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Kollagene

Kollagene (Vorstufe Tropokollagene; internationalisierte Schreibweise Collagene; Betonung auf der zweitletzten Silbe) sind eine Gruppe nur bei vielzelligen Tieren (einschließlich Menschen) vorkommender Strukturproteine (ein Faserbündel bildendes „Eiweiß“) hauptsächlich des Bindegewebes (genauer: der extrazellulären Matrix). Kollagene finden sich unter anderem in den weißen, unelastischen Fasern von Sehnen, Bändern, Knochen und Knorpeln. Auch Schichten der Haut (Unterhaut) bestehen aus Kollagenen.

Kollagen
Kollagen-Tripelhelix
Masse/Länge Primärstruktur 3 × 200–1000 Aminosäuren
Sekundär- bis Quartärstruktur Tripelhelix
Präkursor Prokollagen-Polypeptidketten und Prokollagen
Isoformen 28 beim Menschen
Arzneistoffangaben
ATC-Code B02, G04, D11
Wirkstoffklasse Faserprotein
Vorkommen
Übergeordnetes Taxon Gewebetiere

Inhaltsverzeichnis

Nahaufnahme
Menschliche Haut
Nashornhaut

Im menschlichen Körper ist Kollagen mit über 30 % Anteil an der Gesamtmasse aller Proteine das am häufigsten vorkommende Eiweiß. Es ist ein wesentlicher organischer Bestandteil des Bindegewebes (Knochen, Zähne, Knorpel, Sehnen, Bänder) und der Haut. Seinen Namen erhielt das Kollagen (aus dem Griechischen: Leim erzeugend) ursprünglich aufgrund seiner früheren Nutzung als Knochenleim im Holzhandwerk. Es ist der Hauptgrundstoff für die Herstellung von Gelatine.

Kollagen besteht aus einzelnen langen Kollagenmolekülen (Proteinketten), die eine linksgängige Helix (ähnlich der Polyproline-II-Helix) ausbilden. Jeweils drei dieser Helices sind in einer rechtsgängigen Superhelix arrangiert. Diese Tripelhelix wird durch Wasserstoffbrücken zwischen den einzelnen Strängen stabilisiert.

Auffallend an der Primärstruktur (Aminosäuresequenz) des Kollagens ist, dass jede dritte Aminosäure Glycin ist. Ein in der Proteinfamilie der Kollagene häufig wiederholtes Sequenzmotiv ist Glycin-Prolin-Hydroxyprolin.

Kollagenfasern besitzen eine enorme Zugfestigkeit und sind kaum dehnbar. Die dichte Wicklung ist hierbei ausschlaggebend für die hohe Zugfestigkeit von Kollagenfasern.

Kollagene spielen in der Biomineralisation der Wirbeltiere eine entscheidende Rolle.

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Kollagen Typ I gleichgesetzt mit „Kollagen“. Kollagen Typ I ist zwar mengenmäßig im Säugetier das bedeutendste Kollagen und durch seine Verwendung als Gelatine auch das Bekannteste, es existieren jedoch weitere Kollagentypen, die sich strukturell wesentlich vom Kollagen Typ I unterscheiden und andere wichtige biologische Funktionen wahrnehmen. Gelatine ist die denaturierte Form von fibrillärem Kollagen Typ I, II und/oder III und wird meist aus Schlachtabfällen gewonnen. Hierbei ist zu beachten, dass Kollagen Typ II vornehmlich im Knorpel vorkommt, Gemische von Kollagen Typ I und III stammen aus Sehnen, Bändern und der Haut.

Funktionale Gene kollagener Strukturproteine finden sich bei allen Stämmen der vielzelligen Tiere, bei Schwämmen, Nesseltieren bis zu Säugetieren, hauptsächlich in deren extrazellulären Matrix und im Bindegewebe. Kollagene treten bei anderen Organismen wie Pilzen, Pflanzen oder Einzellern nicht auf.

Kollagenmolekül

Die Polypeptidketten des Kollagens werden einzeln durch die Ribosomen des rauen Endoplasmatischen Retikulums synthetisiert. Als Kollagenmolekül oder Tropokollagen werden nur tripelhelikale Moleküle der extrazellulären Matrix (EZM) bezeichnet. Sie haben gemeinsam, dass sie aus drei Polypeptidketten aufgebaut sind. Diese liegen jeweils in linksgängigen Kollagen-Helices (α-Ketten, nicht zu verwechseln mit den rechtsgängigen α-Helices) vor und sind gemeinsam in Form der charakteristischen rechtshändigen Tripelhelix umeinander gewunden. Jede einzelne Kollagen-Helix kann in Abhängigkeit vom Kollagentyp aus 600 bis 3000 Aminosäuren zusammengesetzt sein und ist mit großen Domänen ausgestattet, die aus sich wiederholenden (repetitiven) G-X-Y-Sequenzen aufgebaut sind.

Somit befindet sich an jeder dritten Position ein Glycin (G)-Rest. Glycin als die kleinste Aminosäure passt ideal in die Tripelhelix mit ihren sehr engen Windungen. Die Aminosäure Prolin ist sehr häufig an Position X zu finden. Prolin fungiert hier aufgrund seiner starren Ringstruktur als „Ecke“ in der Polypeptidkette und unterstützt die Ausbildung von engen Windungen innerhalb der Tripelhelix. 4-Hydroxyprolin ist überwiegend an Position Y lokalisiert und stabilisiert die Tripelhelix über Wasserstoffbrücken zwischen benachbarten Polypeptidketten. Durch die Verwendung von Glycin, Prolin und Hydroxyprolin wird die Rotation der Polypeptidkette begrenzt und den engen Raumbedingungen innerhalb der Tripelhelix Rechnung getragen.

Strukturebene molekularer Bereich
Primärstruktur (= Sequenz) Polypeptidketten mit repetitiven G-X-Y-Sequenzen
Sekundärstruktur linksgängige Kollagen-Helices (α-Ketten)
Tertiärstruktur rechtsgängige Tripelhelix aus 3 Polypeptidketten (Tropokollagen Ø1,5 nm)
Quartärstruktur Mikrofibrillen Ø20–40 nm, Fibrillen Ø300–500 nm, Fasern Ø4–12 μm

Das Vorkommen von Hydroxylysin neben Hydroxyprolin ist ebenfalls charakteristisch für Kollagen. Hydroxylysin bildet die Voraussetzung für die Ausbildung kovalenter Quervernetzungen, womit die einzelnen Tripelhelices innerhalb der Kollagenfibrillen räumlich fixiert werden können.

Kollagenfibrille

Elektronenmikroskopische Aufnahme von Kollagenfasern.

In den Fibrillen sind benachbarte Kollagenmoleküle nicht bündig angeordnet, sondern um 67 nm, d. h. um etwa ein Fünftel ihrer Länge, gegeneinander versetzt. Diese Anordnung hat zur Folge, dass auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Metall-kontrastierten Kollagenfibrillen eine Querstreifung zu sehen ist. Es entsteht ein charakteristisches Bänderungsmuster, das sich alle 67 nm (234 Aminosäuren) wiederholt und als D-Periode bezeichnet wird. Dadurch werden die α-Ketten in vier homologe Bereiche D1–D4 unterteilt. Die in einer D-Einheit auftretenden Banden werden mit a–e bezeichnet. Die Kollagen-Fibrillen sind geordnete Polymere, die im ausgereiften Gewebe viele Mikrometer lang werden können. Sie sind oft zu größeren, kabelartigen Bündeln, den Kollagenfasern, zusammengefasst. Bei Sehnen betragen die Kollagen Typ I Fibrillendurchmesser 50–500 nm, in der Haut 40–100 nm und in der Kornea (Hornhaut des Auges) 25 nm. Die Fibrillogenese des Kollagens wird oftmals durch kleine leucinreiche Proteoglykane reguliert, so dass in den entsprechenden Geweben Fibrillen mit definiertem Durchmesser und definierter Anordnung entstehen können.

