Prof. dr hab. n. med. Eugeniusz Józef Kucharz
Kierownik Katedra i Klinika Chorób Wewnętrznych i Reumatologia Śląska
Akademia Medyczna w Katowicach
OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA, NOMENKLATURA I KLASYFIKACJA KOLAGENÓW
Termin "kolagen" określa grupę białek (białka kolagenowe)
występujących powszechnie w organizmie człowieka i organizmach zwierząt.
Wyróżniającą cechą kolagenów jest budowa znacznej części cząsteczki
w postaci superhelisy. Superhelisa utworzona jest z trzech łańcuchów
polipeptydowych skręconych wzajemnie na kształt trójżyłowej liny.
Uzyskanie takiej struktury przestrzennej jest wynikiem składu aminokwasowego
łańcuchów polipeptydowych. Istotną jego cechą jest powtarzająca się
sekwencja trzech reszt aminokwasowych o ogólnym wzorze -X-Y-Z-, gdzie
reszty Y i Z stanowi najczęściej prolina lub hydroksyprolina wbudowana
w łańcuch polipeptydowy. Związki te, powszechnie określane jako aminokwasy,
w rzeczywistości są iminokwasami o budowie heterocyklicznej, zawierającymi
w pierścieniu atom azotu. Dzięki temu wiązanie peptydowe utworzone pomiędzy
resztami aminokwasowymi posiada inną konfigurację przestrzenną i jest
"usztywnione" w porównaniu do wiązania łączącego inne aminokwasy. Dwie
reszty iminokwasowe powtarzające się w trypletowej sekwencji łańcucha
polipetydowegop nadają mu strukturę o kształcie spirali. Trzecia reszta
aminokwasowa (-X-) w łańcuchu to reszta glicynowa. Glicyna posiada najmniejszą
cząsteczkę ze wszystkich aminokwasów, co też wpływa na kształt całego
łańcucha polipeptydowego. Trzy skręcone spiralnie łańcuchy polipeptydowe
tworzą razem superhelisę i stanowią podstawę struktury molekularnej
wyróżniającą kolageny wśród innych białek.
Budowa superhelisowa nie tworzy całej cząsteczki kolagenu. W poszczególnych
białkach z tej grupy występują zarówno końcowe, jak i włączone pomiędzy
fragmenty superhelisowe odcinki cząsteczki pozbawione budowy superhelisy.
Jednak aby białko zostało zaliczone do grupy kolagenów, struktura superhelisowa
musi dominowaç ilościowo w całej cząsteczce. Białka, które zawierają
jedynie mały fragment cząsteczki o budowie superhelisowej określane
są jako białka kolagenopodobne. Należy do nich m.in. cząsteczka acetylocholinesterazy,
białka surfaktantu płucnego (SP-A i SP-D), składnik C1q dopełniacza,
konglutynina i in. Pełnią one inne funkcje i nie są białkami tkanki
łącznej.
Poszczególne łańcuchy polipeptydowe tworzące cząsteczkę kolagenu są
syntetyzowane w całości i są produktem odrębnych genów. Łańcuchy te
oznaczane są grecką literą alfa uzupełnioną liczbą arabską, oznaczającą
rodzaj łańcucha w cząsteczce i liczbą rzymską, oznaczającą typ kolagenu,
w skład jakiego wchodzi dany łańcuch. W organizmie człowieka występuje
pełna gama kombinacji łańcuchów polipeptydowych, a poszczególne typy
kolagenu są w rzeczywistości odrębnymi białkami, oznaczanymi liczbami
rzymskimi (np. kolagen typu I) oraz określanymi wzorem sumarycznym przedstawiającym
skład łańcuchów. Przykładowo kolagen typu I, występujący w znacznych
ilościach w tkance łącznej, posiada skład łańcuchowy [alfa1(I)]2alfa2(I)],
co oznacza, że wspomniane białko tworzą dwa łańcuchy alfa1(I) i jeden
łańcuch alfa2(I). Występujący obficie w chrząstce kolagen typu II zbudowany
jest z trzech identycznych łańcuchów, co określa wzór [alfa1(II)]3.
Zaznaczyç należy, że łańcuch alfa1(I) jest całkowicie odmienny od łańcucha
alfa1(II).
