matriz extracelular.docx ................
- 1. INTRODUCCIÓN En el viaje por la célula que propuso C. de Duve (A guide tour of the living cell. Scientific American books, vol. 2, 1984) un "citonauta" de tamaño molecular, al dirigirse a una célula de un tejido animal, antes de toparse con la membrana plasmática, tendría la sensación de estar avanzando por una jungla de troncos, ramas y lianas. A esta maraña es a lo que denominamos matriz extracelular. Se puede definir como un entramado de moléculas, sobre todo proteínas y carbohidratos, que se disponen en el espacio intercelular y que se sintetizan y secretan por las propias células. la composición de la matriz que puede variar según el sitio anatómico y el estado fisiológico de un tejido, le permite a la célula saber dónde está y que debe hacer. En el hueso, por ejemplo, la matriz es más abundante que las células que la rodean; en el cerebro la situación es diferente, las células son mucho más abundantes y la matriz es sólo un constituyente menor. La función de la MEC va más allá de proporcionar apoyo físico para la integridad y elasticidad del tejido: es una estructura dinámica que se remodela constantemente para controlar la homeostasis del tejido. PRINCIPALES MOLÉCULAS 1. Fibras reticulares: Las fibras reticulares en la matriz extracelular son un tipo de fibra formada principalmente por colágeno tipo III. Estas fibras forman una red entrelazada que proporciona soporte a ciertos tejidos blandos como los órganos linfoides, el hígado y la médula ósea. Son más delgadas que otras fibras de colágeno y se organizan en una malla delicada, siendo más abundantes en el tejido conectivo reticular. Estas fibras reticulares son esenciales para mantener la estructura y función de los tejidos donde se encuentran, como en la filtración de la linfa y la creación de un microambiente propicio para la interacción de células como los glóbulos blancos La asa de colágeno tipo VII Fibrillas de anclaje: El colágeno VII forma fibrillas que se insertan en la membrana plasmática de las células, proporcionando un punto de fijación y soporte estructural para las células. Estas fibrillas también ayudan a mantener la integridad de la MEC y a regular la adhesión celular. Regulación de la adhesión celular: La asa de colágeno VII participa en la regulación de la adhesión celular, lo que es crucial para la organización y función de los tejidos. La destrucción o perturbación del normal funcionamiento de estas fibrillas puede llevar a anomalías como fragilidad de la piel, formación de ampollas, erosiones y pérdida de uñas. Interacción con otros componentes de la MEC: El colágeno VII interactúa con otros componentes de la MEC, como el colágeno tipo IV y las proteoglicanos, para formar un complejo funcional que permite a las células sobrevivir, multiplicarse y desempeñar sus funciones vitales. Modulación de la señalización celular: La asa de colágeno VII también puede modular la señalización celular, regulando procesos como la angiogénesis, la autofagia y el reclutamiento de macrófagos durante la inflamación. 2. Colágeno tipo 4: El colágeno tipo IV es un componente clave de la lámina basal, una capa especializada de la matriz extracelular que subyace a las células epiteliales y endoteliales. Algunas características del colágeno tipo IV en la matriz extracelular son: Forma una red bidimensional en lugar de fibras como otros tipos de colágeno. Proporciona una superficie de anclaje para las células epiteliales y endoteliales. Junto con la laminina, el colágeno tipo IV contribuye a la integridad estructural de la lámina basal. Participa en la filtración selectiva a través de la lámina basal en estructuras como el glomérulo renal. Mutaciones en los genes del colágeno tipo IV pueden causar enfermedades como la nefropatía por depósitos densos y el síndrome de Alport. En resumen, el colágeno tipo IV es esencial para la estructura y función de la lámina basal, permitiendo la adhesión celular y actuando como una barrera de filtración selectiva en tejidos como el riñón. 3. Proteoglicanos: proteínas altamente glicosiladas, es decir heteroglicanos altamente glucosiladas. Las moléculas se encuentran formadas por un núcleo proteico que se encuentra unido covalentemente a un tipo especial de polisacáridos denominados glicosoaminoglicanos (GAG). Estas cadenas de glicosoaminoglicanos (GAG) son largos polímeros de carbohidratos lineales que están cargados negativamente bajo condiciones fisiológicas, debido a la presencia de grupos sulfato y de grupos de ácido hialurónico. Los proteoglicanos se encuentran unidos al aparato de Golgi. Actúan como moduladores de señales en procesos de comunicación entre la célula y su entorno Los proteoglicanos son macromoléculas formadas por un esqueleto proteico al que están unidas covalentemente una o más cadenas de glucosaminoglicanos (GAG). Son polisacáridos lineales formados por unidades repetitivas de disacáridos (una hexosamina y