Колаген - біологія
Колаген (Попередній етап Тропоколаген; інтернаціоналізовані позначення Колажі; Акцент на останньому складі) - це структурний білок, який зустрічається лише у багатоклітинних тварин (включаючи людей), переважно сполучної тканини (точніше: позаклітинного матриксу). В людському організмі колаген є найпоширенішим білком, він складає понад 30% від загальної ваги всіх білків. Це важливий органічний компонент сполучної тканини (кісток, зубів, хрящів, сухожиль, зв’язок) та шкіри. Колаген отримав свою назву (від грецької: Генеруючий клей) спочатку завдяки попередньому використанню в якості кісткового клею при обробці дерева. Це основна сировина для виготовлення желатину.
Колаген складається з окремих довгих молекул колагену (білкові ланцюги), які утворюють лівоспіральну спіраль (подібно до спіралі поліпроліну II). Потім три з цих спіралей розташовуються у правій суперспіралі, яка стабілізується одна з одною за допомогою водневих зв’язків. Вражає первинна структура (послідовність амінокислот) колагену - це те, що кожна третя амінокислота - це гліцин. Часто повторюваним мотивом послідовності в сімействі білків колагену є гліцин-пролін-гідроксипролін.
Колагенові волокна мають величезну міцність на розрив і майже не розтягуються. Щільна обмотка має вирішальне значення для високої міцності колагенових волокон: вони можуть поглинати сили розтягування, що перевищують власну вагу до десяти тисяч разів.
У просторіччі колаген типу I прирівнюється до “колагену”. Що стосується кількості, колаген типу I є найважливішим колагеном в організмі, і завдяки його використанню в якості желатину, найвідомішого, існують інші колагени, які структурно відрізняються від колагену типу I і виконують інші важливі біологічні функції. Желатин є денатурованою формою фібрилярного колагену I, II та/або III типу і в основному отримується з відходів бійні. Тут слід зазначити, що колаген II типу в основному зустрічається в хрящі, суміші колагену I та III типів надходять із сухожиль, зв’язок та шкіри.
будівництво
Молекула колагену
Поліпептидні ланцюги колагену індивідуально синтезуються рибосомами грубого ендоплазматичного ретикулума. Як молекула колагену або Тропоколаген посилаються лише на потрійні спіральні молекули позаклітинного матриксу (ECM). Їх спільне те, що вони складаються з трьох поліпептидних ланцюгів. Кожен із них знаходиться у ліворуких спіралях колагену (α-ланцюжки) і намотується у вигляді характерної потрійної спіралі правші (див. Малюнок праворуч), суперспіралі або спіральної спіралі. Кожна окрема спіраль колагену може складатися з 600 до 3000 амінокислот, залежно від типу колагену, і оснащена великими доменами, що складаються з повторюваних (повторюваних) послідовностей G-X-Y:
Таким чином, є гліцин у кожній третій позиції (G) -Започинок. Гліцин як найменша амінокислота ідеально вписується в потрійну спіраль своїми дуже щільними поворотами. Амінокислота пролін дуже часто виявляється в положенні X. Завдяки своїй жорсткій кільцевій структурі, пролін діє тут як “кут” у поліпептидному ланцюзі і підтримує утворення щільних поворотів у межах потрійної спіралі. 4-гідроксипролін в основному знаходиться в положенні Y і стабілізує потрійну спіраль за допомогою водневих зв’язків між сусідніми поліпептидними ланцюгами. Застосування гліцину, проліну та гідроксипроліну обмежує обертання поліпептидного ланцюга та забезпечує жорсткі просторові умови в межах потрійної спіралі.
| Первинна структура (= послідовність) | Поліпептидні ланцюги з повторюваними послідовностями G-X-Y |
| Вторинна структура | ліворукі спіралі колагену (α ланцюжки) |
| Третинна структура | правобічна потрійна спіраль, що складається з 3 поліпептидних ланцюгів |
| Четвертинна структура | Колагенові фібрили, колагенові мережі та багато іншого. |
Наявність гідроксилізину поряд з гідроксипроліном також характерно для колагену. Гідроксилізин утворює передумову для утворення ковалентних зшивок, за допомогою яких окремі потрійні спіралі можуть бути просторово закріплені у колагенових фібрилах.
