Колагенът - основа на извънклетъчната матрица

Колагенът - основа на извънклетъчната матрица

Извънклетъчната матрица изпълнява различни функции:
♦ осигурява механични контакти между клетките;
♦ образува механично здрава конструкция, като например кости, хрущяли, сухожилия и стави;
♦ представлява основа на филтрационни мембрани (например бъбрек);
♦ изолиране на клетки и тъкани едни от други (например, позволява плъзгащо движение в ставите и клетките);
♦ образува пътя на миграцията на клетките, по който могат да се придвижват, например при ембрионалното развитие.
По този начин, извънклетъчната матрица е променлива, както по химически състав, така и по функциите, които изпълнява.

Фиг. 1 в опростена форма, включва три основни компоненти на извънклетъчната матрица:

 

Колагенът;

* Мрежест адхезивни протеини (еластин, и др.);
* Протеогликани и хиалуронова киселина.

Колаген (от гръцки Kolla= лепило + gennao = продукция) - един от основните фибриларни белтъчини на съединителната тъкан, принадлежащи към групата на склеропротеините. Колагенът е изключително широко разпространен в различни органи и тъкани на гръбначни и безгръбначни; не се съдържа само в бактерии и протозои.

Колагенът представлява 25-33% от общия протеин в тялото, т.е. 6% от телесното тегло.

Името колаген обединява в семейство близки влакнести протеини, които са основният протеинов компонент на кожата, костите, сухожилията, хрущялите, кръвоносните съдове, зъбите.

Общи функции на колагена:

1. Биоабсорбация (всмукване).
2. Осигуряване на клетъчна адхезия (фиксиране на клетките в извънклетъчната матрица чрез взаимодействие с мембранните рецептори).
3. Ускоряване на процеса на формиране на нови клетки.
4. Стимулиране на образуването на епителни клетки.
5. Биосъвместимост.

Благодарение на неговите функции и свойства, от образуваните тъкани се определят следните видове колаген: влакнест колаген, колаген, образуващ мрежеста структура, неподвижен влакнест колаген в базалната мембрана и някои други.

В различните тъкани преобладават различни видове колаген и това от своя страна се определя от ролята, която играе колагенът в конкретния орган или тъкан. Например, в слоестата костна тъкан, от която са изградени плоските и тръбните кости на скелета, колагеновите влакна са със силно ориентирана посока: надлъжна - централната част на ламелите, кръстосана и под ъгъл - в периферната част.

Това гарантира, че дори при разслоението на пластовете фибрили, един слой може да продължи и в съседните, като по този начин създава единна влакнеста структура на костта.

Ориентираните напречно колагенови влакна могат да бъдат вплетени в междинните слоеве между костните ламели, като по този начин се постига здравината на костните тъкани.

В сухожилията колагенът образува плътни паралелни влакна, които позволяват на тези структури да издържат на големи механични натоварвания.

В хрущялната матрица колагенът формира фибриларна мрежа, която дава сила на хрущяла, а в роговицата на окото колагенът участва в образуването на шестоъгълни решетки на десцеметови /задни погранични/ мембрани, което гарантира прозрачността на роговицата и участието на тези структури в пречупването на светлинните лъчи.

В дермата колагеновите фибрили са ориентирани така, че да образуват мрежа, особено добре развита в участъците на кожата, които изпитват силен натиск (стъпалата, лактите, дланите), а в заздравяването на раните са разпространени съвсем хаотично.

Опорната функцията на колагеновите влакна се осигурява за сметка на неговите необичайни биологични и физико-химични свойства (метаболитна инертност, устойчивост към действие на различни вещества и така нататък), които придобива в резултат от подредената съвкупност от колагенови молекули.

Структура и особености на различните видове колаген

В извънклетъчната матрица колагеновите молекули образуват полимери, наречени колагенови фибрили. Фибрилите на колагена имат голяма здравина и по същество са неразтегаеми. Те могат да издържат на натоварване 10 000 пъти по-голямо от теглото им. По здравината си колагеновите фибрили превъзхождат якостта на стоманена тел със същото сечение. Ето защо, голяма част от колагеновите влакна, състоящи се от колагенови фибрили, влизат в състава на кожата, сухожилията, хрущялите и костите.

Колагенът е гликопротеин, в който съдържанието на въглехидрати може да варира в зависимост от източника на получаване на протеин. Молекулата колаген в безгръбначните животни обикновено съдържа повече въглехидрати, отколкото молекулата колаген при гръбначните. Повечето въглехидрати в колагена на гръбначните се идентифицират като D-галактоза и D-глюкоза.

Пръчковидната молекула колаген - тропоколаген (елементарна структурна единица на колагеновото влакно), има молекулно тегло (маса) 300 000, дължина от около 300 нм и дебелина от около 1.5 нм. Тя се състои от три полипептидни вериги, представляващи завъртяни спирали, „навити“ като на един общ цилиндър (фиг. 2).

