コラーゲン

コラーゲン(/ˈkɒlədʒən/)は、主に軟骨、骨、腱、靭帯、皮膚などの身体の様々な結合組織に見られる細胞外マトリックスの主要な構造タンパク質である。結合組織の主成分として、哺乳類において最も豊富なタンパク質であり、全身のタンパク質含有量の25%から35%を占める。コラーゲンはアミノ酸が結合してコラーゲンヘリックスとして知られる細長い線維の三重らせんを形成している。ビタミンCはコラーゲンの合成に不可欠であり、ビタミンEはコラーゲンの産生を改善する。

コラーゲン組織は、ミネラルミネラリゼーションの程度によって、剛直（骨）かコンプライアント（腱）、あるいは剛直からコンプライアントへの勾配（軟骨）を持つ。コラーゲンは角膜、血管、腸、椎間板、歯の象牙質にも豊富に存在する。筋肉組織では、内膜の主要な構成成分として機能する。コラーゲンは筋肉組織の1～2％を占め、骨格筋組織の重量の6％を占める。線維芽細胞はコラーゲンを作り出す最も一般的な細胞である。食品や工業用に使用されるゼラチンは、熱、塩基性溶液、弱酸を用いて不可逆的に加水分解されたコラーゲンである。

語源

コラーゲンという名称は、"接着剤"を意味するギリシャ語κόλλα（kólla）と、「生成」を表す接尾辞-γέν（-gen）に由来する。

ヒトのタイプ

人体中のコラーゲンの90％以上はI型コラーゲンである。しかし、2011年現在、28種類のヒト・コラーゲンが同定、記述され、形成する構造によっていくつかのグループに分けられている。全てのタイプが少なくとも1つの三重らせんを含んでいる。この種類の多さは、コラーゲンの多様な機能性を示している。

線維性（タイプI、II、III、V、XI）
非線維性
- FACIT（F三重らせんが中断したイブリル会合コラーゲン）（IX型、XII型、XIV型、XIX型、XXI型
- 短鎖（VIII型、X型）
- 基底膜（IV型）
- マルチプレキシン（中断を伴う多重三重らせんドメイン）（XV型、XVIII型）
- MACIT（三重らせんが切断された膜結合型コラーゲン）（XIII型、XVII型）
- ミクロフィブリル形成（VI型）
- アンカー線維（VII型）

最も一般的な5つのタイプがある：

I型：皮膚、腱、血管系、臓器、骨（骨の有機部分の主成分）
|II型：軟骨（軟骨の主なコラーゲン成分）
III型：網状（網状繊維の主成分）、I型と並んでよく見られる。
IV型：基底膜（基底膜の上皮分泌層）を形成する。
V型：細胞表面、毛髪、胎盤を形成する。

心臓

4つの心臓弁リングを含むコラーゲン質の心骨格は、組織学的に、弾力的かつ特異的に心筋に結合している。心骨格には、心室間隔と房室隔という心室の隔壁も含まれる。コラーゲンの心臓性能の測定への寄与は、要約すると心臓から放出される血圧の流体力学に対抗する連続的なねじり力を表す。心臓の上室と下室を仕切るコラーゲン構造は、典型的な生理学的手段によって血液と電気インパルスの両方を排除する不透過性の膜である。コラーゲンによるサポートがあれば、心房細動が心室細動に悪化することはない。コラーゲンは、平滑筋量とともに、さまざまな密度で層になっている。コラーゲンの質量、分布、年齢、密度はすべて、血液を前後に移動させるのに必要なコンプライアンスに寄与する。個々の心臓弁膜は、可変的な圧力の下で、特殊なコラーゲンによって形状に折り畳まれる。コラーゲン内のカルシウム沈着は、老化の自然な機能として徐々に起こる。コラーゲンマトリックス内の石灰化した点は、血液と筋肉の動くディスプレイの中でコントラストを示し、心臓画像技術の方法によって、本質的に血液の流入（心臓入力）と血液の流出（心臓出力）の比率を示すことができる。心臓を支えるコラーゲンの病理は結合組織病の範疇で理解されている。

