Коллаген – это фибриллярный белок, составляющий основу межклеточного вещества соединительной ткани костей, хрящей, сухожилий, кожи, а также зубов. Поэтому коллаген – самый распространенный белок у млекопитающих, составляющий до 30% массы всех белков организма. В синтез коллагена вовлечено несколько десятков белков, в том числе ферменты с ионами металлов (железо и медь). Ежегодно создаются новые препараты для улучшения синтеза коллагена, компенсирующие процессы старения.

Поскольку разные локации в организме обладают разной спецификой, коллаген - полиморфный белок. Существует не менее 19 типов коллагена, отличающиеся по первичной структуре и локализации в организме.

Синтез и созревание коллагена включает несколько этапов, проходящих как в клетке, так и во внеклеточном матриксе.

Первый этап – синтез на рибосоме полипептидной цепи проколлагена, которая включает около 1000 аминокислот. Внутренняя часть цепи проколлагена состоит из повторяющихся триад аминокислот. В триадах первая аминокислота всегда глицин, вторая — пролин или лизин, а третья — чаще всего пролин.

Пролин и лизин подвергаются модификации – гидроксилированию. Гидроксилирование пролина и лизина начинается в период трансляции коллагеновой мРНК на рибосомах, продолжается на растущей полипептидной цепи и завершается вскоре после окончания трансляции (рис.). По количеству посттрансляционных модификаций коллаген является одним из «чемпионов» среди белков клетки.

Жесткая циклическая структура пролина и гидроксипролина (содержание этих аминокислот в коллагене не позволяет образовать обычную для белков правозакрученную \alpha -спираль) приводит к тому, что образуется т.н. "пролиновый излом". Благодаря такому излому формируется левозакрученная спираль, где на один виток приходится 3 аминокислотных остатка.

(https://biokhimija.ru/images/aminokisloty-belki/S02-sintez-kollagena.jpg)

Реакции гидроксилирования катализируют оксигеназы - железо-содержащие ферменты. Необходимыми компонентами этой реакции являются O₂ и витамин С. При цинге — заболевании, вызванном недостатком витамина С – нарушается гидроксилирование остатков пролина и лизина. В результате этого образуются менее прочные и стабильные коллагеновые волокна, что приводит к хрупкости и ломкости кровеносных сосудов и развитию симптомов цинги. Клиническая картина цинги характеризуется возникновением множественных точечных кровоизлияний под кожу и слизистые оболочки, кровоточивостью дёсен, выпадением зубов, анемией.

После гидроксилирования каждая проколлагеновая цепь соединяется водородными связями с двумя другими, образуя тройную спираль. В таком виде они секретируются в межклеточное пространство (рис).

В межклеточном матриксе концевые фрагменты коллагенов I, II и III типов отщепляются специфическими пептидазами, в результате чего образуются молекулы тропоколлагена, которые и являются структурной единицей коллагеновых фибрилл (рис.). При снижении активности этих ферментов (синдром Элерса-Данло-Русакова, тип VII) концевые пептиды проколлагена не отщепляются, вследствие чего нарушается образование тропоколлагена и далее нарушается образование нормальных коллагеновых фибрилл. Нити коллагена видны под микроскопом в виде дезорганизованных пучков. Клинически это проявляется малым ростом, искривлением позвоночника, привычными вывихами суставов, высокой растяжимостью кожи.

У коллагенов некоторых типов (IV, VIII, X) концевые фрагменты не отщепляются. Это связано с тем, что такие коллагены образуют не фибриллы, а сете-подобные структуры, в формировании которых важную роль играют концевые фрагменты.

Основа структурной организации коллагеновых фибрилл — ступенчато расположенные параллельные ряды молекул тропоколлагена, которые сдвинуты на 1/4 относительно друг друга. Молекулы коллагена не связаны между собой «конец в конец»: между ними имеется промежуток в 35 — 40 нм. Предполагается, что в костной ткани эти промежутки выполняют роль центров минерализации, где откладываются кристаллы фосфата кальция.

Фибриллы коллагена образуются спонтанно, путём самосборки. Образовавшиеся коллагеновые фибриллы укрепляются внутри- и межцепочечными ковалентными сшивками. Количество поперечных связей в фибриллах коллагена зависит от функции и возраста ткани. Например, между молекулами коллагена ахиллова сухожилия сшивок особенно много, так как для этой структуры важна большая прочность. С возрастом количество поперечных связей в фибриллах коллагена возрастает, что приводит к замедлению скорости его обмена у пожилых людей. Одна из основных причин старения кожи и появления морщин – нарушения синтеза и метаболизма коллагена, хотя истончение жировой клетчатки и ухудшение удержание влаги кожными структурами тоже вносят определенный вклад.

1. Выберите правильную (правильные) последовательность событий:

А. Синтез на рибосоме полипептидной цепи проколлагена IV типа – начало гидроксилирования пролина и лизина – образование левозакрученной спирали – отщепление концевых фрагментов проколлагена – образование тройной спирали – секреция в межклеточное пространство – сборка коллагеновых фибрилл.

Б. Синтез на рибосоме полипептидной цепи проколлагена I типа – начало гидроксилирования пролина и лизина – образование левозакрученной спирали – образование тройной спирали – отщепление концевых фрагментов проколлагена – секреция в межклеточное пространство – сборка коллагеновых фибрилл.

В. Синтез на рибосоме полипептидной цепи проколлагена II типа – начало гидроксилирования пролина и лизина – образование левозакрученной спирали – образование тройной спирали – секреция в межклеточное пространство – отщепление концевых фрагментов проколлагена – сборка коллагеновых фибрилл.

Г. Синтез на рибосоме полипептидной цепи проколлагена III типа – начало гидроксилирования пролина и лизина – образование тройной спирали – образование левозакрученной спирали – отщепление концевых фрагментов проколлагена – секреция в межклеточное пространство – сборка коллагеновых фибрилл.