La matriz extracelular (MEC) es una entidad estructuralmente compleja que rodea y soporta las células que se encuentran en los tejidos de los mamíferos. La MEC también es comúnmente conocida como tejido conectivo. La MEC está compuesta principalmente de 3 clases de moléculas:
1. Proteínas Estructurales: colágeno y elastina.
2. Proteínas Especializadas: e.j. Fibrilina, fibronectina y laminina.
3. Proteoglicanos: estos están compuestos de una proteína centrala la cual se unen cadenas largas de unidades de disacáridos repetitivos llamados glicosaminoglicanos (GAGs) formando así compuestos complejos de alto peso molecular que conforman la MEC. Los proteoglicanos se describen en la sección de Glicosaminoglicanos y Proteoglicanos.
Los colágenos son las proteínas más abundantes del reino animal al igual que la proteína más importante de la MEC. Existen al menos 30 diferentes genes de colágeno dispersos en el genoma humano. Estos 30 genes generan una serie de proteínas que se combinan de varias formas para crear 20 diferentes tipos de fibrillas de colágeno. Los tipos de colágeno I, II y III son los más abundantes y forman fibrillas de estructura similares. El colágeno tipo IV forma un retículo bidimensional y es el componente principal de la lámina basal de los epitelios. Los colágenos son predominantemente sintetizados por los fibroblastos pero las células epiteliales también sintetizan estas proteínas.
La estructura fundamental más alta de los colágenos es una proteína larga, tubular y de diámetro pequeño. El colágeno tipo I, por ejemplo, tiene 300nm de longitud, 1.5nm de diámetro y consiste en 3 subunidades enrolladas, dos cadenas α1 (I) y una cadena α2 (I). Cada cadena consiste de 1050 amino ácidos característicamente enrollados entre sí en una hélice triple con rotación hacia la derecha. Existen 3 amino ácidos por cada vuelta de la hélice y cada tercer amino ácido es una G. Los colágenos también son ricos en prolina e hidroxiprolina. Los anillos de pirrolidona gruesos y compuestos de prolina se ubican por fuera de la triple hélice.
Las interacciones laterales de las triples hélices de colágeno resultan en la formación de fibrillas de aproximadamente 50nm de diámetro. El empaquetamiento de colágeno es tal que las moléculas adyacentes están desplazadas aproximadamente ¼ de su longitud (67nm). Esta organización intercalada produce un efecto estriado que puede ser observado bajo un microscopio electrónico.
Los procolágenos son proteínas precursoras utilizadas para sintetizar los colágenos. Los procolágenos tipo I contienen unos 150 amino ácidos adicionales en la N-terminal y 250 adicionales en la C-terminal. Estos pro-dominios son globulares y forman múltiples puentes de disulfuro entre sus cadenas. Estos puentes de disulfuro estabilizan a la proproteína y permiten que se forme la triple hélice.
Las fibras de colágeno empiezan a ensamblarse en el RE y en los complejos de Golgi. La secuencia de señalización es removida y se realizan varias modificaciones en las cadenas de colágeno. Igualmente, ciertos residuos de prolina son hidroxilados por la prolil 4-hidroxilasa y prolil 3-hidroxilasa y ciertos residuos de lisina también son hidroxilados por la lisil hidroxilasa. Las dos prolil hidroxilasas son absolutamente dependientes de la vitamina C como co-factor. La glicosilación de tipo de unión-O también ocurre durante su transporte a través del complejo de Golgi. Luego de la finalización de su procesamiento, los procolágenos son secretados hacia el espacio extracelular en donde las enzimas extracelulares remueven los prodominios. Las moléculas de colágeno entonces prosiguen a polimerizarse para formar fibrillas de colágeno. Al mismo tiempo que se forman las fibrillas se da la oxidación de ciertos residuos de lisina por la lisil oxidasa, una enzima extracelular, y así formando aldehídos reactivos. Esos aldehídos reactivos forman uniones cruzadas entre dos cadenas y de ese modo estabilizan la estructura intercalada de las fibrillas de colágeno.
La tabla a continuación enumera las características de los 12 tipos más comunes de fibrillas de colágeno. Como se ha establecido previamente, existen al menos 20 diferentes tipos de fibrillas de colágeno en diversas MECs en el organismo.
