कोलेजन

कोलेजन एक स्वाभाविक रूप से पाए जाने वाले प्रोटीन का समूह है। प्रकृति में, यह जानवरों में विशेष रूप से पाया जाता है। यह संयोजी ऊतक का मुख्य प्रोटीन है। यह स्तनपायियों में प्रचुर मात्रा में पाया जाने वाला प्रोटीन है, जो समग्र-शरीर की प्रोटीन सामग्री का लगभग 25% से 35% अंश बनता है।
मांसपेशी ऊतक में यह एंडोमिशियम के एक प्रमुख घटक के रूप में कार्य करता है। मांसपेशी ऊतक का 1% से 2% कोलेजन से बना है और मज़बूत, कंडरीय मांसपेशियों के वज़न का 6% इससे गठित है। जिलेटिन, जिसका खाद्य और उद्योग में प्रयोग किया जाता है, कोलेजन से व्युत्पन्न है।

इतिहास और पृष्ठभूमि

कोलेजन की आण्विक और पैकिंग संरचनाओं को दशकों तक वैज्ञानिक समझ नहीं पाए; 1930 दशक के मध्य में पहला प्रमाण प्रस्तुत किया गया कि आण्विक स्तर पर इनकी नियमित संरचना है। उस समय से कई प्रमुख विद्वान, जिनमें शामिल हैं (पर इस तक ही सीमित नहीं) नोबेल पुरस्कार विजेता क्रिक, पॉलिंग, रिच, योनाथ, ब्रॉडस्की, बर्मन और रामचंद्रन जिन्होंने कोलेजन एकलक की रचना पर ध्यान केंद्रित किया। कई प्रतियोगी मॉडलों ने बहरहाल प्रत्येक पेप्टाइड श्रृंखला की रचना के संबंध में सही ढंग से व्यवहृत करते हुए, त्रिविध-सर्पिल "मद्रास" मॉडल का मार्ग प्रशस्त किया, जिसने लगभग सही आण्विक चतुष्क संरचना उपलब्ध कराया, हालांकि इस मॉडल में अभी भी कुछ शोधन अपेक्षित थे. कोलेजन की पैकिंग संरचना को तंतुमय कोलेजन प्रकारों के बाहर उसी मात्रा तक परिभाषित नहीं किया गया, हालांकि लंबे समय से उसके षड्भुजाकार या अर्ध-षड्भुजाकार होने की बात ज्ञात थी. उसकी एकलक संरचना के समान ही, कई परस्पर विरोधी मॉडलों ने निर्दिष्ट किया कि कोलेजन अणुओं की पैंकिंग व्यवस्था या तो 'चादर की तरह' है या सूक्ष्मतंतुमय. हाल ही में यह पुष्टि की गई कि फ्रेज़र, मिलर, वेस (अन्य लोगों के साथ-साथ) द्वारा वर्णित सूक्ष्मतंतुमय संरचना, प्रेक्षित संरचना के सबसे करीब थी, यद्यपि उसने निकटस्थ कोलेजन अणुओं की सांस्थितिक प्रगति को अति सरल बना दिया था और इसलिए असतत डी-आवधिक पंचतयी व्यवस्था, जिसे आसानी से कहें तो: सूक्ष्मतंतु की संरचना का सही पूर्वानुमान नहीं लगा सका।

