Colágeno

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Molécula de tropocolágeno: tres procolágenos zurdos (rojo, verde, azul) se unen para formar un tropocolágeno de triple hélice diestro.

El colágeno ( / k ɒ l ə ə n / ) es la estructura principal de proteína en la matriz extracelular encuentra en diversas del cuerpo tejidos conectivos . Como componente principal del tejido conectivo, es la proteína más abundante en los mamíferos, [1] constituyendo del 25% al ​​35% del contenido de proteínas de todo el cuerpo. El colágeno consiste en aminoácidos unidos entre sí para formar una triple hélice de fibrilla alargada [2] conocida como hélice de colágeno . Se encuentra principalmente en el tejido conectivo.como cartílago , huesos , tendones , ligamentos y piel .

Dependiendo del grado de mineralización , los tejidos de colágeno pueden ser rígidos (hueso) o adaptables (tendón) o tener un gradiente de rígido a flexible (cartílago). El colágeno también es abundante en las córneas , los vasos sanguíneos , el intestino , los discos intervertebrales y la dentina de los dientes. [3] En el tejido muscular , actúa como un componente principal del endomisio . El colágeno constituye del uno al dos por ciento del tejido muscular y representa el 6% del peso de los músculos tendinosos fuertes. [4] El fibroblasto es la célula más común que crea colágeno. Gelatina, que se utiliza en la alimentación y la industria, es el colágeno hidrolizado de forma irreversible . [5] El colágeno tiene muchos usos médicos en el tratamiento de complicaciones de los huesos y la piel.

El nombre colágeno proviene del griego κόλλα ( kólla ), que significa " pegamento ", y el sufijo -γέν, -gen , que denota "producir". [6] [7] Esto se refiere al uso temprano del compuesto en el proceso de creación de pegamento a partir de la ebullición de la piel y los tendones de caballos y otros animales.

Tipos [ editar ]

Más del 90% del colágeno en el cuerpo humano es el colágeno de tipo I . [8] Sin embargo, a partir de 2011, se han identificado, descrito y dividido 28 tipos de colágeno en varios grupos de acuerdo con la estructura que forman. [9] Todos los tipos contienen al menos una triple hélice . [9] El número de tipos muestra la funcionalidad diversa del colágeno. [10]

  • Fibrilar (Tipo I, II, III, V, XI)
  • No fibrilar
    • FACIT (Colágenos asociados a fibrillas con triple hélice interrumpida) (Tipo IX, XII, XIV, XIX, XXI)
    • Cadena corta (Tipo VIII, X)
    • Membrana basal (tipo IV)
    • Multiplexin (dominios de triple hélice múltiple con interrupciones) (tipo XV, XVIII)
    • MACIT (Colágenos asociados a membranas con triple hélice interrumpida) (Tipo XIII, XVII)
    • Formación de microfibrillas (tipo VI)
    • Anclaje de fibrillas (tipo VII)

Los cinco tipos más comunes son: [11]

  • Tipo I : piel, tendón , vasculatura, órganos, hueso (componente principal de la parte orgánica del hueso)
  • Tipo II : cartílago (principal componente colágeno del cartílago)
  • Tipo III : reticulado (componente principal de las fibras reticulares ), que se encuentra comúnmente junto con el tipo I
  • Tipo IV : forma la lámina basal, la capa secretada por el epitelio de la membrana basal.
  • Tipo V : superficies celulares, cabello y placenta

Usos médicos [ editar ]

Aplicaciones cardíacas [ editar ]

El esqueleto cardíaco colágeno , que incluye los cuatro anillos de válvulas cardíacas , está unido histológica, elásticamente y de forma única al músculo cardíaco. El esqueleto cardíaco también incluye los tabiques de separación de las cámaras del corazón: el tabique interventricular y el tabique auriculoventricular . La contribución del colágeno a la medición del rendimiento cardíaco representa, en resumen, una fuerza de torsión continua opuesta a la mecánica de los fluidos.de la presión arterial emitida por el corazón. La estructura de colágeno que divide las cámaras superiores del corazón de las inferiores es una membrana impermeable que excluye tanto la sangre como los impulsos eléctricos a través de medios fisiológicos típicos. Con el apoyo del colágeno, la fibrilación auricular nunca se convierte en fibrilación ventricular . El colágeno se distribuye en capas en densidades variables con masa de músculo liso. La masa, distribución, edad y densidad del colágeno contribuyen al cumplimiento requerido para mover la sangre hacia adelante y hacia atrás. Las valvas valvulares cardíacas individuales se doblan en forma mediante colágeno especializado bajo presión variable . Calcio gradualla deposición dentro del colágeno ocurre como una función natural del envejecimiento. Los puntos calcificados dentro de las matrices de colágeno muestran contraste en una pantalla en movimiento de sangre y músculo, lo que permite que los métodos de la tecnología de imágenes cardíacas lleguen a proporciones que indiquen esencialmente la entrada de sangre ( entrada cardíaca ) y la salida de sangre ( gasto cardíaco ). La patología de la base del colágeno del corazón se entiende dentro de la categoría de enfermedad del tejido conectivo . [ cita requerida ]

