コラーゲン

コラーゲン（/ ˈ k ɒ l ə dʒ ə n / ）は、体のさまざまな結合組織の細胞外マトリックスの主な構造タンパク質です。結合組織の主成分として、哺乳類で最も豊富なタンパク質です。^[1]哺乳類の体のタンパク質含有量の25％〜35％はコラーゲンです。アミノ酸は一緒に結合して、コラーゲンヘリックスとして知られる細長い原繊維の三重らせんを形成します^[2]。コラーゲンヘリックスは、主に軟骨、骨、腱、靭帯、皮膚などの結合組織に見られます。ビタミンCはコラーゲンの合成に不可欠であり、ビタミンEはコラーゲンの生成を促進します。

石灰化の程度によって、コラーゲン組織は硬い（骨）か柔らかい（腱）か、または硬いものから柔らかいものへと勾配がある（軟骨）。コラーゲンは角膜、血管、腸、椎間板、歯の象牙質にも豊富に含まれています。 ^[3]筋肉組織では、コラーゲンは筋内膜の主成分として機能します。コラーゲンは筋肉組織の1％から2％を構成し、骨格筋の重量の6％を占めます。^[4]線維芽細胞は、体内でコラーゲンを生成する最も一般的な細胞です。食品や産業で使用されるゼラチンは、熱、塩基性溶液、または弱酸を使用して不可逆的に加水分解されたコラーゲンです。 ^[5]

コラーゲンという名前は、ギリシャ語で「接着剤」を意味するκόλλα ( kólla )と、 「生成」を意味する接尾辞-γέν、-genに由来しています。 ^{[6] [7]}

人体のコラーゲンの90%以上はI型とIII型コラーゲンです。^[8]しかし、2011年現在、28種類のヒトコラーゲンが特定され、説明されており、それらが形成する構造に応じていくつかのグループに分類されています。^[9]すべてのタイプには、少なくとも1つの三重らせんが含まれています。^[9]タイプの数は、コラーゲンの多様な機能を示しています。^[10]

• 線維性（タイプI、II、III、V、XI）
• 非線維性
  • FACIT (中断された三重らせん構造を持つ線維性コラーゲン) (タイプ IX、XII、XIV、XIX、XXI)
  • 短鎖（タイプVIII、X）
  • 基底膜（タイプIV）
  • マルチプレキシン（中断のある複数の三重らせんドメイン）（タイプ XV、XVIII）
  • MACIT (中断された三重らせん構造を持つ膜関連コラーゲン) (タイプ XIII、XVII)
  • ミクロフィブリル形成（タイプVI）
  • アンカーフィブリル（タイプ VII）

最も一般的な5つのタイプは以下のとおりです。^[11]

• タイプI：皮膚、腱、血管、臓器、骨（骨の有機部分の主成分）
• タイプ II :軟骨(軟骨の主なコラーゲン成分)
• タイプIII ：網状（網状繊維の主成分）、タイプIと並んでよく見られる
• タイプIV ：基底膜の上皮分泌層である基底膜を形成する
• タイプV：細胞表面、毛髪、胎盤

4 つの心臓弁輪を含むコラーゲン心臓骨格は、組織学的、弾性的、かつ独特な方法で心筋に結合しています。心臓骨格には、心室を隔てる隔壁である心室中隔と房室中隔も含まれます。心臓機能の尺度に対するコラーゲンの寄与は、簡単に言えば、心臓から放出される血圧の流体力学に対抗する継続的なねじり力を表しています。心臓の上部心室と下部心室を分けるコラーゲン構造は、一般的な生理学的手段による血液と電気インパルスの両方を排除する不浸透性膜です。コラーゲンのサポートにより、心房細動が心室細動に悪化することはありません。コラーゲンは、平滑筋の塊とさまざまな密度で層状になっています。コラーゲンの質量、分布、年齢、および密度はすべて、血液を前後に動かすために必要なコンプライアンスに寄与します。個々の心臓弁の弁尖は、さまざまな圧力下で特殊なコラーゲンによって折り畳まれます。コラーゲン内のカルシウム沈着は、加齢による自然な機能として徐々に起こります。コラーゲンマトリックス内の石灰化した点は、血液と筋肉の動きをコントラストで表示し、心臓画像技術の方法によって、基本的に血液の流入量 (心臓入力) と血液の流出量 (心臓出力)を示す比率を得ることができます。心臓を支えるコラーゲンの病理は、結合組織疾患のカテゴリ内で理解されています。^[要出典]

