Prof. dr hab. n. med. Eugeniusz Józef Kucharz
Kierownik Katedry i Kliniki Chorób Wewnętrznych i Reumatologii Śląskiej Akademii Medycznej 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 (ryc. 1).

Ryc. 1. Struktura superhelisy

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 (3).

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 (3).

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 (5).

• 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.

Ryc. 2. Układ cząsteczek kolagenu typu I tworzącego włókna

• 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. Na rycinie 3 zestawiono wybrane etapy biosyntezy kolagenu typu I.>

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. Schemat rozpadu kolagenu przedstawiono na rycinie 4.

Ryc. 4. Schemat degradacji kolagenu

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 (3).

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.

1. Kucharz E.J.: Metabolizm kolagenu w procesie doświadczalnego włóknienia wątroby u szczurów. Przegl. Lek. 1982, 39: 643-647.

2. Kucharz E.J.: Metabolizm kolagenu w procesie włóknienia wątroby. Post. Hig. Med. Dośw. 1987, 41: 302-220.

3. Kucharz E.J.: The collagens: biochemistry and pathophysiology. Berlin-New York, Springer Verlag, 1992.

4. 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.

5. Prockop D.J., Kivirikko K.I.: Collagens: molecular biology, diseases, and potentials for therapy. Ann. Rev. Biochem. 1995, 64: 403-434.

6. Vuorio E., de Crombrugghe B.: The family of collagen genes. Ann. Rev. Biochem. 1990, 59: 837-872.