คอลลาเจน กับการสังเคราะห์คอลลาเจนในร่างกาย

คอลลาเจนเป็นโปรตีนที่มีโครงสร้างเส้นใย 3 เส้นพันกัน โดยแต่ละเส้นจะหมุนเป็นเกลียววนซ้าย จากนั้นทั้ง 3 เส้นมาพันรวมกันเป็นเกลียวเหมือนขดลวดวนขวาซึ่งเรียกว่า Triple Helix

คอลลาเจนเป็นโปรตีนที่อยู่บริเวณชั้นนอกของเซลล์(Extracellular matrix) โดยเป็น 1 ใน 3 ของโปรตีนทั้งหมด และมีปริมาณเป็น 3 ใน 4 ของน้ำหนักแห้งของผิว

การที่คอลลาเจนมีโครงสร้างแบบ Triple Helix ทำให้การเรียงตัวของกรดอะมิโนบนแต่ละสายโปรตีนมีความพิเศษคือต้องมีลำดับกรดอะมิโนไกลซีน(Glycine:Gly)ซ้ำกันระหว่างกรดอะมิโนทุกๆ 2 ตัว คือ ไกลซีน-X-Y-ไกลซีน-X-Y….โดยที่ X และ Y จะเป็นกรดอะมิโนอะไรก็ได้แต่ส่วนใหญ่จะเป็นโพรลีน(Proline:Pro,28%) และไฮดรอกซีโพรลีน(Hydroxyproline:Hyp,38%)

คอลลาเจนที่พบในสัตว์มีกระดูกสันหลังมีถึง 28 ชนิด โดยอาจจะแบ่งออกเป็น 2 กลุ่มใหญ่ๆคือ คอลลาเจนที่เป็นเส้นใย(fibrillar collagen) และ คอลลาเจนที่ไม่เป็นเส้นใยแต่จะเป็นลักษณะโครงร่างตาข่าย(non fibrillar collagen) โดย 90% ของคอลลาเจนที่พบจะมีลักษณะเป็นเส้นใย

ตัวอย่างชนิดคอลลาเจนชนิดที่พบมากและเนื้อเยื้อที่พบ

คอลลาเจนที่เป็นเส้นใย

ชนิด	เนื้อเยื้อที่พบ
ชนิดที่ 1	กระดูก, หนังแท้(dermis), เอ็นกล้ามเนื้อ(tendon), เอ็นยึดข้อ(ligaments), กระจกตา
ชนิดที่ 2	กระดูกอ่อน, วุ้นในตา(vitreous body), ใส้ตรงรูกลางหมอนรองกระดูกสันหลัง(nucleus pulposus)
ชนิดที่ 3	ผิวหนัง, ผนังหลอดเลือด, เนื้อเยื้อเกี่ยวพัน
ชนิดที่ 5	ปอด, กระจกตา, กระดูก, เยื้อหุ้มผิวเอ็มบริโอ เนื้อเยื้อชนิดนี้มักอยู่กับชนิดที่ 1

คอลลาเจนที่ไม่เป็นเส้นใย

ชนิด	เนื้อเยื้อที่พบ
ชนิดที่ 4	เนื้อเยื้อฐานที่คอยรองรับเซลล์(basement membrane)
ชนิดที่ 6	กระจายไปทั่วตามหนังแท้, กระดูกอ่อน, รก, ปอด, หลอดเลือด และหมอนรองกระดูกสันหลัง

โดยคอลลาเจนชนิดที่ 1 จะเป็นคอลลาเจนที่พบมากที่สุด

การสังเคราะห์คอลลาเจน

เริ่มในนิวเคลียส

คอลลาเจนเป็นโปรตีนชนิดหนึ่งการสังเคราะห์จึงเริ่มจากการถอดรหัสพันธุกรรม(transcription)ในนิวเคลียสได้เอ็มอาร์เอ็นเอ(mRNA)ออกมา

เคลื่อนตัวสู่ไซโทพลาสซึมเข้าหาไรโบโซม

จากนั้น mRNA จะเคลื่อนที่ออกจากนิวเคลียสเข้าสู่ไซโทพลาสซึม(cytoplasm)เพื่อทำการแปลรหัส(translation)ที่ไรโบโซม(ribosome)ที่เกาะอยู่บนเอนโดพลาสมิกเรติคูลัม((rough) endoplasmic reticulum) จะได้สายเปปไตด์ออกมาซึ่งเรียกว่า พรีโพรคอลลาเจน(pre-pro-collagen) 

