콜라겐

콜라겐은 동물의 신체에 다양한 결합조직 (Connective tissues)의 세포밖 공간을 채우는 주요 조직 형성 단백질이다. 포유동물에서는 전체 단백질의 25 %에서 35 %를 차지하는 가장 풍부한 단백질이기도 하다. 무기화작용 (Mineralization)의 정도에 따라, 뼈에서처럼 단단하거나, 힘줄에서처럼 유연하거나, 연골에서 보이듯 단단한 부분부터 유연한 부분까지 구배되기도 한다. 콜라겐은 매우 긴 피브릴 (Fibril)의 형태로서, 힘줄이나, 인대, 피부와 같은 섬유조직 (Fibrous tissues)에서 흔히 찾아볼 수 있고, 각막, 연골, 뼈, 혈관, 소화관, 척추사이원반 (Intervertevral discs), 치아의 상아질에서도 발견된다. 근육조직에서는 근내막 (endomysium)의 주요 요소이다. 콜라겐은 근육조직의 1~2 %를 차지하고 강하고 힘줄이 많은 근육에서는 6 % 정도를 차지한다. 체내에서 가장 흔한 세포인 섬유아세포 (fibroblasts)가 콜라겐을 생성 분비한다. 요리, 혹은 식품과 의약산업에서 널리 이용되는 젤라틴은 콜라겐을 비가역적으로 가수분해 한 것이다 (시중에서 판매하는 젤라틴의 상당수는 돼지가죽, 뼈, 힘줄등을 물리/화학적으로 처리하여 만든다. 아이스크림, 젤리, 푸딩 등을 만드는 재료이고 의약 캡슐의 원료로도 사용된다. 그래서, 어떤 의약제나 건강보조식품 등의 설명서를 읽어보면 '동물유래'라고 표시 되어 있는 경우, 젤라틴 원료 의약 캡슐을 사용했기 때문일 수 있다.)

그림 1. 프로토콜라겐 분자. 세 개의 좌향 프로토콜라젠 (빨강, 파랑, 초록)이 서로 모여 우향 3중 나선 구조를 이루고 있다. CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=379964

목차

대략 34 개의 콜라겐 형성 유전자가 존재하는데 특정 알파 펩타이드 (대게는 a 1,2,3) 형성에 관련된 유전자들이 mRNA를 전사 생성 발현으로부터 생합성이 시작된다.

생성된 mRNA들은 세포질로 이동하여 리보좀과 결합, 펩타이드를 만드는 번역과정으로 들어간다. 막 생성된 단백질의 N-말단에는 신호펩타이드가 존재하여 mRNA와 리보좀이 결합된 번역기관을 소포체 (Endoplasmic reticulum)로 이동하게 하고 합성되는 프리-프로-펩타이드는 소포체 안으로 들어가게되고 번역후변형을 거쳐 프리-프로-콜라겐이 된다.  

프리-프로-펩타이드에 3가지 번역후변형이 일어나 알파 펩타이드를 형성하게 한다.

(1) 신호펩타이드가 잘려나가면 프로펩타이드가 된다.

(2) 라이실 수산화 효소 (lysyl hydroxylase)와 프롤릴 수산화 효소 (prolyl hydroxylase)에 의하여 라이신 (lysine)과 프롤린(prolines)이 수산화 (hydroxylation)되면 알파 펩타이드의 교차연결 (cross-linking)이 일어나게 된다. 이 들 효소 반응은 비타민 C를 보조인자로 사용한다. 비타민 C 부족으로 괴혈병에 걸리면 프롤린과 라이신의 수산화가 잘 일어나지 않아 3개의 알파 펩타이드로 형성되는 3중나선이 느슨하게 조립되어 콜라젠 구조가 부실하게 된다 (그림 1). 그 결과 모세혈관이 약해져 피멍이 잘 들고, 특히 잇몸이 피가 나며 물러져 치아를 유실하는 결과를 낳게된다.

(3) 포도당이나 갈락토스 1개가 생성된 수산화라이신 (hydroxylysine)의 수산기에 공유결합하는 당화 (Glycosylation)가 일어난다. 수산화프롤린(hydroxyproline)에는 일어나지 않는다.

번역후 변형이 완료된 후, 3개의 수산화/당화된 프로펩타이드가 꼬여 3중나선의 프로콜라겐이 되는데, 프로콜라겐의 말단은 풀려있어서 나중에 자려나가면서 다듬어진다. 말단이 풀린 프로콜라겐은 이동막낭 안으로 포장되어 골지체로 옮겨가게 된다.

골지체에 도착한 프로콜라젠은 올리고당화 과정을 거치게 되고 이제 세포밖으로 나가는 분비막낭 안으로 포장된다.

세포밖으로 분비된 프로콜라겐은 세포막에 연결된 콜라겐분해효소 (collagen peptidases)의 작용을 받아 느슨한 말단이 제거된 후 트로포콜라겐이 된다. 이 단계를 담당하는 유전자의 기능이 결여되면 피부가 지나치게 늘어나고, 취약하며, 잦은 출혈과 함께 관절 및 내장 기관의 선천성 이상을 수반하는 엘러스-단로스 증후근 (Ehlers-Danlos syndrome)을 보이게 된다. 

그림 2. 콜라겐 피브릴 형성을 위한 트로포콜라젠의 공유결합반응. By Tropokollagen_Quervernetzung_Lysyl_Oxidase_(DE).svg: Sponk (talk)translated by Sponk (talk) - Tropokollagen_Quervernetzung_Lysyl_Oxidase_(DE).svg, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=11183362

세포외 구리이온의존성 효소인 라이실 산화 효소가 라이신과 수산화라이신에 작용하여 알데히드기 (carbonyl group)를 생성 알라이신 (allysine), 트로포콜라겐 사이에 공유결합이 일어나도록 한다 (그림 2). 이러한 트로포콜라겐의 고분자형태를 콜라젠 피브릴이라고 한다 (그림 3).

그림 3. 콜라겐 섬유 형성. 세 개의 펩타이드가 트로포콜라겐을 형성하고 이들이 서로 결합하여 피브릴을 형성한다. 피브릴이 많이 모여 콜라겐 섬유 (fiber)가 된다. https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=38255260

-글라이신 (Glycine)은 매 세 번째 아미노산마다 나타난다.

-프롤린은 콜라젠의 17 %를 차지한다.

-스트레스성 호르몬인 콜티졸은 피부의 콜라겐을 분해하여 아미노산으로 만든다. (스트레스가 피부미용의 적인 이유이다.)

-루프스 (lupus erythematosus) 혹은 류마치즘 (rheumatoid arthritis)과 같은 자가면역질환에서는 건강한 콜라겐 섬유가 면역반응에 의하여 공격받을 수 있다.

-많은 세균과 바이러스들은 콜라겐 분해효소(collagenase)를 병독성인자 (virulence factor)로 분비하여 콜라겐을 망가뜨리거나 생합성을 저해 할 수 있다.

-콜라겐 피브릴의 밝은 부분과 어두운 부분을 합친 단위의 길이느 약 640 Å이다. (그림 3)

번역후변형 (post-translational modification), 비타민 C, 섬유아세포 (fibroblasts), 결합조직 (Connective tissues), 무기화작용 (Mineralization), 근내막 (endomysium), 콜라겐 분해효소(collagenase), 병독성인자 (virulence factor), 수산화라이신 (hydroxylysine), 당화 (Glycosylation), 수산화프롤린(hydroxyproline)

생명과학 (Brooker 저, 3판, 홍릉과학출판사), 분자생물학 (Weaver 저, 5판, 라이프사이언스)