کلاژن
کلاژن (به انگلیسی: Collagen) فراوان‌ترین پروتئین در بدن است. این پروتئین نقش و وظایف مهمی را در بدن انسان بر عهده دارد، از جمله این وظایف می‌توان به ایجاد ساختار پوست و کمک به ترمیم زخم‌ها اشاره کرد. کلاژن یکی از پرکاربردترین پروتئین‌ها در سال‌های اخیر به شمار می‌رود که به عنوان مکمل غذایی یا دارویی و در محصولات مراقبتی و بهداشتی محبوبیت زیادی پیدا کرده است.
کلاژن حدود یک سوم یا ۳۰ درصد از ترکیبات پروتئینی بدن را به خود اختصاص داده است. این پروتئین یکی از اجزای اصلی ساختمان‌های استخوان، پوست، ماهیچهها، تاندون‌ها و رباط‌ها محسوب می‌شود. کلاژن همچنین در بسیاری از قسمت‌های دیگر بدن از جمله رگ‌های خونی، قرنیه چشم و دندان نیز وجود دارد. این پروتئین در بدن باعث اتصال بافت‌ها و سلول‌های مختلف به یکدیگر می‌شود و در واقع به همین دلیل است که این پروتئین، کلاژن نام دارد، نام کلاژن هم از ریشه یونانی کلمه «kólla» به معنی چسب گرفته شده است.
کلاژن به صورت فیبرهای طویلی در تصاویر میکروسکوپی تهیه شده از بافت‌های فیبری، مانند تاندون‌ها، رباط‌ها و پوست دیده می‌شوند. فیبرهای کلاژنی علاوه بر این که در قرنیه، استخوان، رگ‌های خونی وجود دارند همچنین در غضروف، دیسک بین مهره‌ای و دستگاه گوارش نیز به وفور یافت می‌شوند. در بافت عضلانی، کلاژن به عنوان یکی از اجزای اصلی اندومیزیم یا لایه دورنی ماهیچه عمل می‌کند. 1 تا 2٪ ماهیچهها از کلاژن تشکیل می‌شوند و حدود 6٪ از کل وزن عضلات از کلاژن ساخته شده است. ژلاتین مورد استفاده در مواد غذایی نیز نوعی کلاژن است که به طور غیر قابل برگشت هیدرولیز شده است.
ساختار مولکولی
در اواسط دهه 1930، برای اولین بار ساختار مولکولی کلاژن کشف شد. پس از ارائه چندین مدل احتمالی از زنجیره‌های پپتیدی منفرد، مدل نهایی کلاژن به دست آمد. ساختار کلاژن دارای «مدل مادراس» (Madras) است، براساس این مدل هر مولکول کلاژن یا تروپوکلاژن از سه رشته پلی‌پپتیدی پیچ خورده تشکیل می‌شوند که «تروپوکلاژن‌ها» (Tropocollagen) برای ایجاد کلاژن بزرگتر در کنار هم تجمع پیدا می‌کنند و فیبریل‌های کلاژنی را می‌سازند. طول فیبریل‌های کلاژنی ۳۰۰ نانومتر و قطر آن‌ها ۱٫۵ نانومتر است. فیبریل‌ها در کنار هم فیبرهای کلاژنی را می‌سازند.
سه رشته مارپیچ پلی‌پپتیدی که هر مولکول تروپوکلاژن را می‌سازند، پپتیدهای آلفا نام دارند. این رشته‌ها به صورت مارپیچ چپ گرد هستند که در کنار هم مارپیچ راست گردی را تولید می‌کنند که همان کلاژن است. کلاژن حاوی اسیدهای آمینه خاص مانند گلیسین، پرولین، هیدروکسی پرولین و آرژنین است.
