Štruktúra tropokolagénovej jednotky - tzv. trojitá špirála zložená z 3 polypeptidových reťazcov

Kolagén – fibrilárny proteín tvoriaci hlavnú zložku medzibunkovej hmoty živočíšnych organizmov[1], ktorý dodáva tkanivám odolnosť voči naťahovaniu[2] . Vyskytuje sa prakticky vo všetkých živočíšnych tkanivách[3][4] a pôsobí ako hlavný štrukturálny proteín[3]. Sila kolagénu súvisí s opakujúcimi sa tripeptidovými sekvenciami v troch reťazcoch, ktoré ho tvoria[5], vďaka čomu je možné, aby sa tieto reťazce omotali okolo seba a vytvorili dlhú, trojitú špirálu (kolagénová špirála)[6]. .

Kolagén nepredstavuje jediný proteín so špecifickou štruktúrou[3], existuje mnoho typov kolagénov, ktoré vykazujú určité rozdiely v štruktúrnych a funkčných vlastnostiach[1], preto sa kolagény označujú ako rodina proteíny[3]. Všetky však obsahujú aspoň jednu doménu trojitej špirály a tvoria supramolekulárne agregáty v medzibunkovej látke[7]. Typicky sú to vo vode nerozpustné fibrilárne proteíny podobné tyčinkám[3].

Kolagén je najbežnejší živočíšny proteín[4]. V organizmoch stavovcov tvorí približne 1/3 všetkých bielkovín[1]. Je to hlavný proteín v koži, šľachách a kostiach[8] – najbežnejší kolagén typu I sa tam nachádza v chrupavke a kolagén typu IV v bazálnej membráne[2]. Kolagén je stavebným kameňom prstencovej kutikuly. Vyskytuje sa v mezoglei a tkanivách cnidariánov a u ostnatokožcov, článkonožcov, ramenonožcov a iných bezstavovcov. Mimo živočíšnej ríše bol kolagén nájdený vo foraminiferách[9].

Kolagén sa používa v kožiarskom, potravinárskom, kozmetickom, biotechnologickom a farmaceutickom priemysle[10].

Charakteristika kolagén v živočíšnych tkanivách

h2>

Výskyt kolagénu sa niekedy považuje za charakteristický znak mnohobunkových živočíšnych organizmov (od húb až po ľudí)[11]. Kolagén je hlavnou vláknitou zložkou kože, šliach, chrupaviek, krvných ciev, kostí a zubov[12]. V organizmoch cicavcov tvorí približne 25 % celkovej bielkovinovej hmoty[8]. V šľachách tvorí kolagén pozdĺžne vlákna a v koži tvorí voľne tkanú sieť vlákien[12]. Činená koža je v skutočnosti ošetrená kolagénom[8]. V zuboch a kostiach sieť kolagénových vlákien podporuje ich štruktúru ako oceľové tyče vo vystuženom betóne[5].

Kolagén dáva tkanivám odolnosť voči rozťahovaniu – odhaduje sa, že kolagénové vlákno s priemerom 1 mm nezlomí sa v dôsledku zavesenia 10 kg závažia naň[13]. Odolnosť voči kompresii však zabezpečujú proteoglykány, zložené z proteínového jadra a glykozaminoglykánov (GAG), ktoré vypĺňajú voľné priestory v medzibunkovej látke [14]. Kým v šľachách sa medzibunková látka skladá takmer výlučne z kolagénu (a v kostiach z kolagénu a kryštálov fosforečnanu vápenatého), priehľadná želatínová látka vo vnútri oka je zložená takmer výlučne z jedného typu GAG a vody s malým množstvom kolagénu. Medzibunková látka môže byť tiež bohatá na kolagén a zároveň na GAG, ktorý charakterizuje elastický a nárazy absorbujúci vplyv chrupavky[15].

Tieto štruktúry patria do spojivového tkaniva, ktoré chráni orgány a v prípade potreby poskytuje elasticitu[4]. Spojivové tkanivo sa od ostatných živočíšnych tkanív líši tým, že medzibunková látka je bohatá a prenáša mechanické sily. Za ich pevnosť v ťahu je zodpovedný kolagén (pre porovnanie, v rastlinných štruktúrach sú to polysacharidy ako celulóza). V iných tkanivách, napr. v epitelovom tkanive, je medzibunková látka prítomná v malom množstve, bunky sú navzájom priamo spojené a samy prenášajú mechanické sily[16]. Kolagén je preto produkovaný hlavne v spojivovom tkanive[17].