un ácido urónico) unidas por enlaces glicosídicos intra e interdisacáridos, en los que los grupos carboxilo y sulfato están presentes en diferentes posiciones, lo que confiere a estas moléculas una alta densidad de carga aniónica. (Figura 6). Se conocen comúnmente 6 tipos de GAG en mamíferos: sulfato de condroitina (CS), sulfato de dermatán (DS), sulfato de heparán (HS), sulfato de queratán (KS), heparina (HEP) y ácido hialurónico (HA). Este último, conocido actualmente como hialuronam, es el único que no se presenta unido a una proteína. Estructura: Las cadenas de polisacáridos son muy rígidas e hidrofílicas, por lo que tienden a ocupar grandes volúmenes en relación con su masa formando geles: su elevada carga negativa hace que atraiga gran cantidad de cationes, sobre todo el Na+, que debido a su capacidad osmótica, hace que se retengan grandes cantidades de agua en la matriz extracelular, produciendo una presión
- 2. de turgencia que capacita a la matriz para oponerse a fuerzas de compresión. Salvo el ácido hialurónico, los demás glicosaminoglicanos están unidos covalentemente a una proteína formando proteoglicano. La cadena de proteína (o núcleo proteico) es sintetizada en los ribosomas que se encuentran unidos a la membrana, acumulándose en la luz del retículo endoplásmico. La unión del glicosaminoglucano a la proteína tiene lugar en el aparato de Golgi. Es difícil clasificarlos por su gran variedad, es mejor considerarlos como un grupo diverso de glicoproteínas muy glicosiladas, cuyas funciones dependen tanto de su proteína central como de sus cadenas de glicosaminoglucanos. Síntesis El componente proteico de los proteoglicanos es sintetizado por los ribosomas y translocado al interior del retículo endoplasmático rugoso. La glucosilación del proteoglicano ocurre en el aparato de Golgi en muchos pasos enzimáticos. El proteoglicano completado es exportado en vesículas secretoras a la matriz extracelular de la célula. Función Los proteoglicanos son el componente fundamental de la matriz extracelular animal; constituyen, por así decirlo, la principal sustancia que "rellena" los espacios que existen entre las células del organismo. Aquí forman grandes complejos, tanto con otros proteoglicanos, como con hialuronanos y proteínas de la matriz fibrosa (como el colágeno). También están involucrados en la unión de cationes (tales como el sodio, potasio y calcio) y agua, y también regulando el movimiento de moléculas dentro de la matriz. La evidencia también muestra que pueden afectar la actividad y estabilidad de las proteínas y moléculas de señal dentro de la matriz. Las funciones individuales de los proteoglicanos pueden ser atribuidas tanto al centro proteico como a las cadenas GAG unidas. En la matriz extracelular Mantienen hidratada la matriz. Las cadenas de glicosaminoglicanos pueden generar geles de poros de diferente tamaño, por lo que pueden intervenir como filtro selectivo en la regulación del tráfico de moléculas y de células, seleccionándolas en función de su tamaño, su carga o ambas cosas. Los glicosaminoglicanos y proteoglicanos se asocian formando enormes complejos poliméricos. También se asocian con otros elementos de la matriz extracelular, como el colágeno, y con redes proteicas de la lámina basal formado estructuras muy complejas. El agrecano rodea el cartílago y le ayuda a soportar las fuerzas de compresión. 4. Glicosaminoglicanos: las proteínas estructurales fibrosas de la matriz extracelular están embebidas en un gel formado a partir de unos polisacáridos denominados glicosaminoglicanos, o GAG, que están constituidos por unidades repetidas de disacáridos Uno de los azúcares del disacárido puede ser N- etilglucosamina o N-acetilgalactosamina y el segundo suele ser un ácido •bien ácido glucurónico o ácido idurónico). Con la excepción del ácido hialurónico, estos azúcares se modifican por la adición de grupos sulfato. Por tanto, los GAG tienen una carga negativa elevada. Al igual que las pectinas ie las paredes celulares vegetales, se unen a iones cargados positivamente y atrapan moléculas de agua para formar geles hidratados, proporcionando ¿sí un soporte mecánico a la matriz extracelular. Los GAG son dermatán -olfato, condrotín sulfato, queratán sulfato y heparán sulfato. El ácido hialurónico es el único GAG que aparece como una única cadera larga de polisacárido. De forma semejante a la celulosa la quitina, es sintetizado en la membrana plasmática por una hialurónico sintasa transmembrana. Todos los demás GAG se unen a proteínas para formar proteoglicanos, que están constituidos hasta por un 95% de polisacáridos en peso, los proteoglicanos pueden contener desde solamente una o hasta más de -en cadenas de GAG unidas a restos de serina de una proteína central. 