Veľký článok o kolagéne - čo je kolagén z pohľadu vedy

Kolagén je hlavným štrukturálnym proteínom v extracelulárnej matici v rôznych spojivových tkanivách v ľudskom organizme. Ako hlavná zložka spojivového tkaniva je najvýdatnejším proteínom u cicavcov a predstavuje 25% až 35% obsahu proteínov celého tela. Kolagén pozostáva z aminokyselín viazaných spolu za vzniku trojitej špirály podlhovastej fibrily známej ako kolagénová špirála. Väčšinou sa vyskytuje vo vláknitých tkanivách, akými sú šľachy, väzivá a koža.

V závislosti od stupňa mineralizácie môžu byť kolagénové tkanivá tuhé (kostné), mäkké (šľachy) alebo môžu mať charakter od tuhých po mäkké (chrupavky). Nachádzame ich aj v rohovkách, krvných cievach, čreve, medzistavcových platničkách a v zubnom dentíne. Vo svalovom tkanive fungujú tkanivá ako hlavná zložka endomýzia. Kolagén tvorí jedno až dve percentá svalového tkaniva a predstavuje 6% hmotnosti pevných, šľachovitých svalov. Ttypickou bunkou, ktorá vytvára kolagén, je firoblast. Želatína, nevratne hydrolyzovaná forma kolagénu, sa používa v potravinárstve a v priemysle. Kolagén má mnoho lekárskych využití pri liečbe komplikácií kostí a kože. Názov kolagén pochádza z gréckeho κόλλα (kólla), čo znamená „lepidlo“, a prípona -γέν, (-gen) označuje „tvorbu“. Získavanie lepidla sa týka prvotného použitia zlúčeniny pri popáleninách kože a šliach u koní a iných zvierat.

Druhy kolagénu

Viac ako 90% kolagénu v ľudskom organizme je kolagén typu I. Od roku 2011 však bolo identifikovaných a opísaných 30 typov kolagénov, ktoré boli podľa štruktúry, ktorú tvoria rozdelené do niekoľkých skupín. Všetky typy obsahujú aspoň jednu trojitú špirálu. Počet typov naznačuje rôznu funkčnosť kolagénu.

• Fibrilárny typ (typ I, II, III, V, XI)
• Nefibrilárne typy
• FACIT (Fibrilárne spojené kolagény s prerušovanými trojitými špirálami) (typ IX, XII, XIV, XIX, XXI)
• Krátky reťazec (typ VIII, X)
• Základná membrána (typ IV)
• Multiplexín (Oblasti viacnásobnej trojitej špirály s prerušeniami) (typ XV, XVIII)
• MACIT (Kolagény spojené membránou s prerušovanými trojitými špirálami) (typ XIII, XVII)
• Iné (typ VI, VII)

Medzi päť najbežnejších typov možno zaradiť:

• Typ I: koža, šľacha, vaskulatúra, orgány, kosť (hlavná zložka organickej časti kosti)
• Typ II: chrupavka (hlavná kolagénna zložka chrupavky)
• Typ III: retikulárny (hlavná zložka retikulárnych vlákien), bežne sa vyskytuje vedľa typu I
• Typ IV: tvorí bazálnu vrstvu, vrstvu vylučovanú epitelom základnej membrány
• Typ V: povrchy buniek, vlasy a placenta

Lekárske účely kolagénu

Využitie v prípade srdcového svalu

Kolagénny srdcový skelet, ktory obsahuje štyri krúžky srdcovej chlopne, je histologicky, elasticky a jedinečne viazaný na srdcový sval. Srdcový skelet obsahuje aj priehradky srdcových komôr - interventrikulárne septum a atrioventrikulárne septum. Podiel kolagénu na srdcovom výkone predstavuje nepretržitú krútiacu silu na rozdiel od krvného tlaku, ktorý srdce prostredníctvom mechaniky prúdenia uvoľňuje do obehu. Kolagénová štruktúra, ktorá oddeľuje horné komory srdca od spodných komôr, je nepriepustnou membránou, ktorá vylučuje krv aj elektrické impulzy prostredníctvom typických fyziologických prostriedkov. Vďaka kolagénu sa fibrilácia predsiení nikdy nezhorší na fibriláciu komôr. Kolagén sa ukladá v rôznych hustotách a jeho hmotnosť je podobná hladkému svalstvu. Hmotnosť, rozvrstvenie, vek a hustota kolagénu prispievajú k zabezpečeniu požiadaviek potrebných na pohyb krvi tam a späť. Jednotlivé srdcové chlopňové lístky sa tvarujú pomocou špecializovaného kolagénu za podmienok rôzneho tlaku. Postupné ukladanie vápnika v kolagéne je prejavom prirodzenej funkcie starnutia. Kalcifikované body v kolagénových maticiach naznačujú kontrast v pohybujúcom sa zobrazení krvi a svalu, čo umožňuje metódam zobrazovacej techniky srdca zistiť pomery, ktoré krv uvádzajú (srdcový vstup) a ktoré z krvi vystupujú (srdcový výstup). Patológia kolagénu, ktorý je základom srdca, patrí do kategórie chorôb spojivového tkaniva.

