коллаген для сосудов какого типа
Научная электронная библиотека
1.2. Коллаген
Коллагены составляют основу структуры кожи, костей, хрящей, сухожилий, кровеносных сосудов и играют важную роль в сохранении нормальной структуры и функции соединительной ткани всех животных (Слуцкий, 1969, 1985; Риггз, Мелтон, 2000; Руденская, 2003).
Коллаген (К) – нерастворимый фибриллярный белок, первичная структура которого складывается из повторяющихся последовательностей триплетов аминокислот глицин-X-Y, где X и Y позиции чаще заняты, соответственно, пролином и гидроксипролином. Эти повторяющиеся последовательности позволяют трем коллагеновым полипептидам (называемым α-цепями) формировать полужесткие, очень стабильные трехспиральные молекулы (рис. 3). Они могут быть гомополимерными (три идентичные α-цепи) и гетерополимерными (две или три разные α-цепи). Под влиянием регулярно располагающихся остатков пролина и оксипролина цепь принимает форму ломаной спирали; это обусловливается жесткостью боковых групп пролина, а также тем обстоятельством, что пептидные связи, в образовании которых участвуют пролин и оксипролин, не могут образовать водородных связей. Остатки глицина образуют межцепочечные водородные связи, способствующие сохранению прочности структуры коллагена.
Рис. 3. Структура коллагена: а – электронная микрофотография коллагена соединительной ткани. Расстояние между повторяющимися структурными единицами равно 700 Å; б – конформация полипептидных цепей в трёхцепочечной молекуле тропоколлагена; в – ступенчатое расположение молекул тропоколлагена обусловливает появление в гидратированных волокнах коллагена повторяющихся структурных единиц, расстояние между которыми равно 700 Å (по Мусил и др., 1984)
Аминокислотные цепи коллагена обернуты друг вокруг друга и образуют «трехволоконный канат», где отдельные волокна связаны между собой водородными связями. Такая пространственная структура возможна, только если аминокислотная последовательность строго соблюдается.
В результате образуется трехволоконная фибриллярная молекула – тропоколлаген, обладающая большой прочностью на растяжение. Это название происходит от слова тропос – обращенный внутрь – из-за того, что коллагеновые волокна всех соединительных тканей, выстланы тропоколлагеновыми молекулами, соединенными «конец в конец» и «бок о бок» – в шахматном порядке. Гидроксильные группы некоторых остатков лизина и оксилизина участвуют в образовании связи между соседними молекулами тропоколлагена. Таким образом, формируется жесткое нерастяжимое волокно. Фибробласты синтезируют молекулы тропоколлагена и выбрасывают их в матрикс, и только здесь происходит сборка коллагеновых волокон (рис. 4).
Коллагены кожи содержат в больших концентрациях пролин и оксипролин (около 20 % от всех остальных аминокислот), глицин и аланин (свыше 50 % от содержания других аминокислотных остатков), ароматические и серосодержащие аминокислоты практически отсутствуют или содержатся в весьма малых количествах. Кроме того, коллаген является одним из немногих белков, содержащих оксипролин и оксилизин. Оксипролин и оксилизин образуются в молекуле проколлагена не в результате биосинтеза, а при гидроксилировании пролина и лизина, которое начинается в период трансляции коллагеновой мРНК на рибосомах (Неклюдов, 2003).
Рис. 4. Строение фибробласта и основные этапы синтеза коллагена. Г – аппарат Гольджи; Я – ядро; ШЭР – шероховатый эндоплазматический ретикулум; СП –секреторный пузырек; ТК – тропоколлаген; КВ – коллагеновое волокно
В настоящее время идентифицировано более 25 различных α-цепей, из которых формируется до 14 разных типов коллагеновых молекул, некоторые из них являются тканеспецифичными (Ленинджер, 1974; Риггз, Мелтон, 2000).
Таким образом, коллагены – это белки, которые:
б) могут состоять из трех цепей с повторяющимися последовательностями, обладающими способностью к сворачиванию в характерную тройную спираль. По меньшей мере, 19 белков определены в настоящее время как принадлежащие к коллагенам. 10 родственных им белков содержат коллагеноподобные домены.