5. Laminina: son proteínas de la matriz extracelular que constan de cadenas alfa, beta y gamma con masas moleculares de 140 a 400 kDa. La asociación de cadenas se produce a través de un gran dominio de triple hélice alfa en espiral hacia el extremo C de cada cadena. Hasta ahora se conocen ocho cadenas de lamininas genéticamente distintas (alfa 1, alfa 2, alfa 3, beta 1, beta 2, beta 3, gamma 1, gamma 2) y siete formas de ensamblaje diferentes (lamininas-1 a -7). La laminina-1 más ampliamente caracterizada (alfa 1 beta 1 gamma 1) muestra un autoensamblaje dependiente de calcio y una unión heterotípica a perlecano, nidogen, fibulina-1 y otros componentes de la matriz. Esta unión indica un papel crucial en la organización supramolecular de las membranas basales. Las lamininas también poseen sitios de unión para al menos seis receptores de integrinas diferentes y, por tanto, participan en muchas interacciones célula-matriz. Se ha demostrado que estas interacciones son importantes durante el desarrollo embrionario y para la homeostasis y remodelación de los tejidos. Las lamininas son moléculas de adhesión celular que comprenden una familia de glicoproteínas que se encuentran predominantemente en las membranas basales, que son láminas delgadas de matriz extracelular que subyacen a las células epiteliales y endoteliales y rodean las células musculares, las células de Schwann y las células grasas. Muchas lamininas se autoensamblan para formar redes que permanecen en estrecha asociación con las células mediante interacciones con receptores de la superficie celular. Las lamininas son vitales para muchas funciones fisiológicas. Son esenciales para el desarrollo embrionario temprano y la organogénesis y tienen funciones cruciales en varios tejidos, incluidos músculos, nervios, piel, riñones, pulmones y vasculatura. 6. Fibronectina: Existen hasta 20 isoformas diferentes. Una, la denominada fibronectina plasmática, es soluble y circula por la sangre donde parece incrementar la coagulación de la sangre, la cicatrización y la fagocitosis. El resto se organizan en la superficie celular depositándose en la matriz extracelular como fibrillas de fibronectina muy insolubles, con dímeros que presentan enlaces disulfuro adicionales. Este proceso, donde las células organizan las moléculas de fibronectina estirándolas y formado fibrillas, se denomina fibrilogénesis. Las moléculas de fibronectina solo se organizan en fibrillas en la superficie de ciertas células. Ello se debe a que para su formación son necesaria proteínas complementarias, especialmente las integrinas que reconocen la propia fibronectina. En los fibroblastos, las fibrillas de fibronectina se asocian con las integrinas en regiones de la membrana denominadas adhesiones focales donde las fibrillas localizadas en asociación con la superficie celular se hallan muy estiradas y sometidas a fuerzas de tracción. Estas fuerzas son ejercidas por las propias células y resultan esenciales para la formación de las fibrillas. Por otra parte, algunas de las proteínas de secreción tienen como función impedir el ensamblaje de la fibronectina en lugares inapropiados. Las fibrillas de fibronectina que se forman en o cerca de la superficie de los fibroblastos suelen alinearse con las fibras de estrés adyacentes, siendo los filamentos de actina intracelulares los que estimulan el ensamblaje de las moléculas de fibronectina una vez secretadas y regulan la orientación de las fibrillas.
- 3. Las interacciones que se establecen en la membrana de los fibroblastos entre las fibrillas extracelulares de fibronectina y los filamentos intercelulares de actina están mediadas en su mayor parte por integrinas. Así es como el citoesqueleto contráctil de actina y miosina tira de la matriz de fibronectina generando fuerzas de tracción. El resultado es el estiramiento de la fibrillas que provoca la exposición de un lugar de unión críptico (no accesible) mediante el que las moléculas de fibronectina pueden unirse directamente unas a otras. De esta forma el citoesqueleto de actina estimula la polimerización de la fibronectina y el ensamblaje de la matriz. Las señales extracelulares pueden regular este ensamblaje alterando el citoesqueleto de actina, modificando así la fuerza de tracción de las fibrillas. La fibronectina no solo juega un papel importante en la adhesión de las células a la matriz, sino que también actúa como guía de las migraciones celulares que tiene lugar en los embriones de los vertebrados. Por ejemplo, en células mesodérmicas durante la gastrulación de anfibios, siendo el único tipo de células que presenta esta característica en embriones tempranos. La importancia de la fibronectina en el desarrollo animal ha sido demostrada en experimentos de inactivación génica, los ratones que no pueden expresar fibronectina mueren en los primeros estadios de la embriogénesis, ya que sus células endoteliales son incapaces de formar vasos sanguíneos funcionales. 