आण्विक संरचना

ट्रोपोकोलेजन या "कोलेजन अणु", तंतु जैसे बड़े कोलेजन समुच्चय की उप-इकाई है। यह लगभग 300 nm और लंबे और 1.5 nm व्यास के, तीन पॉलीपेप्टाइड रेशों (जो अल्फ़ा श्रृंखलाएं कहलाते हैं) का बना है, जहां प्रत्येक में बाएं हाथ की सर्पिल रचना शामिल है (इसके नाम को आम दाएं हाथ की संरचना, अल्फ़ा हेलिक्स से भ्रमित नहीं होना चाहिए). ये तीन बाएं हाथ के सर्पिलों को दाएं हाथ के कुंडलित कॉइल, एक ट्रिपल हेलिक्स या "सुपर हेलिक्स", कई हाइड्रोजन बांड द्वारा दृढ़ीकृत सहयोगी चतुष्क संरचना में साथ मरोड़ा जाता है। टाइप I कोलेजन के साथ और सभी कोलेजन नहीं तो, संभवतः सभी तंतुमय कोलेजन, प्रत्येक ट्रिपल-हेलिक्स दाएं हाथ के सुपर-सुपर-कॉइल में संबद्ध होता है, जिसे कोलेजन सूक्ष्मतंतु के रूप में सन्दर्भित किया जाता है। प्रत्येक सूक्ष्मतंतु अपने निकटतम सूक्ष्मतंतु के साथ इस मात्रा तक एकांतरित होता है कि लगता है वे व्यक्तिगत रूप से अस्थिर रहे हों हालांकि कोलेजेन तंतुओं के भीतर वे स्फटिक के समान, अच्छी तरह से व्यवस्थित होते हैं।
कोलेजन की एक सुस्पष्ट विशेषता है इन कोलेजन उप-इकाइयों की तीन श्रृंखलाओं में प्रत्येक में एमिनो एसिड की नियमित व्यवस्था। अनुक्रम अक्सर Gly-Pro-Y या Gly-X-Hyp के पैटर्न का अनुकरण करता है, जहां X और Y कोई अन्य विभिन्न एमिनो एसिड अवशेष हो सकते हैं। प्रोलाइन या हाइड्रॉक्सीप्रोलाइन कुल अनुक्रम का 1/6 गठित करते हैं। अनुक्रम का 1/3 ग्लाइसिन होते हुए, इसका मतलब है कि लगभग कोलेजन अनुक्रम का आधा भाग ग्लाइसिन, प्रोलाइन या हाइड्रॉक्सीप्रोलाइन नहीं है, एक तथ्य जो अक्सर कोलेजन अल्फा-पेप्टाइड्स के असामान्य GXY स्वभाव के विक्षेप के कारण ध्यान में नहीं रहता. इस तरह का नियमित दोहराव और उच्च ग्लाइसिन सामग्री केवल कुछ अन्य तंतुमय प्रोटीन में पाई जाती है, जैसे कि रेशमी फ़ाइब्राइन. रेशम का 75-80% (लगभग) 10% सेरिन और एलास्टिन के साथ -Gly-Ala-Gly-Ala- है जिसमें ग्लाइसिन, प्रोलाइन और एलनाइन (Ala) प्रचुर मात्रा में है, जिसका पार्श्व समूह छोटा निष्क्रिय मिथाइल समूह है। ऐसे उच्च ग्लाइसिन और नियमित दोहराव, अपने अनुक्रम के बहुत ही कम वर्गों के सिवाय, गोलाकार प्रोटीन में कभी नहीं पाए गए। संरचनात्मक प्रोटीनों में रासायनिक-प्रतिक्रियाशील पार्श्व समूहों की जरूरत नहीं रही है, चूंकि वे एंज़ाइमों और परिवहन प्रोटीनों में रहे हैं, तथापि कोलेजन सिर्फ़ एक संरचनात्मक प्रोटीन नहीं है। कोशिका फ़ीनोटाइप, कोशिका आसंजन, ऊतक विनियमन और बुनियादी ढांचे के निर्धारण में उसकी महत्वपूर्ण भूमिका के कारण, उसके कई गैर प्रोलाइन समृद्ध क्षेत्रों के कई वर्गों में कोशिका या मैट्रिक्स सहयोग / विनियमन भूमिकाएं मौजूद रहती है। प्रोलाइन और हाइड्रॉक्सीप्रोलाइन की अपेक्षाकृत उच्च सामग्री, उनके ज्यामितीय कृत्रिम कार्बाक्सिल और (माध्यमिक) एमीनो समूहों के साथ, ग्लाइसिन की समृद्ध मात्रा सहित, व्यक्तिगत पॉलीपेप्टाइड लड़ियों द्वारा बिना अंतःश्रृंखला हाइड्रोजन बांड के बिना, अनायास बाएं हाथ के हेलिक्स रचने के स्वभाव के कारक हैं।
क्योंकि ग्लाइसिन बिना पार्श्व-श्रृंखला के छोटी एमीनो एसिड है, यह तंतुमय संरचनात्मक प्रोटीन में एक अद्वितीय भूमिका निभाती है। कोलेजन में, हर तीसरे स्थान में Gly की ज़रूरत होती है, क्योंकि ट्रिपल हेलिक्स का संयोजन इस अवशेष को हेलिक्स के अंतरंग (अक्ष) में रखता है, जहां ग्लाइसिन के एकल हाइड्रोजन परमाणु के अलावा बड़े पार्श्व समूह के लिए कोई जगह नहीं है। इसी कारण से, Pro और Hyp के छल्ले बाहर की ओर निर्दिष्ट होने चाहिए। ये दो एमिनो एसिड ट्रिपल Pro की तुलना में हेलिक्स-Hyp की स्थिरता में मदद करते हैं—मछली जैसे प्राणियों में इनकी कम सांद्रता अपेक्षित है, जिनके शरीर का तापमान अधिकांश नियततापी प्राणियों से कम होता है।

