Estructura y Función del Colágeno PDF

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Este resumen contiene apuntes revisados y ordenados de la clase, explicación y desarrollo de cada diapositiva del PPT brindado por nuestro catedrático, relacionado con el tema de Colágeno del cuerpo humano, enfocándose en los aspectos bioquímicos de dicha proteína...

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COLÁGENO CLASE M URILLO

El colágeno puede ser ubicado en la estructura quinaria de las proteínas, ya que es un complejo que contiene tanto estructuras proteicas como estructuras no proteicas. Es una glicoproteína, y es la más abundante en los mamíferos, se encuentra en todos los tejidos: huesos, cartílago, piel, pulmón y sistema vascular. Forma parte del tejido conectivo, que es todo tejido que rodea a la célula, o sea, es la matriz extracelular. Ese tejido conectivo está constituido de vasos sanguíneos, vasos linfáticos, proteínas fibrosas y una de ellas es el colágeno. En bioquímica no interesa aprenderse los números, sino que es mayor a qué, por ejemplo, la concentración de Colágeno es mayor en la piel córnea cartílago huesos aorta pulmón

COLÁGENO CLASE TOMÁS DIEZ CARACTERÍSTICAS Recuerden que el Colágeno es una heteroproteína, además de la cadena polipeptídica (en este caso específicamente que es una glicoproteína) tiene residuos de azúcares unidos covalentemente a ella. Es la proteína más abundante porque está en todas partes, forma parte de todo lo que es tejido conectivo: huesos, tendones, cartílagos, tejido vascular, etc. Existen no menos de 18 genes que codifican para las cadenas que conforman la molécula de tropocolágeno, y la combinación de estos 18 tipos de ellas o entre ellas mismas es lo que va a dar origen al tipo específico de Colágeno en un tejido A. Esas cadenitas pueden ser iguales o diferentes. Cuando hablamos de diferentes pues evidentemente es producto de combinación de dos o tres genes distintos. Cada uno de esos genes codifica para una cadena, a la que llamaremos cadena Alfa. Tres cadenitas alfa, que pueden ser iguales o distintas, se van a combinar entre sí y van a formar la molécula de tropocolágeno (aquí ya estamos hablando de estructura terciaria). Cuando hablemos de la molécula de tropocolágeno me voy a referir al nivel terciario, y cientos de estas moléculas, alrededor de 333 se van a combinar entre sí para formar la fibra de colágeno. DISTRIBUCIÓN PORCENTUAL La piel es casi 3/4 partes del colágeno.

La estructura primaria del colágeno tiene principalmente tres aminoácidos en su mayor proporción: GLICINA, PROLINA e HIDROXIPROLINA. La hidroxiprolina en un aminoácido pero modificado. ¿Qué pasa? Cuando se recién sintetiza la cadena polipeptídica en los ribosomas, puede haber modificaciones posttraduccionales, es decir, a esa cadena polipeptídica se le puede añadir grupos funcionales u otras moléculas que

ESTRUCTURA PRIMARIA En términos de estructura primaria, resulta ser que cada una de esas cadenitas alfa tiene una estructura primaria aburrida, por decir algo, monótona, en donde esa tríada se repite a todo lo largo de la molécula (Gly-X-Y-Gly-XY-Gly-X-Y). El nivel primario es la secuencia y la identidad de cada residuo de aminoácido que compone la proteína, en este caso, cada cadenita, porque todavía no es la proteína, la proteína es el tropocolágeno. Solamente me voy a referir al Colágeno Tipo ÓSEO, aquí no puedo hablarle de los 18 tipos de Colágeno, vamos a hablar del hueso para que ustedes vean una correlación sumamente importante entre la estructura, y realmente a la fibras de colágeno es a la que le debemos la formación del tejido óseo, biofísicamente hablando. Entonces siempre se va a repetir esta tríada y son alrededor de 1000 residuos de

aminoácidos. 1/3 de esa cadenita alfa es glicina, el sentido común les dice a ustedes que esa glicina es no sean aminoácidos, por ejemplo, cuando se recién sintetiza el colágeno en los ribosomas se hidroxila, le añade grupo OH. Entonces esto más que todo es la prolina cuando ha sido hidroxilada. El 4 se refiere a la posición en la cuál ha sido hidroxilada la prolina.

