Kollageeni on osa perheen proteiineja kutsutaan rakenteelliseksi, yleensä muodossa säikeisen . Se on läsnä soluväliaineen ja eläinten organismien . Näiden proteiinien tehtävänä on antaa kudoksille mekaaninen vastustuskyky venyttämiselle.
Se on eläinkunnan runsain proteiini, joka edustaa neljäsosaa nisäkkäiden proteiinimassasta, koska sitä on luissa, rustossa, keuhkovälissä , lihaksissa ja verisuonten seinämissä. Sidekudossolut erittävät sitä ja sen molekyylipaino on 300 k Da .
Toisin kuin myös sidekudoksessa esiintyvä elastiini , kollageeni on venymätön ja vastustaa hyvin pitoa. Kollageenia on erityyppisiä tarkasteltavasta elimestä riippuen. Erityisesti se on välttämätöntä parantumisprosessille.
Teollisesta ja taloudellisesta näkökulmasta kollageeni on raaka-aine, joka mahdollistaa gelatiinin tuotannon .
Biokemistit tietävät nykyään yli 100 000 proteiinia . Nämä molekyylit ovat mukana monissa prosesseissa. Jotkut ovat immunologian ytimessä . Toisilla on entsymaattinen aktiivisuus solukoneiston moitteettoman toiminnan kannalta. Toiset taas muodostavat kalvoreseptorit , joiden kautta solut ovat vuorovaikutuksessa ympäröivän ympäristön kanssa. Lopuksi muutamat osallistuvat organisaatioiden jäsentämiseen . Tämä pätee kollageeniin , joka on välttämätön proteiini eläinten sidekudoksissa.
Proteiinit erotetaan kahteen ryhmään. Toiminnallinen proteiinit liittyvät biokemiallisten prosessien (entsymologiaa, immunologian, membraanireseptorit, jne.). Rakenteelliset proteiinit muovaavat organisaatiot osallistuvat niiden rakennetta. Näistä kollageeni on erityisen edustava. Tätä kuituproteiinia on ylivoimaisesti eniten kaikissa nisäkkäissä : se edustaa neljäsosaa niiden proteiineista eli noin 5% niiden massasta.
Kollageeni on proteiini, joka koostuu kolmesta assosioituneesta polypeptidi-alfa-ketjusta. Nämä ketjut on kytketty hydroksilysiinin ja hydroksiproliinin välisillä vetysidoksilla ja kovalenttisilla sidoksilla. Alfa-ketju koostuu 1055 aminohaposta. Voidaan yhdistää eri tavoin, meidän pitäisi ehdottomasti puhua sekä kollageenien, eikä kollageeni. Jokaisella kollageenityypillä on oma rakenne ja sitä esiintyy tietyissä elimissä. Esimerkiksi tyypin I kollageeni osallistuu ihon , jänteiden , luiden ja sarveiskalvon muodostumiseen , kun taas tyyppi III löytyy sydän- ja verisuonijärjestelmästä .