Необичайните механични свойства на колагеновите влакна се свързани с първичните им и пространствени структури. Колагеновите молекули се състоят от три полипептидни вериги, наречени α-вериги. Идентифицирани са повече от 25 α-вериги, от които са образувани до 19 различни видове колагенови молекули. Структурата на колагеновото влакно може да съдържа три идентични или различни вериги.

По аминокиселинен състав колагенът рязко се отличава от повечето протеини. Основните характеристики на аминокиселинния състав на колагена, получени от всеки източник, са с високото съдържание на глицин, наличието на достатъчно високо съдържание на хидроксипролин и хидроксилизин, ниското съдържание на серни аминокиселини, липсата на цистеин и триптофан, а хистидин, метионин и тирозин са само в много малки количества.

Първичната структура на α-веригите на колагена е необичайна, тъй като всяка трета аминокиселина в полипептидната верига е глицин, около 1/4 от аминокиселинните остатъци представляват пролин или 4-хидроксипролин, около 11% - аланин. Като част от първичната структура на α-веригата на колагена се съдържа също така необичайната амино киселина - хидроксилизин.

Полипептидната верига на колагена може да бъде представена като последователност от триплети Gly-XY, където X и Y може да бъде всяка аминокиселина, но най-вече в позиция X стои пролин, а в позиция Y - хидроксипролин или хидроксилизин. Всяка от тези аминокиселини има голямо значение за образуването на колагеновите фибрили.

Аминокиселинната последователност на полипептидните вериги на колагена позволява да се създаде уникална по своите механични свойства структура, притежаваща огромна здравина. Измененията в първичната структура на колагена може да доведе до развитие на наследствени заболявания.
19 вида колаген са разделени в няколко класа, в зависимост от това какви структури могат да образуват: I тип съдържа в своята молекула две α1, (I) вериги и една α-2 верига; Тип II - три α1, (II) вериги; Тип III - три α1 (III) вериги; тип IV - три α1, (IV) - вериги и т.н.

Всеки вид съединителна тъкан се характеризира, от своя страна, и с наличието на колаген от определен вид: в кожата и костите се откриват главно колаген тип I, в хрущялната тъкан - тип II, в базалните мембрани - тип IV и т.н.
95% от общия колаген в човешкото тяло съдържа колагени I, II и III типове, които образуват много здрави фибрили. Значителното съдържание на тези типове се обяснява с това, че се явяват основни структурни компоненти на органите,които изпитват постоянно или периодично натоварване (кости, сухожилия, хрущяли, междупрешленни дискове, кръвоносни съдове), както и да участват в образуването на стромата на паренхимните органи.

Следователно, колагени тип I, II и III често се наричат интерстициални.

При денатурация на колагена, водеща до образуването на желатин в меки условия (умерено затопляне и т.н., и действието на уреята) се разпадат връзките и молекулата на колагена се разпада на отделни колаген α-вериги, техните димери (β-компоненти) или тримери (γ-компоненти).

Синтезът на прекурсора на колагена – проколагена, е функция на клетките с мезенхимален произход, които, в зависимост от вида на съединителната тъкан, са наречени фибробласти, хондробласти, остеобласти и т.н.

Синтезът и съзряването на колагена - сложен многоетапен процес, който започва в клетката и завършва в междуклетъчната матрица.

В разпада на колагеновите протеини в организма основната роля играе специален фермент – колагеназа, разцепваща молекулата на колагена на два фрагмента, съставляващи 3/4 и 1/4 от дължината му. В резултат, се намалява стабилността на структурата на колагена и се улеснява протеолитичното разцепване от други ензими, които не оказват влияние върху нормалното функциониране на колаген.

Напречните ивици/набраздявания са едни от най-характерните признаци на колагеновите влакна; това набраздяване се намира в електронните микрографии под формата на променливи тъмни и светли ивици.

Комбинацията от тъмни и светли ивици съставлява във влакното един основен период, чийто размер е равен на средно 64-67 нанометра. Напречните набраздявания на колагеновото влакно се обясняват с различното "опаковане" на отделните части на молекулите на колагена, дължащи се на свой ред на неравномерното разпределение на аминокиселинните остатъци.

Строго подредената опаковка, присъща на светлите ивици, поради концентрацията в тези области на неполярни аминокиселинни остатъци (пролин, оксиаминокиселини и така нататък). Специфичното разпределение на аминокиселинни остатъци в образуването на колагеновите влакна е за сметка на заместване в отношението на един спрямо друг (фиг. 3).

Скоростта на образуването на колагенови влакна до голяма степен зависи от величината на рН, температурата и наличието в околната среда на различни вещества, ускоряващи или забавящи този процес (ATP, глюкозаминогликани, урея, аскорбинова киселина, катехоламини и други подобни).
Образуващите се колагенови фибрили се укрепват вътре в междуверижните ковалентни напречни връзки (те се срещат само в колагена и еластина).

