Уровни структурной организации коллагена

А. Первичная структура цепей коллагенов сильно отличается от аминокислотных последовательностей других белков, поскольку представляет собой повторение трех аминокислотных остатков: (гли-Х-У)_n, где Х и У – любые аминокислотные остатки, кроме глицина. Особенности первичной структуры коллагенов состоят в том, что: а) каждый третий аминокислотный остаток представлен глицином; б) из приблизительно 1000 аминокислотных остатков, входящих в состав молекулы коллагена, около 100 Х-положений занято пролином и около 100 У-положений – 4-гидроксипролином, кроме того, на каждую молекулу приходится около 100 остатков аланина; в) в Х-положениях содержится 3-гидроксипролин, а в У-положениях – 5-гидроксилизин.

Б. Вторичная структура коллагена представлена не правозакрученной, как у многих других белков, а левозакрученной α-спиралью, в которой на один виток приходятся три аминокислотных остатка (в правозакрученной α-спирали на один виток приходятся 3,6 аминокислотных остатков), и все остатки глицина находятся по одну сторону этой спирали, которая отличается еще и тем, что она более вытянута – шаг спирали составляет не 0,54 нм, а 0,96 нм. У такой растянутой спирали невозможно образование водородных связей между атомами кислорода карбонильных групп и атомами водорода, связанными с участвующим в образовании пептидных связей атомами азота.

В. Третичная структура коллагена

За счет того, что три левозакрученные спирали собираются в одну тройную (правозакрученную) спираль, формируется третичная структура коллагена. Поскольку глицин является наименьшим по размеру среди других аминокислотных остатков и не имеет боковых радикалов, остатки глицина всех трех цепей коллагена располагаются в центре тройной суперспирали, образуя ее внутреннюю часть (см. рис. на стр.10).

Дополнительную стабильность тройной спирали (тропоколлагену) придает наличие большого количества остатков пролина, вокруг которых невозможно врaщение полипептидной цепи, и остатков гидроксипролина, образующего внутримолекулярные водородные связи. Кроме того, третичная структура коллагена стабилизируется большим количеством сшивок, возникающих как результат действия на лизильные остатки фермента лизилоксидазы. Внешний вид молекулы тропоколлагена напоминает стальной трос.

Г. Четвертичная структура коллагена – способ укладки молекул тропоколлагена в пространстве в виде фибриллярных структур. Процесс формирования фибрилл коллагена называется фибриллогенезом.

Коллагеновые фибриллы имеют разную толщину и по-разному организуются в различных тканях. Например, в коже они расположены наподобие прутьев в плетеных корзинах, и поэтому сопротивляются нагрузкам по всем направлениям. В сухожилии они собраны в параллельные пучки, уложенные вдоль главной оси, а в зрелой костной ткани и роговице глаза их расположение напоминает чередующиеся слои в фанере – фибриллы каждого слоя уложены параллельно друг другу почти под прямым углом к фибриллам соседних слоев. Клетки участвуют в организации секретируемых ими коллагеновых белков: фибробласты воздействуют на выработанный ими коллаген, передвигаясь вдоль него и одновременно растягивая его, что способствует уплотнению слоев и вытягиванию волокон.