Una vez se recién sintetiza la cadena polipeptídica del colágeno van a añadírsele moléculas específicas. Por ejemplo, a la prolina y a la lisina específicamente, se hidroxilan, a través de la prolina hidroxilasa. Las enzimas son fáciles, ellas tienen el nombre del sustrato y qué es lo que le va a hacer. Por ejemplo, la prolina hidroxilasa le va a añadir un OH; pero esa enzima necesita de “amiguitos”, esos ayudadores; sin ellos no puede funcionar la enzima, se llaman: cofactores. Los cofactores son los que necesitan algunas enzimas para que se dé la reacción. Ayuda a que haya interacción entre sustrato y enzima. El catalizador es la enzima. El hierro y la vitamina C ayuda a que la enzima pueda reconocer al sustrato. Necesita de hierro ferroso y ácido ascórbico. Una vez que se recién sintetizan los aminoácidos deben ser hidroxilados y luego, la prolina es hidroxilada en el carbono 4 y la lisina es hidroxilada en el carbono cinco.

L uego a la Hidroxilisina se le debe añadir azúcares, como es la glucosa y la galactosa. La enzima se llama UDP-

GlucosilTransferasa. No necesita de cofactores. El colágeno para que pueda madurar necesita ser hidroxilado y glicosilado. Eso pasa antes de que el coláesencial ahí en esa posición. Casi también 1/3 de cada cadenita alfa está constituido por prolina ó 4HidroxiProlina. Fíjense que la 4-hidroxiprolina es un residuo de prolina modificado, es decir, hidroxilado en la posición 4. Hasta donde T10 sabe, solamente se encuentra en el colágeno. Usualmente, la posición X es prolina y la Y puede haber hidroxiprolina y residuos de lisina. Todas las modificaciones post-traduccionales que sufra una cadena polipeptídica, pertenece al nivel primario, porque esas modificaciones post-traduccionales se van a da sobre ciertos residuos de aminoácidos, y cuando hablamos de aminoácidos nos referimos al nivel primario, porque forma parte del esqueleto polipeptídico. ¿Qué significa una modificación post-traduccional? En una modificación química post-traduccional se altera la estructura normal de la cadena lateral R de un aminoácido después que el ARN mensajero ha sido traducido, es decir, después de que se obtiene el producto proteico. Primero se sintetiza la cadenita y después se modifica, químicamente hablando. Modificaciones Post-Traduccionales La primera modificación post-traduccional es una HIDROXILACIÓN, que ocurre sobre ciertos residuos de Prolina y ciertos residuos de Lisina, usualmente en la posición Y. La vitamina C es esencial para la formación del colágeno normal. Al final de esta clase vamos a ver ciertas correlaciones clínicas. El escorbuto es falta de colágeno, deficiencia en la ingesta de vitamina C. Ni nosotros, ni los primates ni los cobayos pueden sintetizar vitamina C, de ahí todos los demás pueden sintetizar vitamina C. Los residuos de prolina son específicamente hidroxilados por una prolilhidroxilasa, al igual que ciertos residuos de lisina son hidroxilados en el carbono 5, formando residuos de 5-Hidroxilisina. Esa lisilhidroxilasa también es dependiente del Hierro y Vitamina C. La otra modificación post-traduccional que sufren las cadenitas alfa son las denominadas GLICOSILACIÓN. La reacción de glicosilación es la transferencia de un residuo de azúcar a un aceptor adecuado, que puede ser un átomo de Oxígeno o un átomo de Nitrógeno en la mayoría de los casos. Aquí va a ser sobre un oxígeno qué está sobre un residuo de lisina. Les dije que cuando una proteína es glicosilada, usualmente el aceptor es un oxígeno o un nitrógeno. En el caso específico de esta

cadenita alfa, ese oxígeno pertenece al grupo de Hidroxilisina, ahora entienden por qué tuvo que ser -geno se convierta en una estructura secundaria.