نقش و عملکرد
کلاژن به ایجاد استحکام در ساختارهای مختلف بدن کمک می‌کند و همچنین با جلوگیری از جذب و انتشار مواد بیماری‌زا، سموم محیطی، میکروارگانیسم‌ها و سلول‌های سرطانی از ساختارهایی مانند پوست محافظت می‌کند. پروتئین کلاژن سیمانی است که همه چیز را در کنار هم نگه می دارد. کلاژن همچنین در تمام بافت‌های عضلانی صاف، لوله گوارش، عروق خونی، قلب، کیسه صفرا، کلیه‌ها و مثانه که سلول‌ها و بافت‌ها وجود دارد. کلاژن عنصر اصلی تشکیل دهنده مو و ناخن است. این پروتئین در پوست باعث افزایش ویژگی‌های کشسانی می‌شود.
منابع کلاژن
در طبیعت، کلاژن به طور انحصاری در حیوانات، به ویژه در گوشت و بافت‌های پیوندی پستانداران یافت می‌شود. کلاژن بخشی از بافت همبند است که در پوست به استحکام، ترمیم و تجدید مداوم سلول‌های پوستی کمک می‌کند. کلاژن برای خاصیت ارتجاعی پوست بسیار حیاتی است.
رباط‌ها نوع دیگری از بافت همبند هستند که دو استخوان را به هم متصل نگه می‌دارند و در نتیجه مفاصل را به هم می‌چسباند. تاندون‌ها نیز نوعی از رباط‌ها هستند با این تفاوت که به ماهیچهها متصل شده و آن‌ها را به استخوان‌ها متصل می‌کنند. تمام این بافت‌ها، استخوان‌ها، رباط‌ها، تاندون‌ها و خود ماهیچه‌های اسکلتی از پروتئین تشکیل شده‌اند. به همین دلیل است که کلاژن ماده اصلی بافت همبند و فراوان‌ترین پروتئین در پستانداران است و حدود 25 تا 35 درصد از پروتئین کل بدن را به خود اختصاص داده است.
انواع کلاژن
حداقل 16 نوع کلاژن در بدن وجود دارد. چهار نوع اصلی آن شامل نوع IV و I ،II ،III هستند که بیشترین فراوانی را در بخش‌های مختلف بدن دارند. در اینجا نگاهی دقیق‌تر به چهار نوع اصلی کلاژن و نقش آن‌ها در بدن می‌اندازیم:
نوع اول: این نوع 90٪ کلاژن بدن را تشکیل می‌دهد و از فیبرهای بسیار متراکم ساخته شده است. کلاژن نوع اول در پوست، استخوان‌ها، تاندون‌ها، غضروف‌های فیبری، بافت همبند و دندان‌ها یافت می‌شوند.
نوع دوم: این نوع دارای فیبرهایی با تراکم کمتر هستند و در غضروف‌ها و محل اتصال مفاصل دیده می‌شوند.
نوع سوم: کلاژن نوع سوم پروتئين‌های ساختمانی در ماهیچهها و اندام‌ها و رگ‌های خونی را تامین می‌کند.
نوع چهارم: این نوع به عنوان فیلتر عمل کرده و در لایه‌های مختلف پوست یافت می‌شود.
با افزایش سن، بدن کلاژن کمتری و با کیفیت پایینی تولید می‌کند. یکی از علائم بارز آن در پوست به صورت چروک‌های پوستی قابل مشاهده است. غضروف‌ها و استخوان‌ها نیز با افزایش سن و در اثر کاهش تولید کلاژن تحلیل می‌روند.
اسیدهای آمینه سازنده کلاژن در بدن
همان طور که گفته شد، کلاژن حاوی اسیدهای آمینه گلایسین (Gly)، پرولین(Pro)، هیدروکسی پرولین (Hyp) و آرژنین (Arg) است. این اسیدهای آمینه در هر سه زنجیره از زیر واحد‌های کلاژن ترتیب منظمی دارند. رشته‌های پپتیدی اغلب از الگوی Gly-Pro-X یا Gly-X-Hyp پیروی می‌کنند که در آن‌ها x ممکن است هر اسیدآمینه دیگری باشد.
