コラーゲン

コラーゲン（ドイツ語: Kollagen、英語: Collagen）は、真皮、靱帯、腱、骨、軟骨などを構成するタンパク質のひとつで、多細胞動物の細胞外基質（細胞外マトリクス）の主成分である。体内に存在しているコラーゲンの総量は、ヒトでは、全タンパク質のほぼ30%を占める程多い。また、コラーゲンは体内で働くだけでなく人間生活に様々に利用されている。ゼラチンの原料はコラーゲンであり、化粧品、医薬品などにも様々に用いられている。

コラーゲンの3重らせん構造

構造

コラーゲンタンパク質のペプチド鎖を構成するアミノ酸は、"―（グリシン）―（アミノ酸X）―（アミノ酸Y）―" と、グリシンが3残基ごとに繰り返す一次構造を有する。この配列は、コラーゲン様配列と呼ばれ、コラーゲンタンパク質の特徴である。例えば、I型コラーゲンでは、この "―（グリシン）―（アミノ酸X）―（アミノ酸Y）―" が1014アミノ酸残基繰返す配列を持っている。（アミノ酸X）としてプロリン、（アミノ酸Y）として、4(R)ヒドロキシプロリン（プロリンが酵素によって修飾されたもの）が多く存在する。この1本のペプチド鎖はα鎖と呼ばれ、分子量は10万程度である。

多くの型のコラーゲンでは、このペプチド鎖が3本集まり、縄をなうようにお互いに巻きついて、らせん構造を形成する。これがコラーゲンの構成単位であり、トロポコラーゲンと呼ばれる。トロポコラーゲンを作る際、1本1本のペプチド鎖は、左巻きのポリプロリンII型様の二次構造をとり、3本のペプチド鎖は、お互いに1残基分ずつずれて、グリシンが中央に来るようなゆるい右巻きのらせん構造を形成する。I型コラーゲンの場合、その長さはおよそ300nm、太さは1.5 nmほどである。

このトロポコラーゲンが、少しずつずれてたくさん集まり、より太く長い繊維を作る場合があり、これはコラーゲン細繊維（細線維） (collagen fibril) と呼ばれる。例えば、骨や軟骨の中のコラーゲンは、このコラーゲン細繊維をつくっており、骨基質、軟骨基質にびっしりと詰まっている。コラーゲン細繊維は透過型電子顕微鏡で観察することができる。コラーゲン細繊維には、ほぼ65 nm周期の縞模様が観察される。コラーゲン細繊維の太さは通常、数十～百数十 nm程度である。この太さは、そのコラーゲン細繊維を作っているコラ－ゲンの各型の割合などによって決まることがわかっている。

コラーゲン細繊維は、更に多くが寄り集まって、結合組織内で強大な繊維を形成する場合がある。これがコラーゲン繊維（線維）（膠原繊維（線維）;こうげんせんい、collagen fiber）である。コラーゲン繊維の太さは数μm～数十μm程度で、適切な染色をおこなうと、光学顕微鏡でも観察することができる。コラーゲン繊維は皮膚の真皮や腱などにはびっしりとつまっている。

アミノ酸組成

コラーゲンのアミノ酸組成はグリシンが約1/3を占め、プロリン及びヒドロキシプロリンが21％、アラニンが11％とかなり偏った構成となっている。またコラーゲンに特有のアミノ酸としてヒドロキシプロリン・ヒドロキシリジンなどがある。これらは通常のプロリン・リジンに対して水酸基が1つ付加した構造のアミノ酸で、他のタンパク中にはほとんど含まれない。これらは水素結合によってタンパク鎖同士を結び、3重らせん構造を保つ働きがある。

ヒドロキシプロリン・ヒドロキシリジンはいずれもタンパク合成の際に組み込まれるのではなく、まずそれぞれプロリン・リジンの形で合成され、タンパク鎖が形成された後で酸化酵素により付加される(翻訳後修飾)。またこの反応の際にはビタミンCを補酵素として、鉄を補因子として必要とするため、ビタミンCを欠いた食事を続けていると正常なコラーゲン合成ができなくなり、壊血病を引き起こす。

