Fibres de collagène de type I provenant d'un tissu pulmonaire de mammifère, observées au microscope électronique.

Le collagène est une famille de protéines, le plus souvent présente sous forme fibrillaire. Elle est présente dans la matrice extracellulaire des organismes animaux. Ces protéines ont pour fonction de conférer aux tissus une résistance mécanique à l'étirement.

Il s'agit de la protéine la plus abondante dans un organisme humain (également la protéine la plus abondante du règne animal), représentant le quart de la masse protéique . Il est sécrété par les cellules des tissus conjonctifs et a une masse moléculaire de 300 kDa.

Contrairement à l’élastine présente aussi dans les tissus conjonctifs, le collagène est inextensible et résiste bien à la traction. Il existe différents types de collagène selon l'organe considéré. Il est notamment indispensable aux processus de cicatrisation.

D'un point de vue industriel et économique, il faut noter que le collagène constitue la matière première permettant la production de gélatine.

Une protéine structurale

La triple hélice de tropocollagène

Les biochimistes connaissent aujourd’hui plus de 100 000 protéines. Ces molécules interviennent dans de nombreux processus. Certaines sont au cœur de l’immunologie. D’autres ont une activité enzymatique indispensable au bon fonctionnement de la machinerie cellulaire. D’autres encore forment les récepteurs membranaires par lesquels les cellules interagissent avec le milieu environnant. Quelques-unes, enfin, participent à la structuration des organismes. C’est le cas du collagène, une protéine essentielle des tissus conjonctifs des animaux.

Une molécule très abondante

Les protéines se séparent en deux catégories. Les protéines fonctionnelles interviennent dans des processus biochimiques (enzymologie, immunologie, récepteurs membranaires, etc.). Les protéines structurales façonnent les organismes en contribuant à leur structure. Parmi celles-ci, le collagène est particulièrement représentatif. Cette protéine fibreuse est de loin la plus abondante chez tous les Mammifères : elle représente un quart de leurs protéines, soit environ 5 % de leur masse.

Différents types de collagène

Le collagène est une protéine composée de trois chaînes alpha polypeptidiques associées. Ces chaînes sont reliées par des liaisons hydrogène entre l'hydroxylysine et l'hydroxyproline et des liaisons covalentes. Une chaîne alpha est constituée de 1055 acides aminés. Pouvant se combiner de différentes manières, on devrait en toute rigueur parler des collagènes, et non du collagène. Chaque type de collagène possède une structure propre et se retrouve dans des organes particuliers. Par exemple, le collagène de type I intervient dans la formation de la peau, des tendons, des os et de la cornée, tandis que le type III se retrouve au niveau du système cardiovasculaire.