Kozmetická chirurgia

Kolagén sa v kozmetickej chirurgii často používa ako liečebná pomôcka pre pacientov s popáleninami pri rekonštrukcii kostí a širokej škále dentálnych, ortopedických a chirurgických účelov. Ľudský aj hovädzí kolagén majú širokospektrálne využitie ako dermálna výplň na ošetrenie vrások a starnutia pokožky. Využiteľné oblasti majú nasledovný potenciál:

1. Pri kozmetickom použití vzniká riziko alergických reakcií, ktoré spôsobujú dlhodobé začervenanie; to sa však dá prakticky eliminovať jednoduchým a nenápadným testovaním náplastí pred kozmetickým použitím.
2. Väčšina liečivého kolagénu pochádza z mladého hovädzieho dobytka z certifikovaných zvierat bez výskytu BSE. Väčšina výrobcov používa zvieratá od darcov buď z „uzavretých stád“, alebo z krajín, ktoré nemali žiadne hlásené prípady BSE, ako sú Austrália, Brazília a Nový Zéland.

Kostné štepy

Keďže kostra vytvára štruktúru tela, je dôležité, aby si udržala svoju pevnosť aj po zlomeninách a zraneniach. Sila kolagénových molekúl a ich trojitá špirálovitá štruktúra sa využíva aj pri liečbe štiepajúcich sa kostí. Keďže kolagén neohrozuje štrukturálnu integritu kostry, má ideálne využitie aj v kostiach. Trojitá špirálovitá štruktúra kolagénu chráni voči enzymatickým rozpadom, umožňuje priľnavosť buniek a je dôležitá pre správne zostavenie extracelulárnej matice.

Regenerácia tkaniva

Kolagénové výstuže sa používajú pri regenerácii tkanív, či už v špongiách, tenkých plátoch alebo géloch. Kolagén má ideálne vlastnosti pre regeneráciu tkanív. Ide najmä o štruktúru pórov, priepustnosť, hydrofilnosť a v živom organizme je stály. Kolagénové výstuže sú tiež ideálne na ukladanie buniek, najmä osteoblastov a fibroblastov a po vložení má tkanivo schopnosť rastu ako normálne tkanivo.

Rekonštrukčné chirurgické použitie

Kolagény sa široko používajú pri zákrokoch umelých náhrad pokožky v prípade ťažkých popálenín a rán. Tieto kolagény môžu pochádzať z hovädzieho dobytka, koní, ošípaných alebo dokonca z ľudských zdrojov a niekedy sa používajú v kombinácii so silikónmi, glykozaminoglykánmi, fibroblastmi, rastovými faktormi a inými látkami.

Hojenie rán

Kolagén je jedným z hlavných prírodných zdrojov organizmu a súčasťou kožného tkaniva, vďaka čomu možno liečiť všetky fázy hojenia rán. Ak sa kolagén aplikuje do lôžka rany, môže dôjsť k jeho uzavretiu. Tým sa dá predísť poškodeniu rán alebo prípadnej amputácii.

Kolagén je prírodný produkt, preto sa používa ako prírodný obväz na rany a zároveň má vlastnosti, ktoré umelé obväzy na rany nemajú. Je odolný voči baktériám, čo má rozhodujúci význam pri ošetrovaní rán. Pomáha udržiavať ranu sterilnú, pretože má prirodzenú schopnosť bojovať s infekciou. Keď sa kolagén používa ako obväz na popáleniny, zdravé granulačné tkanivo sa dokáže nad popáleninou veľmi rýchlo vytvoriť, čím sa napomáha rýchlemu hojeniu,

V priebehu 4 fáz hojenia rán vykonáva kolagén pri hojení rán tieto funkcie:

• Hlavná funkcia:Kolagénové vlákna slúžia na vedenie fibroblastov. Fibroblasty sa napájajú pozdĺž spojivovej tkanivovej matice.
• Chemotaktické vlastnosti:Veľká plocha povrchu kolagénových vlákien môže priťahovať fibrogénne bunky, ktoré pomáhajú pri hojení.
• Nukleácia:Kolagén v prítomnosti určitých neutrálnych molekúl soli môže pôsobiť ako nukleačné činidlo spôsobujúce tvorbu fibrilárnych štruktúr. Obviazanie rany kolagénom môže napomáhať pri orientácii nového ukladania kolagénu a rastu kapilár.
• Hemostatické vlastnosti:Krvné doštičky s kolagénom vzájomne pôsobia a vytvárajú hemostatickú zátku.