Strukturaufklärung

Das heutige Bild der Kollagen-Tripelhelix und die räumliche Einordnung der Aminosäurereste und ihrer Wasserstoffbrücken untereinander geht maßgeblich auf die Röntgen-kristallographischen Arbeiten der indischen Wissenschaftler G. N. Ramachandran und Gopinath Kartha zurück (1954).

Wesentliche Aufklärung (die gesamte Primärstruktur des Typ I Kollagens sowie die Makrostrukturen der Typen IV und VI) leistete das ehemalige Max-Planck-Institut für Eiweiß- und Lederforschung in München (1956 zur Aufklärung des Bindegewebes durch Sponsoring der Lederindustrie gegründet) ab 1966 unter der Leitung von Klaus Kühn (nach Institutsverlegung am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried).

Kollagen wird hauptsächlich in Fibroblasten, Chondroblasten, Osteoblasten und Odontoblasten hergestellt, jedoch wird Kollagen auch in vielen anderen Zelltypen synthetisiert. Am besten untersucht ist die Biosynthese des Kollagens in Fibroblasten. Fibroblasten besitzen ein ausgedehntes raues endoplasmatisches Retikulum und einen gut entwickelten Golgi-Apparat, um an der Sekretion der Kollagene in die extrazelluläre Matrix teilnehmen zu können. Fibroblasten stellen Kollagen de novo her und sezernieren es in die extrazelluläre Matrix. Außerdem sind Fibroblasten in der Lage, Kollagen mithilfe von Enzymen, den sogenannten Kollagenasen, abzubauen.

1. Transkription: Bislang sind 42 Gene bekannt, die sich an der Biosynthese von Kollagen beteiligen und für 28 verschiedene Kollagentypen codieren. Jedes Gen codiert für eine bestimmte mRNA-Sequenz und der Genname enthält typischerweise COL als Präfix. Die Synthese wird durch die Aktivierung von bestimmten Genen gestartet, die für die Bildung von bestimmten α-Peptiden zuständig sind. Hauptsächlich sind dies die α-Peptide α1, α2 oder α3.

2. Translation: Sobald die mRNA vom Zellkern in das Cytoplasma gelangt, verbindet sich die mRNA zur Translation mit den ribosomalen Untereinheiten zur Bildung von Präpro-α-Ketten (auch Präpropeptid genannt). Diese Präpro-α-Ketten enthalten am N-Terminus eine Signalsequenz. Diese Signalsequenz wird durch ein Signalerkennungspartikel am rauen endoplasmatischen Retikulum (ER) erkannt, sodass die Kette in das Lumen des rauen ER gelangen kann.

3. Präpro-α-Kette zum Prokollagen: Drei Modifikationen der Präpro-α-Kette sind zur Bildung einer α-Kette nötig. Danach folgt die Tripelhelixbildung dreier α-Ketten zum Prokollagen.

  1. Abspaltung der Signalsequenz: Die Signalsequenz am N-Terminus der Präpro-α-Kette wird durch Signalpeptidasen abgespalten und es entsteht eine Pro-α-Kette, die mit N- und C-terminalen Propeptiden versehen ist.
  2. Hydroxylierung: Im Endoplasmatischen Retikulum werden an einzelne Prolin- und Lysin-Reste entstehender oder bereits entstandener Polypeptidketten OH-Gruppen angehängt (Hydroxylierung). Ascorbinsäure (Vitamin C) ist ein wichtiger Cofaktor bei der Hydroxylierung der Aminosäuren Prolin zu Hydroxyprolin durch das Enzym Prolyl-4-Hydroxylase (EC ) und Lysin zu Hydroxylysin durch das Enzym Lysylhydroxylase (EC ). Hydroxyprolin kommt die Funktion zu, über Wasserstoffbrücken zwischen benachbarten Kollagen-Polypeptidketten die Tripelhelix innerhalb eines Kollagenmoleküls zu festigen. Hydroxylysin dient der Verankerung von kovalenten Quervernetzungen zwischen Kollagenmolekülen. Bei fehlender Hydroxylierung werden nur schadhafte Kollagenmoleküle gebildet, die ihrer Funktion als Strukturprotein nicht nachkommen können. Hierbei ist anzumerken, dass nahezu alle Symptome der Ascorbinsäure-Mangelerkrankung Skorbut auf die fehlerhafte Biosynthese des Kollagens zurückzuführen sind.
  3. Glycosylierung: Schließlich erfolgt meist eine Glycosylierung mancher Lysinreste durch die Prokollagen-Galactosyltransferase (EC ) oder die Prokollagen-Glucosyltransferase (EC ) oder weitere Glycosylierungsenzyme. Eine Kollagen-α-Kette wurde synthetisiert.
  4. Tripelhelixbildung: Durch Ausbildung von Disulfidbindungen zwischen den C-terminalen Propeptiden mithilfe einer Proteindisulfid-Isomerase (EC ) wird die Tripelhelixbildung eingeleitet. Drei α-Ketten formieren dabei über Wasserstoffbrücken ein dreisträngiges Helixmolekül, das Prokollagen.

4. Prokollagen-Sekretion und Transport zum Golgi-Apparat: Aufgrund der Größe von Prokollagen-Molekülen (ca. 300 nm) passen sie nicht in die normalen COPII-Vesikel (50–90 nm) des endoplasmatischen Retikulums hinein. Um den Transport zu ermöglichen, wird eine Kopie des Proteins Ubiquitin durch das Enzym CUL3–KLHL12 an SEC31 des Proteinkomplexes SEC13–SEC31 gebunden, sodass die Größe der Transportvesikel modifiziert werden kann. Außerdem beteiligt sich das Transmembranprotein TANGO1 an der Koordination der Prokollagen-Sekretion. Nachdem das Prokollagen in den modifizierten Transportvesikeln verpackt worden ist, ist der Transport zum Golgi-Apparat möglich.

5. Modifikation im Golgi-Apparat: Die letzte posttranslationale Modifikation am Prokollagen erfolgt im Golgi-Apparat durch das Anhängen und die Modifikation von Oligosacchariden. Welche Enzyme für die Modifizierung von N-terminusgebundenen Oligosacchariden verantwortlich sind, hängt vom Ort der posttranslationalen Modifikation im Golgi-Apparat ab. Im Folgenden sind die Enzyme für die jeweiligen Bereiche des Golgi-Apparats tabelliert:

Bereich des Golgi-Apparats Enzym
cis α-Mannosidase I
medial N-Acetylglucosaminyl-Transferase I
medial α-Mannosidase II
medial N-Acetylglucosaminyl-Transferase II
medial Fucosyltransferase
trans Galactosyltransferase
trans Sialyltransferase

6. Transport vom Golgi-Apparat zur Plasmamembran und anschließende Exozytose in die extrazelluläre Matrix: Die sekretorischen Vesikel, die sich an der trans-Seite des trans-Golgi-Netzwerks abschnüren, bezeichnet man als Golgi to plasma membrane carrier (GPC). In den GPC wird das Prokollagen zur Plasmamembran, genauer gesagt zu den Vorwölbungen der Plasmamembran, sogenannte Fibripositoren, transportiert. Die tripelhelikalen Kollagenmoleküle werden aus der Zelle entlassen. Die Abgabe der Moleküle in den extrazellulären Raum erfolgt durch Exozytose mit der Basis der Fibripositoren, woran die Glycosylbestandteile beteiligt zu sein scheinen.

