Colágeno

El colágeno es la principal proteína estructural en la matriz extracelular que se encuentra en los diversos tejidos conectivos del cuerpo. Como componente principal del tejido conectivo, es la proteína más abundante en los mamíferos, representando del 25% al ​​35% del contenido proteico de todo el cuerpo. El colágeno consiste en aminoácidos unidos para formar una triple hélice de fibrillas alargadas conocida como hélice de colágeno. Se encuentra principalmente en el tejido conectivo como el cartílago, los huesos, los tendones, los ligamentos y la piel.

Según el grado de mineralización, los tejidos de colágeno pueden ser rígidos (hueso) o flexibles (tendones) 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. En el tejido muscular, sirve como 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 fuertes y tendinosos. El fibroblasto es la célula más común que crea colágeno. La gelatina, que se utiliza en la alimentación y la industria, es colágeno que se ha hidrolizado de forma irreversible. El colágeno tiene muchos usos médicos en el tratamiento de complicaciones de los huesos y la piel.

Etimología

El nombre colágeno proviene del griego κόλλα (kólla), que significa "pegamento", y el sufijo -γέν, -gen, que denota "producir".

Tipos humanos

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

• 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)
  • Multiplexina (Múltiples dominios de triple hélice con interrupciones) (Tipo XV, XVIII)
  • MACIT (Colágenos Asociados a Membrana con Triple Hélice Interrumpida) (Tipo XIII, XVII)
  • Formación de microfibrillas (Tipo VI)
  • Fibrillas de anclaje (Tipo VII)

Los cinco tipos más comunes son:

• 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), comúnmente encontrado junto con el tipo I
• Tipo IV: forma la lámina basal, la capa secretada por epitelio de la membrana basal
• Tipo V: superficies celulares, cabello y placenta

Usos medicos

Aplicaciones cardiacas

El esqueleto cardíaco colágeno, que incluye los cuatro anillos de las válvulas cardíacas, está ligado histológica, elástica y exclusivamente 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 medida del rendimiento cardíaco representa en resumen una fuerza de torsión continua opuesta a la mecánica de fluidos de la presión arterial emitida por el corazón. La estructura de colágeno que divide las cámaras superiores del corazón de las cámaras 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 deteriora hasta convertirse en fibrilación ventricular. El colágeno está en capas en densidades variables con masa de músculo liso. La masa, la distribución, la edad y la densidad del colágeno contribuyen al cumplimiento requerido para mover la sangre de un lado a otro. Las valvas cardíacas individuales se pliegan en forma mediante colágeno especializado bajo presión variable. La deposición gradual de calcio 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 tecnología de imágenes cardíacas lleguen a proporciones que indican esencialmente la entrada de sangre (entrada cardíaca) y la salida de sangre (gasto cardíaco). La patología del soporte de colágeno del corazón se entiende dentro de la categoría de enfermedad del tejido conectivo. Las valvas cardíacas individuales se pliegan en forma mediante colágeno especializado bajo presión variable. La deposición gradual de calcio 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 tecnología de imágenes cardíacas lleguen a proporciones que indican esencialmente la entrada de sangre (entrada cardíaca) y la salida de sangre (gasto cardíaco). La patología del soporte de colágeno del corazón se entiende dentro de la categoría de enfermedad del tejido conectivo. Las valvas cardíacas individuales se pliegan en forma mediante colágeno especializado bajo presión variable. La deposición gradual de calcio 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 tecnología de imágenes cardíacas lleguen a proporciones que indican esencialmente la entrada de sangre (entrada cardíaca) y la salida de sangre (gasto cardíaco). La patología del soporte de colágeno del corazón se entiende dentro de la categoría de enfermedad del tejido conectivo. permitir que los métodos de tecnología de imágenes cardíacas lleguen a proporciones que indiquen esencialmente la entrada de sangre (ingreso cardíaco) y la salida de sangre (gasto cardíaco). La patología del soporte de colágeno del corazón se entiende dentro de la categoría de enfermedad del tejido conectivo. permitir que los métodos de tecnología de imágenes cardíacas lleguen a proporciones que indiquen esencialmente la entrada de sangre (ingreso cardíaco) y la salida de sangre (gasto cardíaco). La patología del soporte de colágeno del corazón se entiende dentro de la categoría de enfermedad del tejido conectivo.

