Молекулярная структура и типы коллагена

Основной структурной единицей коллагена являются стержнеобразные молекулы тропоколлагена, состоящие из трех спирализованных полипептидиых цепей, называемых α-цепями, которые скручены между собой в одну общую спираль и стабилизированы водородными связями. Молекула коллагена имеет относительную молекулярную массу 300 000 дальтон, длину 280 нм и толщину 1,4 нм. Каждая α-цепь содержит в среднем около 1040 аминокислотных остатков. Отличительной особенностью коллагена является присутствие оксипролина и оксилизина (химических маркеров коллагена), отсутствие триптофана, низкое содержание тирозина и метионина, высокое содержание глицина (около трети аминокислот), а также пролина и оксипролина (четверть). Концевые участки а-цепей на N- и С-концах молекулы (телопептиды) имеют отличный от основной части аминокислотный состав. Они не содержат пролина и оксипролина и не имеют глицина в каждой третьей позиции и поэтому не образуют тройной спирали. Было показано [Wess T.J., Hammersley A.P., Wess L., Miller A., 1995], что структура коллагена формируется путем параллельной укладки трипептидных молекул тропоколлагена с продольным сдвигом на ~1/4 их длины. В продольном направлении (ось c структуры коллагена) концевые С- и N‑группировки соседних трехспиральных молекул не соприкасаются, а величина промежутков, или ″щелей″, составляет около 340 Å в длину. Распределение подобных ″вакансий″ поперечным сечением около 15 Å в супрамолекулярной структуре коллагена является строго упорядоченным, что проявляется в форме характерной поперечной исчерченности коллагена с периодом с₀ = 640 Å, видимой на электронно-микроскопических снимках [2–4]. При окрашивании ″плотные″ участки остаются светлыми, тогда как вакансионные, или ″рыхлые″, участки окрашиваются в темный цвет. Таким образом, в направлении оси с в коллагене наблюдается регулярное чередование светлых, или упорядоченных, участков размером 300 Å и темных, или разупорядоченных, (рыхлых) участков размером 340 Å, включающих указанные выше молекулярные вакансии, или ″щели″.

Иммунологические исследования показали наличие в молекуле коллагена трех различных групп антигенных детерминант: 1) терминальных, находящихся в телопептидах, 2) спиральных, локализующихся на поверхности молекул, и 3) центральных, находящихся в а-цепях и освобождающихся при частичной или полной денатурации коллагена, т.е. при распаде трехспиральной спирали на отдельные цепи [Timpl R., 1976].

Важнейшим достижением последних лет является открытие гетерогенности коллагена. Из разных тканей выделены четыре генетически различных типа коллагена. Они различаются комбинацией в трехцепочечной молекуле пяти α-цепей [«1 (1); α2; αl(II), αl(III) и αl(IV)], которые кодируются различными генами и имеют некоторые особенности первичной структуры [Trelstad R.L., 1974; 1977; Epstein E.H. et al., 1975; Gay S., Miller E.J., 1978]. Распределение типов коллагена в тканях приведено в табл. 5, составленной по данным биохимического анализа. Иммунологические отличия коллагена разных типов позволили в последние годы благодаря иммуноморфологическим методам с использованием типоспецифических антител изучить локализацию разных типов коллагена в соединительнотканных структурах (табл. 6).

Как видно из данных табл. 6, наиболее распространенной изоформой является коллаген I типа, состоящий из двух<х1 (I) цепей и одной а2 цепи. Коллаген II типа [три αl (II) цепи] выделен первоначально из хрящевой ткани, но затем обнаружен в стекловидном теле и других тканях глаза. P. Smith и соавт. (1976) показали, что он синтезируется эпителием сетчатки. Тип III [три >al (III) цепи] первоначально был обнаружен в коже эмбрионов и аорте, но затем выяснилось, что он содержится в тех же тканях, что и тип I в различных пропорциях с последним. Больше всего его в аорте и кишечнике, по-видимому, в связи с наличием там гладких мышц, которыми он синтезируется наряду с коллагеном типа I [Layman D.L. et al., 1977], а также в строме внутренних органов, что объясняется наличием ретикулиновых волокон, состоящих из коллагена III типа [Wick G. et al., 1978]. Коллаген IV типа, состоящий из трех al (IV) – цепей, выделен из базальных мембран и капсулы хрусталика [Kefalides N. А., 1975].

В настоящее время обнаружены определенные особенности коллагенов разного типа [Miller A., 1976; Trelstad R.L., 1977; Fessler J.H., Fessler L.J., 1978]. Коллагены III и IV типов отличаются более высокой степенью гидроксилирования пролина, а также содержат цистин, благодаря чему способны образовывать дополнительные дисульфидные связи. Тип II и особенно IV тип содержат значительно больше оксилизина и углеводных остатков, что, возможно, стабилизирует комплекс коллагенов с протогликанами. В коллагене IV типа молекулярная масса а-цепей выше, чем в других типах (120 000–180 000 дальтон), что расценивается как отсутствие отщепления концевых пептидов проколлагена, препятствующее образованию в базальных мембранах фибрилл с типичной периодичностью [Minor R.R. et al., 1975].

Следует указать также, что, помимо макрогетерогенности, существует и микрогетерогенность коллагена, т.е. менее существенные отличия внутри типов в степени гидроксилирования пролина и лизина, содержании различных аминокислот и углеводных остатков [Prockop D. et al., 1976]. Это связано с тканевой специфичностью коллагена. Например, существуют подвиды II типа для гиалинового и фиброзного хряща, I типа для кожи, сухожилия, роговицы, две разновидности IV типа [Bailey А. et al., 1979].

По-видимому, макро- и микрогетерогенность первичной структуры коллагена играет важную биологическую роль, определяя особенности коллагеновых волокон на более высоких структурных уровнях и характер взаимодействия их с другими компонентами соединительной ткани и с клеточными' элементами, что в совокупности определяет функциональные особенности разновидностей соединительной ткани.