เจาะเข้าไปในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมชนิดขรุขระ(rough endoplasmic reticulum)เพื่อทำการสังเคราะห์โพรคอลลาเจน

สายพรีโพรคอลลาเจนจะยื่นเข้าผ่านช่อง(lumen)ไปภายในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมเพื่อส่งสัญญาณเรียกเอนไซม์ซิกนัลเป็ปติเดส(signal peptidase)มาตัดสายเปปไตด์ออกจากไรโบโซมเพื่อดำเนินการต่อ

จากนั้นจะเกิดการเติมหมู่ไฮดรอกซิล(hydroxylation)ไปในเรซิดิว(residue)ของกรดอะมิโนโพรลีน และไลซีนด้วยเอนไซม์โพรพิล-3-ไฮดรอกซีเลส(propyl-3-hydroxylase), โพรพิล-4-ไฮดรอกซีเลส(propyl-4-hydroxylase) และไลซิลไฮดรอกซีเลส(Lysyl hydroxylase) โดยต้องอาศัยตัวเร่งปฏิกิริยาได้แก่ อิออนเฟอรัส(Fe²⁺), 2-ออกโซกลูตาเรท(2-oxoglutarate), ออกซิเจน และวิตามินซี ทำให้ได้กรดอะมิโนออกมา 3 ตัวคือ 3-ไฮดรอกซีโพรลีน(3-hydroxyproline), 4-ไฮดรอกซีโพรลีน(4-hydroxyproline) และ ไฮดรอกซีไลซีน(hydroxylysine)

ต่อมาจะมีการเติมหมู่น้ำตาล(ไกลโคซิล และกาแลกโตซิล)ให้กับหมู่ไฮดรอกซิลของกรดอะมิโนไฮดรอกซีไลซีนซึ่งเราเรียกปฏิกิริยานี้ว่าไกลโคไซเลชั่น(glycosylation) จะทำให้ได้สายเส้นใยอัลฟ่า(α chain) 3 สาย ซึ่งสายแต่ละสายจะมีแรงดึงดูดพันธะระหว่างสายทำให้เกิดการบิดตัวของเส้นและเกิดโครงสร้างที่บิดเกลียว(triple helix) ซึ่งเราเรียกว่าโพรคอลลาเจน(pro-collagen)

ส่งโพรคอลลาเจนออกจากเซลล์โดยผ่านบริการขนส่งของโกลจิบอดี้(golgi body)

โพรคอลลาเจนที่ได้จากการสังเคราะห์ในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมจะถูกส่งมาให้กับโกลจิบอดี้เพื่อเปลี่ยนโครงสร้างและสามารถขนส่งออกจากเซลล์ได้

ถูกเปลี่ยนเป็นโทรโพคอลลาเจนเมื่อผ่านเยื้อหุ้มเซลล์

โพรคอลลาเจนเมื่อออกจากเซลล์แล้วจะถูกเอนไซม์ที่อยู่บริเวณเยื้อหุ้มเซลล์ที่ชื่อว่าคอลลาเจนเป็ปติเดส(collagen peptidase)เข้าตัดส่วนหางของโพรคอลลาเจน และกลายเป็นโทรโพคอลลาเจน(tropocollagen)

เริ่มกระบวนการสร้างเส้นใยคอลลาเจน

เอนไซม์ไลซิลออกซิเดส(lysyl oxidase) ที่อยู่บริเวณภายนอกเซลล์จะเข้าไปทำกับไลซีน และไฮดรอกซีไลซีนเพื่อผลิตหมู่อัลดีไฮด์ซึ่งสามารถเกิดพันธะโควาแลนต์ระหว่างโมเลกุลของโทรโพคอลลาเจน ทำให้กลายเป็นโครงสร้างโพลีเมอร์ที่เรียกว่าเส้นใยคอลลาเจน(collagen fibril)

การผลิตคอลลาเจนชนิดต่างๆนั้นเช่น ชนิดที่1(type I), ชนิดที่ 2(type II) และอื่นๆ เป็นต้นจะเกิดขึ้นที่บริเวณภายนอกเซลล์

ที่มาของข้อมูล

1. Shoulders, M. D., & Raines, R. T. (2009). Collagen structure and stability.Annual review of biochemistry, 78, 929.
2. Gelse, K., Pöschl, E., & Aigner, T. (2003). Collagens—structure, function, and biosynthesis. Advanced drug delivery reviews, 55(12), 1531-1546.
3. Wikipedia. (2013). Collagen (Online). Available : http://en.wikipedia.org/wiki/Collagen [November 4, 2013]