Kolagén je produkovaný predovšetkým vo fibroblastoch a tiež v chondroblastoch, odontoblastoch a osteoblastoch[18]. Fibroblasty tiež vylučujú fibronektín, glykoproteín nachádzajúci sa v extracelulárnej matrici a na bunkovom povrchu. Viaže agregujúce prokolagénové vlákna a mení kinetiku tvorby vlákien[19]. Obsahuje oblasti viažuce kolagén, oblasti viažuce proteoglykány a oblasti, ktoré viažu špecifické integríny nachádzajúce sa na povrchu rôznych typov buniek[20].

Kolagény v organizmoch vykonávajú tieto funkcie:

• udržiavať štrukturálnu integritu tkanív a orgánov
• podieľať sa na vývoji orgánov a oprave tkanív
• podieľať sa na procese hojenia rán
• tvoria interakcie so špecifickými receptormi, ovplyvňujú adhéziu, diferenciáciu, rast a prežívanie buniek[1].

Typy a štruktúra kolagénu

Schéma kolagénu od α-reťazcov po kolagénové vlákno. Špecifické usporiadanie molekúl tropokolagénu spôsobuje, že na snímke z elektrónového mikroskopu sú viditeľné pruhy

Pruhy viditeľné v kolagénových vláknach typu I

Izolované z ľudských tkanívmá viac ako 28 typov kolagénu, ktoré sa skladajú z viac ako 30 rôznych polypeptidových reťazcov, z ktorých každý je kódovaný samostatným génom[21]. Vykazujú významnú funkčnú a štrukturálnu rozmanitosť[1]. Hoci sa mnohé z týchto typov vyskytujú v tele v malom množstve, môžu zohrávať dôležitú úlohu pri poskytovaní vhodných vlastností tkanivám. Existuje tiež veľa proteínov, ktoré nepatria ku kolagénom, ale majú domény štrukturálne podobné kolagénu, preto sa nazývajú proteíny podobné kolagénu[21].

Kolagény môžu byť proteíny zložené z troch rovnakých polypeptidových reťazcov (takže -nazývané homotriméry) alebo z rôznych (heterotriméry). Napríklad kolagén typu I je heterotrimér zložený z dvoch reťazcov al(I) a jedného reťazca α2(I) (kde rímske číslo označuje typ kolagénu). Kolagén typu II je homotrimér zložený z troch al(II) reťazcov. Gény kódujúce kolagénové reťazce majú v názve predponu COL, za ktorou nasleduje typ kolagénu označený arabskou číslicou, písmenom „A“ a číslom kódovaného reťazca, za vznik typu sú zodpovedné napr I kolagénové reťazce[22].

Kolagény možno rozdeliť do dvoch hlavných skupín – fibrilárne kolagény a nefibrilárne kolagény[1]. Fibrilárne kolagény sú najbežnejším typom. Majú polypeptidové reťazce prepletené v štruktúre trojitej špirály, ktorá je výsledkom dlhých opakujúcich sa sekvencií aminokyselín (Gly-X-Y)n. V tejto sekvencii je prolín často (aj keď nie vždy) prítomný v polohe X a hydroxyprolín je často prítomný v polohe Y [23]. Polypeptidové reťazce kolagénu (nazývané α-reťazce)[13] sa skladajú z približne 1000 aminokyselinových zvyškov, pričom každý tretí aminokyselinový zvyšok je glycín. V kolagéne cicavcov je približne 100 pozícií X obsadených prolínom a približne 100 pozícií Y 4-hydroxyprolínom. V niekoľkých polohách X je 3-hydroxyprolín (ale len vedľa 4-hydroxyprolínu). Okrem toho sú pozície 5–50 Y obsadené hydroxylyzínom. Hydroxylyzínové zvyšky môžu tvoriť O-glykozylové väzby[24]. Glycín (Gly) je rozhodujúci pre štruktúru – každý tretí aminokyselinový zvyšok každého polypeptidu vstupuje do centrálnej časti jadra trojitej špirály a iba glycín (jeho zvyšok) je dostatočne malá aminokyselina, aby sa tam zmestila[23][25] .

Vo všeobecnom zložení aminokyselín kolagénu je 33 % glycínu a 10 % prolínu. Okrem toho existujú aminokyseliny, ktoré sa nenachádzajú vo väčšine ostatných proteínov, ako napríklad 4-hydroxyprolín (10 %), 3-hydroxyprolín (<0,5 %) a 5-hydroxylyzín (1 %) [26]. Podobne elastín, ktorý tvorí elastické vlákna, je v porovnaní s inými proteínmi nezvyčajne bohatý na glycín a prolín, ale na rozdiel od kolagénu nie je glykozylovaný[27].

