Kollagen s [von griech. kolla = Leim, gennan = erzeugen], Collagen, Leimbildner, ein zu den Skleroproteinen zählendes, wasserunlösliches, faserig aufgebautes, tierisches Protein ( vgl. Infobox ) der extrazellulären Matrix, das besonders am Aufbau von Bindegeweben, z.B. der Haut, Blutgefäße, Bänder, Sehnen und Knorpel, sowie am Aufbau von Knochen und Zähnen (Dentin) beteiligt ist. Es macht bis zu 25% des Proteingehalts des menschlichen und tierischen Körpers aus. Die Grundeinheit des Kollagens ist das Tropokollagen, das aus 3 gleich langen, aus ca. 1000 Aminosäuren aufgebauten Peptidketten besteht, in denen die Tripeptidsequenz Gly–X–Y (X und Y = beliebige Aminosäuren, X häufig Prolin, Y häufig Hydroxyprolin) vielfach wiederholt ist. Kollagene sind organ- bzw. entwicklungsspezifisch verschieden aufgebaut. Etwa ein Dutzend Kollagen-Typen sind mittlerweile bekannt. Das am häufigsten vorkommende Tropokollagen vom Typ I ist aus 2 identischen Ketten und einer 3. von diesen in der Primärstruktur abweichenden Kette nach dem Schema α2β aufgebaut, während die Typen II, III und IV aus 3 untereinander identischen, aber zwischen den einzelnen Kollagen-Typen jeweils verschiedenen Ketten bestehen. Aufgrund der ungewöhnlichen Aminosäurezusammensetzung, besonders der zahlreichen Prolinreste, und der periodischen Primärstruktur können die einzelnen Ketten keine α-Helix, sondern nur die viel weitergestreckte sog. Polyprolinhelix bilden (0,29 nm Helixlänge pro Aminosäurerest; 3,3 Aminosäurereste pro Windung), die durch die wechselseitige Abstoßung der sperrigen Prolinreste stabilisiert wird und die keine Wasserstoffbrücken innerhalb der Polypeptidkette aufweist. 3 parallel zueinander ausgerichtete Ketten können jedoch besonders aufgrund der räumlichen „Anspruchslosigkeit" der Glycinreste intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen eingehen, wodurch die Tripelhelix des Tropokollagens mit den nach außen gerichteten Prolinresten und den nach innen gerichteten, die quervernetzenden Wasserstoffbrücken ausbildenden Glycinresten entsteht ( vgl. Abb. ); sie entspricht einer steifen und zugfesten Faser von 300 nm Länge und 1,5 nm Durchmesser. Die Peptidketten des Kollagens werden zunächst als längerkettige Vorläufer (Prokollagen oder Protokollagen) synthetisiert. Noch bevor die Ketten helikale Strukturen ausbilden, werden ein Großteil der Prolinreste und ein kleiner Teil der Lysinreste hydroxyliert, wobei 4-Hydroxyprolin, in geringem Umfang auch 3-Hydroxyprolin und 5-Hydroxylysin entstehen. Die Prolinhydroxylierung ist essentiell für die Stabilisierung der Tropokollagen-Tripelhelices. Vitamin-C-Mangel bedingt eine Instabilisierung der Fe2+-haltigen Prolin-Hydroxylase und damit den Ausfall der Prolinhydroxylierung; die dadurch reduzierte Stabilität des Kollagens ist die Ursache für die bei Vitamin-C-Mangelkrankheiten beobachteten Symptome (Ascorbinsäure, Skorbut). Die Lysinhydroxylierung liefert die Grundlage zur Glykosylierung, die je nach Gewebe zu 6–110 Zuckerresten pro Tropokollagen in Form des Disaccharid-Rests Glu-Gal- führt. Nach den Modifikationsreaktionen lagern sich die Prokollagen-Ketten zu Tripelhelices zusammen, wobei die terminalen Peptide eine steuernde Funktion ausüben. Nach Sekretion in den extrazellulären Raum werden die terminalen Peptide enzymatisch durch spezifische Prokollagen-Peptidasen unter Bildung von Tropokollagen abgespalten ( vgl. Abb. ). Die Tropokollagen-Fasern lagern sich in den extrazellulären Räumen spontan zu den Kollagen-Fibrillen zusammen (kollagene Fasern). Diese Zusammenlagerung erfolgt durch paralleles Aneinanderlagern nach dem Prinzip der „versetzten Lücken", wobei nebeneinanderliegende Tropokollagen-Moleküle jeweils um 1/4 ihrer Länge versetzt sind ( vgl. Abb. ), was zu einer im elektronenmikroskopischen Bild sichtbaren typischen Querbänderung (64 nm-Periode) führt. Die hintereinandergereihten Tropokollagen-Moleküle sind durch Lücken voneinander getrennt, die wahrscheinlich die Calciumphosphat-Einlagerung und damit die Knochenverkalkung ermöglichen (Biomineralisation). In einem letzten Schritt werden Quervernetzungen sowohl innerhalb als auch zwischen einzelnen Tropokollagen-Einheiten eingeführt, was zur Stabilisierung der Gesamtstruktur beiträgt. Die Quervernetzung basiert auf Umwandlung von Lysinresten zu entsprechenden ε-Aldehyden und Aldolkondensation von 2 ε-Aldehydresten zu einem quervernetzenden α-β-ungesättigten Aldehyd, der mit weiteren Aminosäureresten, wie Histidin- und anderen Lysinresten, weitere quervernetzende Reaktionen eingehen kann. Die Anordnung der Kollagen-Fibrillen zueinander ist den biologischen Funktionen der betreffenden Gewebe angepaßt: in Sehnen (Kraftübertragung) liegt eine parallele Ausrichtung vor, in der Haut und, besonders dicht gepackt, in der Faserhaut des Auges (fast reines Kollagen) bilden die Kollagen-Fibrillen ein flächiges Netzwerk (Reißfestigkeit), im Glaskörper des Auges dagegen (Formfestigkeit) ein räumliches, lichtdurchlässiges Fibrillen-Netz. Beim Kochen von Kollagen lösen sich die Überstrukturen auf (jedoch unter Erhaltung der Quervernetzung), wodurch als wasserlösliches, gallertartiges Produkt Gelatine entsteht. Kollagen und Gelatine finden u.a. Verwendung in der Kosmetik-, Arzneimittel- und Klebemittelindustrie. – Verschiedene erblich bedingte Defekte führen zu Synthese- oder Vernetzungsstörungen des Kollagens, was Schäden an Bindegewebe, Knochen und Zähnen zur Folge hat. Dazu gehören z.B. Ehlers-Danlos-Syndrom, Marfan-Syndrom und Osteogenesis imperfecta (Erbkrankheiten, Tab.). Sogenannte Kollagenosen, systemisch-entzündliche Erkrankungen des Bindegewebes, werden dagegen durch verschiedene Autoimmunprozesse (Autoimmunkrankheiten) ausgelöst. Altern, Elastin, elastische Fasern, Kollagenasen, Kollagen-Gene, Reticulin.