7. Integrina: Las integrinas asocian a la matriz extracelular con el citoesqueleto de la célula. El tipo de ligando que se unirá a una u otra integrina vendrá dado por el tipo de subunidades α y β que posea la integrina. Entre los múltiple ligandos de las integrinas se encuentran la fibronectina, la vitronectina, el colágeno y la laminina. La conexión entre la célula y la matriz extracelular podría ayudar a que la célula soporte fuerzas de empuje sin ser arrancada de la matriz. Las integrinas son las principales moléculas que anclan la célula a la matriz. Las integrinas forman una gran familia de proteínas transmembrana, expresadas según los tipos y necesidades fisiológicas de tejidos y células. Estas proteínas tienen un dominio intracelular que contacta con el citoesqueleto y un dominio extracelular globular que puede unir colágeno, integrinas y lamininas, modificando así el comportamiento celular. La célula puede cambiar su capacidad de adhesión y movilidad alterando el conjunto de proteínas receptoras en su superficie. Una de las funciones más importantes de las integrinas de superficie es su papel en la migración celular. Durante el movimiento, las células se adhieren a los sustratos mediante integrinas, formando nuevos anclajes en la dirección del movimiento y liberando otros en la parte posterior. Las moléculas de integrina son recicladas constantemente: se liberan del sustrato mediante endocitosis, son transportadas en vesículas a la región anterior de la célula y se devuelven a la superficie, permitiendo anclajes renovados en la región frontal. Las integrinas son las moléculas más importantes en la adhesión de la célula a la matriz extracelular. Son una gran familia de proteínas transmembrana presentes en prácticamente todos los animales. Estructuralmente están formadas por dos subunidades (alfa y beta) (Figura 1). En mamíferos hay 18 unidades alfa y 3 unidades beta que por combinación pueden formar hasta 24 integrinas diferentes, las cuales se expresan según el tejido o estado fisiológico de la célula. Cada una tiene 3 dominios moleculares: un dominio intracelular que contacta con los filamentos de actina del citoesqueleto (algunas veces con los filamentos intermedios), otro extracelular globular que es capaz de unirse al colágeno, fibronectinas y lamininas, y un dominio intramembrana formado por secuencias de aminoácidos hidrófobos entre las cadenas de ácidos grasos de la membrana. La capacidad de las integrinas para unirse a moléculas de la matriz extracelular y al citoesqueleto permite una continuidad estructural mecánica entre el interior y el exterior de la célula. Pero además permite modificar el comportamiento celular en función de las moléculas presentes en la matriz extracelular (actúan como receptores). Esto es posible porque el estado de adhesión de la integrina se transmite a su dominio citosólico, el cual interactúa con proteínas que son capaces de viajar por el interior del citoplasma para afectar a rutas moleculares o viajar al interior del núcleo para alterar la expresión génica. También la célula puede modificar su capacidad de adhesión cambiando el número de integrinas, sintetizando subunidades de integrinas particulares, o modificando su fuerza de unión tras modificaciones de su dominio intracelular. En general la intensidad de la adhesión de las integrinas es menor que la de otras proteínas de adhesión. Las integrinas suelen aparecer asociadas en la membrana plasmática formando las denominadas adhesiones focales y también formar agregados mayores como son los hemidesmosomas. En el caso de las integrinas que forman parte de los hemidesmosomas, su dominio citosólico está en contacto con filamentos intermedios y no con los de actina. La fuerza de unión de una célula a la matriz extracelular depende pues de la cantidad, tipo y estado de las integrinas que presenta en su membrana plasmática. 8. Fibroblasto: El fibroblasto es el tipo celular característico y más abundante del tejido conectivo propiamente dicho y su función principal es la síntesis y mantenimiento de la matriz extracelular de dicho tipo de tejido. Aunque en términos generales el sufijo "blasto" se usa para referirse a una célula madre o indiferenciada que origina la célula madura, que lleva el sufijo "cito", en este caso, sin embargo, se utiliza para indicar el estado metabólico y capacidad proliferativa de la célula. Así, fibroblasto y fibrocito son dos estados diferentes del mismo tipo celular. Siendo el fibroblasto el estado activo y el fibrocito el estado menos activo. Muchos autores hablan de una célula activa joven sintetizadora y proliferante como el fibroblasto y el término fibrocito lo reservan para una célula no secretora y vieja en cuanto a su función sintetizadora de la matriz. La tendencia general, sin embargo, es hablar de fibroblasto para referirse a ambas formas. Los fibroblastos son muy variables en forma y tamaño dependiendo del órgano donde se encuentren y de su estado de actividad. En general, son células fusiformes (Figuras 1 y 2) o estrelladas con prolongaciones citoplasmáticas que pueden ser relativamente cortas y anchas, o