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Colágeno

Molécula de tropocolágeno: tres procolágenos levógiros (rojo, verde, azul) se unen para formar un tropocolágeno triple helicoidal dextrógiro.

El colágeno ( / ˈkɒlədʒən / ) es la principal proteína estructural en la matriz extracelular de los diversos tejidos conectivos de un cuerpo . Como componente principal del tejido conectivo, es la proteína más abundante en los mamíferos. [1] Entre el 25% y el 35% del contenido proteico del cuerpo de un mamífero es colágeno. Los aminoácidos se unen para formar una triple hélice de fibrillas alargadas [2] conocida como hélice de colágeno . La hélice de colágeno se encuentra principalmente en el tejido conectivo, como el cartílago , los huesos , los tendones , los ligamentos y la piel . La vitamina C es vital para la síntesis de colágeno, mientras que la vitamina E mejora su producción.

Visualización mediante HCR- FISH de la expresión de colágeno en el tritón ibérico

Dependiendo del grado de mineralización , los tejidos de colágeno pueden ser rígidos (hueso) o flexibles (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 , sirve como un componente principal del endomisio . El colágeno constituye del 1% al 2% del tejido muscular y representa el 6% del peso del músculo esquelético . [4] El fibroblasto es la célula más común que crea colágeno en un cuerpo. La gelatina , que se utiliza en alimentos e industria, es colágeno que se hidrolizó irreversiblemente usando calor, soluciones básicas o ácidos débiles. [5]

Etimología

Colágeno

El nombre colágeno proviene del griego κόλλα ( kólla ), que significa " pegamento ", y del sufijo -γέν, -gen , que denota "producir". [6] [7]

Tipos humanos

Más del 90% del colágeno del cuerpo humano es colágeno tipo I. [8] 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. [9] Todos los tipos contienen al menos una triple hélice . [9] La cantidad de tipos muestra la diversa funcionalidad del colágeno. [10]

Los cinco tipos más comunes son: [11]

En biología humana

Cardíaco

El esqueleto cardíaco colágeno , que incluye los cuatro anillos de las válvulas cardíacas , está unido histológicamente, elásticamente y de forma única al músculo cardíaco. El esqueleto cardíaco también incluye los tabiques que separan las cámaras cardíacas : el tabique interventricular y el tabique auriculoventricular . La contribución del colágeno a la medida del rendimiento cardíaco representa sumariamente una fuerza de torsión continua opuesta a la mecánica de fluidos de la presión sanguínea emitida desde 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 a fibrilación ventricular . El colágeno está dispuesto en capas en densidades variables con masa de músculo liso. La masa, la distribución, la edad y la densidad del colágeno contribuyen a la elasticidad necesaria para mover la sangre de un lado a otro. Las valvas cardíacas individuales se pliegan en forma por 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 representación en movimiento de sangre y músculo, lo que permite que los métodos de tecnología de imágenes cardíacas lleguen a proporciones que básicamente indican la sangre que entra ( entrada cardíaca ) y la sangre que sale ( gasto cardíaco ). La patología del colágeno que sustenta el corazón se entiende dentro de la categoría de enfermedad del tejido conectivo . [ cita requerida ]

Injertos óseos

Como el esqueleto forma la estructura del cuerpo, es vital que mantenga su fuerza, incluso después de fracturas 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 se descomponga por enzimas, permite la adhesividad de las células y es importante para el ensamblaje adecuado de la matriz extracelular. [12]

Regeneración tisular

Los andamios de colágeno se utilizan en la regeneración de tejidos, ya sea en esponjas, [13] láminas delgadas, [14] geles, [15] o fibras. [16] El colágeno tiene propiedades favorables para la regeneración de tejidos, como la estructura de poros, la permeabilidad, la hidrofilicidad y la estabilidad in vivo. Los andamios de colágeno también favorecen la deposición de células, como osteoblastos y fibroblastos , y una vez insertados, facilitan el crecimiento para que se lleve a cabo con normalidad. [17]

Usos quirúrgicos reconstructivos

Los colágenos se emplean ampliamente en la construcción de sustitutos de piel artificiales utilizados en el tratamiento de quemaduras y heridas graves. [18] [19] Estos colágenos pueden derivar de fuentes bovinas, equinas, porcinas o incluso humanas; y a veces se utilizan en combinación con siliconas , glicosaminoglicanos , fibroblastos, factores de crecimiento y otras sustancias. [20]