Коллагеновые белки составляют около половины массы сухого вещества суставного хряща; вблизи суставной поверхности их концентрация приближается к 90 %. В других видах хрящевой ткани коллагены количественно преобладают над другими белками, обеспечивая прочность на растяжение и разрыв. (Слуцкий, 1985). Количественно преобладающим белком протеогликанового комплекса хрящевой ткани является коллаген второго типа (КII). Он в незначительных количествах обнаружен в других специализированных тканях, например, в стекловидном теле глаз некоторых видов животных. Хрящевой ткани присущ необычный полиморфизм коллагеновых компонентов, проявляющийся присутствием большого числа минорных коллагенов. Молекулярная формула КII хрящевой ткани имеет следующий вид: [α1(ΙΙ)]3, что означает наличие трех идентичных α1(II)-цепей, которые отличаются от α1(I)-цепей более высоким содержанием оксилизина. Столь высокая концентрация оксилизина способствует увеличению количества связанных с ним углеводов. По-видимому, такая структура обеспечивает большую сольватную оболочку коллагена типа II по сравнению с типами I или III. В процессе биосинтеза коллагена С-пропептиды соединяются между собой бисульфидными мостиками и после отщепления от молекулы образуют белок, который называется хондрокальцин, с м.м. около 100 000 Да (Слуцкий, 1985).
Коллаген одиннадцатого типа (КXI) составляет приблизительно 3 % хрящевого коллагена и образован двумя разными типами цепей (формула молекулы α1(XI)2 α2(XI)). Со старением организма его количество в хряще уменьшается в пользу коллагена пятого типа (КV) (Канунго, 1982; Риггз и Мелтон, 2000).
Для хрящевой ткани характерно наличие наибольшего количества минорных коллагеновых компонентов. Такой полиморфизм коллагенов позволяет считать минорные компоненты регуляторами адаптационной пластичности хряща, метаболизма хондроцитов и морфогенетических процессов (Слуцкий, 1985).
Содержание коллагена в различных тканях и органах сельскохозяйственных животных (КРС, свиньи) характеризуют следующие данные (% от массы сухого вещества): дерма – 80–90; ахиллово сухожилие – 86; костная ткань – 17,5–25; хрящи – 46–67; роговица и склера глаз – 70; мышцы – 10. При этом коллаген составляет от 25 до 33 % от общего количества белка (Титов, Апраксина, 1995). У костистых рыб коллагеновые белки преобладают в коже, сухожилиях, плавательном пузыре; у кольчатых червей и иглокожих в кожно-мускульном мешке; у моллюсков в кожных покровах и опорных хрящевых элементах.
Наиболее изучены свойства коллагенов в коже и мышечной ткани рыб. Коллаген кожи костистых рыб характеризуется частой встречаемостью молекул, состоящих из трех генетически различающихся α-цепочек, гетеротримера α1 α2 α3; среди изученных позвоночных животных цепочка α3 отмечена лишь у костистых рыб. В целом коллагены мышечной ткани костистых рыб, полученные методом электрофореза, идентичны соответствующим коллагенам типа I из кожи и имеют сходный аминокислотный состав. Однако коллагены мышечной ткани рыб более устойчивы к тепловой денатурации (более 100 °С), чем коллагены кожи, что объясняется более высокой степенью гидроксилирования пролина в мышечном коллагене. Термальная устойчивость мышечного коллагена определяется видом рыбы и по мере ее возрастания рыб можно расположить в следующем порядке: карп, угорь, скумбрия, сайра, кета.
В табл. 1 приведены данные о содержании коллагена и гексозаминов в соединительных тканях различных видов животных.
Составы субъячеек коллагена I типа из мышечной ткани и кожи являются идентичными у угря, скумбрии, сайры и карпа и отличаются у кеты. У последней коллаген кожи состоит из α1 α2 α3 гетеротримеров, а основная часть мышечного коллагена – из (α1)2α2 гетеротримеров (Богданов, Сафронова, 1993).
