miniatura|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. Dálle resistencia aos vasos sanguíneos e xoga un papel no desenvolvemento dos tecidos. Está presente na córnea e cristalino do ollo.
En histoloxía hai unha serie de tinguiduras que serven para poñer de manifesto o coláxeno nas preparacións, como a hematoxilina-eosina (tínguese de rosa), o violeta de metilo, o azul de metilo, o tricrómico de Masson ou marcaxes inmunohistoquímicas.
Historia Para coñecer as estruturas moleculares e o empaquetado do coláxeno necesitáronse décadas de investigación. A primeira evidencia de que esta proteína posuía unha estrutura regular a nivel molecular presentouse na década de 1930. 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:
Aminoácido Pel de mamífero (residuos/1000) Pel de peixe (residuos/1000) Asp 47 47 Hyp 95 67 Thr 19 26 Ser 36 46 Glu 74 76 Pro 126 108 Gly 329 339 Ala 109 114 Val 22 21 Met 6 13 Ile 11 11 Leu 24 23 Tyr 3 3 Phe 13 14 Hyl 6 8 Lys 29 26 His 5 7 Arg 49 52
Síntese miniatura|dereita|400 px|Esquema da síntese do coláxeno. miniatura|Acción da lisil oxidase.
A síntese de coláxeno é complexa. A síntese empeza no citosol, continúa no retículo endoplasmático e aparato de Golgi e acaba fóra da célula. O primeiro que ocorre é se forman as cadeas alfa, que despois sofren unha serie de hidroxilacións, glicosilacións, e asócianse nunha tripla hélice, que é o procoláxeno. O procoláxeno é modificado e orixina o tropocoláxeno, e moitas moléculas deste ensámblanse entre si unha detrás da outra e paralelamente formando as fibrilas de coláxeno.Harvey Lodish, Arnold Berk, S Lawrence Zipursky, Paul Matsudaira, David Baltimore, James Darnell. Molecular Cell Biology, 4th edition. New York: W. H. Freeman; 2000. ISBN -10: 0-7167-3136-3 Lodish
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. [Myllyla et al., "Ascorbate is Consumed Stoichiometrically in the Uncoupled Reactions Catalyzed by Prolyl-4-Hydroxylase and Lysyl Hydroxylase. Journal of Biological Chemistry 259:5403-5405. 1984]
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.