Cicatrización de heridas

El colágeno es uno de los recursos naturales clave del cuerpo y un componente del tejido cutáneo que puede beneficiar todas las etapas de la cicatrización de heridas . [21] Cuando el colágeno se pone a disposición del lecho de la herida, se puede producir el cierre de la misma. 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 lo tanto, se utiliza como apósito natural para heridas y tiene propiedades que los apósitos artificiales no tienen. 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 las infecciones. Cuando se utiliza colágeno como apósito para quemaduras, se puede formar tejido de granulación sano muy rápidamente sobre la quemadura, lo que ayuda a que se cure rápidamente. [18]

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

Investigación básica

El colágeno se utiliza en estudios de laboratorio para el cultivo de células , estudiando el comportamiento celular y las interacciones celulares con el entorno extracelular . [22] El colágeno también se utiliza ampliamente como biotinta para la bioimpresión 3D y la biofabricación de modelos de tejido 3D.

Biología

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). [23] 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. [24]

Síntesis

En primer lugar, se ensambla una estructura tridimensional hebra con los aminoácidos glicina y prolina como sus componentes principales. Esto todavía no es colágeno pero es su precursor: 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 una estructura de triple hélice para el 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 deteriorada y escorbuto . [25] Estas reacciones de hidroxilación son catalizadas por dos enzimas diferentes: prolil 4-hidroxilasa [26] y lisil hidroxilasa . La reacción consume una molécula de ascorbato por hidroxilación. [27] La ​​síntesis de colágeno ocurre dentro y fuera de una célula. Aquí se analiza la formación de colágeno que da como resultado colágeno fibrilar (la forma más común). El colágeno reticulado, que suele participar en la formación de sistemas de filtración, es otra forma común de colágeno. Todos los tipos de colágeno son triples hélices y las diferencias radican en la composición de sus péptidos alfa creados en el paso 2.

  1. Transcripción del ARNm : unos 44 genes están asociados con la formación de colágeno, cada uno de los cuales codifica una secuencia específica de ARNm y, por lo general, tienen el prefijo " COL ". El inicio de la síntesis de colágeno comienza con la activación de genes asociados con la formación de un péptido alfa particular (normalmente alfa 1, 2 o 3).
  2. Formación del pre-pro-péptido : 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 parte inicial/primera del nuevo péptido se conoce como secuencia señal. La secuencia señal en el extremo N-terminal del péptido es reconocida por una partícula de reconocimiento de señales en el retículo endoplasmático , que será responsable de dirigir el pre-pro-péptido hacia el retículo endoplasmático. Por lo tanto, una vez finalizada la síntesis del nuevo péptido, este va directamente al retículo endoplasmático para su procesamiento postraduccional. En la actualidad se lo 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. Se elimina el péptido señal en el extremo N y la molécula ahora se conoce como propéptido (no procolágeno).
    2. La hidroxilación de las lisinas y prolinas en el propéptido por las enzimas "prolil hidroxilasa" y "lisil hidroxilasa" (para producir hidroxiprolina e hidroxilisina) se produce para facilitar la reticulación de los péptidos alfa. Este paso enzimático requiere vitamina C como cofactor. En el escorbuto, la falta de hidroxilación de las prolinas y las lisinas provoca una triple hélice más laxa (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 prolinas.
    4. Una vez que se han producido estas modificaciones, tres de los propéptidos hidroxilados y glicosilados se retuercen formando una triple hélice formando procolágeno. El procolágeno aún tiene extremos desenrollados, que serán recortados posteriormente. 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 sufre una última modificación postraduccional antes de ser secretado fuera de la célula. En este paso, se añaden oligosacáridos (no monosacáridos como en el paso 3) y, a continuación, el procolágeno se empaqueta en una vesícula secretora destinada al espacio extracelular.
  5. Formación del 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 del cobre , produce el paso final en la vía de síntesis del colágeno. Esta enzima actúa sobre las lisinas e hidroxilisinas produciendo grupos aldehído, que finalmente sufrirán enlaces covalentes entre las moléculas de tropocolágeno. Este polímero de tropocolágeno se conoce como fibrilla de colágeno.
Acción de la lisil oxidasa

Aminoácidos

El colágeno tiene una composición y secuencia de aminoácidos inusuales:

El cortisol estimula la degradación del colágeno (de la piel) en aminoácidos. [28]

Formación de colágeno I

La mayoría de las formas de colágeno se forman de manera similar, pero el siguiente proceso es típico para el tipo I:

  1. Dentro de la célula
    1. Durante la traducción en los ribosomas a lo largo del retículo endoplasmático rugoso (RER) se forman dos tipos de cadenas alfa: alfa-1 y alfa-2. Estas cadenas peptídicas, conocidas como preprocolágeno, tienen péptidos de registro en cada extremo y un péptido señal . [29]
    2. Las cadenas polipeptídicas 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 ocurre dentro del lumen. Este proceso depende del ácido ascórbico (vitamina C) y lo consume 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 por acción de la procolágeno peptidasa .
    2. Las múltiples moléculas de tropocolágeno forman fibrillas de colágeno, mediante la reticulación covalente ( reacción aldólica ) por la lisiloxidasa , que une los residuos de hidroxilisina y lisina. Las múltiples fibrillas de colágeno se convierten en fibras de colágeno.
    3. El colágeno puede unirse a las membranas celulares a través de varios tipos de proteínas, incluidas la fibronectina , la laminina , la fibulina y la integrina .