7. Bildung des Tropokollagens: Unmittelbar nach der Abgabe aus der Zelle werden die Propeptide mit Hilfe von Prokollagen-Peptidasen abgespalten. Dabei ist das Enzym Prokollagen-N-Endopeptidase (EC ) bei der Abspaltung aminoterminaler Sequenzen erforderlich, während das Enzym Prokollagen-C-Endopeptidase (EC ) carboxyterminale Prokollagen-Sequenzen abspaltet. Es kommt zur Bildung des Tropokollagens.

8. Fibrillogenese: Nach Abspaltung der Prokollagenpeptide lagern sich einzelne Tropokollagen-Moleküle zu Kollagenfibrillen zusammen (Fibrillogenese). Andere Moleküle können sich an die Fibrillen anlagern und somit den Fibrillendurchmesser anpassen. Dazu gehören die sogenannten small leucine-rich repeat proteoglycans (SLRPs), zu denen beispielsweise Decorin, Fibromodulin und Lumican gehören.

Quervernetzung zweier Kollagentripelhelices durch Aldolkondensation benachbarter Allysin-Reste, welche extrazellulär durch die Lysyloxidase (EC ) gebildet wurden.

9. Quervernetzung: Nachdem sich einzelne tripelhelikale Tropokollagenmoleküle um ein Fünftel ihrer Länge versetzt aneinander gelagert haben, erfolgen kovalente Quervernetzungen über erst umzuwandelnde nahestehende Hydroxylysinreste, womit die räumliche Anordnung dauerhaft fixiert wird. Die (intrazellulär durch die Lysylhydroxylase entstandenen) Hydroxylysinreste werden durch die Lysyloxidase (EC ) zu Allysin oxidiert. Die beiden benachbarten Allysinreste gehen eine Aldolkondensation ein, womit diese Nachbarschaft durch eine dauerhafte Quervernetzung fixiert ist. Es kommt zur Bildung von quervernetzten Kollagenfibrillen.

10. Bildung von Kollagenfasern: Viele derartig kovalent stabilisierte Kollagenfibrillen bilden schließlich Kollagenfasern, welche die Grundstruktur der extrazellulären Matrix aller Gewebetiere darstellen.

Die Kollagene werden in mehrere Untergruppen unterteilt. 28 verschiedene Kollagentypen sind bekannt (Typ I bis XXVIII) sowie mindestens zehn weitere Proteine mit kollagenähnlichen Domänen. In der folgenden Zusammenstellung sind die bislang bekannten Mitglieder der Kollagenfamilie aufgeführt.

Typ Beschreibung Gen(e) Krankheiten
I Bei Säugetieren ist Kollagen Typ I, ein fibrilläres Kollagen, der häufigste Kollagentyp und kommt in Haut, Sehnen, Faszien, Knochen, Gefäßen, inneren Organen und im Dentin vor. COL1A1, COL1A2 Osteogenesis imperfecta Typ I–IV, Ehlers-Danlos-Syndrom (klassisch, Arthrochalasie), Infantile kortikale Hyperostose
II fibrillär; Strukturprotein des hyalinen und elastischen Knorpels; 50 % aller Proteine des Knorpels bestehen aus Kollagen Typ II; Bestandteil des Glaskörpers COL2A1 Hypochondrogenesie, Achondrogenesie Typ II, Stickler-Syndrom, Kongenitale Spondyloepiphysäre Dysplasie, Spondyloepimetaphysäre Dysplasie Typ Strudwick, Kniest-Dysplasie
III fibrillär; Bestandteil des Granulationsgewebes und der retikulären Fasern; ebenfalls Bestandteil der Gefäßwände, inneren Organe, Haut, Uterus und Hornhaut COL3A1 Akrogerie, Ehlers-Danlos-Syndrom (vaskulär)
IV Bestandteil der Basallamina und der Augenlinse; dient ebenfalls als Teil des Filtrationssystems in Kapillaren und der Glomeruli des Nephrons COL4A1, COL4A2, COL4A3, COL4A4, COL4A5, COL4A6 Alport-Syndrom, Goodpasture-Syndrom, Nephropathie vom Typ der dünnen Basalmembran
V fibrillär; Bestandteil des Interstitiums, Plazentagewebe und der dermoepidermalen Junktionszone; meistens mit Zwischengewebe, die Kollagen Typ I beinhalten, assoziiert COL5A1, COL5A2, COL5A3 Ehlers-Danlos-Syndrom (klassisch, hypermobil)
VI Organisation verschiedener Komponenten in der extrazellulären Matrix; Aufrechterhaltung der Integrität der verschiedenen Geweben; meistens mit Gewebe, die Kollagen Typ I beinhalten, assoziiert COL6A1, COL6A2, COL6A3, COL6A5 Kongenitale Muskeldystrophie Typ Ullrich, Bethlem-Myopathie, Atopisches Ekzem
VII bildet Ankerfibrillen in der dermoepidermalen Junktionszone COL7A1 Epidermolysis bullosa dystrophica, Bart-Syndrom
VIII kurzkettig; integraler Bestandteil der subendothelialen Schicht von Bindegewebszellen in Blutgefäßen und der Descemet-Membran der Hornhaut; Migration und Proliferation von glatten Muskelzellen in der Tunica media der Blutgefäße COL8A1, COL8A2 Hintere-polymorphe-Hornhautdystrophie, Fuchs-Endotheldystrophie 1
IX FACIT1; Bestandteil des hyalinen Knorpels und des Glaskörpers; meistens mit Gewebe, die Kollagen Typ II und XI beinhalten, assoziiert COL9A1, COL9A2, COL9A3 Multiple epiphysäre Dysplasie (Typ 2,3 und 6)
X kurzkettig; Bestandteil von Chondrozyten in der hypertrophen Zone COL10A1 Metaphysäre Chondrodysplasie Typ Schmid, Spondylometaphysäre Dysplasie Typ Sutcliffe
XI fibrillär; Bestandteil des Knorpels COL11A1, COL11A2 Stickler-Syndrom Typ 2, Marshall-Syndrom, Weissenbacher-Zweymüller-Phänotyp, Oto-spondylo-megaepiphysäre Dysplasie
XII FACIT, Interaktion mit Kollagenfibrillen Typ I, Decorin and Glykosaminoglykanen COL12A1 Bethlem-Myopathie 2, Kongenitale Muskeldystrophie Typ Ullrich 2
XIII MACIT2; interagiert mit Integrin α1β1, Fibronectin und anderen Bestandteilen der Basalmembran wie Nidogen-2 und Perlecan; ist in der Zell-Matrix-Verbindung und in der Zelladhäsion involviert; Verknüpfung der Muskelfaser mit der Basalmembran COL13A1 Kongenitales myasthenes Syndrom Typ 19
XIV FACIT; auch als Undulin bekannt; spielt eine Rolle bei der adhäsiven Integration von Kollagenfaszikeln; ist während der embryonalen Entwicklung in der Basalmembran präsent COL14A1
XV Multiplexin; ist in der Lage, die Basalmembran mit dem lockeren Bindegewebe zu verbinden; stabilisiert Mikrogefäße und Muskelzellen im Herz und im Skelettmuskel; kann die Angiogenese inhibieren COL15A1
XVI FACIT; in der Zelladhäsion involviert und induziert Integrin-vermittelte zelluläre Reaktionen, wie die Proliferation; fördert die Lebensdauer von intestinalen subepithelialen Myofibroblasten (engl. intestinal subepithelial myofibroblasts, ISEMF) in der Darmwand COL16A1
XVII MACIT; spielt eine wichtige Rolle in der Integrität von Hemidesmosomen und in der Besfestigung von Keratinozyten an die darunterliegende Basalmembran; fördert die Invasion von extravillösen Trophoblasten während der Entwicklung der Plazenta COL17A1 Bullöses Pemphigoid, Epidermolysis bullosa junctionalis
XVIII Multiplexin; Aufrechterhaltung der Netzhautstruktur und Schließung des Neuralrohrs; ein Spaltprodukt des Kollagen XVIII ist das Endostatin mit einer Molekülmasse von 20 kDa COL18A1 Knobloch-Syndrom Typ 1
XIX FACIT; befindet sich meistens in der vaskulären, neuronalen, mesenchymalen und in der epithelialen Basalmembran; Querbrücke zwischen Fibrillen und anderen extrazellulären Matrixmolekülen COL19A1
XX FACIT; befindet sich meistens in der Epithelschicht der Hornhaut, der embryonalen Haut, dem Schwertfortsatz und in der Sehne COL20A1
XXI FACIT; ist eine extrazelluläre Matrixkomponente der Blutgefäßwand, das von glatten Muskulaturzellen sekretiert wird COL21A1
XXII FACIT; beteiligt sich an der Zelladhäsion von Liganden in mehrschichtigen Epithelien und in Fibroblasten COL22A1
XXIII MACIT; befindet sich in der Epidermis und in anderen Epithelien wie in der Zunge, Darm, Lunge, Gehirn, Niere und Hornhaut; interagiert mit Integrin α2β1 COL23A1
XXIV hauptsächlich im Knochengewebe exprimiert COL24A1
XXV MACIT; fügt amyloide Fibrillen mit Protease-resistenten Aggregaten zusammen und kann Heparin binden COL25A1
XXVI wird oftmals mit der Bildung von Nasenpolypen in der Nasenhöhle assoziiert COL26A1
XXVII befindet sich in der Basalmembran der Keratinozyten in Hemidesmosomen Typ I, das im Wesentlichen als Adhäsionsmolekül und Oberflächenrezeptor auch in mehrschichtigen Epithelien fungiert COL27A1
XXVIII befindet sich hauptsächlich im Ischiasnerv und an der Basalmembran einiger Schwann-Zellen; integraler Bestandteil des Ranvier-Schnürrings und umgibt nicht-myelinisierte Gliazellen COL28A1
1 FACIT: Fibril Associated Collagens with Interrupted Triple helices
2 MACIT: Membrane Associated Collagens with Interrupted Triple Helices