骨格は体の構造を形成するため、骨折や怪我をした後でも強度を維持することが重要です。コラーゲンは三重らせん構造を持ち、非常に強い分子であるため、骨移植に使用されます。コラーゲンは骨格の構造的完全性を損なわないため、骨に使用するのに最適です。コラーゲンの三重らせん構造は酵素による分解を防ぎ、細胞の接着を可能にし、細胞外マトリックスの適切な組み立てに重要です。^[12]

コラーゲンスキャフォールドは、スポンジ、^[13]、薄いシート、^[14]、ゲル、^[15]、繊維^{[16]のいずれの形態でも、組織再生に使用されます。コラーゲンは、細孔構造、透過性、親水性、生体内での安定性など、組織再生に好ましい特性を持っています。コラーゲンスキャフォールドは、}骨芽細胞や線維芽細胞などの細胞の沈着もサポートし、挿入されると、正常に成長が進むのを促進します。^[17]

コラーゲンは、重度の火傷や傷の治療に使用される人工皮膚の製造に広く使用されています。 ^{[18] [19]これらのコラーゲンは、牛、馬、豚、さらには人間の起源から得られる場合があり、}シリコーン、グリコサミノグリカン、線維芽細胞、成長因子、およびその他の物質と組み合わせて使用​​されることもあります。^[20]

コラーゲンは体内の重要な天然資源の一つであり、創傷治癒のあらゆる段階で有益な皮膚組織の成分です。^[21]コラーゲンが創床に供給されると、創傷が閉じます。そのため、創傷の悪化、そして場合によっては切断などの処置を回避することができます。

コラーゲンは天然物であるため、天然の創傷被覆材として使用され、人工創傷被覆材にはない特性を持っています。コラーゲンは細菌に対して耐性があり、創傷被覆材にとって極めて重要です。コラーゲンは感染と戦う自然な能力を持っているため、創傷を無菌状態に保つのに役立ちます。コラーゲンを火傷被覆材として使用すると、健康な肉芽組織が火傷の上に非常に速く形成され、火傷が急速に治癒するのに役立ちます。^[18]

創傷治癒の 4 つの段階を通じて、コラーゲンは次の機能を果たします。

• 誘導機能:コラーゲン繊維は線維芽細胞を誘導する役割を果たします。線維芽細胞は結合組織マトリックスに沿って移動します。
• 走化性特性: コラーゲン繊維の表面積が広いため、線維形成細胞を引き寄せ、治癒を助けます。
• 核形成: コラーゲンは、特定の中性塩分子の存在下では、核形成剤として作用し、線維構造の形成を引き起こします。
• 止血特性:血小板はコラーゲンと相互作用して止血栓を形成します。

コラーゲンは細胞培養の研究室研究に使用され、細胞の挙動や細胞外環境との相互作用を研究しています。^{[22]コラーゲンは}3Dバイオプリンティングや3D組織モデルのバイオファブリケーション用のバイオインクとしても広く使用されています。

コラーゲンタンパク質は三重らせん構造で、通常は2つの同一鎖（α1）と化学組成がわずかに異なる追加の鎖（α2）で構成されています。^[23]コラーゲンのアミノ酸組成は、特にヒドロキシプロリン含有量が高いという点で、タンパク質としては異例です。コラーゲンのアミノ酸配列で最も一般的なモチーフは、グリシン-プロリン-Xとグリシン-X-ヒドロキシプロリンです。ここで、Xはグリシン、プロリン、ヒドロキシプロリン以外のアミノ酸です。魚類と哺乳類の皮膚の平均的なアミノ酸組成が示されています。^[24]