Cirugía cosmética [ editar ]

El colágeno se ha utilizado ampliamente en cirugía cosmética, como ayuda curativa para pacientes quemados para la reconstrucción de huesos y una amplia variedad de propósitos dentales, ortopédicos y quirúrgicos. Tanto el colágeno humano como el bovino se utilizan ampliamente como rellenos dérmicos para el tratamiento de las arrugas y el envejecimiento de la piel. [12] Algunos puntos de interés son:

  1. Cuando se usa cosméticamente, existe la posibilidad de que las reacciones alérgicas causen enrojecimiento prolongado; sin embargo, esto se puede eliminar virtualmente mediante una prueba de parche simple y discreta antes del uso cosmético. [ cita requerida ]
  2. La mayor parte del colágeno médico se deriva de ganado vacuno joven (bovino) de animales certificados libres de EEB . La mayoría de los fabricantes utilizan animales donantes de "rebaños cerrados" o de países en los que nunca se ha informado de un caso de EEB, como Australia, Brasil y Nueva Zelanda. [ cita requerida ]

Injertos de hueso [ editar ]

Dado que el esqueleto forma la estructura del cuerpo, es vital que mantenga su fuerza, incluso después de roturas y lesiones. El colágeno se utiliza en el injerto óseo ya que tiene una estructura de triple hélice, lo que lo convierte en una molécula muy fuerte. Es ideal para su uso en huesos, ya que no compromete la integridad estructural del esqueleto. La estructura de triple hélice del colágeno evita que sea degradado por las enzimas, permite la adhesividad de las células y es importante para el correcto ensamblaje de la matriz extracelular. [13]

Regeneración de tejidos [ editar ]

Los andamios de colágeno se utilizan en la regeneración de tejidos, ya sea en esponjas, [14] láminas delgadas, [15] geles, [16] o fibras. [17] El colágeno tiene propiedades favorables para la regeneración de tejidos, como la estructura de los poros, la permeabilidad, la hidrofilia y la estabilidad in vivo. Los andamios de colágeno también apoyan la deposición de células, como osteoblastos y fibroblastos , y una vez insertados, facilitan el crecimiento para que proceda normalmente. [18]

Usos quirúrgicos reconstructivos [ editar ]

Los colágenos se emplean ampliamente en la construcción de sustitutos de piel artificiales utilizados en el tratamiento de quemaduras y heridas graves . [19] [20] Estos colágenos pueden derivarse de fuentes bovinas, equinas, porcinas o incluso humanas; ya veces se usan en combinación con siliconas , glicosaminoglicanos , fibroblastos , factores de crecimiento y otras sustancias. [ cita requerida ]

Curación de heridas [ editar ]

El colágeno es uno de los recursos naturales clave del cuerpo y un componente del tejido de la piel que puede beneficiar todas las etapas de la cicatrización de heridas . [21] Cuando el colágeno está disponible para el lecho de la herida, puede ocurrir el cierre. De este modo se puede evitar el deterioro de la herida, seguido a veces de procedimientos como la amputación.

El colágeno es un producto natural y, por tanto, se utiliza como apósito natural para heridas y tiene propiedades que no tienen los apósitos artificiales para heridas. Es resistente a las bacterias, lo que es de vital importancia en un apósito para heridas. Ayuda a mantener la herida estéril, debido a su capacidad natural para combatir infecciones. Cuando se usa colágeno como apósito para quemaduras, el tejido de granulación sano puede formarse muy rápidamente sobre la quemadura, lo que ayuda a que sane rápidamente. [22]

A lo largo de las cuatro fases de la cicatrización de heridas, el colágeno realiza las siguientes funciones en la cicatrización de heridas:

  • Función de guía: las fibras de colágeno sirven para guiar los fibroblastos. Los fibroblastos migran a lo largo de una matriz de tejido conectivo.
  • Propiedades quimiotácticas : la gran superficie disponible en las fibras de colágeno puede atraer células fibrogénicas que ayudan en la curación.
  • Nucleación : el colágeno, en presencia de ciertas moléculas de sal neutra, puede actuar como agente nucleante provocando la formación de estructuras fibrilares. Un apósito de colágeno para heridas podría servir como guía para orientar la deposición de colágeno nuevo y el crecimiento capilar.
  • Hemostáticos propiedades: sangre plaquetas interactuar con el colágeno para hacer un tapón hemostático.

