קולגן הינו המרכיב הדומיננטי של החומר החוץ-תאי – Extracellular matrix, כמעט בכל רקמות של בעלי חיים. משפחת חלבוני הקולגן הינה הטרוגנית מאופיינת על ידי גיוון רב במונחים של מבנה, המצאות ברקמות ותפקוד. עד כה, זוהו כ - 29 סוגים של חלבוני קולגן.
סוגי הקולגן אמנם שונים, אך בעלי תכונה משותפת - חוזק מכני מעל הממוצע למבנים חלבוניים, הנובע ישירות ממבנה הקולגן – שלושה סלילים המחוברים יחדיו.
קולגן מהווה חומר בניין עבור רוב הרקמות והאיברים. מלבד תפקידו המבני, לקולגן תפקיד חשוב בתהליך גדילה והתמיינות התא. בשל תכונותיו המגוונות, קולגן הפך לנושא מחקר בענפי מדע רבים. סיבי קולגן רקומביננטי סינטטי פותחו כבסיס לייצור חומרים ביולוגיים ליישומים רפואיים, כולל השתלות או שימושים בתחום הגינקולוגיה. מבנהו הספציפי, גרם לשימוש בקולגן כנשא חלבונים לשם אספקת תרופות, במיוחד בטיפול בסרטן ובמחלות גנטיות.
מבנה הקולגן
קולגן מהווה מרכיב העיקרי ברקמות חיבור במספר רקמות בגוף, כגון: גידים, רצועות, עור ושרירים. ישנם 29 סוגי קולגן, כאשר חמישה סוגים הינם הנפוצים ביותר: קולגן מסוג I -– הסוג הנפוץ ביותר, נמצא בכל רקמות החיבור קולגן מסוג II – נמצא במפרקים ובדיסקים בין חולייתיים. קולגן מסוג lll – המרכיב העיקרי של סיבים רשתיים, שנמצאים בעור ובכלי הדם. קולגן מסוג lV – מרכיב רקמות חיבור בכליות, האוזן הפנימית ועדשת העין. קולגן מסוג V – נמצא בשיער ובשלייה.
קולגן הינו החלבון השכיח ביותר ומהווה יותר מ-30% מכלל החלבון בגוף האדם.
היחידה המבנית הבסיסית המרכיבה את הקולגן הינה טרופוקולגן - Tropocollagen – חלבון בעל מבנה סליל אלפא - α-helix, המורכב משלושה פוליפפטידים. סיבי קולגן נוצרים באמצעות צבירה של מולקולות טרופוקולגן על ידי קשרי צד אלקטרוסטטיים והידרופוביים. צבירה נוספת יוצרת קישורים צולבים, כגון קשרים קוולנטיים או לא קוולנטיים בין צמדי חומצות האמינו ליזין – ליזין ובין צמד חומצות האמינו – הידרוקסיפרולין - הידרוקסיפרולין.
מבנה מולקולת הקולגן נובע בעיקר מהאינטראקציה בין המרכיבים הפוליפפטידים. הרכב חומצות האמינו וכמותן בשרשראות הפוליפפטידיות שונות בין סוגים שונים של קולגן. עם זאת, קיימים מספר מאפיינים מבניים נפוצים. תוארו שישה סוגים שונים של תת-יחידות והן מורכבות משלוש שרשראות זהות או שלוש שרשראות שונות או תערובת של אותן שתיים ואחת שרשראות שונות.
גליצין הינה חומצת האמינו הדומיננטית בקולגן ומהווה כ – 35% מכלל חומצות האמינו, פרולין מהווה את חומצת האמינו השנייה וקיימת בכמות של 12% מכלל חומצות האמינו. חומצות אמינו נוספות, אשר קיימות בשכיחות נמוכה הינן: ליזין, אלנין, חומצה אספרטית , חומצה גלוטמית וארגינין.
אחוז חומצות האמינו החומציות והבסיסיות בקולגן כמעט שווה, בנוסף, ניתן להבחין בריכוז משמעותי של הידרוקסיפרולין והידרוקסיליזין בהרכב שרשרת הפוליפפטיד.
ייצור קולגן
תהליך ייצור קולגן מורכב ממספר שלבים, החל משעתוק המידע בגנים שונים ותרגום המידע לרצף חומצות האמינו אשר ממנו נבנות מולקולות ראשוניות, חיבור מולקולות אלו לצברי טרופוקולגן והרכבת סלילי הקולגן. חלק משלבים אלו מבוצעים בתוך התא וחלק משלבים אלו מתבצעים מחוץ לתא.