Kolagén ako doplnok

Pri hydrolýze sa kolagén redukuje na malé peptidy, ktoré sa môžu užívať vo forme výživového doplnku alebo funkčných potravín a nápojov s cieľom napomôcť zdraviu kĺbov a kostí a zlepšiť zdravie pokožky. Hydrolyzovaný kolagén má oveľa menšiu molekulovú hmotnosť v porovnaní s prírodným kolagénom alebo želatínou. Štúdie naznačujú, že viac ako 90% hydrolyzovaného kolagénu je strávených a užitočných vo forme malých peptidov v krvnom obehu do jednej hodiny. Z krvi sa peptidy (obsahujúce hydroxyprolín) prenášajú do cieľových tkanív (napr. kože, kostí a chrupavky), kde je ich úlohou pomáhať budovať miestne bunky a vytvárať nové kolagénové vlákna.

Základný výskum

Kolagén sa používa v laboratórnych štúdiách v prípadoch kultivácie buniek, kde sa skúma správanie buniek a vzájomné pôsobenie buniek s extracelulárnym prostredím.

Chemické vlastnosti

Kolagénový proteín sa skladá z trojitej špirály, ktorá sa zvyčajne skladá z dvoch identických reťazcov (α1) a ďalšieho reťazca, ktorý sa chemickým zložením mierne líši (α2). Aminokyselinové zloženie kolagénu je pre proteíny atypické, najmä kvôli jeho vysokému obsahu hydroxyprolínu. Najbežnejšie vzory v aminokyselinovej postupnosti kolagénu sú glycín-prolín-X a glycín-X-hydroxyprolín, kde X je akákoľvek aminokyselina iná ako glycín, prolín alebo hydroxyprolín. V prípade kože rýb a cicavcov sa uvádza priemerné zloženie aminokyselín.

Syntéza

Najprv sa zostaví trojrozmerná vláknitá štruktúra, ktorej hlavnými zložkami sú aminokyseliny glycín a prolín. Toto ešte nie je kolagén, ale jeho predchodca, prokolagén. Prokolagén sa potom modifikuje pridaním hydroxylových skupín k aminokyselinám prolínu a lyzínu. Tento krok je dôležitý pre následnú glykozyláciu a vytvorenie trojitej špirálovitej štruktúry kolagénu. Pretože enzýmy hydroxylázy, ktoré vykonávajú tieto reakcie, vyžadujú ako kofaktor vitamín C, dlhodobý nedostatok tohto vitamínu má za následok narušenú syntézu kolagénu a skorbut. Tieto hydroxylačné reakcie sú katalyzované dvoma rôznymi enzýmami: prolyl 4-hydroxyláza a lysyl hydroxyláza. Vitamín C tiež slúži na vyvolanie týchto reakcií. Pri tejto operácii jedna molekula vitamínu C zaniká pre každé H nahradené OH. K syntéze kolagénu dochádza vo vnútri a zvonku bunky. Ide o tvorbu kolagénu, ktorý vedie k fibrilárnemu kolagénu (najbežnejšia forma). Druhou formou kolagénu je pletivový kolagén, ktorý sa často podieľa na tvorbe filtračných systémov. Všetky typy kolagénov sú trojité špirály a rozdiely spočívajú v zložení alfa peptidov vytvorených v kroku 2.

1. Transkripcia mRNA: Asi 34 génov sa spojí s tvorbou kolagénu, pričom každý sa nakóduje na špecifickú mRNA sekvenciu a zvyčajne má predponu „COL“. Začiatok syntézy kolagénu začína produkciou génov, ktoré sú spojené s tvorbou konkrétneho alfa peptidu (typicky alfa 1, 2 alebo 3).
2. Tvorba pre-peptidu: Akonáhle konečná mRNA vystúpi z bunkového jadra a vstúpi do cytoplazmy, spojí sa s ribozomálnymi podjednotkami a dôjde k procesu translácie. Skorá / prvá časť nového peptidu je známa pod pojmom signálna sekvencia. Signálnu sekvenciu na N-konci peptidu možno rozoznať časticou rozpoznávajúcou signál v endoplazmatickom retikule, ktorá je zodpovedná za nasmerovanie pre-peptidu do endoplazmatického retikula. Ak je teda syntéza nového peptidu ukončená, ide priamo do endoplazmatického retikula na posttranslačné spracovanie. Teraz sa nazýva predkolagén.
3. Od pre-pro-peptidu ku pro-kolagénu:Existujú tri modifikácie pre-pro-peptidu, ktoré vedú k tvorbe alfa peptidu:

• Signálny peptid na N-konci sa odstráni a molekula dostáva názov propeptid(nie prokolagén).
• Hydroxylácia lyzínov a prolínov na propeptid enzýmami „prolylhydroxyláza“ a „lyzylhydroxyláza“ (na výrobu hydroxyprolínu a hydroxylyzínu) sa vyskytuje na podporu zosieťovania alfa peptidov. Tento enzymatický krok vyžaduje prítomnosť vitamínu C ako kofaktora. Pri skorbute spôsobuje nedostatok hydroxylácie prolínov a lyzínov uvoľnenie trojitej špirály (ktorú tvoria tri alfa peptidy).
• Glykozylácia nastáva pridaním buď glukózových alebo galaktózových monomérov k hydroxylovým skupinám, ktoré sa uložia na lyzíny, no nie však na prolíny.
• Akonáhle sa prevedú tieto modifikácie, tri z hydroxylovaných a glykozylovaných propeptidov sa stočia do trojšpirály, ktorá vytvorí prokolagén. Prokolagén má stále rozvinuté konce, ktoré sa neskôr upravia. V tomto bode sa prokolagén zabalí do prenosného mechúrika určeného pre Golgiho aparát.

4. Modifikácia Golgiho aparátu: V Golgiho aparáte prokolagén prechádza poslednou posttranslačnou modifikáciou a potom sa z bunky vylúči. V tomto kroku sa pridajú oligosacharidy (nie monosacharidy ako v kroku 3) a potom sa prokolagén zabalí do sekrečného mechúrika určeného pre extracelulárny priestor.
5. Tvorba tropokolagénu: Akonáhle sa enzýmy viazané na membránu známe ako kolagénové peptidázy ocitnú mimo bunky, zosadia „voľné konce“ molekuly prokolagénu. To, čo zostane, sa nazýva tropokolagén. Poruchy v tomto kroku vedú k jednej z mnohých kolagenopatií známych aj pod pojmom Ehlers-Danlosov syndróm. Tento krok chýba pri syntéze typu III, type fibrilárneho kolagénu.
6. Tvorba kolagénovej fibrily: lyzyl oxidáza, extracelulárny enzým závislý od medi, je posledným krokom v procese syntézy kolagénu. Tento enzým pôsobí na lyzíny a hydroxylyzíny produkujúce aldehydové skupiny, ktoré nakoniec podliehajú kovalentnej väzbe medzi molekulami tropokolagénu. Tento polymér tropokolagénu je známy ako kolagénová vláknina.

Aminokyseliny

Kolagén má nezvyčajné zloženie aj sekvenciu aminokyselín:

• Glycín sa nachádza takmer v každom treťom rezíduu.
• Prolín tvorí asi 17% kolagénu.
• Kolagén obsahuje dve neobvyklé derivátové aminokyseliny, ktoré sa počas translácie nevkladajú priamo. Tieto aminokyseliny sa nachádzajú na špecifických miestach, ktoré súvisia s glycínom a sú posttranslačne modifikované rôznymi enzýmami, ktoré vyžadujú ako kofaktor vitamín C.
• Hydroxyprolín odvodený od prolínu
• Hydroxylyzín odvodený od lyzínu - v závislosti od typu kolagénu je glykovaný rôzny počet hydroxylyzínov (väčšinou s pripojenými disacharidmi).

Kortizol stimuluje degradáciu (kožného) kolagénu na aminokyseliny.

Tvorba kolagénu I

Väčšina kolagénu sa tvorí podobným spôsobom, ale nasledujúci proces je typický pre typ I:

1. Vo vnútri bunky

• Počas translácie na ribozómoch pozdĺž hrubého endoplazmatického retikula (RER) sa tvoria dva typy alfa reťazcov: reťazce alfa-1 a alfa-2. Tieto peptidové reťazce (známe ako preprokolagén) majú na každom konci registračné peptidy a signálny peptid.
• Polypeptidové reťazce sa uvoľňujú do bunečnej dutiny RER.
• Signálne peptidy sa štiepia vo vnútri RER a reťazce možno pomenovať pojmom pro-alfa reťazce.
• Vo vnútri bunečnej dutiny prebieha hydroxylácia lyzínu a prolínových aminokyselín. Tento proces je závislý od kyseliny askorbovej (vitamínu C) ako kofaktora.
• Vzniká glykozylácia špecifických hydroxylyzínových reziduí.
• Vo vnútri endoplazmatického retikula sa vytvára trojitá alfa špirálovitá štruktúra z dvoch reťazcov alfa-1 a jedného reťazca alfa-2.
• Prokolagén sa dodáva do Golgiho aparátu, kde sa balí a vylučuje exocytózou.

