其基本结构为三股胶原蛋白多肽链相互缠绕形成的三螺旋结构，直径为1.5nm。部分类型的胶原蛋白三螺旋可组合成相互平行的有序多聚体，称为胶原蛋白纤丝（collagen fibril），其直径在10-300nm，长度可达几μm。
胶原蛋白纤丝可以进一步组装成直径为0.5-3μm、长度为上百μm的胶原蛋白纤维（collagen fibre），这是细胞外基质最主要的组成部分之一。胶原蛋白纤维的取向受成纤维细胞（fibroblast）控制。
例如在腱组织中，成纤维细胞会牵引胶原纤维定向移动，使其按照组织中张力的轴线方向分布。
另外一些类型的胶原蛋白起在胶原纤维表面进行修饰的作用，用以促进胶原纤维之间及它们与细胞外基质中其它成分如糖蛋白的连接。
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