Kollagen

Kollagenmolekül

Die Tertiärstruktur der Kollagenmoleküle besteht aus linksgängigen helikalen Aminosäureketten (Prokollagen), von denen sich jeweils drei in Form einer rechtsgängigen Superhelix bzw. Tripelhelix umeinander winden und auf diese Weise Fasern ausbilden, die als Tropokollagen bezeichnet werden. Die Tripelhelix wird durch Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den einzelnen Strängen stabilisiert.

Die Kollagenketten weisen einen hohen Anteil an Prolin und Glycin auf, daneben eine Reihe hydroxylierter Aminosäuren wie Hydroxyprolin und Hydroxylysin, die eine Quervernetzung der Proteine und die Ausbildung einer stabilen Kollagenmatrix ermöglichen.

Die entstandenen Fasern sind zwar helikal, unterscheiden sich strukturell aber von der klassischen α-Helix. Durch den hohen Gehalt an Prolinen und Glycinen sind die Helices des Kollagens länger gestreckt, was in einer Ganghöhe (die Strecke, die eine volle Umdrehung der Schraube nach oben einnimmt) von 0,94 nm resultiert. Eine α-Helix hat dagegen eine Ganghöhe von 0,54 nm. Die langgestreckte Form der Proteinketten führt dazu, dass die Tripelhelix des Kollagens sehr kompakt und eng ist. Jede Kollagenhelix kann - in Abhängigkeit von ihrem genauen Typ - aus mehreren Hundert bis mehreren Tausend Aminosäuren aufgebaut sein.

Kollagenfibrillen

Durch Aggregation mehrerer Kollagenmoleküle entsteht die nächst höhere Organisationseinheit, die Kollagenfibrillen. Die Kollagenmoleküle werden bei der Bildung der Fibrillen nicht einfach gebündelt, sondern um ca. 1/5 ihrer Länge (67 nm) gegeneinander versetzt. Dadurch entsteht im elektronenmikroskopischen Bild eine charakteristische Querstreifung, die sich alle 67 nm (234 Aminosäuren) wiederholt. Sie wird als D-Periode bezeichnet.

Die Bildung der Kollagenfibrillen aus den Tropokollagen-Untereinheiten erfolgt spontan im Extrazellulärraum. Die Ausrichtung wird dabei von Fibroblasten gesteuert, die fertig geformte Fibrillen mithilfe sogenannter Fibripositoren ausrichten.

Kollagenfibrillen haben in verschiedenen Geweben einen sehr unterschiedlichen Durchmesser, der von 20 nm bis etwa 500 nm reicht. Durch diese Variationsbreite kann die Struktur der Fibrillen variabel an die Erfordernisse des jeweiligen Gewebes angepasst werden. In der Kornea haben die Fibrillen beispielsweise einen sehr geringen Durchmesser (25 nm), um eine Transparenz der Hornhaut zu ermöglichen.

Bislang sind mehr als 20 Kollagentypen identifiziert worden. Ihre genaue biomechanische Funktion ist teilweise noch ungeklärt.

• Kollagen I (faserbildend in Kollagenfasern): Haut, Sehnen, Knochen, Dentin, Faserknorpel, Kornea
• Kollagen II (faserbildend): Hyaliner Knorpel, Faserknorpel, Elastischer Knorpel, Glaskörper
• Kollagen III (faserbildend in Retikulinfasern): Haut, Skelettmuskulatur, Blutgefäße
• Kollagen IV (netzförmig): Basallamina (bes. Lamina densa)
• Kollagen V (faserbildend): Fetale Gewebe, Plazenta, interstitielles Bindegewebe, Kornea
• Kollagen VI (faserassoziiert, kugelförmig): Bindegewebe
• Kollagen VII (Ankerfibrillen): Verankerung von Epithelien auf Basalmembran und Stroma
• Kollagen VIII (netzförmig): Descemet-Membran
• Kollagen IX (faserassoziiert): Knorpel, Corpus vitreum
• Kollagen X (netzförmig): Wachstumszone des Knorpels
• Kollagen XI (faserbildend): Knorpel
• Kollagen XII (faserassoziiert): embryonale Haut, embryonale Sehnen
• Kollagen XIII: Knochen, Knorpel, Haut, quergestreifte Muskulatur
• Kollagen XIV: vor allem im intraneuralen Bindegewebe der Nerven, im Epi- und Perimysium, auch innerhalb des Muskels nach einer Denervation
• Kollagen XV: Basalmembran der Muskeln, in den Nieren nach einer Fibrosierung
• Kollagen XVI: in inneren Organen, in den Augen und etwas im Muskelgewebe
• Kollagen XVII (transmembranär): Assoziation mit Hemidesmosomen von Plattenepithelzellen der Epidermis
• Kollagen XVIII: unbekannt
• Kollagen XIX: (faserassoziiert): fetale Haut, fetale Sehnen