| Tyyppi | Kuvaus | Geeni (t) | Ongelmat |
| Minä | 90% selkärankaisen kollageenista . Se muodostaa luun rungon (verrattaessa teräsbetonin vahvikkeisiin) ja yleisemmin tavallisiin sidekudoksiin . Sitä löytyy luista, ihosta, jänteistä, sarveiskalvosta ja sisäelimistä. | COL1A1, COL1A2 | Osteogenesis imperfecta , Ehlers-Danlosin oireyhtymä |
| II | Muodot hienoainefibrillien maahan aine hyaline rusto (jossa kollageenit IX, X ja XI) on i nucleus pulposus , että Nikamavälilevy ja lasiaiseen silmän. | COL2A1 | - |
| III | Se muodostuu retikuliinikuiduista, joita esiintyy merkittävässä osassa hematopoieettisissa kudoksissa . Kollageenina sitä esiintyy erityisesti luurankolihaksissa ja verisuonten seinämissä. Kuidut ovat argyrofiilisiä eivätkä ole positiivisia | COL3A1 | Ehlers-Danlosin oireyhtymä , Dupuytrenin tauti |
| IV | Erityisesti tyvälaminoille se muodostaa tason tai 3D-verkon. Sitä ei ole raidoitettu elektronimikroskopiassa . Rakenteensa ansiosta sillä voi olla suodatustoiminto, erityisesti munuaisissa. | COL4A1, COL4A2, COL4A3, COL4A4, COL4A5, COL4A6 | kollageeni IV: n poikkeavuudesta johtuvat nefropatiat , Goodpasture-oireyhtymä |
| V | Paikannettu sidekudoksiin, se liittyy tyypin I kanssa | COL5A1, COL5A2, COL5A3 | Ehlers-Danlosin oireyhtymä |
| VI | Paikannettu sidekudoksiin, se liittyy tyypin I kanssa | COL6A1, COL6A2, COL6A3 | Bethlem-myopatia , atooppinen dermatiitti |
| VII | Ainesosa tyvikalvon . Se muodostaa fibrillit, joiden avulla tyvikerros kiinnittyy taustalla olevaan sidekudokseen. | COL7A1 | Dystrofinen epidermolyysi bullosa |
| VIII | Paikallinen endoteelisoluissa. | COL8A1, COL8A2 | Polymorfinen taka-sarveiskalvon dystrofia |
| IX | Paikannettu rustoon, liittyy tyypin II kollageeniin | COL9A1, COL9A2, COL9A3 | Polyepifysiikan dysplasiat |
| X | Paikallinen hypertrofoidussa ja mineralisoidussa rustossa. | COL10A1 | - |
| XI | Paikannettu rustoon. | COL11A1, COL11A2 | - |
| XII | Vuorovaikutuksessa tyypien I ja III kanssa. | COL12A1 | - |
| XIII | - | COL13A1 | - |
| XIV | - | COL14A1 | - |
| XV | Hajallaan; lähellä lihasten tyvälevyä. | COL15A1 | - |
| XVI | - | COL16A1 | - |
| XVII | Kutsutaan myös BPAG2, se on transmembraaninen proteiini, joka kiinnittyy pohjapinta kerros on hemidesmosomeja , erityisesti orvaskeden . Tyypin XVII kollageenikuidut on järjestetty yhdensuuntaisesti a6p4- integriinien kanssa . Nämä kaksi proteiinia mahdollistavat siten tyvälevyn ankkuroinnin vahvistamisen. | COL17A1 | Bullous pemphigoid |
| XVIII | "Ankkuriliitoksen" kollageeni. Se on yksi kollageenista, joka löytyy tyvikalvojen fibrillaarisesta kerroksesta. Endostatiinin edeltäjä , kun C-terminaalin osa on pilkottu | COL18A1 | - |
| XIX | - | COL19A1 | - |
| XX | - | COL20A1 | - |
| XXI | - | COL21A1 | - |
| XXII | - | COL22A1 | - |
| XXIII | - | COL23A1 | - |
| XXIV | - | COL24A1 | - |
| XXV | - | COL25A1 | - |
| XXVII | - | COL27A1 | - |
| XXVIII | Muistuttaa läheisesti tyyppiä VI. | COL28A1 | - |
Kun kollageeni on osittain hydrolysoitu , kolme tropokollageenisäikettä hajoavat. Ne muodostavat siten gelatiinia, jota käytetään laajalti elintarviketeollisuudessa. Gelatiinia on käytetty myös lääketeollisuudessa, kosmetiikassa ja valokuvauksessa. Kollageenia ja gelatiinia pidetään ravitsemuksellisen laadukkaina proteiineina, koska niissä ei ole kaikkia aminohappoja riittävässä suhteessa.
Termi kollageeni tarkoittaa " liiman tuottaja " (nimi tulee kreikkalaisesta sanasta kolla, joka tarkoittaa "liimaa"). Kollageenin ominaisuuksia käyttivät egyptiläiset 2000 eKr. AD intiaanien käytti sitä V th luvulla. Vanhin tunnettu liima on valmistettu kollageenista, ja se on peräisin vuodelta 6000 eKr. EKr. XXI - luvun alussa sitä käytetään kauneudenhoitotuotteissa tai lisäaineena joissakin elintarvikkeissa .
