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colágeno

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

El colágeno ( / ˈk ɒ l ə dʒ ə n / ) es la principal proteína estructural de 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, [1] y representa del 25% al ​​35% del contenido proteico de todo el cuerpo. El colágeno consta de aminoácidos unidos para formar una triple hélice de fibrilla alargada [2] conocida como hélice de colágeno . Se encuentra principalmente en el tejido conectivo como cartílagos , huesos , tendones , ligamentos y piel . La vitamina C es vital para la síntesis de colágeno y la vitamina E mejora la producción de colágeno.

HCR- FISH visualización de la expresión de colágeno en P. waltl

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 componente principal del endomisio . El colágeno constituye del uno al dos por ciento del tejido muscular y representa el 6% del peso del tejido del músculo esquelético . [4] El fibroblasto es la célula más común que crea colágeno. La gelatina , que se utiliza en la alimentación y la industria, es colágeno que ha sido hidrolizado de forma irreversible mediante calor, soluciones básicas o ácidos débiles. [5]

Etimología

colágeno

El nombre colágeno proviene del griego κόλλα ( kólla ), que significa " pegamento ", y el sufijo -γέν, -gen , que denota "productor". [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 28 tipos de colágeno humano en varios grupos según la estructura que forman. [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 válvulas cardíacas , está unido histológica, elástica y exclusivamente al músculo cardíaco. El esqueleto cardíaco también incluye los tabiques que separan las cámaras del corazón : el tabique interventricular y el tabique auriculoventricular . La contribución del colágeno a la medida del rendimiento cardíaco representa resumidamente 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 inferiores es una membrana impermeable que excluye tanto los impulsos sanguíneos como los 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 se encuentra en capas en densidades variables con masa de músculo liso. La masa, distribución, edad y densidad del colágeno contribuyen al cumplimiento necesario para mover la sangre hacia adelante y hacia atrás. Las valvas valvulares cardíacas individuales se pliegan para darles 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 muestra en movimiento de sangre y músculo, lo que permite que los métodos de tecnología de imágenes cardíacas lleguen a proporciones que esencialmente indican sangre que entra ( entrada cardíaca ) y sangre que sale ( gasto cardíaco ). La patología del colágeno que sustenta el corazón se entiende dentro de la categoría de enfermedades del tejido conectivo . [ cita necesaria ]

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. [12]

Regeneración de tejidos

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

Usos quirúrgicos reconstructivos

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

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 curación de heridas . [21] Cuando el colágeno se pone a disposición del lecho de la herida, se puede producir 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 lo tanto, se utiliza como apósito natural para heridas y tiene propiedades que los apósitos artificiales 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 apósito para quemaduras, se puede formar muy rápidamente tejido de granulación saludable 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:

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 . [23] El colágeno también se usa 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). [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 media de aminoácidos para la piel de peces y mamíferos. [25]

Síntesis

Primero, se ensambla una estructura trenzada tridimensional, con los aminoácidos glicina y prolina como componentes principales. Todavía no se trata de colágeno sino de su precursor, el procolágeno. Luego, el procolágeno se modifica añadiendo grupos hidroxilo a los aminoácidos prolina y lisina . Este paso es importante para la posterior glicosilación 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 alterada de colágeno 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 el colágeno fibrilar (la forma más común). El colágeno en red, que a menudo participa en la formación de sistemas de filtración, es la otra forma de colágeno. Todos los tipos de colágenos son triples hélices 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 normalmente tienen el prefijo " COL ". El comienzo 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 pre-pro-péptido : una vez que el ARNm final sale del núcleo celular y entra al citoplasma, se vincula con las subunidades ribosómicas y se produce el proceso de traducción. La primera parte del nuevo péptido se conoce como secuencia señal. La secuencia señal en el N-terminal del péptido es reconocida por una partícula de reconocimiento de señal en el retículo endoplásmico , que será la encargada de dirigir el pre-pro-péptido hacia el retículo endoplásmico. Por tanto, una vez finalizada la síntesis del nuevo péptido, pasa directamente al retículo endoplásmico para su procesamiento postraduccional. Ahora se le conoce como preprocolágeno.
  3. De prepropéptido a procolágeno : se producen tres modificaciones del prepropéptido 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 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 laxa (que está formada por tres alfa péptidos).
    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 todavía tiene las puntas desenrolladas, que luego serán recortadas. 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 añaden 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 en la síntesis de 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 vía de síntesis de colágeno. Esta enzima actúa sobre lisinas e hidroxilisinas produciendo grupos aldehídos, que eventualmente formarán enlaces covalentes entre 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 inusual:

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

Formación de colágeno I.

