El colágeno es una familia de proteínas estructurales de la matriz extracelular que se encuentra en tejidos conectivos. Los colágenos son las proteínas más abundantes en el cuerpo de los animales (∼30% de la masa proteica total en los mamíferos). Las fibras de los colágenos son disposiciones supra-macromoleculares que intervienen en la formación de diversas estructuras, incluyendo tendones, ligamentos, piel, córnea y huesos. En humanos, se han identificado al menos 28 tipos diferentes de la familia de los colágenos, que pueden clasificarse en colágenos formadores de fibrillas (como el tipo I, II, III, V y XI) y colágenos no fibrilares.
Interactúan con las células a través de varias familias de receptores y regulan la señalización, la proliferación, la migración y la diferenciación. 65px|.
El nombre colágeno es un neologismo creado en francés collagène en el . Proviene del griego κόλλα (kólla), que significa "pegamento", y el sufijo -γέν, -gen, que denota "producir".
Características La superfamilia de los proteínas colágenos comprende 28 miembros que contienen un dominio de hélice triple (hélice de colágeno). 65px|. miniatura |right |Tropocolágenos formados por hélices triples. Tres hélices alfa en cada uno. Se muestra en color la columna de cada cadena como cinta. miniatura |300px|Triple hélice. Cada cadena como bolas y conectores de un color. El colágeno constituye entre 30-70 % de la proteína de la matriz extracelular en todos los tipos de tejidos. Es la clase de proteína corporal más abundante: 25-30 % de todas las proteínas.
Los colágenos se depositan en la matriz extracelular, donde la mayoría de ellos se autoensamblan formando conjuntos supramoleculares: las fibras de colágeno.
En los colágenos formadores de fibrillas, la estructura de hélice triple está conformada por tres cadenas polipeptídicas, formadas con el aminoácido glicina repetido cada tercera posición (Gly-aaX-aaY)n veces, donde aaX es frecuentemente prolina y aaY es hidroxiprolina.
Los colágenos desempeñan funciones de estructura y contribuyen a las propiedades mecánicas, y la forma de los tejidos.
La familia de los colágenos extracelulares interactúa con las células, mediante receptores y de esa manera regulan la proliferación celular, su migración celular y su diferenciación celular. 65px|.
Estructura
El colágeno tiene una estructura primaria caracterizada por la secuencia repetitiva de aminoácidos (principalmente glicina, prolina y lisina). La estructura secundaria del colágeno es de tres cadenas de polipéptidos. Las cadenas se enrollan una alrededor de la otra, esta triple hélice es su estructura terciaria. Esta hélice triple se agrupa en múltiples fibrillas para formar la estructura cuaternaria del colágeno.
Todos los colágenos son proteínas multidominio, una molécula de colágeno consta de dominios colagenosos y dominios no colagenosos (NC).
El colágeno formador de fibrillas (tropocolágeno), contiene un dominio colagenoso central ininterrumpido (la hélice de colágeno), como parte principal del polipéptido, flanqueado por dominios NC relativamente cortos, denominados telopéptidos y propéptidos N-terminales y C-terminales. 65x65px|.
El colágeno sufre modificaciones luego de la síntesis en los ribosomas (modificación postraduccional), como la hidroxilación de aminoácidos específicos, que son esenciales para su estabilidad y capacidad para formar la triple hélice.
Las cadenas de colágeno están unidas por puentes de hidrógeno intramoleculares, lo que contribuye a la estabilidad de la triple hélice y su capacidad para soportar cargas mecánicas. El colágeno es altamente resistente a la tensión y es responsable de proporcionar fuerza y resistencia a los tejidos.
A diferencia de muchas otras proteínas, es insoluble en agua fría debido a su estructura helicoidal y las fuerzas de enlace entre sus cadenas. Sin embargo, puede volverse soluble en agua caliente o ácida, lo que es útil para la extracción de colágeno para aplicaciones industriales y alimentarias.