Investigación básica [ editar ]

El colágeno se utiliza en estudios de laboratorio para cultivo celular , estudiando el comportamiento celular y las interacciones celulares con el entorno extracelular . [23]

Química [ editar ]

La proteína de colágeno está compuesta por una triple hélice, que generalmente consta de dos cadenas idénticas (α1) y una cadena adicional que difiere ligeramente en su composición química (α2). [24] La composición de aminoácidos del colágeno es atípica para las proteínas, particularmente con respecto a su alto 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 distinto de glicina , prolina o hidroxiprolina . Se proporciona la composición promedio de aminoácidos para la piel de peces y mamíferos. [25]

AminoácidosAbundancia en piel de mamíferos
( residuos / 1000)
Abundancia en piel de pescado
(residuos / 1000)
Glicina329339
Prolina126108
Alanina109114
Hidroxiprolina9567
Ácido glutamico7476
Arginina4952
Ácido aspártico4747
Serina3646
Lisina2926
Leucina2423
Valina2221
Treonina1926
Fenilalanina1314
Isoleucina1111
Hidroxilisina68
Metionina613
Histidina57
Tirosina33
Cisteína11
Triptófano00

Síntesis [ editar ]

Primero, se ensambla una estructura trenzada tridimensional, con los aminoácidos glicina y prolina como sus componentes principales. Este todavía no es colágeno sino su precursor, el procolágeno. A continuación, el procolágeno se modifica mediante la adición de grupos hidroxilo a los aminoácidos prolina y lisina . Este paso es importante para la glicosilación posterior y la formación de la estructura de triple hélice del colágeno. Debido a que las enzimas hidroxilasas que realizan estas reacciones requieren vitamina C como cofactor, una deficiencia a largo plazo de esta vitamina da como resultado una síntesis de colágeno alterada y escorbuto . [26]Estas reacciones de hidroxilación son catalizadas por dos enzimas diferentes: prolil-4-hidroxilasa [27] y lisil-hidroxilasa. La reacción consume una molécula de ascorbato por hidroxilación. [28] La síntesis de colágeno ocurre dentro y fuera de la célula. Aquí se analiza la formación de colágeno que da como resultado colágeno fibrilar (forma más común). El colágeno de malla, que a menudo participa en la formación de sistemas de filtración, es la otra forma de colágeno. 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. Transcripción de ARNm : aproximadamente 44 genes están asociados con la formación de colágeno, cada uno de los cuales codifica una secuencia de ARNm específica y, por lo general, tienen el prefijo " COL ". El comienzo de la síntesis de colágeno comienza con la activación de genes que están asociados con la formación de un péptido alfa en particular (típicamente alfa 1, 2 o 3).
  2. Formación de pre-propéptido : una vez que el ARNm final sale del núcleo celular y entra en el citoplasma, se une a las subunidades ribosómicas y se produce el proceso de traducción. La primera parte del nuevo péptido se conoce como secuencia señal. La secuencia de señal en el extremo N-terminal del péptido es reconocida por una partícula de reconocimiento de señal en el retículo endoplásmico, que será responsable de dirigir el pre-propéptido hacia el retículo endoplásmico. Por lo tanto, una vez finalizada la síntesis del nuevo péptido, pasa directamente al retículo endoplásmico para su procesamiento postraduccional. Ahora se conoce como preprocolágeno.
  3. Pre-pro-péptido a pro-colágeno : ocurren tres modificaciones del pre-pro-péptido que conducen a la formación del péptido alfa:
    1. El péptido señal en el N-terminal se elimina y la molécula ahora se conoce como propéptido (no procolágeno).
    2. La hidroxilación de lisinas y prolina en propéptidos por las enzimas "prolil hidroxilasa" y "lisil hidroxilasa" (para producir hidroxiprolina e hidroxilisina) se produce para ayudar a la reticulación de los péptidos alfa. Este paso enzimático requiere vitamina C como cofactor. En el escorbuto , la falta de hidroxilación de prolinas y lisinas provoca una triple hélice más suelta (que está formada por tres péptidos alfa).
    3. La glicosilación se produce añadiendo monómeros de glucosa o galactosa a los grupos hidroxilo que se colocaron en las lisinas, pero no en las prolina.
    4. Una vez que han tenido lugar estas modificaciones, tres de los propéptidos hidroxilados y glicosilados se retuercen en una triple hélice formando procolágeno. El procolágeno todavía tiene extremos desenrollados, que luego se recortarán. En este punto, el procolágeno se empaqueta en una vesícula de transferencia destinada al aparato de Golgi.
  4. Modificación del aparato de Golgi : en el aparato de Golgi, el procolágeno pasa por una última modificación postraduccional antes de ser secretado fuera de la célula. En este paso, se agregan oligosacáridos (no monosacáridos como en el paso 3) y luego el procolágeno se empaqueta en una vesícula secretora destinada al espacio extracelular.
  5. Formación de tropocolágeno : una vez fuera de la célula, las enzimas unidas a la membrana conocidas como peptidasas de colágeno eliminan los "cabos sueltos" de la molécula de procolágeno. Lo que queda se conoce como tropocolágeno. Los defectos en este paso producen una de las muchas colagenopatías conocidas como síndrome de Ehlers-Danlos . Este paso está ausente al sintetizar el tipo III, un tipo de colágeno fibrilar.
  6. Formación de la fibrilla de colágeno : la lisil oxidasa , una enzima extracelular dependiente del cobre , produce el paso final en la vía de síntesis del colágeno. Esta enzima actúa sobre lisinas e hidroxilisinas produciendo grupos aldehído, que eventualmente sufrirán enlaces covalentes entre moléculas de tropocolágeno. Este polímero de tropocológeno se conoce como fibrilla de colágeno.
Acción de la lisil oxidasa

