієнтація волокон колагену забезпечується фібрил-зв’язуваьними колагенами (типу ІХ-ХІІ). Ці колагени прикріплюються до поверхні фібрил на певній відстані один від одного і взаємодіють як з фібрилами так і з іншими компонентами матриксу.