Každý z troch reťazcov nájdených v kolagéne sa krúti do špirály charakteristickej pre kolagén (tzv. kolagénová špirála). Existuje 3,3 zvyškov na celú otáčku takejto špirály, t.j. menej ako v prípade alfa špirály (3,6 zvyškov). Reťaze sú usporiadané paralelne a ovíjajú sa okolo seba[23]. Tri takéto reťazce, každá ľavotočivá, navyše krútiace sa okolo spoločnej osi, tvoria pravotočivý, predĺžený superhelix[1][28]. Obrátený smer krútenia jednotlivých reťazcov a trojitá špirála robí túto štruktúru obzvlášť odolnou proti odvíjaniu pri naťahovaní[29].

Z takejto trojitej špirály sa skladá tropokolagén, ktorý je základnou štruktúrnou jednotkou kolagénu. [30]. Táto štruktúra je udržiavaná sieťou vodíkových väzieb, najmä medzi glycínovou aminoskupinou jednej špirály a prolínovou karboxylovou skupinou v polohe X inej špirály[23]. Častice tropokolagénu (priemer 1,5 nm) [31] sa zhlukujú do fibríl (fibríl) [32] (priemer 10–300 nm) [33] a v dôsledku dozrievania sa zosieťujú pomocou priečnych väzieb, pričom kolagénové vlákna [32] (s priemerom 1–20 μm)[33].

V typickej fibrile sú molekuly tropokolagénu navzájom posunuté o 67 nm[34] (64–67 nm )[35] (o niečo menej ako štvrtina dĺžky) [33] a v jednom rade sú od seba vzdialené 35 nm [34]. Toto usporiadanie na snímke elektrónového mikroskopu vedie k vizualizácii pravidelných pásov[33].

Nefibrilárne kolagény sa vyznačujú diskontinuitou špirálovej štruktúry v dôsledku diskontinuity opakujúcej sa sekvencie Gly-X-Y. Jeho nedostatok má za následok tvorbu úlomkov s globulárnou (nekolagénovou) štruktúrou. Nefibrilárne kolagény netvoria vlákna, ale tvoria sieťové systémy. Medzi nefibrilárne kolagény patria kotviace kolagény, transmembránové kolagény, multiplexíny a FACIT kolagény[1][36].

Vybrané typy kolagénu[1][18][33][37]

Typ

Štruktúra

Výskyt

Ďalšie vlastnosti

Fibrilárne kolagény

I

[α1(I)]2[α2(I)]

koža, šľachy, väzy, kosti, dentín, iné nechrupavkové spojivové tkanivá

vlákno s dĺžkou 300 nm

II

[α1(II)]3

chrupavka, sklovec, nucleus pulposus (v medzistavcovej platničke)

vlákno s dĺžka 300 nm

III

[α1(III)]3

roztiahnuteľné spojivové tkanivá, ako je koža, svaly, cievny systém; často spolu s typom I

300 nm vlákno

V

[α1(V)]2[α2(V)], [α1(V)] 3

rohovka, zuby, kosti, placenta, koža, hladké svaly; často spolu s vláknom typu I

dĺžka 390 nm, N-koncový globulárny fragment

Kolagény tvoriace sieťové systémy

IV

[α1 (IV)]2[α2(IV)]

všetky bazálne membrány

VIII

[α1(VIII)]3,[α2(VIII) ) ]3, [α1(VIII)]2α2(VIII)[38]

endotel, Descemetova membrána

tvorí hexagonálne sieťové systémy

X

[α1(X)]3

hypertrofická chrupavka

tvorí šesťuholníkové sieťové systémy

Ukotvenie kolagénov

VII

[α1(VII)]3

hemidesmozómy

najdlhšia trojzávitnicová doména, dlhá 420 nm

Kolagény sprevádzajúce vlákna s prerušenou špirálovou štruktúrou ( FACIT)

IX

[α1(IX)][α2(IX)][α3(IX)]

chrupavka, sklovec; sprevádza kolagén typu II

3 krátke kolagénové domény obsahujúce 4 globulárne oblasti[1]

XII

α1[XII]3[1]

sprevádza kolagén typu I

Transmembránové kolagény

XIII

[α1(XIII)]3

veľa tkanív, vrátane . neuromuskulárne platničky

transmembránové kolagény majú N-koniec zabudovaný vo vnútri bunky a hydrofóbnu doménu prechádzajúcu cez lipidovú dvojvrstvu membrány[1]