Aminoácidos [ editar ]

El colágeno tiene una composición y secuencia de aminoácidos inusuales :

  • La glicina se encuentra en casi uno de cada tres residuos .
  • La prolina constituye aproximadamente el 17% del colágeno.
  • El colágeno contiene dos aminoácidos derivados poco comunes que no se insertan directamente durante la traducción . Estos aminoácidos se encuentran en ubicaciones específicas en relación con la glicina y son modificados post-traduccionalmente por diferentes enzimas, las cuales requieren vitamina C como cofactor .
    • Hidroxiprolina derivada de prolina
    • Hidroxilisina derivada de lisina : dependiendo del tipo de colágeno, se glicosilan cantidades variables de hidroxilisinas (en su mayoría con disacáridos unidos).

El cortisol estimula la degradación del colágeno (de la piel) en aminoácidos. [29]

Formación de colágeno I [ editar ]

La mayoría del colágeno se forma de manera similar, pero el siguiente proceso es típico del tipo I:

  1. Dentro de la celda
    1. Dos tipos de cadenas alfa, alfa-1 y alfa 2, se forman durante la traducción en los ribosomas a lo largo del retículo endoplásmico rugoso (RER). Estas cadenas de péptidos, conocidas como preprocolágeno, tienen péptidos de registro en cada extremo y un péptido señal . [30]
    2. Las cadenas de polipéptidos se liberan en el lumen del RER.
    3. Los péptidos señal se escinden dentro del RER y las cadenas ahora se conocen como cadenas pro-alfa.
    4. La hidroxilación de los aminoácidos lisina y prolina se produce dentro de la luz. Este proceso depende y consume ácido ascórbico (vitamina C) como cofactor .
    5. Se produce la glicosilación de residuos específicos de hidroxilisina.
    6. La estructura helicoidal triple alfa se forma dentro del retículo endoplásmico a partir de dos cadenas alfa-1 y una cadena alfa-2.
    7. El procolágeno se envía al aparato de Golgi , donde se empaqueta y se secreta al espacio extracelular por exocitosis .
  2. Fuera de la celda
    1. Los péptidos de registro se escinden y el tropocolágeno se forma mediante la procolágeno peptidasa .
    2. Múltiples moléculas de tropocolágeno forman fibrillas de colágeno a través del entrecruzamiento covalente ( reacción aldólica ) por la lisil oxidasa que une los residuos de hidroxilisina y lisina. Múltiples fibrillas de colágeno se forman en fibras de colágeno.
    3. El colágeno puede unirse a las membranas celulares a través de varios tipos de proteínas, que incluyen fibronectina , laminina , fibulina e integrina .

Patogenia sintética [ editar ]

La deficiencia de vitamina C causa escorbuto , una enfermedad grave y dolorosa en la que el colágeno defectuoso evita la formación de tejido conectivo fuerte . Las encías se deterioran y sangran, con pérdida de dientes; la piel se decolora y las heridas no cicatrizan. Antes del siglo XVIII, esta condición era notoria entre las expediciones militares de larga duración, particularmente navales, durante las cuales los participantes se veían privados de alimentos que contenían vitamina C.

Una enfermedad autoinmune como el lupus eritematoso o la artritis reumatoide [31] puede atacar las fibras de colágeno sanas.

Muchas bacterias y virus secretan factores de virulencia , como la enzima colagenasa , que destruye el colágeno o interfiere con su producción.

Estructura molecular [ editar ]

Una sola molécula de colágeno, el tropocolágeno, se utiliza para formar agregados de colágeno más grandes, como las fibrillas. Tiene aproximadamente 300  nm de largo y 1,5 nm de diámetro, y está formado por tres cadenas polipeptídicas (llamadas péptidos alfa, consulte el paso 2), cada una de las cuales tiene la conformación de una hélice izquierda ; esto no debe confundirse con la hélice alfa diestra . Estas tres hélices izquierdas se entrelazan juntas en una triple hélice derecha o "superhélice", una estructura cuaternaria cooperativa estabilizada por muchos enlaces de hidrógeno.. Con el colágeno tipo I y posiblemente todos los colágenos fibrilares, si no todos los colágenos, cada triple hélice se asocia en una super-super-espiral derecha denominada microfibrilla de colágeno. Cada microfibrilla está interdigitada con sus microfibrillas vecinas en un grado que podría sugerir que son individualmente inestables, aunque dentro de las fibrillas de colágeno están tan bien ordenadas que son cristalinas.