Możliwe są kombinacje trzech różnych łańcuchów, np. alfa1(V)alfa2(V)alfa3(V),
dwóch identycznych i jednego odmiennego (jak wspomniany kolagen typu
I) i trzech identycznych łańcuchów (kolagen typu II). Nie mogą łączyç
się łańcuchy różnych typów kolagenu, bo są składnikami całkowicie odmiennych
białek. Możliwe jest natomiast odmienne połączenie łańcuchów tego samego
typu kolagenu, czego przykładem może byç występujący w warunkach prawidłowych
w śladowych ilościach, ale pojawiający się w niektórych nowotworach
tzw. trymer kolagenu typu I o wzorze sumarycznym [alfa1(I)]3, a więc
zawierający w miejsce łańcucha alfa2(I) trzeci łańcuch alfa1(I).Dotychczas
opisano blisko 20 różnych typów kolagenu występujących w organizmie
człowieka. Zostały one w różnym stopniu poznane i scharakteryzowane,
przy czym kolageny typów dalszych, oznaczane wyższymi liczbami rzymskimi
zwykle występują w śladowych ilościach. Nie została też poznana funkcja
biologiczna części tych białek. W tabeli 1 zestawiono charakterystykę
najlepiej poznanych kolagenów typu I-XII.
Wśród białek kolagenowych wyróżniamy kolageny tworzące włókna (typy
I, II, III, V, XI), kolageny tworzące układy sieciowe (głównie składniki
błon podstawnych - typy IV, VIII, X) oraz kolageny z przerywaną strukturą
superhelisy, współwystępujące z włóknami kolagenowymi (tzw. FACIT -
fibril-associated collagen with interrupted triple helices, typy IX,
XII, XIV, XVI, XIX), kolagen tworzący włókna "koralikowe" (typ VI),
kolagen tworzący włókna "kotwiczące" (typ VII), kolageny o domenie przezbłonowej
(typ XIII i XVII) oraz niesklasyfikowane kolageny typu XV i XVIII (6).
BIOSYNTEZA
Biosynteza kolagenu jest procesem złożonym, obejmującym zarówno etapy
wspólne dla syntezy wszystkich białek, jak i unikalne prawe, swoiste
dla kolagenu etapy biosyntezy. Przyjmuje się, że większość poznanych
typów kolagenu powstaje w procesie obejmującym następujące stadia:
transkrypcję i translację łańcuchów preprokolagenu - łańcuchy są produktami
pojedynczych genów i są syntetyzowane w całości.
oderwanie peptydu sygnalnego - proces wspólny dla białek wydalanych
poza obręb komórki.
hydroksylację reszt proliny - swoisty dla białek kolagenowych proces
modyfikacji posttranslacyjnej, w którym niektóre reszty proliny są hydroksylowane
w pozycji 3 lub 4. Proces ten jest katalizowany przez hydroksylazę 4-prolilową
(EC 1.14.11.12) i hydroksylazę 3-prolilową (EC 1.14.11.7). Obie te reakcje
są bardzo zbliżone i wymagają obecności askorbinianu i jonów żelazawych.
Substratem mogą byç tylko reszty prolilowe w łańcuchu polipeptydowym
o określonej sekwencji. Hydroksylacja reszt prolilowych jest niezbędna
dla utworzenia struktury helisowej.
hydroksylację reszt lizyny - swoisty dla kolagenu proces hydroksylacji
niektórych reszt lizylowych. Proces ten katalizowany jest przez hydroksylazę
lizylową (EC 1.14.11.4). Hydroksylacja reszt lizylowych jest niezbędna
do tworzenia wiązań poprzecznych i wbudowywania węglowodanów do cząsteczki
kolagenu.
glikozylacja reszt hydroksyproliny - swoisty dla białek kolagenowych
proces dołączania do niektórych reszt hydroksylizyny cząsteczki galaktozy
lub galaktozyloglukozy, katalizowany przez galaktozylotransferazę hydroksylizynową
(EC 2.4.1.50) i glukozylotransferazę galaktozylo-hydroksylizynową (EC
2.4.1.66). Przyjmuje się, że węglowodany połączone z kolagenem wpływają
na wielkość struktur ponadcząsteczkowych kolagenu oraz zmniejszają podatność
na działanie kolagenaz.
glikozylacja reszt asparaginy - zachodzi w niehelikalnych częściach
cząsteczki prokolagenu; funkcja biologiczna tego procesu jest nieznana.