Содержание гексозаминов и коллагена в соединительной ткани животных
Наш сверхценный коллаген: зачем, когда, как и сколько?
Слово «коллаген» слышал каждый. Чаще всего мы ассоциируем его с красотой и молодостью: коллаген используется при косметических процедурах, входит в состав различных косметических и нутрикосметических средств. На самом деле функции коллагена не исчерпываются сохранением красоты кожи, он крайне важен для всего организма. Давайте разберемся, зачем он нам нужен, какой коллаген лучше и как именно его принимать.
Что такое коллаген и для чего он нужен?
Коллаген – один из основных белков нашего организма. Это «база» соединительной ткани, «собирающей» организм в единое целое. Соединительная ткань – основа всех органов и тканей. Именно в ней находятся клетки (гепатоциты, нейроны, остеоциты, миоциты и др.), выполняющие функции конкретного органа или ткани.
Слово «коллаген» образовано от греческих слов kolla – «клей» и genes – «рождающий».
Молекулы коллагена имеют сверхсложную структуру, над расшифровкой которой работали многие ученые, ставшие впоследствии нобелевскими лауреатами. На сегодняшний день описано около 30 типов коллагенов. Для некоторых из них известна только последовательность аминокислот, но структура до сих пор не расшифрована.
И кстати: если представить коллаген как последовательность аминокислот, то из списка в 1450 знаков бьюти-эффектом обладают лишь 19,72, или всего 1,36%. Вот вам и секрет красоты!
Переплетаясь, молекулы коллагена образуют так называемые фибриллы – длинные и тонкие белковые волокна. Собирая ткани в единое целое, фибриллы разделяют их, сохраняя границы. Именно от фибриллов зависит количество коллагена в тканях.
Максимальная концентрация коллагена наблюдается в коже (до 40% от общего количества), а также в костной (до 90% органической составляющей) и хрящевой (до 70% от сухой массы) ткани.
Коллаген обеспечивает гибкость защитным костным каркасам, за прочность которых отвечает входящий в состав костной ткани гидроксиапатит кальция (неорганическая составляющая). Процесс образования и разрушения костной ткани у здоровых людей непрерывен: у взрослого человека ежегодно заменяется около 15% костной массы.
Также коллаген в больших количествах содержится в хрящевой ткани и отвечает за ее прочность. Коллагеновые волокна практически не растягиваются, что важно для поддержания структурной целостности нашего организма.
Коллаген устойчив к воздействию протеолитических ферментов, он не растворяется в кислотах и щелочах. В то же время он чувствителен к ультрафиолету и табачному дыму, может повреждаться в результате стресса, при переизбытке быстро усваиваемых углеводов и т. п. Все эти факторы нарушают его структуру и приводят к изменению свойств.
Если в молодости резервы организма позволяют исправить ситуацию, то с возрастом задача существенно усложняется. Усвоение большинства веществ, необходимых для синтеза коллагена, замедляется. Накапливаются негативные воздействия окружающей среды, дефицитных состояний, хронических воспалительных процессов и пр. Все это существенно ограничивает возможности регенерации тканей. А поскольку этот процесс начинается после 25 лет, о качестве и количестве коллагена следует начинать заботиться как можно раньше.
Как синтезируется коллаген?
Синтез коллагена – процесс исключительно сложный. Он состоит из восьми этапов: первые пять происходят в основных клетках соединительной ткани, чью работу регулирует витамин D, еще три стадии – вне клеток. На каждом этапе необходимы различные минералы, ферменты и витамины (кальций, магний, железо, цинк, медь, марганец, фолиевая кислота, витамины С и D). А если вспомнить, что этот процесс еще и контролируется гормонами, то перечислять необходимые для этого витамины и микроэлементы можно бесконечно.
Нарушения в синтезе коллагена возможны на любом из этапов. Причиной чаще всего становится дефицит тех или иных веществ. В молодости такой дефицит может привести к синтезу изначально «некачественного» коллагена – менее устойчивого к повреждениям и хуже выполняющего свои функции. Это чревато ранним проявлением первых признаков возрастных изменений.
