Qué es el colágeno | Características

El colágeno es una molécula proteica que forma fibras, las fibras colágenas, que están presentes en cantidad variable en casi todos los tipos de tejido conjuntivo . Las fibras de colágeno son unas estructuras que proporcionan resistencia a la tensión y flexibilidad. Son acidófilas . Están formadas por fibrillas.

El punto de ruptura de las fibras colágenas de los tendones humanos se llega con una fuerza de varios cientos de kilogramos por centímetro cuadrado. Para esta tensión sólo se han alargado un pequeño tanto por ciento de su longitud original. Cuando el colágeno se desnaturaliza por ebullición , se convierte en una sustancia conocida como gelatina .

Tratamientos como la mesoterapia, activan la producción de colágeno en el cuerpo humano. Del mismo modo, la radiofrecuencia, también estimula su desarrollo.

El colágeno está formado por una proteína precursora llamada tropocolágeno que mide alrededor de 300 nanómetrosde longitud y 1,4 nm de diámetro. El tropocolágeno está formado por tres cadenas polipeptídicas llamadas cadenas alfa, cada una de un peso molecular alrededor de 100.000 daltons .

Estas cadenas tienen una característica configuración helicoidal levógira que se ha llamado precisamente con su nombre hélice de colágeno. Las tres cadenas se enrollan y se fijan mediante enlaces transversales para formar una triple hélice dextrógira con una distancia entre las vueltas de 8,6 nanómetros.

El colágeno conforma una familia de moléculas estrechamente relacionadas pero genéticamente distintas, describiéndose varios tipos de colágeno y siendo los principales cuatro.

Qué es el colágeno | Para qué sirve

El colágeno es una proteína larga, fibrosa y estructural con funciones muy diferentes de las que realizan las proteínas globulares , como los enzimas . Las fibras de colágeno son un componente importante de la matriz extracelular que soporta la mayoría de los tejidos y da estructura a las células desde el exterior, aunque también se encuentra dentro de ciertas células.

El colágeno tiene una gran resistencia a la tracción , y es el principal componente de la fascia , los cartílagos , los ligamentos , los tendones , los huesos y la piel. Junto con la queratina blanda, es responsable de la fuerza y la elasticidad de la piel , y su degradación conduce a las arrugas que acompañan el envejecimiento humano .El colágeno fortalece los vasos sanguíneos y tiene un papel en el desarrollo de los tejidos . Está presente en la córnea y el cristalino del ojo en forma cristalina.

Hay alimentos como son los frutos rojos, que contienen licopeno, un pigmento vegetal que ayuda a crear colágeno.

Historia y antecedentes

Las estructuras moleculares y de embalaje del colágeno han eludido a los científicos durante décadas de investigación. La primera evidencia de que el colágeno posee una estructura regular a escala molecular fue presentada a mediados de 1930. Desde entonces, muchos académicos prominentes, incluyendo premios Nobel como Crick , Pauling , Rich y Yonath , y otros, incluyendo Brodsky, Berman, y Ramachandran, se concentraron en la conformación del monómerode colágeno.

Varios modelos, tratando correctamente la conformación de cada cadena de péptidos individuales, dieron lugar al modelo de la triple hélice “Madras”, el cual cuenta correctamente la estructura cuaternaria de la molécula, aunque en este modelo se requieren algunos ajustes.

La estructura de embalaje de colágeno no se ha definido con el mismo grado fuera de los tipos de colágeno fibrilar, aunque se ha sabido por mucho de tiempo que es hexagonal … o quasihexagonal.

Al igual que con su estructura monomérica, varios modelos en conflicto alegan que la disposición de embalaje de las moléculas de colágeno tiene “forma de lámina” o microfibrillas .  La estructura microfibrillas de las fibrillas de colágeno en el tendón, córnea y cartílago se ha fotografiado directamente con el microscopio electrónico.

En 2006, la estructura microfibrillas del tendón de adultos, según lo descrito por Fraser, Miller, y Wess (entre otros), se confirmó como la más cercana a la estructura observada, aunque simplifique la progresión topológica de las moléculas de colágeno vecinas, y por tanto no prediga la correcta conformación discontinua de la disposición D-pentámera periódica, dicha simplemente: microfibrillas.

