БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ КОЛЛАГЕНОВОГО БЕЛКА

3.4. КОЛЛАГЕНОГЕНЕЗ.

Молекула коллагена состоит из трех полипептидных цепочек, взаимосвязанных в структуре тройной, скрученной направо суперспирали, похожей по форме на трехжильный канат.

Рис. 4. Тройная хелиса. Другие дефиниции, встречающиеся в литературе: молекула коллагена, спиральный триплет, тройной хелис, 3-хелиса, тропоколлаген, суперхелиса.

Каждая из трех полипептидных цепочек альфа обладает молекулярной массой 60.000 – 120.000 (у человека 100.000 – 140.000), содержит около 1.000 – 1.200 аминокислот и имеет форму одиночной свернутой влево спирали. Таким образом, общая молекулярная масса тройной хелисы составляет, чаще всего, 300.000 [kDa]. Две цепочки идентичны, а третья незначительно отличается от них аминокислотным строением и массой.

Мы различаем четыре типа цепочек (одиночных спиралей). В зависимости от того, какие из них подвергнутся сплетению в тройную хелису, возникнет тот или иной вид коллагена, характерный для разных тканей. Также и длина суперхелисы разная для разных типов коллагена. У человека и большинства позвоночных больше всего коллагена типа I, который выступает в костях, сосудах и в нашем самом большом органе, которым, как известно, является кожа (85-90% состава коллагеновых белков). Коллаген типа I в коже имеет трехспиральную конструкцию длиной около 300 нанометров, диаметром около 1,5 нанометров и создают его две спирали (пептидные цепочки) типа альфа и одна типа альфа 2. Остальные около 10 -15% коллагеновых белков кожи, это коллаген типа III, характеризующийся, между прочим, еще большим участием собственных аминокислот: гидроксипролина и гидроксилизина, а также сиаловых кислот, которые придают ему особую выносливость. Спирали соединены двумя видами связей. Они связывают каждую цепь альфа изнутри и одновременно связывают цепочки между собой. Таким образом, они также позволяют всей конструкции растягиваться и сжиматься в определенных границах. Когда эти связи разрываются – мы называем это деспирализацией коллагена.

Процесс производства коллагена до трехрядной формы происходит в «строительных верфях» и на их «стапелях». Мы говорим здесь в такой образной форме, прежде всего, о фибробластах, или о клетках – биосинтетических фабриках разнообразных соединений и элементов, таких, например, как:

- компоненты внеклеточного матрикса собственно кожи,

- ферменты (энзимы),

- молекулы сигнальные и остальные,

- компоненты волокон коллагена и эластина.

Процесс инициируется с момента создания из ядерного ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) проколлагеновой матрицы ДНК. С ее помощью в цитоплазме ядер фибробластов и хондроцитов начинается синтез полипептидов (цепочек альфа, состоящих, как правило, из 100 – 350 аминокислот). Эта модификация зависит от присутствия специфических энзимов и микроэлементов, среди иных – железа и меди, а также органических кислот и, прежде всего, аскорбиновой кислоты (вит.С). Параллельно и в безусловной зависимости от присутствия аскорбиновой кислоты, происходит окисление и гидроксиляция аминокислот пролина и лизина. Двухрядный на этом этапе коллаген в форме единичных, но уже сформированных хелис передвигается из цитоплазматической области своей строительной «верфи» на ее стапеля. Там каждая цепочка спонтанно «ищет» двух «компаньонов» для создания суперхелисы. Подобный процесс происходит и при производстве эластина. Именно поэтому эластин часто называют сестринским белком коллагена.

Рис.5. Фибробласт и его функции.