Die Kollagensynthese beginnt an den Ribosomen des rauen endoplasmatischen Retikulums mit der Bildung von Präprokollagen. Sie wird u.a. durch Wachstumsfaktoren (z.B. TGF-β) reguliert. Nach Abspaltung des Signalpeptids entsteht Prokollagen. Im endoplasmatischen Retikulum erfolgen anschließend verschiedene posttranslationale Modifikationen:

• Hydroxylierung von Prolin- und Lysinresten (Vitamin-C-abhängig)
• Glykosylierung von Hydroxylysinresten
• Ausbildung von Disulfidbrücken

Die so modifizierten Kollagenketten lagern sich schließlich zur Tripelhelix zusammen.

Kollagen findet sich im Organismus vor allem in Bindegewebe, wo es je nach Beschaffenheit den Großteil der extrazellulären Matrix ausmachen kann. Die unterschiedliche Beschaffenheit der verschiedenen Kollagentypen liegt einer Vielzahl von Eigenschaften des Binde- und Stützgewebes zugrunde. Die Reißfestigkeit von Bändern und Sehnen, die Flexibilität von Knochen oder die Druckresistenz der Gelenkknorpel ist größtenteils durch das im Gewebe vorherrschende Kollagen bedingt.

Kollagen ist das Protein mit dem höchsten relativen Anteil (etwa 25 %) am Gesamtprotein des Menschen.

Die Synthese von Kollagen ist Ascorbinsäure-abhängig. Ein Mangel an Vitamin C ruft das Krankheitsbild des Skorbuts hervor. Eine Vielzahl genetischer Erkrankungen beruhen auf Defekten des Kollagens oder damit assoziierter Proteine (beispielsweise Ehlers-Danlos-Syndrom, Osteogenesis imperfecta, Stickler-Syndrom, Alport-Syndrom).

...in der Medizin

Heute werden aus Kollagen resorbierbare Nahtmaterialien, Trägermaterialien für Hauttransplantate sowie weitere Biomaterialien hergestellt. In der ästhetischen Medizin wurden Kollagenpräparate früher als Filler zur Weichteilaugmentation, beispielsweise zur Lippenvergrößerung und zur Faltenunterspritzung, eingesetzt. Heute sind sie weitgehend durch Hyaluronsäure-basierte Filler ersetzt worden.

...als Nahrungsergänzungsmittel

Kollagen wird in Form von Pulvern als Nahrungsergänzungsmittel vertrieben. Die Einnahme soll den natürlichen Rückgang der Kollagenproduktion ausgleichen und wird u.a. zur "Hautverjüngung", aber auch als generelles Anti-Aging-Mittel angeboten. Die pharmakologische Wirkrationale einer Kollageneinnahme ist umstritten, da die Präparate im Magen-Darm-Trakt enzymatisch in Einzelaminosäuren, Dipeptide und Tripeptide aufgetrennt werden. Auch die wissenschaftliche Evidenz für die proklamierten Wirkungen ist gering. Einige Reviews zeigen zwar positive Effekte auf Hautfeuchtigkeit, Elastizität und Falten, jedoch ist die Studienqualität häufig nicht ausreichend, um definitive Aussagen zu ermöglichen.^[1] Viele Studien sind von Herstellern gesponsort und unterliegen einem Bias.