utworzenie łańcucha superhelisy - trzy łańcuchy prokolagenu łączą się
na kształt trójżyłowej liny, która jest stabilizowana wytworzeniem wiązał
dwusiarczkowych. Ich powstawanie jest katalizowane przez białkową izomerazę
dwusiarczkową, która jest beta-podjednostką wymienionego wyżej enzymu
- hydrolazy 4-prolilowej.
przekształcanie prokolagenu w kolagen (tropokolagen) - proces ten
polega na enzymatycznym oderwaniu aminoterminalnej i karboksyterminalnej
części końcowej cząsteczki, tzw. propeptydów (częściowo o budowie helikalnej)
i jest katalizowany przez swoiste dla typu kolagenu i końca łańcucha
peptydazy. Uwolnione propeptydy są wskaźnikiem syntezy kolagenu. Przypuszcza
się, że odgrywają one rolę regulacyjną syntezy kolagenu, zabezpieczając
też przed wewnątrzkomórkową polimeryzacją cząsteczek kolagenu.
tworzenie struktury ponadcząsteczkowej - kolagen tworzy różne struktury,
w tym włókna i błony podstawne. Rycina 2 przedstawia układ cząsteczek
kolagenu typu I tworzącego włókna i ukazuje przyczynę zjawiska prążkowania
widocznego w mikroskopie elektronowym.
wytwarzanie wiązań poprzecznych (dojrzewanie kolagenu) - stabilizacja
struktur kolagenowych i nadanie im nierozpuszczalności oraz oporności
na działanie proteaz to wynik wytwarzania wiązań poprzecznych. Łączą
one łańcuchy tej samej cząsteczki lub sąsiednich cząsteczek kolagenu.
Ich budowa nie jest do końca poznana, mogą różnić się w zależności od
umiejscowienia struktur kolagenowych w organizmie (np. w kościach).
Pierwszym etapem tworzenia wiązań jest oksydatywna dezaminacja reszt
lizylowych, katalizowana przez oksydazę lizylową, enzym zależny od jonów
miedziowych. Dalsze złożone etapy syntezy wiązań poprzecznych zachodzą
prawdopodobnie spontanicznie.
oddziaływanie struktur kolagenowych z innymi składnikami tkanki łącznej,
przede wszystkim z proteoglikanami i glikoproteidami strukturalnymi.
DEGRADACJA
Rozkład kolagenu może zachodzić w różny sposób. Ogólnie uważa się,
że możliwe są dwie drogi degradacji kolagenu: zewnątrzkomórkowa i wewnątrzkomórkowa
(1,2). Droga zewnątrzkomórkowa obejmuje następujące etapy:
depolimeryzację - proces rozbijania struktur ponadcząsteczkowych;
działanie kolagenaz tkankowych - enzymów o wysokiej swoistości dla
kolagenu;
denaturację fragmentów kolagenu w temperaturze ciała;
dalszy rozkład przez nieswoiste proteazy.
Droga wewnętrzkomórkowa obejmuje działanie katepsyn kolagenolitycznych,
które są aktywne w środowisku kwaśnym, w mikrozatokach wytworzonych
wokół włókien kolagenowych przez przylegające makrofagi lub osteoklasty.
KOLAGEN W KOŚCI
W kości występuje prawie wyłącznie kolagen typu I. Stanowi on 85-95%
całej zawartości substancji organicznych kości. Pozostałe składniki
to m.in. osteokalcyna, osteonektyna, sjaloproteidy i proteoglikany.
Małe ilości kolagenu typu III i IV, jakie stwierdza się w kości, to
białka występujące w naczyniach krwionośnych, nie będące produktem osteoblastów.
Istotną cechą kolagenu jest wieloetapowa synteza, obejmująca procesy
niezależne bezpośrednio od zapisu genetycznego. Daje to możliwość wytworzenia
wręcz nieskończonej liczby odmiennych białek również u tego samego osobnika,
mimo że są one produktem tych samych genów. Ta heterogenność, której
regulacyjne zasady są nieznane, jest zapewne przyczyną zróżnicowania
kolagenu poszczególnych tkanek albo nawet fragmentów tej samej tkanki
lub narządu. Być może jest to klucz do zrozumienia wielu procesów patofizjologicznych
dotyczących tkanki łącznej.
