300px|thumb|Struktura jednostki tropokolagenu – tzw. potrójna helisa, złożona z 3 łańcuchów polipeptydowych Kolagen – białko fibrylarne stanowiące główny składnik substancji międzykomórkowej organizmów zwierzęcych, nadające tkankom odporność na rozciąganie. Występuje praktycznie we wszystkich tkankach zwierząt, pełniąc rolę głównego białka strukturalnego. Wytrzymałość kolagenu związana jest z powtarzającymi się sekwencjami tripeptydowymi w trzech budujących go łańcuchach, dzięki czemu możliwe jest wzajemnie owinięcie się tych łańcuchów i powstanie długiej, potrójnej helisy (helisa kolagenowa).
Kolagen nie stanowi pojedynczego białka o określonej strukturze, występuje wiele typów kolagenów wykazujących pewne różnice w cechach strukturalnych i funkcjonalnych, stąd mówi się o kolagenach jako rodzinie białek. Wszystkie jednak zawierają przynajmniej jedną domenę z potrójną helisą oraz tworzą supramolekularne agregaty w substancji międzykomórkowej. Typowo są nierozpuszczalnymi w wodzie pałeczkowatymi białkami włókienkowymi.
Kolagen jest najbardziej rozpowszechnionym białkiem zwierzęcym. W organizmach kręgowców stanowi ok. 1/3 wszystkich białek. Jest głównym białkiem w skórze, ścięgnach i kościach – występuje tam najpowszechniejszy kolagen typu I. W chrząstce występuje kolagen typu II, a w błonie podstawnej – typu IV. Kolagen jest budulcem kutykuli pierścienic. Występuje w mezoglei i tkankach parzydełkowców oraz u szkarłupni, stawonogów czy ramienionogów i innych bezkręgowców. Poza królestwem zwierząt kolagen stwierdzono u otwornic.
Kolagen wykorzystywany jest w przemyśle skórzanym, spożywczym, kosmetycznym, biotechnologicznym i farmaceutycznym.
Charakterystyka kolagenu w tkankach zwierzęcych Występowanie kolagenu bywa uznawane za charakterystyczną cechę wielokomórkowych organizmów zwierzęcych (od gąbek po człowieka). Kolagen jest głównym włóknistym składnikiem skóry, ścięgien, chrząstki, naczyń krwionośnych, kości i zębów. W organizmach ssaków stanowi ok. 25% całkowitej masy białek. W ścięgnach kolagen tworzy podłużne włókna, w skórze tworzy luźno utkaną sieć włókien. Skóra garbowana w rzeczywistości jest wyprawionym kolagenem. W zębach i kościach sieć włókien kolagenu podtrzymuje ich strukturę niczym pręty stalowe w zbrojonym betonie.
Kolagen nadaje tkankom odporność na rozciąganie – szacuje się, że włókno kolagenowe o średnicy 1 mm nie zerwie się w wyniku zawieszenia na nim ciężarka o masie 10 kg. Natomiast odporność na ściskanie nadają wypełniające wolne przestrzenie w substancji międzykomórkowej proteoglikany złożone z rdzenia białkowego i glikozaminoglikanów (GAG). O ile w ścięgnach substancja międzykomórkowa składa się niemal wyłącznie z kolagenu (a w kościach z kolagenu i kryształów fosforanów wapnia), to przejrzysta substancja galaretowata wewnątrz oka zbudowana jest niemal wyłącznie z jednego typu GAG i wody, z niewielką ilością kolagenu. Substancja międzykomórkowa może też być bogata w kolagen i jednocześnie w GAG, co charakteryzuje sprężyste i amortyzujące uderzenia chrząstki.
Struktury te należą do tkanki łącznej, która ochrania narządy i zapewnia sprężystość, jeśli jest ona potrzebna. Tkanka łączna od innych tkanek zwierzęcych wyróżnia się tym, że substancja międzykomórkowa jest w nich obfita i przenosi siły mechaniczne. Za ich wytrzymałość na rozciąganie odpowiada właśnie kolagen (dla porównania w strukturach roślinnych są to polisacharydy jak celuloza). W innych tkankach, np. w tkance nabłonkowej, substancja międzykomórkowa występuje w niewielkiej ilości, komórki są ze sobą połączone bezpośrednio i same przenoszą siły mechaniczne. Zatem kolagen powstaje głównie w tkance łącznej.
Kolagen produkowany jest przede wszystkim w fibroblastach, a poza tym w chondroblastach, odontoblastach i osteoblastach. Fibroblasty wydzielają także fibronektynę, glikoproteinę występującą w substancji pozakomórkowej i na powierzchni komórek. Wiąże ona agregujące włókna prokolagenowe i zmienia kinetykę tworzenia włókien. Zawiera regiony wiążące kolagen, regiony wiążące proteoglikany oraz regiony wiążące specyficzne integryny występujące na powierzchni różnych typów komórek.
