miniatura|Representació de la triple hèlix del tropocol·làgen. El col·lagen és una molècula proteica que forma fibres, les fibres col·làgenes, que estan presents en quantitat variable en quasi tots els tipus de teixit conjuntiu. Les fibres de col·lagen són unes estructures que proporcionen resistència a la tensió i flexibilitat. Són acidòfiles. Estan formades per fibril·les. El punt de ruptura de les fibres col·làgenes dels tendons humans s'arriba amb una força de diversos centenars de quilograms per centímetre quadrat. Per a aquesta tensió solament s'han allargat un petit tant per cent de la seva longitud original. Quan el col·lagen es desnaturalitza per ebullició, es converteix en una substància coneguda com a gelatina.
El col·lagen està format per una proteïna precursora anomenada tropocol·lagen que amida al voltant de 300 nanòmetres de llargària i 1,4 nm de diàmetre. El tropocol·lagen està format per tres cadenes polipeptídiques anomenades cadenes alfa, cadascuna d'un pes molecular al voltant de 100.000 daltons. Aquestes cadenes tenen una característica configuració helicoidal levogira que s'ha anomenat precisament amb el seu nom hèlix de col·lagen. Les tres cadenes s'enrotllen i es fixen mitjançant enllaços transversals per formar una triple hèlix dextrogira amb una distància entre les voltes de 8,6 nanòmetres.
El col·lagen conforma una família de molècules estretament relacionades però genèticament distintes, descrivint-se diversos tipus de col·lagen i sent els principals quatre.
Característiques El col·lagen és una proteïna llarga, fibrosa i estructural amb funcions molt diferents de les que realitzen les proteïnes globulars, com els enzims. Les fibres de col·lagen són un component important de la matriu extracel·lular que suporta la majoria dels teixits i dona estructura a les cèl·lules des de l'exterior, tot i que també es troba dins de certes cèl·lules. El col·lagen té una gran resistència a la tracció, i és el principal component de la fàscia, els cartílags, els lligaments, els tendons, els ossos i la pell. Juntament amb la queratina tova, és responsable de la força i l'elasticitat de la pell, i la seva degradació condueix a les arrugues que acompanyen l'envelliment humà.Structure of Skin The Aging Skin El col·lagen enforteix els vasos sanguinis i té un paper en el desenvolupament dels teixits. És present a la còrnia i al cristal·lí de l'ull en forma cristal·lina.
Història i antecedents Les estructures moleculars i d'embalatge del col·lagen han eludit als científics durant dècades d'investigació. La primera evidència que el col·lagen posseeix una estructura regular a escala molecular va ser presentada a mitjans de 1930. Des de llavors, molts acadèmics prominents, incloent-hi premis Nobel com Crick, Pauling, Rich i Yonath, i altres, incloent-hi Brodsky, Berman, i Ramachandran, es van concentrar en la conformació del monòmer de col·lagen. Diversos models, tractant correctament la conformació de cada cadena de pèptids individuals, van donar lloc al model de la triple hèlix "Madras", el qual explica correctament l'estructura quaternària de la molècula, encara que en aquest model calen alguns ajustaments. L'estructura d'embalatge de col·lagen no s'ha definit amb el mateix grau fora dels tipus de col·lagen fibril·lar, encara que s'ha sabut per molt de temps que és hexagonal ... o quasihexagonal. Igual que amb la seva estructura monomèrica, diversos models en conflicte al·leguen que la disposició d'embalatge de les molècules de col·lagen té "forma de làmina" o microfibril·lar. L'estructura microfibril·lar de les fibril·les de col·lagen al tendó, còrnia i cartílag s'ha fotografiat directament amb el microscopi electrònic. El 2006, l'estructura microfibril·lar del tendó d'adults, segons el descrit per Fraser, Miller, i Wess (entre d'altres), es va confirmar com la més propera a l'estructura observada, encara que simplifiqui la progressió topològica de les molècules de col·lagen veïnes i, per tant, no predigui la correcta conformació discontínua de la disposició D-pentàmera periòdica, dita simplement: microfibril·la.
Química del col·lagen El col·lagen és un compost format per una triple hèlix, que generalment consta de dues cadenes idèntiques (α1) i una cadena addicional que difereix lleugerament en la seva composició química (α2). La composició d'aminoàcids del col·lagen és atípica per les proteïnes, en particular pel que fa al seu elevat contingut d'hidroxiprolina. Els motius més comuns en la seqüència d'aminoàcids del col·lagen són glicina-prolina-X i glicina-X-hidroxiprolina, on X és qualsevol aminoàcid diferent de glicina, prolina o hidroxiprolina. La composició mitjana d'aminoàcids per al peix i la pell de mamífers és coneguda. Aminoàcid Abundància en la pell dels mamífers (Residus/1000) Abundància en la pell dels peixos(Residus/1000) Asp 47 47 Hyp 95 67 Thr 19 26 Ser 36 46 Glu 74 76 Pro 126 108 Gly 329 339 Ala 109 114 Val 22 21 Met 6 13 Ile 11 11 Leu 24 23 Tyr 3 3 Phe 13 14 Hyl 6 8 Lys 29 26 His 5 7 Arg 49 52
Síntesi de col·lagen La síntesi de col·lagen es produeix dins i fora de la cèl·lula. La formació de col·lagen que es tradueix en fibril·les de col·lagen (forma més comuna) es discuteix aquí. La malla de col·lagen, que sovint participa en la formació de sistemes de filtració és l'altra forma del col·lagen. Cal assenyalar que tots els tipus de col·làgens són hèlixs triples, i les diferències radiquen en la composició dels pèptids alfa creats en el pas 2.