XVII

[α1(XVII )]3

epitel, hemidesmozómy

Multiplexíny – kolagény s mnohými nespojitými doménami špirálovej štruktúry

XV

[ α1(XV) ]3

vyskytuje sa v proteoglykánoch, kde ide o proteínové jadro spojené s chondroitín sulfátom; sprevádza kolagény bazálnej membrány

stabilizuje kostrové svaly a mikrocievy

XVIII

[α1(XVIII)]3

sprevádza kolagény bazálnej membrány

zachováva štrukturálnu integritu bazálnej membrány; blízky homológ kolagénu typu XV

Charakteristický motív trojitej špirály bol tiež identifikovaný v proteínoch vírusov, baktérií, húb, ako aj v niektorých živočíšnych proteínoch, ktoré nepatria do rodiny kolagénov (kolagén- ako bielkoviny) [11]. Takéto proteíny podobné kolagénu zahŕňajú okrem iného: kolektoríny, proteín komplementového systému C1q, vychytávacie receptory triedy A[37].

Biosyntéza kolagénu

4-Hydroxyprolín s výraznou hydroxylovou skupinou

5-Hydroxylyzín s výrazná hydroxylová skupina

Glykozylácia hydroxylových zvyškov hydroxylyzínu

Tvorba krížových väzieb medzi molekulami tropokolagénu

V biosyntéze kolagénu existujú tri hlavné fázy: syntéza na hrubom endoplazmatickom retikule (ER), post-translačné spracovanie v lúmene ER a extracelulárne spracovanie.

Kolagénové polypeptidové reťazce syntetizované na hrubom endoplazmatickom retikule, podobne ako väčšina iných proteínov, ktoré sa majú vylučovať, sa tvoria v prekurzorová forma ako molekuly preprokolagénu[39]. Preprokolagén obsahuje signálnu sekvenciu, ktorá smeruje reťazec do cisterien endoplazmatického retikula na posttranslačné spracovanie. V ER lúmene dochádza k odstráneniu signálneho peptidu (enzýmom signálna peptidáza, čím sa preprokolagén mení na prokolagén), hydroxylácii prolínových a lyzínových zvyškov a glykozylácii v molekule[39][40].

Hydroxylácia prolínových a lyzínových zvyškov prebieha za účasti enzýmov:

• Lyzínhydroxyláza - premieňa lyzín v sekvenciách X-Lys-Gly na 5-hydroxylyzín
• Prolyl-4-hydroxyláza - premieňa prolín v sekvenciách X-Pro -Gly na 4-hydroxyprolín
• prolyl-3-hydroxylázu – premieňa prolín v sekvenciách Hyp-Pro-Gly na 3-hydroxyprolín[40].

Vyššie uvedené enzýmy, lyzínhydroxyláza a prolínhydroxyláza majú vo svojom aktívnom centre ión Fe2+ a na udržanie v redukovanom stave vyžadujú aj kyselinu askorbovú (vitamín C) a reakčnými substrátmi sú kyslík a α -ketoglutarát. Reakcia je teda nasledovná[41]:

prolín/lyzín + α-ketoglutarát + O2 → hydroxyprolín/hydroxylyzín + sukcinát + CO2.

Hydroxylované aminokyseliny stabilizujú štruktúru kolagénu tvoriace vodíkové väzby[ 42], určiť tuhosť[25]. Nedostatok vitamínu C, ktorý vedie k tvorbe menšieho počtu takýchto hydroxylovaných aminokyselín, vedie k oslabeniu kolagénových vlákien a spôsobuje charakteristické symptómy skorbutu, ako sú krehké krvné cievy, abnormálny vývoj kostí a zhoršené hojenie rán[42][43].

Niektoré hydroxylyzínové zvyšky prechádzajú ďalšou posttranslačnou modifikáciou - glykozyláciou[25] - cukrové zvyšky (zvyčajne iba glukóza, galaktóza a disacharidy, ktoré tvoria) sú pripojené k novovytvoreným hydroxylhydroxylyzínovým zvyškom[23]. Takáto glykozylácia sa nevyskytuje v iných proteínoch – iba v kolagéne[25]. V závislosti od tkaniva je hmotnostný zlomok cukrov 0,4–12 %[23].

V tomto štádiu má prokolagén ďalšie aminokyselinové zvyšky (100–300)[42] s molekulovou hmotnosťou 20 -35 kDa umiestnených na amino a karboxylových koncoch. Ide o tzv predlžovacie peptidyne[19] (nazývané aj telopeptidy)[44], ktoré v zrelom kolagéne chýbajú. Obsahujú cysteínové zvyšky, za účasti ktorých sa vytvárajú intra- a medzireťazcové disulfidové mostíky. Umožňujú správne usporiadanie troch polypeptidových reťazcov pri tvorbe trojzávitnice (bez účasti enzýmov)[19].

