Colagen - Biologie
Colagen (Etapa preliminară Tropocolagen; notație internaționalizată Colaje; Accentul pe ultima silabă) este o proteină structurală care apare numai la animalele multicelulare (inclusiv oamenii), în principal din țesutul conjunctiv (mai exact: matricea extracelulară). În corpul uman, colagenul este cea mai frecventă proteină, cu peste 30% din greutatea totală a tuturor proteinelor. Este o componentă organică esențială a țesutului conjunctiv (oase, dinți, cartilaj, tendoane, ligamente) și a pielii. Colagenul și-a primit numele (din limba greacă: Generarea lipiciului) inițial datorită utilizării sale anterioare ca adeziv pentru os în prelucrarea lemnului. Este principala materie primă pentru fabricarea gelatinei.
Colagenul este format din molecule individuale, lungi de colagen (lanțuri proteice) care formează o helix stânga (similar cu helixul poliprolină II). Trei dintre aceste spirale sunt apoi aranjate într-un superhelix din dreapta, care sunt stabilizate între ele prin legături de hidrogen. Ceea ce este frapant la structura primară (secvența de aminoacizi) a colagenului este că fiecare al treilea aminoacid este glicină. Un motiv de secvență repetat frecvent în familia proteinelor de colagen este glicina-prolină-hidroxiprolină.
Fibrele de colagen au o rezistență enormă la tracțiune și sunt greu de întins. Înfășurarea strânsă este crucială pentru rezistența ridicată la tracțiune a fibrelor de colagen: acestea pot absorbi forțe de tracțiune de până la zece mii de ori greutatea lor.
În limbajul comun, colagenul de tip I este echivalat cu „colagen”. În ceea ce privește cantitatea, colagenul de tip I este cel mai important colagen din organism și, datorită utilizării sale ca gelatină, cel mai cunoscut, există și alți colageni care diferă structural de colagenul de tip I și îndeplinesc alte funcții biologice importante. Gelatina este forma denaturată a colagenului fibrilar tip I, II și/sau III și se obține în principal din deșeurile abatorului. Trebuie remarcat aici că colagenul de tip II apare în principal în cartilaj, amestecurile de colagen de tip I și III provin din tendoane, ligamente și piele.
constructie
Molecula de colagen
Lanțurile polipeptidice ale colagenului sunt sintetizate individual de ribozomii reticulului endoplasmatic dur. Ca moleculă de colagen sau Tropocolagen se face referire doar la moleculele elicoidale triple ale matricei extracelulare (ECM). Au în comun faptul că sunt alcătuite din trei lanțuri polipeptidice. Acestea sunt fiecare în spirale de colagen stângaci (lanțuri α) și sunt înfășurate împreună sub forma triplului helix dreptaci caracteristic (a se vedea imaginea din dreapta), un superhelix sau o bobină înfășurată. Fiecare helix individual de colagen poate fi compus din 600 până la 3000 de aminoacizi, în funcție de tipul de colagen și este echipat cu domenii mari formate din secvențe repetitive (repetitive) G-X-Y:
Astfel, există o glicină la fiecare a treia poziție (G)-Odihnă. Glicina, ca cel mai mic aminoacid, se potrivește perfect în tripla helix cu virajele sale foarte strânse. Aminoacidul prolină se găsește foarte des în poziția X. Datorită structurii sale inelare rigide, prolina acționează aici ca un „colț” în lanțul polipeptidic și susține formarea de viraje strânse în tripla helix. 4-Hidroxiprolina este localizată în principal în poziția Y și stabilizează tripla helix prin legături de hidrogen între lanțurile polipeptidice învecinate. Utilizarea glicinei, prolinei și hidroxiprolinei limitează rotația lanțului polipeptidic și permite condiții spațiale strânse în tripla helix.
| Structura primară (= secvență) | Lanțuri polipeptidice cu secvențe repetitive G-X-Y |
| Structura secundară | spirale de colagen stânga (lanțuri α) |
| Structura terțiară | tripla elice dreaptă din 3 lanțuri polipeptidice |
| Structura cuaternară | Fibrile de colagen, rețelele de colagen și multe altele. |
Prezența hidroxilizinei lângă hidroxiprolină este, de asemenea, caracteristică colagenului. Hidroxilizina formează condiția prealabilă pentru formarea de legături încrucișate covalente, cu care helicele triple individuale pot fi fixate spațial în fibrilele de colagen.
