Коллаген

Волокна коллагена пронизывают соединительную ткань. Он является основным компонентом кожного покрова, костей, сухожилий и хрящей. Коллаген широко распространенный белок, встречающийся только в животном мире, и составляет около 30% всех белков животного организма. Строение и свойства коллагена непосредственно связаны с его функцией в соединительной ткани, которая обеспечивает прочность внешней формы и внутренней структуры организма, и изучались многими исследователями, что объясняется как его важной ролью в жизнедеятельности организма, так и большим промышленным значением в различных отраслях промышленности: кожевенной, меховой, клеежелатиновой, медицинской, в производстве белковых колбасных оболочек и др.

Коллаген имеет значительно большую молекулярную массу, чем другие, уже изученные белки. Только одна из составляющих его молекулу полимерных цепей (так называемых а-цепей) имеет молекулярную массу около 100000 и содержит свыше тысячи аминокислотных остатков, а общая масса молекулы, состоящей из трех цепей (двух типов (а=1 и а = 2),— около 300000.

В состав коллагена в зависимости от вида животного входят (в %): углерод 50,2—51,1, азот 17—18,1, водород 6,4—6,5, кислород 25,1—26,1 и сера 0,1—0,3.

Существование двух форм — нерастворимой и в виде молекулярно-дисперсного раствора (тропоколлагена) — является одной из особенностей коллагена. Его строение, как и всякого белка, характеризуется первичной, вторичной, третичной и четвертичной структурами. Характерной особенностью коллагена является монотонность его строения, в частности повторяемость аминокислотных остатков и их сочетаний.

При гидролизе белка было установлено, что полипептидные цепи расщепляются, образуя аминокислоты, которые отличаются друг от друга природой боковой группы — R.

Примерно 1/3 составляют остатки глицина. Характерным, присущим только коллагену, является наличие остатков оксипролина и оксилизина. Кроме того, в состав полипептидной цепи коллагена входят моноаминодикарбоновые (аспарагиновая и глютаминовая), диаминомонокарбоновые (аргинин, лизин), окси-, аминокислоты, гистидин и другие кислоты.

Всего' в состав коллагена кожной ткани млекопитающих входит 18 аминокислот.

В основной части цепи прежде всего обращает на себя внимание повторяемость расположения: каждый третий аминокислотный остаток — это остаток глицина. Ни в каком другом белке этого нет. Другая особенность — большое количество пролина и оксипролина. Если на долю глицина, как уже указывалось,, приходится '/з аминокислот в полипептидной цепи, то вторая треть приходится на пролин и оксипролин и только последняя треть — на все остальные аминокислоты, среди которых полностью отсутствуют триптофан и цистеин. Среди белков животного происхождения оксипролин встречается, помимо коллагена, только в другом волокнистом белке соединительной ткани — эластине, но в гораздо меньшем количестве. Благодаря этому общее содержание в ткани оксипролина может в большинстве случаев восприниматься как показатель содержания коллагена.

Коллаген имеет ярко выраженную извитость полипептидных цепей, напоминающих пружину. Для полипептидных цепей коллагена было предложено большое количество вариаций спиральной конформации. Далеко не все детали конструкции этой спирали выяснены. Она не видна даже в электронный микроскоп, и главные сведения о ней получены с помощью математического анализа рентгеноструктурных изображений. Тем не менее представления о спиральном строении полипептидной а-цепи коллагена, сформулированные в 1961 г. английскими исследователями П. Ричем и Ф. Криком, общеприняты (рис. 1).

В макромолекуле коллагена три спиральные а-цепи, переплетаясь друг с другом, одновременно обвиваются вокруг общей оси и образуют таким образом тройную спираль. Прочность ее обеспечивается наличием водородных связей между цепями, подобных тем, которые существуют между витками каждой из спиралей. Водородные связи при нагревании легко разрушаются, и коллаген превращается в желатин с деспирализацией а-цепей, т. е. с превращением их в хаотические клубки. Но эти полипептидные клубки продолжают состоять из двух или трех цепей. Лишь при определенных условиях в процессе денатурации возникают одиночные а-цепи (рис. 2). Это означает, что кроме водородных связей между полипептидными цепями внутри молекулы коллагена действуют прочные ковалентные связи, которые называют поперечными или перекрестными.

Таким образом, молекулы коллагена образуются в результате соединения трех спирально извитых полипептидных цепей в тройную  спираль, скрепленную водородными и ковалентными поперечными связями. Эти молекулы можно экстрагировать в неповрежденном виде из соединительной ткани молодых животных растворами нейтральных солей или слабых кислот.

Свойства коллагена, как и других белков, прежде всего определяются его элементарным составом и химическим строением, характером молекулярной и надмолекулярной структур. Благодаря большому количеству функциональных групп в боковых цепях, присущих основным, кислым и гидроксилсодержащим аминокислотам, коллаген способен взаимодействовать с кислотами, щелочами, солями и другими веществами. При этом происходит либо разрыв, либо образование новых связей как между цепями, так и между молекулами.

Характерной особенностью коллагена является большая набухаемость в воде, повышающаяся в растворах кислот и щелочей. При набухании расстояние между элементами структуры увеличивается, следовательно, прочность связей уменьшается. Прямым результатом частичного нарушения межмолекулярных связей в коллагене при набухании является снижение температуры сваривания кожи.

Рис. 1. Вторичная структура а-цепи коллагена:

а —спиральная извитость а-цепи вокруг спиральной оси; б — трехспиральное строение макромолекулы коллагена.

Рис. 2. Тепловая денатурация коллагена (а-цепи превращаются в хаотические клубки, но ковалентные поперечные связи не разрываются).

При производстве белковых колбасных оболочек воздействие щелочей и кислот является основным процессом., так как способствует разделению коллагеновых пучков, т. е. подготавливает кожу к дублению. О характере изменений коллагена, вызываемых действием щелочей и кислот, можно судить по данным: электронно-микроскопических исследований. Работы, проведенные в этом направлении, показали, что обработка известковыми- растворами в течение четырех дней не влияет на электронно- микроскопическую картину фибрилл коллагена. При месячном воздействии появляются уже некоторые нарушения структуры, которые более резко обнаруживаются в коллагене после двухмесячной обработки.

Нативный коллаген устойчив к действию протеолитических ферментов. Считается, что протеолитические ферменты — трипсин, пепсин, химотрипсин и др.— в той или иной степени гидролизуют коллаген при условии предварительной обработки его щелочами. Единственным ферментом, активно воздействующим на нативный коллаген, является коллагеназа, которая гидролизует не только трехцепочные спирали в растворах коллагена, но и волокнистый коллаген.

Производными коллагена являются желатин и «лей. Желатин получают из коллагена путем обработки сырья щелочью, щелочно-солевым раствором или кислотой.