Cirugía cosmética

El colágeno ha sido ampliamente utilizado en cirugía estética, 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. Algunos puntos de interés son:

1. Cuando se usa cosméticamente, existe la posibilidad de que se produzcan reacciones alérgicas que provoquen un enrojecimiento prolongado; sin embargo, esto puede eliminarse virtualmente mediante una prueba de parche simple y discreta antes del uso cosmético.
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 usan animales donantes de "rebaños cerrados" o de países que nunca han tenido un caso informado de EEB, como Australia, Brasil y Nueva Zelanda.

Injertos óseos

Como el esqueleto forma la estructura del cuerpo, es vital que mantenga su fuerza, incluso después de roturas y lesiones. El colágeno se utiliza en injertos óseos 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 las enzimas lo descompongan, permite la adhesividad de las células y es importante para el correcto ensamblaje de la matriz extracelular.

Regeneración de tejidos

Los andamios de colágeno se utilizan en la regeneración de tejidos, ya sea en esponjas, láminas delgadas, geles o fibras. El colágeno tiene propiedades favorables para la regeneración de tejidos, como estructura de poros, permeabilidad, hidrofilia y estabilidad in vivo. Los andamios de colágeno también soportan la deposición de células, como osteoblastos y fibroblastos, y una vez insertados, facilitan el crecimiento para proceder con normalidad.

Usos quirúrgicos reconstructivos

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

Cicatrización de la herida

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. Cuando el colágeno se pone a disposición del lecho de la herida, puede producirse el cierre. De este modo, se puede evitar el deterioro de la herida, seguido a veces por procedimientos como la amputación.

El colágeno es un producto natural y, por lo tanto, se utiliza como apósito natural para heridas y tiene propiedades que los apósitos artificiales para heridas no tienen. Es resistente a las bacterias, lo cual 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 vendaje para quemaduras, el tejido de granulación saludable puede formarse muy rápidamente sobre la quemadura, lo que ayuda a que sane rápidamente.

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

• Función de guía: Las fibras de colágeno sirven para guiar a 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 cicatrización.
• Nucleación: el colágeno, en presencia de ciertas moléculas de sal neutra, puede actuar como un agente nucleante que provoca la formación de estructuras fibrilares.
• Propiedades hemostáticas: las plaquetas de la sangre interactúan con el colágeno para formar un tapón hemostático.

Investigación básica

El colágeno se utiliza en estudios de laboratorio para cultivo celular, estudiando el comportamiento celular y las interacciones celulares con el entorno extracelular. El colágeno también se usa ampliamente como biotinta para la bioimpresión 3D y la biofabricación de modelos de tejido 3D.

Biología

La proteína 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). 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 que no sea glicina, prolina o hidroxiprolina. Se da la composición promedio de aminoácidos para la piel de peces y mamíferos.

Aminoácidos	Abundancia en piel de mamíferos(residuos/1000)	Abundancia en piel de pescado(residuos/1000)
Glicina	329	339
prolina	126	108
alanina	109	114
Hidroxiprolina	95	67
Ácido glutamico	74	76
Arginina	49	52
Ácido aspártico	47	47
serina	36	46
Lisina	29	26
leucina	24	23
Valina	22	21
treonina	19	26
Fenilalanina	13	14
isoleucina	11	11
Hidroxilisina	6	8
metionina	6	13
Histidina	5	7
tirosina	3	3
cisteína	1	1
triptófano	0	0

Síntesis

En primer lugar, se ensambla una estructura trenzada tridimensional, con los aminoácidos glicina y prolina como componentes principales. Este aún no es colágeno sino su precursor, el procolágeno. Luego, 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 hidroxilasa que realizan estas reacciones requieren vitamina C como cofactor, una deficiencia a largo plazo de esta vitamina da como resultado una síntesis deficiente de colágeno y escorbuto. Estas reacciones de hidroxilación son catalizadas por dos enzimas diferentes: prolil-4-hidroxilasa y lisil-hidroxilasa. La reacción consume una molécula de ascorbato por hidroxilación. La síntesis de colágeno ocurre dentro y fuera de la célula. La formación de colágeno que da como resultado colágeno fibrilar (la forma más común) se analiza aquí. 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 colágeno son hélices triples y las diferencias radican en la composición de los péptidos alfa creados en el paso 2.