Aufbau des Kollagens Typ I

Die drei Kollagen-Polypeptidketten sind im Falle von Kollagen Typ I die α-Ketten, [α1(I)2α2(I)], die sich zu einer Tripelhelix umeinander winden. Das Gen der α1-Kette von Kollagen Typ I besteht aus 50 Exons, von denen über die Hälfte eine Länge von 54 Basenpaaren (bp) oder das zwei- bis dreifache dieser Länge besitzen. Sie codieren für die Sequenz (G-X-Y)6 oder ein Vielfaches davon.

Hauptartikel: Gelatine

Kollagen wird vor allem in Form der Gelatine genutzt, die aus Rinderspalt, Schweineschwarten sowie Knochen von Rindern und Schweinen gewonnen wird.

Ernährung und Futterstoffe

In Deutschland werden jährlich etwa 32.000 t Gelatine in Speisequalität hergestellt, die europäische Gesamtproduktion beträgt 120.000 t (70 % Schweineschwarten, 18 % Knochen, 10 % Rinderspalt, 2 % Sonstige). Verwendet werden in Deutschland etwa 90.000 t, wobei 2/3 auf den Ernährungsbereich und von dem Rest etwa die Hälfte auf den Futtermittelbereich entfallen.

Daneben wird Kollagen für die Herstellung von Kunstdärmen, die als Wursthülle dienen, benutzt.

Pharma

Etwa 15.000 t werden in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verarbeitet. Dabei stellen Umhüllungen von Tabletten und Vitaminpräparaten (Hart- und Weichkapseln) sowie Gelatinezäpfchen die Haupteinsatzbereiche in der Pharmaindustrie dar. Außerdem wird Gelatine für blutstillende Schwämmchen sowie als Blutplasma-Ersatz eingesetzt.

Kollagen wird außerdem in der regenerativen Medizin als Nährmedium in der Gewebezüchtung benutzt. Damit können beispielsweise Hautersatzmaterialien für schwere Verbrennungen hergestellt werden.

Kosmetik

Kollagen findet seit vielen Jahren auch in der Kosmetik Anwendung und soll dort hauptsächlich zur Minderung von Hautalterung, dem Anti-Aging, dienen. Heute finden Kollagenprodukte in der Kosmetik in Form von Cremes Verwendung. Das hierfür genutzte Kollagen wird meist aus Schweinehaut extrahiert. Kollagen ist das wichtigste Strukturprotein der Haut und erfüllt vielfältige Funktionen zur Erhaltung von deren Elastizität und Flexibilität.

Zur Behandlung von Falten oder Runzeln wird Kollagen als Faltenunterspritzung gelegentlich in die Haut injiziert.

Technik

In der analogen Fotografie stellt Gelatine die Basis für die fotoempfindlichen Schichten auf dem Film und dem Fotopapier. Auch moderne Druckerpapiere zum Ausdrucken von Farbbildern sind mit Gelatine beschichtet.

Leder

Vernetzte Kollagenfasern bilden die Struktur von Leder und geben ihm seine Zugfestigkeit. Mit Hilfe von Gerbstoffen werden bestimmte Eigenschaften wie Flexibilität und Resistenz gegen Zersetzung durch Mikroorganismen erreicht.

