Коллаген: общая характеристика
Коллаген — основной структурный белок межклеточного матрикса, синтезируемый клетками соединительной ткани: фибробластами, остеобластами, хондробластами. Это фибриллярный белок, выполняющий опорную и механическую функцию в коже, сухожилиях, костях, хрящах и стенках сосудов.
Полипептидная цепь коллагена содержит около 1000 аминокислотных остатков. Особенность аминокислотного состава:
- каждая третья аминокислота — глицин (≈33%);
- около 20% приходится на пролин и гидроксипролин;
- около 10% — лизин и гидроксилизин;
- отсутствуют цистеин и триптофан;
- мало гистидина, метионина и тирозина.
Первичная структура записывается повторяющимся триплетом (Гли–X–Y), где X чаще всего пролин, а Y — гидроксипролин или гидроксилизин.
Пространственная организация молекулы
Полипептидная цепь укладывается в левозакрученную α-спираль, более развёрнутую по сравнению с классической α-спиралью глобулярных белков: на один виток приходится 3 аминокислотных остатка. Три такие α-цепи закручиваются друг вокруг друга, образуя правозакрученную тройную суперспираль — структурную единицу зрелого коллагена, тропоколлаген.
Посттрансляционные модификации
Биосинтез коллагена сопровождается большим числом посттрансляционных изменений. Полипептидная цепь синтезируется на рибосомах, связанных с мембраной эндоплазматического ретикулума, в виде предшественника — препроколлагена. На N-конце имеется сигнальный пептид, обеспечивающий транспорт цепи в полость ЭПР; после этого он отщепляется.
Основные этапы модификации:
- гидроксилирование остатков пролина и лизина;
- гликозилирование остатков гидроксилизина;
- сборка тройной спирали из трёх про-α-цепей;
- секреция проколлагена во внеклеточное пространство;
- отщепление N- и C-концевых пропептидов (содержащих цистеиновые остатки, поэтому в зрелом коллагене цистеина нет);
- сборка молекул коллагена в микрофибриллы, фибриллы и далее в коллагеновые волокна.
Гидроксилирование пролина и роль витамина C
Ключевую реакцию катализирует пролилгидроксилаза. Фермент содержит в активном центре ион Fe²⁺, нуждается в кофакторе α-кетоглутарате и молекулярном O₂.
В ходе реакции:
- один атом кислорода включается в OH-группу остатка пролина;
- второй атом кислорода идёт на окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата с образованием сукцината и CO₂.
Аскорбиновая кислота (витамин C) необходима для восстановления железа активного центра в состояние Fe²⁺, поскольку в ходе катализа оно периодически окисляется до Fe³⁺. Введение OH-группы в пролин обеспечивает образование дополнительных водородных связей между цепями тройной спирали, что резко повышает термостабильность и механическую прочность коллагена.
Цинга — недостаточность витамина C
При дефиците аскорбиновой кислоты пролилгидроксилаза теряет активность, гидроксилирование пролина и лизина нарушается, и синтезируется неполноценный коллаген со сниженной стабильностью тройной спирали.
Клинические проявления цинги:
- повышенная ломкость и проницаемость сосудов, кровоизлияния в кожу и слизистые;
- кровоточивость дёсен, расшатывание и выпадение зубов;
- нарушение заживления ран;
- боли в суставах, поражение костной ткани.
Гиалуроновая кислота и гликозаминогликаны
Гиалуроновая кислота относится к гликозаминогликанам — линейным полисахаридам межклеточного матрикса, построенным из повторяющихся дисахаридных единиц (остатки уроновой кислоты и аминосахара).
Функциональные особенности гиалуроновой кислоты:
- связывает большое количество воды, придавая межклеточному веществу желеобразную консистенцию;
- связывает ионы Na⁺ и Ca²⁺, участвуя в регуляции водно-солевого обмена;
- обеспечивает упругость хряща, стекловидного тела, синовиальной жидкости;
- выполняет барьерную функцию, затрудняя распространение микроорганизмов.
Клиническое значение: гиалуронидаза и инфекции
Ряд патогенных бактерий (например, возбудители газовой гангрены, стрептококки, стафилококки) выделяют фермент гиалуронидазу, расщепляющую гиалуроновую кислоту. Деполимеризация полисахарида приводит к разжижению основного вещества соединительной ткани, повышению её проницаемости и облегчает инвазию микроорганизмов и токсинов в ткани.
Ключевые моменты
- Коллаген построен из триплетов Гли–X–Y, где Y часто — гидроксипролин; цистеин и триптофан отсутствуют.
- Структурная единица — тройная правозакрученная суперспираль из левозакрученных α-цепей.
- Биосинтез включает многочисленные посттрансляционные модификации в ЭПР и внеклеточном пространстве.
- Пролилгидроксилаза требует Fe²⁺, O₂, α-кетоглутарата и аскорбиновой кислоты.
- Гидроксипролин стабилизирует тройную спираль за счёт водородных связей.
- Дефицит витамина C вызывает цингу с поражением сосудов, дёсен и нарушением заживления ран.
- Гиалуроновая кислота — гликозаминогликан, удерживающий воду и катионы в матриксе.
- Бактериальная гиалуронидаза разрушает матрикс, способствуя развитию инфекций, в том числе газовой гангрены.