Type Description Gène (s) Troubles I 90 % du collagène d’un vertébré. Il constitue la trame de l’os (à comparer aux armatures du béton armé), et plus généralement des tissus conjonctifs banals. Il se trouve dans les os, la peau, les tendons, la cornée et les organes internes. COL1A1, COL1A2 Ostéogenèse imparfaite, syndrome d'Ehlers-Danlos II Forme de fines fibrilles dans la substance fondamentale du cartilage hyalin (avec les collagènes IX, X et XI) dans le nucléus pulposus du disque intervertébral et dans le corps vitré de l’œil. COL2A1 - III Il est constitutif des fibres de réticuline trouvées en proportion importante dans les tissus hématopoïétiques. À l’état de collagène, il se trouve en particulier dans le muscle squelettique et dans la paroi des vaisseaux sanguins. Les fibres sont argyrophiles et PAS positives COL3A1 Syndrome d'Ehlers-Danlos, maladie de Dupuytren IV Spécifique des lames basales, il constitue un réseau. Il n'est pas strié en microscopie électronique COL4A1, COL4A2, COL4A3, COL4A4, COL4A5, COL4A6 néphropathies par anomalie du collagène IV, syndrome de Goodpasture V Localisé dans les tissus conjonctifs, il s’associe au type I COL5A1, COL5A2, COL5A3 Syndrome d'Ehlers-Danlos VI Localisé dans les tissus conjonctifs, il s’associe au type I COL6A1, COL6A2, COL6A3 Myopathie de Bethlem, dermatite atopique VII Constituant de la lame basale. Il forme des fibrilles permettant l’accrochage de la lame basale au tissu conjonctif sous-jacent. COL7A1 Epidermolyse bulleuse dystrophique VIII Localisé dans les cellules endothéliales. COL8A1, COL8A2 Dystrophie cornéenne postérieure polymorphe IX Localisé dans le cartilage, s’associe au collagène de type II COL9A1, COL9A2, COL9A3 Dysplasies polyépiphysaires X Localisé dans le cartilage hypertrophié et minéralisé. COL10A1 - XI Localisé dans le cartilage. COL11A1, COL11A2 - XII Interagit avec les types I et III. COL12A1 - XIII - COL13A1 - XIV - COL14A1 - XV Disséminés; près de la lame basale des muscles. COL15A1 - XVI - COL16A1 - XVII Également appelé BPAG2, c’est une protéine transmembranaire qui se fixe à la lame basale d’hémidesmosomes, au niveau de l’épiderme notamment. Les fibres de collagène de type XVII sont disposées parallèlement aux intégrines α6β4. Ces deux protéines permettent donc de renforcer l’ancrage de la lame basale. COL17A1 Pemphigoïde bulleuse XVIII - Collagène de « jonction d'ancrage ». C'est l'un des collagènes retrouvés au niveau de la couche fibrillaire des membranes basales. Précurseur de l Endostatin, en lorsqu'on clive la partie C-Terminal COL18A1 - XIX - COL19A1 - XX - COL20A1 - XXI - COL21A1 - XXII - COL22A1 - XXIII - COL23A1 - XXIV - COL24A1 - XXV - COL25A1 - XXVII - COL27A1 - XXVIII Ressemble étroitement au type VI. COL28A1 -

Une colle naturelle

Lorsque le collagène est partiellement hydrolysé, les trois brins de tropocollagène se dissocient. Ils forment ainsi la gélatine, un produit largement utilisé dans l’agroalimentaire. La gélatine a aussi été utilisée dans l’industrie pharmaceutique, en cosmétique et en photographie. Le collagène et la gélatine sont considérés comme des protéines de piètre qualité nutritionnelle car ils ne possèdent pas tous les acides aminés en proportions adéquates.

Le terme collagène signifie « producteur de colle » (le nom vient du mot grec kolla signifiant « colle »). Les propriétés du collagène ont été utilisées par les Égyptiens 2 000 ans av. J.-C.. Les Amérindiens l’utilisaient au V siècle. La plus ancienne colle connue est faite à partir de collagène, et date de 6 000 ans av. J.-C. Au début du XXI siècle, il est utilisé dans les produits de beautés ou comme additif dans certains aliments.

Le tropocollagène

Le tropocollagène est l'unité fondamentale du collagène, et correspond à une molécule asymétrique de 280nm de long et de 1,5 nm de diamètre. Il s'agit d'une glycoprotéine formée par l'enroulement de 3 hélices gauches α, porteuses de glucide (glucose, galactose), superenroulées en hélice droite. Les acides aminés sont constitués pour un tiers de glycine, pour un quart de proline, d'hydroxylysine et de 4-hydroxyproline. Il existe plusieurs types moléculaires de chaînes α. Ces chaînes sont constituées par des séquences répétitives de trois acides aminés, dont le premier, la glycine est répétée tout au long de la molécule. Les glucides sont fixés sur l'hydroxylysine. L'enroulement des 3 chaînes α aboutit à la constitution de la molécule de tropocollagène, dont la cohésion est assurée par des liaisons hydrogène entre la glycine et l'hydroxyproline.

Des acides aminés particuliers

Un acide aminé fréquent dans le collagène, la 4-hydroxyproline

Un acide aminé fréquent dans le collagène, la 5-hydroxylysine

L’analyse de la composition d’une molécule de tropocollagène révèle de nombreuses singularités. Les biochimistes ont montré que le tiers des résidus sont des résidus de glycine, ce qui est caractéristique des protéines de structure. Autre fait singulier, plus de 10 % des résidus sont des prolines. Enfin, on observe la présence de deux acides aminés peu courants, la 4-hydroxyproline (Hyp) et la 5-hydroxylysine (Hyl).