Tres polipéptidos se enrollan para formar tropocolágeno. Muchos tropocolágenos luego se unen para formar una fibrilla, y muchos de estos luego forman una fibra.

Una característica distintiva del colágeno es la disposición regular de los aminoácidos en cada una de las tres cadenas de estas subunidades de colágeno. La secuencia sigue a menudo el patrón Gly - Pro -X o Gly-X- Hyp , donde X puede ser cualquiera de varios otros residuos de aminoácidos. [25] La prolina o hidroxiprolina constituyen aproximadamente 1/6 de la secuencia total. Dado que la glicina representa 1/3 de la secuencia, esto significa que aproximadamente la mitad de la secuencia de colágeno no es glicina, prolina o hidroxiprolina, un hecho que a menudo se pasa por alto debido a la distracción del inusual GX 1 X 2.carácter de los péptidos alfa de colágeno. El alto contenido de glicina del colágeno es importante con respecto a la estabilización de la hélice de colágeno, ya que permite una asociación muy estrecha de las fibras de colágeno dentro de la molécula, lo que facilita los enlaces de hidrógeno y la formación de enlaces cruzados intermoleculares. [25] Este tipo de repetición regular y alto contenido de glicina se encuentra solo en algunas otras proteínas fibrosas, como la fibroína de seda .

El colágeno no es solo una proteína estructural. Debido a su papel clave en la determinación del fenotipo celular, la adhesión celular, la regulación de los tejidos y la infraestructura, muchas secciones de sus regiones no ricas en prolina tienen roles de asociación / regulación de células o matrices. El contenido relativamente alto de anillos de prolina e hidroxiprolina, con sus grupos carboxilo y amino (secundarios) geométricamente restringidos , junto con la rica abundancia de glicina, explica la tendencia de las hebras polipeptídicas individuales a formar hélices zurdas de forma espontánea, sin ninguna intracadena. enlaces de hidrógeno.

Debido a que la glicina es el aminoácido más pequeño sin cadena lateral, juega un papel único en las proteínas estructurales fibrosas. En el colágeno, se requiere Gly en cada tercera posición porque el ensamblaje de la triple hélice coloca este residuo en el interior (eje) de la hélice, donde no hay espacio para un grupo lateral más grande que el único átomo de hidrógeno de la glicina . Por la misma razón, los anillos del Pro e Hyp deben apuntar hacia afuera. Estos dos aminoácidos ayudan a estabilizar la triple hélice: Hyp incluso más que Pro; se requiere una menor concentración de ellos en animales como los peces, cuya temperatura corporalson más bajos que la mayoría de los animales de sangre caliente. Los contenidos más bajos de prolina e hidroxiprolina son característicos de los peces de agua fría, pero no de los de agua caliente; los últimos tienden a tener contenidos de prolina e hidroxiprolina similares a los de los mamíferos. [25] El contenido más bajo de prolina e hidroxprolina de los peces de agua fría y otros animales poiquilotermos hace que su colágeno tenga una estabilidad térmica más baja que el colágeno de los mamíferos. [25] Esta menor estabilidad térmica significa que la gelatina derivada del colágeno de pescado no es adecuada para muchas aplicaciones alimentarias e industriales.

Las subunidades de tropocolágeno se autoensamblan espontáneamente , con extremos regularmente escalonados, en matrices aún más grandes en los espacios extracelulares de los tejidos. [32] [33] El ensamblaje adicional de fibrillas es guiado por fibroblastos, que depositan fibrillas completamente formadas a partir de fibripositores. En los colágenos fibrilares, las moléculas se escalonan hasta las moléculas adyacentes en aproximadamente 67  nm (una unidad que se denomina "D" y cambia según el estado de hidratación del agregado). En cada repetición del período D de la microfibrilla, hay una parte que contiene cinco moléculas en sección transversal, llamada "superposición", y una parte que contiene solo cuatro moléculas, llamada "espacio". [34]Estas regiones de superposición y brecha se retienen a medida que las microfibrillas se ensamblan en fibrillas y, por lo tanto, se pueden ver mediante microscopía electrónica. Los tropocolágenos de triple hélice en las microfibrillas están dispuestos en un patrón de empaquetamiento cuasihexagonal. [34] [35]

El período D de las fibrillas de colágeno da como resultado bandas visibles de 67 nm cuando se observa mediante microscopía electrónica.

