Kolagén - biológia
Kolagén (Predbežná fáza Tropokolagén; internacionalizovaná notácia Koláže; Dôraz na poslednú slabiku) je štrukturálny proteín, ktorý sa vyskytuje iba u mnohobunkových zvierat (vrátane ľudí), hlavne v spojivovom tkanive (presnejšie v extracelulárnej matrici). V ľudskom tele je kolagén najbežnejším proteínom, ktorý má viac ako 30% celkovej hmotnosti všetkých proteínov. Je nevyhnutnou organickou súčasťou spojivového tkaniva (kosti, zuby, chrupavky, šľachy, väzy) a kože. Kolagén dostal svoje meno (z gréčtiny: Generovanie lepidla) pôvodne kvôli jeho skoršiemu použitiu ako lepidla na kosti pri spracovaní dreva. Je to hlavná surovina na výrobu želatíny.
Kolagén sa skladá z jednotlivých dlhých molekúl kolagénu (proteínové reťazce), ktoré tvoria ľavotočivú špirálu (podobnú ako špirála polyprolínu II). Tri z týchto skrutkovíc sú potom usporiadané do pravého superhelixu, ktoré sú navzájom stabilizované vodíkovými väzbami. Na primárnej štruktúre (aminokyselinovej sekvencii) kolagénu je zarážajúce to, že každá tretia aminokyselina je glycín. Často opakovaným motívom sekvencie v rodine kolagénových proteínov je glycín-prolín-hydroxyprolín.
Kolagénové vlákna majú obrovskú pevnosť v ťahu a sú ťažko roztiahnuteľné. Tesné vinutie je rozhodujúce pre vysokú pevnosť kolagénových vlákien v ťahu: môžu absorbovať ťahové sily až do desaťtisícnásobku vlastnej hmotnosti.
V bežnej reči sa kolagén typu I označuje ako „kolagén“. Z hľadiska množstva je kolagén typu I najdôležitejším kolagénom v organizme a vďaka svojmu použitiu ako želatína je najznámejší, ale existujú aj ďalšie kolagény, ktoré sa štrukturálne významne líšia od kolagénu typu I a plnia ďalšie dôležité biologické funkcie. Želatína je denaturovaná forma fibrilárneho kolagénu typu I, II a/alebo III a väčšinou sa získava z odpadu na bitúnkoch. Tu je potrebné poznamenať, že kolagén typu II sa vyskytuje predovšetkým v chrupavkách, zmesi kolagénu typu I a III pochádzajú zo šliach, väzov a kože.
konštrukcia
Molekula kolagénu
Polypeptidové reťazce kolagénu sú jednotlivo syntetizované ribozómami hrubého endoplazmatického retikula. Ako molekula kolagénu resp Tropokolagén uvádzajú sa iba trojité špirálové molekuly extracelulárnej matrice (ECM). Majú spoločné to, že sú tvorené tromi polypeptidovými reťazcami. Každá z nich je v ľavotočivých kolagénových helixoch (reťazcoch α) a sú spolu navinuté vo forme charakteristickej pravotočivej trojzávitnice (pozri obrázok vpravo), superhelixu alebo zvinutej špirály. Každá jednotlivá kolagénová závitnica môže pozostávať z 600 až 3 000 aminokyselín v závislosti od typu kolagénu a je vybavená veľkými doménami tvorenými opakujúcimi sa (opakujúcimi sa) sekvenciami G-X-Y:
Takže na každej tretej pozícii je glycín (G) - Odpočinok. Glycín ako najmenšia aminokyselina svojimi úzkymi zákrutami dokonale zapadá do trojitej špirály. Aminokyselinový prolín sa veľmi často nachádza v polohe X. Vďaka svojej tuhej kruhovej štruktúre tu prolín pôsobí ako „roh“ v polypeptidovom reťazci a podporuje tvorbu tesných závitov v trojitej špirále. 4-Hydroxyprolín sa nachádza hlavne v polohe Y a stabilizuje trojitú špirálu prostredníctvom vodíkových väzieb medzi susednými polypeptidovými reťazcami. Použitie glycínu, prolínu a hydroxyprolínu obmedzuje rotáciu polypeptidového reťazca a umožňuje tesné priestorové podmienky v trojzávitnici.
| Primárna štruktúra (= postupnosť) | Polypeptidové reťazce s opakujúcimi sa sekvenciami G-X-Y |
| Sekundárna štruktúra | ľavotočivé kolagénové skrutkovice (α-reťazce) |
| Terciárna štruktúra | pravá trojitá špirála vyrobená z 3 polypeptidových reťazcov |
| Kvartérna štruktúra | Kolagénové fibrily, kolagénové siete a oveľa viac. |
Prítomnosť hydroxylyzínu vedľa hydroxyprolínu je tiež charakteristická pre kolagén. Hydroxylyzín tvorí predpoklad pre vytvorenie kovalentných zosieťovaní, pomocou ktorých môžu byť jednotlivé trojité špirály priestorovo fixované vo vnútri kolagénových vlákien.