H.K./M.B.



Kollagen



1 Die Tripelhelix des Tropokollagens: a das 300 nm lange und 1,5 nm dicke Stäbchen der Tripelhelix, b ein vergrößerter Ausschnitt, wobei in einer der 3 parallel umeinander gewundenen Ketten das Dreierraster der Aminosäuresequenz Gly-X-Y – Glycin (gefüllte Kreise), X = häufig Prolin („leere“ Kreise), Y = häufig Hydroxyprolin („leere“ Quadrate) – schematisch wiedergegeben ist. Dieselbe Aminosäuresequenz liegt auch an den beiden anderen Strängen vor (nicht eingezeichnet). Man beachte, daß schon die Aminosäuresequenzen jedes Einzelstrangs eine gestreckte Helixstruktur ausbilden. In der Tripelhelix sind die Glycinreste aller Stränge nach innen gerichtet und bilden Wasserstoffbrückenbindungen mit den Aminosäuren der gegenüberliegenden Stränge aus (in der Abb. nicht dargestellt). 2 Die Struktur von Prokollagen und seine Umwandlung in Tropokollagen durch Abspaltung terminaler Peptide. 3 Schematischer Aufbau des Kollagens durch parallele und sequentielle Anlagerung von Tropokollagen-Molekülen; Quervernetzungen innerhalb und zwischen den einzelnen Tropokollagen-Einheiten sind durch 2 miteinander verbundene gefüllte Kreise symbolisiert.