Все знают, что коллаген очень важен. Все слышали, что коллаген связан с костями и связками. Но мало кто представляет, что такое коллаген и почему на нем в буквальном смысле этого слова держится весь наш организм. MedAboutMe рассказывает, зачем нам нужен коллаген и как с ним связан COVID-19.
Что такое коллаген?
На самом деле, коллаген – это не один-единственный белок, а целое большое семейство из 28 белков, самых распространенных у млекопитающих. На коллагены приходится 30% от всех наших белков. Представители этого семейства создают основу всех структурных конструкций нашего тела, они определяют механические свойства тканей и их форму.
Коллагены – это не какая-то скучная цепочка аминокислот. Они бывают в виде нитей, бисерных низок, сетей и др. И все это – долгоживущие белки, не однодневки. Форма их может меняться, а с возрастом растет степень гликирования – при этом образуются перекрестные связи между разными частями белка, и коллагены становятся более жесткими. Неудивительно, что чем старше человек, тем менее его соединительные ткани пластичны и менее эластичны.
У всех коллагенов есть общая черта – это тройная спираль из трех полипептидных альфа-цепей, которая скрепляется аминокислотами глицином, пролином и гидроксипролином.
Как указывается в статье, опубликованной в 2011 году в журнале Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, коллаген I закручен в нее на 96%, а коллаген XII – только на 10%. Но тем не менее тройная спираль – их структурная особенность.
Однако не все белки с такой тройной спиралью — коллагены! Их называют коллагеноподобными белками.
Первичная спираль закручивается в бета-спираль, а три таких бета-спирали свиваются в новую спираль и фиксируются внутри нее, объединяясь в спиралевидные фибриллы, которые, в свою очередь, образуют коллагеновые волокна, тоже стабилизирующиеся поперечными связями. Неудивительно, что такая сложная структура обладает высокой прочностью.
Коллаген вырабатывают фибробласты (клетки кожи), остеобласты (клетки кости) и хондробласты (клетки хрящей) и др. Срок жизни разных типов коллагена составляет от нескольких дней до года. Для расщепления «отработанного» коллагена у нас есть специальные ферменты, которые в несколько этапов разбирают его до олигопептидов – небольших белков из нескольких аминокислот.
Чем старше человек, тем медленнее у него происходит обмен коллагена. Как мы говорили выше, с возрастом количество поперечных сшивок между фибриллами и цепями увеличивается, и молекулы коллагена становятся недоступны для ферментов, которые должны их расщеплять.
Растяжение соединительной ткани активирует процессы синтеза коллагена и эластина, причем коллагена синтезируется в 3 раза больше. Это и есть механизм действия упражнений на растяжку.
Внеклеточный матрикс — коллагеновая среда
Людям, изучавшим биологию в средней школе и что-то из нее запомнившим, организм представляется набором клеток, упакованные в отдельные ткани, органы, части тела. Мало кто помнит, что наше тело – это не конструктор Лего, а сложная система с совершенными механизмами взаимодействия между миллионами разных клеток и синхронизации их жизнедеятельности. Для обеспечения такой синхронизации, для объединения отдельных клеток в единый организм нужна единая же среда. Такой средой является внеклеточный матрикс (ВКМ).
В 1980-х года ученые А. Пишингер и Х. Хайне сформулировали теорию внеклеточного матрикса, в которой доказывали, что коллагеновая система играет информационную роль и определяет даже развитие тканей и органов. В ходе экспериментов разрушение коллагена приводило к сбоям в формировании клеток эпителия роговицы глаза, почек, легких, слюнных желез, кожи, мышц и др. Коллаген также способствуют образованию тромбов при повреждении сосудов.
ВКМ представляет собой трехмерную сеть из крупных молекул, которые структурируют пространство вокруг клеток, создавая для них не только механическую опору, но формируя питательную, информационную и регулирующую их жизнь атмосферу. У каждого органа организация ВКМ своя, то есть она органоспецифична, и тем не менее ВКМ образует единое пространство нашего тела.