Prokolagén je transportovaný do Golgiho aparátu, kde prebieha konečná glykozylácia[40]. - proces, pri ktorom sa niektoré zvyšky galaktózy alebo galaktozylglukózy pridávajú k hydroxylyzínu[25]. Potom sú molekuly prokolagénu zabalené do transportných vezikúl a vylučované mimo bunky [40]. Mimo bunky sa v dôsledku pôsobenia prokolagénaminoproteinázy a prokolagénkarboxypeptidázy oddeľujú predlžovacie peptidy, čo vedie k tvorbe tropokolagénu[19].

Trihelikálne tropokolagénové molekuly sa spontánne agregujú v posunutej hlave k -usporiadanie chvosta, čo vedie k tvorbe kolagénových fibríl [19][45]. Postupom času, ako kolagén dozrieva, sa v rámci a medzi molekulami tropokolagénu vytvárajú kovalentné krížové väzby, čo zvyšuje pevnosť a tuhosť štruktúry[45][40]. Vtedy už nehovoríme o fibrilách, ale o kolagénových vláknach[46][47]. Tieto krížové väzby nie sú disulfidové väzby, ako sa často vyskytujú v iných proteínoch, ale vznikajú medzi lyzínom a jeho aldehydovým derivátom alyzínom pomocou enzýmu lyzínoxidázy. Tento enzým obsahuje meď a na fungovanie vyžaduje prítomnosť pyridoxalfosfátu (vitamín B6) [45].

Syntéza kolagénu je stimulovaná poškodením tkaniva – fibroblasty migrujú do miesta rany, kde je zjazvené tkanivo zložené prevažne z kolagénu sa vyrába. Podobne miesta po odumretí parenchýmových buniek sú vyplnené spojivovým tkanivom bohatým na kolagén, napr. pri fibróze pečene[48].

Počas rozpadu kolagénu je až niekoľko mesiacov. K rozkladu kolagénu (a jeho náhrade) dochádza počas normálneho vývoja a rastu, ako aj pri oprave tkaniva[49] – neustále sa syntetizuje a rozkladá v extracelulárnom priestore. Trojité helixy sú odolné voči proteázam, ako je pepsín, trypsín, chymotrypsín[1]. K degradácii dochádza za účasti kolagenáz - extracelulárnych proteináz obsahujúcich zinok[49] (metaloproteinázy extracelulárnej matrice[1] - MMP-1, MMP-8, MMP-13)[34], ktoré prerušujú väzbu Gly-Ile v každej z tri tropokolagénové vlákna. Proteín potom spontánne denaturuje a je citlivý na pôsobenie niekoľkých intracelulárnych proteáz (napr. katepsínov). Rakovinové bunky môžu mať schopnosť produkovať kolagenázy, ktoré im pomáhajú rásť a šíriť sa[49]. Kolagenázy sa tiež podieľajú na rozklade chrupavky počas artritídy[31].

Dôsledky abnormálnej štruktúry kolagénu

Anomálie v génoch kódujúcich kolagén alebo v posttranslačnej modifikácii kolagénu ( napr. kvôli nedostatku kofaktorov nevyhnutných pre činnosť enzýmov) majú za následok ochorenia súvisiace s nesprávnou štruktúrou tohto proteínu v organizme, a teda nedostatok primeranej sily [50]. Medzi takéto ochorenia patrí:

• Ehlersov-Danlosov syndróm spojený s nadmernou rozťažnosťou kože, náchylnosťou tkaniva k poraneniu a zvýšenou pohyblivosťou kĺbov
• Alportov syndróm spojený s abnormalitami v bazálnej membráne
li>
• bulózna epidermolýza spojená s praskaním kože a tvorbou pľuzgierov aj v dôsledku drobných poranení[51]
• lámavosť kostí[48]
• skorbut v dôsledku nedostatku vitamín C (kyselina askorbová), ktorý je kofaktorom hydroxylačných reakcií prolínu a lyzínu[52]

Ďalšie abnormality zahŕňajú latyrizmus spojený s konzumáciou semien hrachu s obsahom β-aminopropionitrilu. Táto zlúčenina ireverzibilne inhibuje aktivitu lyzínoxidázy, čím narúša tvorbu priečnych väzieb v kolagéne[45].