Química del colágeno

El colágeno es un compuesto formado por una triple hélice, que generalmente consta de dos cadenas idénticas (α1) y una cadena adicional que difiere ligeramente en su composición química (α2). La composición de aminoácidos del colágeno es atípica por las proteínas, en particular con respecto a su elevado contenido de hidroxiprolina.

Los motivos más comunes en la secuencia de aminoácidos del colágeno son glicina-prolina-X y glicina-X-hidroxiprolina, donde X es cualquier aminoácido diferente de glicina, prolina o hidroxiprolina. La composición media de aminoácidos para el pescado y la piel de mamíferos es conocida.

Síntesis de colágeno

La síntesis de colágeno se produce dentro y fuera de la célula. La formación de colágeno que se traduce en fibrillas de colágeno (forma más común) se discute aquí. La malla de colágeno, que a menudo participa en la formación de sistemas de filtración es la otra forma del colágeno. Cabe señalar que todos los tipos de colágenos son hélices triples, y las diferencias radican en la composición de los péptidos alfa creados en el paso 2.

  1. La transcripción de ARNm : Hay aproximadamente 34 genes asociados con la formación de colágeno, cada uno que codifica una secuencia de ARNm específica, y suelen tener la ” COL ” como prefijo. El inicio de la síntesis de colágeno comienza con la activación de los genes que están asociados con la formación de un péptido alfa en particular (en general alfa 1, 2 o 3).
  2. La formación del pro-péptido : Una vez que sale el ARNm del núcleo de la célula y entra en el citoplasma, se une con las subunidades del ribosoma y se produce el proceso de traducción. La primera parte de la cadena de péptidos formada se conoce como la secuencia señal. La secuencia señal situada en el extremo N-terminal del péptido es reconocida por una partícula de reconocimiento de señal del retículo endoplasmático, que se encargará de dirigir el nuevo péptido en formación al retículo endoplasmático. Por tanto, una vez que se termina la síntesis del péptido, entra directamente en el retículo endoplasmático por el procesamiento post-traduccional.
  3. De péptido alfa a procolágeno : Tres modificaciones del pro-péptido llevan a la formación del péptido alfa. La triple hélice, que también es conocida como procolágeno, se forma antes de ser transportada en una vesícula de transporte hacia el aparato de Golgi. 1) El péptido señal a la N-terminal se disuelve, y la nueva molécula se conoce como pro-péptido . 2) Se hidroxilen las lisinas y prolinas por la acción de las enzimas lisil hidroxilasa y Prol hidroxilasa (para producir hidroxiprolina e hidroxilisina) con el fin de ayudar a la reticulación de los péptidos alfa.Este es el paso enzimático que requiere la vitamina C como cofactor. En el escorbuto, la falta de la hidroxilación de prolinas y lisinas causa una triple hélice defectuosa (que está formada por tres péptidos alfa). 3) La glicosilación se produce por adición de monómeros de glucosa o galactosa en los grupos hidroxilo de las lisinas, pero no de las prolinas. A partir de aquí los pro-péptidos hidroxilados y glucosilatos giran hacia la izquierda y luego la unión de tres pro-péptidos forman la triple hélice. Es importante recordar que esta molécula, conocida ahora como pro-colágeno , se compone de una parte en forma de hélice (centro) y dos cabezas sin ligar a cada extremo. En este punto el pro-colágeno, está contenido en una vesícula de transferencia destinada al aparato de Golgi.
  4. Modificación al Aparato de Golgi : En el aparato de Golgi, el pro-colágeno pasa a través de una última modificación post-traduccional, antes de ser secretado fuera de la célula. En este paso se añaden oligosacáridos y, a continuación, el péptido alfa empaqueta en vesículas secretoras destinadas al espacio extracelular.
  5. Formación de tropocol·lagen : Una vez fuera de la célula, las enzimas unidos a la membrana conocidos como peptidasas del colágeno , sacan el “cabezas sin atar” de la molécula de pro-colágeno. Lo que queda es conocido como tropocolágeno. Un defecto en este paso produce una de las colagenopatías conocidas como síndrome de Ehlers-Danlos . Este paso está ausente cuando se sintetiza el colágeno de tipo IV o malla de colágeno.
  6. Formación de las fibrillas de colágeno : la lisil oxidasa y enzimas extracelulares produce el paso final en la vía de la síntesis de colágeno. Esta enzima actúa sobre lisinas y hidroxilisina para producir grupos aldehído, que finalmente formarán enlaces covalentes entre las moléculas de tropocolágeno. Este polímero de tropocolágeno se conoce como fibrillas de colágeno.