まず、アミノ酸のグリシンとプロリンを主成分として三次元の鎖構造が組み立てられる。これはまだコラーゲンではなく、その前駆体であるプロコラーゲンである。プロコラーゲンは、アミノ酸のプロリンとリジンにヒドロキシル基を付加することによって修飾される。このステップは、後のグリコシル化とコラーゲンの三重らせん構造の形成にとって重要である。これらの反応を行うヒドロキシラーゼ酵素は補因子としてビタミンCを必要とするため、このビタミンが長期的に欠乏すると、コラーゲン合成が損なわれ、壊血病を引き起こす。^{[25]これらのヒドロキシル化反応は、}プロリル4-ヒドロキシラーゼ^[26]とリシルヒドロキシラーゼという2つの異なる酵素によって触媒される。この反応では、ヒドロキシル化ごとに1つのアスコルビン酸分子が消費される。^[27]コラーゲンの合成は細胞の内外で起こる。ここでは、線維状コラーゲン（最も一般的な形態）となるコラーゲンの形成について説明する。濾過システムの形成に関与することが多い網目状コラーゲンも、一般的なコラーゲンの形態の 1 つです。すべてのタイプのコラーゲンは三重らせん構造をしており、違いはステップ 2 で生成されるアルファペプチドの構成にあります。

1. mRNA の転写: 約 44 個の遺伝子がコラーゲン形成に関連し、それぞれが特定の mRNA 配列をコード化しており、通常は「COL」という接頭辞が付いています。コラーゲン合成は、特定のアルファ ペプチド (通常はアルファ 1、2、または 3) の形成に関連する遺伝子をオンにすることから始まります。
2. プレプロペプチドの形成: 最終的な mRNA が細胞核から出て細胞質に入ると、リボソームサブユニットと結合し、翻訳プロセスが始まります。新しいペプチドの初期/最初の部分はシグナル配列と呼ばれます。ペプチドのN 末端のシグナル配列は、小胞体上のシグナル認識粒子によって認識され、プレプロペプチドを小胞体に導く役割を果たします。したがって、新しいペプチドの合成が完了すると、それは翻訳後処理のために小胞体に直接送られます。現在ではプレプロコラーゲンとして知られています。
3. プレプロペプチドからプロコラーゲンへ: プレプロペプチドの 3 つの修飾により、アルファペプチドが形成されます。
   1. N 末端のシグナル ペプチドが除去され、分子はプロペプチド(プロコラーゲンではない) として知られるようになりました。
   2. プロペプチド上のリジンとプロリンは、酵素「プロリルヒドロキシラーゼ」と「リジンヒドロキシラーゼ」によってヒドロキシル化され（ヒドロキシプロリンとヒドロキシリジンを生成する）、アルファペプチドの架橋を促進します。この酵素反応には、補因子としてビタミン C が必要です。壊血病では、プロリンとリジンのヒドロキシル化が不足しているため、三重らせん構造（3 つのアルファペプチドで形成）が緩くなります。
   3. グリコシル化は、プロリンではなくリジンに付加されたヒドロキシル基にグルコースまたはガラクトースモノマーを付加することによって起こります。
   4. これらの変更が行われると、3 つのヒドロキシル化およびグリコシル化されたプロペプチドが三重らせんにねじれ、プロコラーゲンを形成します。プロコラーゲンにはまだほどけた末端があり、後で切り取られます。この時点で、プロコラーゲンはゴルジ体に向かう輸送小胞にパッケージ化されます。
4. ゴルジ体修飾: ゴルジ体では、プロコラーゲンは細胞外に分泌される前に最後の翻訳後修飾を受けます。このステップでは、オリゴ糖 (ステップ 3 の単糖ではなく) が追加され、その後プロコラーゲンは細胞外空間に向かう分泌小胞にパッケージ化されます。
5. トロポコラーゲンの形成: 細胞の外に出ると、コラーゲンペプチダーゼと呼ばれる膜結合酵素がプロコラーゲン分子の「ゆるい末端」を取り除きます。残ったものがトロポコラーゲンです。この段階で欠陥があると、エーラス・ダンロス症候群と呼ばれる多くのコラーゲン病の 1 つが発生します。この段階は、線維性コラーゲンの一種である III 型を合成するときには発生しません。
6. コラーゲン原線維の形成：細胞外銅依存性酵素であるリシルオキシダーゼは、コラーゲン合成経路の最終段階を生成します。この酵素はリジンとヒドロキシリジンに作用してアルデヒド基を生成し、最終的にトロポコラーゲン分子間で共有結合します。このトロポコラーゲンのポリマーは、コラーゲン原線維として知られています。

