СТРОЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ КОЛЛАГЕНА.

Молекула коллагена состоит из трех полипептидных цепочек, взаимосвязанных в структуре тройной, скрученной направо суперспирали, похожей по форме на трехжильный канат.

Рис. 4. Тройная хелиса. Другие дефиниции, встречающиеся в литературе: молекула коллагена, спиральный триплет, тройной хелис, 3-хелиса, тропоколлаген, суперхелиса.

Каждая из трех полипептидных цепочек альфа обладает молекулярной массой 60.000 – 120.000 (у человека 100.000 – 140.000), содержит около 1.000 – 1.200 аминокислот и имеет форму одиночной свернутой влево спирали. Таким образом, общая молекулярная масса тройной хелисы составляет, чаще всего, 300.000 [kDa]. Две цепочки идентичны, а третья незначительно отличается от них аминокислотным строением и массой.

Мы различаем четыре типа цепочек (одиночных спиралей). В зависимости от того, какие из них подвергнутся сплетению в тройную хелису, возникнет тот или иной вид коллагена, характерный для разных тканей. Также и длина суперхелисы разная для разных типов коллагена. У человека и большинства позвоночных больше всего коллагена типа I, который выступает в костях, сосудах и в нашем самом большом органе, которым, как известно, является кожа (85-90% состава коллагеновых белков). Коллаген типа I в коже имеет трехспиральную конструкцию длиной около 300 нанометров, диаметром около 1,5 нанометров и создают его две спирали (пептидные цепочки) типа альфа и одна типа альфа 2. Остальные около 10 -15% коллагеновых белков кожи, это коллаген типа III, характеризующийся, между прочим, еще большим участием собственных аминокислот: гидроксипролина и гидроксилизина, а также сиаловых кислот, которые придают ему особую выносливость. Спирали соединены двумя видами связей. Они связывают каждую цепь альфа изнутри и одновременно связывают цепочки между собой. Таким образом, они также позволяют всей конструкции растягиваться и сжиматься в определенных границах. Когда эти связи разрываются – мы называем это деспирализацией коллагена.

БИОСИНТЕЗ КОЛЛАГЕНА.

Процесс производства коллагена до трехрядной формы происходит в «строительных верфях» и на их «стапелях». Мы говорим здесь в такой образной форме, прежде всего, о фибробластах, или о клетках – биосинтетических фабриках разнообразных соединений и элементов, таких, например, как:

- компоненты внеклеточного матрикса собственно кожи,

- ферменты (энзимы),

- молекулы сигнальные и остальные,

- компоненты волокон коллагена и эластина.

Процесс инициируется с момента создания из ядерного ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) проколлагеновой матрицы ДНК. С ее помощью в цитоплазме ядер фибробластов и хондроцитов начинается синтез полипептидов (цепочек альфа, состоящих, как правило, из 100 – 350 аминокислот). Эта модификация зависит от присутствия специфических энзимов и микроэлементов, среди иных – железа и меди, а также органических кислот и, прежде всего, аскорбиновой кислоты (вит.С). Параллельно и в безусловной зависимости от присутствия аскорбиновой кислоты, происходит окисление и гидроксиляция аминокислот пролина и лизина. Двухрядный на этом этапе коллаген в форме единичных, но уже сформированных хелис передвигается из цитоплазматической области своей строительной «верфи» на ее стапеля. Там каждая цепочка спонтанно «ищет» двух «компаньонов» для создания суперхелисы. Подобный процесс происходит и при производстве эластина. Именно поэтому эластин часто называют сестринским белком коллагена.

Рис.5. Фибробласт и его функции.

Коллаген в двухрядной форме (спирали), который вскоре станет трехрядным (тройные спирали) имеет также форму, растворимую в воде. Тропоколлаген характеризует также и то, что его конструкция, составленная из молекул (цепочек), может подвергаться диссимиляции (распаду) снова на молекулы, и даже на короткие аминокислотные конструкции. Причем, до тех пор, пока эти продукты распада не покинули еще своей клеточной среды, они могут снова принять участие в синтезе. Наблюдалось также, что даже если продукты преждевременной диссимиляции коллагена не входят снова в непосредственные реакции синтеза, то само их присутствие в фибробластовой и околофибробластовой среде явно стимулирует процесс синтеза коллагена. В то же время продукты «преждевременной» (побочной в процессе биосинтеза) диссимиляции эластина благоприятствуют в околофибробластовой среде процессам синтеза «сестринских» коллагеновых белков, но уже, что интересно, не в состоянии помочь в таком же синтезе матричных белков – волокнистого эластина, возникающего из тропоэластина.