Tropokollageeni on kollageenin perusyksikkö ja vastaa epäsymmetristä molekyyliä, jonka pituus on 280 nm ja halkaisija 1,5 nm . Se on glykoproteiini, joka muodostuu kolmen vasemman a- heliksin , hiilihydraattikantajien (glukoosi, galaktoosi) kelaamisesta , kelattuna oikeaan kierteeseen. Aminohapot koostuvat kolmanneksesta glysiinistä , neljänneksestä proliinista , hydroksilysiinistä ja 4- hydroksiproliinista . A-ketjuja on useita molekyylityyppejä . Nämä ketjut koostuvat kolmen aminohapon toistuvista sekvensseistä, joista ensimmäinen, glysiini, toistuu koko molekyylissä. Hiilihydraatit ovat kiinnittyneet hydroksilysiiniin. Kolmen a-ketjun käämitys johtaa tropokollageenimolekyylin muodostumiseen, jonka koheesion varmistavat glysiinin ja hydroksiproliinin väliset vetysidokset.
Tropokollageenimolekyylin koostumuksen analyysi paljastaa monia erityispiirteitä. Biokemistien ovat osoittaneet, että kolmasosa tähteet ovat glysiini tähteitä , joka on ominaista rakenteellisten proteiinien . Toinen yksittäinen tosiasia, että yli 10% tähteistä on proliinia. Lopuksi havaitaan kahden epätavallisen aminohapon, 4-hydroksiproliinin (Hyp) ja 5-hydroksilysiinin (Hyl) , läsnäolo .
Biokemistit ovat myös havainneet, että tropokollageenin muodostavien aminohappojen sekvenssi on myös epänormaali. Toisin sanoen, aminohapposekvenssi ei vastaa sitä, mikä yleensä löytyy. Itse asiassa havaitaan, että glysiinejä esiintyy säännöllisesti joka kolmas tähde. Kollageenin aminohapposekvenssin rakenne on siten (Gly - X - Y) n . Lisäksi sekvenssi sisältää melko usein Gly - Pro - Hyp -triplettejä. Kaikki nämä ominaisuudet ovat ainutlaatuisia, koska niitä ei löydy useimmista proteiineista.
Kollageenilla voi olla erilainen alkuperä: nauta, sika, lintu tai meri. Se on yleensä iho, jota käytetään ravintolisissä käytettävän kollageenin valmistamiseen. Hydrolyysin jälkeen kollageeni hajotetaan proteiinien alaosiksi, joita kutsutaan peptideiksi. Nämä peptidit koostuvat itse useista aminohapoista . Lääketeollisuus käyttää laajalti kollageenipeptidejä ravintolisien luomiseen, joiden tavoitteena on yleensä sidekudosten uudistuminen ja hyödyt iholle, kynsille ja hiuksille. Urheilijat käyttävät tyypin I kollageenipeptidejä erityisesti jänetulehduksen estämiseen intensiivisen urheiluharjoituksen vuoksi. Merikollageenipeptidit (kuten Ranskassa tuotettu Naticol) hydrolysoidaan erityisesti näiden toiminnallisten ominaisuuksien takaamiseksi. Lisäksi kollageenipeptidien kalaperäisyyttä arvostetaan kaikilla mantereilla.