Пять типов коллагена, наиболее важных для нашего организма
Как оценить качество и количество собственного коллагена?
Проще всего сделать это по состоянию кожи. Около 75% сухой массы наружного слоя кожи составляет коллаген. Коллагеновые волокна фиксируют клетки в межклеточном матриксе – это позволяет гиалуроновой кислоте удерживать влагу, а более тонким и менее прочным волокнам эластина поддерживать эластичность нашей кожи. Появление первых морщинок говорит о том, что проблема дефицита (повреждения) коллагена уже существует.
Почему дефицит полезных веществ сразу отражается на коже?
Кожа – второй по величине орган нашего тела (на первом месте – кишечник), причем максимально контактирующий с внешней средой. Именно кожа принимает на себя «первый удар», защищая более глубоко расположенные органы и ткани.
А вот с точки зрения сохранения жизни как таковой кожа далеко не первая в списке. Поэтому при распределении необходимых веществ, особенно при имеющемся дефиците, кожа получает их по остаточному принципу. Когда дефицит выражен – не получает ничего. Это наглядно показывает дефицит любых витаминов, который прежде всего отражается на внешнем виде: кожа становится сухой, бледной и шелушащейся, волосы тускнеют, ногти слоятся, и т. д.
Хотите понять, достаточно ли вам витаминов? Существует идеальный способ оценки адекватности питания: обратите внимание на состояние кожи. Если результат вас устраивает, все хорошо. Если нет, стоит задуматься.
Как увеличить количество коллагена?
Если в юные годы нет дефицита макро- и микронутриентов, то максимальное количество и лучшее качество коллагена достигается в возрасте 20 лет. В последующем процессы восстановления замедляются: к 80 годам в нашем организме остается треть изначального количества коллагена.
Вот почему очень важную роль играет изначальный синтез и сохранение собственного качественного коллагена. Для этого необходимы основные «стройматериалы», начиная с качественного белка и заканчивая витаминами и микроэлементами.
Также можно принимать коллаген в составе нутрицевтиков. В этом случае мы становимся «поставщиками запчастей». А уж для «ремонта» каких систем они будут использоваться в первую очередь, организм решит самостоятельно.
Для поддержания красоты и молодости кожи коллаген используется только тогда, когда в более важных для жизни организма системах наведен порядок, а «поставки» регулярные. По данным большинства исследований, это происходит через 1–3 месяца приема нутрицевтиков.
Когда начинать принимать коллаген?
В 20–25 лет наш организм находится на пике своей формы. Это значит, что в большинстве случаев другие органы и системы еще не нуждаются в коллагене. Уже в этом возрасте, регулярно используя нутрицевтики, содержащие коллаген, мы максимально сохраним молодость и красоту нашей кожи, а результаты увидим гораздо раньше.
Теперь понятно, почему в более старшем возрасте коллаген активно используется в косметологии для сохранения красоты и молодости кожи? «Адресная доставка» обеспечивает целевое использование.
Какой коллаген усваивается лучше?
Существует несколько видов коллагена, в зависимости от сырья, из которого он производится: куриный, свиной, говяжий, рыбный. Наиболее изученными с доказанной эффективностью сегодня считаются говяжий и рыбный коллагены.
Коллаген – очень прочный белок, нерастворимый даже в кислотах и щелочах. Поэтому для наилучшего усвоения он должен быть не только качественно очищен, но и «подготовлен». Чем выше качество подготовки, тем лучше эффект.
Нативный коллаген не всасывается, а значит, не усваивается организмом. При длительной термической обработке коллаген распадается на фрагменты средних размеров – желатин. Желатин растворим лучше, но всасывается и усваивается все еще недостаточно эффективно.