Eine Plastik von Julian Voss-Andreae in San Francisco (Kalifornien, USA). Die Struktur der 3,40 m hohen Edelstahlskulptur („Sich entwirrendes Kollagen“) beruht auf kristallographischen Daten des Kollagenmoleküls.
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Commons: Kollagen – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
Wiktionary: Kollagen – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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Kollagene
kollagene, strukturprotein, tieren, helikale, moleküle, repetitiver, primär, sekundärstruktur, sprache, beobachten, bearbeiten, weitergeleitet, kollagen, vorstufe, tropokollagene, internationalisierte, schreibweise, collagene, betonung, zweitletzten, silbe, si. Kollagene Strukturprotein von Tieren helikale Molekule repetitiver Primar und Sekundarstruktur Sprache Beobachten Bearbeiten Weitergeleitet von Kollagen Kollagene Vorstufe Tropokollagene internationalisierte Schreibweise Collagene Betonung auf der zweitletzten Silbe sind eine Gruppe nur bei vielzelligen Tieren einschliesslich Menschen vorkommender Strukturproteine ein Faserbundel bildendes Eiweiss hauptsachlich des Bindegewebes genauer der extrazellularen Matrix Kollagene finden sich unter anderem in den weissen unelastischen Fasern von Sehnen Bandern Knochen und Knorpeln Auch Schichten der Haut Unterhaut bestehen aus Kollagenen KollagenKollagen TripelhelixMasse Lange Primarstruktur 3 200 1000 AminosaurenSekundar bis Quartarstruktur TripelhelixPrakursor Prokollagen Polypeptidketten und ProkollagenIsoformen 28 beim MenschenArzneistoffangabenATC Code B02 BC07 G04 BX11 D11 AX57Wirkstoffklasse FaserproteinVorkommenUbergeordnetes Taxon Gewebetiere Inhaltsverzeichnis 1 Hintergrund 2 Vorkommen 3 Aufbau 3 1 Kollagenmolekul 3 2 Kollagenfibrille 3 3 Strukturaufklarung 4 Biosynthese 5 Kollagentypen 5 1 Aufbau des Kollagens Typ I 6 Nutzung 6 1 Ernahrung und Futterstoffe 6 2 Pharma 6 3 Kosmetik 6 4 Technik 6 5 Leder 7 Siehe auch 8 Literatur 9 Weblinks 10 EinzelnachweiseHintergrund BearbeitenNahaufnahme Menschliche Haut Nashornhaut Im menschlichen Korper ist Kollagen mit uber 30 Anteil an der Gesamtmasse aller Proteine das am haufigsten vorkommende Eiweiss Es ist ein wesentlicher organischer Bestandteil des Bindegewebes Knochen Zahne Knorpel Sehnen Bander und der Haut Seinen Namen erhielt das Kollagen aus dem Griechischen Leim erzeugend ursprunglich aufgrund seiner fruheren Nutzung als Knochenleim im Holzhandwerk Es ist der Hauptgrundstoff fur die Herstellung von Gelatine Kollagen besteht aus einzelnen langen Kollagenmolekulen Proteinketten die eine linksgangige Helix ahnlich der Polyproline II Helix ausbilden Jeweils drei dieser Helices sind in einer rechtsgangigen Superhelix arrangiert Diese Tripelhelix wird durch Wasserstoffbrucken zwischen den einzelnen Strangen stabilisiert Auffallend an der Primarstruktur Aminosauresequenz des Kollagens ist dass jede dritte Aminosaure Glycin ist Ein in der Proteinfamilie der Kollagene haufig wiederholtes Sequenzmotiv ist Glycin Prolin Hydroxyprolin Kollagenfasern besitzen eine enorme Zugfestigkeit und sind kaum dehnbar Die dichte Wicklung ist hierbei ausschlaggebend fur die hohe Zugfestigkeit von Kollagenfasern Kollagene spielen in der Biomineralisation der Wirbeltiere eine entscheidende Rolle 1 Im allgemeinen Sprachgebrauch wird Kollagen Typ I gleichgesetzt mit Kollagen Kollagen Typ I ist zwar mengenmassig im Saugetier das bedeutendste Kollagen und durch seine Verwendung als Gelatine auch das Bekannteste es existieren jedoch weitere Kollagentypen die sich strukturell wesentlich vom Kollagen Typ I unterscheiden und andere wichtige biologische Funktionen wahrnehmen Gelatine ist die denaturierte Form von fibrillarem Kollagen Typ I II und oder III und wird meist aus Schlachtabfallen gewonnen Hierbei ist zu beachten dass Kollagen Typ II vornehmlich im Knorpel vorkommt Gemische von Kollagen Typ I und III stammen aus Sehnen Bandern und der Haut Vorkommen BearbeitenFunktionale Gene kollagener Strukturproteine finden sich bei allen Stammen der vielzelligen Tiere bei Schwammen 2 Nesseltieren 3 4 bis zu Saugetieren hauptsachlich in deren extrazellularen Matrix und im Bindegewebe Kollagene treten bei anderen Organismen wie Pilzen Pflanzen oder Einzellern nicht auf Aufbau BearbeitenKollagenmolekul Bearbeiten Die Polypeptidketten des Kollagens werden einzeln durch die Ribosomen des rauen Endoplasmatischen Retikulums synthetisiert Als Kollagenmolekul oder Tropokollagen werden nur tripelhelikale Molekule der extrazellularen Matrix EZM bezeichnet Sie haben gemeinsam dass sie aus drei Polypeptidketten aufgebaut sind Diese liegen jeweils in linksgangigen Kollagen Helices a Ketten nicht zu verwechseln mit den rechtsgangigen a Helices vor und sind gemeinsam in Form der charakteristischen rechtshandigen Tripelhelix umeinander gewunden Jede einzelne Kollagen Helix kann in Abhangigkeit vom Kollagentyp aus 600 bis 3000 Aminosauren zusammengesetzt sein und ist mit grossen Domanen ausgestattet die aus sich wiederholenden repetitiven G X Y Sequenzen aufgebaut sind Somit befindet sich an jeder dritten Position ein Glycin G Rest Glycin als die kleinste Aminosaure passt ideal in die Tripelhelix mit ihren sehr engen Windungen Die Aminosaure Prolin ist sehr haufig an Position X zu finden Prolin fungiert hier aufgrund seiner starren Ringstruktur als Ecke in der Polypeptidkette und unterstutzt die Ausbildung von engen Windungen innerhalb der Tripelhelix 4 Hydroxyprolin ist uberwiegend an Position Y lokalisiert und stabilisiert die Tripelhelix uber Wasserstoffbrucken zwischen benachbarten Polypeptidketten Durch die Verwendung von Glycin Prolin und Hydroxyprolin wird die Rotation der Polypeptidkette begrenzt und den engen Raumbedingungen innerhalb der Tripelhelix Rechnung getragen Strukturebene molekularer BereichPrimarstruktur Sequenz Polypeptidketten mit repetitiven G X Y SequenzenSekundarstruktur linksgangige Kollagen Helices a Ketten Tertiarstruktur rechtsgangige Tripelhelix aus 3 Polypeptidketten Tropokollagen O1 5 nm Quartarstruktur Mikrofibrillen O20 40 nm Fibrillen O300 500 nm Fasern O4 12 mm Das Vorkommen von Hydroxylysin neben Hydroxyprolin ist ebenfalls charakteristisch fur Kollagen Hydroxylysin bildet die Voraussetzung fur die Ausbildung kovalenter Quervernetzungen womit die einzelnen Tripelhelices innerhalb der Kollagenfibrillen raumlich fixiert werden konnen Kollagenfibrille Bearbeiten