Il collagene (o collageno) è la principale proteina fibrosa del tessuto connettivo negli animali. È la proteina più abbondante nei mammiferi (circa il 25% della massa proteica totale), rappresentando nell'essere umano circa il 6% del peso corporeo, e ha la forma di una tripla elica.
Il collagene tende a diminuire con l'età siccome la sua produzione rallenta e il collagene prodotto è minore e di qualità più scarsa. Altri fattori ambientali contribuiscono ulteriormente a degradarlo. La degradazione e calo di collagene è una delle cause legate all'invecchiamento cutaneo, per cui questa proteina è di grande interesse nel mondo dell'estetica e cosmeceutica.
Struttura La più stabile disposizione e riarrangiamento del collagene è quella della tripla elica proprio per la presenza della prolina. L'unità strutturale del collagene è rappresentata dal tropocollagene (o tropocollageno), una proteina con una massa molecolare di circa 285 kilodalton formata da tre catene polipeptidiche con andamento sinistrorso che si associano a formare una tripla elica destrorsa (trans di tipo - 2). Solitamente, per il collagene di tipo I, sono presenti due catene alfa 1 e una catena alfa 2, di composizione leggermente differente.
Tutte le unità di tropocollagene hanno la stessa lunghezza, la stessa ripetitività di amminoacidi. Sono presenti infatti motivi amminoacidici ripetuti del tipo glicina-prolina-X e glicina-X-idrossiprolina, dove X è un qualsiasi altro amminoacido. I filamenti di tropocollagene sono tenuti insieme da legami idrogeno. Questi legami sono possibili grazie alla presenza di glicine e dalle modifiche post-traduzionali di lisina e prolina.
Entrambi questi amminoacidi subiscono un'idrossilazione, cioè aggiunta di un gruppo ossidrile. La prolina è modificata a idrossiprolina dall'enzima prolil idrossilasi, che inserisce il gruppo -OH in corrispondenza del secondo carbonio dell'anello; mentre la lisina è modificata a idrossilisina dall'enzima lisil idrossilasi, che inserisce il gruppo -OH nel Cδ ("carbonio delta") della catena laterale della lisina. Entrambi gli enzimi agiscono in presenza del co-fattore acido ascorbico (vitamina C) e del co-substrato alfa-chetoglutarato. Queste modifiche sono necessarie per aumentare la possibilità di formazione dei legami H e diminuire l'ingombro sterico. Le tre unità strutturali assumono una forma simile a una treccia.
Le varie fibre sono legate da legami crociati tra due allisine o tra una lisina e un'allisina; la lisina è convertita in allisina dall'enzima lisina ossidasi, che inserisce un gruppo aldeidico al posto del gruppo amminico della catena laterale della lisina in corrispondenza dell'ultimo carbonio, Cε ("carbonio epsilon"). Quando si forma il legame crociato, si verifica una condensazione tra il gruppo amminico e il gruppo aldeidico che unisce le due catene con un legame imminico.
Composizione chimica Il collagene è una proteina a tripla elica, ma a differenza delle altre proteine ha un alto contenuto di idrossiprolina.
Il seguente schema illustra le quantità degli amminoacidi che compongono il collagene nella cute dei mammiferi e dei pesci.
Amminoacidi Quantità (mammiferi)(residuo/1000) Quantità (pesci)(residuo/1000) Glicina 329 339 Prolina 126 108 Alanina 109 114 Idrossiprolina 95 67 Acido glutammico 74 76 Arginina 49 52 Acido aspartico 47 47 Serina 36 46 Lisina 29 26 Leucina 24 23 Valina 22 21 Treonina 19 26 Fenilalanina 13 14 Isoleucina 11 11 Idrossilisina 6 8 Metionina 6 13 Istidina 5 7 Tirosina 3 3 Cisteina 1 1 Triptofano 0 0
Biosintesi
La biosintesi del collagene avviene ad opera di diversi tipi cellulari a seconda del tessuto (ad esempio fibroblasti nel tessuto connettivo, osteoblasti nell'osso) e parte di essa è intracellulare, mentre il resto è extracellulare.