骨移植

骨格は身体の構造を形成しているため、骨折や怪我の後でも強度を維持することが不可欠である。コラーゲンは三重らせん構造を持ち、非常に強い分子であるため、骨移植に使用される。骨格の構造的完全性を損なわないので、骨に使用するのに理想的である。コラーゲンの三重らせん構造は酵素による分解を防ぎ、細胞の接着を可能にし、細胞外マトリックスの適切な組み立てに重要である。

組織再生

コラーゲン・スキャフォールドは、スポンジ、薄いシート、ファイバーなど、組織再生に用いられている。コラーゲンは、孔構造、透過性、親水性、生体内での安定性など、組織再生に有利な特性を持つ。コラーゲンの足場はまた、骨芽細胞や線維芽細胞などの細胞の沈着を支持し、一度挿入されると成長が正常に進むように促進する。

再建外科的用途=

コラーゲンは、重度の熱傷や創傷の管理に使用される人工皮膚代替物の構築に広く使用されている。これらのコラーゲンは、ウシ、ウマ、ブタ、あるいはヒト由来であり、シリコーン、グリコサミノグリカン、線維芽細胞、成長因子および他の物質と組み合わせて使用されることもある。

創傷治癒

コラーゲンは、身体の重要な天然資源のひとつであり、創傷治癒のあらゆる段階に役立つ皮膚組織の成分である。コラーゲンが創傷床で利用可能になると、創傷の閉鎖が起こる。創傷が悪化し、時には切断などの処置が必要になることもあるが、それを避けることができる。

コラーゲンは天然物であるため、天然の創傷被覆材として使用され、人工の創傷被覆材にはない特性を持っている。細菌に対する耐性があり、これは創傷被覆材にとって極めて重要である。コラーゲンには感染と闘う自然な能力があるため、傷口を無菌状態に保つのに役立つ。コラーゲンを火傷のドレッシング材として使用すると、健康な肉芽組織が火傷の上に非常に早く形成され、火傷が急速に治癒するのを助ける。

創傷治癒の4つの段階を通して、コラーゲンは以下の機能を果たす：

ガイド機能：コラーゲン線維は線維芽細胞を誘導する役割を果たす。線維芽細胞は結合組織マトリックスに沿って移動する。
走化性特性：コラーゲン線維の大きな表面積は、治癒を助ける線維形成細胞を引き寄せることができる。
核形成：コラーゲンは、ある種の中性塩分子の存在下で、線維構造の形成を引き起こす核形成剤として働くことができる。
止血作用：血液血小板はコラーゲンと相互作用して止血栓を作る。

基礎研究

コラーゲンは実験室での研究において細胞培養に使用され、細胞の挙動や細胞と細胞外環境との相互作用を研究している。コラーゲンはまた、3Dバイオプリンティングや3D組織モデルのバイオファブリケーションのためのバイオインクとしても広く使用されている。

生物学

コラーゲンタンパク質は三重らせんで構成され、一般に2本の同一鎖（α1）と化学組成がわずかに異なるもう1本の鎖（α2）からなる。コラーゲンのアミノ酸組成はタンパク質としては非定型であり、特にヒドロキシプロリンの含有量が高い。コラーゲンのアミノ酸配列で最も一般的なモチーフはグリシン-プロリン-Xとグリシン-X-ヒドロキシプロリンであり、Xはグリシン、プロリン、ヒドロキシプロリン以外のアミノ酸である。魚類と哺乳類の皮膚の平均アミノ酸組成を示す。

アミノ酸	哺乳類の皮膚に多い (残留物/1000)	魚類の皮膚に多い (残留物/1000)
Glycine/ja	329	339
Proline/ja	126	108
Alanine/ja	109	114
Hydroxyproline/ja	95	67
Glutamic acid/ja	74	76
Arginine/ja	49	52
Aspartic acid/ja	47	47
Serine/ja	36	46
Lysine/ja	29	26
Leucine/ja	24	23
Valine/ja	22	21
Threonine/ja	19	26
Phenylalanine/ja	13	14
Isoleucine/ja	11	11
Hydroxylysine/ja	6	8
Methionine/ja	6	13
Histidine/ja	5	7
Tyrosine/ja	3	3
Cysteine/ja	1	1
Tryptophan/ja	0	0