Hay algo de entrecruzamiento covalente dentro de las triples hélices y una cantidad variable de entrecruzamiento covalente entre las hélices de tropocolágeno que forman agregados bien organizados (como fibrillas). [36] Los haces fibrilares más grandes se forman con la ayuda de varias clases diferentes de proteínas (incluidos diferentes tipos de colágeno), glicoproteínas y proteoglicanos para formar los diferentes tipos de tejidos maduros a partir de combinaciones alternativas de los mismos actores clave. [33] La insolubilidad del colágeno fue una barrera para el estudio del colágeno monomérico hasta que se descubrió que el tropocolágeno de animales jóvenes se puede extraer porque aún no está completamente reticulado.. Sin embargo, los avances en las técnicas de microscopía (es decir, microscopía electrónica (EM) y microscopía de fuerza atómica (AFM)) y la difracción de rayos X han permitido a los investigadores obtener imágenes cada vez más detalladas de la estructura del colágeno in situ . [37] Estos últimos avances son particularmente importantes para comprender mejor la forma en que la estructura del colágeno afecta la comunicación célula-célula y célula-matriz y cómo los tejidos se construyen en crecimiento y reparación y cambian en desarrollo y enfermedad. [38] [39]Por ejemplo, usando nanoindentación basada en AFM se ha demostrado que una sola fibrilla de colágeno es un material heterogéneo a lo largo de su dirección axial con propiedades mecánicas significativamente diferentes en sus regiones de brecha y superposición, correlacionándose con sus diferentes organizaciones moleculares en estas dos regiones. [40]

Las fibrillas / agregados de colágeno están dispuestos en diferentes combinaciones y concentraciones en varios tejidos para proporcionar diferentes propiedades tisulares. En el hueso, las triples hélices de colágeno completas se encuentran en una matriz paralela y escalonada. Los espacios de 40 nm entre los extremos de las subunidades de tropocolágeno (aproximadamente iguales a la región del espacio) probablemente sirven como sitios de nucleación para la deposición de cristales finos, largos y duros del componente mineral, que es hidroxiapatita (aproximadamente) Ca 10 (OH) 2 (PO 4 ) 6 . [41] El colágeno tipo I le da a los huesos su resistencia a la tracción .

Trastornos asociados [ editar ]

Las enfermedades relacionadas con el colágeno surgen con mayor frecuencia de defectos genéticos o deficiencias nutricionales que afectan la biosíntesis, el ensamblaje, la modificación postraduccional, la secreción u otros procesos involucrados en la producción normal de colágeno.

Defectos genéticos de los genes del colágeno.
TipoNotasGen (s)Trastornos
IEste es el colágeno más abundante del cuerpo humano. Está presente en el tejido cicatricial , el producto final cuando el tejido cicatriza mediante reparación. Se encuentra en los tendones , la piel, las paredes de las arterias, la córnea, el endomisio que rodea las fibras musculares, el fibrocartílago y la parte orgánica de los huesos y los dientes.COL1A1 , COL1A2Osteogénesis imperfecta , síndrome de Ehlers-Danlos , hiperostosis cortical infantil también conocida como enfermedad de Caffey
IIEl cartílago hialino constituye el 50% de todas las proteínas del cartílago. Humor vítreo del ojo.COL2A1Colagenopatía, tipos II y XI
IIIEste es el colágeno del tejido de granulación y es producido rápidamente por fibroblastos jóvenes antes de que se sintetice el colágeno tipo I más resistente. Fibra reticular . También se encuentra en las paredes de las arterias, la piel, los intestinos y el útero.COL3A1Síndrome de Ehlers-Danlos , contractura de Dupuytren
IVLámina basal ; lente del ojo . También sirve como parte del sistema de filtración en los capilares y los glomérulos de la nefrona en el riñón .COL4A1 , COL4A2 , COL4A3 , COL4A4 , COL4A5 , COL4A6Síndrome de Alport , síndrome de Goodpasture
VLa mayor parte del tejido intersticial, assoc. con tipo I, asociado a placentaCOL5A1 , COL5A2 , COL5A3Síndrome de Ehlers-Danlos (clásico)
VILa mayor parte del tejido intersticial, assoc. con tipo ICOL6A1 , COL6A2 , COL6A3 , COL6A5Miopatía de Ulrich , miopatía de Bethlem , dermatitis atópica [42]
VIIForma fibrillas de anclaje en uniones dermoepidérmicasCOL7A1Epidermólisis ampollosa distrófica
VIIIAlgunas células endotelialesCOL8A1 , COL8A2Distrofia corneal polimorfa posterior 2
IXFACIT colágeno , cartílago, assoc. con fibrillas de tipo II y XICOL9A1 , COL9A2 , COL9A3EDM2 y EDM3
XCartílago hipertrófico y mineralizanteCOL10A1Displasia metafisaria de Schmid
XICartílagoCOL11A1 , COL11A2Colagenopatía, tipos II y XI
XIIColágeno FACIT , interactúa con el tipo I que contiene fibrillas, decorina y glicosaminoglicanosCOL12A1-
XIIIEl colágeno transmembrana interactúa con la integrina a1b1, la fibronectina y los componentes de las membranas basales como el nidogeno y el perlecano .COL13A1-
XIVColágeno FACIT , también conocido como undulinaCOL14A1-
XV-COL15A1-
XVI-COL16A1-
XVIIColágeno transmembrana, también conocido como BP180, una proteína de 180 kDaCOL17A1Penfigoide ampolloso y ciertas formas de epidermólisis ampollosa de la unión
XVIIIFuente de endostatinaCOL18A1-
XIXColágeno FACITCOL19A1-
XX-COL20A1-
XXIColágeno FACITCOL21A1-
XXII-COL22A1-
XXIIIColágeno MACITCOL23A1-
XXIV-COL24A1-
XXV-COL25A1-
XXVI-EMID2-
XXVII-COL27A1-
XXVIII-COL28A1-
XXIXColágeno epidérmicoCOL29A1Dermatitis atópica [43]