bien largas, delgadas y muy ramificadas. En este último caso, los fibroblastos pueden estar en contacto unos con otros por uniones tipo nexo o por contactos físicos simples. También interactúan con el resto de células que hay en el tejido conectivo, como neuronas, células musculares, células endoteliales, leucocitos, y otras, mediante contactos físicos directos, utilizando a la matriz extracelular como intermediaria o mediante la secreción de sustancias. Por ejemplo, en adultos contribuyen al mantenimiento de la homeostasis de la piel. gran capacidad de síntesis y mantenimiento de la matriz extracelular interviene activamente en la cicatrización de heridas. Se acumulan en los extremos de las heridas y secretan matriz capaz de reparar el tejido y formar cicatrices. 9. Filamentos intermedios: Los filamentos intermedios son componentes del citoesqueleto cuya principal misión es permitir a las células o estructuras celulares soportar tensiones mecánicas. Se denominan intermedios porque el diámetro de estos filamentos es de aproximadamente de 8 a 15 nmque se encuentra entre el de los filamentos de actina (7 a 8 nm) y el de los microtúbulos (25 nm).
- 4. Normalmente los filamentos intermedios del citoplasma están anclados a los complejos de unión que se establecen entre las células vecinas (desmosomas y uniones focales) y entre las células y la matriz extracelular (hemidesmosomas) a través de proteínas de unión. Abundan los filamentos intermedios en las células que están sometidas a tensiones mecánicas. Por ejemplo, en los axones de las células nerviosas, en las células musculares musculares y en las epiteliales. La función de los filamentos intermedios viene determinada por su composición. Los filamentos intermedios son flexibles y resistentes, dos propiedades óptimas para soportar las tensiones mecánicas. Se extienden desde la periferia hasta el núcleo y permiten la integridad de la célula. 10. Filamentos de actina: Los filamentos de actina son componentes del citoesqueleto de las células eucariotas, compuestos por polímeros de la proteína actina. Son esenciales para mantener la forma celular, permitir la movilidad y participar en diversos procesos celulares. Estructura: Polímeros de Actina: Formados por monómeros de actina (G-actina) que se polimerizan para formar filamentos (F-actina). Dinamismo: Los filamentos de actina son altamente dinámicos, capaces de ensamblarse y desensamblarse rápidamente en respuesta a señales celulares. Funciones: Mantenimiento de la Forma Celular: Proveen soporte estructural y determinan la forma de la célula. Migración Celular: Los filamentos de actina son fundamentales para el movimiento celular, formándose protrusiones como lamelipodios y filopodios en la dirección del movimiento. Contracción Muscular: Interactúan con miosina para facilitar la contracción muscular. Endocitosis y Exocitosis: Participan en el transporte vesicular dentro de la célula. Relación con la Matriz Extracelular (MEC): Integrinas y Complejos de Adhesión Focal: Las integrinas, que anclan la célula a la MEC, se conectan a los filamentos de actina a través de proteínas adaptadoras como talina, vinculina y paxilina. Estos complejos de adhesión focal permiten la transmisión de fuerzas mecánicas entre la MEC y el citoesqueleto. Señalización Mecánica: La interacción entre los filamentos de actina y las integrinas permite a las células detectar y responder a las propiedades mecánicas de la MEC, como su rigidez. Este proceso, conocido como mecanotransducción, puede influir en la diferenciación y el comportamiento celular. Migración Celular: Durante la migración, los filamentos de actina forman nuevas adhesiones en la parte frontal de la célula mientras se desensamblan en la parte posterior. Las integrinas reciclan mediante endocitosis y exocitosis, facilitando la locomoción continua. Remodelación de la MEC: Las células pueden modificar la MEC a través de la fuerza ejercida por los filamentos de actina, así como mediante la secreción de enzimas como las metaloproteinasas de matriz (MMPs). INTERACCIÓN CELULA MATRIZ Estos procesos son esenciales para la organización tisular, señalización celular, migración y otros procesos biológicos. 1. Proteínas de Adhesión Celular (CAMs) Las proteínas de adhesión celular son fundamentales en la interacción célula-matriz. Incluyen: - Integrinas: Principales receptores de superficie celular que unen las células a la MEC. Son heterodímeros formados por subunidades α y β, con dominios extracelular, transmembrana e intracelular que interactúan con el citoesqueleto. Permiten la transducción bidireccional de señales, es decir, del exterior al interior celular y viceversa. - Selectinas: Median la adhesión célula-célula en los procesos de inflamación y respuesta inmune. - Cadherinas: Participan en la adhesión célula-célula a través de interacciones homofílicas, cruciales para la formación de tejidos y la señalización celular. - Proteínas de la Matriz Extracelular: Como la fibronectina, colágeno y laminina, que no solo proporcionan estructura sino también señales bioquímicas para la adhesión y migración celular. 