Коллаген в двухрядной форме (спирали), который вскоре станет трехрядным (тройные спирали) имеет также форму, растворимую в воде. Тропоколлаген характеризует также и то, что его конструкция, составленная из молекул (цепочек), может подвергаться диссимиляции (распаду) снова на молекулы, и даже на короткие аминокислотные конструкции. Причем, до тех пор, пока эти продукты распада не покинули еще своей клеточной среды, они могут снова принять участие в синтезе. Наблюдалось также, что даже если продукты преждевременной диссимиляции коллагена не входят снова в непосредственные реакции синтеза, то само их присутствие в фибробластовой и околофибробластовой среде явно стимулирует процесс синтеза коллагена. В то же время продукты «преждевременной» (побочной в процессе биосинтеза) диссимиляции эластина благоприятствуют в околофибробластовой среде процессам синтеза «сестринских» коллагеновых белков, но уже, что интересно, не в состоянии помочь в таком же синтезе матричных белков – волокнистого эластина, возникающего из тропоэластина.

И, наконец, белки, которые «заблудились», полипептиды, которые не превратятся сами в спирали, или позже не найдут партнеров для тройной хелисы, а также всевозможные белковые остатки не создавшие никаких связей – все они распадутся на аминокислоты, значительное большинство которых снова включатся в процесс метаболизма и смогут послужить строительным материалом для новых протеинов, причем даже не обязательно коллагена. Только одна аминокислота, свойственная исключительно коллагену – гидроксипролин – неспособна к повторному усваиванию. Однако, присутствие гидроксипролина в околофибробластовой среде значительно способствует процессам синтеза коллагена, даже когда сам он непосредственно не соединяется с протеинами. В конце концов, он впоследствии удаляется с мочой. Каждый раз участие гидроксипролина в возникновении коллагена требует его дополнительного создания.

Еще на самом раннем (молекулярном) этапе процесса биосинтеза коллагена происходит сначала выравнивание цепочек (вскоре уже спиралей), затем «сшивание» их крайними пептидами и возникновение (в цепочках типа альфа) пока еще внутренних связей. Затем пептидная цепочка «закручивается» в левую сторону, причем процесс этот непрерывный и распространяется до самого конца цепочки, в результате чего возникает (пока еще одиночная) хелиса. Далее после того, как эта хелиса «найдет» партнеров для создания триплета происходит подобный процесс, но теперь спирали взаимно переплетаются, так, будто им подарили застежку «молнию». Этому сопутствуют мгновенное возникновение двусернистых связей (мостиков) и сильное сворачивание всей возникшей конструкции, но на этот раз – направо. В конечном результате 3-хелиса окончательно покидает клеточную среду и «сойдя со стапелей» своей верфи, переходит в пространство внеклеточного матрикса (равнозначные дефиниции: межклеточный матрикс, внеклеточный матрикс, ECM– extracellular matrix).

На этапе выхода молекул за пределы клетки-матрикса, параллельно с процессом объединения их в триплеты и возникновения двусернистых мостиков, в присутствии энзима лизилоксидазы, содержащего среди прочих медь и железо, начинается процесс окисления некоторых остатков лизина или гидроксилизина до формы реактивных альдегидов. Это, в свою очередь, обеспечивает условия для формирования суперхелис и превращения их в субволокна (фибриллы). Из белковых остатков возникают очередные продольные и поперечные связи, которые все более и более изменяют тип тропоколлагена. Наконец, тройные хелисы настолько прочно сплетены в сеть, что теперь уже могут «начать думать» о дальнейшем синтезе в микрофибриллы (четырехрядная форма), из которых впоследствии возникнут волокна (пятирядная форма).

Описанный синтез коллагена происходит, как и все биологические и биохимические процессы в организме лучше или хуже, более или менее гладко. Одним образом в юношеском возрасте, пышущим здоровьем и с прекрасным аминокислотным хозяйством, и иначе, когда организм начинает стареть, когда его донимают болезни, или когда человек не заботится о поставке своему организму компонентов для синтеза коллагена, витаминов и микроэлементов, которые обуславливают успех и производительность этого биосинтеза. И, напротив, хороший «густой» коллаген это превосходная соединительная ткань, отсутствие морщин до самой пенсии, соколиное зрение, сопротивляемость инфекциям, молниеносное заживление ран и царапин. Одним словом, говоря проще – молодость, здоровье и красота!