Estructura molecular

Cada fibrillas de colágeno está formada por moléculas de tropocolágeno que se disponen de forma escalonada una al lado de otra de manera que se aprecia:

  • Una zona de brecha en la que hay vacíos
  • Una zona de superposición

La molécula de tropocolágeno o colágeno es una subunidad de agregados más grandes. Con aproximadamente 300 nm de largo y 1,5 nm de diámetro, se compone de tres cadenas polipeptídicas(denominadas péptidos alfa), cada una con la conformación de una hélice hacia la izquierda (su nombre no debe confundirse con el habitual estructura hélice alfa, una estructura con giro hacia la derecha).

Estas tres hélices con giro es a la izquierda forman una nueva espiral con giro es a la derecha, una triple hélice o “súper hélice”, una cooperativa estructura cuaternaria estabilizada por muchos puentes de hidrógeno . El colágeno tipo I y, posiblemente, todos los colágenos fibrilares, si no todos los colágenos, forman estas triples hélices conocidas como microfibrillas de colágeno.

Cada microfibrillas es interdigitada con sus microfibrillas vecinas hasta el punto que podría sugerir que son inestables de forma individual, aunque cada fibrillas de colágeno está perfectamente ordenada.

Característica distintiva del colágeno

Una característica distintiva de colágeno es la disposición regular de los aminoácidos en cada una de las tres cadenas de estas subunidades del colágeno. La secuencia menudo sigue el patrón Gly – Pro -X o Gly-X- HYP , donde X puede ser cualquiera del resto de residuos de aminoácidos.La prolina y la hidroxiprolina constituyen aproximadamente 1/6 de la secuencia total.

Con un tercio de la secuencia formada por glicina, concluimos que aproximadamente la mitad de la secuencia de colágeno no es glicina, prolina o hidroxiprolina, un hecho a menudo olvidado por la distracción del inusual carácter GX 1 X 2 los péptidos alfa del colágeno .

El alto contenido en glicina al colágeno es importante en cuanto a la estabilización de la hélice del colágeno, ya que permite la estrecha asociación de las fibras de colágeno dentro de la molécula , lo que facilita el enlace de hidrógeno y la formación de enlaces cruzados intermoleculares. Este tipo de repetición regular y de alto contenido en glicina se encuentra en sólo unas cuantas proteínas fibrosas, como la fibroína de seda .

El 75-80% de la seda es (aproximadamente) -Gly-Ala-Gly-Ala- con un 10% serina , mientras que la elastina es rica en glicina, prolina y alanina (Ala), la cadena lateral de la cual está formada por grupo pequeño, un metilo inerte. Esta concentración alta de glicina y las repeticiones regulares no se encuentran en las proteínas globulares, con excepción de secciones muy cortas de su secuencia.

Químicamente reactivos , los grupos laterales no son necesarios en las proteínas estructurales, como lo son los enzimas y proteínas de transporte, pero el colágeno no es sólo una proteína estructural. Debido a su papel clave en la determinación del fenotipo celular, la adhesión celular, la regulación del tejido y la infraestructura, muchas secciones de las no prolinas, tienen el rol de asociación / regulación con la matriz celda lular.

El contenido relativamente alto de los anillos de prolina e hidroxiprolina, junto con la rica abundancia de la glicina, explica la tendencia de las cadenas polipeptídicas individuales a formar hélices levógiras de manera espontánea, sin ningún tipo de enlaces de hidrógeno intracatenarios.

Debido a que la glicina sea el aminoácido más pequeño y no tenga cadena lateral, hace que juegue un papel único en las proteínas fibrosas estructurales.