तंतुमय संरचना

ट्रोपोकोलेजन उप-इकाइयां, नियमित टेढ़े-मेढ़े छोर के साथ, ऊतकों के कोशिकाबाह्य रिक्त स्थानों में और भी बड़े विन्यास में, अनायास स्वतः-संयोजित होती हैं। तंतुमय कोलेजन में, अणु एक दूसरे से लगभग 67 nm (एक इकाई जिसे ‘D’ के रूप में सन्दर्भित किया जाता है और समुच्चय के जलयोजन दशा के आधार पर परिवर्तित होता है) विचलित होते हैं। प्रत्येक D-अवधि में 4 और कोलेजन अणुओं का एक अंश होता है। इसका कारण यह है कि 300 nm को 67 nm से विभाजित करने पर (कोलेजन अणु की लंबाई के विचलन दूरी D से विभाजन द्वारा) पूर्णांक नहीं मिलता है। अतः सूक्ष्मतंतु के प्रत्येक D-अवधि दोहराव पर, अनुप्रस्थ-काट में पांच अणुओं वाला हिस्सा होता है-जिसे "ओवरलैप" कहते हैं और "गैप" कहलाने वाला 4 अणुओं वाला हिस्सा होता है। दोनों, गैप और ओवरलैप क्षेत्रों में, ट्रिपल हेलिक्स अनुप्रस्थ-काट में षड्भुजाकार या अर्ध-षड्भुजाकार विन्यास में व्यवस्थित होते हैं।.
ट्रिपल हेलिक्स के अंदर कुछ सहसंयोजक तिर्यक बंधन मौजूद हैं और सुव्यवस्थित समुच्चय (जैसे तंतु) गठित करने वाले ट्रोपोकोलेजन हिलक्स के बीच सहसंयोजक तिर्यक बंधन की अस्थिर मात्रा मौजूद है। विभिन्न वर्ग के प्रोटीन (अलग प्रकार के कोलेजन सहित), ग्लाइकोप्रोटीन और प्रोटियोग्लाइकन की मदद से कई बड़े तंतुमय बंडलों का गठन होता है, जिससे उन्हीं प्रमुख क्रिया तत्वों के वैकल्पिक संयोजन से विभिन्न प्रकार के परिपक्व ऊतकों का गठन हो।  कोलेजन की अविलेयता एकलक कोलेजन के अध्ययन के लिए यह पाए जाने तक बाधा रही है कि छोटे पशुओं से ट्रोपोकोलेजन को निकाला जा सकता है क्योंकि वे अभी तक पूरी तरह तिर्यक बंधन में नहीं हैं। तथापि, माइक्रोस्कोपी तकनीक में उन्नति (इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (EM) और परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM)) और एक्स-रे विवर्तन ने शोधकर्ताओं को स्वस्थानी कोलेजन संरचना के अधिक विस्तृत चित्र प्राप्त करने में सक्षम बनाया है। बाद की ये उन्नति यह समझने के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है कि कौन-सी कोलेजन संरचना कोशिका-कोशिका और कोशिका-मैट्रिक्स संप्रेषण को प्रभावित करती है तथा किस प्रकार वृद्धि और मरम्मत में ऊतकों का निर्माण और विकास तथा रोग में परिवर्तन होता है।
कोलेजन तंतु, कोलेजन अणुओं के अर्द्ध क्रिस्टलीय समुच्चय होते हैं। कोलेजन रेशे तंतुओं के बंडल हैं।
कोलेजन तंतु/समुच्चय भिन्न ऊतक गुणों को उपलब्ध कराने के लिए विभिन्न ऊतकों के अलग-अलग संयोजन और सांद्रताओं में व्यवस्थित होते हैं। अस्थि में, संपूर्ण कोलेजन ट्रिपल हेलिक्स एक समानांतर, टेढ़े-मेढ़े विन्यास में पड़े रहते हैं। ट्रोपोकोलेजन उप-इकाइयों के सिरों पर 40 nm अंतराल (लगभग अंतर के क्षेत्र के बराबर) संभवतः खनिज घटक के लंबे, मज़बूत, महीन क्रिस्टल जमा करने के लिए केंद्रक स्थल का काम करते हैं, जोकि (लगभग) हाइड्रॉक्सियापटाइट, कुछ फ़ास्फ़ेट सहित Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ है।

