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¿QUÉ EL EL
COLÁGENO?
El colágeno es una molécula proteica que
forma fibras, las fibras colágenas. Estas se encuentran en todos los
organismos pluricelulares. Son secretadas por las células del tejido
conjuntivo como los fibroblastos, así como por otros tipos celulares. Es
el componente más abundante de la piel y de los huesos, cubriendo un 25%
de la masa total de proteínas en los mamíferos.
El colágeno es una
proteína fibrosa que
forma el tejido conectivo, y que en los mamíferos y aves constituye una
proporción muy importante de las
proteínas totales, del orden de un
cuarto del total, lo que la hace la mayoritaria.
Las fibras colágenas son flexibles, pero
ofrecen gran resistencia a la tracción. El punto de ruptura de las
fibras colágenas de los tendones humanos se alcanza con una fuerza de
varios cientos de kilogramos por centímetro cuadrado. A esta tensión
solamente se han alargado un pequeño porcentaje de su longitud original.
Cuando el colágeno se desnaturaliza por
ebullición y se deja enfriar, manteniéndolo en una solución acuosa, se
convierte en una sustancia bien conocida, la
gelatina.
Las peculiaridades de la secuencia del
colágeno hacen posible su peculiar estructura secundaria. El pequeño
tamaño de la glicina permite que se entrecrucen tres cadenas, mientras
que la rigidez que produce el anillo de prolina favorece el ángulo de
giro que adoptan.
Al aumentar la edad del animal, el colágeno
presenta mayor número de entrecruzamientos por uniones covalentes entre
las cadenas. Estos puentes se forman por la acción inicial del enzima lisinoxidasa, que transforma en aldehidos a la lisina o a la
hidroxilisina, aldehidos que posteriormente se pueden condensar mediante
reacciones químicas espontáneas con otros grupos.
El calentamiento del colágeno produce su
desnaturalización, cuya primera consecuencia es un enorme acortamiento
de las fibras, acortamiento que se produce a una temperatura
característica para el colágeno de cada especie animal. También se
destruye la estructura de triple hélice La temperatura a la que se
desnaturaliza el colágeno depende del contenido de prolina e
hidroxiprolina: A mayor contenido, mayor es la temperatura necesaria. En
este sentido, existe una gran diferencia en contenido de prolina y en la
temperatura de desnaturalización entre el colágeno de los animales de
sangre caliente y el de los peces, ambas bastante mas pequeñas en los
segundos. En algunos peces de aguas frías, el colágeno se desnaturaliza
a menos de 20ºC. En el cocinado de los alimentos, parte del colágeno se
solubiliza y forma la "gelatina", que imparte viscosidad a los guisos.
El colágeno es un componente abundante en
piel, tendones, sistema vascular y otros materiales de desecho, de donde
se puede obtener la gelatina comercial, que es un producto de
degradación parcial del colágeno, extraída por calentamiento tras un
tratamiento en medio ácido o alcalino. Dependiendo del tipo de
tratamiento, se obtiene un tipo de
gelatina distinto . La
gelatina es un
material muy útil en tecnología de los alimentos, para la obtención de geles reversibles térmicamente, de punto de "fusión" muy bajo. Estos
geles se forman por enfriamiento mediante la unión de cadenas por
reconstrucción parcial de hélices del tipo de las del colágeno, pero con
grandes zonas desorganizadas.
Desde el punto de vista nutricional, el
colágeno y aún más la gelatina, son
proteínas muy desequilibradas en
cuanto a su composición de
aminoácidos. El colágeno es muy deficiente en
triptófano, y la
gelatina prácticamente carece de él, ya que el poco que
existía se suele destruir en su preparación. La facilidad con la que se proteoliza depende mucho de su estado. El colágeno nativo es bastante
resistente a la proteoliis por parte de la mayoría de las proteinasas,
mientras que el colágeno desnaturalizado se hidroliza fácilmente
Síntesis del colágeno
El colágeno se origina por una
proteína
precursora (monómero) llamada tropocolágeno que mide alrededor de 300
nanómetros de largo y 1,4 nm de diámetro. El tropocolágeno está formado
por tres cadenas polipeptídicas llamadas cadenas alfa (no hélices alfa).
Cada cadena α esta constituida por un polipéptido, formado por una
repetición en tándem de tres
aminoácidos siendo muy ricas en prolina o hidroxiprolina y glicina, las cuales son fundamentales en la formación
de la superhélice. Cada cadena tiene un peso molecular de alrededor de
100.000 daltons.
Gracias a su estructura anular rígida, la
prolina estabiliza la conformación helicoidal en cada una de sus cadenas
α; La glicina, sin embargo, se sitúa ocupando un lugar cada tres
residuos localizándose a lo largo de la región central, debido sin duda
a su pequeño tamaño, y favoreciendo al denso empaquetamiento de las tres
cadenas α, de configuración levógira, necesario para la formación de la
superhélice de colágeno. Las tres cadenas se enrollan y se fijan
mediante enlaces transversales para formar una triple hélice dextrógira
con una distancia entre las vueltas de 8,6 nanómetros.