合成

まず、アミノ酸のグリシンとプロリンを主成分とする三次元鎖構造が組み立てられる。これはまだコラーゲンではなく、その前駆体であるプロコラーゲンである。プロコラーゲンはその後、プロリンとリジンというアミノ酸に水酸基を付加することで修飾される。この段階は、後のグリコシル化とコラーゲンの三重らせん構造の形成に重要である。これらの反応を行う水酸化酵素は補因子としてビタミンCを必要とするため、このビタミンが長期的に欠乏するとコラーゲン合成が阻害され、壊血病になる。この反応は水酸化1回につきアスコルビン酸1分子を消費する。

コラーゲンの合成は細胞内外で起こる。ここでは、線維性コラーゲン（最も一般的な形態）をもたらすコラーゲンの形成について述べる。濾過システムの形成にしばしば関与する網目状コラーゲンは、コラーゲンの他の形態である。すべてのタイプのコラーゲンは三重らせんであり、その違いはステップ2で作られるαペプチドの構成にある。

mRNAの転写：コラーゲン形成に関連する遺伝子は約44種類あり、それぞれが特定のmRNA配列をコードし、通常「COL」という接頭辞を持つ。コラーゲン合成の始まりは、特定のαペプチド（典型的にはα1、2、3）の形成に関連する遺伝子をオンにすることから始まる。
プレプロペプチドの形成：最終的なmRNAが細胞核から出て細胞質に入ると、リボソームサブユニットと結びつき、翻訳のプロセスが起こる。新しいペプチドの初期／最初の部分はシグナル配列として知られている。ペプチドのN末端にあるシグナル配列は、小胞体上のシグナル認識粒子によって認識され、プレプロペプチドを小胞体に導く役割を果たす。したがって、新しいペプチドの合成が終わると、翻訳後プロセシングのために小胞体に直接入る。現在ではプレプロコラーゲンとして知られている。
プレプロペプチドからプロコラーゲンへ：プレプロペプチドに3つの修飾が起こり、アルファペプチドが形成される：
1. N末端のシグナルペプチドが除去され、プロペプチド（プロコラーゲンではない）と呼ばれるようになる。
2. 酵素「プロリルヒドロキシラーゼ」と「リシルヒドロキシラーゼ」によるプロペプチド上のリジンとプロリンのヒドロキシル化（ヒドロキシプロリンとヒドロキシリジンの生成）が起こり、αペプチドの架橋を助ける。この酵素的段階は補因子としてビタミンCを必要とする。壊血病では、プロリンとリジンのヒドロキシル化が欠如しているため、三重らせん（3つのαペプチドによって形成される）が緩くなる。
3. グリコシル化は、グルコースかガラクトースのモノマーを、プロリンではなくリジンの水酸基に付加することで起こる。
4. 一旦これらの修飾が起こると、水酸基とグリコシル化されたプロペプチドのうち3つが三重らせん状にねじれ、プロコラーゲンを形成する。プロコラーゲンにはまだ巻かれていない末端があり、これは後で切り取られる。この時点で、プロコラーゲンはゴルジ体に向かう小胞にパッケージされる。
ゴルジ体の修飾：細胞外に分泌される前に最後の翻訳後修飾を受ける。このステップでは、オリゴ糖（ステップ3のような単糖ではない）が付加され、プロコラーゲンは細胞外腔に向かう分泌小胞にパッケージされる。
トロポコラーゲンの形成：細胞外に出ると、コラーゲンペプチダーゼとして知られる膜結合酵素が、プロコラーゲン分子の "ルースエンド "を除去する。残ったものがトロポコラーゲンである。このステップに欠陥があると、エーラス・ダンロス症候群として知られる多くのコラーゲン異常症のひとつが生じる。線維性コラーゲンの一種であるIII型コラーゲンを合成する際には、このステップは存在しない。
コラーゲン線維の形成：リシルオキシダーゼは細胞外の銅依存性酵素であり、コラーゲン合成経路の最終段階を作り出す。この酵素はリジンとヒドロキシリジンに作用してアルデヒド基を生成し、最終的にトロポコラーゲン分子間で共有結合を起こす。このトロポコラーゲンのポリマーはコラーゲン線維として知られている。

Amino acids

Collagen has an unusual amino acid composition and sequence:

Glycine is found at almost every third residue.
Proline makes up about 17% of collagen.
Collagen contains two unusual derivative amino acids not directly inserted during translation. These amino acids are found at specific locations relative to glycine and are modified post-translationally by different enzymes, both of which require vitamin C as a cofactor.
- Hydroxyproline derived from proline
- Hydroxylysine derived from lysine – depending on the type of collagen, varying numbers of hydroxylysines are glycosylated (mostly having disaccharides attached).