La transcripció d'ARNm: Hi ha aproximadament 34 gens associats amb la formació de col·lagen, cada un que codifica una seqüència d'ARNm específica, i solen tenir la "COL" com a prefix. L'inici de la síntesi de col·lagen comença amb l'activació dels gens que estan associats amb la formació d'un pèptid alfa en particular (en general alfa 1, 2 o 3). La formació del pro-pèptid: Una vegada que surt l'ARNm del nucli de la cèl·lula i entra al citoplasma, s'uneix amb les subunitats del ribosoma i es produeix el procés de traducció. La primera part de la cadena de pèptids formada es coneix com la seqüència senyal. La seqüència senyal situada a l'extrem N-terminal del pèptid és reconeguda per una partícula de reconeixement de senyal del reticle endoplasmàtic, que s'encarregarà de dirigir el nou pèptid en formació al reticle endoplasmàtic. Per tant, una vegada que s'acaba la síntesi del pèptid, entra directament en el reticle endoplasmàtic pel processament post-traduccional. De pèptid alfa a procol·lagen: Tres modificacions del pro-pèptid porten a la formació del pèptid alfa. Després, la triple hèlix coneguda com a procol·lagen es forma abans de ser transportada en una vesícula de transport cap a l'aparell de Golgi. 1) El pèptid senyal a la N-terminal es dissol, i la nova molècula es coneix com a pro-pèptid. 2) S'hidroxilen les lisines i prolines per l'acció dels enzims lisil hidroxilasa i prolin hidroxilasa (per produir hidroxiprolina i hidroxilisina) amb la finalitat d'ajudar a la reticulació dels pèptids alfa. Aquest és el pas enzimàtic que requereix la vitamina C com cofactor. En l'escorbut, la manca de la hidroxilació de prolines i lisines causa una triple hèlix defectuosa (que està formada per tres pèptids alfa). 3) La glicosilació es produeix per addició de monòmers de glucosa o galactosa en els grups hidroxil de les lisines, però no de les prolines. A partir d'aquí els pro-pèptids hidroxilats i glucosilats giren cap a l'esquerra i després la unió de tres pro-pèptids formen la triple hèlix. És important recordar que aquesta molècula, coneguda ara com a pro-col·lagen,es compon d'una part en forma d'hèlix (centre) i dos caps sense lligar a cada extrem. En aquest punt el pro-col·lagen, està contingut en una vesícula de transferència destinada a l'aparell de Golgi. Modificació a l'Aparell de Golgi: A l'aparell de Golgi, el pro-col·lagen passa a través d'una última modificació post-traduccional, abans de ser secretat fora de la cèl·lula. En aquest pas s'afegeixen oligosacàrids i, a continuació, el pèptid alfa s'empaqueta en vesícules secretores destinades a l'espai extracel·lular. Formació de tropocol·lagen: Un cop fora de la cèl·lula, els enzims units a la membrana coneguts com a peptidases del col·lagen, treuen el "caps sense lligar" de la molècula de pro-col·lagen. El que queda és conegut com a tropocol·lagen. Un defecte en aquest pas produeix una de les col·lagenopatíes conegudes com a síndrome d'Ehlers-Danlos. Aquest pas està absent quan se sintetitza el col·lagen de tipus IV o malla de col·lagen. Formació de les fibril·les de col·lagen: la lisil oxidasa i enzims extracel·lulars produeixen el pas final en la via de la síntesi de col·lagen. Aquest enzim actua sobre lisines i hidroxilisines per produir grups aldehid, que finalment formaran enllaços covalents entre les molècules de tropocol·lagen. Aquest polímer de tropocol·lagen es coneix com a fibril·la de col·lagen.
Estructura molecular miniatura|Imatge de microscòpia electrònica de transmissió d'un teixt pulmonar de mamífer on es veuen les fibres de col·lagen (Tipus I)
Cada fibril·la de col·lagen està formada per molècules de tropocol·lagen que es disposen de manera escalonada una al costat d'una altra de manera que s'aprecia:
Una zona de bretxa en la qual hi ha buits Una zona de superposició
La molècula de tropocol·lagen o col·lagen és una subunitat d'agregats més grans. Amb aproximadament 300 nm de llarg i 1,5 nm de diàmetre, es compon de tres cadenes polipeptídiques (anomenades pèptids alfa), cada una amb la conformació d'una hèlix cap a l'esquerra (el seu nom no s'ha de confondre amb l'habitual estructura hèlix alfa, una estructura amb gir cap a la dreta). Aquestes tres hèlixs amb gir cap a l'esquerra formen una nova espiral amb gir cap a la dreta, una triple hèlix o "súper hèlix", una cooperativa estructura quaternària estabilitzada per molts ponts d'hidrogen. El col·lagen tipus I i, possiblement, tots els col·làgens fibril·lars, si no tots els col·làgens, formen aquestes triples hèlixs conegudes com a microfibril·les de col·lagen. Cada microfibril·la és interdigitada amb les seves microfibril·les veïnes fins al punt que podria suggerir que són inestables de forma individual, encara que cada fibril·la de col·lagen està perfectament ordenada.