Une séquence particulière

Les biochimistes ont également constaté que l’ordre d’enchaînement des acides aminés qui composent le tropocollagène présente aussi des anomalies. En d’autres termes, la séquence d’acides aminés ne correspond pas à ce que l’on rencontre habituellement. On observe en effet que les glycines se retrouvent régulièrement tous les trois résidus. La structure de la séquence des acides aminés du collagène est donc (Gly – Xn – Yn)n. De plus, la séquence comporte assez souvent des triplets Gly – Pro – Hyp. Toutes ces propriétés sont singulières dans la mesure où elles ne se retrouvent pas chez la plupart des protéines.

Hydroxylation et glycosylation

Hydroxylation

Les deux acides aminés hydroxylés que sont l’hydroxyproline (Hyp) et l’hydroxylysine (Hyl) soulèvent tout naturellement une question : l’hydroxylation intervient-elle avant ou après la synthèse peptidique ? Pour y répondre, les biochimistes ont recherché un aminoacyl-ARNt codant l’un ou l’autre de ces acides aminés. N’en ayant pas trouvé, ils ont conclu que l’hydroxylation de certains résidus de proline et de lysine est un processus post-traductionnel. En fait, deux enzymes catalysent cette réaction. Ce sont respectivement la prolylhydroxylase et la lysylhydroxylase. Toutes deux ne peuvent agir qu’en présence d’ascorbate (ou vitamine C), celui-ci empêchant le fer ferreux (Fe) contenu dans leur centre actif d’être inactivé sous forme de fer ferrique (Fe). Une carence sévère en ascorbate est à l’origine du scorbut, une maladie due à un défaut de fabrication du collagène, lequel se traduit par une fragilisation des tissus. Les marins, lors des grands voyages, étaient souvent victimes du scorbut, faute de pouvoir consommer des fruits et des légumes.

Les résidus de proline susceptibles d’être hydroxylés sont nécessairement situés à gauche d’un résidu de glycine. Les autres résidus ne peuvent être hydroxylés. Il en va de même pour les résidus de lysine.

(extrémité aminoterminale) NH – … – Pro – Gly – … – COO (extrémité carboxyterminale)

(extrémité aminoterminale) NH – … – Lys – Gly – … – COO (extrémité carboxyterminale)

Très rarement, certains résidus de proline sont hydroxylés au niveau du carbone 3 et non du carbone 4. L’enzyme responsable de cette hydroxylation n’est pas la prolylhydroxylase, et l’hydroxylation ne respecte pas les règles que nous venons de définir.

Glycosylation

Ajout de sucres sur certains résidus

En étudiant la structure du tropocollagène, les biochimistes ont également montré que certains résidus d’hydroxylysine possédaient des résidus sucrés (2-glucosyl-galactose). Le fait que le collagène soit lié de façon covalente à de courts glucides en fait une glycoprotéine (par opposition aux protéoglycanes, glucides liés à de petits peptides).La formation d’une liaison covalente entre le galactose et le groupement hydroxyle d’un résidu hydroxylysine est catalysée par la galactosyl transférase ; celle du glucose fait appel à la glucosyl transférase.

Structure secondaire

Un cylindre hélicoïdal

La conformation spatiale du tropocollagène est celle d’un cylindre hélicoïdal à trois bandes de 300 nm de long et de 1,5 nm de diamètre. Cette protéine ne présente donc pas la forme globulaire classique des protéines fonctionnelles. C’est une tige longue et fine. Chaque bande du cylindre est une chaîne polypeptidique elle-même repliée en hélice ; l’ensemble des trois chaînes forme une tresse particulièrement résistante. En effet, il faut une charge de 10 kg pour casser une fibre de collagène d’un diamètre d’un millimètre.

