Kolagen jest głównym biopolimerem organizmów
żywych. Występuje w skórze, ścięgnach, kościach, rogówce oka,
błonach i kapilarach. Ze względu na właściwości biologiczne,
nietoksyczność, biozgodność ze wszystkimi organizmami żywymi oraz duże
rozpowszechnienie kolagen jest stosowany jako biomateriał w medycynie,
przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym.
Najnowsze badania wykazują, że w skład rodziny kolagenów
wchodzi aż 20 typów tego białka. Cechą charakterystyczną kolagenu jest
fakt, że cząsteczka tego białka jest potrójną helisą, w której podstawowy
tryplet aminokwasów utrzymujący tę strukturę to glicyna, prolina i hydroksyprolina
(GlyProHyp). Utworzony z aminokwasów łańcuch polipeptydowy zawiera szereg
wiązań, wokół których może się odbywać wewnętrzna rotacja.
Konformacja łańcuchów polipeptydowych decyduje o drugorzędowej
strukturze kolagenu. Długi łańcuch polipeptydowy tworzy helisę. Struktura
trzeciorzędowa powstaje przez połączenie trzech łańcuchów polipeptydowych
w potrójną helisę. Powstanie struktury trzeciorzędowej możliwe jest
dzięki występowaniu wiązań sieciujących. Wiązania te odgrywają decydującą
rolę w kształtowaniu się specyficznej struktury cząsteczki kolagenu.
Dzięki wiązaniom sieciującym tworzą się struktury wyższych rzędów. Struktura
czwartorzędowa powstaje przez połączenie potrójnych helis w fibryle,
a struktura piątego rzędu powstaje przez połączenie fibryl we włókna.
W miarę starzenia się organizmu wzrasta liczba wiązań
sieciujących (głównie kowalencyjnych), co powoduje, że struktura kolagenu
staje się bardziej sztywna, a kolagen z formy rozpuszczalnej przechodzi
w formę nierozpuszczalną. Różnego rodzaju czynniki np. podwyższenie
temperatury, zmiana wartości pH czy duża dawka promieniowania mogą doprowadzić
do zniszczenia naturalnej struktury kolagenu, np. do jego denaturacji.
Polega ona na zmianach drugo- i trzeciorzędowej struktury ich cząsteczki
bądź zmianach ich struktury nadcząsteczkowej przebiegających bez rozrywania
wiązań peptydowych, czyli z zachowaniem struktury pierwszorzędowej białka.
W przypadku kolagenu denaturacja oznacza przejście struktury helikalnej
w statystyczny kłębek. Temperatura denaturacji zależy od zawartości
wody w kolagenie i od stopnia jego usieciowania.
Kolagen pełni głównie funkcje podporowe
w organizmie, jest czynnikiem kontrolującym rozmieszczenie sił wewnętrznych
i zewnętrznych działających na ustrój. Materiały kolagenowe znane są
z tego, że mogą w swej strukturze wiązać ogromne ilości wody. Oddziaływanie
promieniowania UV z kolagenem zachodzi in vivo w żywych organizmach
jak również z materiałami kolagenowymi wykorzystywanymi w różnych gałęziach
przemysłu i medycynie. Szczególnie ważna jest stabilność fotochemiczna
w przypadku sterylizacji materiałów kolagenowych promieniowaniem UV.
Starzenie się kolagenu in vitro wynika z fotosieciowania i z fotochemicznego
utleniania. Rezultatem jest zmiana właściwości mechanicznych i termodynamicznych
kolagenu. Dotychczasowe badania wykazały, że roztwory kolagenu pod wpływem
promieniowania UV tracą zdolność do wytwarzania fibryl, a wynikiem procesów
fotochemicznych jest zarówno sieciowanie jak i degradacja. Głównymi
chromoforami absorbującymi UV w kolagenie są aminokwasy aromatyczne:
tyrozyna i fenyloalanina.
Typ reakcji fotochemicznych i ich wydajność zależy od
obecności innych substancji w tym białku. Schemat 1. Zmiany konformacyjne
i koagulacja kolagenu a) cząsteczka kolagenu w postaci potrójnej helisy
utrzymywanej przez wiązania wodorowe wenątrz- i międzycząsteczkowe,
b) stopniowe jej niszczenie wskutek rozrywania wiązań wodorowych, co
prowadzi do skłębiania cząsteczki, c) tworzenie rodników wskutek odrywania
podstawników bocznych, d) tworzenie rodników wskutek rozrywania wiązań
peptydowych.
Promieniowanie UV prowadzi w polimerach do pękania łańcucha
głównego i tworzenia makrorodników. W atmosferze powietrza makrorodniki
te mogą reagować z tlenem dając makrorodniki tlenkowe i nadtlenkowe
prowadzące do reakcji wtórnych. Wynikiem tych reakcji jest mieszanina
produktów fotodegradacji i utleniania. Zastosowanie w ostatnich latach
metod chromatograficznych pozwoliło na zbadanie zmian zachodzących pod
wpływem UV nie tylko w strukturze drugo- i trzeciorzędowej, ale również
w strukturze pierwszorzędowej kolagenu. Analiza składu aminokwasowego
kolagenu wskazuje, że pod wpływem promieniowania UV maleje zawartość
aminokwasów aromatycznych. Powstają z nich nowe związki, takie jak dityrozyna
czy 3,4-dihydroksyfenyloalanina zwana DOPA. Jednak nie o każdej długości
fali promieniowanie UV powoduje rozpad aminokwasów aromatycznych. Wykazano,
że w kolagenie ze skóry cielęcej UVC (254 nm) powoduje destrukcję aminokwasów
aromatycznych, natomiast UVA (366 nm) i promieniowanie słoneczne nie
wywołują tej przemiany. Promieniowanie UVC (220-290 nm) powoduje degradację
cząsteczki kolagenu i powstawanie produktów o mniejszej masie cząsteczkowej.
Ich identyfikacja jest obiektem ciągłych badań.
Przemiany fotochemiczne w kolagenie są ciągłym obiektem
badań i nie stanowią zamkniętego rozdziału w badaniach tego biopolimeru.
Doniesienia literaturowe dotyczą różnych typów kolagenu, izolowanych
z różnych tkanek i różnych organizmów stąd też wyniki nie zawsze są
powtarzalne. Różne typy kolagenu różnią się między sobą swymi specyficznymi
właściwościami stąd mogą różnie zachowywać się pod wpływem działania
energii cieplnej, czynników chemicznych czy światła.