1. Transcripción de ARNm: Alrededor de 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 particular (típicamente alfa 1, 2 o 3).
2. Formación de pre-pro-péptidos: una vez que el ARNm final sale del núcleo celular y entra en el citoplasma, se une con las subunidades ribosómicas y se produce el proceso de traducción. La parte temprana/primera del nuevo péptido se conoce como secuencia señal. La secuencia de señal en el terminal N del péptido es reconocida por una partícula de reconocimiento de señal en el retículo endoplásmico, que será responsable de dirigir el pre-pro-péptido 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: se producen tres modificaciones del pre-pro-péptido que conducen a la formación del péptido alfa:
   1. El péptido señal en el terminal N se elimina y la molécula ahora se conoce como propéptido (no procolágeno).
   2. La hidroxilación de lisinas y prolinas en propéptido 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 ocurre al agregar monómeros de glucosa o galactosa a los grupos hidroxilo que se colocaron en las lisinas, pero no en las prolinas.
   4. Una vez que se han producido estas modificaciones, tres de los propéptidos hidroxilados y glicosilados se tuercen en una triple hélice formando procolágeno. Procolágeno todavía tiene extremos desenrollados, que luego serán recortados. 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 cuando se sintetiza el tipo III, un tipo de colágeno fibrilar.
6. Formación de la fibrilla de colágeno: la lisil oxidasa, una enzima extracelular dependiente de cobre, produce el paso final en la ruta de síntesis de colágeno. Esta enzima actúa sobre las lisinas e hidroxilisinas produciendo grupos aldehído, que eventualmente se unirán covalentemente entre las moléculas de tropocolágeno. Este polímero de tropocolágeno se conoce como fibrilla de colágeno.

Aminoácidos

El colágeno tiene una composición y secuencia de aminoácidos inusuales:

• La glicina se encuentra en casi cada tercer residuo.
• 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 postraduccionalmente por diferentes enzimas, las cuales requieren vitamina C como cofactor.
  • Hidroxiprolina derivada de prolina
  • Hidroxilisina derivada de la lisina: según el 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.

Formación de colágeno I

La mayoría de las formas de colágeno son similares, 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 peptídicas, conocidas como preprocolágeno, tienen péptidos de registro en cada extremo y un péptido señal.
   2. Las cadenas polipeptídicas se liberan en la luz 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 de hidroxilisina específicos.
   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 la procolágeno peptidasa forma tropocolágeno.
   2. Múltiples moléculas de tropocolágeno forman fibrillas de colágeno, a través de enlaces cruzados covalentes (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 se puede unir a las membranas celulares a través de varios tipos de proteínas, que incluyen fibronectina, laminina, fibulina e integrina.

Patogenia sintética

La deficiencia de vitamina C provoca el escorbuto, una enfermedad grave y dolorosa en la que el colágeno defectuoso impide 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 eran privados de alimentos que contenían vitamina C.

Una enfermedad autoinmune como el lupus eritematoso o la artritis reumatoide 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 en su producción.

Estructura molecular

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 levógira; esto no debe confundirse con la hélice alfa dextrógira. Estas tres hélices levógiras se retuercen juntas en una triple hélice levógira o "superhélice", una estructura cuaternaria cooperativa estabilizada por muchos enlaces de hidrógeno. Con el colágeno tipo I y posiblemente con todos los colágenos fibrilares, si no con todos los colágenos, cada triple hélice se asocia en una súper súper espiral dextrógira denominada microfibrilla de colágeno.

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 a menudo sigue el patrón Gly-Pro-X o Gly-X-Hyp, donde X puede ser cualquiera de varios otros residuos de aminoácidos. La prolina o la 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 ₂carácter 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. 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 tejidos y la infraestructura, muchas secciones de sus regiones no ricas en prolina tienen funciones de regulación/asociación de células o matriz. El contenido relativamente alto de anillos de prolina e hidroxiprolina, con sus grupos carboxilo y amino (secundario) restringidos geométricamente, junto con la rica abundancia de glicina, explica la tendencia de las cadenas polipeptídicas individuales a formar hélices levógiras espontáneamente, sin ningún tipo de intracadena. enlaces de hidrógeno.