Cortisol stimulates degradation of (skin) collagen into amino acids.

Collagen I formation

Most collagen forms in a similar manner, but the following process is typical for type I:

Inside the cell
1. Two types of alpha chains – alpha-1 and alpha 2, are formed during translation on ribosomes along the rough endoplasmic reticulum (RER). These peptide chains known as preprocollagen, have registration peptides on each end and a signal peptide.
2. Polypeptide chains are released into the lumen of the RER.
3. Signal peptides are cleaved inside the RER and the chains are now known as pro-alpha chains.
4. Hydroxylation of lysine and proline amino acids occurs inside the lumen. This process is dependent on and consumes ascorbic acid (vitamin C) as a cofactor.
5. Glycosylation of specific hydroxylysine residues occurs.
6. Triple alpha helical structure is formed inside the endoplasmic reticulum from two alpha-1 chains and one alpha-2 chain.
7. Procollagen is shipped to the Golgi apparatus, where it is packaged and secreted into extracellular space by exocytosis.
Outside the cell
1. Registration peptides are cleaved and tropocollagen is formed by procollagen peptidase.
2. Multiple tropocollagen molecules form collagen fibrils, via covalent cross-linking (aldol reaction) by lysyl oxidase which links hydroxylysine and lysine residues. Multiple collagen fibrils form into collagen fibers.
3. Collagen may be attached to cell membranes via several types of protein, including fibronectin, laminin, fibulin and integrin.

Synthetic pathogenesis

Vitamin C deficiency causes scurvy, a serious and painful disease in which defective collagen prevents the formation of strong connective tissue. Gums deteriorate and bleed, with loss of teeth; skin discolors, and wounds do not heal. Prior to the 18th century, this condition was notorious among long-duration military, particularly naval, expeditions during which participants were deprived of foods containing vitamin C.

An autoimmune disease such as lupus erythematosus or rheumatoid arthritis may attack healthy collagen fibers.

Many bacteria and viruses secrete virulence factors, such as the enzyme collagenase, which destroys collagen or interferes with its production.

Molecular structure

A single collagen molecule, tropocollagen, is used to make up larger collagen aggregates, such as fibrils. It is approximately 300 nm long and 1.5 nm in diameter, and it is made up of three polypeptide strands (called alpha peptides, see step 2), each of which has the conformation of a left-handed helix – this should not be confused with the right-handed alpha helix. These three left-handed helices are twisted together into a right-handed triple helix or "super helix", a cooperative quaternary structure stabilized by many hydrogen bonds. With type I collagen and possibly all fibrillar collagens, if not all collagens, each triple-helix associates into a right-handed super-super-coil referred to as the collagen microfibril. Each microfibril is interdigitated with its neighboring microfibrils to a degree that might suggest they are individually unstable, although within collagen fibrils, they are so well ordered as to be crystalline.

A distinctive feature of collagen is the regular arrangement of amino acids in each of the three chains of these collagen subunits. The sequence often follows the pattern Gly-Pro-X or Gly-X-Hyp, where X may be any of various other amino acid residues. Proline or hydroxyproline constitute about 1/6 of the total sequence. With glycine accounting for the 1/3 of the sequence, this means approximately half of the collagen sequence is not glycine, proline or hydroxyproline, a fact often missed due to the distraction of the unusual GX₁X₂ character of collagen alpha-peptides. The high glycine content of collagen is important with respect to stabilization of the collagen helix as this allows the very close association of the collagen fibers within the molecule, facilitating hydrogen bonding and the formation of intermolecular cross-links. This kind of regular repetition and high glycine content is found in only a few other fibrous proteins, such as silk fibroin.