La estructura secundaria del colágeno tiene una particularidad: la hélice ya no va a girar hacia la derecha, va a girar hacia la izquierda, y es una hebra. La estructura secundaria del colágeno es una hélice que gira hacia la izquierda, es una sola hebra. ¿Y qué es lo que hace que gire hacia la izquierda? La prolina y la Hidroxiprolina. En estructura secundaria lo que nos interesa es la conformación que toma en el espacio, ya vemos una hélice que gira hacia la izquierda, gracias a la prolina y la hidroxiprolina.

La estructura terciaria se forma cuando las tres hebras se entrecruzan. Tres hebras que tienen giro hacia la izquierda se entrecruzan hacia la derecha. La presencia de glicina, por ser la molécula más pequeña estabiliza las tres hebras (llamadas en conjunto tropocolágeno).

hidroxilada, porque esos van a ser sitios de glicosilación. Tenían que ser previamente hidroxilados porque esos grupos hidroxilos iban a servir de aceptores de residuos de azúcares, que después vamos a ver para qué son utilizados. Entonces, esas glicosilaciones son específicamente llevadas a cabo por dos enzimas, una que transfiere glucosa y otra que transfiere galactosa. La que transfiere glucosa, se dice que es una GlucosilTransferasa, y la que transfiere galactosa, se dice que es una Galactosil-Transferasa. Los azúcares para ser metabólicamente activos, es decir para que puedan ser transferidos a un grupo aceptor, siempre deben estar en forma de UDP. En resumen: el nivel primario de cada cadenita alfa lo viene a constituir esa tríada de residuos de aminoácidos. Además de las modificaciones posttraduccionales que sufren ciertos residuos de Glicina. Ciertos residuos de prolina y las glicosilaciones que sufren ciertos residuos de hidroxilisina. ESTRUCTURA SECUNDARIA El nivel secundario se refiere a las conformaciones que forman las cadenas polipeptídicas en el espacio. La dirección que toman en el espacio. Cuando digo conformación, es porque el enlace en torno al carbono alfa tiene libre rotación y permite que la cadena se vaya plegando, formando hélices alfa, láminas beta y los bucles. Ahora añada una nueva estructura secundaria de una proteína que es característica única para las cadenas alfa de la molécula de tropocolágeno, que sería la estructura helicoidal estirada de una cadenita alfa. El alto contenido de residuos de prolina es lo que hace que cada cadenita alfa se pliegue generando una estructura helicoidal sumamente extendida que tienen giro hacia la izquierda. ¿A qué se debe eso? Los residuos de prolina son los que obligan a la cadena polipeptídica a plegarse de esa manera porque forman una estructura helicoidal inflexible, inflexible porque la prolina no tiene libre rotación en torno al carbono alfa, porque la cadena

lateral R está fusionada con el nitrógeno, por eso no hay libre rotación. ESTRUCTURA TERCIARIA Tres cadenitas alfa se van a entrelazar entre si formando una “trenza” hacia la derecha. La glicina es absolutamente necesaria en cada tercera posición en la estructura primaria. En cada tercera posición la cadena lateral R se proyecta hacia el centro. La Glicina es necesaria cada tercera posición en la molécula (requisito estructural). Cuando se entrelazan 3 cadenitas α quedan El enlace que estabiliza en realidad el tropocolágeno son los puentes cruzados. La Glicina en el centro de la triple hélice genera interacciones hidrofóbicas, pero la estabilización más importante son los puentes cruzados. Una depende de la otra. Hay dos clases de puentes cruzados: los tipo Aldol y los de Base de Schill.

En los enlaces cruzados tipo Aldol: dos lisinas se oxidan y se unen para formar una base de Schill y por ende, un puente cruzado. Los puentes cruzados son producto de la oxidación de dos lisinas del colágeno. Los dos aldehídos se condensan para formar el puente cruzado. Primero se oxidan, una vez que se oxidan, después de forma espontánea se unen y ahí es que se forman los puentes cruzados.