コラーゲンは珍しいアミノ酸組成と配列を持っています。

• グリシンはほぼ 3 つおきの残基に存在します。
• プロリンはコラーゲンの約17%を占めています。
• コラーゲンには、翻訳中に直接挿入されない 2 つの珍しい誘導体アミノ酸が含まれています。これらのアミノ酸はグリシンに関連する特定の位置にあり、翻訳後にさまざまな酵素によって修飾されますが、どちらの酵素も補因子としてビタミン C を必要とします。
  • プロリン由来のヒドロキシプロリン
  • リジンから得られるヒドロキシリジン- コラーゲンの種類に応じて、さまざまな数のヒドロキシリジンがグリコシル化されます（ほとんどは二糖類が結合しています）。

コルチゾールは（皮膚の）コラーゲンのアミノ酸への分解を刺激する。 ^[28]

ほとんどのコラーゲンは同様の方法で形成されますが、I 型では次のプロセスが典型的です。

1. 細胞内
   1. 2種類のα鎖（α1とα2）は、粗面小胞体（RER）に沿ったリボソーム上での翻訳中に形成される。プレプロコラーゲンとして知られるこれらのペプチド鎖は、両端に登録ペプチドとシグナルペプチドを持っている。^[29]
   2. ポリペプチド鎖はRERの内腔に放出されます。
   3. シグナルペプチドは RER 内で切断され、その鎖は現在プロアルファ鎖として知られています。
   4. リジンとプロリンアミノ酸の水酸化は内腔内で起こります。このプロセスは補因子としてアスコルビン酸（ビタミン C）に依存し、消費します。
   5. 特定のヒドロキシリジン残基のグリコシル化が起こります。
   6. 三重アルファらせん構造は、2 つのアルファ 1 鎖と 1 つのアルファ 2 鎖から小胞体内に形成されます。
   7. プロコラーゲンはゴルジ体に輸送され、そこで包装されてエキソサイトーシスによって細胞外空間に分泌されます。
2. 細胞の外側
   1. 登録ペプチドはプロコラーゲンペプチダーゼによって切断され、トロポコラーゲンが形成されます。
   2. 複数のトロポコラーゲン分子は、ヒドロキシリジンとリジン残基を結合するリシルオキシダーゼによる共有結合架橋（アルドール反応）を介してコラーゲン原線維を形成します。複数のコラーゲン原線維がコラーゲン繊維を形成します。
   3. コラーゲンは、フィブロネクチン、ラミニン、フィブリン、インテグリンなどのいくつかの種類のタンパク質を介して細胞膜に付着します。

単一のコラーゲン分子であるトロポコラーゲンは、原線維などのより大きなコラーゲン凝集体を形成するのに使用されます。長さは約 300  nm、直径は 1.5 nm で、3 本のポリペプチド鎖 (アルファペプチドと呼ばれる、手順 2 を参照) で構成され、各鎖は左巻きのらせん構造をしています。右巻きのアルファらせんと混同しないでください。これらの 3 本の左巻きらせんは、右巻きの三重らせんまたは「スーパーらせん」にねじれ合います。これは、多数の水素結合によって安定化された協調的な四次構造です。I 型コラーゲン、およびおそらくすべての原線維性コラーゲン (すべてではないにしても) では、各三重らせんは、コラーゲンミクロフィブリルと呼ばれる右巻きのスーパースーパーコイルに結合します。各ミクロフィブリルは、隣接するミクロフィブリルと噛み合っていて、個別には不安定であると思われる程度ですが、コラーゲン原線維内では、結晶化するほどよく整列しています。