Collagen is not only a structural protein. Due to its key role in the determination of cell phenotype, cell adhesion, tissue regulation, and infrastructure, many sections of its non-proline-rich regions have cell or matrix association/regulation roles. The relatively high content of proline and hydroxyproline rings, with their geometrically constrained carboxyl and (secondary) amino groups, along with the rich abundance of glycine, accounts for the tendency of the individual polypeptide strands to form left-handed helices spontaneously, without any intrachain hydrogen bonding.

Because glycine is the smallest amino acid with no side chain, it plays a unique role in fibrous structural proteins. In collagen, Gly is required at every third position because the assembly of the triple helix puts this residue at the interior (axis) of the helix, where there is no space for a larger side group than glycine's single hydrogen atom. For the same reason, the rings of the Pro and Hyp must point outward. These two amino acids help stabilize the triple helix – Hyp even more so than Pro; a lower concentration of them is required in animals such as fish, whose body temperatures are lower than most warm-blooded animals. Lower proline and hydroxyproline contents are characteristic of cold-water, but not warm-water fish; the latter tend to have similar proline and hydroxyproline contents to mammals. The lower proline and hydroxyproline contents of cold-water fish and other poikilotherm animals leads to their collagen having a lower thermal stability than mammalian collagen. This lower thermal stability means that gelatin derived from fish collagen is not suitable for many food and industrial applications.

The tropocollagen subunits spontaneously self-assemble, with regularly staggered ends, into even larger arrays in the extracellular spaces of tissues. Additional assembly of fibrils is guided by fibroblasts, which deposit fully formed fibrils from fibripositors. In the fibrillar collagens, molecules are staggered to adjacent molecules by about 67 nm (a unit that is referred to as 'D' and changes depending upon the hydration state of the aggregate). In each D-period repeat of the microfibril, there is a part containing five molecules in cross-section, called the "overlap", and a part containing only four molecules, called the "gap". These overlap and gap regions are retained as microfibrils assemble into fibrils, and are thus viewable using electron microscopy. The triple helical tropocollagens in the microfibrils are arranged in a quasihexagonal packing pattern.

There is some covalent crosslinking within the triple helices and a variable amount of covalent crosslinking between tropocollagen helices forming well-organized aggregates (such as fibrils). Larger fibrillar bundles are formed with the aid of several different classes of proteins (including different collagen types), glycoproteins, and proteoglycans to form the different types of mature tissues from alternate combinations of the same key players. Collagen's insolubility was a barrier to the study of monomeric collagen until it was found that tropocollagen from young animals can be extracted because it is not yet fully crosslinked. However, advances in microscopy techniques (i.e. electron microscopy (EM) and atomic force microscopy (AFM)) and X-ray diffraction have enabled researchers to obtain increasingly detailed images of collagen structure in situ. These later advances are particularly important to better understanding the way in which collagen structure affects cell–cell and cell–matrix communication and how tissues are constructed in growth and repair and changed in development and disease. For example, using AFM–based nanoindentation it has been shown that a single collagen fibril is a heterogeneous material along its axial direction with significantly different mechanical properties in its gap and overlap regions, correlating with its different molecular organizations in these two regions.

Collagen fibrils/aggregates are arranged in different combinations and concentrations in various tissues to provide varying tissue properties. In bone, entire collagen triple helices lie in a parallel, staggered array. 40 nm gaps between the ends of the tropocollagen subunits (approximately equal to the gap region) probably serve as nucleation sites for the deposition of long, hard, fine crystals of the mineral component, which is hydroxylapatite (approximately) Ca₁₀(OH)₂(PO₄)₆. Type I collagen gives bone its tensile strength.

Associated disorders

Collagen-related diseases most commonly arise from genetic defects or nutritional deficiencies that affect the biosynthesis, assembly, posttranslational modification, secretion, or other processes involved in normal collagen production.