Choroby spojené s rôznymi typmi kolagénu[18]

Typ kolagénu

Súvisiace ochorenia v prípade abnormalít

Zodpovedné gény alebo iné faktory

I

krehké kosti (osteogenesis imperfecta), Ehlersov-Danlosov syndróm typ VII (kĺbová forma)

COL1A1, COL1A2

II

chrbticové epifýzové dysplázie, achondrogenéza, hypochondrogenéza, Kniestova dysplázia, Sticklerov syndróm

COL2A1

III

Ehlersov-Danlosov syndróm typ IV (vaskulárna forma)

COL3A1

IV

hereditárna angiopatia so syndrómom nefropatie, aneuryzmami a svalovými kŕčmi (HANAC)

COL4A1

Alportov syndróm

COL4A3, COL4A4, COL4A5

Goodpastureov syndróm

autoimunitný

V

Ehlersov-Danlosov syndróm typu I a II (klasická forma)

COL5A1, COL5A2

VIII

korneálne endotelové dystrofie

COL8A2

IX

multiepifýzová dysplázia

COL9A1 , COL9A2

Sticklerov syndróm

COL9A1

X

Schmidova metafyzárna chondrodysplázia

COL10A1

XVII

COL17A1

bulózny pemfigoid

autoimunitný

XVIII

Knoblochov syndróm

COL18A1

Kolagén v kulinárskom umení

Slovo kolagén pochádza z gréckeho κόλλα/kolla – lepidlo a γεννάω/gennáo – rodiť[53]. Názov odkazuje na skutočnosť, že varením kostí a kože s obsahom kolagénu je možné ho rozložiť a získať lepkavú zmes obsahujúcu želatínu, ktorú možno použiť ako lepidlo[54]. V súvislosti s potravinami je kolagén produkt na báze bielkovín získaný zo zvieracích kostí, koží, koží a šliach, zatiaľ čo želatína je prírodný rozpustný proteín, gélujúci alebo negélujúci, získaný čiastočnou hydrolýzou takéhoto kolagénu[55]. /p>

Kolagén vo svojom prirodzenom stave má významnú schopnosť viazať a zadržiavať vodu; znižuje sa pridaním chloridu sodného (kuchynská soľ)[10].

V potravinárskom priemysle možno kolagén použiť na zlepšenie elasticity, stability a konzistencie produktu[56] a na úpravu reologické parametre[10]. Používa sa ako potravinárska prísada pri výrobe údenín a možno z nej vytvárať jedlé filmy, napr. Zdrojom komerčného kolagénu je koža a kosti niektorých stavovcov, predovšetkým ošípaných a hovädzieho dobytka [56]; želatína sa z neho vyrába chemicko-tepelnými metódami[10].

Distribúcia kolagénu v mäse

Štruktúra šľachy

Kuracie prsia s viditeľnými bielymi úlomkami tvoriacimi spojivové tkanivo bohaté na kolagén

Kolagén je hlavnou zložkou vnútrosvalového spojivového tkaniva, ktoré tvorí približne 2 – 6 % celkového obsahu bielkovín v mäse. Hrubé, natiahnutie odolné spojivové tkanivo obklopujúce kostrové svaly sa nazýva vonkajšie perimýzium (epimýzium)[53]. Svalové vlákna zhromaždené v malých zväzkoch sú obklopené primárnym perimýziom a zhromaždené do väčších sekundárnych zväzkov obklopených hrubším sekundárnym perimýziom. Hrúbka vnútorných mäsitých vrstiev závisí od typu svalov, druhu a plemena zvieraťa a jeho veku. Jednotlivé svalové vlákna sú obklopené tenkým endomýziom [53].

Endomýzium tvorí vo svaloch sieť kolagénu a elastínu, intramuskulárne spojivové tkanivo, ktoré výrazne ovplyvňuje textúru mäsa. Citlivosť mäsa vo všeobecnosti závisí od obsahu, zloženia a štruktúry vnútrosvalového spojivového tkaniva, ako aj od stupňa degradácie myofibríl a cytoskeletálnych svalových vlákien po porážke. Proteolýza bielkovín počas dozrievania mäsa po porážke podporuje jemnosť. Príznakom tejto proteolýzy je zvyšujúca sa rozpustnosť rozpadajúceho sa kolagénu[53].

Vysoký obsah kolagénu v mäse znižuje jeho jemnosť, stráviteľnosť a znižuje jeho nutričnú hodnotu. Kolagén nie je plnohodnotný proteín, pretože neobsahuje tryptofán a má nízky obsah síry a aromatických aminokyselín[53].

S pribúdajúcim vekom zvierat sa podiel kolagénu v zložení mäsových bielkovín sa zvyšuje, ba čo viac, zvyšuje sa v ňom počet priečnych väzieb. Preto je mäso mladých zvierat jemnejšie a menej vláknité[57]. Napríklad 20-dňové kurča má o 12 % menej celkového kolagénu a 12-krát menej krížových väzieb v porovnaní s jedenapolročným kurčaťom[58].