Síntesis del colágeno La formación de las proteínas colágenos es como siempre intracelular: grupos de tres aminoácidos se ensamblan en tándem formando tres cadenas de polipéptidos, llamadas cadenas alfa (hélice del colágeno), estas cadenas son muy ricas en prolina, lisina y glicina, y fundamentales en la formación de la hélice triple de tropocolágeno.
miniatura |300px|centro|Biosíntesis de colágeno. thumb|200px|Aminoácido prolina thumb|150px|Aminoácido glicina miniaturadeimagen|150px|Aminoácido lisina La hidroxiprolina constituye alrededor de un 10 a 12 % de todos los residuos aminoacídicos del colágeno, dependiendo dicho porcentaje del tipo de colágeno. La forma química más abundante de la hidroxiprolina que forma parte del colágeno es la 4-trans-OH-L-prolina.
Cada cadena alfa tiene un peso molecular de alrededor de 100.000Da y es levógira (gira hacia la izquierda).
Tres de estas cadenas alfa (α) se ensamblan para formar una molécula de procolágeno en forma de triple espiral, que se secreta al espacio extracelular donde es transformada en tropocolágeno, un «colágeno maduro». Este monómero de tropocolágeno mide alrededor de 300nm de largo y 1.4nm de diámetro. Las tres cadenas alfa se enrollan y se fijan mediante enlaces transversales para formar una triple hélice dextrógira con una distancia entre las vueltas de 8.6nm.
La triple hélice se mantiene unida debido a puentes de hidrógeno. Además, los tropocolágenos se unen entre sí por medio de enlaces entre algunos aminoácidos específicos (como por ejemplo la lisina), llamados "crosslinkings" o entrecruzamientos, que favorecen la consolidación de las fibrillas de colágeno.
En el espacio extracelular varias moléculas de tropocolágeno se asocian a través de enlaces entrecruzados formando fibrillas y fibras. Fuera de la célula se produce el fenómeno de alineación y maduración hasta tropocolágeno en un proceso denominado fibrilo-génesis de colágeno. Esta «maduración» consiste en el fortalecimiento de los cruces intermoleculares y de ello dependen directamente las características mecánicas de cada tejido conjuntivo. OA
Formación del colágeno
Cada una de las cadenas es sintetizada por los ribosomas unidos a la membrana del retículo endoplásmico y son traslocadas al lumen del mismo en forma de grandes precursores (procadenas α), presentando aminoácidos adicionales en los extremos amino y carboxilo terminales. En el retículo endoplásmico los residuos de prolina y lisina son hidroxilados para luego ser glucosilados en el aparato de Golgi; estas hidroxilaciones son útiles para la formación de puentes de hidrógeno intercatenarios que ayudan a la estabilidad de la futura hélice triple.
Tras su secreción, las moléculas de procolágeno (propéptidos) son acortados mediante proteasas convirtiéndolas en moléculas de tropocolágeno asociándose entre sí en el espacio extracelular formando las fibrillas de colágeno.
El colágeno in vivo tiene una estructura jerárquica. Los monómeros de tropocolágeno (TC) individuales se autoensamblan en las microfibrillas macromoleculares que son componentes esenciales de los tejidos y los huesos.
La fibrilogénesis de colágeno in situ ocurre a través del ensamblaje de segmentos de fibrillas de tamaño intermedio, llamados microfibrillas.
Las fibrillas de colágeno tipo I en el tendón tienen hasta 1cm de longitud y hasta ~500 nm de diámetro. Una triple hélice individual en el colágeno tipo I tiene <2nanómetros (nm) de diámetro y ~300 nm de longitud.
La fibrilogénesis del colágeno comienza solo después de que las N- y C-proteinasas del procolágeno escinden los propéptidos de colágeno en cada extremo de triple hélice para generar monómeros TC. Los propéptidos C-terminales son esenciales para la formación adecuada de la triple hélice, pero impiden la fibrilogénesis
Después de la escisión de los propéptidos, los monómeros TC están compuestos por un largo dominio de triple hélice que consiste en una secuencia repetida XaaYaaGly flanqueada por telopéptidos cortos, no de triple hélice.