**Genetic defects of collagen genes**
Type	Notes	Gene(s)	Disorders
I	This is the most abundant collagen of the human body. It is present in scar tissue, the end product when tissue heals by repair. It is found in tendons, skin, artery walls, cornea, the endomysium surrounding muscle fibers, fibrocartilage, and the organic part of bones and teeth.	COL1A1, COL1A2	Osteogenesis imperfecta, Ehlers–Danlos syndrome, infantile cortical hyperostosis a.k.a. Caffey's disease
II	Hyaline cartilage, makes up 50% of all cartilage protein. Vitreous humour of the eye.	COL2A1	Collagenopathy, types II and XI
III	This is the collagen of granulation tissue and is produced quickly by young fibroblasts before the tougher type I collagen is synthesized. Reticular fiber. Also found in artery walls, skin, intestines and the uterus	COL3A1	Ehlers–Danlos syndrome, Dupuytren's contracture
IV	Basal lamina; eye lens. Also serves as part of the filtration system in capillaries and the glomeruli of nephron in the kidney.	COL4A1, COL4A2, COL4A3, COL4A4, COL4A5, COL4A6	Alport syndrome, Goodpasture's syndrome
V	Most interstitial tissue, assoc. with type I, associated with placenta	COL5A1, COL5A2, COL5A3	Ehlers–Danlos syndrome (classical)
VI	Most interstitial tissue, assoc. with type I	COL6A1, COL6A2, COL6A3, COL6A5	Ulrich myopathy, Bethlem myopathy, atopic dermatitis
VII	Forms anchoring fibrils in dermoepidermal junctions	COL7A1	Epidermolysis bullosa dystrophica
VIII	Some endothelial cells	COL8A1, COL8A2	Posterior polymorphous corneal dystrophy 2
IX	FACIT collagen, cartilage, assoc. with type II and XI fibrils	COL9A1, COL9A2, COL9A3	EDM2 and EDM3
X	Hypertrophic and mineralizing cartilage	COL10A1	Schmid metaphyseal dysplasia
XI	Cartilage	COL11A1, COL11A2	Collagenopathy, types II and XI
XII	FACIT collagen, interacts with type I containing fibrils, decorin and glycosaminoglycans	COL12A1	–
XIII	Transmembrane collagen, interacts with integrin a1b1, fibronectin and components of basement membranes like nidogen and perlecan.	COL13A1	–
XIV	FACIT collagen, also known as undulin	COL14A1	–
XV	–	COL15A1	–
XVI	FACIT collagen	COL16A1	–
XVII	Transmembrane collagen, also known as BP180, a 180 kDa protein	COL17A1	Bullous pemphigoid and certain forms of junctional epidermolysis bullosa
XVIII	Source of endostatin	COL18A1	–
XIX	FACIT collagen	COL19A1	–
XX	–	COL20A1	–
XXI	FACIT collagen	COL21A1	–
XXII	FACIT collagen	COL22A1	–
XXIII	MACIT collagen	COL23A1	–
XXIV	–	COL24A1	–
XXV	–	COL25A1	–
XXVI	–	EMID2	–
XXVII	–	COL27A1	–
XXVIII	–	COL28A1	–
XXIX	Epidermal collagen	COL29A1	Atopic dermatitis

In addition to the above-mentioned disorders, excessive deposition of collagen occurs in scleroderma.

Diseases

One thousand mutations have been identified in 12 out of more than 20 types of collagen. These mutations can lead to various diseases at the tissue level.

Osteogenesis imperfecta – Caused by a mutation in type 1 collagen, dominant autosomal disorder, results in weak bones and irregular connective tissue, some cases can be mild while others can be lethal. Mild cases have lowered levels of collagen type 1 while severe cases have structural defects in collagen.

Chondrodysplasias – Skeletal disorder believed to be caused by a mutation in type 2 collagen, further research is being conducted to confirm this.

Ehlers–Danlos syndrome – Thirteen different types of this disorder, which lead to deformities in connective tissue, are known. Some of the rarer types can be lethal, leading to the rupture of arteries. Each syndrome is caused by a different mutation. For example, the vascular type (vEDS) of this disorder is caused by a mutation in collagen type 3.

Alport syndrome – Can be passed on genetically, usually as X-linked dominant, but also as both an autosomal dominant and autosomal recessive disorder, those with the condition have problems with their kidneys and eyes, loss of hearing can also develop during the childhood or adolescent years.

Knobloch syndrome – Caused by a mutation in the COL18A1 gene that codes for the production of collagen XVIII. Patients present with protrusion of the brain tissue and degeneration of the retina; an individual who has family members with the disorder is at an increased risk of developing it themselves since there is a hereditary link.