pequeños espacios hacia el centro, hacia donde se orientan las cadenas laterales R de los residuos de aminoácidos. La Glicina se coloca en cada tercera posición de las cadenitas porque en ese espacio sólo hay espacio para que quepan 3 átomos de H, uno de cada cadenita α, y la cadena lateral de la Glicina es H. Se ha intentado químicamente sintetizar una molécula de tropocolágeno sustituyendo los residuos de Glicina por Alanina, que es el siguiente aminoácido menor. Su cadena lateral es un grupo metilo; sin embargo, no se puede formar porque 3 grupos metilo no caben dentro del espacio interno de la molécula inicial de tropocolágeno. La estructura terciaria del colágeno tiene una estructura alargada, fibrosa, porque es una proteína que cumple una función estructural. Estabilización de la estructura terciaria Los H que están en los residuos de Glicina van a interactuar mediante interacciones hidrofóbicas. Inicialmente las 3 cadenitas α se acercan e interactúan hidrofóbicamente entre sí. La triple hélice se va a formar por las moléculas de Glicina cada tercera posición porque el espacio entre las tres cadenitas α permite sólo átomos de H, los cuales son aportados cada uno por Glicina perteneciente a una de las cadenitas. Esto forma parte de la estabilización del tropocolágeno. La triple hélice realmente se va a estabilizar mediante la formación, de forma minoritaria, de puentes de

hidrógeno, que se forman mediante residuos hidroxilados, y mayoritariamente, lo que le da la fortaleza y la estabilidad de la triple hélice del colágeno, es decir, a la molécula de tropocolágeno, es la formación de enlaces covalentes. La estabilización más importante de la triple hélice se da mediante la formación de enlaces covalentes que se denominan puentes cruzados. Para que se dé la formación de puentes cruzados que son de tipo aldol y tipo base de Schiff. Puentes Cruzados tipo Aldol Los puentes cruzados tipo aldol en el colágeno se deshidratan, se elimina uno de los hidrógenos y un hidroxilo, y se forma un doble enlace, y sería un aldol deshidratado. Para que se formen los puentes cruzados tiene que darse otra modificación posttraduccional de ciertos residuos de Lisina. Este paso es absolutamente necesario para que se formen los puentes cruzados, y es una desaminación oxidativa de ciertos residuos de Lisina. De una amina se pasa a un compuesto carbonílico: Amina Primaria  aldehído Es la interacción de tropocolágenos (un tropocolágeno por separado es estructura terciaria, su interacción en conjunto es cuaternaria). Los desfases en cuartos son dirigidos por los residuos Glicosilados de Hidroxilisina (OH-Lys).

Los desfases en cuartos son sitios de mineralización. El colágeno también se encuentra en los huesos; para que se forme el hueso, primero debe haber una malla orgánica, que es proporcionada por el colágeno gracias a los desfases en cuarto. En la osteogénesis imperfecta se sintetiza de forma defectuosa el colágeno y por eso los huesos se rompen fácilmente, porque no hay buena mineralización (niños de cristal). En el tejido óseo el desfase en cuarto provee los sitios de mineralización. La fuerza tensil es proporcionada por los puentes cruzados.

En la primera imagen de abajo hacia arriba, se aprecia la estructura primaria porque vemos los residuos de Glicina Amina Secundaria  cetona Esta reacción es catalizada por la Lisiloxidasa y es dependiente del Cu +1, es por esto que la síntesis de este también afecta la síntesis de Colágeno, y se relaciona con algunas colagenopatías. Ciertos residuos de lisina se modifican por desaminación oxidativa de tal forma que la Lisina pasa a ser residuo de Alisina (es una lisina en forma de aldehído).

Este paso es absolutamente necesario para que se forme normalmente la molécula de tropocolágeno. Los residuos de Alisina pueden reaccionar químicamente con otros residuos de Alisina u otros de Lisina. Cuando reaccionan dos residuos de Alisina, sucede de forma espontánea, es decir que no interviene ninguna enzima, se forma el enlace tipo aldol deshidratado y un doble enlace que va a ser el puente tipo aldol o aldólico.

Todo esto sucede entre dos cadenitas. Puentes Cruzados tipo base de Schif Si en vez de reaccionar dos residuos de Alisina reaccionan un residuo de Alisina y otro de Lisina, se forma una base de Schiff, es decir que se forma una imina.