Les grands cheptels de bétail se trouvent en Amérique du Sud et en Europe. Parmi les grands fabricants de gélatine bovine, Gelnex et Rousselot (Belgique) sont les leaders du marché avec notamment les peptides de collagène Peptan dont les propriétés cliniques ont fait l'objet de plusieurs recherches.Kaksi hydroksyloitua aminohappoa, hydroksiproliini (Hyp) ja hydroksilysiini (Hyl) herättävät luonnollisesti kysymyksen: esiintyykö hydroksylaatio ennen peptidisynteesiä vai sen jälkeen? Vastauksena tähän biokemikot ovat etsineet yhtä tai toista näistä aminohapoista koodaavaa aminoasyyli-tRNA: ta. Koska he eivät löytäneet yhtään, he päättelivät, että tiettyjen proliinin ja lysiinin tähteiden hydroksylointi on translaation jälkeinen prosessi. Itse asiassa kaksi entsyymiä katalysoi tätä reaktiota. Nämä ovat vastaavasti prolyylihydroksylaasi ja lysiinihydroksylaasi . Molemmat voi toimia vain, kun läsnä on askorbaattia (tai C-vitamiinia ), joka estää ferrorautaa (Fe 2+ ) sisältyvät niiden aktiivisessa keskuksessa inaktivointia muodossa ferriraudan (Fe 3+ ). Vakava askorbaatin puute on skorbutin aiheuttaja , sairaus, joka johtuu kollageenin tuotannon puutteesta, mikä johtaa kudosten heikkenemiseen. Merimiehet olivat pitkien matkojen aikana usein skorbutin uhreja eivätkä kyenneet kuluttamaan hedelmiä ja vihanneksia.
Proliinitähteet, jotka voidaan hydroksyloida, sijaitsevat välttämättä glysiinitähteen vasemmalla puolella . Muita tähteitä ei voida hydroksyloida. Sama pätee lysiinitähteisiin.
( aminoterminaalinen pää ) NH 3+ -… - Pro - Gly -… - COO - ( karboksiterminaalinen pää )
( aminoterminaalinen pää ) NH 3+ -… - Lys - Gly -… - COO - ( karboksiterminaalinen pää )
Hyvin harvoin jotkut proliinitähteet hydroksyloidaan hiilessä 3 eikä hiilessä 4 . Tästä hydroksylaatiosta vastaava entsyymi ei ole prolyylihydroksylaasi, eikä hydroksylaatio noudata juuri määrittelemiämme sääntöjä.
Tutkimalla tropokollageenin rakennetta biokemistit ovat myös osoittaneet, että joillakin hydroksilysiinitähteillä on sokerisia tähteitä (2-glukosyyligalaktoosi). Se tosiasia, että kollageeni on kovalenttisesti sitoutunut lyhyisiin hiilihydraatteihin, tekee siitä glykoproteiinin (toisin kuin proteoglykaanit , pieniin peptideihin kytketyt hiilihydraatit). Galaktosyylitransferaasi katalysoi kovalenttisen sidoksen muodostumisen galaktoosin ja hydroksilysiinitähteen hydroksyyliryhmän välillä; glukoosissa käytetään glukosyylitransferaasia.
Tropokollageenin spatiaalinen konformaatio on kolmikaistaisella kierteisellä sylinterillä, jonka pituus on 300 nm ja halkaisija 1,5 nm . Tällä proteiinilla ei siis ole toiminnallisten proteiinien klassista pallomaista muotoa. Se on pitkä, ohut varsi. Kukin sylinterin nauha on polypeptidiketju, joka itse on taitettu kierukkana; kaikki kolme ketjua muodostavat erityisen kestävän punoksen. Yhden millimetrin halkaisijan omaavan kollageenikuitujen rikkominen vaatii todellakin 10 kg: n kuormituksen .
Olemme sanoneet, että jokainen polypeptidiketju on kierretty kierteeksi . Tämä toissijainen rakenne ei liity alfakierteeseen . Tämä on toisen tyyppinen toissijainen rakenne. Tämä on vasen kierre, jonka käämitys johtuu pyrrolidiinirenkaiden työntämisestä lukuisista proliinitähteistä. Pyrrolidiinirenkaat hylkäävät toisiaan niiden voimakkaan steerisen esteen vuoksi . Saatu kierre on vähemmän kompakti kuin alfa-kierukka (0,15 nm per tähde), koska oli mahdollista mitata etäisyys 0,29 nm per tähde. Lopuksi, toisin kuin alfa-heliksit, ei havaita ketjunsisäisiä vetyjä siltoja . On kuitenkin ketjunvälisiä vetysiltoja. Vety-sillat sisältävät glysiinitähteet (protonien luovuttajat) ja karboksyyliryhmät (protonien hyväksyjät). Kun ketjut risteävät, on välttämätöntä vähentää steerisiä esteitä. Tämän tekee mahdolliseksi glysiinitähteiden läsnäolo, vähiten tungosta aminohappo. Muut sivuketjut hylätään kolminkertaisen kierukkarakenteen ulkopuolella.