機能

コラーゲンは、様々な結合組織に、力学的な強度を与えるのに役立っている。若干の弾力性もある。特に、腱の主成分は上述のコラーゲン繊維がきちんとすきまなく配列したもので非常に強い力に耐える。腱には、筋肉が発生した引っ張り力を骨などに伝え、運動を起こす際に非常に強い力がかかる。また、骨や軟骨の内部では、びっしりと詰め込まれたコラーゲン細繊維が、骨や軟骨の弾力性を増すのに役立っており、衝撃で骨折などが起こることから守っている。また、皮膚の弾力性や強度に役立っている、などである。

一方、こうした従来から知られている機能とは別に、コラーゲンが、それに接する細胞に対して、増殖、分化シグナルを与える、情報伝達の働きも担っていることがわかってきている。

起源

コラーゲンが地球で初めて誕生したのは、原生代後期の全球凍結後（6億～8億年前）と考えられている。コラーゲンの産生には大量の酸素の供給が必要であるが、全球凍結以前は地球においてはコラーゲンを作り出せるだけの高濃度の酸素が地球に蓄積されなかった。そのためそれまでの生物の進化は単細胞生物までに留まっていた。そして全球凍結の状態が終わり、急激な気候変動の影響で大量に酸素が作られ地球に蓄積した。この影響により単細胞生物がコラーゲンを作り出す事に成功し、細胞同士の接着に利用され、単細胞生物の多細胞化が促進された。今日に見られる多細胞生物（動物・植物・原生生物・真菌類）は全てこのコラーゲンの生産に成功した種の子孫であると考えられている。（ただしその子孫である植物は細胞間接着にコラーゲンを用いず、セルロースを用いており、コラーゲンを細胞間接着として利用している生物は動物と一部の原生生物に限られている）

種類と分布

2004年までに、ヒトのコラーゲンタンパク質は30種類以上あることが報告されている。それぞれのコラーゲンは、I型、II型のようにローマ数字を使って区別される。例えば、真皮、靱帯、腱、骨などではI型コラーゲンが、関節軟骨ではII型コラーゲンが主成分である。また、すべての上皮組織の裏打ち構造である基底膜にはIV型コラーゲンが主に含まれている。体内で最も豊富に存在しているのはI型コラーゲンである。

これらのコラーゲンタンパク質は、すべてがコラーゲン細線維を形成するタイプとは限らない。コラーゲン細線維を形成するタイプのコラーゲンタンパク質は "線維性コラーゲン"、線維を形成しないものを "非線維性コラーゲン" と呼ぶ。非線維性コラーゲンでは、細く微小なコラーゲン分子のまま、結合組織の構成成分となっている。

下記は、ヒトのコラーゲンの各型の性質と主な分布である。（一部）

I型コラーゲン

I型コラーゲン

線維性コラーゲン。最も大量に存在するコラーゲン。骨に大量に含まれ、骨に弾力性を持たせるのに働いている。皮膚の真皮にも非常に多く、皮膚の強さを生み出す働きがある。I型コラーゲンは、α1鎖（I型） 2本とα2鎖（I型）1本が集まって形成される。多くの組織でコラーゲン細線維、更にはそれが集まったコラーゲン線維の主成分である。

II型コラーゲン

線維性コラーゲン。軟骨に主に含まれているコラーゲン。眼球の硝子体液の成分でもある。II型コラーゲンは、3本のα1（II型）鎖から構成される。

III型コラーゲン

線維性コラーゲン。I型コラーゲンの存在する組織にはIII型コラーゲンも共存する場合が多い。III型コラーゲンは、コラーゲン線維とは別の、細網線維（さいもうせんい）と呼ばれる細い網目状の構造を形成し、細胞などの足場を作っている。創傷治癒過程の初期段階で増殖し、やがてI型コラーゲンに置き換わる事で治癒が進むといわれる。

IV型コラーゲン

非線維性コラーゲン。基底膜に多く含まれており、平面的な網目状のネットワークを形成し、基底膜の構造を支えていると考えられている。上皮組織の裏打ち構造で、上皮細胞の足場になる。