コラーゲンの特徴的な点は、これらコラーゲンサブユニットの3つの鎖それぞれにおけるアミノ酸の規則的な配置である。配列は多くの場合、Gly - Pro -X または Gly-X- Hypのパターンに従い、X は他のさまざまなアミノ酸残基のいずれかである。^[24]プロリンまたはヒドロキシプロリンは、全配列の約1/6を占める。グリシンが配列の1/3を占めるので、コラーゲン配列の約半分はグリシン、プロリン、またはヒドロキシプロリンではないことになるが、コラーゲンアルファペプチドの異常な GX ₁ X ₂特性に気をとられ、この事実は見落とされがちである。コラーゲンのグリシン含有量が高いことは、コラーゲンらせんの安定化に関して重要であり、これにより分子内でコラーゲン繊維が非常に密接に会合し、水素結合と分子間架橋の形成が促進される。^[24]このような規則的な繰り返しと高いグリシン含有量は、シルクフィブロインなどの他のいくつかの繊維性タンパク質にのみ見られます。

コラーゲンは単なる構造タンパク質ではありません。細胞表現型、細胞接着、組織調節、およびインフラストラクチャの決定における重要な役割のため、コラーゲンの非プロリンリッチ領域の多くのセクションは、細胞またはマトリックスの関連/調節の役割を果たしています。プロリン環とヒドロキシプロリン環の比較的高い含有量、およびそれらの幾何学的に制約されたカルボキシル基と（第 2 級）アミノ基、ならびに豊富なグリシンにより、個々のポリペプチド鎖は、鎖内水素結合なしで自発的に左巻きヘリックスを形成する傾向があります。

グリシンは側鎖を持たない最小のアミノ酸であるため、繊維状の構造タンパク質において独特の役割を果たしている。コラーゲンでは、グリシンは3つおきの位置に必要である。これは、三重らせん構造の組み立てにより、この残基がらせんの内側（軸）に配置され、そこにはグリシンの単一の水素原子よりも大きな側基のためのスペースがないからである。同じ理由で、プロリンとヒプロメタンスルホン酸の環は外側を向いていなければならない。これら2つのアミノ酸は三重らせん構造を安定化させるのに役立ち、ヒプロメタンスルホン酸の方がプロリンよりもさらにその効果が強い。体温がほとんどの温血動物よりも低い魚類などの動物では、これらの濃度を低く抑える必要がある。プロリンとヒドロキシプロリン含有量が低いのは冷水魚の特徴であるが、温水魚ではそうではない。温水魚は、哺乳類と同様のプロリンとヒドロキシプロリン含有量を示す傾向がある。^[24]冷水魚やその他の変温動物はプロリンとヒドロキシプロリン含有量が低いため、それらのコラーゲンは哺乳類のコラーゲンよりも熱安定性が低い。^[24]この低い熱安定性は、魚コラーゲン由来のゼラチンが多くの食品や工業用途には適さないことを意味します。

トロポコラーゲンサブユニットは、組織の細胞外空間で、規則的にずらした末端を持つさらに大きな配列に自発的に自己組織化する。 ^{[30] [31]}フィブリルのさらなる組み立ては、フィブリポジターから完全に形成されたフィブリルを堆積する線維芽細胞によって誘導される。フィブリルコラーゲンでは、分子は隣接する分子と約 67  nmずらして配置されている (これは「D」と呼ばれる単位であり、集合体の水和状態に応じて変化する)。ミクロフィブリルの各 D 周期繰り返しには、断面に 5 つの分子を含む「オーバーラップ」と呼ばれる部分と、4 つの分子のみを含む「ギャップ」と呼ばれる部分がある。^[32]これらのオーバーラップ領域とギャップ領域は、ミクロフィブリルがフィブリルに組み立てられるときに保持されるため、電子顕微鏡を使用して観察できる。微小繊維中の三重らせん状のトロポコラーゲンは、準六角形のパッキングパターンで配列されている。^{[32] [33]}