Фібрили колагену
У фібрилах сусідні молекули колагену розташовані не на одному рівні, а зміщуються одна від одної на 67 нм, тобто приблизно на п'яту частину їх довжини. Наслідком такого розташування є те, що поперечні смуги можна побачити на зображеннях електронного мікроскопа металевих контрастних фібрил. Створюється характерний смуговий малюнок, який повторюється кожні 67 нм (234 амінокислоти) і називається періодом D. Це ділить α-ланцюги на чотири гомологічні області D1-D4. Смуги, що з'являються в D-одиниці, позначаються a-e. Фібрили колагену - це впорядковані полімери, довжина яких у зрілих тканинах може бути багато мікрометрів. Вони часто групуються у більші, схожі на кабель пучки, колагенові волокна. У сухожилках діаметр фібрили колагену I типу становить 50–500 нм, у шкірі - 40–100 нм, а в рогівці (рогівці ока) - 25 нм. Фібрилогенез колагену часто регулюється невеликими багатими лейцином протеогліканами, так що у відповідних тканинах Можуть виникнути фібрили з певним діаметром та певним розташуванням.
З'ясування структури
Сучасна картина потрійної спіралі колагену та просторового розташування амінокислотних залишків та їх водневих зв’язків між собою багато в чому базується на рентгенівській кристалографічній роботі індійських учених Г. Н. Рамачандрана та Гопінатха Картхи (1954).
Колишній Інститут досліджень білка і шкіри Макса Планка в Мюнхені (заснований в 1956 р. З метою уточнення сполучної тканини за допомогою спонсорства шкіряної промисловості) забезпечив суттєве уточнення (всю первинну структуру колагену типу I, а також макроструктури типів IV і VI) під Очолює Клаус Кюн (після переїзду інституту до Інституту біохімії імені Макса Планка в Мартінсріді). [1]
біосинтез
Колаген типу I синтезується, серед іншого, спеціалізованими клітинами (фібробласти, міофібробласти та остеобласти).
Індивідуальні колагенові поліпептидні ланцюги утворюються на грубій ендоплазматичній сітці (трансляція) і транспортуються в просвіт ендоплазматичної сітки. Вони у формі більших молекул-попередників, ланцюгів pro-α, які забезпечені N- та С-кінцевими пропептидами. В ендоплазматичному ретикулумі групи ОН приєднуються до окремих залишків проліну та лізину з поліпептидних ланцюгів, які є або вже сформовані (гідроксилювання). Утворення потрійної спіралі ініціюється утворенням дисульфідних зв’язків між С-кінцевими пропептидами. Три ланцюги про-α утворюють триланцюгову молекулу спіралі, проколаген, за допомогою водневих зв’язків. Нарешті, деякі залишки лізину зазвичай глікозильовані. Фібрилярні колагени вивільняються з клітини в такій формі. Випуск молекул у позаклітинний простір відбувається за допомогою екзоцитозу за допомогою секреторних везикул, в яких, здається, беруть участь глікозилові компоненти. Відразу після звільнення з клітини пропептиди відщеплюються за допомогою пептидаз проколагену. Молекула колагену в цій фазі називається тропоколагеном. Потім окремі молекули тропоколагену збираються, утворюючи колагенові фібрили (фібрилогенез).
