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Kollagen

Dieser Artikel befasst sich mit dem Protein; zum gleichnamigen Begriff in der Kunst siehe Collage.

Kollagen (internationalisierte Schreibweise Collagen; Betonung auf der letzten Silbe) ist ein bei Menschen und Tieren vorkommendes Strukturprotein des Bindegewebes (genauer: der extrazellulären Matrix).

Im menschlichen Körper ist Kollagen mit über 30 % Anteil am Gesamtgewicht aller Eiweiße (Proteine) das am meisten verbreitete Eiweiß. Es ist der organische Bestandteil von Knochen und Zähnen und der wesentliche Bestandteil von Knorpel, Sehnen, Bändern und Haut. Kollagenfasern besitzen eine enorme Zugfestigkeit und sind nicht dehnbar. Seinen Namen erhielt das Kollagen (aus dem Griechischen: Leim erzeugend) ursprünglich aufgrund seiner früheren Nutzung als Knochenleim im Holzhandwerk.

Die Polypeptidketten des Kollagens werden durch die Ribosomen des rauhen endoplasmatischen Retikulum synthetisiert. Kollagen besteht aus helikalen Peptidketten, die untypischerweise eine linksgängige Helix aufweisen. Drei dieser Helices, welche untereinander Wasserstoffbrücken ausbilden können, umschlingen einander zu einer rechtsgängigen Superhelix. Auffallend an der Primärstruktur (Aminosäuresequenz) des Kollagens ist, dass jede dritte Aminosäure Glycin ist. Ein häufig wiederholtes Sequenzmotiv ist Prolin-Hydroxyprolin-Glycin (siehe Multigen-Familie).

Die dichte Wicklung ist ausschlaggebend für die hohe Zugfestigkeit von Kollagenfasern: die Fasern können Gewichte bis zum Zehntausendfachen ihres Eigengewichtes tragen.

Gelatine ist die denaturierte Form von fibrillärem Kollagen Typ I, II und/oder III und wird meist aus Schlachtabfällen gewonnen. Hierbei ist zu beachten, dass Kollagen Typ II vornehmlich im Knorpel vorkommt, Gemische von Kollagen Typ I und III stammen aus Sehnen, Bändern und der Haut.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Kollagen Typ I gleichgesetzt mit „Kollagen“. Kollagen Typ I ist zwar mengenmäßig im Organismus das bedeutendste Kollagen und durch seine Verwendung als Gelatine das bekannteste, es existieren jedoch weitere Kollagene, die sich strukturell wesentlich vom Kollagen Typ I unterscheiden und andere wichtige biologische Funktionen wahrnehmen.

Inhaltsverzeichnis

Spezielle Informationen zu den Kollagenen

Zur Zeit sind 28 verschiedene Kollagentypen bekannt (Typ I bis XXVIII). Zusätzlich sind mindestens zehn weitere Proteine mit kollagenähnlichen Domänen zu verzeichnen. Alle Kollagene haben gemein, dass sie aus drei Polypeptidketten aufgebaut sind, die man als Kollagen-Helices bezeichnet und die in Form einer Tripelhelix umeinander gewunden sind. Jede Kollagen-Helix kann in Abhängigkeit vom Kollagentyp aus 600 bis 3000 Aminosäuren zusammengesetzt sein und ist mit großen Domänen ausgestattet, die aus sich wiederholenden (repetitiven) G-x-y-Sequenzen aufgebaut sind. Definitionsgemäß werden nur tripelhelikale Moleküle der extrazellulären Matrix (EZM) als Kollagene bezeichnet. Die Kollagene werden in mehrere Untergruppen unterteilt. In der folgenden Zusammenstellung sind einige Mitglieder der Kollagenfamilie aufgeführt.

Kollagene des Typs I, II, III, V und XI

Kollagene des Typs IV (Lamina densa der Basalmembran), VIII und X

Kollagene des Typs IX, XII, XIV, XXII

Kollagen Typ VI

Kollagen Typ VII

Kollagene des Typs XIII, XVII, XXIII und XXV

Spaltprodukte

Biochemische Informationen zu Kollagen Typ I

Das entscheidende Merkmal eines typischen Moleküls der fibrillären Kollagene ist die lange, seilartige Tripelhelix (s. Bild links).

Kollagen-Tripelhelix

Aufbau

Die drei Kollagen-Polypeptidketten sind im Falle von Kollagen Typ I die linksgängigen α-Ketten, [α1(I)]2α2(I)], die sich zu einer rechtshändigen Tripelhelix umeinander winden. Die Primärstruktur der α-Ketten setzt sich aus repetitiven G-X-Y-Einheiten zusammen. Somit befindet sich an jeder dritten Position ein Glycin-Rest. Glycin als die kleinste Aminosäure passt ideal in die Tripelhelix mit seinen sehr engen Windungen. Die Aminosäure Prolin ist sehr häufig an Position X zu finden. Prolin fungiert hier aufgrund seiner starren Ringstruktur als "Ecke" in der Polypeptidkette und unterstützt die Ausbildung von engen Windungen innerhalb der Tripelhelix. 4-Hydroxyprolin ist überwiegend an Position Y lokalisiert und stabilisiert die Tripelhelix über Wasserstoffbrücken zwischen benachbarten Polypeptidketten. Durch die Verwendung von Glycin, Prolin und Hydroxyprolin wird die Rotation der Polypeptidkette begrenzt und den engen Raumbedingungen innerhalb der Tripelhelix Rechnung getragen. Das Gen der α1-Kette von Kollagen Typ I besteht aus 50 Exons, von denen über die Hälfte eine Länge von 54 Basenpaaren (bp) oder das zwei- bis dreifache dieser Länge besitzen. Sie codieren für die Sequenz (G-X-Y)6 oder ein Vielfaches davon.