2. Mimo bunky

• Registračné peptidy sa štiepia a tropokolagén sa tvorí prokolagénovou peptidázou.
• Viacnásobné molekuly tropokolagénu tvoria kolagénové vlákna prostredníctvom kovalentného zosieťovania (aldolová reakcia) lyzyl oxidázou, ktorá spája zvyšky hydroxylyzínu a lyzínu. Viacnásobné kolagénové fibrily vytvárajú kolagénové vlákna.
• Kolagén sa môže viazať na bunkové membrány prostredníctvom niekoľkých typov proteínov, vrátane fibronektínu, laminínu, fibulínu a integrínu.

Syntetická patogenéza

Nedostatok vitamínu C spôsobuje skorbut, vážne a bolestivé ochorenie, pri ktorom chybný kolagén bráni tvorbe pevného spojivového tkaniva. Ide o zhoršenie stavu ďasien a krvácavosť so stratou zubov; stratu sfarbenia kože a nehojenie rán. Pred 18. storočím bol tento stav známy počas dlhodobých vojenských, najmä námorných expedícií, kedy boli účastníci pripravení o vitamín C práve kvôli nedostatočnému zloženiu potravín.

Autoimunitné ochorenia, akými sú je lupus erythematodes alebo reumatoidná artritída, môžu napadnúť zdravé kolagénové vlákna.

Mnoho baktérií a vírusov vylučuje faktory prudkej nákazlivosti, napríklad enzým kolagenázu, ktorý ničí kolagén alebo narúša jeho tvorbu.

Molekulárna štruktúra

Jedna molekula kolagénu, tropokolagén, sa používa na vytvorenie väčších kolagénových zmesí, ako sú napríklad fibrily. Táto molekula má dĺžku približne 300 nm a priemer 1,5 nm a tvoria ju tri polypeptidové vlákna (nazývané alfa peptidy, pozri bod 2), z ktorých každý má štruktúru ľavostrannej špirály - to by sa nemalo zamieňať s pravostrannou alfa špirálou. Tieto tri ľavotočivé špirály sa stáčajú do pravostrannej trojitej špirály alebo „super špirály“, kooperatívnej kvartérnej štruktúry stabilizovanej mnohými vodíkovými väzbami. Pri kolagéne typu I a prípadne všetkých fibrilárnych kolagénoch, ak nie všetkých kolagénoch, sa každá trojitá špirála združuje do pravostrannej super-super cievky označovanej ako kolagénová mikrofibrila. Každá mikrofibrila je interdigitovaná so svojimi susednými mikrofibrilami do úrovne, ktorá môže naznačovať, že sú jednotlivo nestabilné, hoci sú v kolagénových fibrilách usporiadané tak, aby boli kryštalické.

Charakteristickým rysom kolagénu je pravidelné usporiadanie aminokyselín v každom z troch reťazcov týchto kolagénových podjednotiek. Sekvencia často zodpovedá vzorcu Gly-Pro-X alebo Gly-X-Hyp, kde X môže byť ktorýkoľvek z rôznych iných aminokyselinových rezíduí. Prolín alebo hydroxyprolín tvoria asi 1/6 celkovej sekvencie. Pri glycíne, ktorý predstavuje 1/3 sekvencie, to znamená, že približne polovica kolagénovej sekvencie nie je glycín, prolín alebo hydroxyprolín, čo sa často vynecháva kvôli rozptyľovaniu neobvyklého charakteru GX1X2 kolagénových alfa-peptidov. Vysoký obsah glycínu v kolagéne je dôležitý z hľadiska stabilizácie kolagénovej špirály, pretože umožňuje veľmi úzke spojenie kolagénových vlákien v molekule, uľahčenie vodíkových väzieb a vytváranie medzimolekulových priečnych väzieb. Tento druh pravidelného opakovania a vysokého obsahu glycínu sa vyskytuje iba v niekoľkých ďalších vláknitých proteínoch, ako je napríklad hodvábny fibroín.

Kolagén nie je iba štrukturálny proteín. Vďaka svojej kľúčovej úlohe pri určovaní bunkového fenotypu, adhézii buniek, regulácii tkanív a infraštruktúre má viacero častí v oblastiach bez prolínu bunkové úlohy alebo úlohy súvisiace s maticou, resp. regulujúce maticu. Relatívne vysoký obsah prolínových a hydroxyprolínových kruhov spolu s ich geometricky obmedzenými karboxylovými a (sekundárnymi) aminoskupinami, spolu s bohatým množstvom glycínu, spôsobuje tendenciu jednotlivých polypeptidových vlákien tvoriť spontánne ľavotočivé špirály, bez akejkoľvek vnútroreťazcovej vodíkovej väzby.