Characteristics

Collagen is one of the long, fibrous structural proteins whose functions are quite different from those of globular proteins, such as enzymes. Tough bundles of collagen called collagen fibers are a major component of the extracellular matrix that supports most tissues and gives cells structure from the outside, but collagen is also found inside certain cells. Collagen has great tensile strength, and is the main component of fascia, cartilage, ligaments, tendons, bone and skin. Along with elastin and soft keratin, it is responsible for skin strength and elasticity, and its degradation leads to wrinkles that accompany aging. It strengthens blood vessels and plays a role in tissue development. It is present in the cornea and lens of the eye in crystalline form. It may be one of the most abundant proteins in the fossil record, given that it appears to fossilize frequently, even in bones from the Mesozoic and Paleozoic.

Uses

Collagen has a wide variety of applications, from food to medical. In the medical industry, it is used in cosmetic surgery and burn surgery. In the food sector, one use example is in casings for sausages.

If collagen is subject to sufficient denaturation, such as by heating, the three tropocollagen strands separate partially or completely into globular domains, containing a different secondary structure to the normal collagen polyproline II (PPII) of random coils. This process describes the formation of gelatin, which is used in many foods, including flavored gelatin desserts. Besides food, gelatin has been used in pharmaceutical, cosmetic, and photography industries. It is also used as a dietary supplement, and has been advertised as a potential remedy against the ageing process.

From the Greek for glue, kolla, the word collagen means "glue producer" and refers to the early process of boiling the skin and sinews of horses and other animals to obtain glue. Collagen adhesive was used by Egyptians about 4,000 years ago, and Native Americans used it in bows about 1,500 years ago. The oldest glue in the world, carbon-dated as more than 8,000 years old, was found to be collagen – used as a protective lining on rope baskets and embroidered fabrics, to hold utensils together, and in crisscross decorations on human skulls. Collagen normally converts to gelatin, but survived due to dry conditions. Animal glues are thermoplastic, softening again upon reheating, so they are still used in making musical instruments such as fine violins and guitars, which may have to be reopened for repairs – an application incompatible with tough, synthetic plastic adhesives, which are permanent. Animal sinews and skins, including leather, have been used to make useful articles for millennia.

Gelatin-resorcinol-formaldehyde glue (and with formaldehyde replaced by less-toxic pentanedial and ethanedial) has been used to repair experimental incisions in rabbit lungs.

=== 化粧品ウシコラーゲンは、シワや皮膚の老化のエステティック矯正のための皮膚充填剤に広く使用されている。コラーゲンの繊維は大きすぎるため皮膚に浸透しないが、コラーゲンクリームも広く販売されている。コラーゲンサプリメントに関する研究のほとんどは、肯定的な研究結果から利益を得ることができる産業によって資金提供されている。

歴史

コラーゲンの分子構造や充填構造については、何十年にもわたる研究の間、科学者たちの頭を悩ませてきた。コラーゲンが分子レベルで規則正しい構造を持っているという最初の証拠は、1930年代半ばに発表された。その後、研究はコラーゲンモノマーのコンフォメーションに集中し、個々のペプチド鎖のコンフォメーションを正しく扱いながらも、いくつかの競合するモデルが生み出された。1955年にG. N. Ramachandranによって提唱された三重らせん状の「マドラス」モデルは、コラーゲンの四次構造の正確なモデルを提供した。このモデルは、20世紀後半により高い解像度の研究によって支持された。

コラーゲンの充填構造は、六角形であることは古くから知られているが、線維性コラーゲンタイプ以外では同程度には定義されていない。コラーゲンの単量体構造と同様に、コラーゲン分子のパッキング配列は「シート状」であるか、あるいはミクロフィブリル状であるという、いくつかの相反するモデルが提唱されている。腱、角膜、軟骨のコラーゲン線維のミクロフィブリル構造は、20世紀後半から21世紀初頭にかけて電子顕微鏡で直接撮影された。ラット尾腱のミクロフィブリル構造は、観察された構造に最も近いものとしてモデル化されたが、隣接するコラーゲン分子のトポロジカルな進行を単純化しすぎたため、ミクロフィブリルと呼ばれる不連続なD-周期的5量体配列の正しいコンフォメーションは予測できなかった。

こちらも参照