Kun Tropokollageeni liuosta kuumennetaan, äkillinen romahtaminen kierteisen rakenteen havaitaan tietyssä lämpötilassa, merkitään T m ( sulamislämpötila tai sulamislämpötilan in Englanti terminologia). Tämä koe osoittaa, että vetysillat varmistavat kolmoiskierre-rakenteen ylläpidon. Nämä heikot (toisin sanoen ei-kovalenttiset) vuorovaikutukset ovat riittävän lukuisat muuttamaan merkittävästi molekyylin käyttäytymistä. Tämän ei pitäisi olla mikään yllätys: fibroiini , hämähäkkien tuottaman silkin rakenneproteiini, on sen elastisuuden ja vastustuskyvyn takia suuren määrän vetysiltojen olemassaololle, jotka muodostavat yhteistyövaikutuksia. Samoin veden ainutlaatuiset ominaisuudet, erityisesti sen "epänormaalin" korkea kiehumispiste, ovat suoraan seurausta lukuisien vetysiltojen olemassaolosta. Mittaus sulamislämpötila T m on tehty mahdolliseksi se, että se on käännekohta, että liuoksen viskositeetti ja muunnos optisen pyörivän dispersio (DRO).
Kollageenissa havaitut hydroksyloinnit tarjoavat vakauden kasvun. Niiden määrä vaihtelee siksi kudostyypistä ja kehon lämpötilasta riippuen. Jotkut kankaat osoittavat suurempaa hydroksylointinopeutta kuin toiset. Tämä pätee erityisesti istukkaan ja ihoon.
| Pro ja Hyp (‰) | Sulamislämpötila (° C) | Kehon lämpötila (° C) | |
| Vasikannahka | 232 | 39 | 37 |
| Hain iho | 191 | 29 | 24 - 28 |
| Turska | 155 | 16 | 10-14 |
Kollageenilla ei ole sijaa itse soluissa; tämän vuoksi sen synteesi suoritetaan soluissa olevasta esiasteesta, prokollageenista. Tämä koostuu paljon pidemmistä säikeistä, joita pidennetään lisäpolypeptidirakenteilla, 15 kDa aminopään puolella ja 30 kDa karboksipään puolella. Nämä rakenteet ovat yleisiä ja niitä kutsutaan propeptideiksi. Karboksiterminaalisessa päässä on ketjujen välisiä disulfidisiltoja, joilla on stabiloiva rooli. Sillat ovat aminopäätteen päässä intrakateenisesti.
Tropokollageeni on kolmen alfa-kollageeniproteiinin (alfa1 - alfa1 - alfa2) kokoonpano suoraksi kierteeksi. Tropokollageenikuidut kokoontuvat kollageenifibrilliksi kutsuttuun rakenteeseen. Useiden kollageenifibrillien kokoaminen muodostaa kollageenikuidun. Fibrillit osoittavat tumman ja vaalean vaihevaihtelun johtuen prokollageenikuitujen etäisyydestä ja siirtymisestä.
Kolmen prokollageeni ketjut syntetisoidaan ja siirretään onteloon ja Endoplasmakalvosto (puhumme translokaatio ). Kolmoiskierteen sisältävää aluetta reunustavat signaalipeptidi ja kaksi aminoterminaalista ja karboksiterminaalista propeptidiä. Nämä auttavat proteiinin kypsymisessä.