Il processo inizia con la trascrizione del gene o dei geni e la maturazione dell'mRNA. Sono presenti sequenze che codificano per lunghi peptidi in eccesso rispetto alle molecole di collagene mature, quindi il collagene nasce come procollagene, che possiede rispetto al collagene due peptidi terminali, uno N-terminale e uno C-terminale, che hanno struttura globulare. La traduzione avviene a livello dei ribosomi a ridosso della parete del RER (reticolo endoplasmatico rugoso).
Per dare il processo processo completo di biosintesi del collagene:
i ribosomi legati all’mRNA contenente i geni del collagene si legano al RER. La sequenza segnale facilita il legame dei ribosomi al RER e guida il trasferimento della catena polipeptidica all’interno delle cisterne del RER. Nel lume del RER vengono sintetizzati due tipi di catena (preprocollagene) dette α1 e α2, che a questo livello contengono dei residui C- e N-terminali. Le due catene di preprocollagene vengono rilasciate nel lume del RER; qui viene eliminata la sequenza segnale. Si ha la formazione di procatene α1 e α2 precursori del collagene. Nel lume del RER le procatene vanno incontro a modificazioni post-traduzionali, quali l’idrossilazione delle lisine e delle proline e la glicosilazione delle idrossilisine. Dopo essere state idrossilate e glicosilate, le procatene α formano il procollagene, un precursore del collagene. La formazione del procollagene inizia con la formazione di legami disolfuro a ponte tra i peptidi carbossiterminali delle procatene α. Ciò porta le tre catene α in una disposizione favorevole alla formazione dell’elica. Una volta formato il procollagene, la sua regione centrale mostra già una struttura a tripla elica ed è affiancata da tratti ammino- e carbossiterminali chiamati propeptidi. La molecola a tripla elica di procollagene viene trasferita in un organello all'interno delle cellule, l'apparato di Golgi, dove viene completata la glicosilazione; la glicosilazione dunque è completata nello spazio intracellulare. La molecola viene successivamente immessa in vescicole che si fondono con la membrana plasmatica, cioè la membrana cellulare. Dunque, sono trasportate all’esterno della cellula, nello spazio extracellulare. Dopo la liberazione all’esterno delle cellule, le molecole di procollagene subiscono dei tagli da parte di N- e C- procollagene peptidasi, le quali rimuovono i propeptidi terminali, liberando delle molecole di tropocollagene a tripla elica. Le molecole di tropocollagene si associano spontaneamente, formando le fibrille; esse assumono una disposizione parallela e sfalsata, nella quale le molecole di collagene si sovrappongono a quelle vicine per circa ¾ della loro lunghezza. Le fibrille di collagene con la loro disposizione ordinata sono il substrato della lisil ossidasi. Questo enzima extracellulare catalizza la deaminazione ossidativa di alcuni dei residui di lisina e di idrossilisina del collagene; ne derivano delle aldeidi reattive (allisina e idrossiallisina) che danno luogo a reazioni di condensazione con alcuni residui di lisina o idrossilisina delle molecole di collagene, formando legami covalenti tra catene. La formazione di tali legami crociati è essenziale affinché si raggiunga la resistenza alla trazione necessaria per un corretto funzionamento del tessuto connettivo. Quindi qualsiasi mutazione che interferisca con la capacità delle molecole di collagene di formare fibrille rinsaldate da legami crociati, influenzerà la stabilità del collagene. Le fibrille infine possono disporsi in fasci ondulati o paralleli per formare fibre e le fibre possono formare fasci di fibre.
Tipi di collagene
Esistono numerosi tipi di collagene propriamente detto e diverse proteine che hanno struttura polipeptidica largamente assimilabile al collagene. In letteratura sono stati descritti 28 tipi di collagene, caratterizzati da differenti funzionalità. In un secondo momento, è stato scoperto il 29º tipo di collagene.