2. Integrinas - Estructura: Son heterodímeros compuestos por subunidades α y β, que proporcionan especificidad de unión a diferentes componentes de la MEC. - Dominio Extracelular: Interactúa con ligandos en la MEC. - Dominio Transmembrana: Atraviesa la membrana plasmática. - Dominio Intracelular: Conecta con citoesqueleto a través de proteínas adaptadoras como talina y vinculina. - Señalización Bidireccional: Las integrinas pueden transmitir señales desde la MEC hacia el interior celular (outside-in) y desde el citoesqueleto hacia la MEC (inside-out), regulando así la adhesión y migración celular. 3. Uniones Célula-Matriz: conectar MEC con citoesqueleto celular y permitir transmisión de fuerzas mecánicas: - Complejos de Adhesión: Incluyen proteínas como talina, vinculina, actina, y fibrilina. Estos complejos permiten la transmisión de fuerzas contráctiles a través de la célula, lo que es crucial para la migración y la mecano-transducción. - Hemidesmosomas y Adhesiones Focales: Son estructuras específicas que conectan la MEC con el citoesqueleto de queratina o actina, respectivamente. Aunque las células animales no están rodeadas por paredes celulares, muchas de las células en los tejidos de los organismos pluricelulares se encuentran embebidas en una matriz extracelular constituida por proteínas secretadas y polisacáridos. La matriz extracelular rellena los espacios entre las células y une entre sí las células y los tejidos. Un tipo de matriz extracelular rí la lámina basal, previamente denominada membrana basal, sobre la que descansan las células epiteliales (Fig. 14.10). Además de sostener láminas de células epiteliales, la lámina basal rodea a las células musculares, células adiposas y nervios periféricos. La matriz extracelular, sin embargo, es más abundante en los tejidos conectivos. Por ejemplo, el tejido conectivo laxo
- 5. Elementos principales del ECM El “matriosoma central” 3 comprende aproximadamente 300 proteínas. Los componentes principales incluyen colágenos, proteoglicanos, elastina y glicoproteínas de unión a células, cada uno con propiedades físicas y bioquímicas distintas. El colágeno está compuesto por 3 cadenas α polipeptídicas que forman una estructura de triple hélice. En los vertebrados, 46 cadenas de colágeno distintas se ensamblan para formar 28 tipos de colágeno que se clasifican en colágenos formadores de fibrillas (p. ej., tipos I, II, III), colágenos formadores de redes (p. ej., el colágeno de la membrana basal tipo IV), colágenos asociados a fibrillas con interrupciones en sus triples hélices, o FACIT (p. ej., tipos IX, XII), y otros (p. ej., tipo VI). Los colágenos formadores de fibrillas contienen dominios continuos formadores de triple hélice flanqueados por dominios no colágenos amino y carboxilo terminales. Estos dominios no colágenos se eliminan proteolíticamente y se forman hélices triples que se asocian lateralmente en fibrillas. Las estructuras supramoleculares no fibrilares, como las redes de colágeno IV en las membranas basales y los filamentos en forma de cuentas, están formadas por colágenos no fibrilares. Los FACIT no se ensamblan formando fibrillas por sí solos, sino que están asociados con fibrillas de colágeno. Los residuos de prolina específicos en los colágenos son hidroxilados por la prolil 4-hidroxilasa y la prolil 3-hidroxilasa. Los residuos de lisina seleccionados también son hidroxilados por la lisil hidroxilasa. Los procolágenos fibrilares, tras su procesamiento, se secretan al espacio extracelular donde se eliminan sus propéptidos. Los colágenos resultantes luego se ensamblan en fibrillas mediante enlaces cruzados covalentes formados entre residuos de lisina de dos cadenas de colágeno mediante un proceso catalizado por la enzima extracelular lisil oxidasas (LOX). La columna vertebral de colágeno dicta la arquitectura, forma y organización del tejido. Los proteoglicanos consisten en una proteína central a la que están unidas cadenas laterales de glicosaminoglicanos (GAG). Los GAG son polisacáridos aniónicos lineales formados por unidades repetidas de disacáridos. Hay cuatro grupos de GAG: ácido hialurónico, sulfato de queratán; sulfato de condroitina/dermatán; y sulfato de heparán, incluida heparina. Todos, excepto el ácido hialurónico, están sulfatados. Las cadenas GAG altamente cargadas negativamente permiten a los proteoglicanos secuestrar agua y cationes divalentes, confiriendo funciones de lubricación y llenado de espacios. Los proteoglicanos secretados incluyen proteoglicanos grandes, como agrecano y versicano, proteoglicanos pequeños ricos en leucina, como decorina y lumicano, y proteoglicanos de membrana basal, como perlecano. Los sindecanos están asociados a la superficie celular, mientras que la serglicina es un proteoglicano