三重らせん構造内には共有結合による架橋が多少あり、トロポコラーゲンらせん構造間にはさまざまな量の共有結合による架橋があり、よく組織化された凝集体（原繊維など）を形成しています。 ^[34]より大きな原繊維束は、いくつかの異なるクラスのタンパク質（異なるコラーゲンタイプを含む）、糖タンパク質、およびプロテオグリカンの助けを借りて形成され、同じ主要な要素の交互の組み合わせからさまざまな種類の成熟組織を形成します。^[31]コラーゲンの不溶性は、若い動物のトロポコラーゲンはまだ完全に架橋されていないため抽出できることが判明するまで、モノマーコラーゲンの研究の障壁でした。しかし、顕微鏡技術（電子顕微鏡（EM）および原子間力顕微鏡（AFM））およびX線回折の進歩により、研究者はコラーゲン構造のより詳細な画像をその場で取得できるようになりました。^[35]これらの後者の進歩は、コラーゲン構造が細胞間および細胞とマトリックス間のコミュニケーションにどのように影響するか、また組織が成長と修復においてどのように構築され、発達と疾患においてどのように変化するかをよりよく理解するために特に重要です。^{[36] [37]}たとえば、AFMベースのナノインデンテーションを使用すると、単一のコラーゲン原線維が軸方向に沿って不均一な材料であり、ギャップ領域とオーバーラップ領域で機械的特性が大きく異なることが示され、これら2つの領域での異なる分子構造と相関しています。^[38]

コラーゲン原線維/凝集体は、様々な組織で異なる組み合わせと濃度で配置され、さまざまな組織特性をもたらします。骨では、コラーゲン三重らせん全体が平行に交互に配列されています。トロポコラーゲンサブユニットの端の間の40 nmのギャップ（ギャップ領域とほぼ同じ）は、おそらく、ヒドロキシアパタイト（約）Ca ₁₀（OH）₂（PO ₄）₆であるミネラル成分の長くて硬い微細結晶が沈着するための核形成部位として機能します。^{[39] I型コラーゲンは骨に}引張強度を与えます。

コラーゲン関連疾患は、通常、生合成、組み立て、翻訳後修飾、分泌、または正常なコラーゲン生成に関与するその他のプロセスに影響を及ぼす遺伝的欠陥または栄養不足によって発生します。

上記の疾患に加えて、強皮症ではコラーゲンの過剰な沈着が起こります。

20種類以上のコラーゲンのうち12種類で1000の変異が確認されています。これらの変異は組織レベルでさまざまな疾患を引き起こす可能性があります。^[41]

骨形成不全症– 1型コラーゲンの変異によって引き起こされる優性常染色体疾患で、骨が弱くなり、結合組織が不規則になります。症状が軽い場合もあれば、致命的な場合もあります。軽症では1型コラーゲンのレベルが低下し、重症ではコラーゲンの構造的欠陥が見られます。^[42]

軟骨異形成症- 2型コラーゲンの変異によって引き起こされると考えられている骨格障害で、これを確認するためのさらなる研究が行われている。^[43]

エーラス・ダンロス症候群– 結合組織の変形を引き起こすこの疾患には13の異なるタイプが知られています。^[44]まれなタイプの中には致命的なものもあり、動脈破裂につながります。各症候群は異なる変異によって引き起こされます。たとえば、この疾患の血管型（vEDS）は、コラーゲン3型の変異によって引き起こされます。^[45]

アルポート症候群– 遺伝的に受け継がれる可能性があり、通常はX連鎖優性遺伝として受け継がれますが、常染色体優性遺伝や常染色体劣性遺伝として受け継がれることもあります。この病気の患者は腎臓や目に問題があり、小児期や青年期に聴覚障害を発症することもあります。^[46]

ノブロック症候群– コラーゲンXVIIIの生成をコードするCOL18A1遺伝子の変異によって引き起こされる。患者は脳組織の突出と網膜の変性を呈する。この疾患を持つ家族がいる人は、遺伝的つながりがあるため、自分自身も発症するリスクが増加する。^[41]