Tipo Descrizione Geni I Rappresenta il 90% del collagene totale ed entra nella composizione dei principali tessuti connettivi, ossia pelle, tendini, ossa, cartilagini, adipe e cornea. II Forma la cartilagine, i dischi intervertebrali ed il corpo vitreo III Grande importanza nei vasi sanguigni. È anche il collagene del tessuto di granulazione. Viene prodotto velocemente ed in grandi quantità prima del collagene di tipo I, più resistente, da cui è successivamente sostituito. IV Uno dei componenti della membrana basale V Contenuto nel tessuto interstiziale, è associato al collagene di tipo I (associato anche alla placenta) VI Contenuto nel tessuto interstiziale, è associato al collagene di tipo I VII Forma fibrille di ancoraggio nelle giunzioni dermo-epidermiche; può essere coinvolto nella patologia chiamata epidermolisi bollosa distrofica VIII Prodotto da alcune cellule endoteliali IX Contenuto nella cartilagine, è associato a collagene di tipo II e XI X Contenuto nella cartilagine ipertrofica ed in mineralizzazione XI Contenuto nella cartilagine XII Interagisce con il collagene di tipo I, con la decorina ed i glicosamminoglicani XIII È un collagene transmembrana, che interagisce con l'integrina a1b1, con la fibronectina e con i componenti della membrana basale XIV - XV - XVI - XVII È un collagene transmembrana, noto anche come BP180, una proteina da 180 kDa coinvolta in patologie come la pemfigoide bullosa ed alcune forme di epidermolisi bullosa giunzionale XVIII - XIX - XX - XXI - XXII - XXIII - XXIV - XXV - XXVI - XXVII - XXVIII - XXIX -COL29A1
Collagene di tipo I
C-Telopeptide Il C-telopeptide (telopeptide C-terminale del collagene di tipo I, CTx) è il frammento carbossi-terminale della molecola di collagene, proteina della matrice ossea. In quanto marcatore osseo, la sua determinazione, su campione di sangue o urine, serve a monitorare il processo di formazione e riassorbimento dell'osso.
N-Telopeptide L'N-telopeptide (telopeptide N-terminale del collagene di tipo I, NTx) è il frammento ammino-terminale della molecola di collagene, proteina della matrice ossea. In quanto marcatore osseo, la sua determinazione, su campione di sangue o urine, serve a monitorare il processo di formazione e riassorbimento dell'osso. Tuttavia, vista la sensibile fluttuazione dell'NTx, non è considerato molto specifico. Per questo i livelli dell'NTx non sono considerati di evidenza convincente per provare l'effetto del trattamento e gli sono preferiti i più precisi livelli di marcatore osseo CTx.
Stimolazione della produzione di collagene La comunità scientifica è alla continua ricerca di sostanze che possano stimolare la produzione di collagene nella pelle e nelle articolazioni. Tuttavia, è importante chiarire che ad oggi non ci sono evidenze solide riguardo al fatto che l'assunzione di collagene come integratore alimentare possa apportare benefici significativi a cute, capelli e unghie.
L'efficacia del collagene idrolizzato orale è oggetto di dibattito scientifico. Sebbene alcuni studi ne supportino la capacità di stimolare la produzione endogena, meta-analisi indipendenti evidenziano che i risultati positivi emergono quasi esclusivamente in trial clinici finanziati dalle aziende produttrici, scomparendo negli studi ad alta qualità metodologica e privi di conflitti di interesse. Inoltre, non è chiaro se i benefici osservati in prodotti che contengono anche co-formulanti (e.g., vitamina C e acido ialuronico) sono attribuibili interamente ai peptidi di collagene o ai co-formulanti.
Per queste ragioni, l'Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA) non ha autorizzato alcun health claim che ne attesti l'efficacia per il ringiovanimento cutaneo o la salute articolare.