پرولین یا هیدروکسی پرولین حدود یک ششم از توالی اسیدآمینه‌ای کلاژن را تشکیل می‌دهند. از هر سه اسیدآمینه در توالی کلاژن یک اسید آمینه گلایسین وجود دارد. پرولین به تنهایی حدود 17٪ از کلاژن را می‌سازد. کلاژن همچنین دارای دو اسید آمینه غیر معمول است که به طور مستقیم در طول ترجمه وارد نمی‌شوند. این اسیدهای آمینه در مکان‌های مشخصی نسبت به گلایسین وجود دارند و پس از ترجمه توسط آنزیم‌های مختلف وارد توالی پروتئین می‌شوند که آنزیم‌های هر دو این اسیدهای آمینه (هیدروکسی لیزین و هیدروکسی پرولین) به ویتامین C به عنوان کوفاکتور نیاز دارند. هیدروکسی پرولین از پرولین و هیدروکسی لیزین از لیزین مشتق می‌شوند. بسته به نوع کلاژن، تعداد مختلفی از هیدروکسی لیزین‌ها، گلیکوزیله می‌شوند.
علاوه بر کلاژن، تکرار منظم و زیاد گلیسین تنها در چند پروتئین فیبری دیگر مانند فیبرین ابریشمی یافت می‌شود. در ابریشم توالی پروتئین از 75-80٪ -Gly-Ala-Gly-Ala- همراه با 10٪ سرین و الاستین تشکیل شده است. این پروتئین، از جمله پروتئین‌هایی است که توالی‌های غنی از گلایسین، پرولین و آلانین دارد.
در پروتئین‌های کروی اسید آمینه گلایسین به ندرت وجود دارد، در حالی که این اسید آمینه که کوچکترین اسید آمینه در توالی پروتئین‌ها محسوب می‌شوند، نقش کلیدی در ساختمان پروتئین‌های فیبری ایفا می‌کند.
کورتیزول تجزیه کلاژن (به خصوص در ناحیه پوست) به اسیدهای آمینه را تحریک می‌کند. کورتیزل هورمونی است که در شرایط استرس در بدن تولید می‌شود. بنابراین زمانی که بدن شرایط استرس مزمن قرار می‌گیرد، پوست با سرعت بیشتری تخریب شده و چین و چروک پوستی افزایش می‌یابد.
در اینجا به اختصار مراحل تولید کلاژن نوع اول در بدن را در دو بخش دورن سلول و بیرون سلول بررسی می‌کنیم:
درون سلول
در حین ترجمه، دو نوع زنجیره پپتیدی روی ریبوزوم‌ها در امتداد شبکه آندوپلاسمی خشن (RER) ایجاد می‌شوند. به این زنجیره‌ها رشته‌های آلفا -1 و آلفا -2 می‌گویند. رشته‌های پپتیدی آلفا یا «پری‌پروکلاژن» (پیش ساز کلاژن) در انتهای خود نشان دار شده‌اند.
در مرحله بعد پری‌پروکلاژن به درون لومن شبکه اندوپلاسمی آزاد می‌شوند. درون این شبکه پپتیدهای نشان دار، شکسته شده و تبدیل به رشته‌هایی به نام پپتیدهای پرو آلفا می‌شوند.
هیدروکسیلاسیون اسیدهای آمینه لیزین و پرولین در داخل لومن انجام می‌شود. این فرآیند به اسید اسکوربیک (ویتامین C) به عنوان کوفاکتور وابسته است. در این مرحله بر روی لیزین‌های هیدروکسیله شده فرایند گلیکوزیلاسیون صورت می‌گیرد.
ساختار مارپیچ سه گانه در داخل شبکه آندوپلاسمی از دو زنجیره آلفا - 1 و یک زنجیره آلفا -2 تشکیل می‌شوند. در این حالت به آن‌ها «پروکلاژن» می‌گویند.
پروكلاژن به دستگاه گلژیی انتقال می‌یابد و طی فرایند اگزوسیتوز بسته‌بندی شده و به خارج از سلول ترشح می‌شود.
خارج از سلول
بلافاصله بعد از خروج رشته‌ها بخش نشان دار آن‌ها شکسته شده و «تروپوکلاژن» (Tropocollagen) توسط آنزیم «پروکلاژن پپتیداز» (Procollagen Peptidase) تشکیل می‌شود.