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 peptídicas conocidas como preprocolágeno, tienen péptidos de registro en cada extremo y un péptido señal . [30]
    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 de triple hélice 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 mediante 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 mediante reticulación covalente ( reacción aldólica ) mediante 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, incluidas la fibronectina , la laminina , la fibulina y la integrina .

Patogenia sintética

La deficiencia de vitamina C causa 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 sanan. 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 [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

Se utiliza una sola molécula de colágeno, el tropocolágeno, 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, ver paso 2), cada una de las cuales tiene la conformación de una hélice izquierda ; esto no debe confundirse con la hélice alfa derecha . Estas tres hélices izquierdas están entrelazadas formando una triple hélice derecha 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 bobina derecha conocida como microfibrilla de colágeno. Cada microfibrilla está interdigitada con sus microfibrillas vecinas hasta un punto 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. Luego, muchos tropocolágenos se unen 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 otros residuos de aminoácidos. [25] 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 carácter inusual GX 1 X 2 de los alfapéptidos 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 estrecha de las fibras de colágeno dentro de la molécula, facilitando los enlaces de hidrógeno y la formación de enlaces cruzados intermoleculares. [25] 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 matricial. 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 cadenas polipeptídicas individuales a formar hélices izquierdas espontáneamente, sin ninguna 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 único átomo de hidrógeno de la glicina . Por la misma razón, los anillos del Pro y 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, 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 aguas cálidas; estos últimos tienden a tener contenidos de prolina e hidroxiprolina similares a los de los mamíferos. [25] El menor contenido 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. [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 conjuntos 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 están escalonadas con respecto a las moléculas adyacentes 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 sólo cuatro moléculas, llamada "espacio". [34] Estas regiones de superposición y separación se retienen a medida que las microfibrillas se ensamblan en fibrillas y, por lo tanto, son visibles mediante microscopía electrónica. Los tropocolágenos de triple hélice en las microfibrillas están dispuestos en un patrón de empaquetamiento casi hexagonal. [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 difracción de rayos X han permitido a los investigadores obtener imágenes cada vez más detalladas de la estructura del colágeno in situ . [37] 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 durante el crecimiento y la reparación y cómo se modifican durante el desarrollo y la enfermedad. [38] [39] 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 separación y superposición, lo que se correlaciona con sus diferentes organizaciones moleculares en estas dos regiones. [40]

Las fibrillas/agregados de colágeno están dispuestos en diferentes combinaciones y concentraciones en diversos tejidos para proporcionar diferentes propiedades tisulares. En el hueso, las triples hélices enteras de colágeno 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 . [41] 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.

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. [44]

Osteogénesis imperfecta : causada por una mutación en el colágeno tipo 1 , trastorno autosómico dominante, produce 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 provoca deformidades en el tejido conectivo. [47] 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 . [48]

Síndrome de Alport : puede transmitirse genéticamente, generalmente como un trastorno 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 años de 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 con el trastorno tiene un mayor riesgo de desarrollarlo, ya que existe un vínculo hereditario. [44]

Características

El colágeno es una de las proteínas estructurales fibrosas largas cuyas funciones son bastante diferentes a las de las proteínas globulares , como las enzimas . Los resistentes haces de colágeno llamados fibras de colágeno son un componente importante 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 , los cartílagos , los ligamentos , los tendones , los huesos y la piel. [50] [51] Junto con la elastina y la queratina suave , es responsable de la fuerza y ​​elasticidad de la piel, y su degradación conduce a las arrugas que acompañan al envejecimiento . [52] 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 que sea una de las proteínas más abundantes en el registro fósil, dado que parece fosilizarse con frecuencia, incluso en huesos del Mesozoico y Paleozoico . [53]

