El colágeno como proteína estructural del tejido conjuntivo
El colágeno es la principal proteína estructural de la matriz intercelular del tejido conjuntivo. Es sintetizado por las células del tejido conjuntivo (principalmente fibroblastos). La cadena polipeptídica del colágeno contiene alrededor de 1000 residuos de aminoácidos, siendo cada tercer residuo glicina. Alrededor del 20% corresponde a prolina e hidroxiprolina, y el 40% restante a otros aminoácidos.
Característica de la composición de aminoácidos: en el colágeno prácticamente no hay cisteína ni triptófano, y la cantidad de histidina es baja. La estructura primaria se suele describir como un triplete repetitivo (Gly — X — Y), donde en la posición X suele haber prolina y en la Y, hidroxiprolina. Dicha secuencia permite que la cadena se pliegue en una hélice alfa levógira característica, más extendida que la hélice alfa de las proteínas globulares: solo hay tres residuos de aminoácidos por vuelta. Tres de estas cadenas se entrelazan posteriormente en una superhélice dextrógira (tropocolágeno).
Biosíntesis del procolágeno y el papel del RE
Las cadenas polipeptídicas del colágeno se sintetizan en los ribosomas del retículo endoplásmico rugoso en forma de un precursor, el preprocolágeno. En el extremo N-terminal de la molécula se encuentra un péptido señal que asegura la orientación de la cadena en crecimiento hacia la cavidad del RE. Tras la translocación, el péptido señal se escinde y se forma el procolágeno, el cual experimenta numerosas modificaciones postraduccionales.
Principales modificaciones postraduccionales:
- hidroxilación de los residuos de prolina y lisina;
- glicosilación de los residuos de hidroxilisina;
- formación de la triple hélice a partir de tres cadenas pro-α;
- secreción de la molécula al espacio intercelular;
- escisión de los péptidos N- y C-terminales (que contienen residuos de cisteína, por lo que en el colágeno maduro prácticamente no hay cisteína).
Hidroxilación de la prolina y el papel de la vitamina C
La reacción clave en la maduración del colágeno es la hidroxilación de la prolina, catalizada por la enzima prolil hidroxilasa. En el centro activo de la enzima se encuentra un átomo de hierro Fe²⁺. Para mantener el hierro en su forma reducida (+2) se requiere ácido ascórbico (vitamina C): este actúa como cofactor, reduciendo el hierro oxidado.
En la reacción participan oxígeno molecular y α-cetoglutarato. Un átomo de oxígeno se une a la prolina para formar hidroxiprolina, mientras que el segundo se destina a la descarboxilación oxidativa del α-cetoglutarato con la formación de succinato y CO₂. De manera similar se hidroxila la lisina para formar hidroxilisina.
Significado biológico de la hidroxilación: el grupo OH introducido forma puentes de hidrógeno adicionales que estabilizan la triple hélice del colágeno. En caso de deficiencia de vitamina C, la hidroxilación se altera y la triple hélice pierde su resistencia, lo que se manifiesta clínicamente como escorbuto: sangrado de encías, movilidad dental, alteración en la cicatrización de heridas y fragilidad vascular.
Ensamblaje de fibrillas y fibras de colágeno
Tras la formación de la triple hélice, el procolágeno es secretado fuera de la célula. En el espacio extracelular, proteasas específicas escinden los péptidos de registro N- y C-terminales, convirtiendo el procolágeno en tropocolágeno. Las moléculas de tropocolágeno se asocian espontáneamente en estructuras ordenadas con un desplazamiento escalonado (~1/4 de la longitud), formando:
- microfibrillas, haces de moléculas de tropocolágeno;
- fibrillas de colágeno, agregados de microfibrillas;
- fibras de colágeno, haces de fibrillas visibles al microscopio óptico.
La estabilización adicional de la estructura es proporcionada por enlaces cruzados covalentes que se forman con la participación de residuos de hidroxilisina.
Ácido hialurónico en la matriz intercelular
El ácido hialurónico es un glucosaminoglucano no sulfatado y un componente fundamental de la sustancia intercelular. Consta de unidades repetitivas de disacáridos de ácido glucurónico y N-acetilglucosamina. Su principal propiedad biológica es la capacidad de unir una gran cantidad de agua, gracias a la cual la sustancia intercelular adquiere el carácter de una matriz gelatinosa.
Funciones del ácido hialurónico:
- retención de agua y formación de la turgencia tisular;
- unión de iones de sodio y calcio, participación en la regulación del metabolismo hídrico y salino;
- facilitación del deslizamiento de las superficies articulares y amortiguación;
- participación en la migración celular y en los procesos reparativos.
Varias bacterias patógenas (por ejemplo, los agentes causales de la gangrena gaseosa, los clostridios) sintetizan la enzima hialuronidasa, que degrada el ácido hialurónico. La degradación de la matriz altera el estado gelatinoso de la sustancia intercelular y facilita la diseminación de la infección en los tejidos.
Puntos clave
- Cada tercer aminoácido del colágeno es glicina; se caracteriza por el triplete (Gly—X—Y) con prolina e hidroxiprolina.
- La triple hélice del colágeno consta de tres cadenas α levógiras que forman una superhélice dextrógira.
- La biosíntesis ocurre en el RE a través del preprocolágeno con la escisión del péptido señal.
- La prolil hidroxilasa requiere Fe²⁺, α-cetoglutarato, O₂ y ácido ascórbico como cofactor.
- La deficiencia de vitamina C altera la hidroxilación y conduce al escorbuto.
- Las fibras de colágeno maduras se forman de manera escalonada: tropocolágeno → microfibrillas → fibrillas → fibras.
- El ácido hialurónico es un glucosaminoglucano que retiene agua y forma una matriz gelatinosa.
- La hialuronidasa bacteriana destruye la matriz y favorece el desarrollo de infecciones, incluida la gangrena gaseosa.