Białko młodości

Kolagen to jeden z najpopularniejszych składników stosowanych w branży beauty. Dlaczego jest tak istotny dla skóry, jak można zapobiegać uszkodzeniu włókien i co wpływa na ich regenerację, a tym samym pomaga zatrzymać młodość na dłużej? 

Kolagen, białko odpowiedzialne za utrzymanie integralności struktury tkanek, jest niezbędne do szeregu procesów biochemicznych zachodzących w organizmie. U młodej i zdrowej osoby procesy wytwarzania i regeneracji białka przebiegają na wysokim poziomie, co umożliwia wymianę uszkodzonej tkanki. Zdolność organizmu do jego produkcji obniża się wraz z wiekiem, na co wpływ mają szkodliwe czynniki zewnętrzne, takie jak stres, toksyny, promieniowanie słoneczne czy zanieczyszczenie powietrza. Istotna jest więc odpowiednia i zrównoważona ochrona przed szkodliwymi czynnikami, a także zbilansowana dieta, bogata w aminokwasy i białka pochodzenia zwierzęcego i roślinnego.

Morfologia

Proces powstawania włókien kolagenowych rozpoczyna się w fibroblastach, w skórze właściwej i tkance łącznej, gdzie kolagen syntezowany jest w formie prekursora (prokolagenu), który przy działaniu odpowiednich proteinaz i w wyniku usunięcia wiązań C- i N-końcowych propeptydów przekształca się we właściwą postać białka. Umożliwia to utworzenie struktur zdolnych do agregacji w większe skupiska, czyli we włókna kolagenowe. 

Końcowe etapy formowania się tego białka odbywają się już w przestrzeni pozakomórkowej, gdzie włókna kolagenowe i elastynowe tworzą galaretowatą substancję podstawową macierzy pozakomórkowej. Co ciekawe, wyróżniamy aż 29 typów kolagenu. Spośród kilku genetycznie różnych, występujących w ludzkich tkankach, w skórze właściwej przeważają włókna typu I.

Tajemnice strukturalne

Kolagen to specyficzne zewnątrzkomórkowe białko proste, tworzące włókna kolagenowe, zwane inaczej klejodajnymi. Stanowi około 25–30 % wszystkich białek organizmu człowieka oraz 70 % suchej masy skóry. W składzie zawiera prawie 3000 reszt aminokwasowych – szczególnie dużo glicyny (G-30 %), proliny (X-10 %) i hydroksyproliny (Y-10 %), czyli aminokwasu, który bardzo rzadko występuje w innych białkach. 
Każda makrocząsteczka kolagenu składa się z trzech spiralnie i lewoskrętnie zwiniętych dookoła siebie łańcuchów polipeptydowych, tworzących razem strukturę α-helisy. Sekwencja tego białka jest bardzo regularna, zbudowana z charakterystycznej, powtarzającej się trójki aminokwasów: G-X-Y. Nietypowa sekwencja G-X-Y sprawia, że ten specyficzny, naturalny biopolimer tworzy cząsteczkę o cylindrycznym, wydłużonym. kształcie (długości ok. 300 nm i średnicy ok. 1,5 nm). Zapewnia mu to odporność na działanie substancji chemicznych i enzymów, szczególnie proteolitycznych, oraz niezwykłe parametry mechaniczne. Włókna kolagenowe są bardzo stabilne, a ich regeneracja jest stosunkowo wolnym procesem. Najdłużej trwa w ścięgnach, nieco szybciej zachodzi w tkance łącznej. Skórze zapewnia odporność, zwartą konsystencję i wytrzymałość.

Lista zadań

Kolagen odpowiedzialny jest za utrzymanie integralności, wytrzymałości i struktury macierzy zewnątrzkomórkowej (ang. extracellular matrix – ECM). Tworzy nierozpuszczalne włókna, które mają dużą wytrzymałość na rozciąganie. To on zapewnia skórze jędrność i sprężystość. Stanowi barierę ochronną, uniemożliwiającą wnikanie i rozprzestrzenianie się substancji szkodliwych, a także wirusów czy bakterii.

Włókna kolagenu i elastyny nie mogą przenikać przez barierę naskórka – gdyby miały taką możliwość wystąpiłoby ryzyko procesu wydzielania tych substancji przez barierę naskórkową. Wielkość cząsteczki na to nie pozwala, choć jako struktura białkowa o dużej hydrofilowości może ona wiązać się z naskórkiem. Taki polimer wygładza strukturę naskórka, ale nie może stać się częścią kolagenu natywnego. 

Czynniki uszkadzające

Degradacja kolagenu (głównie typu I) oraz fragmentacja głównych elementów tkanki łącznej w skórze właściwej związana jest ze zwiększeniem ilości enzymów – melanoproteinaz. Ich nasilona aktywność, widoczna w procesie starzenia się skóry, może mieć różną etiologię. Jednym z głównych czynników zewnętrznych jest nadmierna ekspozycja na działanie promieniowania UV. Warto wspomnieć tu o procesie glikacji, czyli przyłączania się cząstek glukozy do wolnych grup aminowych białek (w tym kolagenu), co skutkuje sztywnieniem i kruchością włókien, powodując ich trwałe uszkodzenie. Efekty tego procesu widać wyraźnie na skórze po 30. roku życia. Do pewnego wieku produkcja nowych włókien kolagenowych pozwala wyrównywać skutki uszkodzeń, ale z czasem ilość zniszczeń (egzo- i endogennych) wzrasta, co objawia się zwiotczeniem i zmniejszeniem grubości skóry.

