Bioquímica estructural / Colágeno
Introducción de colágeno
El colágeno, que es la proteína más abundante en los mamíferos, también es el principal componente fibroso de la piel, los huesos, los tendones, los cartílagos y los dientes. El peso seco de la piel de los seres humanos se compone de más de 1/3 de colágeno. Esta proteína extracelular es una molécula en forma de varilla, de aproximadamente 3000 Å de largo y solo 15 Å de diámetro. Hay al menos veintiocho tipos diferentes de colágeno que se componen de al menos 46 cadenas de polipéptidos diferentes que se han localizado en las vértebras y otras proteínas que contienen dominios colagenosos. La característica definitoria del colágeno es que es una proteína estructural que se compone de un haz diestro de tres hélices de tipo poliprolina II paralelas a la izquierda. Debido al apretado embalaje de las hélices PPII dentro de la triple hélice, cada tercer residuo, que es un aminoácido, es Gly (Glicina). Esto resulta en un patrón repetido de una secuencia XaaYaaGly. Aunque este patrón ocurre en todos los tipos de colágeno, hay cierta interrupción de este patrón en ciertas áreas ubicadas dentro del dominio de triple hélice de los colágenos no fibrilares. El aminoácido que reemplaza al Xaa en la secuencia es probablemente (2S) – prolina (Pro, 28%). El aminoácido de reemplazo más probable en la posición Yaa es (2s, 4R) – 4-hidroxiprolina (Hyp, 38%). Esto significa que la secuencia prohíptica es el triplete más común en el colágeno. Se han realizado muchas investigaciones para averiguar la estructura de las hélices triples de colágeno y cómo sus propiedades químicas afectan la estabilidad del colágeno. Se ha encontrado que los efectos electrónicos estéreo y la preorganización son factores importantes para determinar la estabilidad del colágeno. Un tipo de colágeno llamado colágeno tipo I tiene la estructura revelada en detalle. La síntesis de fibrillas de colágeno artificial, que son hebras de fibra más pequeñas, ahora ha sido posible y ahora puede contener las propiedades que tienen las fibrillas de colágeno naturales. Al comprender continuamente las propiedades mecánicas y estructurales de las fibrillas de colágeno nativas, ayudará a la investigación a idear y desarrollar formas de crear materiales colágenos artificiales que se pueden aplicar a muchos aspectos de nuestras vidas, como la biomedicina y la nanotecnología.
Estructura del colágeno
La estructura del colágeno se ha desarrollado intensamente a lo largo de la historia. Al principio, Astbury y Bell presentaron su idea de que el colágeno estaba formado por una sola cadena de polipéptidos extendida con todos sus enlaces de amida en la conformación cis. En 1951, otras investigaciones determinaron correctamente las estructuras de la hélice alfa y la lámina beta. Pauling y Corey presentaron su estructura de que tres hebras de polipéptidos se forman juntas a través de enlaces de hidrógeno en una conformación helicoidal. En 1964, Ramachandran y Kartha desarrollaron una estructura avanzada para el colágeno en la que era una triple hélice diestra de tres hélices polipéptidas 2 zurdas con todos los enlaces peptídicos en la conformación trans y dos enlaces de hidrógeno en cada triplete. Después, la estructura fue perfeccionada por Rich y Crick hasta la estructura de triple hélice aceptada hoy en día, que contiene una sola trama N-H(Gly)…Enlace de hidrógeno O = C (Xaa)por triplete y una simetría helicoidal de diez veces con una repetición axial de 28,6 A.
Función y diversidad
El colágeno, que está presente en todos los organismos multicelulares, no es una proteína sino una familia de proteínas estructuralmente relacionadas. Las diferentes proteínas de colágeno tienen funciones muy diversas. Las estructuras extremadamente duras de los huesos y los dientes contienen colágeno y un polímero de fosfato de calcio. En los tendones, el colágeno forma fibras similares a cuerdas de alta resistencia a la tracción, mientras que en la piel el colágeno forma fibras tejidas sueltas que pueden expandirse en todas las direcciones. Los diferentes tipos de colágeno se caracterizan por diferentes composiciones de polipéptidos. Cada colágeno está compuesto por tres cadenas de polipéptidos, que pueden ser todas idénticas o pueden ser de dos cadenas diferentes. Una sola molécula de colágeno tipo I tiene una masa molecular de 285 kDa, una anchura de 1,5 nm y una longitud de 300 nm.
| Tipo | Polipéptido Composición | Distribución |
|---|---|---|
| I | 2, alfa 2(I) | de la Piel,el hueso,el tendón,la córnea,la sangre de los vasos sanguíneos |
| II | 3 | El cartílago, el disco intervertebral. |
| III | 3 | la piel del Feto,vasos sanguíneos |
| IV | 2, alfa 2(IV) | de la membrana Basal |
| V | 2, alfa-2(V) | Placenta,piel |
Descripción general de Biosíntesis
Los polipéptidos de colágeno son sintetizados por ribosomas en el retículo endoplásmico rugoso (RER). La cadena polipeptídica pasa a través del aparato RER y Golgi antes de ser secretada. En el camino se modifica post-traduccionalmente: los residuos de Pro y Lys se hidroxilan y se agregan carbohidratos. Antes de la secreción, tres cadenas de polipéptidos se unen para formar una estructura de triple hélice conocida como procolágeno. El procolágeno se secreta en los espacios extracelulares del tejido conectivo, donde las extensiones de las cadenas de polipéptidos en los terminales N y C (péptidos de extensión) son eliminadas por las peptidasas para formar tropcolágeno. Las moléculas de tropocolágeno se agregan y están ampliamente reticuladas para producir la fibra de colágeno madura.
Estabilidad de la estructura de Triple Hélice
El colágeno es importante para los animales, ya que contiene muchas propiedades esenciales, como estabilidad térmica, resistencia mecánica y la capacidad de unirse e interactuar con otras moléculas. Saber cómo se ven afectadas estas propiedades requiere comprender la estructura y la estabilidad del colágeno. Reemplazar los aminoácidos en lugar de cualquiera de las posiciones XaaYaaGly puede afectar la estructura y la estabilidad del colágeno de muchas maneras.
Sustituciones de glicina
Reemplazar la posición de glicina en la secuencia XaaYaaGly a menudo causa enfermedades se asocia con mutaciones en los dominios de triple hélice y no de triple hélice de una variedad de colágenos. Las mutaciones dañinas en el colágeno son causadas por la sustitución del Gly involucrado en los últimos cuerpos de hidrógeno dentro de la triple hélice. Por ejemplo, el aminoácido que reemplaza el Gly y la ubicación de la sustitución pueden afectar la patología de la osteogénesis. La sustitución del Gly en áreas ricas en prolina de la secuencia de colágeno tiene menos interrupciones que las áreas de regiones pobres en prolina. El retardo de tiempo causado por las sustituciones de glicina resulta en una sobremodificación de las cadenas de protocolágeno, que alteran el estado normal de la estructura de triple hélice y, por lo tanto, contribuyen al desarrollo de la osteogénesis.
Estructura de colágeno de Orden Superior.
El colágeno se compone de componentes hieracarcales a partir de unidades más pequeñas de monómeros TC individuales que se ensamblan automáticamente en las fibras macromoleculares. En el colágeno tipo 1, los monómeros forman microfibrillas que luego forman fibris.
Estructura Fibrilar.
Los monómeros TC del colágeno tipo 1 tienen una característica extraña en que son inestables a temperatura corporal, lo que significa que prefieren estar desordenados en lugar de estructurados y ordenados. La pregunta es cómo puede algo inestable ser un componente de algo tan estable, como la estructura de triple hélice del colágeno. La respuesta a esta pregunta es que la fibrilogénesis de colágeno estabiliza la triple hélice, lo que significa que cuando los monómeros se forman juntos tienen un efecto estabilizador. Esto contribuye a la fuerza de la estructura de triple hélice de colágeno.
La fibrilogénesis de colágeno se produce a través de la formación de segmentos de fibra de tamaño intermedio llamados microfibrillas. Hay dos preguntas esenciales que deben responderse para comprender la estructura molecular de las fibrillas de colágeno. La primera pregunta es cuál es la disposición de los monómeros de TC individuales que componen la microfibra. La segunda pregunta es entonces cómo forman esas microfibrillas la fibra de colágeno. Estas preguntas son difíciles de responder porque las microfibrillas naturales individuales no se pueden aislar y el gran tamaño e insolubilidad de las fibrillas de colágeno maduras hacen imposible que las técnicas estándar descubran la estructura.