V型コラーゲン

線維性コラーゲン。I型コラーゲン、III型コラーゲンの含まれている組織に、少量含まれている。V型コラーゲンは、α1（V型）鎖、α2（V型）鎖、α3（V型）鎖が様々な割合で混合した三量体の混合物である。

VI型コラーゲン

非線維性コラーゲン。α鎖が2本逆向きに会合したものが2つ集まった四量体を形成する。細線維（マイクロフィブリル）の成分である。細線維は、コラーゲン細線維とは別の線維状構造で、直径13 nm程度で細胞外基質に存在する。

VII型コラーゲン

非線維性コラーゲン。IV型コラーゲン同様、基底膜の構成成分である。三量体を形成する。

VIII型コラーゲン

非線維性コラーゲン。血管内皮細胞などがつくっている。また盛んに形態形成が起こっている組織で多くつくられている。

（以下 略）

その他、コラーゲンタンパク質の特徴を部分的に備えた "コラーゲン様領域" を有するタンパク質が15種類以上知られている。例えば、コレクチン、フィコリン、アディポネクチン、マクロファージスカベンジャー受容体などがそれである。これらは部分的にコラーゲンの機能をあわせ持つタンパク質と考えられている。

胚性幹細胞培養

コラーゲンは、ES-D3株などの胚性幹細胞を無血清条件で培養する際にディッシュにコーティングすることで幹細胞の足場となり、幹細胞の未分化性維持および幹細胞の増殖を促進する働きがあることが論文により報告されている。また、米国国立衛生研究所（NIH)による2006年の報告ではヒト胚性幹細胞の無血清培養を行う際にはコラーゲンを主成分とする細胞外マトリックスゲル（マトリゲル）による培養を行うことで胚性幹細胞の未分化性を維持した状態で増殖させる手法が多数紹介されている。同時にミクスチャーであるマトリゲルを使用した培養法以外にも純粋なラミニン(laminin)あるいはコラーゲンを使用した培養法が存在することについて述べられており、ロット差をなくすためにこれらの純成分による培養が行われているとの指摘がなされている(As it is mostly comprised of laminin and collagen, these molecules have also been used, in purified form, to avoid lot-to-lot variations in the Matrigel extract) 。

産業利用

ヒト型水溶性コラーゲン

I型コラーゲンの三重鎖は2本のα１ペプチド鎖と1本のα2ペプチド鎖がらせん状に絡み合った構造で出来ている。ヒト培養細胞よりこのα1ペプチド鎖をコードする遺伝子を抽出し、分子生物学的技術によりモデル生物へ組み込むことで効率的にヒトのα1ペプチド鎖のみを作らせる技術が樹立されている。得られたヒトα1ペプチド鎖は水溶性であることからヒト型水溶性コラーゲンと呼ばれている。

ゼラチン

ゼラチンは、高温（哺乳類から抽出されたもので40度前後、魚類から抽出されたものではそれより低い温度）で変性させたコラーゲンである。コラーゲンのらせん構造は、高温では壊れて三量体が解離し、立体構造が変わったトロポコラーゲンが遊離する。これは、水に溶けるなど、コラーゲンとは異なった物理的・化学的性質を示し、ゼラチンと呼ばれる。ゼラチンは、コラーゲン配合と表記されている化粧品や補助食品、あるいはゼリーの原料として用いられる。主な原料はウシやブタなどの大動物の皮膚、骨などや魚類である。乾燥する際の形状によって板ゼラチンと粉ゼラチンに分かれる。

コラーゲンらせん構造のフォールディングとアンフォールディング反応には、濃度依存性および履歴現象がある。低濃度のコラーゲン溶液を用いた実験では、変性温度が単離した動物の体温以下になることが知られている。

アテロコラーゲン

コラーゲンの両端には、コラーゲンの主たる抗原部位であるテロペプチドが存在する。この部分を酵素処理で取り外すと、コラーゲンの抗原性が極端に低くなる。これをアテロコラーゲンと呼び、医療用のインプラント材料や組織工学用の足場材料に応用されている。また、一部の化粧品にも利用されている。