Además de los trastornos mencionados anteriormente, se produce un depósito excesivo de colágeno en la esclerodermia .

Enfermedades [ editar ]

Se han identificado mil mutaciones en 12 de más de 20 tipos de colágeno. Estas mutaciones pueden provocar diversas enfermedades a nivel tisular. [44]

Osteogénesis imperfecta : causada por una mutación en el colágeno tipo 1 , trastorno autosómico dominante, da como resultado huesos débiles y tejido conectivo irregular, algunos casos pueden ser leves mientras que otros pueden ser letales. Los casos leves tienen niveles reducidos de colágeno tipo 1, mientras que los casos graves tienen defectos estructurales en el colágeno. [45]

Condrodisplasias : trastorno esquelético que se cree que es causado por una mutación en el colágeno tipo 2 ; se están realizando más investigaciones para confirmarlo. [46]

Síndrome de Ehlers-Danlos : se conocen trece tipos diferentes de este trastorno, que conducen a deformidades en el tejido conectivo. [47] Algunos de los tipos más raros pueden ser letales y provocar la rotura de arterias. Cada síndrome es causado por una mutación diferente. Por ejemplo, el tipo vascular (vEDS) de este trastorno es causado por una mutación en el colágeno tipo 3 . [48]

Síndrome de Alport : se puede transmitir genéticamente, generalmente como dominante ligado al cromosoma X, pero también como un trastorno autosómico dominante y autosómico recesivo, los pacientes tienen problemas con los riñones y los ojos, la pérdida de audición también puede desarrollarse durante la infancia o la adolescencia. [49]

Síndrome de Knobloch : causado por una mutación en el gen COL18A1 que codifica la producción de colágeno XVIII. Los pacientes presentan protrusión del tejido cerebral y degeneración de la retina; un individuo que tiene familiares que padecen el trastorno tiene un mayor riesgo de desarrollarlo ya que existe un vínculo hereditario. [44]

Características [ editar ]

El colágeno es una de las proteínas estructurales largas y fibrosas cuyas funciones son bastante diferentes de las de las proteínas globulares , como las enzimas . Los duros haces de colágeno llamados fibras de colágeno son un componente principal de la matriz extracelular que sostiene la mayoría de los tejidos y da estructura a las células desde el exterior, pero el colágeno también se encuentra dentro de ciertas células. El colágeno tiene una gran resistencia a la tracción y es el componente principal de la fascia , cartílago , ligamentos , tendones , huesos y piel. [50] [51] Junto con elastinay queratina suave , es responsable de la fuerza y ​​elasticidad de la piel, y su degradación conduce a las arrugas que acompañan al envejecimiento . [12] Fortalece los vasos sanguíneos y juega un papel en el desarrollo de los tejidos . Está presente en la córnea y el cristalino del ojo en forma cristalina . Puede ser una de las proteínas más abundantes en el registro fósil, dado que parece fosilizarse con frecuencia, incluso en huesos del Mesozoico y Paleozoico . [52]

Usos [ editar ]

Un salami y la envoltura de colágeno (abajo) en el que vino

El colágeno tiene una amplia variedad de aplicaciones, desde alimentos hasta médicos. Por ejemplo, se utiliza en cirugía estética y cirugía de quemaduras . Es muy utilizado en forma de tripas de colágeno para embutidos. [53] [54]

Si el colágeno está sujeto a una desnaturalización suficiente , por ejemplo, por calentamiento, las tres cadenas de tropocolágeno se separan parcial o completamente en dominios globulares, que contienen una estructura secundaria diferente a la poliprolina II (PPII) de colágeno normal, por ejemplo, espirales aleatorias . Este proceso describe la formación de gelatina , que se utiliza en muchos alimentos, incluidos los postres de gelatina aromatizados . Además de los alimentos, la gelatina se ha utilizado en las industrias farmacéutica, cosmética y fotográfica. También se utiliza como complemento alimenticio . [ cita requerida ]