Tepelná úprava kolagénu a zlepšenie mäkkosti mäsa

Dlhá, pomalá tepelná úprava mäsa za prítomnosti vody (napríklad dusenie) spôsobuje rozklad alebo rozpúšťanie kolagénu, ktorý sa mení na želatína. Potrebná voda je prítomná v surovom mäse, v svalovom tkanive, ale pri dlhodobej suchej tepelnej úprave vzniká riziko odparovania prebytočnej vody a vysušenia mäsa. Metabolizmu kolagénu napomáhajú kyseliny napríklad z marinády, pridaných paradajok alebo vína a enzýmy, prirodzene sa vyskytujúce v mäse aj pridané (napr. papaín)[59].

Suchá tepelná úprava (napr. grilovanie) je vhodnejšie pre kusy mäsa s dobrou krehkosťou, malo by byť krátke, inak môže mäso vysušiť, pokiaľ grilovaný kus nie je veľký[60]. Pri mokrom, dlhodobom spracovaní nie je potrebné odstraňovanie kolagénových šliach[61]; želatína vytvorená z kolagénu je žiaduca, dáva vhodnú textúru a udržuje vlhkosť mäsa[62]. V prípade suchého spracovania môže mäso obsahujúce veľa kolagénu (ktorý sa nestihne rozložiť) nepríjemne gumovať a deformovať[61]. Je to spôsobené tým, že pri zvyšovaní dodávanej energie sa kolagén zmršťuje až na 1/3 alebo 1/4 svojej pôvodnej dĺžky[62], čím vytláča z mäsa vodu (a zbavuje ho požadovanej šťavnatosti)[63]. . Najlepší kuchári na grile dokážu použiť pomalú tepelnú úpravu, pričom v mäse zachovajú čo najviac šťavy[63].

V mnohých receptoch sa odporúča odložiť mäso na pár alebo jeden asi desať minút po tepelnom spracovaní. To umožňuje, aby sa medzi vláknami udržalo viac štiav regeneráciou vodíkových väzieb[63].

Dá sa to zovšeobecniťže kolagén začína denaturovať pri 52 °C, zmršťovať sa pri 58 °C a pri 68 °C sa rozpadá a premieňa sa na rozpustnú želatínu [64]. Napríklad pri teplote približne 71 °C (vo vnútri mäsa) sa všetok hovädzí kolagén denaturuje a premení na želatínu a pri teplote 74 – 77 °C vo vnútri dobre prepečených steakov mäso bude zbavené väčšiny vody a všetky bielkoviny budú denaturované a všetok myoglobín sa premení na hnedý hemichróm[65].

Rybie mäso obsahuje oveľa menej kolagénu ako hovädzie alebo bravčové a má tiež menej priečnych väzieb. Okrem toho určité rozdiely v zložení aminokyselín prispievajú k tomu, že rybí kolagén denaturuje a rozpúšťa sa pri nižších teplotách v porovnaní s kolagénom suchozemských zvierat[58]. V chobotnici a chobotnici je veľa kolagénu - ich spracovanie zahŕňa rýchle vyprážanie, aby sa zachovali proteíny v ich pôvodnej forme, alebo ich dlhé zahrievanie, aby sa kolagén rozložil. V opačnom prípade bude mať mäso gumovú štruktúru[62].

Polievkové kosti sa často dusia, aby sa kolagén premenil na želatínu a vytvoril sa základ pre polievky, čím sa pridá určitá hrúbka[63]. Kolagén dokáže zahusťovať aj omáčky[64].

Na druhej strane elastín sa pri varení nerozkladá a jeho podiel sa zvyšuje v mäse starších zvierat. Aby sa zlepšila jemnosť mäsa, šľachy sa odrežú a vlákna sa mechanicky rozbijú búšením, krájaním na kocky, krájaním cez vlákna alebo mletím[59].

Kolagén v opaľovaní

Ošetrenie pokožky historickými metódami

Koža ako surovina je upravený obal tela (koža) stavovcov, získaný chemickou stabilizáciou vláknitého kolagénu, jeho hlavnej zložky[66]. Už desaťročia sa najčastejšie používajú chrómové soli. Zahŕňa zosieťovanie tanínu (chrómu) s voľnými karboxylovými skupinami aminokyselín, ktoré vytvárajú kolagén v koži. Z dôvodu nepriaznivého vplyvu odpadov z garbiarskeho priemyslu a takto vyrobených usní na životné prostredie sa však hľadajú alternatívne trieslovinové prostriedky na zabezpečenie požadovaných vlastností[67][68].