ייצור קולגן – שלבים בתוך התא
שלב 1. שעתוק המידע האצור בגנים – DNA – ל – mRNA
כ-44 גנים קשורים ליצירת קולגן, כל אחד מקודד לרצף mRNA ספציפי. תחילת סינתזת הקולגן מתחילה בהפעלת גנים הקשורים ליצירת פפטיד אלפא מסוים.
שלב 2. תִרגוּם המידע ב – mRNA לחלבונים mRNA עובר אל הציטופלזמה ומקיים אינטראקציה עם ריבוזומים לצורך תרגום. לאחר התרגום, נוצרת שרשרת פרה-פרו-פוליפפטידית, בשם פרה-פרו- קולגן – Pre-pro-collagen. השרשרת זו עוברת לרשתית האנדופלזמית (ER) לשינוי שלאחר התרגום.
שלב 3. שינוי לאחר תרגום. שינוי לאחר תרגום
ברשתית האנדופלזמית מולקולת ה פרה-פרו- קולגן עוברת עיבוד שלאחר תרגום שבו מתבצעים ארבעה שינויים עיקריים כדי שתהפוך לפרו-קולגן - pro-collagen.
• פפטיד האות על טרמינל N מוסר.
• חומצות האמינו ליזין ופרולין שנמצאות בקצוות, עוברות הידרוקסילציה ( הוספת קבוצות הידרוקסיל - OH ) באמצעות אנזימי הידרוקסילאז. ריאקציה זו דורשת נוכחות ויטמין C כקו-פקטור ביחס של מולקולת ויטמין C אחת לכל ריאקציית הידרוקסילציה.
• גליקוזילציה של קבוצות ההידרוקסיל שנבחרו על ליזין עם גלקטוז וגלוקוז.
• שלוש מהשרשרות הפרו-A- שעברו הידרוקסילציה וגליקוזילציה, מתכנסות על ידי פיתול לסליל משולש על ידי קיפול דמוי רוכסן. תצורת הסליל המשולש היא 3 סלילים שמאליים מסובבים לתוך סליל ימני. כעת מולקולת הפרו-קולגן מוכנה לעבור למנגנון גולגי לצורך שינויים אחרונים ומורכבת לתוך שלפוחיות הפרשה כדי להיכנס לחלל החוץ-תאי - extracellular space.
ייצור קולגן – שלבים חוץ תאיים
קיצור מולקולת הפרוקולגן
אנזימים הידועים כקולגן פפטידאזים מסירים את קצוות מולקולת הפרוקולגן והמולקולה הופכת לטרופוקולגן. מולקולות הטרופוקולגן יוצרות סיבוני קולגן - Collagen fibrilבעקבות יצירת קשרים קוולנטים בין שיירי הצד של חומוצות אמינו - ליזין והידרוקסי ליזין.
סוג קולגן
שם הגן
מיקום בגוף
I
COL1A1 (17q21.31–q22) COL1A2 (7q22.1)
עצם, שכבת הדרמיס בעור, גידים, רצועות, קרנית.
II
COL2A1 (12q13.11 – q13.2)
סחוס, גוף זגוגית, נוקלאוס פולפוסוס.
III
COL3A1 (2q31)
עור, דופן כלי הדם, סיבים רשתיים של רוב הרקמות, כגון: ריאות, כבד, כליות, טחול ועוד.
התכונות הפיזיקליות-כימיות של הקולגן מקנות לקבוצת חלבונים זו מאפיינים החשובים ביותר, אשר כוללים חוזק מתיחה וקריעה גבוה ביותר אשר מגן על הרקמות מפני נזק מכני. עמידות סיבי הקולגן לכוחות מכניים גדלה ביחס ישר לגיל הסיבים ולהצטלבותם. קישור צולב זה קשור גם לעובדה שחלבוני הקולגן קושרים את המרכיבים הנותרים של החומר החוץ תאי ומבטיחים את שלמות הרקמות בהן הם קיימים.
בשל המבנה המרחבי ויכולת הקולגן לאגור מים, הקולגן אינו מסיס במים. תכונה זו הופכת אותו לעמיד בפני אנזימים פרוטאוליטיים, כגון: טריפסין, כימוטריפסין או פפסין. מידת המסיסות מים משחקת תפקיד משמעותי בתהליך הביוכימי התקין.
