Matriz extracelular

Matriz extracelular en tejidos animales

La mayoría de las células de los organismos pluricelulares están en contacto con una compleja trama de macromoléculas extracelulares que constituyen la sustancia o matriz extracelular.

Macromoléculas de matriz extracelular. Karp,2005

Estas moléculas son proteínas y polisacáridos que se segregan de forma local y se ensamblan formando una trama organizada en el espacio extracelular de la mayoría de los tejidos. Además forman estructuras altamente especializadas como el cartílago, tendones, láminas basales, huesos y dientes. Las macromoléculas que constituyen la matriz extracelular están segregadas por células locales, especialmente fibroblastos, distribuidos en la matriz. Otras formas especializadas de la matriz como el cartílago y el hueso, son segregadas por los condroblastos y osteoblastos respectivamente. Entre sus diversas funciones las proteínas de Matriz extracelular sirven como andamios, vigas, cables y pegamentos celulares.

En la matriz extracelular se distinguen dos componentes principales: las fibras (que brindan resistencia tensil y elasticidad) y la sustancia básica, polisacáridos Glucosaminoglucanos (GAG), que suelen estar unidos covalentemente a proteínas formando los Proteoglucanos (PG) y glucoproteínas de adhesión. Las moléculas de GAG y PG forman una “sustancia fundamental” gelatinosa, hidratada en la que están incluidas las fibras de colágena. Las fibras son de tres tipos colágenas, elásticas y reticulares. La sustancia básica está compuesta por glucosaminoglucanos, proteoglucanos y glucoproteínas de adhesión.

Colágena:

Es la proteína de matriz extracelular más estudiada, los grandes acúmulos de fibras de colágena parecen de color blanco resplandeciente en el individuo que está vivo. Las largas fibras de colágena: refuerzan y contribuyen a organizar la matriz, la fase acuosa del gel polisacárido permite la difusión de nutrientes, metabolitos y hormonas entre sangre y tejidos. Las fibras colágenas constituyen una familia de proteínas fibrosas que se encuentran en todos los animales pluricelulares. Son las proteínas más abundantes en los mamíferos con aproximadamente el 25% de presencia. El rasgo principal de todas las moléculas de colágena es su rígida estructura helicoidal de 3 hebras. Se trata de 3 cadenas polipeptídicas de colágena denominadas “ cadenas α” que están enrolladas entre si formando una hélice regular, la cual constituye una molécula de colágena, en forma de cuerda de aproximadamente 300 nm de largo y 1,5 nm de diámetro.

Tipos de colágena

I: El tipo más frecuente forma fibras gruesas y se encuentra en el tejido conectivo propiamente
dicho, hueso, diente (dentina y cemento).
II: Forma fibras más delgadas y se encuentra casi exclusivamente en las matrices de los cartílagos hialino y elástico.
III: Se conocen también como fibras reticulares porque se creía que difería de la colágena. En la
actualidad se sabe que la fibra reticular es un tipo de colágena que se glucosila en grado elevado y forma fibras delgadas o redes. Se encuentran como un reticulado fino muy relacionado con las
células. Rodean a los adipocitos, a las células del músculo liso, se encuentran por debajo del
endotelio de los capilares a los que dan cierta rigidez. Forman el retículo del tejido linfoide y de la
médula ósea y rodean a las células parenquimatosas de las glándulas.
IV: Forma una red de moléculas de procolágeno que están agregados unos contra otros para formar un tapete de sostén de la lámina basal (rodea células musculares y adiposas, se encuentra bajos los epitelios y recubre los vasos sanguíneos).
V: Forma fibrillas muy delgadas, posee periodicidad de 67 nm. Se encuentra relacionada con la
colágena del tipo I.
VII: Forma pequeños agregados conocidos como fibrillas de fijación, que sujetan a la lámina basal los haces de fibras de colágena de los tipos I y III subyacentes.

Biosíntesis de colágena

Histología virtual: http://virtualhistology.wordpress.com/2009/09/29/matriz-extracelular/

Las cadenas polipeptídicas de la colágena se sintetizan en ribosomas unidos a membrana y se inyectan en el lumen del retículo endoplásmico en forma de grandes precursores denominados procadenas alfa. Estos precursores presentan no solo el “polipéptido de señal” necesario para trasportar las proteínas segregadas a través de la membrana del retículo endoplásmico sino también otros aminonoácidos en sus extremos amino y carboxilo terminal denominados péptidos de extensión. En el lumen del retículo endoplásmico la procadena α se combina con otras 2 formando una molécula helicoidal de 3 hebras estabilizadas por enlaces de H. Los péptidos de extensión, guian la formación de la triple helice y pueden serlo también en el empaquetamiento de las moléculas de procolágena con otras macromoléculas de la matriz, proceso que se produce dentro de la célula antes de la secreción.

