Biologiczne funkcje kolagenu i jego wykorzystanie w medycynie estetycznej

Written by Dr Jolanta Batko
Rate this item
(0 votes)

Termin "kolagen" określa grupę białek występujących powszechnie w organizmie człowieka i organizmach zwierząt. Kolagen jest głównym składnikiem tkanek łącznych, stanowi bowiem około 25% wszystkich białek ssaków. Jest to białko zewnątrzkomórkowe występujące w skórze, kościach, ścięgnach, chrząstkach i zębach. Dotąd wyodrębniono u człowieka ok. 20 typów kolagenu i w celach porządkowych każdemu przypisano cyfrę rzymską.. Wspólną cechą kolagenów jest struktura potrójnej helisy utworzona z trzech łańcuchów polipeptydowych skręconych wzajemnie, występująca w całej lub w znacznej części cząsteczki [1, 2].

 JB Ryc.1

Ryc. 1. Struktura włókien białkowych kolagenu w skórze właściwej [3].

 

Struktura przestrzenna kolagenu jest konsekwencją składu aminokwasowego łańcuchów polipeptydowych. Istotną jego cechą jest powtarzająca się sekwencja trzech reszt aminokwasowych o ogólnym wzorze (Gly-Y-Pro/Hyp)n, gdzie glicyna stanowi ok. 35%, prolina ok.12%, a hydroksyprolina (ok. 10%). Glicyna stanowi co trzecią resztę w sekwencji aminokwasowej łańcucha. Dzięki temu wiązanie peptydowe utworzone pomiędzy resztami aminokwasowymi posiada szczególną konfigurację przestrzenną i jest "usztywnione" w porównaniu do wiązania łączącego inne aminokwasy [1, 2].

       

           JB Ryc.2

         

Ryc. 2. Struktura jednostki tropokolagenu – tzw. potrójna helisa, złożona z 3 łańcuchów polipeptydowych [2].

Z dotychczas opisanych blisko 20 różnych typów kolagenu, występujących w organizmie człowieka, najczęściej występującymi i najdokładniej scharakteryzowanymi są kolageny I-V. Kolageny typów dalszych, oznaczane wyższymi cyframi rzymskimi, zwykle występują w śladowych ilościach.

Charakterystyka najlepiej poznanych kolagenów typu I-V

Typ I (najczęstszy) – występowanie: skóra, kość, zębina, więzadła, ścięgna. Stanowi ok. 80-90% wszystkich kolagenów w skórze człowieka.

Typ II – występowanie: chrząstka szklista, jądro miażdżyste dysków międzykręgowych.

Typ III – występowanie: tkanka siateczkowa, warstwa brodawkowa skóry, naczynia krwionośne. Stanowi ok. 18% kolagenów.

Typ IV – występowanie: kłębuszki nerkowe, torebka soczewki, błona podstawna.

            Typ V – występowanie: błona podstawna, łożysko, mięśnie [2, 4].

 

Biosynteza kolagenu

            Biosynteza kolagenu jest procesem złożonym, obejmującym zarówno etapy wspólne dla syntezy wszystkich białek, jak i etapy swoiste dla kolagenu.

Kolagen to białko funkcjonujące na zewnątrz komórki. Syntetyzowany jest jednak przez

komórki tkanki łącznej – fibroblasty lub ich odpowiedniki (chondroblasty, osteoblasty i

odontoblasty) w postaci cząsteczki prekursorowej, jaką jest preprokolagen. Kolagen syntetyzowany jest w dwóch procesach: zewnątrz- i wewnątrzkomórkowych, w trakcie dziewięciu etapów.

 

JB Ryc.3

 

Ryc. 3. Etapy syntezy kolagenu [4].

 

Etapy wewnątrzkomórkowe

 

  1. ntranskrypcja i translacja łańcuchów preprokolagenu;
  2. noderwanie peptydu sygnalnego – proces wspólny dla białek wydalanych poza obręb komórki;
  3. nhydroksylacja reszt proliny i lizyny - swoisty dla białek kolagenowych proces modyfikacji posttranslacyjnej katalizowany odpowiednio przez hydroksylazę 3 lub 4 prolinową i lizylową. Hydroksylacja jest niezbędna do tworzenia wiązań poprzecznych i wbudowywania węglowodanów do cząsteczki kolagenu. Proces hydroksylacji wymaga obecności witaminy C;
  4. nglikozylacja reszt hydroksylizyny – swoisty dla białek kolagenowych proces dołączania do niektórych reszt hydroksylizyny cząsteczki galaktozy lub galaktozyloglukozy, katalizowany przez transferazy Przyjmuje się, że węglowodany połączone z kolagenem wpływają na wielkość struktur ponadcząsteczkowych kolagenu oraz zmniejszają podatność na działanie kolagenoz;
  5. nNieenzymatyczne utworzenie struktury trójhelikalnej kolagenu.