Del griego "pegamento", kolla , la palabra colágeno significa " productor de pegamento " y se refiere al proceso inicial de hervir la piel y los tendones de los caballos y otros animales para obtener pegamento. El adhesivo de colágeno fue utilizado por los egipcios hace unos 4.000 años, y los nativos americanos lo utilizaron en lazos hace unos 1.500 años. Se descubrió que el pegamento más antiguo del mundo, con fecha de carbono de más de 8.000 años, era el colágeno, utilizado como revestimiento protector en cestas de cuerda y telas bordadas , para unir utensilios y en adornos entrecruzados en cráneos humanos . [55]El colágeno normalmente se convierte en gelatina, pero sobrevivió debido a las condiciones secas. Los pegamentos para animales son termoplásticos y se ablandan de nuevo al recalentarse, por lo que todavía se utilizan en la fabricación de instrumentos musicales como violines finos y guitarras, que pueden tener que reabrirse para reparaciones, una aplicación incompatible con los adhesivos plásticos sintéticos resistentes , que son permanentes. Los tendones y pieles de animales, incluido el cuero, se han utilizado para fabricar artículos útiles durante milenios. [ cita requerida ]

Gelatina- resorcinol - cola de formaldehído (y con formaldehído reemplazado por pentanodial y etanodial menos tóxicos ) se ha utilizado para reparar incisiones experimentales en pulmones de conejo . [56]

Adaptación y diversificación [ editar ]

La evolución de los colágenos fue un paso fundamental en la evolución temprana de los animales , apoyando formas animales multicelulares. [57] Los colágenos son las proteínas más abundantes en los vertebrados y constituyen alrededor del 30% de todas las proteínas del cuerpo humano. [58] [59] [60] Según sus estructuras moleculares, las proteínas de colágeno se dividen en dos clases principales: colágenos formadores de fibrillas (o fibrilares ) y colágenos no formadores de fibrillas ( no fibrilares ), que se dividen a su vez en 28 tipos diferentes (a partir de 2017), basados ​​en estructuras y funciones individuales que la proteína tiene específicamente en el cuerpo. [59] [60]Colágeno fibrilar, que produce los marcos tridimensionales en diferentes tejidos y órganos , derivados de un único ancestro común durante la evolución . [59] [61] El colágeno no fibrilar es el principal componente de soporte de la matriz extracelular . [60]

La morfología de los tipos de colágeno fibrilar y no fibrilar se diferenciaron durante la evolución divergente . [60] Estos dos tipos de colágeno surgieron de diferentes eventos de mutación y duplicación de genes que evolucionaron a los 28 tipos actuales de proteínas de colágeno que proporcionan la diversificación de las estructuras de soporte del colágeno en el cuerpo, como el esqueleto , que se formó a partir del alfa (denotado como α) gen del colágeno. [59] [61] El colágeno fibrilar fue cooptado durante la adaptación evolutiva de genes existentes por selección natural.para construir nuevas estructuras de órganos y tejidos, permitiendo la aparición de especies evolucionadas con capacidades mejoradas. [59] [61]

Historia [ editar ]

Las estructuras moleculares y de empaquetamiento del colágeno han eludido a los científicos durante décadas de investigación. La primera evidencia de que posee una estructura regular a nivel molecular se presentó a mediados de la década de 1930. [62] [63] Desde ese momento, la investigación se concentró en la conformación del monómero de colágeno , produciendo varios modelos en competencia, aunque se ocupan correctamente de la conformación de cada cadena peptídica individual. El modelo de "Madrás" de triple hélice proporcionó un modelo preciso de la estructura cuaternaria en el colágeno. [64] [65] [66] Este modelo fue apoyado por estudios adicionales que mostraron una resolución más alta a finales del siglo XX. [67] [68] [69] [70]

La estructura de empaquetamiento del colágeno no se ha definido en el mismo grado fuera de los tipos de colágeno fibrilar , aunque se sabe desde hace mucho tiempo que es hexagonal. [35] [71] [72] Al igual que con su estructura monomérica, varios modelos en conflicto alegaron que la disposición de empaque de las moléculas de colágeno es "en forma de hoja" o microfibrilar . [73] [74] La estructura microfibrilar de las fibrillas de colágeno en el tendón, la córnea y el cartílago se obtuvieron imágenes directamente mediante microscopía electrónica a fines del siglo XX y principios del siglo XXI. [75] [76] [77]La estructura microfibrilar del tendón de la cola se modeló como la más cercana a la estructura observada, aunque simplificó demasiado la progresión topológica de las moléculas de colágeno vecinas, por lo que no predijo la conformación correcta de la disposición pentamérica periódica D discontinua denominada microfibrilla . [34] [78] [79]

Ver también [ editar ]

  • Pegamento animal
  • Estofado
  • Péptido de hibridación de colágeno , un péptido que puede unirse al colágeno desnaturalizado
  • Colagenasa , la enzima involucrada en la degradación y remodelación del colágeno.
  • Proteína fibrosa
  • Gelatina
  • Colágeno hidrolizado , una forma común en la que el colágeno se vende como suplemento.
  • Síndrome de hipermovilidad
  • Lisil oxidasa
  • Inhibidores de MMP
  • Componente óseo osteoide que contiene colágeno

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