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 formada por tres cadenas polipeptídicas (llamadas péptidos alfa, véase 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 están retorcidas entre sí en una triple hélice dextrógira 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 super-super-espira dextrógira denominada microfibrilla de colágeno. Cada microfibrilla está entrelazada con sus microfibrillas vecinas hasta 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 el tropocolágeno. Muchos tropocolágenos se unen entre sí para formar una fibrilla y muchos de ellos 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 a menudo sigue el patrón Gly - Pro -X o Gly-X- Hyp , donde X puede ser cualquiera de varios otros residuos de aminoácidos. [24] La prolina o la hidroxiprolina constituyen aproximadamente 1/6 de la secuencia total. Con la glicina representando el 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 carácter inusual GX 1 X 2 de los alfa-péptidos de colágeno. El alto contenido de glicina del colágeno es importante con respecto a la estabilización de la hélice de colágeno, ya que esto permite la asociación muy cercana de las fibras de colágeno dentro de la molécula, facilitando la unión de hidrógeno y la formación de enlaces cruzados intermoleculares. [24] Este tipo de repetición regular y alto contenido de glicina se encuentra sólo en algunas otras proteínas fibrosas, como la fibroína de seda .

El colágeno no es sólo una proteína estructural. Debido a su papel clave en la determinación del fenotipo celular, la adhesión celular, la regulación tisular y la infraestructura, muchas secciones de sus regiones no ricas en prolina tienen funciones de asociación/regulación celular o de la matriz. El contenido relativamente alto de anillos de prolina e hidroxiprolina, con sus grupos carboxilo y amino (secundario) geométricamente restringidos , junto con la gran abundancia de glicina, explica la tendencia de las hebras individuales de polipéptidos a formar hélices levógiras de manera espontánea, sin ningún enlace de hidrógeno intracadena.

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 e Hyp deben apuntar hacia afuera. Estos dos aminoácidos ayudan a estabilizar la triple hélice, Hyp incluso más que Pro; se requiere una concentración menor de ellos en animales como los peces, cuyas temperaturas corporales son más bajas 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; estos últimos tienden a tener contenidos de prolina e hidroxiprolina similares a los de los mamíferos. [24] Los contenidos más bajos de prolina e hidroxiprolina de los peces de agua fría y otros animales poiquilotermos hacen que su colágeno tenga una estabilidad térmica menor que el colágeno de los mamíferos. [24] Esta menor estabilidad térmica significa que la gelatina derivada del colágeno de pescado no es adecuada para muchas aplicaciones alimentarias e industriales.

Las subunidades del tropocolágeno se autoensamblan espontáneamente , con extremos escalonados regularmente, en conjuntos aún más grandes en los espacios extracelulares de los tejidos. [30] [31] 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 por aproximadamente 67  nm (una unidad que se conoce como "D" y cambia dependiendo del 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". [32] Estas regiones de superposición y espacio 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. [32] [33]

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

Hay cierta reticulación covalente dentro de las triples hélices y una cantidad variable de reticulación covalente entre las hélices de tropocolágeno que forman agregados bien organizados (como fibrillas). [34] 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. [31] 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 . [35] Estos últimos avances son particularmente importantes para entender mejor la forma en que la estructura del colágeno afecta la comunicación célula-célula y célula-matriz y cómo los tejidos se construyen en el crecimiento y la reparación y se modifican en el desarrollo y la enfermedad. [36] [37] 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 espacio y superposición, lo que se correlaciona con sus diferentes organizaciones moleculares en estas dos regiones. [38]

Las fibrillas/agregados de colágeno se organizan en diferentes combinaciones y concentraciones en varios tejidos para proporcionar diversas propiedades tisulares. En el hueso, las triples hélices de colágeno completas 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 largos, duros y finos del componente mineral, que es hidroxiapatita (aproximadamente) Ca 10 (OH) 2 (PO 4 ) 6 . [39] El colágeno tipo I le da al hueso su resistencia a la tracción .