 

Etapy pozakomórkowe

     

      Cząsteczki tropokolagenu opuszczają fibroblast i łączą się ze sobą, aby utworzyć włókna kolagenowe.

  1. nprzekształcanie prokolagenu w kolagen – proces ten polega na enzymatycznym oderwaniu peptydów aminokońcowych i karboksykońcowych, tzw. propeptydów przy udziale aminopeptydaz i karboksypeptydaz;
  2. nagregacja włókien kolagenowych z zachowaniem przesunięcia o ¼ długości;
  3. nwytwarzanie wiązań poprzecznych (dojrzewanie kolagenu) – stabilizacja struktur kolagenowych i nadanie im nierozpuszczalności oraz oporności na działanie proteaz to wynik wytwarzania wiązań poprzecznych. Łączą one łańcuchy tej samej cząsteczki lub sąsiednich cząsteczek kolagenu;
  4. noddziaływanie struktur kolagenowych z innymi składnikami tkanki łącznej, przede wszystkim z proteoglikanami i glikoproteidami strukturalnymi [1, 2].

 

Degradacja kolagenu

            Rozkład kolagenu może zachodzić w różny sposób. Ogólnie uważa się, że możliwe są dwie drogi degradacji kolagenu: zewnątrzkomórkowa i wewnątrzkomórkowa [1, 4]. Droga zewnątrzkomórkowa obejmuje następujące etapy:

  1. ndepolimeryzację - proces rozbijania struktur ponadcząsteczkowych;
  2. ndziałanie kolagenaz tkankowych - enzymów o wysokiej swoistości dla kolagenu;
  3. ndenaturację fragmentów kolagenu w temperaturze ciała;
  4. ndalszy rozkład przez nieswoiste proteazy.

Droga wewnątrzkomórkowa obejmuje działanie katepsyn kolagenolitycznych, które są aktywne w środowisku kwaśnym, w mikrozatokach wytworzonych wokół włókien kolagenowych przez przylegające makrofagi lub osteoklasty.

 

 

 JB Ryc.4

Ryc.4 Schemat degradacji kolagenu (4)

 

Choroby związane z zaburzeniem struktury kolagenu

Kolagen a osteoporoza

            Zaburzenia metabolizmu kolagenu kostnego powodują odwapnienie szkieletu kostnego, co przyczynia się do zwiększenia kruchości kości i podatności na złamania. Kość to tkanka porowata składająca się w 90% z kolagenu, w której zachodzi proces łączenia się kolagenu z wapniem, fosforem i magnezem. Jeśli w młodości nie była wytworzona odpowiednio bogata struktura kolagenowa kośćca, na starość grozi nam osteoporoza.

Do odbudowy zniszczonych osteoporozą kości potrzebny jest kolagen, ponownie wytworzony przez organizm. Stymulacja organizmu do wytwarzania kolagenu kostnego wydaje się najlepszym sposobem walki z osteoporozą i jest przedmiotem szeroko prowadzonych, interdyscyplinarnych badań naukowych [3,6].

 

Kolagen a żylaki

            Włókna kolagenu stanowią ważny element śródbłonka naczyń żylnych, w tym zastawek żylnych. Odpowiednia ilość i jakość kolagenu w ściankach naczyń żylnych warunkuje utrzymanie ich prawidłowych funkcji i właściwości biochemicznych. Naczynia żylne, zasobne w kolagen, są sprężyste i elastyczne, przez co lepiej zapobiegają cofaniu się krwi w stronę serca. Dotychczasowe badania naukowe wskazują, że zawartość białek strukturalnych, takich jak elastyna i kolagen, jest zmniejszona w żylakach w porównaniu do żył zdrowych [6, 8].

Kolagen a rozstępy

            Nadmiernie rozciągnięta skóra pod wpływem szybkiego przybierania na wadze lub podczas intensywnego wzrostu, jak również w czasie ciąży, podatna jest na osłabienie włókien kolagenowych, czego konsekwencją są rozstępy. Tworzenie się rozstępów związane jest z nieprawidłową syntezą kolagenu w skórze. Proces ten przebiega na poziomie skóry właściwej, a ich powstawanie wiąże się z upośledzeniem fibroblastów – komórek skóry właściwej, czyli komórek odpowiedzialnych za produkcję włókien kolagenu i elastyny.