Коллагены – основной структурный компонент ВКМ. Именно коллагены и еще один белок — эластин образуют волокна – решетку матрикса. Все остальное пространство заполнено коллоидным раствором, в котором находятся десятки биологически активных веществ.
В июне 2021 года ученые из Northeastern University опубликовали статью, в которой предлагают менять жесткость коллагеновой структуры дыхательных путей для лечения астмы. Собственно, при увеличении жесткости ВКМ дыхательные пути сужаются быстрее и сильнее, что способствует обострению заболевания. Если найти способ не допустить изменения жесткости ВКМ, то это может стать новым методом терапии.
Кости, мышцы, связки, кожа...
Коллаген – основа соединительной ткани. Это значит, что его много в костях, связках и сухожилиях, в мышцах, в стенках сосудов и в коже.
Именно коллаген ограничивает растяжение тканей. В норме в стенках кровеносных сосудов, в тканях сухожилий, связок, коллагеновые волокна присутствует не в виде сети, а виде вытянутых фибрилл, и уложены «не внатяг». Если происходит растяжение ткани, волокна распрямляются и удлиняются, но не больше, чем на 10-20%.
Физические нагрузки и движение снижают количество поперечных сшивок между цепочками коллагена. Во-первых, это не позволяет «закостенеть» с возрастом, а во-вторых, это увеличивает интенсивность обновления коллагена.
В костях коллаген упакован иначе. В плоских и трубчатых костях костная ткань – пластинчатая. Волокна коллагена строго ориентированы: в центральной части волокна расположены вдоль, а на периферии – поперек или под углом. Это создает единую костную структуру высокой прочности.
В коже коллаген организован в трехмерную ромбовидную сеть, которая более всего развита там, где мы испытываем постоянное давление: подошвы стоп, локти, ладони. Плетение сети позволяет нам двигаться в «кожаном мешке», не испытывая никаких ограничений – кожа легко растягивается и собирается обратно.
Коллаген термолабилен. Это значит, что он сжимается при охлаждении и расширяется (расслабляется) при нагревании. Причина – молекулы воды. При охлаждении они встраиваются внутрь молекулы коллагена и стягивают ее: коллагеновый пучок длиной 1 мм уменьшается на 0,1 мкм при падении температуры на 1°С.
Это его свойство обеспечивает нам кожную реакцию на изменение температуры. У нас нет терморецепторов в коже. Это коллаген реагирует на холод и жару и активируют кожные механорецепторы, которые отправляют сигнал в мозг.
Что будет, если коллагена становится слишком много?
Это тоже плохо. Самый наглядный и актуальный на данный момент пример – фиброз легочной ткани при COVID-19.
Еще весной 2020 года, в начале пандемии, врачи обнаружили, что для COVID-19 характерно развитие очагового и прерывистого интерстициального фиброза, что подтвердилось исследованиями немецких ученых, опубликованных осенью того же года. То есть, в отдельных участках легких, пораженных вирусом SARS-CoV-2, на фоне длительно текущего воспаления и гипоксии происходит повышенная выработка коллагена. Как отмечают украинские исследователи в своей статье 2021 года, при этом участки плотных коллагеновых тяжей (пневмофиброз) чередуются с участками рыхлой ткани. Все это приводит к изменению архитектоники легочной ткани и появлению тех самых знаменитых областей «матового стекла», видимых на КТ и признанных в итоге одним из симптомов COVID-19.
Фиброз может перерасти в склероз – полное замещение тканей органа плотной соединительной тканью. Если при этом нарушается структура органа, происходит его деформация, говорят о циррозе.
Например, аналогичные процессы происходят при фиброзе печени, который постепенно перерастает в цирроз. Избыток коллагена при заживлении ран приводит к образованию локального очага склероза и образованию рубцов, и др.