Debido a que la glicina es el aminoácido más pequeño sin cadena lateral, desempeña 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 átomo de hidrógeno único de la glicina. Por la misma razón, los anillos de Pro y 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 corporal es más baja que la de 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; estos últimos tienden a tener contenidos de prolina e hidroxiprolina similares a los de los mamíferos.El contenido más bajo de prolina e hidroxiprolina 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. 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 conjuntos aún más grandes en los espacios extracelulares de los tejidos. El ensamblaje adicional de fibrillas es guiado por fibroblastos, que depositan fibrillas completamente formadas a partir de fibripositores. En los colágenos fibrilares, las moléculas están escalonadas con respecto a 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 "brecha".Estas regiones de superposición y separación se conservan 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.

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). Los haces fibrilares más grandes se forman con la ayuda de varias clases diferentes de proteínas (incluidos diferentes tipos de colágeno), glicoproteínas y proteoglucanos para formar los diferentes tipos de tejidos maduros a partir de combinaciones alternativas de los mismos actores clave.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 entrecruzado. 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. Estos avances posteriores son particularmente importantes para comprender mejor la forma en que la estructura del colágeno afecta la comunicación célula-célula y célula-matriz y cómo se construyen los tejidos en el crecimiento y la reparación y cómo se modifican en el desarrollo y la enfermedad.Por ejemplo, utilizando 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, lo que se correlaciona con sus diferentes organizaciones moleculares en estas dos regiones.

Las fibrillas/agregados de colágeno se organizan en diferentes combinaciones y concentraciones en varios tejidos para proporcionar diferentes propiedades tisulares. En el hueso, las triples hélices de colágeno enteras se encuentran en una disposición 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. El colágeno tipo I le da al hueso su resistencia a la tracción.

Trastornos asociados

Las enfermedades relacionadas con el colágeno surgen más comúnmente 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.

Tipo	notas	gen(es)	Trastornos
yo	Este es el colágeno más abundante del cuerpo humano. Está presente en el tejido cicatricial, el producto final cuando el tejido se cura por 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, COL1A2	Osteogénesis imperfecta, síndrome de Ehlers-Danlos, hiperostosis cortical infantil, también conocida como enfermedad de Caffey
II	Cartílago hialino, constituye el 50% de toda la proteína del cartílago. Humor vítreo del ojo.	COL2A1	Colagenopatía, tipos II y XI
tercero	Este 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.	COL3A1	Síndrome de Ehlers-Danlos, contractura de Dupuytren
IV	Lámina basal; lente de contacto. 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, COL4A6	Síndrome de Alport, síndrome de Goodpasture
V	La mayoría del tejido intersticial, asoc. con tipo I, asociado con placenta	COL5A1, COL5A2, COL5A3	Síndrome de Ehlers-Danlos (clásico)
VI	La mayoría del tejido intersticial, asoc. con tipo I	COL6A1, COL6A2, COL6A3, COL6A5	miopatía de Ulrich, miopatía de Bethlem, dermatitis atópica
VII	Forma fibrillas de anclaje en las uniones dermoepidérmicas.	COL7A1	Epidermólisis ampollosa distrófica
viii	Algunas células endoteliales	COL8A1, COL8A2	Distrofia corneal polimorfa posterior 2
IX	FACIT colágeno, cartílago, asoc. con fibrillas tipo II y XI	COL9A1, COL9A2, COL9A3	EDM2 y EDM3
X	Cartílago hipertrófico y mineralizante	COL10A1	Displasia metafisaria de Schmid
XI	Cartílago	COL11A1, COL11A2	Colagenopatía, tipos II y XI
XII	Colágeno FACIT, interactúa con el tipo I que contiene fibrillas, decorina y glicosaminoglicanos	COL12A1	–
XIII	Colágeno transmembrana, interactúa con la integrina a1b1, fibronectina y componentes de las membranas basales como nidogen y perlecan.	COL13A1	–
XIV	Colágeno FACIT, también conocido como ondulina	COL14A1	–
XV	–	COL15A1	–
XVI	–	COL16A1	–
XVII	Colágeno transmembrana, también conocido como BP180, una proteína de 180 kDa	COL17A1	Penfigoide ampolloso y ciertas formas de epidermólisis ampollosa de la unión
XVIII	Fuente de endostatina	COL18A1	–
XIX	Colágeno FACIT	COL19A1	–
XX	–	COL20A1	–
XXI	Colágeno FACIT	COL21A1	–
XXIII	–	COL22A1	–
XXIII	Colágeno MACIT	COL23A1	–
XXIV	–	COL24A1	–
XXVI	–	COL25A1	–
XXVI	–	EMID2	–
XXVIII	–	COL27A1	–
XXVII	–	COL28A1	–
XXIX	colágeno epidérmico	COL29A1	Dermatitis atópica