Niedziałające prawidłowo fibroblasty, np. z powodu zbyt wysokiego poziomu kortyzolu (hormonu kory nadnerczy) we krwi, wytwarzają wadliwe włókna kolagenu i elastyny, które są kruche i przy nadmiernym rozciąganiu ulegają zrywaniu, czego efektem jest powstanie rozstępów [12].

U niektórych osób występuje genetyczne upośledzenie syntezy kolagenu. Oznacza to, że skłonność do wytwarzania słabego, kruchego kolagenu przez fibroblasty podlega dziedziczeniu [2, 7].

 

Kolagen a żywienie

            Dieta obfitująca w pełnowartościowe białko oraz odpowiednie witaminy, mikro- i makroelementy, może poprawić czynności fibroblastów w zakresie wytwarzania prawidłowego kolagenu. Dużą rolę odgrywa zwłaszcza pełnowartościowe białko zawierające wszystkie niezbędne aminokwasy (białko pochodzenia zwierzęcego: mięso, jaja). W syntezie kolagenu bardzo ważna jest również witamina C oraz witaminy A, E, PP, B5 i pierwiastków, takich jak: cynk, krzem, żelazo, miedź.

Doustne przyjmowanie hydrolizatów kolagenu może stymulować procesy anaboliczne kolagenu w skórze, a mianowicie stymulować biosyntezę kolagenu typu I i III u zwierząt doświadczalnych oraz zmniejszyć aktywność enzymów uczestniczących w degradacji kolagenu [6].

 

Wykorzystanie kolagenu w kosmetologii i medycynie estetycznej

 

            Kolagen to główne białko tkanki łącznej. Posiada bardzo wysoką odporność na rozciąganie i stanowi główny składnik ścięgien. Kolagen wypełnia także rogówkę oka, gdzie występuje w formie krystalicznej. Jest odpowiedzialny za elastyczność skóry. Ubytek kolagenu ze skóry powoduje powstawanie zmarszczek w procesie jej starzenia. Kolagen jest powszechnie stosowany w kosmetykach, zwłaszcza w kremach i maściach przeciwzmarszczkowych. Stosuje się go też jako wypełniacz w chirurgii kosmetycznej, np. do wypełniania ust.

Kolagen i jego preparaty wnikają w głąb skóry, odżywiając ją, i tworząc swego rodzaju warstwę ochronną, dzięki której skóra jest równomiernie i dostatecznie nawilżona oraz chroniona przed szkodliwymi czynnikami, typu: nadmierne nasłonecznienie, wysuszenie, poddanie gwałtownym zmianom temperatury [5, 7, 8, 9].

 

            JB Ryc.5

            Ryc.5. Technika wypełniania ust kolagenem.

U niektórych osób występują przypadki nietolerancji kolagenu. Są one rzadkie, ale przy tym poważne w skutkach. Niekiedy mogą wystąpić krwiaki, obrzęk wargi, rumieniowo-fiołkowe ziarniniaki, niekiedy pseudocysty, uraz wielopunktowy we wrażliwych miejscach.

           

 JB Ryc.6

Ryc. 6. Przykład nietolerancji kolagenu.

Czasami kolagen stosowany jest jako środek wspomagający w leczeniu skóry z trądzikiem młodzieńczym i różowatym, jak również skóry skłonnej do alergii. Spotkano się z jego wspomagającym działaniem także podczas leczenia żylaków, skóry po oparzeniach słonecznych czy solarium, leczeniu cellulitu, ran czy mechanicznych uszkodzeń skóry. Niejednokrotnie kolagen stosowany jest również do regeneracji włosów oraz paznokci. Jednym z głównych celów stosowania kolagenu jest ujędrnianie skóry, wspomaganie likwidowania rozstępów, czy ujędrnianie biustu. Czasami również pomaga w bólach reumatycznych czy artretycznych [9, 14].

            Kolagen jest powszechnie stosowany w chirurgii plastycznej, jako środek przyśpieszający regenerację skóry po oparzeniach i rekonstrukcji kości. Stosowany jest również do różnorodnych celów dentystycznych, ortopedycznych i chirurgicznych (np. jako nośnik leków). Stosowany jest jako wypełniacz skóry przy zwalczaniu zmarszczek i likwidowaniu efektów starzenia się skóry. Jest składnikiem wielu kosmetyków, jak również sprzedawany jest w swojej naturalnej formie jako krem oraz pigułki.

