Kolagen

Z Multimediaexpo.cz

kolagenová vlákna typu I v transmisním elektronovém mikroskopu
Model krystalové struktury trojité šroubovice kolagenu Pro-Pro-Gly103

Kolagen je skleroprotein, extracelulární, ve vodě nerozpustná bílkovina, která je základní stavební hmotou pojivových tkání. Tvoří 25–30 % všech proteinů v těle savců, ve formě kolagenních vláken je složkou mezibuněčné hmoty. V současnosti je známo nejméně 27 rozdílných typů kolagenů. Kolagenové choroby tj. choroby charakteristické patologickými či degradačními formami kolagenu postihují např. srdce, cévy, svaly a kůži. Samotný kolagen hraje důležitou roli i při stárnutí organismu.

Obsah

Struktura

Aminokyselinové složení

Molekula kolagenu je tvořena hlavně aminokyselinami glycinem, prolinem, hydroxyprolinem a hydroxylysinem. Poslední dva vznikají posttranslační modifikací prolinu a lysinu za účasti kyseliny askorbové - vitaminu C. Kolagen se skládá z řetězců alfa 1 a alfa 2, které se jen málo liší pořadím aminokyselin. Řetězce tvoří trojitou spirálu, která se označuje jako tropokolagen. Je to základní jednotka kolagenu, dlouhá přibližně 256 nm.

Sekundární struktura

Levotočivá šroubovice protáhlého typu, kde závity mají stoupání 0,95 nm a jednotlivé peptidy jsou vzdálené o 0,286 nm.

Terciární struktura

Terciární strukturu kolagenu tvoří 3 řetězce, které se vzájemně ovíjejí a mají společnou osu. Výsledné tyčinkovité uspořádání je dlouhé cca 290 nm o průměru 1,4 nm a nazývá se tropokolagen.

Kvarterní struktura (vlákno)

Kolagenní vlákna jsou komplexní vláknitou strukturou. Vyskytují se ve všech typech pojivových tkání. Jsou měkká, ohebná, nepružná a vysoce pevná v tahu. Uvádí se, že 1 mm2 kolagenních vláken udrží 50 kg. Ve svazcích mají bílou barvu. Ve tkáních mohou být uspořádány do řídkých sítí nebo uspořádaných svazků (šlachy). Tloušťka kolagenního vlákna se pohybuje mezi 1-20 μm, délka může být různá. Při větším zvětšení se přestanou jevit jako homogenní struktura a lze vidět podélné pruhování. Nejtenčí struktura ještě rozlišitelná světelným mikroskopem se nazývá fibrila. Je tlustá 0,3-0,5 μm. Ovšem i fibrily samotné se skládají z menších jednotek, mikrofibril, které jsou pozorovatelné pouze pod elektronovým mikroskopem případně v AFM. Průměr mikrofibril se pohybuje mezi 20-100 nm, v průměru asi 75 nm. Nově vytvořené mikrofibrily měří cca 20 nm, s přibývajícím věkem se jejich tloušťka zvětšuje. Pro mikrofibrily je charakteristické příčné pruhování v intervalu 64 nm. Molekuly tropokolagenu, uspořádané v mikrofibrile v paralelních řadách, se totiž přesahují o 1/4 své délky. Místo přesahu se tak v elektronovém mikroskopu jeví tmavší.

Typy kolagenu

Existuje celá řada typů, nejdůležitější je kolagen typu I, II, III, IV, a V. Nejrozšířenější je typ I, představuje 90 % kolagenu v organismech, je přítomen v pokožce, šlachách, kostech a zubech. Typ II se vyskytuje v chrupavkách. Typ III je kolagen embryonálního vývoje, později je nahrazen typem I. Typ IV se vyskytuje v bazální membráně epitelů. Kolagen typu V je charakteristický pro stěnu krevních cév.

Kolageny tvořící vlákna

Mezi tyto typy patří široce rozšířené kolageny typu I, II, III, V, XI, nově objevené XXIV a XXVII. Všech 12 vlákna-tvořících α-řetězců sdílí dlouhou nepřerušovanou kolagenní doménu ukončenou N- a C- terminálními propeptidy[1]. α-řetězce vytváří nejméně 12 specifických protomerů charakterizovaných jako homo- a heterotrimery. Terminální propeptidy jsou později v procesu oligomerizace a tvoření fibril odstraněny specifickými proteázami.