Tipos de Colágeno
| Tipo | Composición de la Cadena | Símbolo(s) del Gen | Detalles Estructurales | Localización |
| I | [α1(I)]2[α(I)] | COL1A1, COL1A2 | 300nm, 67nm fibrillas en banda | piel, tendón, hueso, etc. |
| II | [α1(II)]3 | COL2A1 | 300nm, pequeñas 67nm fibrillas | cartílago, humor vítreo |
| III | [α1(III)]3 | COL3A1 | 300nm, pequeñas 67nm fibrillas | piel, músculo, frecuentemente con tipo I |
| IV | [α1(IV)2[α2(IV)] | COL4A1 por COL4A6 | 390nm dominio globular C-terminal, no fibrilar | toda la lámina basal |
| V | [α1(V)][α2(V)][α3(V)] | COL5A1, COL5A2, COL5A3 | 390nm dominio globular N-terminal, fibras pequeñas | mayoría de tejido intersticial, assoc. con tipo I |
| VI | [α1(VI)][α2(VI)][α3(VI)] | COL6A1, COL6A2, COL6A3 | 150nm, N+C term. Dominios globulares, microfibrillas, 100nm fibrillas en banda | mayoría de tejido intersticial, assoc. con tipo I |
| VII | [α1(VII)]3 | COL7A1 | 450nm, dímero | epitelio |
| VIII | [α1(VIII)]3 | COL8A1, COL8A2 | algunas células endoteliales | |
| IX | [α1(IX)][α2(IX)][α3(IX)] | COL9A1, COL9A2, COL9A3 | 200nm, dominio globular N-term. unido a proteoglicano | cartílago, assoc. con tipo II |
| X | [α1(X)]3 | COL10A1 | 150nm, dominio globular C-term. | cartílago hipertrófico y mineralizante |
| XI | [α1(XI)][α2(XI)][α3(XI)] | COL11A1, COL11A2 | 300nm, fibras pequeñas | cartílago |
| XII | α1(XII) | COL12A1 | interactúa con tipo I y III |
Importancia Clínica de las Alteraciones del Colágeno
Los colágenos son las proteínas más abundantes del cuerpo. Las alteraciones en la estructura del colágeno debidas a genes anormales o a un procesamiento anormal de las proteínas del colágeno resultan en varias enfermedades, por ejemplo, el síndrome Alport, síndrome de Larsen y varias condro-displasias al igual que otros síndromes asociados a la osteogénesis imperfecta y el síndrome de Ehlers-Danlos.
El síndrome de Ehlers-Danlos (SED) se asocia con al menos diez diferentes desordenes que son clínica y bioquímicamente distintos, sin embargo, todos manifiestan debilidad estructural en el tejido conectivo como resultado de los defectos en la estructura de los colágenos. La osteogénesis imperfecta (OI) también abarca más de un desorden. Se han identificado por lo menos cuatro desórdenes clínica y bioquímicamente distintos y se los clasifica como tipo I (moderado), tipo II (perinatal letal), tipo III (deformante) y tipo IV (moderado deformante). Los cuatro tipos se caracterizan por múltiples fracturas y consecuentemente deformaciones óseas.
El síndrome de Marfan (SMF) se manifiesta como un desorden del tejido conectivo y se creía que era el resultado de colágenos anormales. Sin embargo, existe evidencia reciente que sugiere que el SMF es el resultado de mutaciones en la proteína extracelular, fibrilina, la cual es un constituyente integral de las microfibrillas no-colagenosas de la matriz extracelular.
Fibronectina
El papel de las fibronectina consiste en unir las células a una variedad de matrices extracelulares. La fibronectina une las células a todas las matrices excepto la del tipo IV que involucra a la laminina como la molécula de adhesión. Las fibronectinas son dímeros de 2 péptidos similares. Cada cadena mide 60–70nm de longitud y 2-3nm de grosor. Al menos 20 diferentes cadenas de fibronectina han sido identificadas que surgen del procesamiento alternativo "splicing" del RNA de la copia primaria de un sólo gen de la fibronectina.
Las fibronectinas contienen por lo menos 6 dominios doblados estrechamente cada uno con una alta afinidad por un diferente sustrato, como por ejemplo, heparan sulfato, colágeno (dominios separados para los tipo I, II y III), fibrina y receptores de superficie. El dominio de unión de receptores en la superficie celular contiene siempre la misma secuencia de amino ácidos, RGDS.
Laminina
Todas las láminas basales contienen un mismo grupo de proteínas determinadas y GAGs. Estas son el colágeno tipo IV, proteoglicanos de heparan sulfato, entactina y laminina. A la lámina basal se la llama frecuentemente matriz tipo IV. Todos los componentes de la lámina basal son sintetizados por las células que yacen sobre ésta. La laminina une las superficies celulares a la lámina basal.