intracelular. La diversidad molecular de los proteoglicanos proporciona una base estructural para una multitud de funciones biológicas. Por ejemplo, el agrecano en el cartílago genera elasticidad y alta resistencia biomecánica a la presión. Decorina y lumican tienen un papel regulador en el ensamblaje de fibrillas de colágeno. Los proteoglicanos también interactúan con factores de crecimiento y receptores de factores de crecimiento, y están implicados en la señalización celular 5 y en procesos biológicos, incluida la angiogénesis. La familia de las lamininas comprende alrededor de 20 glicoproteínas que se ensamblan en una red entrecruzada, entretejida con la red de colágeno tipo IV en las membranas basales. Son heterotrímeros (400 a 800 kDa) que constan de una cadena α, una β y una γ. En los vertebrados se han identificado cinco cadenas α, tres β y tres γ. Muchas lamininas se autoensamblan para formar redes que permanecen en estrecha asociación con las células mediante interacciones con receptores de la superficie celular. Las lamininas son esenciales para el desarrollo embrionario temprano y la organogénesis. La fibronectina es fundamental para la unión y migración de las células y funciona como "pegamento biológico". El monómero de fibronectina) está formado por subunidades que comprenden tres tipos de repeticiones: I, II y III. La fibronectina se secreta como dímeros unidos por enlaces disulfuro y tiene sitios de unión a otros dímeros de fibronectina, colágeno, heparina y receptores de la superficie celular. En la repetición FNIII10, hay un importante sitio de unión a células Arg-Gly-Asp. Los dímeros de fibronectina pueden formar multímeros. Con la deposición continua, las fibrillas se alargan y espesan y las fibrillas de fibronectina pueden procesarse aún más en una matriz insoluble en desoxicolato. La elastina imparte elasticidad al tejido sometido a estiramientos repetidos, como los vasos vasculares y el pulmón. Está codificado por un solo gen en los mamíferos y se secreta como un monómero de tropoelastina de 60 a 70 kDa. La tropoelastina, con la ayuda de fibulinas, se asocia con microfibrillas para formar fibras elásticas. Todas las tropoelastinas comparten una disposición de dominio característica de secuencias hidrofóbicas que se alternan con motivos de entrecruzamiento que contienen lisina. Las proteínas microfibrilares, las fibrilinas y la glicoproteína 1 asociada a microfibrillas, interactúan directamente con la elastina y son importantes para su nucleación y ensamblaje. 2 Una característica crucial de la fibra elástica, crítica para su función adecuada, es la extensa reticulación de la tropoelastina mediada por LOX, que oxida residuos selectivos de lisina en el enlace peptídico con alisina. Hay dos enlaces cruzados bifuncionales principales en la elastina: deshidrolisinonorleucina, formada a través de la condensación de un residuo de alisina y uno de lisina, y aldol de alisina, formado a través de la asociación de dos residuos de alisina. Estos dos enlaces cruzados pueden condensarse aún más entre sí, o con otros intermedios, para formar desmosina o isodesmosina. Los estudios de microscopía electrónica y de imágenes muestran que la tropoelastina se ensambla en pequeños agregados globulares en la superficie celular (microensamblaje). Comienza el entrecruzamiento que resulta en una pérdida de cargas positivas en la molécula, lo que permite la liberación de tropoelastina de la célula y favorece la fusión globular en presencia de microfibrillas (macroensamblaje). La fibulina-4 tiene un papel en las primeras etapas del ensamblaje de la elastina y la fibulina-5 actúa como puente de elastina entre la matriz y las células.
- 6. Receptores celulares para moléculas de ECM. Las moléculas de ECM se conectan a las células a través de integrinas, sindecanos y otros receptores. Las integrinas son receptores heterodiméricos compuestos por subunidades α y β. 9 En los vertebrados, la familia abarca 18 subunidades α y 8 β que pueden ensamblarse en 24 integrinas diferentes. Tanto las subunidades α como β son proteínas transmembrana con grandes dominios extracelulares modulares, hélices transmembrana únicas y regiones citoplasmáticas cortas que median las interacciones citoesqueléticas. Las integrinas se pueden agrupar en subgrupos según las propiedades de unión al ligando o según la composición de sus subunidades. Las principales integrinas de unión a la matriz son las integrinas β1 con afinidad por la fibronectina, los colágenos y las lamininas. Las integrinas funcionan como vínculos entre la MEC y el citoesqueleto. La activación de las integrinas por los ligandos de la matriz conduce a cambios conformacionales en las integrinas, exponiendo sus dominios citoplasmáticos a la unión de proteínas complejas focales como la quinasa de adhesión focal (FAK) y la quinasa ligada a integrinas (ILK). Sigue la agrupación de integrinas en la membrana y las proteínas intracelulares, incluidas