Fibrile de colagen
În fibrile, moleculele de colagen învecinate nu sunt aranjate la culoare, ci în jur de 67 nm, adică compensate cu aproximativ o cincime din lungimea lor. Consecința acestui aranjament este că dungi transversale pot fi văzute pe imaginile microscopului electronic ale fibrilelor de colagen cu contrast metalic. Se creează un model caracteristic de bandă, care se repetă la fiecare 67 nm (234 aminoacizi) și se numește perioada D. Aceasta împarte lanțurile α în patru regiuni omoloage D1-D4. Benzile care apar într-o unitate D sunt notate cu a-e. Fibrilele de colagen sunt polimeri ordonați care pot avea o lungime de mulți micrometri în țesutul matur. Ele sunt adesea grupate în pachete mai mari, asemănătoare cablurilor, fibrele de colagen. La tendoane, diametrul fibrelor de colagen de tip I este de 50–500 nm, în piele de 40–100 nm și în cornee (corneea ochiului) de 25 nm. Pot apărea fibrile cu un diametru definit și un aranjament definit.
Elucidarea structurii
Imaginea de astăzi a triplului helix de colagen și aranjarea spațială a resturilor de aminoacizi și a legăturilor lor de hidrogen între ele se bazează în mare parte pe lucrarea cristalografică cu raze X a oamenilor de știință indieni G. N. Ramachandran și Gopinath Kartha (1954).
Fostul Institut Max Planck pentru Cercetarea Proteinelor și Pielii din München (înființat în 1956 pentru a clarifica țesutul conjunctiv prin sponsorizarea industriei de piele) a oferit clarificări esențiale (întreaga structură primară a colagenului de tip I, precum și macrostructurile de tipurile IV și VI) din 1966 în Condus de Klaus Kühn (după mutarea institutului la Institutul Max Planck pentru Biochimie din Martinsried). [1]
biosinteza
Colagenul de tip I este sintetizat, printre altele, de celule specializate (fibroblaste, miofibroblaste și osteoblaste).
Lanțurile polipeptidice individuale de colagen sunt produse pe reticulul endoplasmatic dur (traducere) și transportate în lumenul reticulului endoplasmatic. Acestea sunt sub formă de molecule precursoare mai mari, lanțurile pro-α, care sunt prevăzute cu propeptide N- și C-terminale. În reticulul endoplasmatic, grupurile OH sunt atașate reziduurilor individuale de prolină și lizină din lanțurile polipeptidice care sunt sau au fost deja formate (hidroxilare). Formarea triplului helix este inițiată prin formarea de legături disulfidice între propeptidele C-terminale. Trei lanțuri pro-α formează o moleculă de spirală cu trei fire, procolagenul, prin legături de hidrogen. În cele din urmă, unele reziduuri de lizină sunt de obicei glicozilate. Colagenii fibrilari sunt eliberați din celulă sub această formă. Eliberarea moleculelor în spațiul extracelular are loc prin exocitoză prin intermediul veziculelor secretoare, în care componentele glicozilului par a fi implicate. Imediat după eliberarea din celulă, propeptidele sunt separate cu ajutorul peptidazelor procolagene. Molecula de colagen din această fază se numește tropocolagen. Apoi moleculele individuale de tropocolagen se asamblează pentru a forma fibrile de colagen (fibrilogeneză).
Hidroxilări
Acidul ascorbic (vitamina C) este un cofactor important în hidroxilarea aminoacizilor prolină în hidroxiprolină de enzima prolil hidroxilază și lizină în hidroxilizină de enzima lizilhidroxilază. Hidroxiprolina are funcția de a întări tripla helix într-o moleculă de colagen prin legături de hidrogen între lanțurile de polipeptide colagene învecinate. Hidroxilizina este utilizată pentru a ancora legături încrucișate covalente între moleculele de colagen. Dacă nu există hidroxilare, se formează doar molecule de colagen deteriorate, care nu își pot îndeplini funcția de proteine structurale. Trebuie remarcat faptul că aproape toate simptomele scorbutului bolii cu deficit de acid ascorbic pot fi urmărite înapoi la biosinteza defectă a colagenului.