Kolageny w organizmach pełnią następujące funkcje: utrzymują strukturalną integralność tkanek i narządów uczestniczą w rozwoju narządów i naprawie tkanek biorą udział w procesie gojenia ran tworzą interakcje ze specyficznymi receptorami, wpływając na adhezję, różnicowanie, wzrost i przeżywalność komórek.
Typy i budowa kolagenu thumb|Schemat kolagenu od α-łańcuchów do włókna kolagenowego. Specyficzne ułożenie cząsteczek tropokolagenu powoduje to, że w obrazie z mikroskopu elektronowego widoczne są prążkowania thumb|Prążkowania widoczne we włóknach kolagenu typu I
Z ludzkich tkanek wyodrębniono ponad 28 typów kolagenu, które zbudowane są z ponad 30 różnych łańcuchów polipeptydowych, każdy kodowany przez osobny gen. Wykazują one znaczącą różnorodność funkcjonalną i strukturalną. Choć wiele z tych typów występuje w niewielkiej ilości w organizmie, to jednak mogą odgrywać ważną rolę w nadawaniu tkankom odpowiednich właściwości. Istnieje też wiele białek, które nie należą do kolagenów, jednak mają domeny przypominające strukturalnie kolagen, stąd nazywane bywają białkami kolagenopodobnymi.
Kolageny mogą być białkami zbudowanymi z trzech identycznych łańcuchów polipeptydowych (tzw. homotrimery) lub z różnych (heterotrimery). Przykładowo kolagen typu I jest heterotrimerem złożonym z dwóch łańcuchów α1(I) i jednego łańcucha α2(I) (gdzie liczba rzymska oznacza typ kolagenu). Kolagen typu II jest natomiast homotrimerem zbudowanym z trzech łańcuchów α1(II). Geny kodujące łańcuchy kolagenu mają w nazwie przedrostek COL, po nim typ kolagenu oznaczony cyfrą arabską, literę „A” i numer kodowanego łańcucha, np. za tworzenie łańcuchów kolagenu typu I odpowiedzialne są geny COL1A1 i COL1A2.
Kolageny można podzielić na dwie główne grupy – kolageny fibrylarne i kolageny niefibrylarne. Kolageny fibrylarne są najczęściej spotykanym rodzajem. Mają łańcuchy polipeptydowe splecione w strukturę potrójnej helisy, które wynikają z długich, powtarzających się sekwencji aminokwasów (Gly-X-Y)n. W sekwencji tej w pozycji X często (choć nie zawsze) występuje prolina, a w pozycji Y – często hydroksyprolina. Polipeptydowe łańcuchy kolagenu (nazywane α-łańcuchami) zbudowane są z około 1000 reszt aminokwasowych, gdzie co trzecią resztą aminokwasową jest glicyna. W kolagenie ssaków około 100 pozycji X zajętych jest przez prolinę i około 100 pozycji Y przez 4-hydroksyprolinę. Na kilku pozycjach X znajduje się 3-hydroksyprolina (ale tylko w sąsiedztwie 4-hydroksyproliny). Poza tym 5–50 pozycji Y jest zajętych przez hydroksylizynę. Reszty hydroksylizynowe mogą tworzyć wiązania O-glikozylowe. Kluczowa dla struktury jest glicyna (Gly) – co trzecia reszta aminokwasowa każdego polipeptydu wchodzi do środkowej części rdzenia potrójnej helisy i jedynie glicyna (jej reszta) jest na tyle małym aminokwasem, aby się tam zmieścić.
W uogólnionym składzie aminokwasowym kolagenu 33% to glicyna, 10% to prolina. Poza tym występują aminokwasy, których nie spotyka się w większości innych białek jak 4-hydroksyprolina (10%), 3-hydroksyprolina (<0,5%) i 5-hydroksylizyna (1%). Podobnie elastyna tworząca elastyczne włókna jest niestandardowo w porównaniu do innych białek bogata w glicynę i prolinę, ale w przeciwieństwie do kolagenu nie ulega glikozylacji.
Każdy z trzech łańcuchów występujących w kolagenie skręca się w helisę charakterystyczną dla kolagenu (tzw. helisa kolagenowa). Na pełny skręt takiej helisy przypada 3,3 reszt, tj. mniej niż dla helisy alfa (3,6 reszt). Łańcuchy ułożone są równolegle, owijają się jeden wokół drugiego. Trzy takie łańcuchy, każdy lewoskrętny, skręcając się dodatkowo wokół wspólnej osi, tworzą prawoskrętną, rozciągniętą superhelisę. Odwrotny kierunek skręcenia pojedynczych łańcuchów i potrójnej helisy sprawia, że struktura ta jest szczególnie odporna na odwijanie pod wpływem rozciągania.