La formación de fibrillas está dirigida, en parte, por la tendencia de las moléculas de procolágeno a autoensamblarse mediante enlaces covalentes entre los residuos de lisina, formando un empaquetamiento escalonado y periódico de las moléculas de colágeno individuales en la fibrilla.
Fisiología El colágeno tipo es una molécula grande >300nm de longitud con un peso molecular mayor de . Muestra una arquitectura helicoidal compleja y altamente empaquetada.
Los colágenos se autoasocian para formar disposiciones supra-macromoleculares para la adhesión celular, la reparación de la membrana celular, la señalización, la migración y la maduración.
La triple hélice de colágeno, dispuesta en varios patrones que forman diversos andamiajes supramoleculares (desde redes hasta fibrillas), une y organiza espacialmente muchas macromoléculas dentro de la matriz extracelular, proporcionando resistencia a la tracción a los tejidos conjuntivos e influyendo en el comportamiento celular. 65px|.
Los colágenos comparten la propiedad única de agregarse en fibrillas altamente ordenadas, que presentan un patrón de bandas a nivel ultraestructural.
La microfibrilla de colágeno es el biopolímero formado por empaquetamiento de las moléculas de tropocolágeno, generando un arreglo macromolecular. 65px|.
miniatura |300px |Fibras de colágeno, que muestran su estriación característica. Tinción. Microscopía óptica. miniatura |300px |Fibra de colágeno formadas por Fibrillas. Barra de escala 5micrómetros (μm). Microscopio electrónico de barrido . La fibra de colágeno es la estructura supra-macromolecular, es decir innumerables microfibrillas ensambladas, que puede medir 500nm de diámetro y hasta un centímetro de longitud. 65px|.
Las fibras colágenas, de varios milímetros (mm) de grosor, corresponden a la asociación de numerosos manojos de fibrillas de 150 a 300nm de diámetro formadas por moléculas de colágeno tipo I (2 cadenas A1(I) y 1 cadena A2(I)).
Las fibras reticulares de 0,5 a 2,0mm de grosor (visibles al ser teñidas), están formadas por numerosos manojos de fibrillas de 50nm de diámetro formadas por moléculas de colágeno tipo III (3 cadenas A1(III)). 65px|.
Las fibrillas se forman con una mezcla de colágenos fibrilares mayores y menores (colágenos I, III y V en la mayoría de los tejidos conectivos y colágeno II y XI en el cartílago).
La súperfamilia de los colágenos pueden dividirse en diferentes subfamilias que incluyen: colágenos fibrilares, colágenos formadores de redes, colágenos asociados a fibrillas con triple hélice interrumpida (FACIT) y otros.
Las células utilizarían el colágeno V para nuclear las fibrillas de colágeno, y la fibronectina (FN) y las integrinas (IN) para especificar su sitio de ensamblaje. Al localizar la formación de fibrillas en la membrana plasmática, la célula mantiene un control regulador estricto de la génesis de la fibrilla de colágeno, que es claramente esencial para la formación de ensamblajes de empaquetamiento. Ahora sabemos que las células se anclan directamente a las formas monoméricas de los colágenos fibrilares a través de las integrinas α1β1, α2β1, α10β1 y α11β1. Se ha establecido la unión de colágenos de triple hélice al dominio Ⅰ de las integrinas que se unen al colágeno. OA
Distintas fuerzas actúan sobre las fibrillas de colágeno que se han secretado, ejerciendo tracciones y desplazamientos sobre ellas, lo que provoca su compactación y su estiramiento.
La triple hélice es única entre todas las demás estructuras proteínicas por su capacidad de codificar grandes cantidades de información que está en su superficie y disponible para su utilización en el exterior de las células.
Los colágenos se autoasocian para formar disposiciones supramoleculares para varias funciones en diferentes tejidos, como la adhesión celular, la reparación de la membrana celular, la señalización, la migración y la maduración
Función