Structure en hélice gauche

Proline

Nous avons dit que chaque chaîne polypeptidique est repliée en hélice. Cette structure secondaire est sans rapport avec l’hélice alpha. Il s’agit d’un autre type de structure secondaire. Il s’agit ici d’une hélice gauche dont l’enroulement résulte de la répulsion des cycles pyrrolidines des nombreux résidus de proline. Les cycles pyrrolidines se repoussent mutuellement en raison de leur fort encombrement stérique. L’hélice obtenue est moins compacte que l’hélice alpha (0,15 nm par résidu) puisque l’on a pu mesurer une distance de 0,29 nm par résidu. Enfin, contrairement aux hélices alpha, on n’observe pas de ponts hydrogène intracaténaires. On trouve néanmoins des ponts hydrogène intercaténaires. Les ponts hydrogène mettent en jeu les résidus de glycine (donneurs de protons) et les groupements carboxyle (accepteurs de protons). Lorsque les chaînes se croisent, il est nécessaire de réduire l’encombrement stérique. Ceci est rendu possible par la présence de résidus de glycine, l’acide aminé le moins encombré. Les autres chaînes latérales sont rejetées à l’extérieur de la structure en triple hélice.

Des interactions coopératives

Pourcentage de triple hélice en fonction de la température.

Lorsque l’on chauffe une solution de tropocollagène, on observe un effondrement brusque de la structure en hélice à une température donnée, notée Tm (température de fusion ou melting temperature dans la terminologie anglo-saxonne). Cette expérience montre que les ponts hydrogène assurent le maintien de la structure en triple hélice. Ces interactions faibles (c’est-à-dire non covalentes) sont suffisamment nombreuses pour modifier sensiblement le comportement de la molécule. On ne doit pas s’en étonner : la fibroïne, protéine structurale de la soie fabriquée par les araignées, doit son élasticité et sa résistance à l’existence de très nombreux ponts hydrogène qui constituent des interactions coopératives. De la même façon, les propriétés singulières de l’eau, en particulier son point d’ébullition « anormalement » élevé, sont la conséquence directe de l’existence de nombreux ponts hydrogène. La mesure de la température de fusion Tm est rendue possible par le fait qu’elle marque un changement de viscosité de la solution et une modification de la dispersion optique rotatoire (DOR).

Importance des hydroxylations

Les hydroxylations observées sur le collagène offrent un gain de stabilité. Leur nombre varie donc en fonction du type de tissu et de la température corporelle. Certains tissus présentent un plus fort taux d’hydroxylation que d’autres. C’est notamment le cas du placenta et de la peau.

Biosynthèse des collagènes

Différentes étapes de synthèse du collagène

Différentes étapes de synthèse du collagène

Le procollagène

Le collagène n’a pas sa place dans les cellules elles-mêmes ; c’est pourquoi sa synthèse s’effectue à partir d’un précurseur présent dans les cellules, le procollagène. Celui-ci est constitué de brins beaucoup plus longs, rallongés par des structures polypeptidiques supplémentaires, de 15 kDa du côté aminoterminal et de 30 kDa du côté carboxyterminal. Ces structures sont banales et portent le nom de propeptides. À l’extrémité carboxy-terminale existent des ponts disulfure intercaténaires à rôle stabilisateur. Les ponts sont intracaténaires à l’extrémité aminoterminale.

Le tropocollagène

Le tropocollagène est un assemblage de 3 protéines de collagène alpha (alpha1 - alpha1 - alpha2 ) en une hélice droite. Les fibres de tropocollagène s'assemblent en une structure appelée fibrille de collagène. L'assemblage de plusieurs fibrilles de collagène forme la fibre de collagène. Les fibrilles présentent une alternance de phase sombre et claire due a l'espacement et au décalage des fibres de procollagène.

Dans le réticulum endoplasmique

Les trois chaînes de procollagène sont synthétisées transférées dans le lumen du réticulum endoplasmique (on parle de translocation). La région contenant la triple hélice est flanquée d’un peptide signal et de deux propeptides aminoterminal et carboxyterminal. Ceux-ci aident à la maturation de la protéine.

