Коллаген: структура, типы и применение¶

Коллаген — фибриллярный белок, составляющий основу соединительной ткани животных и человека. На его долю приходится от 25 до 35 % общего количества белков в организме млекопитающих; у человека это самый распространённый белок. Коллаген обеспечивает механическую прочность кожи, сухожилий, связок, хрящей, костей, стенок кровеносных сосудов и роговицы глаза. Молекула коллагена имеет характерную трёхспиральную структуру, а его аминокислотный состав отличается высоким содержанием глицина, пролина и гидроксипролина.

¶Химическое строение

Основу молекулы коллагена образуют три полипептидные цепи, закрученные в правую спираль — так называемый тропоколлаген. Каждая цепь содержит повторяющийся мотив Gly-X-Y, где X чаще всего представлен пролином, а Y — гидроксипролином. Именно глицин, будучи самой малой аминокислотой, позволяет цепям плотно прилегать друг к другу в центре спирали.

Стабильность тройной спирали поддерживается водородными связями между цепями. Дополнительную прочность придают ковалентные сшивки между молекулами тропоколлагена, образующиеся при участии фермента лизилоксидазы. Эти сшивки увеличиваются с возрастом, что снижает эластичность ткани.

Синтез коллагена начинается внутри клетки: рибосомы собирают препроколлаген, затем в эндоплазматическом ретикулуме происходит гидроксилирование пролина и лизина (при участии витамина C), гликозилирование и формирование тройной спирали. Готовый проколлаген выводится наружу, где от него отщепляются концевые пептиды, и молекулы самособираются в фибриллы.

¶Типы коллагена

Известно не менее 28 типов коллагена, различающихся последовательностью аминокислот и надмолекулярной организацией. Основные из них:

Типы I–III называют фибриллообразующими, тип IV — сетеобразующим. Нарушения синтеза отдельных типов приводят к наследственным заболеваниям соединительной ткани.

¶Функции в организме

Коллаген выполняет прежде всего структурную (опорную) функцию. В костях он формирует органический матрикс, на который откладываются минералы; в сухожилиях обеспечивает устойчивость к растяжению; в коже отвечает за прочность и упругость. Помимо механики, коллаген участвует в клеточной адгезии, миграции клеток, заживлении ран и передаче сигналов через рецепторы интегрины.

¶Распад и обновление

Коллаген постоянно обновляется: старые волокна разрушаются ферментами коллагеназами (матриксными металлопротеиназами), а на их месте синтезируются новые. С возрастом баланс смещается в сторону распада, что проявляется снижением упругости кожи, хрупкостью костей и дегенерацией хряща. Синтез коллагена зависит от витамина C: его дефицит вызывает цингу, при которой нарушается образование соединительной ткани.

¶Применение

¶Пищевая и фармацевтическая промышленность

Коллаген и продукты его гидролиза (желатин, коллагеновые пептиды) используются как загустители, стабилизаторы и оболочки для капсул. Желатин получают частичным гидролизом коллагена; он применяется в пищевой промышленности, фотографии и микробиологии.

¶Косметология и медицина

Коллаген входит в состав кремов, сывороток и инъекционных препаратов (филлеров). В медицине коллагеновые материалы применяют для создания искусственных клапанов, шовного материала, матриц для тканевой инженерии и заменителей кожи при лечении ожогов.

¶Биологически активные добавки

Коллагеновые добавки позиционируются как средство для улучшения состояния кожи, волос, ногтей и суставов. Клинические данные о их эффективности неоднозначны: часть исследований указывает на умеренное улучшение эластичности кожи и уменьшение боли в суставах, однако методология многих работ подвергается критике. При приёме внутрь коллаген расщепляется до аминокислот и коротких пептидов, которые не обязательно попадают именно в целевые ткани.

¶Источники и получение

Промышленный коллаген получают из кожи и костей крупного рогатого скота, свиней, а также из рыбьей кожи и чешуи. Существует рекомбинантный (полученный методами генной инженерии) коллаген, лишённый риска передачи инфекций и более однородный по составу. В пищевых продуктах коллаген содержится в костных бульонах, мясе, рыбе и желатине.

¶Значение в науке и технике

Коллаген служит модельным объектом для изучения структуры белков и механизмов самосборки. На его основе создаются биосовместимые материалы для имплантатов, гидрогели для доставки лекарств и подложки для выращивания клеточных культур. Изучение коллагена важно для понимания старения, наследственных болезней соединительной ткани и процессов регенерации.