Kolagén v medicíne a kozmetike

Julian Voss-Andreae, Unraveling Collagen[a], 2005. Socha bola vyrobená na základe atómových súradníc molekuly kolagénu z Proteínovej databanky

Datum pre svoje špecifické vlastnosti, netoxicitu a biokompatibilitu sa kolagén používa v medicíne a kozmetike[69].

V kozmetike a estetickej medicíne možno kolagénové prípravky rozdeliť do troch hlavných kategórií:

• prípravky určené na aplikáciu na pokožku vo forme krémov, gélov, masiek
• nutraceutiká, t.j. perorálne doplnky stravy s obsahom kolagénu alebo jeho hydrolyzátov
• výplne tkanív používané v formou injekcií[69]

Kolagén sa cez kožu nevstrebáva, nie je možné prejsť cez epitel. Ak sa prípravok aplikuje na kožu, kolagén môže na jej povrchu vytvoriť hydrofilný film, ktorý zabraňuje transepidermálnej strate vody[69].

Ústne prípravky s obsahom kolagénu alebo kolagénových hydrolyzátov sa používajú predovšetkým na prevenciu ochorení súvisiacich s zmeny spojivového tkaniva (najmä chrupavky a kĺbov) a na kozmetické účely na zlepšenie vzhľadu pokožky. Ich účinnosť je však nedostatočne preskúmaná[69]. Existujú správy, že konzumácia prípravkov s kolagénovými peptidmi môže zlepšiť úroveň hydratácie pokožky[70] a tiež znížiť bolesti kĺbov spôsobené intenzívnym športovaním mladých dospelých[71].

Kolagén sa používa v estetickej medicíne ako výplň na vyrovnanie povrchu kože v miestach vrások alebo atrofických jaziev a na tvarovanie kontúr tváre a pier[69]. Je to jedna z prvých látok používaných na tento účel (druhá po tuku)[72]. Ošetrenia s jeho použitím sa vykonávajú od začiatku 80. rokov 20. storočia[69] Je možné rozlišovať medzi syntetickými a prírodnými plnivami a medzi nimi - xenogénne (z tkanív zvierat, zvyčajne hovädzieho dobytka), alogénne (z tkanív iných, zosnulých ľudí) alebo autogénne (z vašich vlastných tkanív). Kolagénové prípravky sa líšia pravdepodobnosťou spôsobenia alergií, niektoré z nich vyžadujú pred použitím alergické testy; v prípade použitia bovinného kolagénu – dvojitý kožný test[69].

Používanie kolagénových výplní môže spôsobiť určité vedľajšie účinky, ktoré možno rozdeliť na skoré a oneskorené reakcie. Medzi prvé patria okrem iného: opuch, bolesť, svrbenie, modriny, tvrdé hrčky, infekcie. Oneskorené symptómy zahŕňajú opuch, bolesť, uzliny, tvorbu granulómov, sterilné abscesy a jazvy[69][72]. V súčasnosti sa deriváty kyseliny hyalurónovej stali obľúbenejšími ako kolagén kvôli nižšiemu riziku precitlivenosti a nedostatku predchádzajúcich kožných testov adlhodobejší účinok[72]. V prípade kolagénu výplňový efekt zvyčajne trvá od 3 do niekoľkých mesiacov[69][72].

Kolagén vo forme atelokolagénu (derivát kolagénu typu I so štiepenými predlžovacími peptidmi zodpovednými za hlavne pre imunogenicitu proteínu) [69]. Používa sa v regeneratívnej medicíne a tkanivovom inžinierstve. Používa sa okrem iného pri výrobe implantátov, bariérových membrán na regeneráciu tkanív a kostí a uzatváranie spojov ústnej dutiny po extrakcii zuba. Používa sa v systémoch dodávania liekov (DDS). Kolagénové biomateriály môžu byť užitočné okrem iného: pri liečbe poškodenia rohovky a chorôb urogenitálneho systému[69].

Léčivá látka v anatomicko-terapeuticko-chemickej klasifikácii (ATC)

Autoritatívna kontrola (časť bunky ):

LCCN: sh85027969

GND: 4164652-6

NDL: 00566622

BNCF: 21891

NKC: ph205184

J9U: 987007284186005171

Online encyklopédia:

Britannica: science/kolagén

Universalis: kolagén

БРЭ: 2080691

DSDE: kollagen

Prečítajte si varovanie týkajúce sa lekárskych a súvisiacich informácií na Wikipédii.

Kategórie:

ATC-B02

p>

ATC-D11

ATC-G04

Fibrilárne proteíny

Štrukturálne proteíny