Trastornos asociados

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.

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 provocar diversas enfermedades a nivel tisular. [41]

Osteogénesis imperfecta : causada por una mutación en el colágeno tipo 1 , trastorno autosómico dominante, que provoca 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. [42]

Condrodisplasias : trastorno esquelético que se cree que es causado por una mutación en el colágeno tipo 2 ; se están realizando más investigaciones para confirmarlo. [43]

Síndrome de Ehlers-Danlos : se conocen trece tipos diferentes de este trastorno, que provocan deformidades en el tejido conectivo. [44] 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. [ 45]

Síndrome de Alport : puede transmitirse genéticamente, generalmente como dominante ligado al cromosoma X, pero también como un trastorno autosómico dominante y autosómico recesivo; quienes padecen esta afección tienen problemas con los riñones y los ojos; la pérdida de audición también puede desarrollarse durante la infancia o la adolescencia. [46]

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; una persona que tiene familiares con el trastorno tiene un mayor riesgo de desarrollarlo, ya que existe un vínculo hereditario. [41]

Recolección de animales

Cuando no se sintetiza, el colágeno se puede extraer de la piel de los animales, lo que ha provocado deforestación, como ocurrió en Paraguay, donde los grandes productores de colágeno compran grandes cantidades de pieles de ganado de regiones que han sido taladas para el pastoreo de ganado. [47]

Características

El colágeno es una de las proteínas estructurales largas y fibrosas cuyas funciones son bastante diferentes a las de las proteínas globulares , como las enzimas . Los haces resistentes 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 en el interior 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 , el hueso y la piel. [48] [49] Junto con la elastina y la queratina blanda , es responsable de la fuerza y ​​elasticidad de la piel, y su degradación conduce a las arrugas que acompañan al envejecimiento . [50] Fortalece los vasos sanguíneos y desempeña 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 . [51]

Propiedades mecánicas

El colágeno es un material jerárquico complejo con propiedades mecánicas que varían significativamente en diferentes escalas.

A escala molecular, las simulaciones de modelado atomístico y de grano grueso , así como numerosos métodos experimentales, han llevado a varias estimaciones del módulo de Young del colágeno a nivel molecular. Solo por encima de una cierta tasa de deformación existe una fuerte relación entre el módulo elástico y la tasa de deformación, posiblemente debido a la gran cantidad de átomos en una molécula de colágeno. [52] La longitud de la molécula también es importante, ya que las moléculas más largas tienen resistencias a la tracción menores que las más cortas debido a que las moléculas cortas tienen una gran proporción de enlaces de hidrógeno que se rompen y se reforman. [53]

En la escala fibrilar , el colágeno tiene un módulo más bajo en comparación con la escala molecular y varía según la geometría, la escala de observación, el estado de deformación y el nivel de hidratación. [52] Al aumentar la densidad de reticulación de cero a 3 por molécula, la tensión máxima que la fibrilla puede soportar aumenta de 0,5 GPa a 6 GPa. [54]

Se han realizado pruebas limitadas sobre la resistencia a la tracción de la fibra de colágeno, pero en general se ha demostrado que tiene un módulo de Young más bajo en comparación con las fibrillas. [55]

Al estudiar las propiedades mecánicas del colágeno, el tendón se suele elegir como el material ideal porque se acerca a una estructura de colágeno puro y alineado. Sin embargo, a escala macro, tisular, la gran cantidad de estructuras en las que se pueden organizar las fibras y fibrillas de colágeno da como resultado propiedades muy variables. Por ejemplo, el tendón tiene fibras principalmente paralelas, mientras que la piel consta de una red de fibras onduladas, lo que da como resultado una resistencia mucho mayor y una ductilidad menor en el tendón en comparación con la piel. Se dan las propiedades mecánicas del colágeno en múltiples niveles jerárquicos.

Se sabe que el colágeno es un sólido viscoelástico. Cuando la fibra de colágeno se modela como dos modelos Kelvin-Voigt en serie, cada uno de ellos compuesto por un resorte y un amortiguador en paralelo, la tensión en la fibra se puede modelar de acuerdo con la siguiente ecuación:

donde α, β y γ son propiedades de los materiales definidos, ε D es la deformación fibrilar y ε T es la deformación total. [60]

Usos

Un salami y la tripa de colágeno (abajo) en la que venía

El colágeno tiene una amplia variedad de aplicaciones, desde la alimentación hasta la medicina. [61] En la industria médica, se utiliza en cirugía estética y cirugía de quemaduras . En el sector alimentario, un ejemplo de uso es en tripas para embutidos .