इस प्रकार कुछ तरह की उपास्थि हड्डी में बदल जाती हैं। टाइप I कोलेजन अस्थि को उसकी तन्य शक्ति प्रदान करता है।

सिंथेटिक रोगजनन

विटामिन C की कमी से स्कर्वी रोग होता है, जो एक गंभीर और दर्दनाक बीमारी है, जिसमें दोषपूर्ण कोलेजन मजबूत संयोजी ऊतक के गठन को रोकता है। मसूड़े ख़राब हो जाते हैं और दांत गिरने के साथ उनसे खून बहने लगता है; त्वचा फीकी पड़ जाती है और घाव नहीं भरते हैं। अठारहवीं सदी से पहले, यह दशा लंबी अवधि के सैन्य, विशेषकर नौसेना अभियानों में कुख्यात था, जिसके दौरान प्रतिभागियों को विटामिन C युक्त खाद्य पदार्थों से वंचित रखा जाता था।
रक्तिम त्वचायक्ष्मा या गठियारूप संधिशोथ जैसे स्वप्रतिरक्षी रोग का स्वस्थ कोलेजन तंतुओं पर हमला हो सकता है।
कई बैक्टीरिया और वायरस विषैलेपन के कारक हैं, जो कोलेजन नष्ट करते हैं या उसके उत्पादन में हस्तक्षेप करते हैं।

प्रयोग

कोलेजन लंबे, तंतुमय संरचनात्मक प्रोटीनों में से एक है, जिसका कार्य एंज़ाइम जैसे गोलाकार प्रोटीनों से काफी अलग है। कोलेजन फाइबर कहे जाने वाले कोलेजन के मज़बूत बंडल, बहिर्कोशिकीय मैट्रिक्स के प्रमुख घटक है जो अधिकांश ऊतकों को समर्थन देते हैं और बाहर से कोशिका की संरचना करते हैं, लेकिन कोलेजन कुछ कोशिकाओं में ये अंदर भी पाए जाते हैं। कोलेजन में अधिक तन्य शक्ति है और यह प्रावरणी, उपास्थि, स्नायु, कंडरा, हड्डी और त्वचा का मुख्य घटक है। मुलायम केरातिन के साथ, यह त्वचा के लोच और शक्ति के लिए जिम्मेदार है और इसके अपकर्ष से उम्र के बढ़ने के साथ झुर्रियां पड़ने लगती हैं। यह धमनियों को मज़बूत करता है और ऊतकों के विकास में भूमिका निभाता है। यह क्रिस्टलीय स्वरूप में कॉर्निया और आंख के लेंस में मौजूद रहता है। इसका उपयोग कॉस्मेटिक सर्जरी और दाहक सर्जरी में किया जाता है। हाइड्रोलाइज़ कोलेजन प्रोटीन के रूप में वज़न प्रबंधन में महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकता है, उसकी परितृप्ति शक्ति के लिए फ़ायदेमंद तरीक़े से इसका इस्तेमाल किया जा सकता है।