مولکول‌های تروپوکلاژن در کنار هم قرار گرفته و فیبرهای کلاژنی را می‌سازند. این مولکول‌ها از طریق اتصالات متقاطع کووالانسی بین لیزین و هیدروکسی لیزین توسط آنزیم «لیزین اکسیداز» (Lysine Oxidase) به هم متصل می‌شوند. فیبریل‌های کلاژن در کنار هم فیبرهای کلاژن را می‌سازند.
کلاژن ممکن است از طریق چند نوع پروتئین از جمله «فیبرونکتین» (Fibronectin) و «اینتگرین» (Integrin) به غشای سلولی وصل شود.
اختلالات در سنتز کلاژن
همان طور که از مراحل سنتز کلاژن مشهود است، ویتامین C یک مؤلفه مهم در فرآیند سنتز کلاژن به شمار می آید. کمبود ویتامین C باعث ایجاد اختلال اسکوروی می‌شود که یک بیماری جدی و دردناک است. در این بیماری کلاژن تولید شده دچار نقص در ساختار و عملکرد خود است به طوری که این کلاژن نمی‌تواند بافت پیوندی مستحکمی بسازد و فرد مبتلا، علائمی نظیر خونریزی و تحلیل لثه، ریختن دندان‌ها، تغییر رنگ پوست و زخم‌های مزمن را از خود بروز می‌دهد.
علاوه بر این، ساختار و عملکرد کلاژن در برخی از بیماری نیز دچار اختلال می‌شود. به عنوان مثال، در برخی از بیماری‌های خود ایمنی مانند «لوپوس اریتماتوز سیستمیک» (Systemic Lupus Erythematosus) یا «آرتریت روماتوئید» (Rheumatoid arthritis) ممکن است، سیستم ایمنی بدن کلاژن‌ها را به عنوان مولکول‌های بیگانه شناسایی کرده و به آن‌ها حمله کند و در این حالت کلاژن‌های بدن تخریب می‌شود. برخی از باکتری‌ها و ویروس‌ها همچنین قادرند فیبرهای کلاژن موجود در بدن را از بین برده یا در سنتز آن‌ها اختلال ایجاد کنند.
مواد غذایی افزایش دهنده‌ی کلاژن در بدن
همه کلاژن‌ها از پیش ساز کلاژن یا پروکلاژن ساخته می‌شوند. بدن پروکلاژن را با ترکیب دو اسیدآمینه پرولین و گلایسین می‌سازد. با مصرف برخی از مواد غذایی می‌توان به بدن برای تولید بیشتر کلاژن کمک کرد. به تعدادی از این مواد غذایی در ادامه اشاره می‌شود:
- آنتوسیانیدین‌ها (Anthocyanidins): این آنتی اکسیدان در توت سیاه، زغال اخته، گیلاس و تمشک به وفور یافت می‌شود.
- ویتامین A: در غذاهای حاوی گوشت حیوانات و در غذاهای گیاهی به صورت بتاکاروتن وجود دارد.
- ویتامین C: مقادیر زیادی در مرکبات، انواع فلفل‌ها و توت فرنگی یافت می‌شود.
- پرولین: مقادیر زیادی از این اسید آمینه در سفیده تخم مرغ، جوانه گندم ، لبنیات، کلم، مارچوبه و قارچ مشاهده شده است.
- گلایسین: مقادیر فراوانی از این اسید آمینه در پوست پوست مرغ و ژلاتین یافت می‌شود، اما اسید آمینه گلیسین در غذاهای مختلف حاوی پروتئین نیز وجود دارد.
- مس (Copper): مقادیر زیادی از این ماده معدنی در گوشت، روغن ارگان، دانه کنجد، پودر کاکائو، پنیر و عدس یافت می‌شود.
بدن برای تولید کلاژن علاوه بر موارد فوق به پروتئین‌هایی با کیفیت بالا و اسیدهای آمینه مختلف نیاز دارد که این موارد را از گوشت، غذاهای دریایی، حبوبات، لبنیات و سویا می‌تواند تامین کند.