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Las propiedades mecánicas del colágeno —
resistencia a la tracción, elasticidad y la
ingeniería del tejido.
Una sola fibrilla de colágeno, medida en laboratorio, tiene una resistencia a la tracción comparable, según algunas métricas, a la de un alambre de acero de diámetro equivalente. El cuerpo construye tendones a partir de millones de estas fibrillas dispuestas en paralelo. Construye la piel a partir de una malla de ellas orientadas en múltiples direcciones. Construye hueso depositando minerales sobre un andamio de ellas. Las propiedades mecánicas de la fibrilla de colágeno —y las arquitecturas en las que el cuerpo ensambla esas fibrillas— son lo que permite al tejido conectivo realizar su función mecánica.
I
La fuerza de una sola fibrilla de colágeno —
y por qué la geometría de la hélice es lo que la produce.
Las propiedades mecánicas del colágeno, medidas a nivel de la fibrilla individual, son verdaderamente sorprendentes. Investigaciones publicadas utilizando microscopía de fuerza atómica y otras técnicas de prueba de materiales han documentado resistencias a la tracción en el rango de cientos de megapascales para fibrillas de colágeno individuales —cifras que, en base a la unidad de sección transversal, sitúan al colágeno entre los materiales biológicos más resistentes y dentro del rango de ciertos materiales de ingeniería de densidad similar. El módulo de Young (una medida de rigidez) de las fibrillas de colágeno se encuentra en un rango que les permite estirarse sustancialmente bajo carga pero recuperar su forma después —la combinación de fuerza y elasticidad que requieren las aplicaciones mecánicas del cuerpo.
El origen de estas propiedades mecánicas es, en última instancia, la geometría de la triple hélice en el centro de cada molécula de colágeno y la arquitectura de ensamblaje que organiza las hélices individuales en fibrillas. La geometría de cuerda de tres cadenas, con cadenas que giran en direcciones opuestas para cancelar la torsión bajo carga, es mecánicamente adecuada para la tensión axial —tirando a lo largo del eje longitudinal de la molécula. El ensamblaje escalonado de cientos de moléculas de triple hélice en una fibrilla, con enlaces cruzados covalentes (descritos en el artículo sobre enlaces cruzados de este grupo) que unen las moléculas adyacentes, distribuye la carga por toda la estructura y evita que las moléculas individuales se deslicen unas sobre otras. Cada característica arquitectónica, desde la geometría molecular hasta el empaquetamiento fibrilar, contribuye a las propiedades mecánicas resultantes.
Esta es la solución de la biología a un problema de ingeniería estructural. El problema es: ¿cómo construir un tejido blando que pueda soportar grandes cargas de tracción repetidamente, recuperar su forma después de la deformación y durar años o décadas en esas condiciones? La solución, evolucionada a lo largo del tiempo descrito en el artículo sobre la historia del colágeno, es la fibrilla de colágeno de triple hélice y las diversas arquitecturas en las que el cuerpo la ensambla. Diferentes tejidos utilizan diferentes geometrías de ensamblaje — haces paralelos en los tendones, mallas tejidas en la piel, andamios mineralizados en los huesos — pero la unidad subyacente es la misma.
La biología llegó a la misma solución
que la ingeniería estructural más tarde derivaría de forma independiente.
Una cuerda de tres hebras retorcidas.
El principio es idéntico.
El sustrato es proteína.
Propiedades mecánicas por tejido — cuatro perfiles documentados
La misma fibrilla de colágeno, organizada de manera diferente,
produce tejidos con distintas funciones mecánicas.
Los diferentes tejidos organizan sus fibrillas de colágeno en distintas arquitecturas — haces paralelos, mallas tejidas, andamios mineralizados — y las propiedades mecánicas resultantes reflejan esa elección arquitectónica. Las siguientes tarjetas resumen cuatro perfiles documentados de la literatura de biomecánica del tejido conectivo.
Tejido 01
Tendón
Haces paralelos · Tipo I
Los tendones organizan su colágeno Tipo I en haces paralelos alineados a lo largo del eje de carga de tracción. Esta arquitectura produce tejido con una excepcional resistencia a la tracción a lo largo de ese único eje — capaz de transmitir fuerzas equivalentes a muchas veces el peso corporal del músculo al hueso — pero correspondientemente menos resistencia perpendicular a ese eje. La arquitectura paralela es mecánicamente adecuada para la carga unidireccional de la transmisión de fuerza músculo-hueso.
Tejido 02
Piel
Malla tejida · Tipo I + III
El colágeno dérmico se organiza en una malla que permite la extensión en múltiples direcciones y la recuperación a la forma original después. La combinación de Tipo I y Tipo III, en diferentes diámetros de fibrillas y disposiciones de empaquetamiento, produce un tejido que puede estirarse, comprimirse y recuperarse repetidamente. La mecánica de la piel refleja tanto la arquitectura del colágeno como las fibras de elastina que interpenetran la malla dérmica.