 

 

Броят на напречните връзки в колагеновите фибрили зависи от възрастта и функцията на тъканите. Например, между молекулите на колагена на ахилесовото сухожилие напречните връзки са особено много, като за тази структура е важна голямата здравина. С възрастта, броят на напречни връзки във фибрилите на колагена нарастват, което забавя скоростта на обмена при по-възрастните хора.

Когато имаме недостиг на мед или липса на витамини В6 или РР, се нарушава образуването на напречните връзки и като следствие намаляват здравината и еластичността на колагеновите влакна.

Процесите на биосинтез и разпадането на колагена и фибрилогенезата могат да варират в редица физиологични и патологични състояния (възраст, регенерация, възпаление, колагенови заболявания, недостиг на витамини, хормонални нарушения и така нататък).

Обикновено биосинтезът на колаген и образуването на колагенови влакна са значително повишени при различните процеси, придружаващи растежа на съединителната тъкан (склеротични промени в съдове и органи, хронични възпалителни изменения, заздравяването на рани и костни фрактури и др.).

Понякога тези процеси могат да бъдат обратими и са съпроводени с рязко увеличение на разграждането на колаген. Пример за това е бързото намаляване на съдържанието на колаген в матката след бременност, резорбция в костната тъкан при фрактури и така нататък.

При патологични процеси в съединителната тъкан се променят основните й елементи - колагеновите влакна. Най-често, тези промени са резултат от възпалителни реакции, от които произтичат различни преобразувания като неструктуриране на основното вещество и колагена.

При всяко възпаление колагеновите влакна набъбват, тогава се образува техният фрагментарен разпад и разтваряне под действието на протеолитични ензими на полиморфно-ядрени левкоцити и фагоцити. В процеса на разпадане, колагеновите влакна губят присъщите си свойства.

При колагенови заболявания, първоначално настъпват оток и подуване на колагеновите влакна, а след това - фибриноидно импрегниране и некроза.

Тези промени в колагена и следващите грануломатозни реакции са в основата на всички патологични процеси, които се случват с първичната лезия на съединителната тъкан: дерматомиозит, ревматоиден артрит и други.

Както при всеки протеин, колагенът функционира известно време в тялото. Той принадлежи към протеините с бавен обмен. Т1 / 2 са седмици или месеци.

Унищожаването на колагенови влакна се извършва от активни форми на кислорода и/или ферментативно (свързан с хидролиза).

Естественият колаген не се хидролизира от конвенционалните пептидохидролази. Основният му фермент е катаболизъм - колагеназа, която разцепва пептидните връзки в определени участъци на спиралилизираните области на колагена.

Тъкан колагеназа присъства при хората в различни органи и тъкани. Обикновено се синтезира от клетките на съединителната тъкан, особено макрофаги и фибробласти. Тъканната колагеназа – металозависим фермент, който съдържа Zn2 + в активното място. Тъканната колагеназа е с висока специфичност, тя прерязва тройната спирала на колагена в определено място, например около 1/4 от разстоянието от С-края, между остатъците глицин и левцин (или изолевцин).

Получените колагенови фрагменти са разтворими във вода, при температурата на тялото те спонтанно денатурират и стават достъпни за действията на други протеолитични ферменти. Нарушаването на разграждането на колагена води до фиброза на органи и тъкани (главно в черния дроб и белите дробове). Усилването на разпадането на колагена настъпва при автоимунни заболявания (ревматоиден артрит и системен лупус еритематозус), в резултат на прекомерен синтез на колагеноза в имунния отговор.

При младите хора обменът на колаген протича интензивно, с възрастта (и особено в напреднала възраст) значително намалява, тъй като при възрастните хора се увеличава количеството на кръстосаните връзки, което затруднява достъпността на колагена за действието на колагеназата.

В някои случаи синтезът на колаген значително се увеличава. Например, фибробластите мигрират в зарастването на раната и започват активно да синтезират в тези области основните компоненти на извънклетъчната матрица. В резултат на тези процеси, на мястото на раната се образуват съединителнотъканни ръбове, съдържащи голям брой случайно подредени колагенови фибрили. По същия начин протича процесът на смяна на загиващите клетки от съединителна тъкан в черния дроб при цироза, в стените на артериите при атеросклероза, в мускулите - при тяхната дистрофия.

Специална роля в регулирането на синтеза на колаген играят хормоните на половите жлези и надбъбречната кора, така че глюкокортикоидите потискат синтеза на колаген. Синтезът на колаген на кожата зависи от съдържанието на естроген, което потвърждава факта, че при жени в менопауза намалява съдържанието на колаген в дермата.

При слаба здравина на съединителната тъкан възникват заболявания „слабости“: разширени вени, хернии, хемороиди, хипотония, затлъстяване, изпускане на органите. При „твърда“ (с повишена здравина) съединителна тъкан - келоиди, контрактура, фиброзит, артрит, склероза и т.н.

Материалът в превод от книгата на професор Сергей Батечко КОЛАГЕНЪТ - Еликсир на красотата и здравето