Kolageny tvořící sítě

Do této skupiny náleží typy IV, VIII a X[1]. Na rozdíl od předchozích je C-NC doména součástí suprastruktur. Krystalová struktura C-NC domén je známa, což poskytuje informaci pro pochopení mechanismu výběru řetězce.

FACIT

FACIT (z angl. Fibril-associated collagens with interrupted triple helix, volně přeloženo jako Vlákno-asociované kolageny s přerušenou trojitou šroubovicí) [1] tvoří rodinu obsahující typ IX, XII, XIV, XVI, XIX, XX, XXI a XXII. Kolagen IX je tvořen 3 α-řetězci a všechny ostatní jedním α-řetězcem. Charakteristikou je krátká kolagenní doména přerušovaná několika NC doménami. Protomer kolagenu IX je heterotrimer, zatímco ostatní jsou homotrimery. Na rozdíl od kolagenů tvořících vlákna FACITy mají významně kratší C-NC domény: 75 reziduí u kolagenu XII a méně než 30 reziduí u kolagenu IX, zatímco kolageny tvořící vlákna mají cca 260 reziduí.

Transmembránové kolageny

Transmembránové kolageny obsahují typy XIII, XVII, XXIII, XXV a další kolagenu-podobné proteiny jako např. makrofágový receptor MARCO. Jejích funkcí je podíl na buněčných povrchových receptorech a v matrixu[1]. α-řetězec každého typu obsahuje N-terminální NC doménu, která zahrnuje

  1. tři subdomény - intracelulární, transmembránovou a extracelulární juxtamembránovou spojovací subdoménu
  2. velkou extracelulární doménu sestávající z několika kolagenních domén přerušených NC doménami.

Protomer každého α-řetězce je homotrimer. Extracelulární spojovací doména obsahuje α-helikální coiled coil strukturu.

Ostatní kolageny

Jen velmi málo je známo o kolagenu XV, XVIII a nově objeveném XXVI a XXVIII. Každý typ sestává z jediného α-řetězce, který obsahuje kolagenní doménu obklopenou N-CN a C-NC doménami.

Přehled

Tropokolagen - spirálovité vlákno kolagenu
Typ Poznámky Gen resp. geny Poruchy
I Tento typ je nejdůležitějším a nejrozšířenějším typem kolagenu, který má i široké průmyslové využití. Je základem např. hemostatické plsti, chirugických nití, kolagenových membrán, dále pak je součástí řady potravinových doplňků či kosmetických přípravků proti stárnutí pleti.

Kolagen typ I tvoří typická 1-20 µm dlouhá kolagenní vlákna. Hlavní výskyt v lidském těle[2]: arachnoidea, Bowmannova membrána rohovky, bubínek, choroidea, kost, kůra vaječníku, pleura, perineurium, subserosa žlučníku, tuková tkáň, tunica adventitia cév (i kapilár), vazivová chrupavka, závěsný aparát zubu.


osteogenesis imperfecta, Ehlers-Danlosův syndrom
II Jsou 20 nm dlouhé fibrily (neagregují ve vlákna).

Hlavní výskyt v lidském těle: arachnoidea, bazální membrána lamina reticularis, papilaris, endoneurium, hyalinní a elastická chrupavka (i vazivová), kůra vaječníku, lamina propria endometria, mezenchymové vazivo, okolo hladkých svalových buněk, opora sacculi alveolares a alveolů, pars distalis adenohypofýzy, perineurium (s kolagenem I), pouzdro Langerhansových ostrůvků, retikulární vazivo, rosolovité vazivo (Warthonův rosol - pupečník), stroma kostní dřeně (s retikulárním vazivem), stroma glandulae parathyreoideales, stroma jater, stroma lymfatického uzlíku, stroma lymfatických uzlin, stroma nadledvedvin, stroma periferních lymfatických orgánů, stroma sleziny, stroma štítné žlázy, stroma tonzily, tuková tkáň (s kolagenem I), tunica media (okolo hladkých svalových buněk)

-
III Výskyt podobný jako typ I. Dříve se nazýval retikulín. Ehlers-Danlosův syndrom
IV Jde o nepolymerizovaný tropokolagen.