Tejido 03
Cartílago
Malla + proteoglicanos · Tipo II
El cartílago articular organiza el colágeno Tipo II en una red que se interpenetra con el gel de proteoglicanos altamente hidratado de la matriz. La combinación produce un tejido con una excepcional resiliencia compresiva — la capacidad de absorber la carga aplicada perpendicular a la superficie de la articulación y recuperarse cuando se retira la carga. Las propiedades mecánicas del cartílago dependen tanto de la red de colágeno como del agua unida a la fase de proteoglicanos.
Tejido 04
Hueso
Andamio mineralizado · Tipo IEl hueso es un material compuesto: un andamio de colágeno Tipo I con mineral de hidroxiapatita depositado en su interior y sobre él. El colágeno proporciona resistencia a la tracción y a la fractura; el mineral proporciona resistencia a la compresión y rigidez. Ninguna fase por sí sola tiene las propiedades mecánicas de la combinación, y el compuesto resultante es uno de los materiales mecánicos más sofisticados que produce la biología.
II
La jerarquía de los niveles estructurales —
desde la molécula al tejido, cada uno contribuyendo al conjunto.
Las propiedades mecánicas del tejido rico en colágeno no existen en un único nivel estructural. Son el producto de una jerarquía que va desde la geometría molecular de la triple hélice, pasando por el ensamblaje de las hélices en fibrillas, el agrupamiento de las fibrillas en fibras, y la organización de las fibras en las arquitecturas específicas del tejido descritas anteriormente. Cada nivel de la jerarquía aporta sus propias características mecánicas. La geometría de la triple hélice proporciona resistencia axial a la tracción. La estructura fibrilar reticulada evita el deslizamiento intermolecular y proporciona la resistencia de la cuerda ensamblada. Las arquitecturas de fibra y tejido distribuyen la carga y adaptan las propiedades fibrilares básicas a las demandas mecánicas específicas de cada tejido.
Esta organización jerárquica es lo que permite que la misma fibrilla de colágeno subyacente realice trabajos mecánicos tan diferentes en distintos tejidos. La fibrilla de un tendón es mecánicamente similar a la fibrilla de la piel o del cartílago; la química subyacente es la misma arquitectura de triple hélice con una composición de aminoácidos similar y una densidad de reticulación parecida. Las diferencias mecánicas entre los tejidos provienen, principalmente, de la arquitectura de nivel superior: cómo se disponen las fibrillas, qué otros componentes de la matriz las rodean, qué fase mineral se deposita sobre ellas, qué exigencias mecánicas modelan la geometría del tejido. El artículo sobre distribución de tejidos en el grupo fundacional de esta serie describió el mapa de tejidos subyacente; este artículo describe las consecuencias mecánicas de ese mapa.
Para el lado del sustrato dietético, la implicación es de nuevo la continuidad. Las células productoras de colágeno del cuerpo —fibroblastos, condrocitos, osteoblastos— mantienen las propiedades mecánicas de cada tejido conectivo produciendo continuamente colágeno utilizando el sustrato de aminoácidos del conjunto circulante general. El sustrato se requiere cada día durante décadas; las fibrillas resultantes ocupan su lugar en la arquitectura jerárquica; las propiedades mecánicas del tejido son el resultado lento de años de este mantenimiento continuo. El polvo de proteína Multi Colágeno de Codeage aporta sustrato de aminoácidos a esta biología continua en un perfil multitypo y multifuente.
Las propiedades mecánicas del colágeno
no existen en un solo nivel.
Son el producto de una jerarquía
que va de la molécula al tejido.
Propiedades mecánicas del colágeno en números
La proteína estructural,
medida en tres escalas de ingeniería.
~500 MPa
Resistencia a la tracción aproximada de las fibrillas de colágeno individuales, según lo documentado en estudios publicados de microscopía de fuerza atómica
Investigaciones publicadas que utilizan microscopía de fuerza atómica en fibrillas de colágeno individuales han documentado resistencias a la tracción en el rango de varios cientos de megapascales, una cifra que, por unidad de sección transversal, sitúa al colágeno entre los materiales biológicos más fuertes. El valor exacto varía con la preparación de la fibrilla, el estado de hidratación y la técnica de medición, pero la magnitud es consistente en toda la literatura.
Jerarquía
La organización estructural que produce propiedades mecánicas a nivel de tejido, desde la hélice molecular hasta la arquitectura de fibrillas, fibras y tejidos
Las propiedades mecánicas del tejido conectivo son el producto de una jerarquía organizacional que abarca aproximadamente seis órdenes de magnitud en tamaño, desde la triple hélice a escala nanométrica hasta la fibra a escala micrométrica y el tejido a escala de milímetros a centímetros. Cada nivel de la jerarquía contribuye al perfil mecánico general, y la arquitectura de cada tejido está ajustada a su función mecánica específica.
~30%
Del contenido total de proteínas del cuerpo es colágeno, lo que refleja el considerable coste estructural de mantener un cuerpo vertebral que mantiene su forma contra las fuerzas diarias de la gravedad, el movimiento y la presión.