Propiedades mecánicas

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

A escala molecular, las simulaciones de modelos atomísticos y detallados , así como numerosos métodos experimentales, han conducido a varias estimaciones del módulo de Young del colágeno a nivel molecular. Sólo por encima de una determinada 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. [54] La longitud de la molécula también es importante, donde las moléculas más largas tienen menor resistencia a la tracción que las más cortas debido a que las moléculas cortas tienen una gran proporción de enlaces de hidrógeno que se rompen y reforman. [55]

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. [54] 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. [56]

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. [57]

Al estudiar las propiedades mecánicas del colágeno, a menudo se elige el tendón como el material ideal porque está cerca de una estructura de colágeno pura y alineada. 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 principalmente fibras paralelas, mientras que la piel consiste en 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 los cuales consta de un resorte y un amortiguador en paralelo, la deformación en la fibra se puede modelar de acuerdo con la siguiente ecuación:

donde α, β y γ son propiedades definidas de los materiales, ε D es la deformación fibrilar y ε T es la deformación total. [62]

Usos

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

El colágeno tiene una amplia variedad de aplicaciones, desde alimentarias hasta médicas. [63] En la industria médica, se utiliza en cirugía estética y cirugía de quemaduras . En el sector alimentario, un ejemplo de uso son las 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 poliprolina II (PPII) de colágeno normal de las bobinas aleatorias . Este proceso describe la formación de gelatina , que se utiliza en muchos alimentos, incluidos los postres de gelatina aromatizados . Además de en la alimentación, 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. [64] [65] [66]

Del griego kolla, pegamento , 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 arcos hace unos 1.500 años. Se descubrió que el pegamento más antiguo del mundo, con una antigüedad de más de 8.000 años mediante carbono , era el colágeno, utilizado como revestimiento protector en cestas de cuerda y telas bordadas , para mantener unidos los utensilios y en decoraciones entrecruzadas en cráneos humanos . [67] 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 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 pieles de animales, incluido el cuero, se han utilizado para fabricar artículos útiles durante milenios.

Se ha utilizado pegamento de gelatina , resorcinol y formaldehído (y con formaldehído reemplazado por pentanedial y etanodial , menos tóxicos ) para reparar incisiones experimentales en pulmones de conejos . [68]

Productos cosméticos

El colágeno bovino se utiliza ampliamente en rellenos dérmicos para la corrección estética de las arrugas y el envejecimiento de la piel. [69] 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. [70] La mayoría de las investigaciones sobre suplementos de colágeno han sido financiadas por industrias que podrían beneficiarse de un resultado positivo del estudio. [70]

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 los años 1930. [71] [72] Luego, la investigación se concentró en la conformación del monómero de colágeno , produciendo varios modelos competitivos, 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 del colágeno. [73] [74] [75] [76] [77] Este modelo fue respaldado por estudios adicionales de mayor resolución a finales del siglo XX. [78] [79] [80] [81]

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] [82] [83] Al igual que con su estructura monomérica, varios modelos contradictorios proponen que la disposición de empaquetado de las moléculas de colágeno es "en forma de lámina" o es microfibrilar . [84] [85] La estructura microfibrilar de las fibrillas de colágeno en tendones, córneas y cartílagos se obtuvo imágenes directamente mediante microscopía electrónica a finales del siglo XX y principios del XXI. [86] [87] [88] 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 estructura D-discontinua. disposición pentamérica periódica denominada microfibrilla . [34] [89] [90]

Ver 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". La Revista de Química Biológica . 277 (6): 4223–4231. doi : 10.1074/jbc.M110709200 . PMID  11704682.
  2. ^ "El cuero cultivado mediante biotecnología está a punto de llegar a la pasarela". El economista . 26 de agosto de 2017. Archivado desde el original el 1 de septiembre de 2017 . Consultado el 2 de septiembre de 2017 .
  3. ^ Enciclopedia Británica Concisa 2007
  4. ^ Sikorski ZE (2001). Propiedades químicas y funcionales de las proteínas alimentarias . Boca Ratón, Florida: CRC Press. pag. 242.ISBN​ 978-1-56676-960-0.
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