Обмен коллагена

Коллаген, как и другие белки, не дан нам раз и навсегда. Он «рождается» в своих матричных клетках и «умирает», то есть подвергается анаболическим и катаболическим процессам. Распадающийся коллаген точно так же катаболизируется в энергию и отходы, как и другие белки. У коллагена, однако, тоже есть в организме настоящие смертельные враги и они его реально уничтожают. В местах уничтоженного коллагена возникает новый. Происходит непрерывный обмен.

Существенным является то, что в молодости, в здоровом состоянии, при должной заботе о правильном аминокислотном хозяйстве, коллаген синтезируется в клетках довольно быстро, а распадается довольно медленно. Период такого правильного полураспада - 50-60 дней. Такое преимущество синтеза коллагена, находящегося в хорошей кондиции, по отношению к его деструкции, является очередной особенностью этого исключительного белка, и возникает эта особенность вследствие нескольких обстоятельств.

Во-первых, коллаген созревает медленно, или точнее говоря, медленно формируются его полноценные частички. При этом на длительность этих процессов созревания имеет существенное влияние биологический возраст человека. Вместе с увеличением биологического возраста коллаген созревает все медленнее. И напротив – лица, располагающие коллагеном «в прекрасной форме», то есть просто более часто обменивающимся, обычно метрически имеют гораздо больше лет, чем биологически.

В целом, считается что (к сожалению) уже между 25-м и 30-м годом жизни у большинства представителей человеческой популяции процессы созревания коллагена начинают замедляться – и отныне будут все больше замедляться до самого конца жизни. С точки зрения исследований этого белка, без сомнения белка молодости, начало процесса старения наступает у большинства из нас намного раньше, чем принято считать.

У молодого взрослого человека «в самом расцвете сил» обмен коллагена происходит на фоне других белков достаточно медленно, однако он все же превышает количество шести килограммов в год. Но уже у пациента в старшем возрасте это количество опускается до чуть более трех килограммов.

Рис. 6

Иногда происходит дополнительное ускорение деструкции. Например: вполне возможно, что у женщины, которая находится в стадии менопаузы всего лишь два года, возможна ситуация, при которой потери коллагена на 20% больше, способности его восстановления. Точно также происходит в длительные периоды плохого питания, в состояниях перегрузок организма, например вследствие алкогольной или наркотической зависимости. И снова – на противоположном полюсе: каждый из нас знает людей, которые выглядят на 20 лет моложе своего возраста, причем без всякого вмешательства пластического хирурга. Такие люди почти никогда не болеют и обладают неисчерпаемой энергией. Есть пожилые люди без видимых морщин, которые целыми днями катаются на лыжах, а если даже сломают ногу, то она срастается у них быстрее, чем у их внуков. Мы говорим здесь о людях, которые или генетически снабжены коллагеновым матриксом, достойным зависти, или у которых в результате правильного образа жизни, питания или суплементации процесс обмена коллагена все еще «не хочет» замедляться.

Во-вторых, значительное скопление в нашем организме (имеется в виду организм здоровый и правильно питающийся) «молодого» (в смысле наиболее ценных и крепких волокон) коллагена вызвано особой необходимостью. Наш организм ведет себя так, будто он «предвидит» будущие травмы, болезни или другие состояния, в которых ему понадобится коллагеновый резерв для нужд регенерации органа, заживления ран, лечения ожога или поражения кожи либо другой ткани.

В-третьих, коллаген действительно «созревший» обладает необыкновенной (это которой уже?) чертой «постоянства» и практически недоступен для своих злейших врагов – различных протеолетичиских энзимов. Разумеется не всегда и не всех. В организме существуют энзимы, способные уничтожить коллаген (например, лизосомальные клеточные ферменты). Однако чтобы возникли условия для их атаки, где проявилась бы их уничтожающая деятельность по отношению к коллагеновым волокнам, они должны сами оставить свои лизосомы, что при полноценной, остающейся в хорошей форме, то есть хорошо питающейся клеточной оболочке, практически не случается. Да и сам коллаген должен быть слабым, находиться под угрозой денатурации, ибо только тогда он подвержен агрессии лизосомальных протеинов.