Сегодня есть возможность получать мельчайшие фрагменты коллагена путем гидролиза: при определенном воздействии волокна коллагена расщепляют на аминокислоты и пептиды. Пептиды коллагена обладают высокой степенью растворимости, отлично всасываются и усваиваются организмом. Этот процесс высокотехнологичен и достаточно дорог: для получения 12 г коллагена требуется около 1 кг сырья. Но лишь использование пептидов коллагена позволяет получить от этого уникального белка максимальную пользу.
В напиток Young & Beauty входит коллаген I типа – Peptinex™. Он произведен из сырья высокой очистки, причем исключительно из говядины, что отвечает пищевым традициям большинства мировых конфессий. Безопасность Peptinex™ подтверждена Всемирной организацией здравоохранения, Европейской комиссией по здравоохранению и защите прав потребителей и FDA – американским Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов.
Несмотря на то что пептиды являются высококачественным материалом для сборки собственного коллагена, для синтеза необходимы дополнительные витамины и микроэлементы.
Как и сколько коллагена принимать?
Применение пептидов коллагена натощак (за 30–40 минут до или через 3–4 часа после еды) повышает их эффективность.
Оптимальная ежедневная доза коллагена – 10–12 г, хотя в исследованиях получены положительные результаты и при применении доз в 2 раза ниже. Важное значение играют регулярность применения и достаточная продолжительность курса – в большинстве случаев это 3 месяца. При существующем выраженном дефиците коллагена прием может быть постоянным.
Среди форм выпуска коллагеносодержащих добавок наиболее биодоступным и простым в применении является порошок. Такая форма не требует особых условий хранения, в отличие от жидкой, и начинает усваиваться сразу – в отличие от форм в виде таблеток и капсул, на растворение которых требуется дополнительное время.
Что важно знать о коллагене? Резюме
Автор:
Дарья Киншт
Специалист по клинической
диетологии и нутрициологии
Краткий обзор некоторых кофакторов, участвующих в синтезе коллагена
Качественные коллагеновые волокна — одна из
основных составляющих здоровой кожи. Поэтому
большое количество косметологических методов
направлено на восстановление ее коллагенового каркаса.
Как витамины и микроэлементы могут влиять на синтез
коллагена? И почему для достижения стойкого эффекта
необходимо учитывать их количественный состав
в организме?
Ежегодно создаются новые методики и препараты для улучшения синтеза коллагена с целью профилактики инволюционных процессов в организме и уменьшения выраженности возрастных изменений.
Но за стремлением повлиять на коллагеногенез извне порой забывают о тех веществах, без достаточного количества которых в самом
организме синтез коллагена крайне затруднен. Никто не будет отрицать, что продукция этого жизненно важного белка зависит от гормонов, гормоны, в свою очередь, от присутствия металлов, усвоение металлов — от витаминов; и эту цепочку можно продолжать долго, тем более что она замкнутая. Осветить все нюансы в одной статье не представляется возможным, но сделать шаг навстречу пониманию некоторых процессов — в наших силах.
Синтез и процессинг (созревание) коллагена включает в себя несколько этапов:
Всем известно об участии магния и кальция в синтезе соединительной ткани и коллагена, но о железе, цинке, меди, витаминах С и D часто забывают. Именно эти кофакторы рассмотрим в статье.
Железо
Железодефицитная анемия в той или иной степени присутствует у 40–60 % женщин детородного возраста по всему миру [2, 26]. И это при том, что железо — один из важнейших микроэлементов, необходимых для нормального функционирования биологических систем организма. Оно требуется для осуществления функции дыхания, кроветворения, участвует в иммунобиологических и окислительно-восстановительных реакциях.
Причины дефицита железа:
Учитывая высокую распространенность дефицита железа в популяции, сложно говорить о нормальном синтезе коллагена при таких состояниях.
Цинк — единственный металл, представленный в небелковой части ферментов каждого класса, и никаким другим металлом цинк не может быть заменен. Несмотря на малую концентрацию цинка в крови, стабильные связи с макромолекулами делают его доступным для всех тканей организма, что в дальнейшем позволяет удовлетворять потребности в нем белков и ферментов, выполняющих различные биологические функции [28].
Распространенность дефицита цинка в мире не менее значительная, чем железа и витамина С, и составляет до 60% [29].