Modifications post-traductionnelles

Une fois dans le réticulum endoplasmique, le peptide signal est clivé. Ensuite intervient l’hydroxylation de plusieurs prolines et lysines. Le propeptide carboxyterminal est modifié par N-glycosylation, tandis que certaines hydroxylysines sont O-glycosylées. Les différentes modifications post-traductionnelles et la formation de ponts disulfure entre les propeptides carboxyterminaux de trois chaînes permettent ensuite leur alignement. La triple hélice s’enroule alors comme une fermeture éclair, en direction de l’extrémité aminoterminale.

Dans l’appareil de Golgi

Enfin, dans l’appareil de Golgi, la triple hélice est flanquée de régions non hélicales. Le procollagène est alors libéré dans le milieu extracellulaire par exocytose. Une enzyme, la procollagène peptidase, clive alors les deux propeptides, permettant la formation de tropocollagène mature. En tout dernier lieu, les faisceaux de tropocollagène s’assemblent à proximité de la surface cellulaire, s’interconnectent et forment des fibres de collagène matures.

Formation des fibres de collagène

Pour former des fibres de collagène matures, les faisceaux de tropocollagène doivent s’assembler. Divers processus biochimiques y conduisent. Par exemple, une enzyme, la lysyl oxydase, permet la substitution d’un groupement carbonyle au groupement amine d’un résidu lysine, ce qui est à l’origine de pontages spontanés en plusieurs faisceaux de tropocollagène. On procède ainsi à une réticulation des molécules par condensation aldolique.

Liaison de trois régions polypeptidiques avec formation d’un hydroxypyridinium

Un autre mécanisme consiste à relier trois régions polypeptidiques par une liaison croisée hydroxypyridinium (ou hydroxypyridinoline). Il se forme alors une structure en échelle qui présente une périodicité de 680 Å, visible en microscopie électronique. Les zones inoccupées entre les différentes molécules de tropocollagène sont remplies à l’aide d’un hydroxyphosphate de calcium, l’hydroxyapatite, de formule Ca10 (PO4)6 (OH)2. La succession régulière de tropocollagène et d’hydroxyapatite est à l’origine de la striation visible en microscopie électronique.

Dégradation du collagène

Les collagénases

La dégradation du collagène est difficile et nécessite des enzymes particulières, les collagénases (de la famille des métalloprotéinases matricielles). Par exemple, les collagénases d’origine bactérienne (par exemple Clostridium histoliticum, dont le nom d’espèce signifie "destructeur de tissus") sont capables de cliver chaque chaîne de collagène en plus de deux cents points (parmi lesquels X – Gly – Pro – Y). D’autres organismes tels que les amphibiens possèdent des collagénases très spécifiques, capables d’effectuer une seule coupure à un site défini.

Maladies liées au collagène

Outre le scorbut dû à une carence en vitamine C, et dont nous avons déjà parlé, de nombreuses maladies sont liées à des défauts de synthèse du collagène, parmi lesquelles la maladie des os de verre.

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Dans le Syndrome d'Ehlers-Danlos, le collagène est déficient.

Le collagène dans la Cosmétique

Le Collagène de Type | Natif et soluble est maintenant aussi utilisé dans la cosmétique dans le monde entier

Le collagène dans les Beaux-Arts

La sculpture Unraveling Collagen (2005) de Julian Voss-Andreae. Acier inoxydable, 3,40 m de hauteur.

Grâce aux coordonnées atomiques enregistrées dans la banque de données sur les protéines (PDB), l’artiste germano-américain Julian Voss-Andreae a réalisé des sculptures basées sur la structure du collagène et d’autres protéines. Dans l’œuvre Unraveling Collagen, les formes triangulaires révèlent les lignes de force dominantes évoquant les constructions contemporaines en acier.