Las cadenas α de colágena son extremadamente ricas en glicina y en prolina, aminoácidos que son importantes para la formación de una triple hélice estable. La glicina es el único aminoácido que es suficientemente pequeño para ocupar el abarrotado interior de la triple hélice de colágena y en la mayoría de las regiones de la cadena α constituye un residuo de tres. Algunos de los residuos de prolina (y de lisina) se hidroxilan en el retículo endoplásmico antes que las procadenas α se asocien formando las moléculas de triple hebra de procolágena. Los grupos hidroxilo de los residuos de hidroxiprolina forman enlaces de H entre las cadenas que contribuyen a estabilizar la triple hélice (Condiciones que impiden la hidroxilación de la prolina, deficiencias de O, Fe, ácido ascorbico (Vitamina C), inhiben la formación de la hélice de procolágena.

Tras su secreción al espacio extracelular, las moléculas de colágena se ensamblan en polímeros ordenados denominados Fibrillas de colágena que son largas estructuras (de hasta muchos μm) finas ( de 10 a 300 nm de diámetro) en forma de cuerda. A menudo estas fibrillas están agrupadas en haces mayores formando fibras de colágena de varios μm de diámetro.

Fibras de elastina

Las fibras elásticas se encuentran estructuradas por elastina, suelen ser más delgadas, largas y ramificadas en el tejido conectivo laxo, pero pueden formar haces más densos en los ligamentos y en las láminas fenestradas. Las fibras elásticas frescas tienen un color amarillento solo observable cuando se encuentran en grandes cantidades o son gruesas, por ejemplo en las bandas elásticas de la columna vertebral. En los ligamentos elásticos las fibras están dispuestas paralelamente y son más gruesas que en el tejido conectivo laxo, con un diámetro de 5 a 15 μm. Además la elastina se presenta también como membranas por ejemplo en las paredes arteriales. Las fibras elásticas son elaboradas por los fibroblastos y por las células musculares lisas de los vasos sanguíneos.

Para poder desempeñar su función, tejidos como la piel, los vasos sanguineos y los pulmones requieren elasticidad ademas de resistencia a la tracción. Una extensa red de fibras elásticas en la matriz extracelular de estos tejidos les proporciona la capacidad necesaria de recuperarse tras una distensión transitoria, al igual que la colágena es rica en prolina y en glicina pero que a diferencia de la colágena, contiene muy poca hidroxiprolina y nada de hidroxilisina y también contiene los aminoácidos, poco frecuentes, desmosina e isodesmosina. Estos dos aminoácidos forman un enlace cruzado considerable de las moléculas de elastina, e imparten un grado elevado de elasticidad a las fibras elásticas al grado de que estas fibras pueden estirarse hasta cerca de 150% de sus longitudes en reposo antes de romperse. Después del estiramiento vuelven a su longitud en reposo.

El centro de fibras elásticas está compuesto por elastina y está rodeado por una vaina de microfibrillaa, que tienen un diámetro aproximado de 120 nm y está compuesta por la glucoproteína fibrilina. Durante la formación de fibras elásticas, primero se elaboran las microfibrillas y a continuación se deposita elastina en el espacio rodeado por las microfibrillas. Las moléculas de elastina se segregan al espacio extracelular donde forman filamentos y capas en
los que las moléculas de elastina presentan un gran número de puentes cruzados entre ellas, dando lugar a una extensa red.

Glucosaminoglicanos (GAG)

Los GAG, anteriormente conocidos como mucopolisacáridos, son largas cadenas de polisacáridos no ramificadas, compuestas por unidades repetidas de disacáridos. Actualmente reciben el nombre de GAG debido a que uno de los 2 residuos de azucar del disacárido repetido siempre es una aminoazúcar (N-acetilglicosamina o N-acetilgalactosamina). El otro típicamente un ácido urónico (idurónico-glucurónico).Los GAG tienen una intensa carga negativa debido a la presencia en muchos de los residuos de azúcar de grupos carboxilo. Se han diferenciado 7 grupos de GAG según sus residuos y el número y localización de los grupos sulfato.

1. Ácido hialurónico (es el único en que ninguno de sus azícares está sulfatado).
2. Condroitín-4-sulfato
3. Condroitín-6-sulfato
4. Dermatan sulfato
5. Heparan sulfato
6. Heparina
7. Queratan sulfato

El ácido hialurónico se presenta como una única cadena muy larga de carbohidrato, de varios miles de residuos de azúcar y que presenta una secuencia regular, repetida de unidades de disacárido.

Proteoglucanos (PG)

Los PG son un complejo conformado por proteínas y polisacáridos, pueden ser de diversos tamaños y varian entre unos 5000 daltons hasta cerca de 3 millones de daltons. Tienen una heterogeneidad potencial casi ilimitada. Pueden diferir notablemente en contenido proteico, en tamaño molecular, en número y tipos de cadenas de GAG por molécula. Los centros proteínicos de los PG se elaboran en el RER y los grupos GAG se enlazan de manera covalente con la proteína en el AG. Suelen contener hasta un 90% y un 95% en peso de carbohidratos en forma de numerosas cadenas de GAG largas, no ramificadas y por lo general sin ácido siálico.