la vinculina y la talina, junto con las fibras de estrés de actina, se ensamblan en complejos de adhesión focal. Posteriormente, las integrinas desencadenan cascadas de fosforilación e inician eventos de señalización, incluidas las vías Rho y MAP quinasa, para afectar la proliferación, diferenciación, polaridad, contractilidad y expresión genética celular en el llamado proceso de señalización "de afuera hacia adentro". Por el contrario, las señales intracelulares de proteínas como FAK, ILK y talina pueden inducir cambios en la conformación y activación de las integrinas que alteran su actividad de unión al ligando en la forma de señalización "de adentro hacia afuera". Por tanto, las integrinas actúan como un conducto bidireccional, transmitiendo señales y proporcionando conexiones entre los compartimentos intra y extracelulares. Remodelación y modulación de ECM. El ECM está en constante remodelación mediante el cual sus componentes se depositan, degradan o modifican. El entrecruzamiento intermolecular por LOX es una modificación postraduccional clave para los colágenos y la elastina. La reticulación expandida debido al exceso de actividad LOX aumenta la resistencia a la tracción del tejido y la rigidez de la matriz, afectando así el comportamiento celular. Los colágenos y otros elementos de la ECM son sustratos para las metaloproteinasas de matriz (MMP), una desintegrina y metaloproteasas (ADAM), ADAM con motivos de trombospondina (ADAMTS), así como proteasas como la catepsina G y la elastasa. 1 Las MMP se producen en formas precursoras y permanecen inactivas hasta que se activan. La mayoría de los 23 miembros de la familia de las MMP son secretadas, pero también existen MMP de tipo membrana. Sus actividades son contrarrestadas por inhibidores tisulares de MMP (TIMP) y otros inhibidores, y un desequilibrio puede provocar fibrosis tisular y enfermedades. 1 Además de las moléculas de la ECM, las MMP y otras también pueden escindir proteínas precursoras, liberar factores de crecimiento unidos a la ECM y liberar fragmentos bioactivos de las proteínas de la ECM con nuevas bioactividades, como la endostatina. Además del proceso de recambio, la MEC también está modulada por estímulos exógenos como citoquinas, glucocorticoides, estrés oxidativo, presión y estiramiento mecánico. La citoquina más estudiada es el factor de crecimiento transformante β (TGF-β), que se sabe que mejora la producción de ECM y regula positivamente los genes relacionados con la ECM. ECM como reservorio de moléculas bioactivas La MEC tiene la capacidad de almacenar y secuestrar factores de crecimiento y citocinas, estableciendo gradientes de concentración y regulando espacial y temporalmente su biodisponibilidad. En particular, la familia de factores de crecimiento de fibroblastos se une fuertemente a las cadenas de heparán sulfato de proteoglicanos como el perlecano. Los proteoglicanos de heparán sulfato también participan en la unión, el transporte y la activación de factores de control del desarrollo, incluidos los factores Wnt y hedgehog. La ECM es además un reservorio de fragmentos bioactivos liberados tras una proteólisis limitada. Estos fragmentos, con propiedades y actividades biológicas propias, regulan procesos fisiológicos y patológicos, incluida la angiogénesis. La ECM también puede participar en la maduración del ligando. El TGF-β, secretado en forma latente, se almacena en la ECM y permanece inactivo hasta que se activa mediante proteólisis dependiente de MMP. 1 ECM proporciona señales químicas y físicas Las propiedades bioquímicas de la MEC permiten a las células detectar e interactuar con su entorno extracelular utilizando diversas vías de transducción de señales. Las señales químicas las proporcionan los componentes de la ECM, especialmente las proteínas adhesivas como la fibronectina, los receptores de integrina y no integrina, así como los factores de crecimiento y las moléculas de señalización asociadas. Las interacciones con diferentes matrices a través de conjuntos específicos de receptores pueden desencadenar distintas respuestas celulares. La ECM funciona como una barrera física, un sitio de anclaje o una vía de movimiento para la migración celular. 1 Las propiedades físicas de la MEC, incluida su rigidez, densidad, porosidad, insolubilidad y topografía (disposición espacial y orientación), proporcionan señales físicas a las células. Las propiedades mecánicas son esencialmente detectadas por las integrinas que conectan la ECM extracelular con el citoesqueleto de actina dentro de las células. Las matrices rígidas inducen agrupación de integrinas, adherencias focales robustas, activación de Rho y MAP quinasa, lo que conduce a una mayor proliferación y contractilidad. 1 La rigidez de la matriz también regula la diferenciación. Por ejemplo, en matrices blandas, las células madre mesenquimales favorecen una vía neurogénica y en las rígidas favorecen una vía osteogénica.