合成しない場合、コラーゲンは動物の皮から採取することができます。パラグアイでは、大規模なコラーゲン生産者が牛の放牧のために伐採された地域から大量の牛の皮を購入しているため、森林破壊につながっています。^[47]

コラーゲンは長い繊維状の構造タンパク質の1つで、その機能は酵素などの球状タンパク質とはまったく異なります。コラーゲン繊維と呼ばれるコラーゲンの強靭な束は、ほとんどの組織を支え、細胞に外側から構造を与える細胞外マトリックスの主要成分ですが、コラーゲンは特定の細胞の内部にも存在します。コラーゲンは引張強度が高く、筋膜、軟骨、靭帯、腱、骨、皮膚の主成分です。 ^{[48] [49]}エラスチンや軟ケラチンとともに、肌の強度と弾力性を担っており、その劣化は老化に伴うシワの原因となります。^[50]血管を強化し、組織の発達にも役立ちます。目の角膜や水晶体には結晶の形で存在します。中生代や古生代の骨でも頻繁に化石化していることから、化石記録の中で最も豊富なタンパク質の一つである可能性がある。^[51]

コラーゲンは、スケールによって大きく異なる 機械的特性を持つ複雑な階層構造の物質です。

分子レベルでは、原子レベルおよび粗粒度のモデリングシミュレーション、ならびに多数の実験方法により、分子レベルでのコラーゲンのヤング率の推定値がいくつか得られている。特定のひずみ速度を超えると、弾性率とひずみ速度の間に強い関係が見られるが、これはコラーゲン分子内の原子数が多いためと考えられる。^[52]分子の長さも重要であり、分子が長いほど短い分子よりも引張強度が低くなるが、これは短い分子では水素結合が大部分で切断・再形成されるためである。^[53]

線維スケールでは、コラーゲンは分子スケールに比べて弾性率が低く、形状、観察スケール、変形状態、水和レベルによって異なります。^[52]架橋密度を分子あたり0から3に増加させることで、線維が支えられる最大応力は0.5GPaから6GPaに増加します。^[54]

コラーゲン繊維の引張強度に関する試験は限られているが、一般的には原線維に比べてヤング率が低いことが示されている。^[55]

コラーゲンの機械的特性を研究する場合、腱は純粋で整列したコラーゲン構造に近いため、理想的な材料としてよく選ばれます。しかし、マクロの組織スケールでは、コラーゲン繊維と原繊維が配列される構造が膨大であるため、特性は大きく異なります。たとえば、腱は主に平行繊維ですが、皮膚は波状繊維の網目構造で構成されているため、皮膚に比べて腱の強度ははるかに高く、延性は低くなります。複数の階層レベルでのコラーゲンの機械的特性を示します。

コラーゲンは粘弾性固体として知られています。コラーゲン繊維を、それぞれが並列のスプリングとダッシュポットで構成される直列の 2 つのケルビン-フォークト モデルとしてモデル化すると、繊維のひずみは次の式に従ってモデル化できます。

${\displaystyle {\frac {d\epsilon _{D}}{d\epsilon _{T}}}=\alpha +(\beta -\alpha )exp[-\gamma {\frac {\epsilon _{T}}{\dot {\epsilon _{T}}}}]}$

ここでα、β、γは定義された材料特性、εD_は繊維ひずみ、εT_は全ひずみである。^[60]

コラーゲンは食品から医療まで幅広い用途に使用されています。^[61]医療業界では、美容整形や火傷手術に使用されています。食品分野での使用例としては、ソーセージのケーシングが挙げられます。

加熱などによりコラーゲンが十分に変性すると、3本のトロポコラーゲン鎖が部分的または完全に球状ドメインに分離し、ランダムコイルの通常のコラーゲンポリプロリンII（PPII）とは異なる二次構造を持つようになる。このプロセスはゼラチンの形成に関係しており、ゼラチンはフレーバーゼラチンデザートなど多くの食品に使用されている。食品以外にも、ゼラチンは製薬、化粧品、写真業界で使用されている。また、栄養補助食品としても使用され、老化防止の潜在的治療法として宣伝されている。^{[62] [63] [64]}