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

Enfermedades

Se han identificado mil mutaciones en 12 de más de 20 tipos de colágeno. Estas mutaciones pueden dar lugar a diversas enfermedades a nivel tisular.

Osteogénesis imperfecta – Causada por una mutación en el colágeno tipo 1, trastorno autosómico dominante, resulta en 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.

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

Síndrome de Ehlers-Danlos: se conocen trece tipos diferentes de este trastorno, que conducen a deformidades en el tejido conectivo. Algunos de los tipos más raros pueden ser letales y provocar la ruptura de las 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.

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 la audición también puede desarrollarse durante la infancia o la adolescencia.

Síndrome de Knobloch – Causado por una mutación en el gen COL18A1 que codifica para la producción de colágeno XVIII. Los pacientes presentan protrusión del tejido cerebral y degeneración de la retina; una persona que tiene familiares que padecen el trastorno tiene un mayor riesgo de desarrollarlo, ya que existe un vínculo hereditario.

Características

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 haces duros 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, el cartílago, los ligamentos, los tendones, los huesos y la piel. Junto con la elastina y la queratina blanda, es responsable de la fuerza y ​​la elasticidad de la piel, y su degradación conduce a las arrugas que acompañan al envejecimiento.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.

Usos

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

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

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 4000 años, y los nativos americanos lo usaron en arcos hace unos 1500 años. Se descubrió que el pegamento más antiguo del mundo, con fecha de carbono de más de 8,000 años, era colágeno, utilizado como revestimiento protector en cestas de cuerda y telas bordadas, para mantener los utensilios unidos y en decoraciones entrecruzadas en cráneos humanos.El colágeno normalmente se convierte en gelatina, pero sobrevivió debido a las condiciones secas. Los pegamentos animales son termoplásticos y se ablandan nuevamente al recalentarlos, por lo que todavía se usan para fabricar instrumentos musicales como violines y guitarras finas, que pueden tener que reabrirse para repararlos, 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.

Se ha utilizado pegamento de gelatina-resorcinol-formaldehído (y con formaldehído reemplazado por pentanodial y etanodial menos tóxicos) para reparar incisiones experimentales en pulmones de conejo.

Historia

Las estructuras moleculares y de empaquetamiento del colágeno eludieron 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. Luego, la investigación se concentró en la conformación del monómero de colágeno, produciendo varios modelos en competencia, aunque tratando correctamente la conformación de cada cadena peptídica individual. El modelo "Madras" de triple hélice, propuesto por GN Ramachandran en 1955, proporcionó un modelo preciso de la estructura cuaternaria en el colágeno. Este modelo fue respaldado por estudios adicionales de mayor resolución a fines del siglo XX.

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 tiempo que es hexagonal. Al igual que con su estructura monomérica, varios modelos en conflicto proponen que la disposición de empaquetamiento de las moléculas de colágeno es "en forma de lámina" o es microfibrilar. La estructura microfibrilar de las fibrillas de colágeno en el tendón, la córnea y el cartílago se obtuvo directamente mediante microscopía electrónica a finales del siglo XX y principios del siglo XXI. La estructura microfibrilar del tendón de la cola de rata se modeló como la más cercana a la estructura observada, aunque simplificó en exceso la progresión topológica de las moléculas de colágeno vecinas y, por lo tanto, no predijo la conformación correcta del arreglo pentamérico D-periódico discontinuo denominadomicrofibrilla.