Структурная организация
Полипептидная цепь коллагена содержит около 1000 аминокислотных остатков. Первичная структура имеет строгую закономерность и записывается формулой [Гли-Х-У], где Х чаще всего представлен пролином, а У — гидроксипролином. Примечательно, что в молекуле полностью отсутствуют триптофан и цистеин, а доля глицина достигает 33%.
Вторичная структура одиночной цепи представляет собой развернутую левозакрученную $\alpha$-спираль (3 аминокислоты на виток). Водородные связи внутри нее не образуются, а стабильность поддерживается стерическим отталкиванием колец пролина. На следующем уровне три такие цепи сплетаются в правозакрученную суперспираль — молекулу тропоколлагена. Благодаря своему малому размеру глицин идеально помещается по центральной оси этой конструкции, обеспечивая плотную упаковку.
Внутриклеточный этап синтеза
Биосинтез начинается на рибосомах гранулярного эндоплазматического ретикулума фибробластов, хондробластов или остеобластов. Синтезированная про-$\alpha$-цепь подвергается важнейшим посттрансляционным модификациям:
- Гидроксилирование. К остаткам пролина и лизина присоединяются OH-группы. Ферментам (гидроксилазам) для работы необходимы кислород, $\alpha$-кетоглутарат, ионы железа ($Fe^{2+}$) и витамин С, который поддерживает железо в активном восстановленном состоянии.
- Гликозилирование. К образовавшемуся гидроксилизину присоединяются углеводные компоненты.
- Сборка. N- и C-концевые пропептиды образуют дисульфидные мостики, инициируя скручивание трех цепей в спираль проколлагена. За правильным сворачиванием следят белки-шапероны.
Внеклеточное созревание и фибриллогенез
После секреции в межклеточный матрикс специфические пептидазы отщепляют концевые участки проколлагена. Получившийся тропоколлаген начинает спонтанно собираться в микрофибриллы. Молекулы укладываются параллельно со сдвигом на 1/4 длины, что на электронных микрофотографиях выглядит как поперечная исчерченность с лакунами (центрами будущей минерализации).
Для окончательной прочности структуры формируются ковалентные поперечные сшивки. Медьсодержащий фермент лизилоксидаза (с участием витаминов PP и B6) окисляет лизин до аллизина, после чего эти остатки спонтанно конденсируются, образуя альдольные и альдиминные связи, намертво сшивающие волокно.
Типы коллагена и их локализация
Известно 19 типов коллагена, которые различаются первичной структурой и функциями. Основные группы:
- Фибриллообразующие (I, II, III типы). Выдерживают колоссальные механические нагрузки. I тип составляет основу костей, дентина, сухожилий и роговицы. II тип преобладает в хрящах и стекловидном теле. III тип формирует ретикулярные волокна паренхиматозных органов (печень, почки) и сосудов.
- Сетеобразующий (IV тип). Образует гибкий каркас базальных мембран. Его особенность — сохранение концевых пептидов и наличие неспиральных вставок, придающих эластичность.
- Заякоренные фибриллы (VII тип). Связывают эпидермис с подлежащей дермой.
Катаболизм и патологии
Коллаген обновляется крайне медленно, а с возрастом количество поперечных сшивок только увеличивается, затрудняя его расщепление. Первичный гидролиз осуществляет тканевая коллагеназа (цинк-зависимая матриксная металлопротеиназа), разрывая молекулу на два фрагмента (1/4 и 3/4 длины). Далее в дело вступают лизосомальные протеазы.
Из-за колоссальных размеров генов и сложного сплайсинга синтез коллагена подвержен частым мутациям. Дефекты приводят к тяжелым наследственным болезням: мутации I типа вызывают несовершенный остеогенез (ломкость костей), III типа — синдром Элерса—Данлоса (аневризмы, гиперподвижность суставов), IV типа — синдром Альпорта (патология почек), а VII типа — буллезный эпидермолиз.
Чтобы запомнить первичную структуру [Гли-Х-У], ассоциируйте: Глицин — Главный, он стоит на каждом третьем месте и прячется в центре оси. А остатки пролина играют роль жестких «распорок», отталкиваясь друг от друга и не давая спирали смяться.
Вопросы с занятий и экзамена
Почему при дефиците витамина С нарушается синтез коллагена?
Аскорбиновая кислота необходима как кофактор для пролилгидроксилазы. Она поддерживает железо в активном двухвалентном состоянии, без которого невозможно образование гидроксипролина и формирование стабильной тройной спирали.
Зачем нужны N- и C-концевые пропептиды?
Они содержат остатки цистеина и формируют дисульфидные связи, которые инициируют правильное скручивание трех цепей в молекулу проколлагена. Кроме того, они предотвращают преждевременную сборку фибрилл внутри клетки.
Что произойдет при замене глицина на другую аминокислоту?
Глицин обладает самым маленьким радикалом и всегда находится по центральной оси суперспирали. Замена его на любую более крупную аминокислоту нарушает плотность упаковки, делая волокно рыхлым (это лежит в основе несовершенного остеогенеза).
Что ещё разобрать по теме
- Биохимический механизм работы лизилоксидазы и образование альдольных сшивок.
- Особенности полимеризации сетеобразующего коллагена IV типа (базальные мембраны).
- Специфика матриксных металлопротеиназ (MMP-1) в катаболизме белков матрикса.
- Генетика синдрома Элерса—Данлоса: дефекты ферментов процессинга.
- Роль фибробластов и гипоксии в синтезе коллагена при регенерации тканей.
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Коллаген» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Биохимия межклеточного матрикса»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.