Si el colágeno se somete a una desnaturalización suficiente , como por ejemplo mediante 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, la poliprolina II (PPII) de espirales aleatorias . Este proceso describe la formación de gelatina , que se utiliza en muchos alimentos, incluidos los postres de gelatina saborizados . Además de en los alimentos, la gelatina se ha utilizado en las industrias farmacéutica, cosmética y fotográfica. También se utiliza como suplemento dietético y se ha publicitado como un posible remedio contra el proceso de envejecimiento. [62] [63] [64]

Del griego para pegamento, kolla , la palabra colágeno significa " productor de pegamento " y se refiere al proceso temprano de hervir la piel y los tendones de 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 usaron en arcos hace unos 1.500 años. Se descubrió que el pegamento más antiguo del mundo, datado por carbono con más de 8.000 años, era colágeno, utilizado como revestimiento protector en cestas de cuerda y telas bordadas , para mantener juntos los utensilios y en decoraciones entrecruzadas en cráneos humanos . [65] El colágeno normalmente se convierte en gelatina, pero sobrevivió debido a las condiciones secas. Los pegamentos animales son termoplásticos y se ablandan nuevamente al recalentarse, por lo que todavía se utilizan para fabricar instrumentos musicales como violines y guitarras finos, que pueden tener que volver a abrirse para reparaciones, una aplicación incompatible con los adhesivos plásticos sintéticos resistentes , que son permanentes. Los tendones y las 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 conejos . [66]

Productos cosméticos

El colágeno bovino se utiliza ampliamente en rellenos dérmicos para la corrección estética de arrugas y el envejecimiento de la piel. [67] Las cremas de colágeno también se venden ampliamente a pesar de que el colágeno no puede penetrar la piel porque sus fibras son demasiado grandes. [68] El colágeno es una proteína vital en la piel , el cabello , las uñas y otros tejidos. Su producción disminuye con la edad y factores como el daño solar y el tabaquismo . Los suplementos de colágeno, derivados de fuentes como el pescado y el ganado , se comercializan para mejorar la piel, el cabello y las uñas. Los estudios muestran algunos beneficios para la piel, pero estos suplementos a menudo contienen otros ingredientes beneficiosos, lo que no está claro si el colágeno solo es efectivo. Hay evidencia mínima que respalde los beneficios del colágeno para el cabello y las uñas. En general, la efectividad de los suplementos de colágeno orales no está bien probada, y se recomienda centrarse en un estilo de vida saludable y métodos de cuidado de la piel probados como la protección solar . [69]

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. [70] [71] La investigación se concentró entonces en la conformación del monómero de colágeno , produciendo varios modelos en competencia, aunque abordando correctamente la conformación de cada cadena peptídica individual. El modelo de triple hélice "Madras", propuesto por GN Ramachandran en 1955, proporcionó un modelo preciso de la estructura cuaternaria del colágeno. [72] [73] [74] [75] [76] Este modelo fue respaldado por estudios posteriores de mayor resolución a fines del siglo XX. [77] [78] [79] [80]

La estructura de empaquetamiento del colágeno no ha sido definida en el mismo grado fuera de los tipos de colágeno fibrilar, aunque se sabe desde hace mucho tiempo que es hexagonal. [33] [81] [82] Al igual que con su estructura monomérica, varios modelos conflictivos proponen que la disposición de empaquetamiento de las moléculas de colágeno es "similar a una lámina" o es microfibrilar . [83] [84] La estructura microfibrilar de las fibrillas de colágeno en tendones, córneas y cartílagos fue fotografiada directamente por microscopía electrónica a fines del siglo XX y principios del siglo XXI. [85] [86] [87] La ​​estructura microfibrilar del tendón de la cola de rata se modeló como la más cercana a la estructura observada, aunque simplificó demasiado la progresión topológica de las moléculas de colágeno vecinas y, por lo tanto, no predijo la conformación correcta de la disposición pentamérica D-periódica discontinua denominada microfibrilla . [32] [88] [89]

Véase también

Referencias

  1. ^ Di Lullo GA, Sweeney SM, Korkko J, Ala-Kokko L, San Antonio JD (febrero de 2002). "Mapeo de los sitios de unión de ligandos y mutaciones asociadas a enfermedades en la proteína más abundante en el colágeno humano tipo I". The Journal of Biological Chemistry . 277 (6): 4223–4231. doi : 10.1074/jbc.M110709200 . PMID  11704682.
  2. ^ "El cuero producido mediante biotecnología está a punto de llegar a las pasarelas". The Economist . 26 de agosto de 2017. Archivado desde el original el 1 de septiembre de 2017 . Consultado el 2 de septiembre de 2017 .
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