Структура тройной спирали коллагена

Короткий ответ. Тройная спираль коллагена — это три полипептидные цепи, плотно закрученные друг вокруг друга. Такую укладку обеспечивает повторяющийся мотив глицин-X-Y, где каждая третья аминокислота — маленький глицин. Эта геометрия и водородные связи делают молекулу очень устойчивой к растяжению.

Что такое тройная спираль

Большинство белков сворачиваются в шарики (глобулы) или сложные складки. Коллаген устроен иначе: его молекула — длинный жёсткий стержень из трёх цепей, обвитых одна вокруг другой как верёвка из нитей. Эта структура называется тройной спиралью (коллагеновой спиралью) и отличается от привычной альфа-спирали других белков.

Каждая из трёх цепей сама по себе закручена влево, а все три вместе свиваются вправо. Такое противоположное закручивание не даёт спирали раскрутиться — она как туго свитый канат.

Почему важен глицин

Ключ к укладке — аминокислота глицин, самая маленькая из всех. В коллагене она стоит в каждой третьей позиции: повторяется мотив глицин-X-Y. Когда три цепи скручиваются вместе, центр спирали оказывается очень тесным, и там помещается только крошечный глицин — любая более крупная аминокислота просто не влезла бы.

Роль пролина и гидроксипролина

В позициях X и Y часто стоят пролин и гидроксипролин. Пролин имеет жёсткую кольцевую структуру, которая задаёт цепи нужный изгиб и не даёт ей сворачиваться по-другому. Гидроксипролин (пролин с добавленной гидроксильной группой) образует дополнительные водородные связи и заметно стабилизирует спираль.

Гидроксипролин появляется уже после сборки цепи — в ходе гидроксилирования, для которого нужен витамин C. Поэтому при его нехватке спираль становится менее устойчивой. Подробнее — в статье об аминокислотах коллагена.

Что удерживает спираль вместе

Три цепи скрепляются сетью водородных связей. Главную роль играют связи с участием глицина и гидроксипролина: они «прошивают» спираль по всей длине. Хотя каждая отдельная водородная связь слаба, их огромное количество делает молекулу в целом очень прочной и стабильной.

От спирали к волокну

Одна тройная спираль — это молекула тропоколлагена длиной около 300 нанометров. Сами по себе такие стержни ещё не дают прочной ткани. Они выстраиваются параллельно со смещением, образуют фибриллы, а фибриллы — волокна. Под микроскопом видна характерная поперечная исчерченность с шагом около 67 нм — результат регулярного смещения молекул.

Затем между молекулами образуются поперечные сшивки (с участием фермента лизилоксидазы), которые окончательно превращают набор стержней в прочный материал. Так из простой повторяющейся последовательности рождается каркас кожи, сухожилий и костей.

Почему эта форма так прочна

Геометрия тройной спирали распределяет нагрузку вдоль молекулы и сопротивляется растяжению. Вместе с поперечными сшивками между молекулами это даёт коллагену прочность на разрыв, сопоставимую с прочностью стали в пересчёте на вес. Именно поэтому коллаген стал универсальным опорным белком почти всех тканей.

Частые вопросы

Почему именно три цепи, а не две или четыре?

Три цепи дают оптимальную плотную упаковку вокруг общей оси с глицином в центре. Это устойчивая и воспроизводимая геометрия, закреплённая эволюцией.

Все ли типы коллагена имеют тройную спираль?

Да, тройная спираль — общая черта семейства. Но длина спиральных участков и способ их сборки в сети или волокна у разных типов различаются.

Что разрушает тройную спираль?

Нагрев (денатурация превращает коллаген в желатин), сильные кислоты и щёлочи, а также ферменты-коллагеназы, специально расщепляющие спираль.

Желатин — это коллаген?

Желатин получают денатурацией коллагена: тройная спираль раскручивается. Поэтому желатин уже не имеет исходной прочной структуры, но содержит те же аминокислоты.