Kolagen jest szeroko stosowany w budowie substytutów skóry, jest wykorzystywany przez organizm na każdym etapie gojenia się ran [3,14].

 

Kolagen a proces starzenia

            Skóra właściwa znajduje się tuż pod naskórkiem i składa się z tkanki tłuszczowej i łącznej, tu też znajdują się naczynia krwionośne, zakończenia nerwowe i przydatki skórne. Skórę właściwą tworzą włókna kolagenowe, sprężyste i retikulinowe, a od tych właśnie włókien zależy tempo pojawiania się zmarszczek.

Z wiekiem w skórze spada tempo synteza kolagenu ulega spowolnieniu, jak i zmniejsza się aktywność enzymów biorących udział w modyfikacjach pozakomórkowych, a włókna kolagenu ulegają degeneracji, usztywnieniu, jak i maleje ich gęstość ułożenia w skórze. Uporządkowana struktura włókien kolagenowych ulega pofałdowaniu, pogrubieniu i odkształceniu. Zmniejsza się ponadto ilość substancji wiążących wodę i gwarantujących jędrność skóry. Wraz z wiekiem proces degeneracji kolagenu zaczyna przeważać nad procesem jego syntezy [10].

Oprócz zwiększonej degradacji kolagenu wykazano zaburzenia czynności fibroblastów starzejącej się skóry, czego skutkiem jest spowolnienie syntezy i wymiany kolagenu [6, 12]. Odtwarzanie kolagenu niemal całkowicie ustaje po 60.-70. roku życia, wraz z zanikiem aktywności neurohormonalnej [11,12]. Jest bardzo prawdopodobne, że zmniejszona biosynteza przy zwiększonej degradacji kolagenu w podeszłym wieku może być przyczyną zaniku skóry i słabego gojenia się ran u osób starszych [10, 13].

W procesie starzenia się skóry, oprócz spadku elastyczności związanej ze zmniejszeniem ilości włókien kolagenu i elastyny, obserwuje się dodatkowo zmniejszenie ilości i redystrybucję podskórnej tkanki tłuszczowej oraz osłabienie mięśni twarzy, czego skutkiem jest pojawienie się zmarszczek grawitacyjnych oraz zauważalne zmiany w owalu twarzy [6]. Pogarsza to nie tylko wygląd skóry, ale również wpływa niekorzystnie na stan zdrowia.

Jedną ze strategii przeciwdziałania tym zjawiskom jest próba uzupełnienia zasobów kolagenu w skórze oraz niwelowania efektów jego ubytku.

 

 

Piśmiennictwo

1. Berg J M, Tymoczko J L, Stryer L Biochemia. Warszawa:PWN;2009.

2 Murray R K, Granner D K, Rodwell V W, Biochemia Harpera. Warszawa:PZWL;2008.

3. http://www.osteoforum.org.pl/kolagen.html

4. Kłyszejko-Stefanowicz L Cytobiochemia, biochemia niektórych struktur komórkowych.

            Warszawa:PWN;2002.

5. Martini M-C, Kosmetologia i farmakologia skóry. Warszawa:PZWL;2007.

6. Żelaszczyk D, Waszkielewicz A, Marona H Kolagen – struktura oraz zastosowanie w kosmetologii i medycynie estetycznej, Estetol Med Kosmetol 2012;2(1):14-20.

7. Szymański K, Zabiegi estetyczne, blizny i przerosłe bliznowce. Salon i Elegancja 2006;10: 152.

8. Gϋtt S Kolagen – substancja aktywna i nośnik. Salon i Elegancja 2005;8-9:144.

9. Petsitis X, Kipper K, Pytrus-Sędłak B, red. Kosmetyka ozdobna i pielęgnacja twarzy. Wrocław:Medpharm;2007.

10. Uitto J Connective tissue biochemistry of the aging dermis. Clin Geriat Med 1989;5(1):127-47.

11. Olek-Hrab K, Hawrylak A, Czarnecka-Operacz M Wybrane zagadnienia z zakresu   starzenia się skóry, Post Dermatol Alergol 2008; 5:226-234.

12. Varani J, Dame MK, Rittie L, Fligiel SE, Kang S, Fisher GJ, Voorhees JJ Decreased collagen production in chronologically aged skin: roles of age-dependent alteration in fibroblast function and defective mechanical stimulation. Amer J Pathol 2006;      168(6):186-8.

13. Baumann L, Padlewska K, red. Dermatologia estetyczna. Warszawa:PZWL;2013.