По трем вышеперечисленным поводам, при условии здоровья и правильного аминокислотного хозяйства наш коллаген должен «стареть» только тогда, когда настанет его неизбежная пора. Так что, если морщины на лице у нас появляются гораздо раньше, чем должны, если мутнеет глазное яблоко, если множество физиологических недомоганий сигнализирует нам о плохом общем состоянии организма – значит наступил последний момент, когда еще можно остановить неблагоприятное развитие событий. Немногие люди отдают себе отчет в том, сколько болезненных состояний возникает непосредственно из-за плохого состояния белков, а также сколько нежелательных для человека реакций его тела на течение времени можно приостановить на много-много лет, если в нужный момент позаботиться о систематическом снабжении этого тела соответствующими питательными компонентами, то есть витаминами, микро- и макроэлементами, а особенно элементами, восстанавливающими протеин, и среди них на первом месте – восстанавливающими свой собственный органический коллаген.

Чтобы исчерпать тему уничтожения коллагена энзимами, следует вспомнить о коллагеназе. Это фермент, роль которого в организме представляется как роль контролера процессов коллагеногенеза, причем во всех органах, где находится коллаген типа I и типа III. Коллагеноз мягких тканей подобно боевой колеснице древних римлян, оснащенной острыми лезвиями, буквально разрезает ряды своего врага – коллагена. Он сеет опустошение, причем, как в состояниях гомеостаза, так и в состояниях патологических. Другие ферменты вследствие такой атаки приводят коллаген к более сильному изрешечиванию, в результате чего он быстрее стареет. Что интересно, - ферменты коллагеназ производятся теми самыми фибробластами, которые производят и коллагеновые молекулы. На практике эта гражданская война выглядит так, словно энзим коллагеназы отрезает только кусочек пептидной цепочки, которую затем уничтожают другие энзимы, уже из группы протеаз. Причем, вообще ферменты протеолитические (например, пепсин, трипсин, папаин) способны расщеплять только растворимые фракции коллагена, и уж совсем безопасны для форм фибриллярных, то есть волокнистых.

Другими примерами самоуничтожения коллагена ферментами собственного организма являются действия лейкоцитов, которые как раз с помощью энзимов гидролизуют маленькие пептидные цепочки, разлагая их на аминокислоты, ну, и к сожалению, злокачественные опухоли: производимые ими энзимы режут коллаген с целью получения жизненного пространства. Когда они достигают своей цели, открывается путь к метастазам (переносу).

Процесс гидролиза убийственен для коллагена. Поэтому всевозможные коллагеновые гидролизаты, которые должны были стать эффектными компонентами косметических препаратов, потерпели полное поражение в этой области. Не лучше обстоит дело и с пищевыми добавками, питательными препаратами и «ускорителями» для спортсменов, производимыми на базе коллагеновых гидролизатов, чаще всего животного происхождения. Гидролизат коллагена, независимо от того, от какого животного он получен, является только и исключительно «пептидной падалью». Его накожная аппликация (например, в креме «с коллагеном») может давать лишь разовый увлажняющий эффект. Употребление же его в целях суплементации является, конечно, полезным для метаболизма белков, но оно столь же полезно, как например употребление желатина. Полным недоразумением является трата денег на гидролизаты коллагена, цена которых находится на уровне пищевых добавок. Они просто этого не стоят. Лучше за эти деньги съесть несколько раз обед, состоящий из рульки, раков или просто курицы в бульоне.

Если говорить о процессах гидролизации коллагена в человеческом организме, то протекают они так: ферменты лейкоцитов разрывают пептидные соединения на спиральном уровне. Расщепленные коллагеновые молекулы денатурируют при нормальной температуре организма, то есть около 37 градусов Цельсия, в то время как не атакованные энзимами могут выдержать даже состояние высокой температуры, приближенной к 42 градусам Цельсия. В свою очередь, денатурирующие элементы спирали становятся редкими, водянистыми и, наконец, переходят в форму желатина, чтобы, в конце концов, быть разрушенными другими, даже слабыми, ферментами. Гидролизация белков не является даже для здорового организма особо вредной. Кроме распада, например коллагена, большинство аминокислот (за исключением гидроксипролина) снова входит в новые метаболические процессы. Часть из них – анаболически активная - «воскреснет» как строительный элемент новых протеинов.