La triple hélice se mantiene unida entre si
debido a puentes de hidrógeno, que no afectan a todas las tres cadenas,
sino aproximadamente a 2/3 de cada cadena alfa. Además, los
tropocolágenos se unen entre si por medio de enlaces entre algunos
aminoácidos, llamados "crosslinkings". Ademas poseen unos pocos
aminoacidos llamados lisinas, las cuales sufren transformaciones
catalizadas por la enzima lisina oxidasa, la cual actua sobre los
residuos N, transformandolos en grupos aldehidos, por lo que la lisina
pasa a llamarse alisina, que es capaz de formar uniones covalentes con
otras alisinas para consolidar las fibrillas de colageno.
Formación del colágeno
Cada una de las cadenas polipeptídicas es
sintetizada por los ribosomas unidos a la membrana del retículo
endoplásmico y luego 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 algunos ser glucosilados en el aparato de Golgi, parece ser que
estas hidroxilaciones son útiles para la formación de puentes de
hidrógeno intercatenarios que ayudan a la estabilidad de la superhélice.
Tras su secreción, los propéptidos de las
moléculas de procolágeno son degradados mediante proteasas
convirtiéndolas en moléculas de tropocolágeno asociándose en el espacio
extracelular formando las fibrillas de colágeno.
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.
Función
Las fibras de colágeno forman estructuras
que resisten las fuerzas de tracción. Su diámetro en los diferentes
tejidos es muy variable y su organización también; en la piel de los
mamíferos están organizadas como cestos de mimbre, lo que permite la
oposición a las tracciones ejercidas desde múltiples direcciones. En los
tendones lo están en haces paralelos que se alinean a lo largo del eje
principal de tracción. En el tejido óseo adulto y en la córnea se
disponen en láminas delgadas y superpuestas paralelas una a otra pero
formando un ángulo recto con las capas adyacentes.
Las células interactúan con la matriz
extracelular tanto mecánica como químicamente, lo que produce notables
efectos sobre la arquitectura tisular. Así, 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.
Tipos de colágeno
Existen varios tipos de colágeno, designados
por números romanos. En el colageno de tipo I, el más abundante, la
unidad estructural constituyente es el tropocolágeno, una
proteína de
alrededor de 300.000 de peso molecular, constituida por tres cadenas del
mismo tamaño, dos de ellas idénticas, las llamadas a1, y otra
ligeramente distinta, la a2. Las tres cadenas están unidas entre sí por
puentes de hidrógeno entre los grupos amino y carboxilo de los restos de
glicina, y por puentes de hidrógeno con las cadenas laterales de la
hidroxiprolina, formando una hélice triple, estructura peculiar del
colágeno. Esta hélice solamente se rompe en los extremos.
El colágeno de tipo III está formado por
tres cadenas idénticas a1, y tiene la peculiaridad de que en el extremo
carboxilo terminal las tres cadenas no están agrupadas en forma de
hélice, sino unidas entre ellas por puentes disulfuro. Este tipo de
colágeno, situado en en el perimio y endomisio del músculo, parece ser
especialmente importante en cuanto a conferir dureza a la carne.
Las unidades de tropocolágeno, que tienen
una longitud de unos 2.800 amstrongs, se encuentran agrupadas de forma
paralela, unidas unas a otras para formar las fibras de colágeno. Dentro
de las fibras, las unidades están desplazadas aproximadamente un cuarto
de su longitud con respecto a las contiguas, y cada unidad dista de la
siguiente unos 400 amstrongs
El colágeno en lugar de ser una
proteína
única, se considera una familia de moléculas estrechamente relacionadas
pero genéticamente distintas. Se describen varios tipos de colágeno:
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Colágeno tipo I: Se encuentra
abundantemente en la dermis, el hueso, el tendón y la córnea. Se
presenta en fibrillas estriadas de 20 a 100 nm de diámetro, agrupándose
para formar fibras colágenas mayores. Sus subunidades mayores están
constituidas por cadenas alfa de dos tipos, que difieren ligeramente en
su composición de
aminoácidos y en su secuencia. A uno de los cuales se
designa como cadena alfa1 y al otro, cadena alfa2. Es sintetizado por
fibroblastos, condroblastos y osteoblastos. Su función principal es la
de resistencia al estiramiento.
Se caracteriza porque la molécula de tropocolágeno en este caso está
constituida por dos cadenas que se denominan alfa 1, o sea, dos cadenas
alfa 1 idénticas y una segunda cadena que se denomina alfa 2, que tiene
una secuencia de
aminoácidos distinta.
Este es un colágeno fabricado fundamentalmente por los fibroblastos.