И, наконец, белки, которые «заблудились», полипептиды, которые не превратятся сами в спирали, или позже не найдут партнеров для тройной хелисы, а также всевозможные белковые остатки не создавшие никаких связей – все они распадутся на аминокислоты, значительное большинство которых снова включатся в процесс метаболизма и смогут послужить строительным материалом для новых протеинов, причем даже не обязательно коллагена. Только одна аминокислота, свойственная исключительно коллагену – гидроксипролин – неспособна к повторному усваиванию. Однако, присутствие гидроксипролина в околофибробластовой среде значительно способствует процессам синтеза коллагена, даже когда сам он непосредственно не соединяется с протеинами. В конце концов, он впоследствии удаляется с мочой. Каждый раз участие гидроксипролина в возникновении коллагена требует его дополнительного создания.

Еще на самом раннем (молекулярном) этапе процесса биосинтеза коллагена происходит сначала выравнивание цепочек (вскоре уже спиралей), затем «сшивание» их крайними пептидами и возникновение (в цепочках типа альфа) пока еще внутренних связей. Затем пептидная цепочка «закручивается» в левую сторону, причем процесс этот непрерывный и распространяется до самого конца цепочки, в результате чего возникает (пока еще одиночная) хелиса. Далее после того, как эта хелиса «найдет» партнеров для создания триплета происходит подобный процесс, но теперь спирали взаимно переплетаются, так, будто им подарили застежку «молнию». Этому сопутствуют мгновенное возникновение двусернистых связей (мостиков) и сильное сворачивание всей возникшей конструкции, но на этот раз – направо. В конечном результате 3-хелиса окончательно покидает клеточную среду и «сойдя со стапелей» своей верфи, переходит в пространство внеклеточного матрикса (равнозначные дефиниции: межклеточный матрикс, внеклеточный матрикс, ECM– extracellular matrix).

На этапе выхода молекул за пределы клетки-матрикса, параллельно с процессом объединения их в триплеты и возникновения двусернистых мостиков, в присутствии энзима лизилоксидазы, содержащего среди прочих медь и железо, начинается процесс окисления некоторых остатков лизина или гидроксилизина до формы реактивных альдегидов. Это, в свою очередь, обеспечивает условия для формирования суперхелис и превращения их в субволокна (фибриллы). Из белковых остатков возникают очередные продольные и поперечные связи, которые все более и более изменяют тип тропоколлагена. Наконец, тройные хелисы настолько прочно сплетены в сеть, что теперь уже могут «начать думать» о дальнейшем синтезе в микрофибриллы (четырехрядная форма), из которых впоследствии возникнут волокна (пятирядная форма).

Описанный синтез коллагена происходит, как и все биологические и биохимические процессы в организме лучше или хуже, более или менее гладко. Одним образом в юношеском возрасте, пышущим здоровьем и с прекрасным аминокислотным хозяйством, и иначе, когда организм начинает стареть, когда его донимают болезни, или когда человек не заботится о поставке своему организму компонентов для синтеза коллагена, витаминов и микроэлементов, которые обуславливают успех и производительность этого биосинтеза. И, напротив, хороший «густой» коллаген это превосходная соединительная ткань, отсутствие морщин до самой пенсии, соколиное зрение, сопротивляемость инфекциям, молниеносное заживление ран и царапин. Одним словом, говоря проще – молодость, здоровье и красота! 

Обмен коллагена

Коллаген, как и другие белки, не дан нам раз и навсегда. Он «рождается» в своих матричных клетках и «умирает», то есть подвергается анаболическим и катаболическим процессам. Распадающийся коллаген точно так же катаболизируется в энергию и отходы, как и другие белки. У коллагена, однако, тоже есть в организме настоящие смертельные враги и они его реально уничтожают. В местах уничтоженного коллагена возникает новый. Происходит непрерывный обмен.

Существенным является то, что в молодости, в здоровом состоянии, при должной заботе о правильном аминокислотном хозяйстве, коллаген синтезируется в клетках довольно быстро, а распадается довольно медленно. Период такого правильного полураспада - 50-60 дней. Такое преимущество синтеза коллагена, находящегося в хорошей кондиции, по отношению к его деструкции, является очередной особенностью этого исключительного белка, и возникает эта особенность вследствие нескольких обстоятельств.

Во-первых, коллаген созревает медленно, или точнее говоря, медленно формируются его полноценные частички. При этом на длительность этих процессов созревания имеет существенное влияние биологический возраст человека. Вместе с увеличением биологического возраста коллаген созревает все медленнее. И напротив – лица, располагающие коллагеном «в прекрасной форме», то есть просто более часто обменивающимся, обычно метрически имеют гораздо больше лет, чем биологически.

В целом, считается что (к сожалению) уже между 25-м и 30-м годом жизни у большинства представителей человеческой популяции процессы созревания коллагена начинают замедляться – и отныне будут все больше замедляться до самого конца жизни. С точки зрения исследований этого белка, без сомнения белка молодости, начало процесса старения наступает у большинства из нас намного раньше, чем принято считать.

У молодого взрослого человека «в самом расцвете сил» обмен коллагена происходит на фоне других белков достаточно медленно, однако он все же превышает количество шести килограммов в год. Но уже у пациента в старшем возрасте это количество опускается до чуть более трех килограммов.

Рис. 6