Строение и функции коллагенов

Коллагены - семейство родственных фибриллярных белков, секретируемых клетками соединительной ткани. Коллагены - самые распространённые белки не только межклеточного матрикса, но и организма в целом, они составляют около 1/4 всех белков организма человека. В межклеточном матриксе молекулы коллагена образуют полимеры, называемые фибриллами коллагена (более подробно это описано в разделе 15). Фибриллы коллагена обладают огромной прочностью и практически нерастяжимы. Они могут выдерживать нагрузку, в 10 000 раз превышающую их собственный вес. По прочности коллагеновые фибриллы превосходят прочность стальной проволоки того же сечения. Именно поэтому большое количество коллагеновых волокон, состоящих из коллагеновых фибрилл, входит в состав кожи, сухожилий, хрящей и костей.

Необычные механические свойства коллагенов связаны с их первичной и пространственной структурами. Молекулы коллагена состоят из трёх полипептидных цепей, называемых α -цепями. Идентифицировано более 20 α -цепей, большинство которых имеет в своём составе 1000 аминокислотных остатков, но цепи несколько отличаются аминокислотной последовательностью. В состав коллагенов могут входить три одинаковые или разные цепи.

Первичная структура α -цепей коллагена необычна, так как каждая третья аминокислота в полипептидной цепи представлена глицином, около 1/4 аминокислотных остатков составляют пролин или 4-гидроксипролин, около 11% - аланин. В коллагене отсутствуют такие аминокислоты, как цистеин и триптофан, α гистидин, метионин и тирозин находятся лишь в очень небольшом количестве. В составе первичной структуры α -цепи коллагена содержится также необычная аминокислота - гидроксилизин. Полипептидную цепь коллагена можно представить как последовательность триплетов Гли-X-Y, где X и Y могут быть любыми аминокислотами, но чаще в положении X стоит пролин, а в положении Y - гидроксипролин или гидроксилизин. Каждая из этих аминокислот имеет большое значение для формирования коллагеновых фибрилл.

Пролин благодаря своей структуре вызывает изгибы в полипептидной цепи, стабилизируя ле-возакрученную спиральную конформацию. На один виток спирали приходится 3 аминокислотных остатка, а не 3, 6, как это характерно для вторичной структуры глобулярных белков. Спираль пептидной цепи коллагена стабилизирована не за счёт водородных связей (так как пролин их не образует), а силами стерического отталкивания пирролидиновых колец в остатках пролина. В результате расстояние между аминокислотными остатками по оси спирали увеличивается, и она оказывается более развёрнутой по сравнению с туго закрученной α -спиралью глобулярных белков.

Спирализованные полипептидные цепи, перевиваясь друг около друга, образуют трёхце-почечную правозакрученную суперспиральную молекулу, часто называемую тропоколлагеном. Цепи удерживаются друг около друга за счёт водородных связей, возникающих между амино- и карбоксильными группами пептидного остова разных полипептидных цепей, входящих в состав трёхспиральной молекулы. " Жёсткие" аминокислоты - пролин и гидроксипролин - ограничивают вращение полипептидного стержня и увеличивают тем самым стабильность тройной спирали. Глицин, имеющий вместо радикала атом водорода, всегда находится в месте пересечения цепей; отсутствие радикала позволяет цепям плотно прилегать друг к другу.

В результате такого скручивания пептидных остовов полипептидных цепей и наличия удлинённой структуры два других радикала из триады аминокислот Гли-X-Y оказываются на наружной поверхности молекулы тропоколлагена. Некоторые комплементарные участки молекул тропоколлагена могут объединяться друг с другом, формируя коллагеновые фибриллы, причём эти участки расположены таким образом, что одна нить тропоколлагена сдвинута по отношению к другой примерно на 1/4. Между радикалами аминокислот возникают ионные, водородные и гидрофобные связи.

Фибриллярные имеют вытянутую, нитевидную форму и состоят из нескольких полипептидных цепей.

Фибриллярные белки – структурные белки соединительной и покровной ткани – коллаген, эластин, кератин волос, фиброин шелка и т.д.

Фибриллярные белки устойчивы к действию кислот, щелочей, нагревания, действия протеолитических ферментов. Придают тканям и структурам плотности, жесткости, эластичности. Фибриллярные белки содержатся как внутри клеток (миофибриллы, кератины), так и в межклеточном пространстве (коллагеновые волокна).

Характерной особенностью фибриллярных белков является то, что полипептидные цепи их размещаются параллельно относительно одной оси, образуя долгие волокна.

Коллаген представляет собой белок, относящийся к классу фибриллярных. Именно фибриллярные белки отвечают за построение скелета, как всего человеческого организма, так и его отдельных кирпичиков – клеток. Изрядное количество фибриллярных белков принимает участие в формировании клеточного скелета, носящего название цитоскелет.

В переводе термин «коллаген» означает «образующий клей». Во всех без исключения многоклеточных организмах коллаген является самым распространенным белком. Коллаген – это основной компонент соединительной ткани, входящей в состав стенок кровеносных сосудов, зубов, сухожилий, костей и кожи.

Строго говоря, под коллагеном понимают не один какой-то белок, а целое семейство белков, кодируемое, как минимум, десятью структурными генами. Все эти коллагены отличаются один от другого не только пространственным строением, но и последовательностью образующих их аминокислот.

Самую большую роль в организме млекопитающих играет коллаген типа I. Это именно он входит в состав соединительной ткани кожи, сухожилий и костей.

Коллагеновые волокна соединительной ткани образованы молекулами тропоколлагена, идущими параллельно друг другу, с небольшим сдвигом. Молекула тропоколлагена представляет собой длинный стержень, в состав которого входят сразу три параллельные полипептидные цепи, закрученные в спираль. В коллагеновом волокне расположенные рядом молекулы тропоколлагена связываются друг с другом при помощи поперечных сшивок.

Любопытно, что в состав коллагена, а так же еще одного фибриллярного белка – эластина, входят аминокислоты, которые не встречаются ни в одном другом белке человеческого организма. Одной из таких аминокислот является оксипролин, образующийся в результате котрансляционной модификации пролина.

Между глобулярными и фибриллярными белками при определенных условиях возможны взаимные переходы, например, денатурация.