Elektronenmikroskopische Aufnahme von Kollagenfasern In den Fibrillen sind benachbarte Kollagenmolekule nicht bundig angeordnet sondern um 67 nm d h um etwa ein Funftel ihrer Lange gegeneinander versetzt Diese Anordnung hat zur Folge dass auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Metall kontrastierten Kollagenfibrillen eine Querstreifung zu sehen ist Es entsteht ein charakteristisches Banderungsmuster das sich alle 67 nm 234 Aminosauren wiederholt und als D Periode bezeichnet wird Dadurch werden die a Ketten in vier homologe Bereiche D1 D4 unterteilt Die in einer D Einheit auftretenden Banden werden mit a e bezeichnet Die Kollagen Fibrillen sind geordnete Polymere die im ausgereiften Gewebe viele Mikrometer lang werden konnen Sie sind oft zu grosseren kabelartigen Bundeln den Kollagenfasern zusammengefasst Bei Sehnen betragen die Kollagen Typ I Fibrillendurchmesser 50 500 nm in der Haut 40 100 nm und in der Kornea Hornhaut des Auges 25 nm Die Fibrillogenese des Kollagens wird oftmals durch kleine leucinreiche Proteoglykane reguliert so dass in den entsprechenden Geweben Fibrillen mit definiertem Durchmesser und definierter Anordnung entstehen konnen Strukturaufklarung Bearbeiten Das heutige Bild der Kollagen Tripelhelix und die raumliche Einordnung der Aminosaurereste und ihrer Wasserstoffbrucken untereinander geht massgeblich auf die Rontgen kristallographischen Arbeiten der indischen Wissenschaftler G N Ramachandran und Gopinath Kartha zuruck 1954 Wesentliche Aufklarung die gesamte Primarstruktur des Typ I Kollagens sowie die Makrostrukturen der Typen IV und VI leistete das ehemalige Max Planck Institut fur Eiweiss und Lederforschung in Munchen 1956 zur Aufklarung des Bindegewebes durch Sponsoring der Lederindustrie gegrundet ab 1966 unter der Leitung von Klaus Kuhn nach Institutsverlegung am Max Planck Institut fur Biochemie in Martinsried 5 Biosynthese BearbeitenKollagen wird hauptsachlich in Fibroblasten Chondroblasten Osteoblasten und Odontoblasten hergestellt jedoch wird Kollagen auch in vielen anderen Zelltypen synthetisiert Am besten untersucht ist die Biosynthese des Kollagens in Fibroblasten Fibroblasten besitzen ein ausgedehntes raues endoplasmatisches Retikulum und einen gut entwickelten Golgi Apparat um an der Sekretion der Kollagene in die extrazellulare Matrix teilnehmen zu konnen Fibroblasten stellen Kollagen de novo her und sezernieren es in die extrazellulare Matrix Ausserdem sind Fibroblasten in der Lage Kollagen mithilfe von Enzymen den sogenannten Kollagenasen abzubauen 6 1 Transkription Bislang sind 42 Gene bekannt die sich an der Biosynthese von Kollagen beteiligen und fur 28 verschiedene Kollagentypen codieren 7 Jedes Gen codiert fur eine bestimmte mRNA Sequenz und der Genname enthalt typischerweise COL als Prafix Die Synthese wird durch die Aktivierung von bestimmten Genen gestartet die fur die Bildung von bestimmten a Peptiden zustandig sind Hauptsachlich sind dies die a Peptide a1 a2 oder a3 2 Translation Sobald die mRNA vom Zellkern in das Cytoplasma gelangt verbindet sich die mRNA zur Translation mit den ribosomalen Untereinheiten zur Bildung von Prapro a Ketten auch Prapropeptid genannt Diese Prapro a Ketten enthalten am N Terminus eine Signalsequenz Diese Signalsequenz wird durch ein Signalerkennungspartikel am rauen endoplasmatischen Retikulum ER erkannt sodass die Kette in das Lumen des rauen ER gelangen kann 8 3 Prapro a Kette zum Prokollagen Drei Modifikationen der Prapro a Kette sind zur Bildung einer a Kette notig Danach folgt die Tripelhelixbildung dreier a Ketten zum Prokollagen Abspaltung der Signalsequenz Die Signalsequenz am N Terminus der Prapro a Kette wird durch Signalpeptidasen abgespalten und es entsteht eine Pro a Kette die mit N und C terminalen Propeptiden versehen ist 9 Hydroxylierung Im Endoplasmatischen Retikulum werden an einzelne Prolin und Lysin Reste entstehender oder bereits entstandener Polypeptidketten OH Gruppen angehangt Hydroxylierung Ascorbinsaure Vitamin C ist ein wichtiger Cofaktor bei der Hydroxylierung der Aminosauren Prolin zu Hydroxyprolin durch das Enzym Prolyl 4 Hydroxylase 10 EC 1 14 11 2 und Lysin zu Hydroxylysin durch das Enzym Lysylhydroxylase 11 EC 1 14 11 4 Hydroxyprolin kommt die Funktion zu uber Wasserstoffbrucken zwischen benachbarten Kollagen Polypeptidketten die Tripelhelix innerhalb eines Kollagenmolekuls zu festigen Hydroxylysin dient der Verankerung von kovalenten Quervernetzungen zwischen Kollagenmolekulen Bei fehlender Hydroxylierung werden nur schadhafte Kollagenmolekule gebildet die ihrer Funktion als Strukturprotein nicht nachkommen konnen Hierbei ist anzumerken dass nahezu alle Symptome der Ascorbinsaure Mangelerkrankung Skorbut auf die fehlerhafte Biosynthese des Kollagens zuruckzufuhren sind Glycosylierung Schliesslich erfolgt meist eine Glycosylierung mancher Lysinreste durch die Prokollagen Galactosyltransferase EC 2 4 1 50 oder die Prokollagen Glucosyltransferase EC 2 4 1 66 oder weitere Glycosylierungsenzyme Eine Kollagen a Kette wurde synthetisiert 12 Tripelhelixbildung Durch Ausbildung von Disulfidbindungen zwischen den C terminalen Propeptiden mithilfe einer Proteindisulfid Isomerase EC 5 3 4 1 wird die Tripelhelixbildung eingeleitet Drei a Ketten formieren dabei uber Wasserstoffbrucken ein dreistrangiges Helixmolekul das Prokollagen 4 Prokollagen Sekretion und Transport zum Golgi Apparat Aufgrund der Grosse von Prokollagen Molekulen ca 300 nm passen sie nicht in die normalen COPII Vesikel 50 90 nm des endoplasmatischen Retikulums hinein Um den Transport zu ermoglichen wird eine Kopie des Proteins Ubiquitin durch das Enzym CUL3 KLHL12 an SEC31 des Proteinkomplexes SEC13 SEC31 gebunden sodass die Grosse der Transportvesikel modifiziert werden kann Ausserdem beteiligt sich das Transmembranprotein TANGO1 an der Koordination der Prokollagen Sekretion Nachdem das Prokollagen in den modifizierten Transportvesikeln verpackt worden ist ist der Transport zum Golgi Apparat moglich 13 5 Modifikation im Golgi Apparat Die letzte posttranslationale Modifikation am Prokollagen erfolgt im Golgi Apparat durch das Anhangen und die Modifikation von Oligosacchariden Welche Enzyme fur die Modifizierung von N terminusgebundenen Oligosacchariden verantwortlich sind hangt vom Ort der posttranslationalen Modifikation im Golgi Apparat ab Im Folgenden sind die Enzyme fur die jeweiligen Bereiche des Golgi Apparats tabelliert 14 