Kolagénové fibrily
Vo fibrilách nie sú susedné molekuly kolagénu usporiadané v jednej rovine, ale sú navzájom odsadené o 67 nm, t. J. Asi o pätinu ich dĺžky. Dôsledkom tohto usporiadania je, že na snímkach kolagénových fibríl kontrastujúcich s kovom je možné vidieť priečne pruhy na elektrónovom mikroskope. Vytvorí sa charakteristický pruhový vzor, ktorý sa opakuje každých 67 nm (234 aminokyselín) a označuje sa ako D perióda. Toto rozdeľuje a reťazce na štyri homológne oblasti D1-D4. Pásy vyskytujúce sa v D-jednotke sú označené a-e. Kolagénové fibrily sú usporiadané polyméry, ktoré môžu mať v zrelom tkanive dĺžku mnoho mikrometrov. Často sú zoskupené do väčších káblových zväzkov, kolagénových vlákien. V šľachách je priemer vlákien kolagénu typu I 50–500 nm, v koži 40–100 nm a v rohovke (rohovka oka) 25 nm. Fibrillogenéza kolagénu je často regulovaná malými proteoglykánmi bohatými na leucín, takže v zodpovedajúcich tkanivách Môžu vzniknúť fibrily s definovaným priemerom a definovaným usporiadaním.
Objasnenie štruktúry
Dnešný obraz trojzávitnice kolagénu a priestorového usporiadania zvyškov aminokyselín a ich vodíkových väzieb medzi sebou je do veľkej miery založený na röntgenovej kryštalografickej práci indických vedcov G. N. Ramachandrana a Gopinatha Karthu (1954).
Bývalý Inštitút Maxa Plancka pre výskum bielkovín a kože v Mníchove (založený v roku 1956 s cieľom objasniť spojivové tkanivo sponzorovaním kožiarskeho priemyslu) poskytol základné informácie (celá primárna štruktúra kolagénu typu I a makroštruktúry typov IV a VI) z roku 1966 v rámci Vedie ho Klaus Kühn (po presťahovaní ústavu do Ústavu pre biochémiu Maxa Plancka v Martinsriede). [1]
biosyntéza
Kolagén typu I sa syntetizuje okrem iného aj špecializovanými bunkami (fibroblasty, myofibroblasty a osteoblasty).
Jednotlivé reťazce kolagénového polypeptidu sú produkované na hrubom endoplazmatickom retikule (translácia) a transportované do lúmenu endoplazmatického retikula. Sú vo forme väčších prekurzorových molekúl, pro-α reťazcov, ktoré sú opatrené N- a C-koncovými propeptidmi. V endoplazmatickom retikule sú OH skupiny pripojené k jednotlivým prolínovým a lyzínovým zvyškom z polypeptidových reťazcov, ktoré sú alebo už boli vytvorené (hydroxylácia). Tvorba trojzávitnice je iniciovaná tvorbou disulfidových väzieb medzi C-koncovými propeptidmi. Tri pro-a reťazce tvoria pomocou vodíkových väzieb trojvláknovú molekulu špirály, prokolagén. Nakoniec sú niektoré lyzínové zvyšky zvyčajne glykozylované. Fibrilárne kolagény sa v tejto forme uvoľňujú z bunky. Uvoľňovanie molekúl do extracelulárneho priestoru sa uskutočňuje exocytózou pomocou sekrečných vezikúl, v ktorých sa zdá, že sú zapojené glykozylové zložky. Ihneď po uvoľnení z bunky sa propeptidy štiepia pomocou prokolagénových peptidáz. Molekula kolagénu sa v tejto fáze nazýva tropokolagén. Potom sa jednotlivé molekuly tropokolagénu zhromažďujú a vytvárajú kolagénové fibrily (fibrillogenéza).