コラーゲンペプチド

コラーゲンペプタイドとも呼ばれる。コラーゲンを酵素処理で分解し、低分子化したもので、食品として摂取した場合、体内でアミノ酸に分解しやすいため、吸収性が高められている。ゼラチン同様に水溶性を持つが、ゼラチンのように低温でゲル化させる性質はない。健康食品として摂取されたり、保湿性があるために、化粧品原料にも用いられる。原料として、ウシ、ブタなどの家畜の他に、ヒラメ、サケ、スズキなどの魚類の皮や鱗を使う例が多い。産業原料として、粉末の他、水溶液で流通する場合もある。

消化、吸収

蛋白質の一種であるコラーゲンはアミノ酸単体であるグリシンとプロリンと、プロリンが水酸化されたヒドロキシプロリンで構成されている。蛋白質は基本的に消化に際し単アミノ酸やアミノ酸2-3個程度のペプチドまで分解された後に吸収されるため、コラーゲンを摂取しても直接体内に吸収されるわけではない。さらにヒドロキシプロリンは体内に存在しても、皮膚のコラーゲンを作る線維芽細胞に取り込まれず、グリシンやプロリン自体は、ごく一般に存在するアミノ酸である。従ってコラーゲンを体内で生成させるためにコラーゲンの構成要素であるアミノ酸を摂取するという目的でコラーゲンを選択的に経口摂取しても、必ず体内でのコラーゲン生成に使われるとは限らないと考えるべきである。

しかしながら、ヒドロキシプロリンを含むペプチドは細胞の働きを活性化させる様々な生理的活性が知られており、コラーゲンを経口摂取することでヒドロキシプロリンペプチドの血中濃度が長時間上昇すること、ペプチドが損傷した線維芽細胞を刺激し再生を促進することが明らかとなった。ただし、体内におけるコラーゲンの合成にはリシンやビタミンCが別途必要である。

美肌効果について

コラーゲンを多く含む健康食品が、しばしば皮膚の張りを保つ、関節の痛みを改善すると主張され販売されている。しかし、ヒトでの信頼できるほどの有効性は確認されていない 。 一部の臨床的症状に有効性が認められたという論文が提出されているが、間接的な経路によってコラーゲンペプチドが体内でのコラーゲン線維の新生に寄与する可能性は示唆されているものその有用性は疑わしい。

世間一般で謳われている美肌効果は誰もその効果を担保していないためプラシーボ効果以上の効果は見込めず、誇大広告と言わざるを得ない。端的に言えば消費者の無知に付け込み、限りなく効果ゼロに近いインチキ商品を薬事法に引っかからないようバイブル商法で謳い販売しているのが現状である。 害として、コラーゲンの経口摂取によるアレルギーの報告もある。。

コラーゲンを配合した化粧品が数多く販売されているが、コラーゲンは主に保湿剤の目的で使用されている。皮膚表面に塗布することにより潤いを感じることはできると思われるが、塗布したコラーゲンが皮下に吸収･利用されることはありえず、健康な皮膚の細胞が自らコラーゲンを産生し皮膚組織に組み込んだものの代替とは言えない。

一方、京都府立医科大学などの研究グループは、コラーゲン経口摂取の効果はコラーゲンの生成を促進することにあるのではないかと言う研究成果を発表している。研究の結果、ブタや魚のコラーゲンを食べるとコラーゲンに多いアミノ酸のヒドロキシプロリンとプロリンが結びついたペプチドが血中に長時間にわたって増え、このペプチドがコラーゲンを産生する繊維芽細胞に働きかけ、その増殖を促進することが明らかとなった。つまり、コラーゲンの経口摂取の効果はこれまで考えられてきたような体内でアミノ酸やペプチドに分解されて単にコラーゲンを生成するための材料として使われるという直接的なものでは必ずしもなかったということである。コラーゲン経口摂取による美肌効果の有無とそのメカニズムについては、今後のさらなる研究が俟たれる。

コラーゲンを含む食品

• 豚足
• ゼラチン、ゼリー（増粘多糖類ではなくゼラチンで作ったものに限る）
• スジ肉
• 鶏軟骨
• 鶏皮
• 魚皮
• ふかひれ
• えいひれ

外部リンク

• 300億円「コラーゲン市場」のウラ 読売ウィークリー