Aproximadamente una de cada tres moléculas de proteína en el cuerpo, por masa, es colágeno. Esta proporción refleja el costo estructural de mantener la arquitectura mecánica del tejido conectivo durante décadas, un costo que el cuerpo paga a través de la biosíntesis continua utilizando sustratos de aminoácidos de proteínas dietéticas. La sustancial proporción de colágeno en el presupuesto proteico del cuerpo es, en sí misma, una consecuencia de las demandas mecánicas que los tejidos están construidos para satisfacer.
III
Lo que nos dice la ingeniería
sobre el suministro de sustrato para la proteína estructural.
La perspectiva mecánica sobre el colágeno refuerza el marco de continuidad del sustrato que este grupo ha mantenido a lo largo de todo el estudio. El cuerpo mantiene las propiedades mecánicas de sus tejidos conectivos produciendo colágeno continuamente, organizándolo en las arquitecturas jerárquicas que cada tejido requiere, y reemplazándolo a lo largo de los lentos ritmos de renovación descritos en los artículos anteriores de este grupo. El sustrato de aminoácidos para esa producción continua se extrae continuamente del grupo circulante general del cuerpo, que se suministra mediante proteínas dietéticas en general y mediante fuentes ricas en colágeno para el perfil característico de glicina-prolina-hidroxiprolina en particular.
El polvo de proteína Multi Colágeno de Codeage es, en este marco, un insumo de sustrato para la biología continua que mantiene la arquitectura estructural descrita en este artículo. El perfil de cinco tipos y cuatro fuentes suministra los aminoácidos en proporciones características de la arquitectura de matriz multitipo que los diversos tejidos conectivos del cuerpo mantienen simultáneamente. El suministro funciona continuamente junto con la demanda continua. Otras formulaciones de la línea de colágeno Codeage —la gama Platinum, las cápsulas para articulaciones, los péptidos marinos, el colágeno de caldo de huesos— amplían el insumo de sustrato en diferentes combinaciones y formatos, cada una operando bajo el mismo principio subyacente de suministro de sustrato.
Con este artículo, el grupo de Mecanismos de la serie Multi-Colágeno se cierra. El siguiente grupo pasará de los mecanismos celulares y moleculares a las fuentes y tipos —las fuentes específicas de colágeno utilizadas en las formulaciones modernas, sus perfiles característicos y la lógica de formulación detrás de combinaciones específicas de las mismas. Al igual que el resto de este grupo, la imagen descrita en este artículo refleja el estado actual de la literatura sobre biomecánica del tejido conectivo en lugar de una cuenta cerrada. Los estudios referenciados se realizaron de forma independiente y no involucraron ningún producto específico de Codeage —lo que se describe aquí es la ingeniería de la proteína estructural, no una afirmación sobre el efecto de ninguna formulación sobre ella. Para el contexto del sistema más amplio, El Código de Longevidad sitúa esta dimensión estructural dentro del marco diario de cuatro pilares que organiza el sistema Codeage en su conjunto.
Codeage · Integridad Estructural · Pilar 02
Una arquitectura de multi-colágeno,
construida alrededor de la estructura.
Tres formulaciones de la línea de colágeno Codeage, cada una suministrando el perfil de colágeno multitipo en un formato diferente para el suministro diario de proteínas estructurales.
Polvo de Proteína Multi Colágeno
Cinco tipos de colágeno — I, II, III, V, X — provenientes de cuatro fuentes: bovino alimentado con pasto, marino de captura silvestre, cartílago de pollo y membrana de cáscara de huevo. Sin sabor. Se mezcla con agua, café o batidos. El buque insignia de la arquitectura de colágeno Codeage.
Ver Producto →Cápsulas Multi Colágeno para Articulaciones
Multi-colágeno en cápsulas con botánicos adicionales e ingredientes para el tejido conectivo elegidos para la arquitectura de las articulaciones. Cinco tipos de colágeno, con ingredientes adyuvantes en la misma porción.
Ver Producto →Colágeno de Caldo de Huesos Orgánico de Animales Alimentados con Pasto
Colágeno de caldo de huesos extraído de matriz ósea de animales alimentados con pasto, que proporciona el perfil multitipo tradicional de la preparación de caldo en forma de polvo concentrado. Un guiño a la tradición dietética que precede a toda formulación moderna.
Ver Producto →Anteriormente en la serie Multi-Colágeno
Glicación y colágeno — qué sucede cuando el azúcar se encuentra con la triple hélice.
Codeage · El Código de Longevidad
Un sistema construido para
la perspectiva estructural a largo plazo.
El Código de Longevidad es un sistema diario de cuatro pilares, cada formulación mapeada a una dimensión específica de cómo el cuerpo se mantiene a sí mismo a través del tiempo. El multi-colágeno es la proteína estructural del Pilar 02.
Explorar El Código de Longevidad →