Pretože glycín je najmenšia aminokyselina bez postranného reťazca, hrá jedinečnú úlohu vo vláknitých štrukturálnych proteínoch. V kolagéne je glycín potrebný ma každom treťom mieste, pretože vytvorenie trojitej špirály ukladá toto rezíduum do vnútra (osi) špirály, kde nie je priestor pre väčšiu vedľajšiu skupinu až na jediný atóm vodíka v glycíne. Z toho istého dôvodu musia krúžky prolínu a hydroxyprolínu ukazovať smerom von. Tieto dve aminokyseliny pomáhajú stabilizovať trojitú špirálu - hydroxyprolín ešte viac ako prolín; ich nižšia koncentrácia je potrebná u zvierat, ako sú ryby, ktorých telesná teplota je nižšia ako väčšina teplokrvných zvierat. Nižší obsah prolínu a hydroxyprolínu je charakteristický pre studenú vodu, ale nie pre teplovodné ryby, pretože tie majú podobný obsah prolínu a hydroxyprolínu ako cicavce. Nižší obsah prolínu a hydroxprolínu u rýb žijúcich v studenej vode a iných studenokrvných zvieratách má za následok nižšiu tepelnú stabilitu kolagénu ako u kolagénu cicavcov. Táto nízka tepelná stabilita znamená, že želatína získaná z rybieho kolagénu nie je vhodná pre viaceré potravinárske a priemyselné použitia.

Tropokolagénové čiastkové jednotky sa spontánne samospájajú, s pravidelne rozloženými koncami, v extracelulárnych priestoroch tkanív do ešte väčších oblastí. Dodatočné spájanie fibríl usmerňujú fibroblasty, ktoré fibrily z fibripozitorov úplne uložia. Vo fibrilárnych kolagénoch sa molekuly rozložia na susedné molekuly asi o veľkosti 67 nm (jednotka, ktorá sa označuje ako „D“ a mení sa v závislosti od hydratačného stavu agregátu). Pri každom opakovaní mikrofibrilu v perióde D je časť, ktorá obsahuje päť molekúl v priereze, nazývaná „prekrývanie“, a časť obsahujúca iba štyri molekuly, ktorá sa nazýva „medzera“. Tieto prekrývajúce sa a medzerové oblasti sú zachované, keď sa mikrofibrily zhromažďujú do vlákien, a sú teda viditeľné pomocou elektrónovej mikroskopie. Trojité špirálovité tropokologény v mikrofibrilách sú usporiadané do súboru, ktorý vyzerá skoro ako šesťuholník.

V trojitých špirálach je určité kovalentné zosieťovanie a rôzne množstvo kovalentného zosieťovania medzi tropokolagénovými špirálami tvorí dôkladne usporiadané agregáty (akými sú fibrily). Väčšie fibrilárne zväzky sa vytvárajú pomocou rôznych tried proteínov (vrátane rôznych typov kolagénu), glykoproteínov a proteoglykánov, aby vytvorili rôzne typy zrelých tkanív z alternatívnych kombinácií tých istých kľúčových zdrojov. Až donedávna bola nerozpustnosť kolagénu prekážkou pri štúdiu monomérneho kolagénu, no neskôr sa zistilo, že tropokolagén z mladých zvierat možno extrahovať, pretože ešte nie je úplne zosieťovaný. Pokroky v technikách mikroskopie (t.j. elektrónová mikroskopia (EM) a mikroskopia atómovej sily (AFM)) a röntgenovej difrakcie však výskumníkom umožnili získať čoraz podrobnejšie snímky štruktúry neporušeného kolagénu. Tieto nedávne pokroky sú obzvlášť dôležité pre lepšie pochopenie spôsobu, akým kolagénová štruktúra ovplyvňuje komunikáciu bunka-bunka a bunka-matica a ako vytvoriť tkanivá pre rast aj obnovu a ako sa kolagénové štruktúry menia vplyvom vývoja aj ochorení. Napríklad pomocou nanoindentácie na báze mikroskopie atómovej sily sa ukázalo, že jediná kolagénová fibrila je heterogénnym materiálom pozdĺž svojho axiálneho smeru s výrazne odlišnými mechanickými vlastnosťami vo svojich medzerách a prekrývajúcich sa oblastiach, čo koreluje s rôznymi molekulárnymi usporiadaniami v týchto dvoch oblastiach.

Kolagénové fibrily / agregáty sa ukladajú v rôznych kombináciách aj koncentráciách v rámci rôznych tkanív, aby bolo možné získať rôzne tkanivové vlastnosti. V kosti ležia celé kolagénové trojité špirály v paralelnom striedavom usporiadaní. 40 nm medzery medzi koncami tropokolagénových čiastkových jednotiek (približne rovnaké ako oblasť medzery) pravdepodobne slúžia ako miesta tvoriace zárodky na uloženie dlhých, tvrdých jemných kryštálov minerálnej zložky, ktorou je hydroxylapatit (približne) Ca₁₀(OH)₂ (PO₄)₆. Kolagén typu I dodáva kosti jej pevnosť v ťahu.