Bereich des Golgi Apparats Enzymcis a Mannosidase Imedial N Acetylglucosaminyl Transferase Imedial a Mannosidase IImedial N Acetylglucosaminyl Transferase IImedial Fucosyltransferasetrans Galactosyltransferasetrans Sialyltransferase 6 Transport vom Golgi Apparat zur Plasmamembran und anschliessende Exozytose in die extrazellulare Matrix Die sekretorischen Vesikel die sich an der trans Seite des trans Golgi Netzwerks abschnuren bezeichnet man als Golgi to plasma membrane carrier GPC In den GPC wird das Prokollagen zur Plasmamembran genauer gesagt zu den Vorwolbungen der Plasmamembran sogenannte Fibripositoren transportiert Die tripelhelikalen Kollagenmolekule werden aus der Zelle entlassen Die Abgabe der Molekule in den extrazellularen Raum erfolgt durch Exozytose mit der Basis der Fibripositoren woran die Glycosylbestandteile beteiligt zu sein scheinen 15 7 Bildung des Tropokollagens Unmittelbar nach der Abgabe aus der Zelle werden die Propeptide mit Hilfe von Prokollagen Peptidasen abgespalten 16 Dabei ist das Enzym Prokollagen N Endopeptidase EC 3 4 24 14 bei der Abspaltung aminoterminaler Sequenzen erforderlich wahrend das Enzym Prokollagen C Endopeptidase EC 3 4 24 19 carboxyterminale Prokollagen Sequenzen abspaltet Es kommt zur Bildung des Tropokollagens 8 Fibrillogenese Nach Abspaltung der Prokollagenpeptide lagern sich einzelne Tropokollagen Molekule zu Kollagenfibrillen zusammen Fibrillogenese Andere Molekule konnen sich an die Fibrillen anlagern und somit den Fibrillendurchmesser anpassen Dazu gehoren die sogenannten small leucine rich repeat proteoglycans SLRPs zu denen beispielsweise Decorin Fibromodulin und Lumican gehoren 17 18 Quervernetzung zweier Kollagentripelhelices durch Aldolkondensation benachbarter Allysin Reste welche extrazellular durch die Lysyloxidase EC 1 4 3 13 gebildet wurden 9 Quervernetzung Nachdem sich einzelne tripelhelikale Tropokollagenmolekule um ein Funftel ihrer Lange versetzt aneinander gelagert haben erfolgen kovalente Quervernetzungen uber erst umzuwandelnde nahestehende Hydroxylysinreste womit die raumliche Anordnung dauerhaft fixiert wird Die intrazellular durch die Lysylhydroxylase entstandenen Hydroxylysinreste werden durch die Lysyloxidase EC 1 4 3 13 zu Allysin oxidiert Die beiden benachbarten Allysinreste gehen eine Aldolkondensation ein womit diese Nachbarschaft durch eine dauerhafte Quervernetzung fixiert ist Es kommt zur Bildung von quervernetzten Kollagenfibrillen 10 Bildung von Kollagenfasern Viele derartig kovalent stabilisierte Kollagenfibrillen bilden schliesslich Kollagenfasern welche die Grundstruktur der extrazellularen Matrix aller Gewebetiere darstellen Kollagentypen BearbeitenDie Kollagene werden in mehrere Untergruppen unterteilt 28 verschiedene Kollagentypen sind bekannt Typ I bis XXVIII sowie mindestens zehn weitere Proteine mit kollagenahnlichen Domanen In der folgenden Zusammenstellung sind die bislang bekannten Mitglieder der Kollagenfamilie aufgefuhrt Typ Beschreibung Gen e KrankheitenI Bei Saugetieren ist Kollagen Typ I ein fibrillares Kollagen der haufigste Kollagentyp und kommt in Haut Sehnen Faszien Knochen Gefassen inneren Organen und im Dentin vor COL1A1 COL1A2 Osteogenesis imperfecta Typ I IV Ehlers Danlos Syndrom klassisch Arthrochalasie Infantile kortikale HyperostoseII fibrillar Strukturprotein des hyalinen und elastischen Knorpels 50 aller Proteine des Knorpels bestehen aus Kollagen Typ II Bestandteil des Glaskorpers COL2A1 Hypochondrogenesie Achondrogenesie Typ II Stickler Syndrom Kongenitale Spondyloepiphysare Dysplasie Spondyloepimetaphysare Dysplasie Typ Strudwick Kniest DysplasieIII fibrillar Bestandteil des Granulationsgewebes und der retikularen Fasern ebenfalls Bestandteil der Gefasswande inneren Organe Haut Uterus und Hornhaut COL3A1 Akrogerie Ehlers Danlos Syndrom vaskular IV Bestandteil der Basallamina und der Augenlinse dient ebenfalls als Teil des Filtrationssystems in Kapillaren und der Glomeruli des Nephrons COL4A1 COL4A2 COL4A3 COL4A4 COL4A5 COL4A6 Alport Syndrom Goodpasture Syndrom Nephropathie vom Typ der dunnen BasalmembranV fibrillar Bestandteil des Interstitiums Plazentagewebe und der dermoepidermalen Junktionszone meistens mit Zwischengewebe die Kollagen Typ I beinhalten assoziiert COL5A1 COL5A2 COL5A3 Ehlers Danlos Syndrom klassisch hypermobil VI Organisation verschiedener Komponenten in der extrazellularen Matrix Aufrechterhaltung der Integritat der verschiedenen Geweben meistens mit Gewebe die Kollagen Typ I beinhalten assoziiert COL6A1 COL6A2 COL6A3 COL6A5 Kongenitale Muskeldystrophie Typ Ullrich Bethlem Myopathie Atopisches Ekzem 19 VII bildet Ankerfibrillen in der dermoepidermalen Junktionszone COL7A1 Epidermolysis bullosa dystrophica Bart SyndromVIII kurzkettig integraler Bestandteil der subendothelialen Schicht von Bindegewebszellen in Blutgefassen und der Descemet Membran der Hornhaut Migration und Proliferation von glatten Muskelzellen in der Tunica media der Blutgefasse COL8A1 COL8A2 Hintere polymorphe Hornhautdystrophie Fuchs Endotheldystrophie 1IX FACIT1 Bestandteil des hyalinen Knorpels und des Glaskorpers meistens mit Gewebe die Kollagen Typ II und XI beinhalten assoziiert COL9A1 COL9A2 COL9A3 Multiple epiphysare Dysplasie Typ 2 3 und 6 X kurzkettig Bestandteil von Chondrozyten in der hypertrophen Zone COL10A1 Metaphysare Chondrodysplasie Typ Schmid Spondylometaphysare Dysplasie Typ SutcliffeXI fibrillar Bestandteil des Knorpels COL11A1 COL11A2 Stickler Syndrom Typ 2 Marshall Syndrom Weissenbacher Zweymuller Phanotyp Oto spondylo megaepiphysare DysplasieXII FACIT Interaktion mit Kollagenfibrillen Typ I Decorin and Glykosaminoglykanen COL12A1 Bethlem Myopathie 2 Kongenitale Muskeldystrophie Typ Ullrich 2XIII MACIT2 interagiert mit Integrin a1b1 Fibronectin und anderen Bestandteilen der Basalmembran wie Nidogen 2 und Perlecan ist in der Zell Matrix Verbindung und in der Zelladhasion involviert Verknupfung der Muskelfaser mit der Basalmembran COL13A1 Kongenitales myasthenes Syndrom Typ 19XIV FACIT auch als Undulin bekannt spielt eine Rolle bei der adhasiven Integration von Kollagenfaszikeln ist wahrend der embryonalen Entwicklung in der Basalmembran prasent COL14A1 XV Multiplexin ist in der Lage die Basalmembran mit dem lockeren Bindegewebe zu verbinden stabilisiert Mikrogefasse und Muskelzellen im Herz und im Skelettmuskel kann die Angiogenese inhibieren COL15A1 XVI FACIT in der Zelladhasion involviert