Vorkommen

Kollagen Typ I, ein fibrilläres Kollagen, kommt in vielen Bindegeweben der Säugetiere vor, am häufigsten in Haut und Knochen, aber auch in Sehnen und in der Hornhaut des Auges (Kornea), aber nicht im Knorpel.

Biosynthese

Kollagen Typ I wird unter anderem von spezialisierten Zellen (Fibroblasten, Myofibroblasten und Osteoblasten) produziert.

Einzelne Kollagen-Polypeptidketten werden am rauhen endoplasmatischen Retikulum hergestellt (Translation) und in das Lumen des endoplasmatischen Reticulums transportiert. Dabei liegen sie in Form größerer Vorläufermoleküle, den Pro-α-Ketten, vor, die mit N- und C-terminalen Propeptiden versehen sind. Im endoplasmatischen Reticulum werden an einzelne Prolin- und Lysin-Reste entstehender oder bereits entstandener Polypeptidketten OH-Gruppen angehängt (Hydroxylierung). Durch Ausbildung von Disulfidbindungen zwischen den C-terminalen Propeptiden wird die Tripelhelixbildung eingeleitet. Drei Pro-α-Ketten formieren dabei über Wasserstoffbrücken ein dreisträngiges Helixmolekül, das Prokollagen. Schließlich erfolgt meist eine Glycosylierung mancher Lysinreste. Die fibrillären Kollagene werden in dieser Form aus der Zelle entlassen. Die Abgabe der Moleküle in den extracellulären Raum erfolgt durch Exocytose (Exozytose) mittels sekretorischer Vesikel, woran die Glycosylbestandteile beteiligt zu sein scheinen. Unmittelbar nach der Abgabe aus der Zelle werden die Propeptide mit Hilfe von Prokollagen-Peptidasen abgespalten. Das Kollagenmolekül nennt man in dieser Phase Tropokollagen. Anschließend lagern sich einzelne Tropokollagen-Moleküle zu Kollagen-Fibrillen zusammen (Fibrillogenese). In einem weiteren Schritt kommt es zur Ausbildung der Kollagenfasern, wobei die kovalenten Quervernetzungen über Hydroxylysinreste erfolgen.

Hydroxylierungen

Ascorbinsäure (Vitamin C) ist ein wichtiger Co-Faktor bei der Hydroxylierung der Aminosäuren Prolin zu Hydroxyprolin durch das Enzym Prolylhydroxylase und Lysin zu Hydroxylysin durch das Enzym Lysylhydroxylase. Hydroxyprolin kommt die Funktion zu, über Wasserstoffbrücken zwischen benachbarten Kollagen-Polypeptidketten die Tripelhelix innerhalb eines Kollagenmoleküls zu festigen. Hydroxylysin dient der Verankerung von kovalenten Quervernetzungen zwischen Kollagenmolekülen. Bei fehlender Hydroxylierung werden nur schadhafte Kollagenmoleküle gebildet, die ihrer Funktion als Strukturprotein nicht nachkommen können. Hierbei ist anzumerken, dass nahezu alle Symptome der Ascorbinsäure-Mangelerkrankung Skorbut auf die fehlerhafte Biosynthese des Kollagens zurückzuführen sind.

Fibrillenbildung

In den Fibrillen sind benachbarte Kollagenmoleküle nicht bündig angeordnet, sondern um 67 nm, d.h. um etwa ein Fünftel ihrer Länge, gegeneinander versetzt. Diese Anordnung hat zur Folge, dass auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Metall-kontrastierten Kollagenfibrillen eine Querstreifung zu sehen ist. Es entsteht ein charakteristisches Bänderungsmuster, das sich alle 67 nm (234 Aminosäuren) wiederholt und als D-Periode bezeichnet wird. Dadurch werden die α-Ketten in vier homologe Bereiche D1–D4 unterteilt. Die in einer D-Einheit auftretenden Banden werden mit a-e bezeichnet. Die Kollagen-Fibrillen sind geordnete Polymere, die im ausgereiften Gewebe viele Mikrometer lang werden können. Sie sind oft zu größeren, kabelartigen Bündeln, den Kollagenfasern, zusammengefasst. Bei Sehnen betragen die Kollagen Typ I Fibrillendurchmesser 50–500 nm, in der Haut 40–100 nm und in der Kornea (Hornhaut des Auges) 25 nm. Die Fibrillogenese des Kollagens wird oftmals durch kleine leucinreiche Proteoglykane reguliert, so dass in den entsprechenden Geweben Fibrillen mit definiertem Durchmesser und definierter Anordnung entstehen können.

Quellen