Fibrilație
În alte etape, se formează fibrile de colagen. După ce moleculele de colagen triplu-elicoidale individuale au fost compensate cu o cincime din lungimea lor, legăturile încrucișate covalente au loc prin resturi de hidroxilizină din apropiere, care fixează permanent dispunerea spațială. Multe astfel de fibrile de colagen formează în cele din urmă fibre de colagen.
Tipuri de colagen
Colagenele sunt împărțite în mai multe subgrupuri.
Colagenul de tip I, un colagen fibrilar, este cel mai frecvent tip de colagen și apare la nivelul pielii, tendoanelor, fascia, oaselor, vaselor, organelor interne și dentinei, în timp ce colagenul de tip II funcționează ca o proteină structurală în cartilajul hialin. Colagenul de tip III se găsește în pereții vaselor de sânge, organele interne, pielea și corneea. Colagenul de tip IV și V sunt componente ale laminei bazale.
În prezent sunt cunoscute 28 de tipuri diferite de colagen (tipurile I până la XXVIII), precum și cel puțin alte zece proteine cu domenii asemănătoare colagenului.
Unii dintre membrii familiei de colagen sunt enumerați mai jos.
| Colageni fibrilari | Colageni de tip I, II, III, V și XI |
| Colageni care formează rețea | Colageni de tip IV (lamina densa a membranei bazale), VIII și X |
| Colageni asociați fibrilelor (FACIT) | Colageni de tip IX, XII, XIV, XXII |
| Șir de perle colagen | Colagen de tip VI |
| Ancorarea fibrilelor | Colagen de tip VII |
| Colageni cu domenii transmembranare | Colageni de tip XIII, XVII, XXIII și XXV |
Un produs de scindare a colagenului XVIII este endostatina cu o masă moleculară de 20 kDa.
Structura colagenului de tip I.
În cazul colagenului de tip I, cele trei lanțuri polipeptidice de colagen sunt lanțurile α, [α1 (I) 2α2 (I)], care se înfășoară una în jurul celeilalte pentru a forma o triplă helix. Gena lanțului de colagen α1 de tip I este formată din 50 de exoni, din care peste jumătate sunt 54 de perechi de baze (bp) sau de două până la trei ori mai mari decât lungimea. Acestea codifică secvența (G-X-Y) 6 sau un multiplu al acesteia.
utilizare
Colagenul este utilizat în principal sub formă de gelatină, care se obține din împărțirea cărnii de vită, a pielii de porc și a oaselor de bovine și porci.
Nutriție și furaje
În Germania se produc anual aproximativ 32.000 t de gelatină de calitate comestibilă, producția europeană totală fiind de 120.000 t (70% coajă de porc, 18% oase, 10% clivaj de vită, 2% altele) [2] Aproximativ 90.000 t sunt utilizate în Germania, cu 2/3 Sectorul alimentar reprezintă aproximativ jumătate din restul din sectorul hranei pentru animale. [3]
Pharma
Aproximativ 15.000 de tone sunt prelucrate în industria chimică și farmaceutică. Principalele domenii de aplicare în industria farmaceutică sunt comprimatele acoperite și preparatele de vitamine (capsule tari și moi), precum și supozitoarele de gelatină.
Produse cosmetice
Colagenul a fost, de asemenea, folosit ca ingredient activ în cosmetică de mai mulți ani, unde este destinat în primul rând reducerii îmbătrânirii pielii, Anti îmbătrânire, servi. Astăzi, produsele cu colagen sunt utilizate în produsele cosmetice sub formă de creme. Colagenul utilizat pentru aceasta este cel mai mult extras din pielea de porc.
tehnologie
În fotografia analogică, gelatina constituie baza straturilor fotosensibile de pe film și hârtia foto. Hârtiile moderne pentru imprimantă pentru imprimarea imaginilor color sunt, de asemenea, acoperite cu gelatină. [3]