Для транспорта эритроцитами кислорода и углекислого газа абсолютно необходим цинк, и большая часть цинка крови содержится именно в эритроцитах в составе цинковых металлоферментов — карбоангидраз. Карбоангидразы катализируют превращения углекислого газа в угольную кислоту (угольная кислота участвует в поддержании pH крови в физиологическом диапазоне (7,25–7,35). В капиллярах легких эти процессы идут в обратном направлении: угольная кислота распадается на углекислый газ и воду, и углекислый газ удаляется наружу [18].
Без нормального дыхания ни одна клетка не способна осуществлять свои функции.
В мире распространенность дефицита меди в организме, приводящего, наряду с железом, к анемии, составляет до 30%. А ведь этот микроэлемент крайне необходим для нормальной физиологии организма.
Если говорить о коже, то медь играет ключевую роль в ангиогенезе, синтезе и стабилизации белков внеклеточного матрикса [3].
В физиологически значимых концентрациях (2 мг — средняя суточная потребность) медь ускоряет заживление ран [16].
Ионы меди, которые являются кофакторами лизилоксидазы, принимают участие в последнем этапе синтеза коллагена. Медь имеет важное значение для формирования внутри- и межмолекулярных поперечных связей в коллагене, а соответственно, и прочности коллагеновых и эластиновых фибрилл [8, 13,
15]. Недостаток меди ухудшает формирование сшивок коллагена и приводит к тяжелой патологии костей, легких и сердечно-сосудистой системы [12].
Компенсация дефицита этого микроэлемента, бесспорно, улучшает синтез коллагена, в том числе в коже (рис. 4) [7, 10].
Аскорбиновая кислота (витамин С)
Аскорбиновая кислота играет в организме фундаментальную роль — нет фактически ни одного физиологического процесса, в котором бы она не принимала участия.
Роль витамина С в организме
Аскорбиновая кислота в организме человека оказывает влияние на множество важнейших биологических процессов:
Распространенность дефицита витамина С в мире по разным данным составляет 20–40% [14, 15].
В последнее время много исследований посвящено аскорбиновой кислоте и ее биодоступности для кожи [9]. При недостатке витамина С в организме его нанесение на кожу не будет иметь ожидаемого эффекта, так как не сможет восполнить нутритивный дефицит. В ходе проведенных исследований выяснилось, что витамин С ускоряет заживление ран, участвует в активизации синтеза коллагена I типа (рис. 5) и снижении параметров
окислительного стресса. Никаких значимых побочных эффектов при добавлении витамина С в питание в ходе проведенных исследований выявлено не было [5, 6].
Синтез коллагена зависит от гормонов, гормоны, в свою очередь, от присутствия металлов, усвоение металлов — от витаминов, и эту цепочку можно продолжать долго, тем более что она замкнутая.
Витамин D
Распространенность дефицита витамина D в российской популяции составляет более 90% (в мире 50–60%) [19]. Этот витамин стимулирует увеличение синтеза секретируемых белков TGF-β (регулируют деление
и дифференцировку различных типов клеток, включая фибробласты и кератиноциты) и их связывание с рецепторами на мембране клеток. Поэтому при его дефиците происходит нарушение активности сигнальных каскадов TGF-β, что ухудшает заживление кожи после любой травмы (включая косметологические манипуляции). Например, во время термолифтинга часть коллагеновых волокон дермы сжимается и уменьшается в объеме. Это приводит к повышению зернистости базального слоя и при достаточном количестве витамина D создает благоприятные условия для воздействия его активных форм на экспрессию TGF-β1, который и способствует обновлению соединительной ткани [11].
Выводы
Мы кратко обсудили лишь некоторые кофакторы, участвующие в синтезе коллагена. Но даже этот незначительный пласт информации позволяет судить о зависимости синтеза коллагена от нутритивного статуса организма, чем не следует пренебрегать, решая многие эстетические задачи. Изменение синтеза
коллагена происходит постепенно и усугубляется нутритивным дефицитом [19].