Kolagen typu I występujący w kości jest produktem tych samych genów,
co kolagen typu I skóry czy innych narządów, ale różni się istotnie,
co jest wynikiem modyfikacji posttranslacyjnych. Najlepiej poznaną cechą
kolagenu kości jest jego nierozpuszczalność. Tylko około 0,5% całej
zawartości kolagenu kości można wyekstrahowaç za pomocą roztworu chlorku
sodowego, a 1% za pomocą roztworu kwasu octowego. Analogiczne ilości
kolagenu dla skóry są znacznie wyższe. Jest to wynikiem wytwarzania
licznych wiązań poprzecznych, które mogą mieç budowę odmienną niż w
kolagenie innych narządów. Wykazano także inną glikozylację reszt hydroksylizylowych
w kolagenie kości
Synteza i degradacja kolagenu w kościach jest regulowana przez wiele
czynników ogólnoustrojowych (np. hormonalnych) i miejscowych, oddziałujących
na procesy kościotworzenia i resorpcji kości. Mechanizmy molekularne
tej regulacji nie zostały poznane. Kolagen zapewne decyduje o większości
procesów zależnych od substancji organicznej kości, takich jak sam proces
tworzenia kości, jej mineralizacja oraz uzyskiwanie prawidłowych własności
mechanicznych. Niewiele jednak wiadomo o aspekcie molekularnym tych
procesów.
Duży wgląd w patofizjologię kolagenu kości dostarczyły badania genetyczne
dotyczące mutacji kolagenu typu I. Łańcuchy wchodzące w skład tego kolagenu
są produktem dwóch genów, oznaczanych jako COL1A1 [łańcuch alfa1(I)]
i COL1A2 [łańcuch alfa2(I)]. Są one umiejscowione w chromosomach 17q21.3-q22
i 7q21-q22. Opisano blisko dwieście mutacji dotyczących omawianych genów.
Większość z nich jest odpowiedzialna za różne postacie wrodzonej łamliwości
kości (osteogenesis imperfecta). Jednostka ta jest klinicznie dzielona
na podtypy w zależności od nasilenia objawów. W rzeczywistości jest
to zbiór wielu różnych mutacji genów kolagenu typu I, a więc odmiennych
jednostek chorobowych, dających zbliżone konsekwencje kliniczne. Za
łagodną postaç choroby odpowiadają przykładowo punktowe mutacje genu
COL1A1, takie jak zastąpienie reszty glicyny cystyną (np. w pozycji
43, 46 lub 211) lub argininą (poz. 85). Inne podstawienia prowadzą do
śmiertelnej postaci choroby (np. glicyna-cystyna w poz. 691, 718 lub
748). Pokazuje to, jak precyzyjna musi byç struktura superhelisowa dla
zapewnienia właściwości biologicznych kolagenu.
Nieco mniej opisano mutacji punktowych genu COL1A2, również prowadzących
do osteogenesis imperfecta. Niektóre mutacje są odpowiedzialne za jedną
z postaci zespołu Ehlersa-Danlosa (typ VIIB). Istnieją uzasadnione przypuszczenia,
że niektóre postacie choroby zwyrodnieniowej stawów i osteoporozy łączą
się z zaburzeniami budowy kolagenu typu I kości.
Literatura
Kucharz E.J.: Metabolizm kolagenu w procesie doświadczalnego włóknienia
wątroby u szczurów. Przegl. Lek. 1982, 39: 643-647.
Kucharz E.J.: Metabolizm kolagenu w procesie włóknienia wątroby.
Post. Hig. Med. Dośw. 1987, 41: 302-220.
Kucharz E.J.: The collagens: biochemistry and pathophysiology. Berlin-New
York, Springer Verlag, 1992.
Kuivaniemi H., Tromp G., Prockop D.J.: Mutations in fibrillar collagens,
fibril-associated collagen and network-forming collagens cause a spectrum
of diseases of bone, cartilage, and blood vessels. Hum. Mutat. 1997,
9: 300-315.
Prockop D.J., Kivirikko K.I.: Collagens: molecular biology, diseases,
and potentials for therapy. Ann. Rev. Biochem. 1995, 64: 403-434.
Vuorio E., de Crombrugghe B.: The family of collagen genes. Ann.
Rev. Biochem. 1990, 59: 837-872.