Hlavní výskyt v lidském těle: bazální lamina, capsula lentis.




Alportův syndrom
V Hlavní výskyt v lidském těle: zevní laminy svalových elementů, glií, adipocytů.


-
VI Je příbuzný kolagenu IV.

Výskyt:V intersiciální tkáni.


kongenitální myopatie[3]
VII V tkáních epitelu. epidermolysis bullosa
VIII Výskyt: V některých buňkách endotelu.


-
IX FACIT.

Výskyt: V chrupavkách společně s typem II.


-
X Výskyt:Je součástí hypetrofických a mineralizujících chrupavek. -
XI Výskyt: V chrupavce.


-
XII FACIT.

Výskyt:Vyskytuje se společně s typy I a II.

-
XIII transmembránový kolagen -
XIV FACIT -
XV - -
XVI FACIT -
XVII transmembranový kolagen bulózní pemfigoitida a jisté formy epidermolysis bullosa
XVIII -
XIX FACIT -
XX FACIT -
XXI FACIT -
XXII FACIT -
XXIII transmembránový kolagen -
XXIV - -
XXV transmembránový kolagen -
XXVII - -
XXVIII - -

Metabolismus kolagenu

Souhrnné schéma syntézy kolagenu

Syntéza

Kolagen je produkován především vazivovými buňkami (fibroblasty), buňkami chrupavky (chondroblasty), kostí (osteoblasty), ale i epitelovými buňkami. Syntéza zčásti probíhá uvnitř buňky, částečně extracelulárně. Polypeptidové řetězce jsou syntetizovány na hrubém endoplazmatickém retikulu buňky. Vzniklý prokolagen je vyloučen do extracelulárního prostoru, kde z něj enzym prokolagenpeptidáza odštěpí tropokolagen. Ten reaguje s ostatními molekulami tropokolagenu a za přítomnosti katalyzátoru, kterým je enzym lysyloxidáza, vytváří mikrofibrily. Následně po syntéze procházejí molekuly kolagenu postranslační modifikaci, která bílkovině zajistí plnou funkčnost. Mezi tyto modifikace ně patří i hydroxylace, kdy se hydroxylová skupina váže s četností jedna ku tisíci aminokyselinových molekul kolagenu. Přesto je hydroxylace pro správnou funkci kolagenu nenahraditelná, jak dokazuje výzkum choroby osteogenesis imperfecta neboli nemoci "křehkých kostí".[4]

Rozklad

Rozklad kolagenu v mezibuněčných prostorách umožňují zejména tzv. kolagenázy.

Využití

Kolagen se používá k výrobě želatiny, klihu, jako materiál pro výrobu chirurgických vláken, na úpravu cévních protéz a na obaly uzenin (střívka). Své využití našel také v plastické chirurgii, orgánovém inženýrství[5] a v kosmetice.

Stanovení obsahu kolagenu v mase

Obsahem kolagenu se rozumí obsah hydroxyprolinu vynásobený koeficientem 8[6]. Obsah hydroxyprolinu je nutno stanovit metodou ISO 3496-1978.

Reference

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 [1] J. Biol. Chem., Vol. 281, Issue 50, 38117-38121, December 15, 2006, Molecular Recognition in the Assembly of Collagens: Terminal Noncollagenous Domains Are Key Recognition Modules in the Formation of Triple Helical Protomers, Jamshid Khoshnoodi{ddagger}1, Jean-Philippe Cartailler§1, Keith Alvares¶, Arthur Veis¶, and Billy G. Hudson
  2. ↑ histologická wiki
  3. ↑ BETHLEM MYOPATHY, MYOPATHY, BENIGN CONGENITAL, WITH CONTRACTURES MUSCULAR DYSTROPHY, BENIGN CONGENITAL
  4. ↑ http://www.osel.cz/index.php?clanek=2203
  5. ↑ Umělá mízní uzlina – základním stavebním kamenem je kolagen
  6. ↑ Nařízení Komise (ES) č. 2331/97 o zvláštních podmínkách pro poskytování vývozních náhrad pro některé výrobky z vepřového masa

Externí odkazy

Citováno z „http://ww.multimediaexpo.cz/mmecz/index.php/Kolagen“