Hydroxylácie
Kyselina askorbová (vitamín C) je dôležitým kofaktorom pri hydroxylácii aminokyselín prolínu na hydroxyprolín pomocou enzýmu prolylhydroxylázy a lyzínu na hydroxylyzín pomocou enzýmu lyzylhydroxylázy. Hydroxyprolín má funkciu posilňovania trojitej špirály v molekule kolagénu prostredníctvom vodíkových väzieb medzi susednými kolagénovými polypeptidovými reťazcami. Hydroxylyzín sa používa na ukotvenie kovalentných krížových väzieb medzi molekulami kolagénu. Ak nedochádza k hydroxylácii, vytvárajú sa iba poškodené molekuly kolagénu, ktoré nemôžu plniť svoju funkciu štrukturálnych proteínov. Tu je potrebné poznamenať, že takmer všetky príznaky skorbutu choroby z nedostatku kyseliny askorbovej možno vysledovať späť k chybnej biosyntéze kolagénu.
Fibrilácia
V ďalších krokoch sa tvoria kolagénové fibrily. Potom, čo boli jednotlivé trojzávitnicové molekuly kolagénu posunuté o pätinu svojej dĺžky, nastanú kovalentné zosieťovania prostredníctvom blízkych zvyškov hydroxylyzínu, ktoré trvalo fixujú priestorové usporiadanie. Mnoho takýchto kolagénových vlákien nakoniec vytvorí kolagénové vlákna.
Typy kolagénu
Kolagény sú rozdelené do niekoľkých podskupín.
Kolagén typu I, fibrilárny kolagén, je najbežnejším typom kolagénu a nachádza sa v koži, šľachách, fasciách, kostiach, cievach, vnútorných orgánoch a dentíne, zatiaľ čo kolagén typu II funguje ako štruktúrny proteín v hyalínovej chrupke. Kolagén typu III sa nachádza v stenách krvných ciev, vnútorných orgánoch, koži a rohovke. Kolagén typu IV a V sú zložky bazálnej laminy.
V súčasnosti je známych 28 rôznych typov kolagénu (typy I až XXVIII), ako aj najmenej desať ďalších proteínov s doménami podobnými kolagénu.
Niektorí z členov rodiny kolagénov sú uvedení nižšie.
| Fibrilárne kolagény | Kolagény typu I, II, III, V a XI |
| Sieťotvorné kolagény | Kolagény typu IV (lamina densa bazálnej membrány), VIII a X |
| Kolagény spojené s vláknami (FACIT) | Kolagény typu IX, XII, XIV, XXII |
| Reťazec perličkových kolagénov | Kolagén typu VI |
| Ukotvenie vlákien | Kolagén typu VII |
| Kolagény s transmembránovými doménami | Kolagény typu XIII, XVII, XXIII a XXV |
Produktom štiepenia kolagénu XVIII je endostatín s molekulovou hmotnosťou 20 kDa.
Štruktúra kolagénu typu I.
V prípade kolagénu typu I sú tromi kolagénovými polypeptidovými reťazcami α reťazce [α1 (I) 2α2 (I)], ktoré sa okolo seba vinú a vytvárajú trojitú špirálu. Gén kolagénu a1 reťazca typu I pozostáva z 50 exónov, z ktorých viac ako polovica má dĺžku 54 párov báz (bp) alebo dvoj- až trojnásobok tejto dĺžky. Kódujú sekvenciu (G-X-Y) 6 alebo jej násobok.
použitie
Kolagén sa používa hlavne vo forme želatíny, ktorá sa získava štiepením hovädzieho, bravčového kože a kostí hovädzieho dobytka a ošípaných.
Výživové a kŕmne suroviny
V Nemecku sa ročne vyprodukuje asi 32 000 t jedlej kvalitnej želatíny, celková európska výroba je 120 000 t (70% bravčovej kože, 18% kostí, 10% hovädzieho mäsa štiepaného, 2% iné) [2] V Nemecku sa spotrebuje asi 90 000 t, pričom 2/3 Potravinársky sektor predstavuje asi polovicu zvyšku v sektore krmív pre zvieratá. [3]
Pharma
Asi 15 000 t sa spracuje v chemickom a farmaceutickom priemysle. Hlavnými oblasťami použitia vo farmaceutickom priemysle sú obaľované tablety a vitamínové prípravky (tvrdé a mäkké kapsuly), ako aj želatínové čapíky. Želatína sa tiež používa na hemostatické huby a ako náhrada krvnej plazmy.
Kozmetika
Kolagén sa už mnoho rokov používa ako aktívna zložka v kozmetike, kde je primárne určený na zníženie starnutia pokožky, Proti starnutiu, slúžiť. Dnes sa kolagénové výrobky používajú v kozmetike vo forme krémov. Kolagén, ktorý sa na to používa, sa väčšinou extrahuje z bravčovej kože.
technológie
V analógovej fotografii tvorí želatína základ pre fotocitlivé vrstvy na filme a fotografickom papieri. Želatínou sú potiahnuté aj moderné papiere do tlačiarní na tlač farebných obrázkov. [3]