und induziert Integrin vermittelte zellulare Reaktionen wie die Proliferation fordert die Lebensdauer von intestinalen subepithelialen Myofibroblasten engl intestinal subepithelial myofibroblasts ISEMF in der Darmwand COL16A1 XVII MACIT spielt eine wichtige Rolle in der Integritat von Hemidesmosomen und in der Besfestigung von Keratinozyten an die darunterliegende Basalmembran fordert die Invasion von extravillosen Trophoblasten wahrend der Entwicklung der Plazenta COL17A1 Bulloses Pemphigoid Epidermolysis bullosa junctionalisXVIII Multiplexin Aufrechterhaltung der Netzhautstruktur und Schliessung des Neuralrohrs ein Spaltprodukt des Kollagen XVIII ist das Endostatin mit einer Molekulmasse von 20 kDa COL18A1 Knobloch Syndrom Typ 1XIX FACIT befindet sich meistens in der vaskularen neuronalen mesenchymalen und in der epithelialen Basalmembran Querbrucke zwischen Fibrillen und anderen extrazellularen Matrixmolekulen COL19A1 XX FACIT befindet sich meistens in der Epithelschicht der Hornhaut der embryonalen Haut dem Schwertfortsatz und in der Sehne COL20A1 XXI FACIT ist eine extrazellulare Matrixkomponente der Blutgefasswand das von glatten Muskulaturzellen sekretiert wird COL21A1 XXII FACIT beteiligt sich an der Zelladhasion von Liganden in mehrschichtigen Epithelien und in Fibroblasten COL22A1 XXIII MACIT befindet sich in der Epidermis und in anderen Epithelien wie in der Zunge Darm Lunge Gehirn Niere und Hornhaut interagiert mit Integrin a2b1 COL23A1 XXIV hauptsachlich im Knochengewebe exprimiert COL24A1 XXV MACIT fugt amyloide Fibrillen mit Protease resistenten Aggregaten zusammen und kann Heparin binden COL25A1 XXVI wird oftmals mit der Bildung von Nasenpolypen in der Nasenhohle assoziiert COL26A1 XXVII befindet sich in der Basalmembran der Keratinozyten in Hemidesmosomen Typ I das im Wesentlichen als Adhasionsmolekul und Oberflachenrezeptor auch in mehrschichtigen Epithelien fungiert COL27A1 XXVIII befindet sich hauptsachlich im Ischiasnerv und an der Basalmembran einiger Schwann Zellen integraler Bestandteil des Ranvier Schnurrings und umgibt nicht myelinisierte Gliazellen COL28A1 1 FACIT Fibril Associated Collagens with Interrupted Triple helices 2 MACIT Membrane Associated Collagens with Interrupted Triple Helices Aufbau des Kollagens Typ I Bearbeiten Die drei Kollagen Polypeptidketten sind im Falle von Kollagen Typ I die a Ketten a1 I 2a2 I die sich zu einer Tripelhelix umeinander winden Das Gen der a1 Kette von Kollagen Typ I besteht aus 50 Exons von denen uber die Halfte eine Lange von 54 Basenpaaren bp oder das zwei bis dreifache dieser Lange besitzen Sie codieren fur die Sequenz G X Y 6 oder ein Vielfaches davon Nutzung Bearbeiten Hauptartikel Gelatine Kollagen wird vor allem in Form der Gelatine genutzt die aus Rinderspalt Schweineschwarten sowie Knochen von Rindern und Schweinen gewonnen wird Ernahrung und Futterstoffe Bearbeiten In Deutschland werden jahrlich etwa 32 000 t Gelatine in Speisequalitat hergestellt die europaische Gesamtproduktion betragt 120 000 t 70 Schweineschwarten 18 Knochen 10 Rinderspalt 2 Sonstige 20 Verwendet werden in Deutschland etwa 90 000 t wobei 2 3 auf den Ernahrungsbereich und von dem Rest etwa die Halfte auf den Futtermittelbereich entfallen 21 Daneben wird Kollagen fur die Herstellung von Kunstdarmen die als Wursthulle dienen benutzt 22 Pharma Bearbeiten Hartgelatinekapseln Etwa 15 000 t werden in der chemischen und pharmazeutischen Industrie verarbeitet Dabei stellen Umhullungen von Tabletten und Vitaminpraparaten Hart und Weichkapseln sowie Gelatinezapfchen die Haupteinsatzbereiche in der Pharmaindustrie dar Ausserdem wird Gelatine fur blutstillende Schwammchen sowie als Blutplasma Ersatz eingesetzt Kollagen wird ausserdem in der regenerativen Medizin als Nahrmedium in der Gewebezuchtung benutzt Damit konnen beispielsweise Hautersatzmaterialien fur schwere Verbrennungen hergestellt werden 22 Kosmetik Bearbeiten Kollagen findet seit vielen Jahren auch in der Kosmetik Anwendung und soll dort hauptsachlich zur Minderung von Hautalterung dem Anti Aging dienen Heute finden Kollagenprodukte in der Kosmetik in Form von Cremes Verwendung Das hierfur genutzte Kollagen wird meist aus Schweinehaut extrahiert Kollagen ist das wichtigste Strukturprotein der Haut und erfullt vielfaltige Funktionen zur Erhaltung von deren Elastizitat und Flexibilitat Zur Behandlung von Falten oder Runzeln wird Kollagen als Faltenunterspritzung gelegentlich in die Haut injiziert Technik Bearbeiten In der analogen Fotografie stellt Gelatine die Basis fur die fotoempfindlichen Schichten auf dem Film und dem Fotopapier Auch moderne Druckerpapiere zum Ausdrucken von Farbbildern sind mit Gelatine beschichtet 21 Leder Bearbeiten Vernetzte Kollagenfasern bilden die Struktur von Leder und geben ihm seine Zugfestigkeit Mit Hilfe von Gerbstoffen werden bestimmte Eigenschaften wie Flexibilitat und Resistenz gegen Zersetzung durch Mikroorganismen erreicht Siehe auch Bearbeiten Eine Plastik von Julian Voss Andreae in San Francisco Kalifornien USA Die Struktur der 3 40 m hohen Edelstahlskulptur Sich entwirrendes Kollagen beruht auf kristallographischen Daten des Kollagenmolekuls 23 24 Kollagen Hydrolysat CrossLapsLiteratur BearbeitenShirley Ayad Ray P Boot Hanford Martin J Humphries Karl E Kadler C Adrian Shuttleworth The Extracellular Matrix FactsBook 2nd edition Academic Press Harcourt Brace amp Company San Diego CA u a 1998 ISBN 0 12 068911 1 S 43 ff Jurgen Brinckmann Holger Notbohm Peter K Muller Hrsg Collagen Primer in Structure Processing and Assembly Topics in Current Chemistry Bd 247 Springer Berlin u a 2005 ISBN 3 540 23272 9 Weblinks Bearbeiten Commons Kollagen Album mit Bildern Videos und Audiodateien Wiktionary Kollagen Bedeutungserklarungen Wortherkunft Synonyme Ubersetzungen Die zwei Gesichter des Kollagen VII Die Proteinvariante macht nicht nur die Haut straff sondern auch Hautkrebs gefahrlich wissenschaft deEinzelnachweise Bearbeiten Hermann Ehrlich Chitin and collagen as universal and alternative templates in biomineralization In International Geology Review Band 52 Nr 7 8 30 April 2010 S 661 699 doi 10 1080 00206811003679521 englisch Aaron L Fidler u a A unique covalent bond in basement membrane is a primordial innovation for tissue evolution In Proceedings of the National Academy of Sciences Band 111 Nr 1 2014 S 331 336 doi 10 1073 pnas 1318499111 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