כתלות בטמפרטורה, קולגן עובר תהליך דנטורציה בשני שלבים. התהליך הדנטורטיבי של קולגן איטי יותר ושונה מעט מחלבונים אחרים. בשלב הראשון, מבנה הסליל "נפרם" על ידי פירוק קשרי המימן ההידרופוביים - תהליך זה הפיך. בשלב הבא, המבנים הסליליים נהרסים והופכים למבנים כדוריים. טווח הטמפרטורות הדרוש לפירוק הקולגן הינו בין 50 – 5 מעלות צלזיוס ותלוי במבנה המולקולה ובתנאי התגובה, כגון: ריכוז המלחים והאלקטרוליטים, pH וכמות שארי ההידרוקסיפרולין בקולגן.
תכונות כגון: רציפות מבנית, פלסטיות וצמיגות, משתנות כתלות בטיפול התרמי או עקב חשיפה לתמיסות שונות של חומצות ובסיסים, הן אורגניות והן אנאורגניות. שליטה בשיטות אלו נחוצה לשם קביעת שיטות ההכנה ולהשגת חלבוני קולגן למחקר.
בנוסף לתכונות הקולגן כחלבון מבני, לקולגן יש תפקיד עקיף בריאקציות ביוכימיות. לקולגן יכולת לקשור ליגנדים ממקורות שונים, כגון: לאינטגרינים ולחלבונים מתווכים שונים אחרים, ובכך חלבוני הקולגן מתווכים העברת האותות של התאים, מווסתים את התפשטות התאים ונדידה תקינה בתוך הרקמה.
בנוסף סיבי קולגן מקיימים אינטראקציה עם פרוטאוגליקנים, ומספקים לרקמות ספציפיות תכונות מכניות מתאימות. ביוסינתזה ופירוק ביולוגי תלויים גם בקשירת הקולגן לחומרים אחרים, כגון קולגנאזות או חלבונים מלווים - Chaperones .
לקולגן יש השפעה חיובית על תפקוד תקין של מערכת החיסון, בעיקר באמצעות ההשפעה על תפקוד מערכת המשלים. קולגן קושר גם את רכיבי C1r או C1s שאחראים על הפעלת מערכת החיסון והגברת התגובה החיסונית.
שימושים בקולגן בתחום הרפואה
לחומרים ביולוגיים מבוססי קולגן יש מגוון רחב של יישומים הן בגוף והן במעבדה. קולגן מתאים לשימוש בהשתלות בגוף החי הודות לאנטיגניות חלשה, אשר משפרת תאימות ביולוגית ובטיחות, הודות להתכלות ביולוגית. תכונות אלו הופכת את הקולגן למשאב עיקרי ביישומים רפואיים שונים ומגוונים בתחומים כגון: . אורתופדיה ורפואת ספורט, רפואת שיניים, כירורגיה כללית, פלסטית ושחזורית ואונקולוגיה. להלן מספר שימושים בקולגן בתחומים אלו:
תחליפי השתלת עצם
הוספת קולגן לחומרים כגון: בטא טריקלציום פוספט הידרוקסיאפטיט וזכוכית ביו-אקטיבית, משפרת באופן דרמטי את יעלות טיפולי מילוי חללי העצם ומעודדת צמיחת תאים הדרושה להתחדשות רקמות ושיקום של פגמים בעצמות שהתפתחו כתוצאה ממחלה או עקב טראומה.
תיקון סחוסים
"פיגומי" קולגן משמשים לחידוש רקמות מקומיות ונמצאים בשימוש לשם תיקון סחוסים. על ידי השימוש הקולגן, ניתן לעצב את מבנה הנקבוביות וקצב הפירוק של הרקמה, לשם קידום התחדשות הסחוס ההיאליני.
תיקון גידים
עטיפת גיד קולגן משמשת לתיקון רקמות רכות, כגון גידי מסובבי הכתף, גידי הפיקה, גיד אכילס, גישי השריר הדו-ראשי ועוד. ציפוי גידים ורצועות בקולגן סינתטי עשויה לשפר את גיוס התאים ואת כלי הדם ולהאיץ את תהליך ההחלמה.
תחליפי עור
במקרים של אובדן עור נרחב, כגון טראומה חמורה או כוויות, להשתלות עור יש מספר מגבלות, כולל היעדר זמינות של רקמת תורם. כחלופה, פותחו תחליפי עור להחלפת פגמי עור באמצעות חומרים מהונדסים. ניתן להשתמש בקולגן בשתלים מהונדסים. במקרה זה, הקולגן פועל כמצע להעברת תאים כגון קרטינוציטים ופיברובלסטים.
סוגי קולגן
לשם ייצור קולגן קיימים כ – 40 גנים שונים אשר גורמים לביטוי של מספר רב של סיבי קולגן. להלן רשימה של חלבוני הקולגן שזוהו עד כה:
