Coláxeno

miniatura|dereita|120px|Tripla hélice do tropocoláxeno.

**Coláxeno** é a denominación dun grupo de proteínas animais, que abundan especialmente na carne e tecido conectivo dos vertebrados. É o principal compoñente do tecido conectivo, e é a proteína máis abundante nos animais, xa que supón aproximadamente entre o 25% e o 35% do total das proteínas corporais. O coláxeno, en forma de fibrilas alongadas, é abundante nos tecidos fibrosos como tendóns, ligamentos e pel, e tamén na córnea, cartilaxe, óso, vasos sanguíneos, intestinos, discos intervertebrais etc. No tecido muscular o coláxeno é un dos principais compoñentes do endomisio. O coláxeno constitúe o 1 ou 2 % do tecido muscular, e supón o 6% do peso dos músculos tendinosos fortes (pero non ten nada que ver coas proteínas que causan a contracción muscular, actina e miosina).

Os coláxenos máis abundantes son os que forman fibras, pero tamén os hai que forman mallas ou conexións entre moléculas da matriz extracelular.

A principal célula que fabrica coláxeno é o fibroblasto. A xelatina, que se usa na alimentación e na industria, está feita de coláxeno irreversiblemente hidrolizado.

## Localización 
As fibras de coláxeno son os principais compoñentes da matriz extracelular, pero o coláxeno tamén se atopa no interior de certas células. O coláxeno ten unha gran forza tensil, e é un dos principais compoñentes das fascias, cartilaxes, ligamentos, tendóns, ósos e pel e endomisio muscular. Xunto coa queratina, é responsable da elasticidade e resistencia da pel humana, e a súa degradación orixina as engurras que se producen a medida que envellecemos. Desde entón, moitos destacados investigadores, incluíndo premios Nobel como Francis Crick, Linus Pauling, Alexander Rich e Ada Yonath, e outros como Barbara Brodsky, Helen M. Berman, e G. Ramachandran, concentráronse na dilucidación da conformación do monómero do coláxeno. Presentáronse varios modelos alternativos, que, aínda que trataban correctamente a conformación de só cadea peptídica individualizada, deron lugar ao modelo de tripla hélice "de Madrás", que proporcionou un modelo esencialmente correcto da estrutura cuaternaria da molécula,, pero que aínda requiría un maior refinamento. A estrutura empaquetada do coláxeno non foi definida co mesmo grao para os tipos de coláxeno non fibrilares, aínda que se cre que é hexagonal ou case hexagonal. Igual que coa súa estrutura monomérica, varios modelos alternativos consideran que ou ben o empaquetamento das moléculas de coláxeno é de tipo similar ao laminar ou é microfibrilar. A estrutura microfibrilar das fibrilas de coláxeno no tendón, córnea e cartilaxe foi visualizada con microscopio electrónico. En 2006, a estrutura microfibrillar do tendón adulto, descrita por Fraser, Miller, e Wess entre outros, foi confirmada como a máis próxima á estrutura observada, aínda que era demasiado simplificada e non predicía as conformacións correctas das microfibrilas. Desenvolvéronse varios axentes que establecen enlaces cruzados como a dopaquinona, embelina, embelato de potasio e 5-O-metil embelina como axentes potenciais 
de entrelazamento/estabilización das preparacións de coláxeno e foron melloradas as súas aplicacións para envolver feridas en aplicacións clínicas.

## Química do coláxeno 
O coláxeno forma unha tripla hélice, que xeralmente consta de dúas cadeas idénticas (α1) e unha cadea adicional que difire lixeiramente na súa composición química (α2). A composición en aminoácidos do coláxeno non é a típica das proteínas, especialmente con respecto ao seu alto contido en hidroxiprolina. Os motivos máis comúns na secuencia de aminoácidos do coláxeno son Glicina-Prolina-X e Glicina-X-Hidroxiprolina, onde X é calquera aminoácido distinto da glicina, prolina e hidroxiprolina. A glicina é abundante. Tamén ten algo de hidroxilisina. A composición media en aminoácidos do coláxeno das peles dos peixes e dos mamíferos é a que se indica na táboa:

Estas reaccións de hidroxilación están catalizadas por dous encimas: prolil-4-hidroxilase e lisil-hidroxilase. A vitamina C tamén actúa aquí inducindo estas reaccións. Consómese unha molécula de vitamina C cada vez que se substitúe un H por un OH.

A formación do coláxeno dando lugar a coláxeno fibrilar (a forma máis común) é a que se discutirá aquí. O coláxeno reticular, que está a miúdo implicado na formación de sistemas de filtración é a outra forma de coláxeno. Todos os tipos de coláxeno son triplas hélices, e as diferenzas entre eles débense á modificación dos péptidos alfa formados.

Podemos resumir todos os pasos da síntese do coláxeno así:
# **Transcrición do ARNm**: Hai uns 34 xenes asociados coa formación do coláxeno, e cada un codifica un ARNm e denomínanse co prefixo *COL*. A síntese do coláxeno comeza activando xenes asociados coa formación do péptido alfa (alfa 1, 2 ou 3).
# **Formación do prepropéptido**: Unha vez que madura o ARNm no núcleo e pasa ao citoplasma, únese aos ribosomas para ser traducido. A primeira parte do novo péptido que se traduce denomínase secuencia sinal (ou péptido sinal), situada no extremo N-terminal, que é recoñecida por unha partícula de recoñecemento do sinal, que será a responsable de dirixir o ribosoma co prepropéptido en proceso de tradución ao retículo endoplasmático. Por tanto, o ribosoma únese ao retículo endoplasmático e remata a síntese do novo péptido, e este vai entrando directamente nas cisternas do retículo endoplasmático para o seu procesamento postraducional. É o prepropéptido alfa.
# **Do péptido alfa ao procoláxeno**: Nesta fase terán lugar tres modificacións do prepropéptido que orixinan o péptido alfa definitivo, e despois fórmase a tripla hélice, denominada procoláxeno, que finalmente será transportado en vesículas ao aparato de Golgi. Por orde as transformacións son as seguintes:
::* **Eliminación do péptido sinal**. O péptido sinal do extremo N-terminal do prepropéptido é eliminado e agora a molécula recibe o nome de *propéptido*. 
::* **Hidroxilación**. Prodúcese a hidroxilación de lisinas e prolinas no propéptido polos encimas *prolil hidroxilase* e *lisil hidroxilase* (que producen hidroxiprolina e hidroxilisina), o que axudará despois a establecer os enlaces cruzados entre os péptidos. Este é un paso encimático que require vitamina C como cofactor. En casos de escorbuto, a falta de hidroxilación de prolinas e lisinas causa a formación dunha tripla hélice máis frouxa (formada pola unión non moi forte de 3 péptidos alfa). Comprobouse que a exposición prolongada de células de tecidos conectivos humanos ao ascorbato (vitamina C) multiplicaba por 8 a síntese de coláxeno sen un incremento na taxa de síntese doutras proteínas (Murad et al., 1981). A conversión implica unha reacción na que se substitúe o grupo hidroxilo (OH), por un átomo de hidróxeno (H), nos residuos de prolina en certos puntos da cadea polipeptídica, convertendo ditos residuos en hidroxiprolina. Esta hidroxilación asegurará máis adiante a unión das cadeas na tripla hélice de coláxeno e a hidroxilación dos residuos de lisina permitirá o entrelazamento das triplas hélices nas fibras e redes dos tecidos. 
::* **Glicosilación**. Prodúcese a glicosilación engadindo monómeros glicosa ou galactosa aos grupos hidroxilo das hidroxilisinas, pero non aos das hidroxiprolinas. 
::* **Formación da tripla hélice**. A partir de aquí o polipéptido hidroxilado e glicosilado enróscase xirando de forma moi cerrada á dereita e despois entre tres polipéptidos como eses formarán a tripla hélice, que se denomina *procoláxeno*, que está composta por unha porción enroscada (centro) e dous extremos soltos. Isto está axudado pola formmación de pontes disulfuro nos extremos. Neste momento, o procoláxeno empaquétase nunha vesícula de transferencia destinada a ir desde o retículo endoplasmático ao aparato de Golgi.
# **Modificación no aparato de Golgi**: No aparato de Golgi, o procoláxeno sofre unha modificación postraducional final antes de ser segregado fóra da célula, na cal se lle engaden oligosacáridos (non monosacáridos como no paso 3), e despois o procoláxeno é empaquetado en vesículas secretoras destinadas a descargar no espazo extracelular.
# **Formación do tropocoláxeno**: Unha vez fóra da célula, uns encimas unidos á membrana coñecidos como *coláxeno peptidases*, eliminan os "extremos soltos" (non enroscados helicoidalmente) da molécula do procoláxeno, e o que queda denomínase tropocoláxeno. Os defectos neste paso producen unha das moitas colaxenopatías que existen, denominada síndrome de Ehlers-Danlos. Este paso está ausente cando se sintetiza o coláxeno tipo III. Eses "extremos soltos" son os que impiden que se formen fibras de coláxeno dentro da célula, o que sería desastroso.
# **Formación da fibrila de coláxeno**: A *lisil oxidase* e encimas extracelulares catalizan o paso final da vía de síntese do coláxeno. Este encima actúa sobre as lisinas e hidroxilisinas formando grupos aldehido, que se unirán covalentemente a moléculas de tropocoláxeno. Os monómeros de tropocoláxeno colócanse liñalmente cabeza con cola e paralalemente a outros e con certo desfase, formando microfibrilas e despois fibrilas. Este polímero de tropocoláxeno denomínase fibrila de coláxeno. O coláxeno así formado pode unirse ás membranas celulares por medio de diversas proteínas, como a fibronectina e a integrina. As fibrilas de coláxeno poden unirse formando fibras de coláxeno máis grandes.

## Estrutura molecular 
miniatura|250px|dereita|Fibras de coláxeno de tipo I de mamífero observadas ao microscopio electrónico, coas súas características estriacións.
O tropocoláxeno ou molécula de coláxeno é unha subunidade dos agregados de coláxeno máis grandes como as fibrilas. De aproximadamente 300&nbsp;nm de longo e 1,5&nbsp;nm de diámetro, está feito de tres cadeas polipeptídicas, chamadas péptidos alfa (ver paso 2), cada un dos cales ten a conformación dunha hélice levoxira (o seu nome non debe levar a confusión coa común estrutura secundaria das proteínas en hélice alfa, que é dextroxira). Estas tres hélices que xiran á esquerda están enroscadas entre si formando unha hélice superenrolada dextroxira, que é a tripla hélice ou "superhélice", unha estrutura cuaternaria cooperativa estabilizada por numerosas pontes de hidróxeno. No coláxeno de tipo I e posiblemente en todos os coláxenos fibrilares e talvez tamén nos non fibrilares, cada tripla hélice está asociada formando un supersuperenrolamento dextroxiro denominado microfibrila de coláxeno. Cada microfibrila está interdixitada coas microfibrilas veciñas en tal grao que fai pensar que son individualmente inestables, aínda que en conxunto, formando fibrilas de coláxeno, están tan ben ordenadas que son cristalinas.

Unha característica distintiva do coláxeno é a disposición regular dos aminoácidos en cada unha das tres cadeas destas subunidades de coláxeno. O patrón máis frecuente é Gly-Pro-X ou Gly-X-Hyp, onde X pode ser calquera outro aminoácido distinto. Nos coláxenos fibrilares, as moléculas sobresaen unhas das outras uns 67&nbsp;nm (unha distancia que se denomina ‘D’ e cambia segundo o estado de hidratación do agregado). Cada período D contén catro moléculas de coláxeno e unha fracción máis, porque 300&nbsp;nm (a lonxitude da molécula de coláxeno) divido entre 67&nbsp;nm (a distancia D) non dá exacto. Por tanto, en cada período D dunha microfibrila, hai unha parte que contén cinco moléculas en sección transversal, o que se denomina "solapamento", e outra parte que contén só catro moléculas, chamada o "espazado" (*gap*). Fórmanse feixes fibrilares máis grandes coa axuda de varias clases de proteínas (incluíndo distintos tipos de coláxeno), glicoproteínas e proteoglicanos que forman os diferentes tipos de tecidos maduros alternando as combinacións destas moléculas. Por exemplo utilizando o microscopio de forza atómica viuse que unha fibrila de coláxeno soa é un material heteroxéneo ao longo da súa dirección axial con propiedades mecánicas significativamente diferentes nas súas rexións de "solapamento" e "espazado", que están correlacionadas coas súas diferentes organizacións moleculares nestas dúas rexións.

As fibrilas de coláxeno son agregados semicristalinos de moléculas de coláxeno. As fibras de coláxeno son feixes de fibrilas.

As fibrilas/agregados de coláxeno están dispostas en diferentes combinacións e concentracións nos distintos tecidos proporcionando propiedades distintas a cada tecido. No tecido óseo todas as triplas hélices de coláxeno dispóñense en paralelo escalonadamente. Hai espazos de 40&nbsp;nm entre os extremos das subunidades de tropocoláxeno (aproximadamente igual á rexión de "espazado") que probablemente serven como sitios de nucleación para a deposición de cristais longos, duros e finos do compoñente mineral, que é (aproximadamente) C6H12O6 con algúns fosfatos. Deste modo é como algunhas formas de cartilaxe se converten en óso. O coláxeno tipo I dálle ao óso a súa forza tensional.

## Tipos de coláxeno 
O coláxeno aparece en moitas partes do corpo. Dos varios tipos de coláxeno que hai, un 90% do coláxeno corporal é do tipo I.

Ata agora, describíronse 28 tipos de coláxeno. Os cinco máis comúns son:

* Coláxeno I: na pel, tendóns, vasos sanguíneos, órganos, óso (principal compoñente da parte orgánica do óso).
* Colláxeno II: na cartilaxe (principal compoñente da cartilaxe).
* Coláxeno III: reticulado (principal compoñente das fibras reticulares), normalmente atopado xunto co tipo I.
* Coláxeno IV: forma parte da membrana basal celular.
* Coláxeno V: superficies celulares, pelo e placenta.

As enfermidades relacionadas co coláxeno orixínanse normalmente debido a defectos xenéticos ou deficiencias nutricionais que afectan á biosíntese, ensamblaxe, modificacións postraducionais, secreción, ou outros procesos implicados na produción normal do coláxeno. No escleroderma ten lugar unha excesiva deposición de coláxeno.

## Trastornos asociados a defectos na síntese de coláxeno 
* Identificáronse unhas mil mutacións que afectan aos diversos tipos de coláxeno e poden orixinar enfermidades. As seguintes enfermidades están causadas por defectos na correcta síntese do coláxeno que producen alteracións na súa estrutura.
* **Síndrome de Ehlers-Danlos**. Trátase dun grupo de polo menos dez enfermidades que teñen en común síntomas de debilidade estrutural no tecido conxuntivo, relacionados con fraxilidade e hiperextensibilidade da pel e coa hipermobilidade nas articulacións. Causada por unha mutación que afecta ao coláxeno tipo III.
* **Osteoxénese imperfecta**. É un grupo de catro enfermidades que se caracterizan por fracturas múltiples que dan lugar a deformacións óseas.
* **Escorbuto**. O escorbuto é unha avitaminose causada por un déficit de vitamina C (ácido ascórbico) na dieta que causa unha diminución na síntese de hidroxiprolina debido a que a prolil hidroxilase require ácido ascórbico. A hidroxiprolina fornece átomos adicionais que poden formar pontes de hidróxeno que estabilizan a tripla hélice do coláxeno.
* Outros trastornos asociados ao coláxeno son a síndrome de Alport, a osteoporose (con redución do coláxeno na pel e ósos), e a síndrome de Knobloch (mutación no xene coláxeno XVIII.
Desde un punto de vista nutricional, o coláxeno e a xelatina son como fonte única proteína de baixa calidade, xa que non conteñen todos os aminoácidos esenciais nas proporcións que o corpo humano require (non son proteínas "completas" desde un punto de vista nutricional). Os fabricantes de suplementos dietéticos baseados no coláxeno afirman que os seus produtos poden mellorar o estado da pel, as uñas e articulacións.

### Colas 
O termo grego *kolla* é a raíz de onde vén a palabra coláxeno, que significa "produtor de cola", referíndose ao antigo proceso de ferver a pel e tendóns de cabalos e outros animais para obter cola. Un adhesivo a base de coláxeno xa se utilizaba hai 4.000 anos en Exipto. A cola máis antiga coñecida datada por radiocarbono como de hai 8.000 anos, é coláxeno utilizado como cuberta protectora para as cordas de cestos e tecidos bordados, para colar obxectos; e en decoracións de cranios humanos. O coláxeno normalmente convértese en xelatina, pero presérvase se as condicións do enterramento son secas.

As colas animais son termoplásticas, poden abrandarse de novo ao volver a quentalas, e aínda se usan para facer instrumentos musicais como violíns e guitarras de calidade, que poden ter que ser abertos para a súa reparación, o que sería imposible usando unha cola máis firme feita con adhesivos plásticos sintéticos, que son permanentes.

A cola xelatina-resorcinol-formaldehido (ou con pentanedial e etanedial substituíndo ao máis tóxico formaldehido) foi utilizada para reparar incisións experimentais en pulmóns de coellos, na procura dunha cola cirúrxica eficaz e biocompatible.

### Artrite reumatoide 
Segundo un estudo publicado na revista *Science*, a administración oral de coláxeno tipo II mellora os síntomas da artrite reumatoide. Os autores realizaron un ensaio aleatorio de dobre cego en 60 pacientes con artrite reumatoide activa severa, e observouse unha diminución na inflamación das articulacións nos suxeitos que foron alimentados con coláxeno tipo II de polo durante 3 meses, pero non nos que recibiron placebo.

### Cirurxía plástica e cosmética 
O coláxeno foi moi utilizado en cirurxía plástica ou cosmética, como axuda para a curación de pacientes queimados, para a reconstrución de ósos e outros propósitos odontolóxicos, ortopédicos e cirúrxicos. O coláxeno humano e bovino é amplamente utilizado como recheo dérmico para o tratamento das engurras e da pel envellecida. Algúns puntos de interese son:
# cando se usa cosmeticamente, hai unha posibilidade de reaccións alérxicas que causen irritación prolongada da pel; pero isto pode evitarse facendo unha proba previa cun parche.
# a maioría do coláxeno de uso médico procede de vitelas (certificadas como carentes de encefalopatía esponxiforme bovina). 
# os tecidos porcinos tamén se usan moito para producir láminas de coláxeno de uso cirúrxico.

Os coláxenos son moi empregados na construción de substitutos de pel artificial utilizados para o tratamento de queimaduras moi graves. Estes coláxenos poden ser de orixe bovina, equina, porcina, ou humana e úsanse ás veces en combinación con siliconas, glicosaminoglicanos, fibroblastos, factores de crecemento e outras substancias.

Aínda que non se pode absorber pola pel, o coláxeno utilízase como ingrediente nalgúns produtos cosméticos de maquillaxe.

O coláxeno utilízase tamén en aplicacións para a investigación científica nos cultivos celulares, que estudan o comportamento celular e as interaccións co medio extracelular.

### Curación de feridas 
O coláxeno é un dos compoñentes principais da pel e é beneficioso para a curación das feridas. Cando o corpo dispón de coláxeno na zona da ferida, esta pode pecharse. Existen apósitos con coláxeno que favorecen a curación. As fibras de coláxeno serven para guiar aos fibroblastos, que migran ao longo da matriz do tecido conectivo. O coláxeno, en presenza de certos sales neutros pode actuar como axente nucleante causando a formación de estruturas fibrilares.

## Paleontoloxía e Arqueoloxía 
[miniatura|A escultura de [Julian Voss-Andreae *Unraveling Collagen*, "Desentrañando o coláxeno" (2005).]]

Como a síntese de coláxeno require un gran nivel de osíxeno atmosférico, os animais complexos non puideron evolucionar ata que a atmosfera tivo osíxeno suficiente para sintetizar substancias como o coláxeno. Unha vez que se orixinou o coláxeno puido evolucionar a formación de cutículas, cunchas e músculo. Os tecidos conxuntivos teñen unha base de coláxeno. Porén, a preservación do coláxeno no rexistro fósil é moi escasa. Hai evidencias (controvertidas) sobre a preservación do coláxeno de dinosauros de 80 millóns de anos de antigüidade. Tamén se poden mencionar as actinofibrilas, fibras de coláxeno presentes nas ás de pterosauros.

O coláxeno extráese correntemente dos ósos de animais prehistóricos para usalo para a datación por radiocarbono e a análise dos isótopos estables. A integridade da molécula pode avaliarse con varias medicións (rendemento de coláxeno, proporción C:N, %C e %N).

## Notas 
## Véxase tamén 
### Outros artigos 
* Coláxeno hidrolizado
* Xelatina
* Colaxenase
* Síndrome de Ehlers-Danlos

### Ligazóns externas 
* The Collagen Protein Secuencia de aminoácidos
* 12 types of collagen
* Database of type I and type III collagen mutations
* Collagen Stability Calculator
* Computer-generated animations of the assembly of Type I and Type IV Collagens
* Integrin-Collagen interface, PMAP (The Proteolysis Map)—animación
* Integrin-Collagen binding model, PMAP (The Proteolysis Map)—animación
* Collagen-Integrin atomic detail, PMAP (The Proteolysis Map)—animación