Base de Schiff  C = N  R Es una imina. Es una base mucho más fuerte que una amina primaria o secundaria, porque el Nitrógeno tiene dos e- sueltos. y Prolina, pero también se ve la secundaria porque se aprecia la forma que toma la cadena en el espacio. La segunda imagen muestra la estructura terciaria al igual que la tercera imagen. En la cuarta imagen, cada raya blanca es un tropocolágeno, como están interactuando entre sí, es la estructura cuaternaria. En la quinta imagen también se muestra la estructura cuaternaria del colágeno. El colágeno no se queda dentro de la célula, es exportado fuera de la célula. Se sintetiza en el RER, por los ribosomas endosados al Retículo Endoplasmatico, ya que los ribosomas libres sintetizan proteínas que se quedan dentro de la célula. El colágeno está dentro de la célula, pero cuando va a interaccionar con los azúcares de los proteoglucanos que se encuentran en la matriz extracelular, entonces estamos hablando de estructura primaria.

Los glicosaminoglicanos son azúcares con grupos amino, presentes en la estructura quinaria. ¿Qué va a preguntar Tomás Diez? ¿El colágeno interacciona con los glicosaminoglicanos de la matriz extracelular o del tejido conectivo? Ya estamos hablando de estructura quinaria. O cuando te dice: cuando los residuos de Gly interceden con grupos G.A.X. Ejemplo de examen: GlyProOH-Pro R/. Estructura Primaria Una hebra con giro hacia la izquierda R/. Estructura secundaria Tres hebras interaccionando entre sí R/. Estructura Terciaria (Tropocolágeno) Asociación de microfibrillas de tropocolágeno R/. Estructura Cuaternaria Cuando los microfibrillas del colágeno interaccionan con G.A.X. O cuando los residuos de Gly interaccionan con los grupos sulfatos y carboxilato del ESTRUCTURA CUATERNARIA Ahora se van a comenzar a formar las fibras de colágeno. Miles y miles de moléculas de tropocolágeno se van a unir entre sí para formar las fibras de colágeno. Tiene dos consideraciones importantes:  Las moléculas de tropocolágeno en vez de organizarse en paralelo, se organizan en

desfase

en cuartos. Es decir que se forma una estructura cuaternaria desfasada aproximadamente ¼ de la longitud de cada molécula. La fibra es tridimensional y tiene forma de cable. Cada molécula de tropocolágeno se estabiliza para formar la fibra de colágeno mediante enlaces covalentes, los mismos puentes cruzados que se forman intramolecularmente en el tropocolágeno, ahora se

van a formar intermolecularmente, es decir, entre diferentes moléculas de tropocolágeno. Esos puentes cruzados generan la gran fuerza tensora de cada fibra de colágeno. Esa fuerza tensora es lo que le da la capacidad de sostener literalmente peso, físicamente hablando; por esto es que sostiene el organismo mediante el sistema óseo.

residuos Glicosilados de Hidroxilisina son los que van a dirigir los

 Los

desfases en cuarto. En las moléculas de tropocolágeno hay residuos Glicosilados. Donde se desplaza ¼ hay residuos Glicosilados, y ocurre porque se produce un efecto estérico. Los desfases en cuarto van dejando zonas huecas, y en esas zonas es donde la célula (osteoblasto) va depositando el mineral Hidroxiapatita; esto da origen a la estructura ósea. Es una reacción en cadena y es por eso es el tipo de colágeno más complejo. La estructura fibrosa del colágeno se explota para generar estructura, es por esto que forma parte de todo el tejido conectivo. HIDROXILACIONESGLICOSILACIONES DESFASES EN 1/4  MINERALIZACIÓN DEL HUESO

La fragilidad capilar se produce porque las bacterias que causan infección producen colagenasas, es decir, enzimas que degradan el colágeno, al degadar el colágeno el capilar se vuelve más frágil y por eso se produce el sangrado. Un niño vino al hospital y relata la mama que tiene multiples fracturas, ¿cuál puede ser una de las causantes? Osteogénesis imperfecta.

ESTRUCTURA QUINARIA Las fibras de colágeno se asocian con los proteoglicanos a través de las interacciones electrostáticas porque los proteoglicanos, específicamente los glicosaminoglicanos que son heteropolisacáridos que tienen carga negativa, interactúan con los residuos de Lys que no han sido Los G.A.X. están dentro de los proteoglicanos, los proteoglicanos son proteínas que tienen azúcares.

Ácido Hialurónico es un G.A.X. La cicatrización se produce por la deposición de colágeno. Las células están muy activas sintetizando proteín...