Гідроксилювання
Аскорбінова кислота (вітамін С) є важливим фактором гідроксилювання амінокислот проліну до гідроксипроліну ферментом пролілгідроксилазою та лізину до гідроксилізину ферментом лізилгідроксилазою. Гідроксипролін має функцію посилення потрійної спіралі в молекулі колагену за допомогою водневих зв’язків між сусідніми поліпептидними ланцюгами колагену. Гідроксилізин використовується для закріплення ковалентних поперечних зв’язків між молекулами колагену. Якщо гідроксилювання немає, утворюються лише пошкоджені молекули колагену, які не можуть виконувати свою функцію структурних білків. Слід зазначити, що майже всі симптоми хвороби на дефіцит аскорбінової кислоти можна простежити до дефектного біосинтезу колагену.
Фібриляція
На подальших етапах утворюються фібрили колагену. Після того, як окремі потрійні спіральні молекули колагену зміщені на п'яту частину своєї довжини, ковалентні поперечні зв'язки відбуваються через сусідні залишки гідроксилізину, що назавжди фіксує просторове розташування. Багато таких колагенових фібрил з часом утворюють колагенові волокна.
Типи колагену
Колагени поділяються на кілька підгруп.
Колаген типу I, фібрилярний колаген, є найпоширенішим типом колагену і зустрічається в шкірі, сухожиллях, фасціях, кістках, судинах, внутрішніх органах та дентині, тоді як колаген типу II виконує функцію структурного білка в гіаліновому хрящі. Колаген III типу міститься в стінках судин, внутрішніх органах, шкірі та рогівці. Колаген типу IV і V є компонентами базальної пластинки.
В даний час відомі 28 різних типів колагену (типи від I до XXVIII), а також принаймні десять інших білків з колагеноподібними доменами.
Деякі з членів сімейства колагенів перелічені нижче.
| Фібрилярні колагени | Колагени типу I, II, III, V та XI |
| Мережеутворюючі колагени | Колагени IV типу (пластинка базальної мембрани), VIII та X |
| Коллагени, пов’язані з фібрилою (FACIT) | Тип IX, XII, XIV, XXII колагени |
| Нитка перлів колагенів | Колаген типу VI |
| Фіксація фібрил | VII тип колагену |
| Коллагени з трансмембранними доменами | Тип XIII, XVII, XXIII та XXV колагени |
Продуктом розщеплення колагену XVIII є ендостатин з молекулярною масою 20 кДа.
Будова колагену I типу
У випадку колагену I типу, трьома поліпептидними ланцюгами колагену є α-ланцюги, [α1 (I) 2α2 (I)], які накручуються навколо один одного, утворюючи потрійну спіраль. Ген ланцюга α1 ланцюга типу I складається з 50 екзонів, більше половини з яких становлять 54 пари основ (bp) або в два-три рази більше цієї довжини. Вони кодують послідовність (G-X-Y) 6 або кратну їй послідовність.
використання
Колаген в основному використовується у формі желатину, який отримують із розщепленої яловичої, свинячої шкіри та кісток великої рогатої худоби та свиней.
Харчові та кормові матеріали
У Німеччині щорічно виробляється близько 32 000 т желатину якісного їстівного виробництва, загальне європейське виробництво становить 120 000 т (70% свинини, 14% кісток, 10% яловичини, 2% інше) [2] У Німеччині використовується близько 90 000 т, при цьому 2/3 На харчовий сектор припадає близько половини залишку у секторі кормів для тварин. [3]
Фармація
У хімічній та фармацевтичній промисловості переробляється близько 15 000 т. Основними сферами застосування у фармацевтичній промисловості є таблетки, вкриті оболонкою, та вітамінні препарати (тверді та м’які капсули), а також желатинові супозиторії.Желатин також використовується для гемостатичних губок і як замінник плазми крові.
Косметика
Колаген також протягом багатьох років використовується як активний інгредієнт у косметиці, де він в першу чергу призначений для зменшення старіння шкіри, Проти старіння, подавати. Сьогодні продукти, що містять колаген, використовуються в косметиці у вигляді кремів. Колаген, що використовується для цього, в основному витягується зі свинячої шкіри.
технології
В аналоговій фотографії желатин є основою для світлочутливих шарів на плівці та фотопапері. Сучасні папери для друку для друку кольорових зображень також покриті желатином. [3]