Predomina en el hueso, en los cartílagos y en la dermis, o sea, que la
mayor parte de colágeno de la dermis, que es lo que nos interesa a
nosotros, pertenece a este tipo I de colágeno.
Son las fibras más gruesas de todas, fuertemente birrefringentes al
microscopio de polarización y se tiñen selectivamente con un colorante
específico que se denomina picrosirius. Este colorante permite
distinguir el colágeno I del II del III y también del IV y el V. En este
caso las fibras aparecen de un color amarillo rojizo. Estas fibras
tienen el bandeado transversal, sea la periodicidad transversal bien
desarrollada, bien característica y constituye el colágeno más
importante desde el punto de vista estructural.
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Colágeno tipo II: Se encuentra sobre
todo en el cartílago, pero también se presenta en la córnea embrionaria
y en la notocorda, en el núcleo pulposo y en el humor vítreo del ojo. En
el cartílago forma fibrillas finas de 10 a 20 nanómetros, pero en otros
microambientes puede formar fibrillas más grandes, indistinguibles
morfológicamente del colágeno tipo I. Están constituidas por tres
cadenas alfa2 de un único tipo. Es sintetizado por el condroblasto.
Su función principal es la resistencia a la presión
intermitente.Aparece en el cartílago y otras estructuras,
como por ejemplo el liquido que rellena el globo ocular llamado humor
vítreo. Son fibras, por el contrario, muy finas, que no se
ven o se ven con dificultad en el microscopio óptico, pero sí se ven con
el microcopio electrónico.
Son fibras que no presentan este bandeado característico que
presenta las fibrillas del tipo I y están constituidas por tres cadenas
donominadas alfa 1. Son tres cadenas iguales, entrelazadas, donde lo
característico es que hay más, hidroxilisina y lisina que en el colágeno
ordinario de tipo I.
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Colágeno tipo III: Abunda en el
tejido conjuntivo laxo, en las paredes de los vasos sanguíneos, la
dermis de la piel y el estroma de varias glándulas. Parece un
constituyente importante de las fibras de 50 nanómetros que se han
llamado tradicionalmente fibras reticulares. Está constituido por una
clase única de cadena alfa3. Es sintetizado por las células del músculo
liso, fibroblastos, glía. Su función es la de sostén de los órganos
expandibles.
Corresponde a lo que clásicamente se denominaba a las
fibrillas de reticulina, que aparecían impregnadas de color negro con
las sales de plata. Es un colágeno que aparece con mucha frecuencia
vinculado al músculo liso y es fundamentalmente el colágeno de las
vísceras, aunque también está presente en mayores cantidades en la
dermis, sobre todo alrededor de los nervios y los vasos sanguíneos que
vimos que constituían parte de esa estructura.
Desde el punto de vista de la composición de los polipéptidos tiene tres
cadenas denominadas alfa 1. O sea, tiene tres cadenas
iguales, con una disposición de
aminoácidos propia, donde predomina la hidroxiprolina y donde además aparece un
aminoácido que no es muy común
en otros colágenos, que es la cistina.
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Colágeno tipo IV: Es el colágeno que
forma la lámina basal que subyace a los epitelios. Es un colágeno que no
se polimeriza en fibrillas, sino que forma un fieltro de moléculas
orientadas al azar, asociadas a proteoglicanos y con las
proteínas
estructurales laminina y fibronectina. Es sintetizado por las células
epiteliales y endoteliales. Su función principal es la de sostén y
filtración.
Aparecen específicamente localizados en las membranas basales, o sea, en
aquellas estructuras que separan generalmente los epitelios de los
tejidos conjuntivos. El colágeno IV es muy frecuente en todas las
membranas basales.
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Colágeno tipo V: Presente en la
mayoría del tejido intersticial. Se asocia con el tipo I. El colágeno V
se ha descrito específicamente en la membrana basal de la placenta, que
citamos solo para dar un ejemplo de cómo esta
proteína se adapta a
distintas funciones biológicas que van apareciendo a lo largo do la
evolución de las especies.
La composición de
aminoácidos del colágeno
es bastante particular. La glicina representa, en moles, proximadamente
1/3 de los
aminoácidos presentes. También contienen cantidades muy
elevadas de prolina, y de hidroxiprolina (hasta el 10%), y es una de las
pocas proteínas que contiene hidroxilisina. La presencia de
hidroxiprolina suele utilizarse como criterio analítico para evaluar la
cantidad de colágeno (tejido conectivo) presente en productos cárnicos
picados.
Tanto la hidroxilisina como la
hidroxiprolina se producen después de la síntesis de la cadena
polipeptidica, por modificación de los
aminoácidos no hidroxilados por
enzimas específicos.
La secuencia primaria de las cadenas del
colágeno es también muy peculiar, ya, excepto en los extremos de la
cadena, la glicina está distribuida de forma regular, ocupando la
posición de uno de cada tres
aminoácidos.
DOCUMENTACIÓN
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