En el colágeno, la Gly se requiere en cada tercera posición debido a que en la formación de la triple hélice se pone este residuo en el interior del eje de la hélice, donde no hay espacio para grupos laterales mayor que el simple átomo de hidrógeno de la glicina. Por la misma razón, los anillos de los Pro y HYP deben apuntar hacia afuera.

Estos dos aminoácidos ayudan a estabilizar la triple hélice-HYP incluso más que la Pro; en cambio, se requiere una menor cantidad de estos en animales como los peces , que tienen temperaturas corporales más bajas que la mayoría de los animales de sangre caliente.

El menor contenido de prolina e hidroxiprolina a los peces de agua fría y de otros animales poiquilotermos hace que su colágeno tenga una menor estabilidad térmica que el colágeno de los mamíferos.

Esta menor estabilidad térmica tiene como resultado que la gelatina derivada del colágeno de pescado no sea conveniente para muchas gelatinas.

Las subunidades de tropocolágeno espontáneamente se autoacoplan, con los extremos escalonados regularmente, formando series aún mayores en los espacios extracelulares de los tejidos.

En el colágeno fibrilar, las moléculas están escalonadas entre sí a una distancia de 67 nm (una unidad que se conoce como ‘D y los cambios de la que varían en función del estado de hidratación). Cada periodo D tiene cuatro más una fracción de la molécula del colágeno, ya que los 300 nm divididos por 67 nm no da un número entero (la longitud de la molécula de colágeno dividida por la distancia del escalón D) .

Por tanto, en cada repetición del periodo D de las microfibrillas, hay una parte que contiene cinco moléculas en la sección transversal, llamada de “solapamiento”, y una parte que contiene sólo cuatro moléculas, llamada la “hendidura”. Las triples hélices también están dispuestos en forma hexagonal o casi hexagonal en su sección transversal.

Enlaces covalentes

Hay algunos enlaces covalentes dentro de la triple hélice, y una cantidad variable de enlaces covalentes entre las hélices de tropocolágeno, formando agregados bien organizados (como las fibrillas).

Los grandes empaquetamientos fibrilares están formados con la ayuda de varias clases de proteínas (incluyendo diferentes tipos de colágeno), glicoproteínas y proteoglicanos para formar los diferentes tipos de tejidos maduros a partir de combinaciones alternativas de los principales componentes clave.

La insolubilidad del colágeno ha sido una barrera para el estudio del colágeno monomérico hasta que se encontró que el tropocolágeno los animales jóvenes se puede extraer para que sus enlaces aún no están completamente formados.

Sin embargo, los avances en microscopia electrónica (ME) y microscopia de fuerza atómica (AFM)) y difracción de rayos X han permitido a los investigadores obtener imágenes cada vez más detalladas de la estructura in situ del colágeno.

Estos avances posteriores son particularmente importantes para comprender mejor la forma en que afecta a la estructura de colágeno en la interacción célula – célula y célula – matriz, y cómo se construyen los tejidos en crecimiento y su reparación, y cómo cambia en el desarrollo de ciertas enfermedades.

Por ejemplo, la microscopia de fuerza atómica (AFM) basada en la nanoindentación se ha demostrado que una sola fibrillas de colágeno es un material heterogéneo a lo largo de su dirección axial con propiedades mecánicas muy diferente.

Qué son las fibrillas de colágeno

Las fibrillas de colágeno son agregados semicristalinos de moléculas de colágeno. Las fibras de colágeno son haces de fibrillas.

Los agregados de fibrillas de colágeno están dispuestos en diferentes combinaciones y concentraciones en diversos tejidos para proporcionarles diferentes propiedades. En el hueso, las hélices de colágeno, todas triples, se encuentran en una matriz con disposición paralela.

Cuarenta nm de separación entre los extremos de las subunidades de tropocolágeno (aproximadamente igual a la región del GAP) sirven como sitios de nucleación para la deposición de cristales largos y duros del componente mineral, que es (aproximadamente) de hidroxiapatita , Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 , con un poco de fosfato .

Es de esta manera que ciertos tipos de cartílago se transforman en hueso. El colágeno tipo I da al hueso la resistencia a la tracción.

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