13.2: קולגן
- Page ID
- 208607
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\( \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum\limits} \)
\( \newcommand{\dint}{\displaystyle\int\limits} \)
\( \newcommand{\dlim}{\displaystyle\lim\limits} \)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\id}{\mathrm{id}}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
\( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
\( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\)
\( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\)
\( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\)
\( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\)
\( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\)
\( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\)
\( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)
\( \newcommand{\vectorA}[1]{\vec{#1}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorAt}[1]{\vec{\text{#1}}} % arrow\)
\( \newcommand{\vectorB}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\( \newcommand{\vectorC}[1]{\textbf{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorD}[1]{\overrightarrow{#1}} \)
\( \newcommand{\vectorDt}[1]{\overrightarrow{\text{#1}}} \)
\( \newcommand{\vectE}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash{\mathbf {#1}}}} \)
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \)
\(\newcommand{\longvect}{\overrightarrow}\)
\( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)
\(\newcommand{\avec}{\mathbf a}\) \(\newcommand{\bvec}{\mathbf b}\) \(\newcommand{\cvec}{\mathbf c}\) \(\newcommand{\dvec}{\mathbf d}\) \(\newcommand{\dtil}{\widetilde{\mathbf d}}\) \(\newcommand{\evec}{\mathbf e}\) \(\newcommand{\fvec}{\mathbf f}\) \(\newcommand{\nvec}{\mathbf n}\) \(\newcommand{\pvec}{\mathbf p}\) \(\newcommand{\qvec}{\mathbf q}\) \(\newcommand{\svec}{\mathbf s}\) \(\newcommand{\tvec}{\mathbf t}\) \(\newcommand{\uvec}{\mathbf u}\) \(\newcommand{\vvec}{\mathbf v}\) \(\newcommand{\wvec}{\mathbf w}\) \(\newcommand{\xvec}{\mathbf x}\) \(\newcommand{\yvec}{\mathbf y}\) \(\newcommand{\zvec}{\mathbf z}\) \(\newcommand{\rvec}{\mathbf r}\) \(\newcommand{\mvec}{\mathbf m}\) \(\newcommand{\zerovec}{\mathbf 0}\) \(\newcommand{\onevec}{\mathbf 1}\) \(\newcommand{\real}{\mathbb R}\) \(\newcommand{\twovec}[2]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\ctwovec}[2]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\threevec}[3]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cthreevec}[3]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fourvec}[4]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfourvec}[4]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\fivevec}[5]{\left[\begin{array}{r}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\cfivevec}[5]{\left[\begin{array}{c}#1 \\ #2 \\ #3 \\ #4 \\ #5 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\mattwo}[4]{\left[\begin{array}{rr}#1 \amp #2 \\ #3 \amp #4 \\ \end{array}\right]}\) \(\newcommand{\laspan}[1]{\text{Span}\{#1\}}\) \(\newcommand{\bcal}{\cal B}\) \(\newcommand{\ccal}{\cal C}\) \(\newcommand{\scal}{\cal S}\) \(\newcommand{\wcal}{\cal W}\) \(\newcommand{\ecal}{\cal E}\) \(\newcommand{\coords}[2]{\left\{#1\right\}_{#2}}\) \(\newcommand{\gray}[1]{\color{gray}{#1}}\) \(\newcommand{\lgray}[1]{\color{lightgray}{#1}}\) \(\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}\) \(\newcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\col}{\text{Col}}\) \(\renewcommand{\row}{\text{Row}}\) \(\newcommand{\nul}{\text{Nul}}\) \(\newcommand{\var}{\text{Var}}\) \(\newcommand{\corr}{\text{corr}}\) \(\newcommand{\len}[1]{\left|#1\right|}\) \(\newcommand{\bbar}{\overline{\bvec}}\) \(\newcommand{\bhat}{\widehat{\bvec}}\) \(\newcommand{\bperp}{\bvec^\perp}\) \(\newcommand{\xhat}{\widehat{\xvec}}\) \(\newcommand{\vhat}{\widehat{\vvec}}\) \(\newcommand{\uhat}{\widehat{\uvec}}\) \(\newcommand{\what}{\widehat{\wvec}}\) \(\newcommand{\Sighat}{\widehat{\Sigma}}\) \(\newcommand{\lt}{<}\) \(\newcommand{\gt}{>}\) \(\newcommand{\amp}{&}\) \(\definecolor{fillinmathshade}{gray}{0.9}\)הגדולים והבולטים מבין חלבוני המטריצה החוץ תאית, המהווים רבע מהמסה היבשה של גוף האדם, הם בני משפחת הקולגן. קולגן הם פולימרים שניתן לסווג לסוגים סיביים (למשל קולגנים I, II, III) ולא פיברילרים (למשל קולגן IV). הקולגנים הפיברילריים מורכבים ממונומרים סליליים משולשים של יחידות משנה זהות (הומוטרימר) או שונות (הטרוטרימר). מונומרים אלה קשורים לאחר מכן באינטראקציה מקבילה מקוזזת עם מונומרים אחרים של קולגן, מה שמוביל להיווצרות סיבים ארוכים. בדיקה מיקרוסקופית אלקטרונית של סיבים ארוכים אלה מראה דפוס פסים, המעיד על הפער הקל בין מונומרים לאורך אותה הקבלה.
כמו כל החלבונים המופרשים, קולגן I מעובד במיון (איור\(\PageIndex{2}\)), אך לא מורכב שם לחלוטין: שלוש שרשראות הפרו-α מורכבות לסליל משולש פרוקולגן, המופרש. באופן חוץ תאי, לאחר מכן יש לפצל אותם בשני הטרמינלים כדי ליצור את חלבון הקולגן הפעיל, שהוא סיבי לחלוטין. לסוגי קולגן אחרים אין את אותו מחשוף, וייתכן שיש להם תחומים כדוריים בקצות הסיבים. קולגנים מעניינים גם בגלל איפור חומצות האמינו יוצא הדופן שלהם. הם מכילים שיעור גבוה של חומצות אמינו הידרוקסילטיות, בעיקר פרולינים וליזינים (איור). \(\PageIndex{3}\) הידרוקסילציה זו הכרחית לקשר המימן הנרחב המתרחש בין יחידות משנה ובין מונומרים. הסיבים קשורים לחוזק מתיחה גבוה. דוגמה לכך תהיה סיבי הקולגן הארוכים הפועלים במקביל לציר הארוך של הגידים והרצועות. מבנים אלה הנושאים מתח גבוה (חיבור עצם לשריר ועצם לעצם, בהתאמה) דורשים את החוסן שסיבי קולגן יכולים לספק.
לעומת זאת, מצבים המשפיעים לרעה על היווצרות הקולגן עלולים להוביל למצבי מחלה חמורים. למעשה, צורה של בולוזה באפידרמוליזה (מחלת שלפוחיות העור התורשתית שהוצגה בפרק הקודם) נגרמת על ידי מוטציה בקולגן VII המיוצר בעיקר על ידי קרטינוציטים אפידרמיס ומופרש לשכבת קרום המרתף הדרמית-אפידרמלית. מגוון של כונדרודיספלזיות כמו גם מומים בעצמות כגון osteogenesis imperfecta (שיכולה להיות קטלנית פרינטאלית) נקשרו למוטציות בגנים שונים של קולגן. לבסוף, מספר תסמינים של צפדינה נובעים ממום בקולגן ב- ECM: דפנות כלי דם חלשות, חניכיים מדממות ושיניים רופפות ועצמות שבירות. צפדינה היא מחלה של מחסור בחומצה אסקורבית (ויטמין C), וההשפעה על ECM נובעת מהצורך בחומצה אסקורבית כקופקטור לאנזימים המחייבים את הפרולינים והליזינים של הקולגן.
קולגן הוא מרכיב עיקרי בקרום המרתף ובלמינה הבסיסית. הלמינה הבסיסית חזקה וגמישה, מסוגלת לשמש כתמיכה מבנית ליריעות האפיתל המחוברות אליה, כמו גם לספק מטריצה/פילטר חדיר למחצה המאפשר מעבר של מים ומולקולות קטנות יותר, אך אינו כולל מקרומולקולות גדולות יותר. שני מרכיבי החלבון העיקריים ללמינה הבסיסית הם קולגן IV ולמינין. לקולגן IV יש תחומים פיברילריים ארוכים, אלפא-סליליים, כמו גם תחומים כדוריים שיכולים לקיים אינטראקציה באוריינטציות שונות ליצירת הרשת המגדירה את קרום הבסיס. רשת הלמינין מחוברת לרשת הקולגן באמצעות חלבוני מקשר אנטקטין (נידוגן).
יישום מעניין של סיבי קולגן נמצא בקרנית, הכיסוי הברור המגן של העין. הקרנית היא ההגנה העיקרית מפני פגיעה בעין, והיא חייבת להיות קשוחה. השכבה המרכזית (סטרומה, או substantia propria) מורכבת מכ -200 שכבות של סיבי קולגן מקבילים ארוזים היטב ומרווחים באופן קבוע, כאשר שכבות סמוכות מסודרות כך שסיבי הקולגן שוכבים בניצב משכבה אחת לאחרת. סוג זה של מבנה למינרי משמש במגוון של חומרי בנייה מעשה ידי אדם (כולל חומר בניין בכל מקום, דיקט) ומספק כוח רב במסה קטנה יחסית. קצת מדהים, ולא כמו דיקט, הקרנית שקופה. סבורים כי תכונה זו נובעת מהסדירות של סריג הקולגן, המאפשר ביטול אור מפוזר מפיבריל אחד על ידי הפרעה הרסנית מהאור המפוזר של פיבריל אחר. באופן קצת מנוגד לאינטואיציה, הוא למעשה מעונן (בגלל שבירה) כאשר הוא סופג נוזלים מההומור המימי, ויש לו מנגנונים פעילים לשאוב כל נוזל כזה בחזרה מהקרנית. זו הסיבה שהקרנית מתעבה והופכת לשקופה לאחר המוות - למנגנון המשאבה כבר אין אנרגיה לפעול, וההומור המימי מתפזר לקרנית.
הנימוק העומד מאחורי השימוש בתוספי גלוקוזאמין וכונדרויטין סולפט על ידי אנשים הסובלים מבעיות במפרקים הוא שהם שניים מהסוכרים שנמצאים בפרוטוגליקנים של רקמות סחוס כמו המניסקוס של הברך ובמפרקים אחרים. כונדרואיטין סולפט בפרט הוא הסוכר העיקרי בפרוטוגליקנים של הסחוס המפרקי. שניהם נחשבים כמעוררים סינתזת GAG, וצוין תיעוד מוגבל של השפעות מעכבי פרוטאז וסינתזת קולגן. נתונים ממודלים של ארנבות (אך ניגוד עניינים פוטנציאלי, Lippiello et al, 2000) מצביעים על יתרון טיפולי מתוספים כאלה. עם זאת, מחקרים בבני אדם לא הראו עד כה שיפור משמעותי בחולים שכבר סובלים מדלקת פרקים בינונית עד חמורה ומחלות אחרות הקשורות למפרקים (Clegg et al, 2006). ניתוח סקר משני העלה כי קיימת הבטחה מסוימת ביחס להשפעות על מקרים קלים עד בינוניים, אך הנתונים לא היו משמעותיים.