Z takiej potrójnej helisy zbudowany jest tropokolagen, który jest podstawową jednostką strukturalną kolagenu. Struktura ta utrzymywana jest przez sieć wiązań wodorowych, zwłaszcza między grupą aminową glicyny jednej helisy a grupą karboksylową proliny w pozycji X innej helisy. Cząsteczki tropokolagenu (o średnicy 1,5 nm) agregują we włókienka (fibryle) (o średnicy 10–300 nm), a w wyniku dojrzewania ulegają usieciowaniu poprzez wiązania poprzeczne, tworząc włókna kolagenu (o średnicy 1–20 μm).
W typowej fibryli cząsteczki tropokolagenu są względem siebie przesunięte o 67 nm (64–67 nm) (nieco mniej niż jedna czwarta długości), a w jednym rzędzie są oddalone od siebie o 35 nm. Taki układ w obrazie z mikroskopu elektronowego prowadzi do uwidocznienia regularnych prążków.
Kolageny niefibrylarne charakteryzują się brakiem ciągłości struktury helikalnej w wyniku braku ciągłości powtarzającej się sekwencji Gly-X-Y. Jej brak skutkuje wytworzeniem się fragmentów o strukturze globularnej (niekolagenowej). Kolageny niefibrylarne nie tworzą włókien, tworzą za to układy sieciowe. Do kolagenów niefibrylarnych można zaliczyć kolageny kotwiczące, transbłonowe, multipleksyny czy kolageny FACIT.
+Wybrane typy kolagenuTypBudowaWystępowanieInne cechyKolageny fibrylarne (włókniste)I[α1(I)]2[α2(I)]skóra, ścięgna, więzadła, kości, zębina, inne tkanki łączne niebędące chrząstkąwłókno o dł. 300 nmII[α1(II)]3chrząstki, ciało szkliste, jądro miażdżyste (w krążku międzykręgowym)włókno o dł. 300 nmIII[α1(III)]3rozciągliwe tkanki łączne jak skóra, mięśnie, układ naczyniowy; często razem z typem Iwłókno o dł. 300 nmV[α1(V)]2[α2(V)], [α1(V)]3rogówka, zęby, kości, łożysko, skóra, mięśnie gładkie; często razem z typem Iwłókno o dł. 390 nm, N-końcowy fragment globularnyKolageny tworzące układy siecioweIV[α1(IV)]2[α2(IV)]wszystkie błony podstawneVIII[α1(VIII)]3, [α2(VIII)]3, [α1(VIII)]2α2(VIII)śródbłonek, błona Descemetatworzy heksagonalne układy siecioweX[α1(X)]3chrząstka hipertroficznatworzy heksagonalne układy siecioweKolageny kotwicząceVII[α1(VII)]3półdesmosomynajdłuższa domena trójhelikalna o dł. 420 nmKolageny towarzyszące włóknom o przerywanej strukturze helisowej (FACIT)IX[α1(IX)][α2(IX)][α3(IX)]chrząstki, ciało szkliste; towarzyszy kolagenowi typu II3 krótkie domeny kolagenowe zawierające 4 regiony globularneXIIα1[XII]3towarzyszy kolagenowi typu IKolageny transbłonoweXIII[α1(XIII)]3wiele tkanek, m.in. płytka nerwowo-mięśniowakolageny transbłonowe mają N-koniec zatopiony wewnątrz komórki i domenę hydrofobową przechodzącą przez dwuwarstwę lipidową błonyXVII[α1(XVII)]3nabłonek, hemidesmosomyMultipleksyny – kolageny o licznych nieciągłych domenach o budowie helikalnejXV[α1(XV)]3występuje w proteoglikanach, gdzie stanowi rdzeń białkowy połączony z siarczanem chondroityny; towarzyszy kolagenom błony podstawnejstabilizuje mięśnie szkieletowe i mikronaczyniaXVIII[α1(XVIII)]3towarzyszy kolagenom błony podstawnejutrzymuje strukturalną integralność błony podstawnej; bliski homolog kolagenu typu XV
Charakterystyczny motyw potrójnej helisy zidentyfikowano także w białkach wirusów, bakterii, grzybów, a także w pewnych białkach zwierzęcych, które nie należą do rodziny kolagenów (białka kolagenopodobne). Do takich kolagenopodobnych białek należą m.in. kolektyny, białko C1q układu dopełniacza, receptory zmiatacze klasy A.
Biosynteza kolagenu thumb|upright|4-Hydroksyprolina z zaznaczoną grupą hydroksylową thumb|5-Hydroksylizyna z zaznaczoną grupą hydroksylową thumb|Glikozylacja hydroksylowych reszt hydroksylizyny thumb|Tworzenie się wiązań poprzecznych między cząsteczkami tropokolagenu
W biosyntezie kolagenu można wyróżnić trzy główne etapy: syntezę na siateczce śródplazmatycznej szorstkiej (ER), potranslacyjną obróbkę w świetle ER oraz obróbkę pozakomórkową.