Sources et liens externes

Présentation du collagène

Plusieurs types de collagène (en anglais)

Tissus conjonctifs

Une autre présentation avec une illustration de qualité

Association des malades du syndrome d'Ehlers-Danlos, Maladie rare des tissus conjonctifs et du collagène http://www.sed66.com

原胶原的三螺旋结构示意图。

胶原蛋白（Collagen）占哺乳类动物总蛋白质约20%，是人体的一种非常重要的蛋白质，主要存在于结缔组织中。它有很强的伸张能力，是韧带的主要成份，胶原蛋白也是细胞外基质的主要组成成分。它使皮肤保持弹性，而胶原蛋白的老化，则使皮肤出现皱纹。胶原蛋白亦是眼睛角膜的主要成份，但以结晶形式组成。不可被人体直接吸收，口服会被分解为氨基酸。

胶原蛋白构造

构成胶原的氨基酸串行非常有特色。首先，它富含甘氨酸和脯氨酸残基，前者的含量达到总氨基酸残基的1/3后者则接近1/4；其次，串行中含有胺基酸的衍生物羟赖氨酸和羟脯氨酸，这两种氨基酸是在蛋白质一级结构串行形成之后由特定的酶作用于串行中的赖氨酸和脯氨酸形成的；最后，它的串行中只含有很少的酪氨酸残基，并且不含有色氨酸和半胱氨酸残基。胶原蛋白一级结构的另一个特点是它的氨基酸的排列。这些氨基酸一般以-甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸-三联交替出现的顺序排列。只有很少的蛋白质有这样规则的氨基酸排列。 在空间结构上，胶原蛋白显示出特殊的三股螺旋缠绕的结构，三条相互独立的胶原蛋白肽链依靠甘氨酸之间形成的氢键维系三股螺旋相互缠绕的结构。胶原蛋白肽链的三股螺旋结构不同于普通的α螺旋结构，它的螺距更大，但每一圈螺旋所包含的氨基酸残基数却很小，仅为3.3个，因此胶原蛋白的三股螺旋显得细而长，螺旋中间的空间很小，仅能容纳一个氢原子，只有甘氨酸能够胜任这个位置。另外脯氨酸所特有的肽平面夹角也是形成这种特殊螺旋结构的必须因素。这也是胶原蛋白肽链中-甘氨酸-脯氨酸-羟脯氨酸-三联串行交替出现的原因。胶原蛋白这种特殊的三股螺旋结构保证了它的机械强度。这种三股螺旋被称为原胶原。 若干个原胶原横向堆积，串行中所含有的羟赖氨酸和羟脯氨酸侧链在酶作用下氧化生成醛，相互之间发生羟醛缩合反应形成原胶原之间的共价链接，这种结构被称为胶原微纤维。许多胶原微纤维横向堆积，以相同的方式通过共价键链接，形成胶原纤维。胶原纤维是胶原蛋白行使生理作用的基本形态，在生物体内胶原纤维交织成富有机械强度和弹性的网状结构成为结缔组织最基本的组成成分。

医疗用途

心脏应用

整容手术

整形外科使用

伤口护理管理使用

口服及外服争议

对口服的胶原蛋白产品，在消化过程中胶原蛋白也和其它蛋白质一样。由于人体很难直接吸收蛋白质或多肽，口服蛋白质、多肽后，几乎都会在消化道消化成氨基酸后才被人体吸收。而对于少部分可能直接被人体吸收的多肽，目前在相关领域的核心学术刊物上，也没有证据显示“胶原蛋白分解后产生的多肽”能对人体胶原蛋白的合成产生显着异于其它蛋白质的效果。而外用的“胶原蛋白”护肤霜在理论上同样难以吸收，也没有正式科学研究报告证实它的效果。 伦敦大学药学院生物物理化学前教授哈德葛夫特认为：“如果它（胶原蛋白保养品）真可穿透皮肤，进入到血液里面，那它就得归类为药物。”而英国巴斯大学药学教授盖伊态度更坚决：“许多这类（胶原蛋白）产品称，胶原蛋白可穿过皮肤的上层组织，进入真皮层，并强化原本自然形成的胶原蛋白，这较有争议。” 实际上，不管是口服还是外用，目前都没有证据显示额外补充胶原蛋白对延缓衰老和除皱有什幺特殊功效。而雅芳还曾因宣称其产品能“在48小时内可以重建肌肤的胶原蛋白”这种不实广告而遭到美国食品药品监督管理局（FDA）的警告。