Collagen structure and synthesis

Dr. Atif Hassan KhirelsiedDr. Atif Hassan Khirelsied

Department of BiochemistryFaculty of Medicine

International University of Africa 

CollagenCollagen

Collagen is insoluble fibrous protein.

Collagen Collagen 

g p

Mainly found in the extracellular matrix and in connective 

tissuetissue. 

The most abundant protein in mammals (>25% of body 

proteins)proteins).

Has great tensile strength, in ligaments and tendons.

CollagenCollagenCollagen Collagen 

Is responsible for skin elasticity, and its degradation leads 

to wrinkles that accompany aging.p y g g

Fills out the cornea where it is present in crystalline form. 

Also used in cosmetic surgery, e.g., lip enhancement. 

CollagenCollagen

• There are at least 16 types of collagen 90% percent of

Collagen Collagen 

• There are at least 16 types of collagen, 90% percent of the collagen in the body consists of types I, II, and III

The most abundant types of collagen

CollagenCollagenType Representative Tissues

Collagen Collagen 

Fibrillar collagens I Skin, tendon, bone, ligaments, dentin, interstitial 

tissuestissuesII Cartilage, vitreous humorIII Skin, muscle, blood vesselsV Similar to type I; also cell cultures, fetal tissues

Fibril‐associated collagensFibril associated collagensVI Most interstitial tissues

IX Cartilage vitreous humor;IX Cartilage, vitreous humor;

Sheet forming collagensSheet‐forming collagensIV All basal laminaes

Collagen componentsCollagen componentsCollagen components Collagen components 

•Insoluble glycoprotein (protein + carbohydrate) 

Protein 

•High glycine and two modified amino acids hydroxylysine, 

hydroxyproline (gly‐X‐Y)n. 

Carbohydrate (glucose , galactose )

Collagen structure Collagen structure 

Collagen is a 

fibrous protein built p

up of  three α‐

chains(not α‐helices) 

which form a rope‐p

like triple helix.

Collagen structureCollagen structureCollagen structure Collagen structure 

Collagen has an unusual 

amino acid compositionamino acid composition, 

every α‐chain consists of a 

repeating triplet (Gly‐X‐Y). 

Collagen structureCollagen structure

Th l i i ll h fi i h f h

Collagen structure Collagen structure 

The glycine is small enough to fit into the center of the 

triple helix. p

In addition to the glycine collagen contains (proline, 

hydroxyproline and hydroxylysine).hydroxyproline and hydroxylysine).

These later amino acids results from post translational 

modificationmodification.

Collagen structureCollagen structureCollagen structure Collagen structure 

Proline is found in the X position and 4‐hydroxyproline in 

the Y position.

The hydrogen‐bonding stabilizes the triple helix. 

Collagen structureCollagen structureCollagen structure Collagen structure 

Interchain hydrogen bonding in collagen. The amide hydrogen of a glycine residue in one chain is hydrogen‐bonded to the carbonyla glycine residue in one chain is hydrogen‐bonded to the carbonyl oxygen of a residue, often proline, in an adjacent chain.

Collagen structure Collagen structure 

Covalent cross‐links in collagen. (a) An allysine residue condenses with a lysine residue to form an intermolecular Schiff‐base crosslink. (b) Two allysine residues condense to form an intramolecular aldol cross‐link.

Collagen structureCollagen structure

•Type I collagen is the most common fibrillar collagen (90%), 

Collagen structure Collagen structure 

and is found in bone, skin, tendons, vascular, ligature, organs,. 

•Type II collagen provides similar tensile strength to cartilage.

C ll T III i l fib i h I•Collagen Type III ‐ reticular fibers with type I. 

•Type IV and VII collagens are network‐forming collagens; they 

f h k i l l i b l l iform a meshwork, particularly in basal lamina.

Collagen synthesis Collagen synthesis 

Collagen disordersCollagen disordersCollagen disorders Collagen disorders 

Collagen Diseases ‐ Excess 

1. Fibrosis. 

2 L l fib i2. Lung‐ pulmonary fibrosis. 

3. Liver‐ over consumption of alcohol. 

4. Arteries‐ atherosclerosis. 

Collagen disordersCollagen disordersCollagen disorders Collagen disorders 

Collagen Diseases – Insufficient

1 Scurvy1. Scurvy 

2. Ehlers‐Danlos syndrome  (rubber‐man)

3. Osteogenesis imperfecta

d ( )4. Atopic dermatitis (AD) 

Scurvy

1 Dietary vitamin C deficiency

Scurvy 

1. Dietary vitamin C deficiency 

2. Needed for hydroxylation of proline and lysine.

3. Form too few hydrogen bonds in collagen. 

4. Skin, bone, teeth weakness and malformation .

5 Blood vessels weakened bleeding5. Blood vessels weakened, bleeding. 

Scurvy symptomsScurvy symptoms 

1. Malaise and lethargy and bone pain

2. Skin changes with roughness, easy 

b i i d t hibruising and petechiae. 

3. Gum disease, loosening of teeth, , g ,

4. Poor wound healing, and emotional 

changes.

ScurvyScurvy 

Swollen inflamed gums in scurvySwollen inflamed gums in scurvy

Ehlers Danlos Syndrome

•Also knwon as rubber man disease

Ehlers Danlos Syndrome 

•Also knwon as rubber‐man disease

•Skin and tendons easily stretched 

Characterized by; y;

1. loose joints.

2. Elastic skin," "India rubber 

skinskin

Osteogenesis imperfectaOsteogenesis imperfecta

1. Brittle‐bone syndrome 

2 Mutation in Type I procollagen2. Mutation in Type I procollagen 

3. Fail to assemble triple helix 

4. Degrade imperfect collagen 

5. Leads to fragile bones 

Osteogenesis imperfecta

Also known as Brittle Bone Disease

Osteogenesis imperfecta

Also known as Brittle Bone Disease, 

or "Lobstein syndrome

h d b b l bIs characterized by abnormal bone 

formation in babies