Regeneracja włókien

Odnowę kolagenu można podzielić na etap trawienia i produkcji. 

• Liza (rozpuszczenie) jest wywoływana przez kolagenazy (metaloproteinazy ECM), wydzielane przez fibroblasty i  histiocyty. 
• Na miejsce strawionego kolagenu pojawia się tropokolagen wydzielany przez fibroblasty. 
• Regulacja powyższych procesów odbywa się na poziomie ekspresji genów, modyfikacji postranslacyjnej (hydroksylacja, glikozylacja) oraz sygnałów wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych (cytokiny, interleukiny, interferony).
• Osłabienie procesu hydroksylacji kolagenu skutkuje pojawieniem się nieprawidłowych włókien, co jest wywołane m.in. brakiem witaminy C i co prowadzi do zmniejszenia wytrzymałości tkanki. 

Do istotnych czynników regulujących syntezę i strukturę kolagenu należą między innymi:

• kwas askorbinowy – utrzymuje stabilność helikalnej struktury białka i zwiększa jego produkcję,
• kwas retinowy – zwiększa jego produkcję poprzez redukcję aktywności MMPs (degradujących kolagen),
• glukoza (w wysokim stężeniu) – zwiększa ekspresję mRNA dla kolagenu III, nie mając natomiast wpływu na mRNA dla kolagenu I,
• wapń – pobudza syntezę kolagenu I,
• estrogeny – zwiększają stężenie kolagenu, mukopolisacharydów i kwasu hialuronowego w ranie, pobudzają adhezję komórek oraz stymulują proliferację keratynocytów i fibroblastów,
• bazylia (Ocimum sanctum) – stabilizuje włókna kolagenowe, pobudza proliferację komórek w środowisku rany oraz syntezę kolagenu.

W kosmetologii i medycynie

Znajomość typów kolagenu, zrozumienie jego budowy, procesu syntezy oraz działania regulatorów tych procesów jest istotne, aby zrozumieć przyczyny powstawania wielu dermatoz, proces gojenia się trudnych ran i oparzeń oraz przebieg procesu starzenia się. 

Minimalna toksyczność, niska antygenowość, wysoki stopień biozgodności oraz biodegradowalności są głównymi zaletami kolagenu, wykorzystywanymi w kuracjach kosmetycznych. Zaburzenia syntezy i struktury tego białka są charakterystyczne dla wielu schorzeń o charakterze chronicznym.

Kolagen należy do biomateriałów często wykorzystywanych także w medycynie (zwłaszcza regeneracyjnej i estetycznej), stomatologii oraz w innych dziedzinach, takich jak kosmetologia, nanotechnologia oraz biomedycyna. 

Na rynku kosmetycznym i medycznym dostępnych jest obecnie wiele produktów (kremy, maski, membrany, gąbki i inne) o składzie kolagenowym lub pochodnym. Większość z tych produktów zawiera białko pochodzenia bydlęcego lub rybiego. 

Ze względu na brak możliwości przenikania dużych cząstek kolagenu przez naskórek warto sięgać po produkty (kosmetyczne, farmaceutyczne i spożywcze) zawierające aminokwasy i peptydy, z których zbudowane są włókna kolagenowe. Należy szukać preparatów zawierających prolinę, glicynę czy hydroxyprolinę oraz pamiętać, że ich pochodne oraz funkcjonalizacja aminokwasów łańcuchami kwasów tłuszczowych zapewni lepszą penetrację substancji do wnętrza naskórka i łatwiejsze przejście przez barierę hydrofobową naszej skóry. O skuteczności produktu zawierającego kolagen decyduje masa i objętość cząsteczki, a także pH oraz aktywność biologiczna.

Znaczenie dla zdrowia

Kolagen jest coraz szerzej wykorzystywany w przemyśle spożywczym i jako suplement diety. Doustne spożycie peptydów kolagenowych może mieć korzystny wpływ na organizm. Mogą one poprawić niską gęstość mineralną kości u osób niedożywionych i cierpiących na choroby zwyrodnieniowe stawów. 

Spożycie aminokwasów budujących włókna kolagenowe może także zagęścić włosy, poprawić kondycję łamliwych paznokci, zwiększyć liczbę włókien kolagenowych w ścięgnie Achillesa oraz pobudzić tworzenie włókien kolagenowych w skórze właściwej.

Kolagen wpływa na prawidłowe funkcjonowanie układu krwionośnego (pomaga kontrolować ciśnienie krwi, rozluźnia naczynia krwionośne, rozszerza tętnice oraz pozwala na oczyszczanie ich ścian z tłuszczu) i trawiennego (wspiera regenerację uszkodzonych ścian komórkowych oraz dostarcza do organizmu lecznicze aminokwasy), oddziałuje na przebieg procesów metabolicznych (umożliwia przemianę glukozy w energię) oraz kondycję stawów, ścięgien i więzadeł (nawilża stawy, co opóźnia proces ich degeneracji, zapobiega sztywnieniu ścięgien i więzadeł, niwelując ryzyko powstawania obrzęków). 

Choroby będące skutkiem zaburzeń syntezy i metabolizmu kolagenów można podzielić na dwie podstawowe grupy – związane z  nadmierną produkcją włókien kolagenowych oraz wynikające z niedostatecznego odkładania się tego białka.