ギリシャ語で接着剤を意味する「コラ」に由来するコラーゲンという言葉は「接着剤製造者」を意味し、接着剤を得るために馬や他の動物の皮や腱を煮るという初期の工程を指しています。コラーゲン接着剤は約4,000年前にエジプト人によって使用され、ネイティブアメリカンは約1,500年前に弓に使用しました。炭素年代測定で8,000年以上前のものと判明した世界最古の接着剤はコラーゲンでした。ロープバスケットや刺繍 布の保護裏地として、食器を留めるために、そして人間の頭蓋骨の十字形の装飾に使用されました。^[65]コラーゲンは通常ゼラチンに変換されますが、乾燥した条件により生き残りました。動物の接着剤は熱可塑性で、再加熱すると再び柔らかくなるため、バイオリンやギターなどの楽器の製造に今でも使用されています。これらの楽器は修理のために再度開ける必要があり、永久的な強靭な合成プラスチック接着剤とは相性がよくありません。動物の腱や皮、皮革は、何千年もの間、有用な品物を作るために使用されてきました。

ゼラチン-レゾルシノール-ホルムアルデヒド接着剤（ホルムアルデヒドの代わりに毒性の低いペンタジアールやエタンジアールを使用）は、ウサギの肺の実験的切開の修復に使用されてきた。^[66]

牛由来のコラーゲンは、しわや肌の老化を美的に矯正するための皮膚充填剤として広く使用されています。 ^[67]コラーゲンは繊維が大きすぎるため肌に浸透できないにもかかわらず、コラーゲンクリームも広く販売されています。^{[68]コラーゲンは、}皮膚、髪、爪、その他の組織に不可欠なタンパク質です。コラーゲンの生成は、加齢や日焼けや喫煙などの要因によって減少します。魚や牛などの原料から抽出されたコラーゲンサプリメントは、肌、髪、爪を改善するために販売されています。研究では肌にいくつかの利点があることが示されていますが、これらのサプリメントには他の有益な成分が含まれていることが多く、コラーゲンだけで効果があるかどうかは不明です。髪と爪に対するコラーゲンの利点を裏付ける証拠はほとんどありません。全体として、経口コラーゲンサプリメントの有効性は十分に証明されておらず、健康的なライフスタイルと日焼け止めなどの実証済みのスキンケア方法に重点を置くことが推奨されます。^[69]

コラーゲンの分子構造とパッキング構造は、数十年にわたる研究にもかかわらず、科学者の理解を妨げてきた。分子レベルでコラーゲンが規則的な構造を持っているという最初の証拠は、1930年代半ばに提示された。^{[70] [71]}その後、研究はコラーゲンモノマーの立体構造に集中し、個々のペプチド鎖の立体構造を正しく扱っているものの、いくつかの競合モデルが生み出された。 1955年にGNラマチャンドランが提唱した三重らせん「マドラス」モデルは、コラーゲンの四次構造の正確なモデルを提供した。 ^{[72] [73] [74] [75] [76]}このモデルは、20世紀後半のより高解像度のさらなる研究によって裏付けられた。^{[77] [78] [79] [80]}

コラーゲンのパッキング構造は、フィブリルコラーゲン型以外では同程度には定義されていないが、六角形であることは古くから知られている。^{[33] [81] [82]}モノマー構造と同様に、いくつかの相反するモデルでは、コラーゲン分子のパッキング配置は「シート状」であるか、ミクロフィブリル状であると提案されている。^{[83] [84]}腱、角膜、軟骨のコラーゲンフィブリルのミクロフィブリル構造は、20世紀後半から21世紀初頭にかけて電子顕微鏡で直接画像化された。 ^{[85] [86] [87]}ラットの尾の腱のミクロフィブリル構造は、観察された構造に最も近いものとしてモデル化されたが、隣接するコラーゲン分子の位相的進行を単純化しすぎていて、ミクロフィブリルと呼ばれる不連続なD周期五量体配置の正しい構造を予測していなかった。^{[32] [88] [89]}

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