Signaalipeptidi pilkotaan kerran endoplasmisessa verkkokalvossa . Sitten tulee useiden proliinien ja lysiinien hydroksylointi . Karboksiterminaalinen propeptidi modifioidaan N-glykosyloinnilla, kun taas jotkut hydroksilysiinit ovat O-glykosyloituja. Erilaiset translaation jälkeiset modifikaatiot ja disulfidisiltojen muodostuminen kolmen ketjun karboksiterminaalisten propeptidien välille sallivat sitten niiden kohdistamisen. Kolmoiskierre kääntyy sitten kuin vetoketju kohti aminoterminaalista päätä.
Lopuksi Golgi-laitteessa kolmoiskierre reunustuu ei-kierteisillä alueilla. Sitten prokollageeni vapautuu solunulkoiseen väliaineeseen eksosytoosin avulla . Entsyymi, prokollageenipeptidaasi , katkaisee sitten kaksi propeptidiä, mikä mahdollistaa kypsän tropokollageenin muodostumisen. Viime kädessä tropokollageenipaketit kokoontuvat lähelle solun pintaa, yhdistyvät toisiinsa ja muodostavat kypsiä kollageenikuituja.
Aikuisten kollageenikuitujen muodostamiseksi tropokollageenipakettien on tultava yhteen. Erilaiset biokemialliset prosessit johtavat siihen. Esimerkiksi entsyymi, lysyyli oksidaasi , mahdollistaa korvaaminen karbonyyli- ryhmän varten amiini ryhmä lysiinitähteen, joka on syy spontaani sillan useissa Tropokollageeni nippuja. Molekyylien silloitus suoritetaan siten aldolikondensaatiolla .
Toinen mekanismi on yhdistää kolme polypeptidialuetta hydroksipyridiniumin (tai hydroksipyridinoliinin ) silloituksella . Sitten muodostetaan tikapuurakenne, jonka jaksottaisuus on 680 A , joka näkyy elektronimikroskopiassa. Eri tropokollageenimolekyylien väliset tyhjät alueet täytetään kalsiumhydroksifosfaatin, hydroksiapatiitin , kaavan Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 avulla . Tropokollageenin ja hydroksiapatiitin säännöllinen peräkkäisyys on elektronimikroskopiassa näkyvän juovituksen alkupisteessä.
Kollageenin hajoaminen on vaikeaa ja vaatii erityisiä entsyymejä, kollagenaaseja ( matriisimetalloproteinaasien perheestä ). Esimerkiksi bakteeriperäiset kollagenaasit (esimerkiksi Clostridium histoliticum , jonka lajien nimi tarkoittaa "kudosten tuhoajaa") pystyvät pilkkomaan kutakin kollageeniketjua yli kaksisataa pistettä (joista X - Gly - Pro - Y). Muilla organismeilla, kuten sammakkoeläimillä, on hyvin spesifisiä kollagenaaseja, jotka kykenevät tekemään yhden leikkauksen määrätyssä paikassa.
Lisäksi keripukki vuoksi puutos on C-vitamiinia , joka jo aiemmin mainittiin, monet sairaudet liittyvät viat kollageenisynteesiä, mukaan lukien luusairaus lasi .
In Ehlers-Danlosin oireyhtymä , kollageeni on puutteellinen.
Erityisesti koska kollageenilla katsotaan olevan vain hyvin vähän allergisia riskejä, sillä on monia biolääketieteellisiä ja paramedikaanisia käyttötarkoituksia . Sitä löytyy erityisesti tietyistä imeytyvistä hemostaattisista sienistä .
Alkuperäistä ja liukoista tyypin I kollageenia käytetään nyt myös kosmetiikassa kaikkialla maailmassa.
Käyttämällä proteiinitietopankkiin (PDB) tallennettuja atomikoordinaatteja saksalainen amerikkalainen taiteilija Julian Voss-Andreae teki veistoksia kollageenin ja muiden proteiinien rakenteeseen perustuen. Teoksessa Unraveling Collagen kolmiomaiset muodot paljastavat hallitsevat voimajohdot, jotka herättävät nykyaikaisia teräsrakenteita.