Muchos PG en especial el agrecan, molécula que se encuentra en el cartílago y en el tejido conectivo propiamente dicho, están unidos con ácido hialurónico. El modo de inserción incluye proteínas de enlace junto con la proteína central del agrecan, asi como con los grupos azúcares de los ácidos hialurónicos. Como el ácido hialurónico puede tener 20 μm de longitud, el resultado de esta asociación es un compuesto de agrecan que ocupa un volumen gigantesco (puede tener una masa molecular de varios cientos de millones de daltons). Esta inmensa molécula es la encargada de producir el estado de gel de la matriz extracelular y actúa como una barrera contra la difusión rápida de los depósitos acuosos.

Funciones de los PG:
- Las cadenas de GAG tienden a adoptar conformaciones enrolladas al azar muy extendidas y a ocupar un volumen inmenso para su masa. Al ser muy hidrofílicas atraen grandes cantidades de agua, formando asi geles hidratados incluso a concentraciones muy bajas. Esta tendencia está notablemente incrementadas por su elevada densidad de cargas negativas que atraen a cationes osmoticamente activos. Esta propiedad de atraer el agua genera una presión de hinchamiento o turgencia en la matriz extracelular, que resiste a las fuerzas de compresión (a diferencia de las fibrillas de colágena que resisten a las fuerzas de tracción).
- Debido a su organización porosa e hidratada, las cadenas de GAG permiten la rápida difusión de
las moléculas hidrosolubles, la migración de células y el desarrollo de procesos celulares.

- Llenan eficazmente el espacio extracelular, a pesar de que la cantidad de GAG del tejido conectivo es inferior al 10% en peso de la cantidad de proteínas fibrosas (colágena y elastina).
- El ácido hialurónico tiene una función especial en los tejidos a través de los que migran las células durante el desarrollo o la reparación de heridas. No solo se produce en grandes cantidades en estos tejidos sino que además su degradación por medio de la enzima hialuronidasa esta asociada con el cese de la migración celular.
- Los PG poseen también sitios de fijación para ciertas moléculas de señalamiento como el factor β de transformación del crecimiento (TGF-β). Al fijarse a estas moléculas de señalamiento, los PG pueden impedir su función al evitar que las moléculas lleguen a sus destinos o incrementarlas al concentrarlas en una localización específica.

Glucoproteínas de Adhesión

La capacidad de las células para adherirse a los componentes de la matriz extracelular se encuentra mediada, en gran medida por las glucoproteínas de adhesión. Estas grandes macromoléculas tienen varios dominios, uno de los cuales por lo menos suele fijarse a las proteínas de la superficie celular llamadas Integrinas, uno a las fibras de colágena y uno más a los PG. De esta manera, las glucoproteínas de adhesión comprimen a los diversos componentes de los tejidos entre si. Los tipos principales de PG son:

1. Fibronectina: Gran dímero compuesto por dos subunidades polipeptídicas similares, c/u de
cerca de 220000 daltons, unidas entre sí por sus extremos carboxilo mediante enlaces disulfúricos. Se sintetiza principalmente en los fibroblastos. Marca las vias migratorias de las células embrionarias, de modo que las células del organismo en desarrollo que están emigrando pueden llegar a su destino.

2. Laminina: Glucoproteína muy grande 950000 daltons compuesta por 3 cadenas polipeptídicas de gran tamaño A, B1 y B2. Las cadenas B se envuelven alrededor de las cadenas A y se mantienen en su posición por puentes disulfuro. La laminina se localiza casi estrictamente en la
lámina basal. tiene sitios de fijación para heparan sulfato, colágena tipo IV, entactina y membrana celular.

3. Entactina: Se fija a la molécula de laminina en el sitio en que se unen entre si los 3 brazos cortos de esa molécula, también lo hace a la colágena de tipo IV y por tanto facilita la fijación de la laminina a la red de colágena.

4. Tenascina: Es una gran glucoproteína compuesta por 6 cadenas polipeptídicas que se conservan unidas entre si por enlaces disulfúricos. Tiene sitios de fijación para los sindecanes y fibronectina. Se ubica en el tejido embrionario.

5. Condronectina y Osteonectina: son semejantes a la fibronectina. La primera tiene sitios de fijación para colágena tipo II, condroitin sulfatos, ácido hialurónico e integrinas de condroblastos y condrocitos.La segunda posee dominios para colágena tipo I, PG e integrinas de osteoblastos y osteocitos. Facilita la fijación de cristales calcicos de hidroxiapatita a la colágena de tipo I en el hueso


Karp Gerald. Biología celular y molecular. 4ª. Ed.México: McGraw-Hill Interamericana Editores; 2005