औद्योगिक उपयोग

अगर कोलेजन को पर्याप्त रूप से विकृत किया जाए, जैसे तापन द्वारा, तीन ट्रोपोकोलेजन रेशे गोलाकार डोमेन में आंशिक रूप से या पूर्णतः अलग हो जाते हैं, जिसमें एक अलग सामान्य कोलेजन पॉलीप्रोलाइन II (PPII) गौण संरचना शामिल होती है, उदा. यादृच्छिक कॉयल यह प्रक्रिया जेलटिन के गठन को वर्णित करती है, जिसका उपयोग फ़्लेवर्ड जेलटिन डेज़र्ट सहित कई खाद्य-सामग्रियों में किया जाता है। खाद्य-पदार्थों के अलावा, जेलटिन का उपयोग औषधीय, कॉस्मेटिक और फ़ोटोग्राफ़ी उद्योगों में किया जाता है। पोषण की दृष्टि से, कोलेजन और जेलटिन प्रोटीन के ख़राब गुणवत्ता वाले एकल स्रोत हैं, चूंकि उनमें मानव शरीर की ज़रूरत के अनुसार सभी आवश्यक एमिनो एसिड शामिल नहीं हैं—वे 'संपूर्ण प्रोटीन' नहीं हैं (जैसा कि खाद्य-विज्ञान में परिभाषित किया गया है, इसलिए नहीं कि वे आंशिक रूप से संरचित हैं). कोलेजन-आधारित पथ्य पूरक आहार निर्माताओं का दावा है कि उनके उत्पाद त्वचा और नाखून की गुणवत्ता तथा साथ ही जोड़ों के स्वास्थ्य में सुधार कर सकते हैं। तथापि, इन दावों के समर्थन में मुख्यधारा के वैज्ञानिक अनुसंधान ने कोई मज़बूत सबूत नहीं दिखाए हैं। इन क्षेत्रों में समस्याओं से जूझने वाले व्यक्ति सामान्यतः केवल प्रोटीन की कमी नहीं बल्कि किसी अन्य अंतर्निहित दशा से पीड़ित हो सकते हैं (जैसे सामान्य तौर पर उम्र बढ़ना, शुष्क त्वचा, गठिया आदि).
यूनानी में गोंद के लिए प्रयुक्त शब्द कोला से व्युत्पन्न कोलेजन का अर्थ है "गोंद निर्माता" और गोंद प्राप्त करने के लिए घोड़े तथा अन्य जानवरों की त्वचा और नसों को उबालने की प्राचीन प्रक्रिया को सन्दर्भित करता है। 4,000 साल पहले मिस्रवासियों द्वारा कोलेजन आसंजक का उपयोग किया जाता था और 1,500 साल पहले मूल अमेरिकी धनुष में इसका प्रयोग करते थे। दुनिया में सबसे पुराना गोंद, कार्बन-कालनिर्धारण के अनुसार 8000 वर्ष से अधिक पुराना जो पाया गया, वह है कोलेजन—जिसका उपयोग रस्सी की टोकरियों और कढ़ाई किए गए कपड़ों में सुरक्षात्मक अस्तर के रूप में और बर्तनों को साथ जोड़ने; और साथ ही मानव खोपड़ी पर सजावट के लिए किया जाता था। सामान्य रूप से कोलेजन जेलटिन में बदलता है, लेकिन सूखी स्थिति के कारण बच गया। पशु गोंद थर्मोप्लास्टिक हैं, जो दुबारा गर्म करने पर नरम पड़ जाते हैं और इसलिए वे अभी भी संगीत वाद्य-यंत्रों के निर्माण में प्रयुक्त किए जा रहे हैं, जैसे बढ़िया वायलिन और गिटार, जिनकी मरम्मत के लिए उन्हें खोलने की ज़रूरत होती है—एक अनुप्रयोग जो कठोर, सिंथेटिक प्लास्टिक गोंद के साथ मुश्किल है, जोकि स्थाई होते हैं। चमड़े सहित पशुओं की नसें और खाल, सदियों से उपयोगी सामग्री बनाने में इस्तेमाल होता रहा है।
जेलटिन-रीसोरसिनॉल फ़ॉरमाल्डिहाइड गोंद (और कम विषैले पेन्टेनेडियल तथा एथेनेडियल द्वारा प्रतिस्थापित फ़ॉर्माल्डिहाइड) का उपयोग खरगोश के फेफड़ों में प्रयोगात्मक चीर-काट की मरम्मत के लिए किया गया है।

जीवाश्म रिकॉर्ड

चूंकि कोलेजन के संश्लेषण के लिए उच्च स्तरीय वायुमंडलीय ऑक्सीजन की आवश्यकता होती है, जटिल जानवर तब तक विकसित होने में सक्षम ना रहे होंगे, जब तक कि कोलेजन संश्लेषण के लिए वायुमंडल में पर्याप्त ऑक्सीजन रहा हो।  कोलेजन की उत्पत्ति ने उपचर्म, खोल और मांसपेशियों के निर्माण को अनुमत किया होगा। तथापि, जीवाश्म रिकॉर्ड में कोलेजन संरक्षण बहुत दुर्लभ है। ऐसे कई प्रमाण हैं—जो विवादास्पद बने हुए हैं—कि कोलेजन नमूने डायनासोर में लंबे समय पूर्व से ही संरक्षित किए गए हैं million years ago.
इसके अलावा नोटिंग के लायक हैं, टीरोसॉर्स के पंखों पर किरण-तंतुक, कोलेजन रेशे.

कला

जूलियन वॉस-एंड्रिया ने कोलेजन संरचना के आधार पर बांस और स्टेनलेस स्टील से प्रतिमाएं बनाई हैं। उनकी रचना अनरैवलिंग कोलेजन, उनके अनुसार, "कालप्रभावन और वृद्धि का रूपक" है।