Súvisiace poruchy

Poruchy súvisiace s kolagénom najčastejšie vznikajú z genetických defektov alebo výživových nedostatkov, ktoré ovplyvňujú biosyntézu, zhromažďovanie, postranslačnú modifikáciu, sekréciu alebo iné procesy súvisiace s normálnou tvorbou kolagénu.

Okrem vyššie uvedených porúch dochádza v skleroderme k nadmernému ukladaniu kolagénu.

Ochorenia

V 12 z viac ako 20 druhoch kolagénu vedci identifikovali tisíc mutácií. Tieto mutácie môžu v hladine tkaniva viesť k rôznym chorobám.

Osteogenesis imperfecta – spôsobuje ju mutácia kolagénu typu 1. Ide o dominantnú autozomálu poruchu, jej výsledkom sú slabé kosti a nepravidelné spojivové tkanivo, niektoré prípady môžu byť mierne, zatiaľ čo iné môžu byť smrteľné. V miernych prípadoch ide o zníženú hladinu kolagénu typu 1, no závažné prípady majú v kolagéne štrukturálne defekty.

Chondrodysplázia – ide o kostnú poruchu, o ktorej sa predpokladá, že je spôsobená mutáciou kolagénu typu 2, vedie sa však ďalší výskum, ktorý to má ešte potvrdiť.

Ehlers-Danlosov syndróm - je známych trinásť rôznych typov tejto poruchy, ktorá vedie k deformáciám v spojivovom tkanive. Niektoré ojedinelejšie typy môžu byť smrteľné, čo vedie k prasknutiu tepien. Každý syndróm spôsobuje iná mutácia. Napríklad vaskulárny typ (vEDS) tejto poruchy spôsobuje mutácia kolagénu typu 3.

Alportov syndróm - Môže sa prenášať geneticky, zvyčajne ako dominantná X-väzba, ale aj ako autozomálna dominantná aj autozomálna recesívna porucha, jedinci trpiaci touto poruchou majú problémy s obličkami a očami, strata sluchu sa môže vyvinúť aj počas detstva alebo dospievania.

Knoblochov syndróm – spôsobuje ju mutácia v géne COL18A1, ktorý kóduje tvorbu kolagénu XVIII. Pacienti majú výčnelok mozgového tkaniva a degeneráciu sietnice; jedinec, ktorý má rodinných príslušníkov trpiacich touto poruchou, je vystavený zvýšenému riziku, že sa táto porucha sama vyvinie, pretože existuje dedičné spojenie.

Charakteristika

Kolagén je jedným z dlhých vláknitých štruktúrnych proteínov, ktorých funkcie sú dosť odlišné od funkcií globulárnych proteínov, ako sú enzýmy. Tvrdé zväzky kolagénu nazývané kolagénové vlákna sú hlavnou zložkou extracelulárnej matice, ktorá podporuje väčšinu tkanív a poskytuje vonkajšiu štruktúru buniek. Kolagén sa však nachádza aj vo vnútri určitých buniek. Kolagén má veľkú pevnosť v ťahu a je hlavnou zložkou fascie, chrupavky, väzov, šliach, kostí a kože. Spolu s elastínom a mäkkým keratínom je zodpovedný za pevnosť a elasticitu pokožky a jeho degradácia vedie k vráskam, ktoré sprevádzajú starnutie. Posilňuje krvné cievy a hrá kľúčovú úlohu pri vývoji tkanív. V kryštalickej forme je prítomný v rohovke aj v šošovkách oka. Môže ísť o jeden z najčastejšie sa vyskytujúcich proteínov v náleziskách skamenelín, keďže bol nájdený pomerne často v skamenelinách, dokonca aj v kostiach nájdených z obdobia druhohôr a prvohôr.

Použitie

Kolagén má širokú škálu použití - od jedla až po lekárske využitie. Používa sa napríklad v kozmetickej chirurgii aj v rekonštrukčnej chirurgii pri popáleninách. Vo všeobecnosti sa používa vo forme kolagénových čriev pri výrobe klobás, ako aj pri výrobe hudobných strún.

Pokiaľ je kolagén dostatočne denaturovaný, napr. zahrievaním, tri tropokolagénové vlákna sa čiastočne alebo úplne oddelia do globulárnych oblastí, ktoré obsahujú rôznu sekundárnu štruktúru normálneho kolagénového polyprolínu II (PPII), t.j. náhodné cievky. Tento proces zobrazuje tvorbu želatíny, ktorá sa používa v mnohých potravinách vrátane ochutených želatínových dezertov. Okrem potravín sa želatína používa aj vo farmaceutickom, kozmetickom a fotografickom priemysle. Používa sa aj ako doplnok výživy.

Z gréckeho slova kolla, slovo kolagén znamená „výrobca lepidla“ a týka sa primárneho procesu varenia kože aj šliach u koní aj iných zvierat za účelom získania lepidla. Kolagénové lepidlo používali Egypťania asi pred 4 000 rokmi a domorodí Američania ho používali v lukoch asi pred 1 500 rokmi. Zistilo sa, že najstarším lepidlom na svete starším ako 8 000 rokov je podľa rádiokarbónovej metódy kolagén, ktorý sa používal ako ochranná podšívka na lanových košoch, vyšívaných tkaninách ako aj na spájanie kuchynského riadu. Používal sa aj pri sieťových dekoráciách na ľudských lebkách. Kolagén sa za obvyklých podmienok premieňa na želatínu, no prežil vďaka suchým podmienkam. Termoplasty sú živočíšne lepidlá, ktoré sa po opätovnom zohrievaní znova zmäkčujú, takže sa stále používajú pri výrobe hudobných nástrojov, ako sú jemné husle a gitary, u ktorých je predpoklad, že ich bude potrebné kvôli opravám znovu otvoriť. V tomto prípade ide o použitie nezlučiteľné s tvrdými syntetickými plastovými lepidlami, ktoré sú trvalé. Šľachy a kože živočíchov sa používajú na výrobu užitočných predmetov už po tisícročia. Želatínovo-rezorcinol-formaldehydové lepidlo (a formaldehydom nahradené menej toxické pentánedial a etánediál) sa používa na obnovu experimentálnych rán v králičích pľúcach.

História

Desiatky rokov unikali vedcom vo výskume molekulárne a obalové štruktúry kolagénu. Prvý dôkaz, že kolagén má pravidelnú štruktúru na molekulárnej úrovni bol predložený v polovici 30-tych rokov. Odvtedy sa mnoho prominentných vedcov vrátane nositeľov Nobelovej ceny Crick, Pauling, Rich a Yonath a ďalších, vrátane Brodsky, Berman a Ramachandran, sústredilo na štruktúru kolagénového monoméru. Aj napriek tomu, že sa niekoľko konkurenčných modelov správne zaoberalo štruktúrou každého jednotlivého peptidového reťazca, mnohí ustúpili od modelu trojšpirálovitého modelu „Madras“ vyvinutého Ramachandranom, ktorý poskytoval v podstate správny model kvartérnej štruktúry molekuly. Tento model podporili ďalšie štúdie, ktoré vytvorili veľmi hodnotné zistenia. Tesniaca štruktúra kolagénu nebola definovaná v rovnakej miere mimo typov fibrilárneho kolagénu, hoci už dlho je známe, že je šesťhuholníkový alebo takmer šesťuholníkový. Rovnako ako v prípade monomérnej štruktúry, niekoľko protichodných modelov tvrdilo, že buď usporiadanie obalov kolagénových molekúl je „listové“ alebo mikrofibrilárne. Mikrofibrilárna štruktúra kolagénových fibríl v šliachach, rohovkách a chrupavkách bola priamo znázornená elektrónovou mikroskopiou. Mikrofibrilárna štruktúra zadnej časti šľachy, ako ju opísali Fraser, Miller a Wess (okrem iných), bola vymodelovaná podľa najbližšej štruktúry k pozorovanej štruktúre, aj keď až príliš zjednodušila topologickú progresiu susedných molekúl kolagénu, a preto nepredpovedala správnu štruktúru diskontinuálneho D-periodického pentamerického usporiadania, ktorá sa označovala jednoducho pojmom „mikrofibrila“. Rôzne sieťovacie činidlá, ako je L-dopachinón, embelín, emelát draselný a 5-O-metyl embelín by sa mohli vyvíjať ako potenciálne sieťovacie/stabilizačné činidlá kolagénového preparátu, čím by sa rozšírilo využitie kolagénového preparátu na lekárske účely pri obväzovaní rán.

Vývoj kolagénov bol základným krokom v rannom vývoji zvierat, ktorý podnietil výskum mnohobunkových živočíšnych foriem.

D-bandáž

Kolagénová D-bandáž je schopná rastu ako pravidelná tvorba hrebeňov na všetkých fibrilách tvoriacich kolagén. D-pásy sa tvoria vďaka polokryštalickej tvorbe kolagénu vo fibrilách. Vzor na D-bandáži je úplne nezávislý od priemeru fibrily. Pri deformácii môžu kolagénové fibrily stratiť svoje vlastnosti D-bandáže, preto je strata D-pásov ukazovateľom typu poškodenia, ktorému následne podliehajú fibrily šliach.

---------------

www.roy.sk