Tipos de Matrices más Representativas Producidas por Células de los Vertebrados
| Colágeno | Proteína de Anclaje | Proteoglicano | Receptor en la Superficie Celular | Células |
| I | fibronectina | sulfatos de condroitina y dermatan | integrina | fibroblastos |
| II | fibronectina | chondroitina sulfato | integrina | condrocitos |
| III | fibronectina | heparan sulfato y heparina | integrina | hepatocitos inactivos, epiteliales; assoc. A fibroblastos |
| IV | laminina | heparan sulfato y heparina | receptores de laminina | todas las células epiteliales, células endoteliales, hepatocitos regenerativos |
| V | fibronectina | heparan sulfato y heparina | integrina | fibroblastos inactivos |
| VI | fibronectina | heparan sulfato | integrina | fibroblastos inactivos |
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 la denominamos matriz extracelular. La matriz extracelular es un entramado de moléculas, proteínas y carbohidratos que se disponen en el espacio intercelular y que es sintetizado y secretado por las propias células.
La matriz extracelular es un invento de los organismos pluricelulares. Es esencial para mantener a las células unidas puesto que permite la adhesión de las células para formar tejidos. Pero con el tiempo ha adquirido muchas más funciones: aporta propiedades mecánicas a los tejidos (tanto en animales como en vegetales), mantiene la forma celular, permite la comunicación intercelular, forma sendas por las que se mueven las células, modula la diferenciación y la fisiología celular, secuestra factores de crecimiento, etcétera. La cantidad, la composición y la disposición de la matriz extracelular depende del tipo de tejido considerado. Hay algunos como el epitelial y el nervioso que tienen muy poca matriz extracelular, mientras que en otros, como el tejido conectivo propiamente dicho, el cartílago o el hueso, es el elemento más importante en volumen. La composición molecular de la matriz extracelular es típica de cada tejido y sus componentes son renovados continuamente por las células que la producen. Esto supone que la matriz extracelular está en constante renovación.
Las células interaccionan con la matriz celular mediante proteínas transmembrana, principalmente las integrinas, las cuales se adhieren o reconocen a moléculas de la matriz extracelular.
En los tejidos vegetales la pared celular se puede considerar, aunque no siempre hay acuerdo, como una matriz extracelular especializada con unas características muy diferentes a la de los tejidos animales. Su papel es crucial para dar rigidez a las células y por extensión a la planta, es una barrera a la permeabilidad y protege frente a las agresiones de patógenos o mecánicas, entre otras funciones.
En esta imagen se presentan ejemplos de distintos tipos de matrices extracelulares teñidas con diferentes colorantes. Los asteriscos señalan la matriz extracelular. A) Cartílago hialino, B) Matriz ósea compacta. C) Conectivo denso regular (tendón). D) Conectivo gelatinoso del cordón umbilical. E) Paredes celulares del sistema vascular de un tallo de una planta. F) Células epiteliales. Obsérvese que prácticamente no hay sustancia intercelular. G) Imagen de microscopía electrónica del tejido nervioso donde prácticamente no existe matriz extracelular.
Esquema de las principales moléculas que aparecen en la matriz extracelular de un tejido conectivo.
Las principales macromoléculas que componen la matriz extracelular son: proteínas estructurales como el colágeno y la elastina, glicosaminoglucanos,proteoglicanos y glicoproteínas. Todas ellas se encuentran en un medio acuoso junto con otras moléculas de menor tamaño, además de iones. Es la cantidad, la proporción y el tipo de cada una de estas macromoléculas lo que distingue a unas matrices extracelulares de otras.
Imagen de microscopía electrónica de barrido de la matriz extracelular de la submucosa del digestivo Las cintas largas son fibras de colágeno.
La matriz extracelular está formada principalmente por proteínas, glicosaminoglicanos, proteoglicanos y glicoproteínas, organizados en entramados diversos que constituyen las diferentes matrices extracelulares de los distintos tejidos. Las proteínas más abundantes son el colágeno y la elastina.
Colágeno
Se denomina colágeno a una familia de proteínas muy abundante en los animales, pudiendo representar del 25 al 30 % de todas las proteínas corporales. Tradicionalmente se ha usado el colágeno para fabricar pegamentos y colas, de ahí su nombre. En los vertebrados hay más de 40 genes que sintetizan unas cadenas de aminoácidos denominadas cadenas alfa, las cuales se asocian de tres en tres para formar hasta 28 tipos de moléculas de colágeno diferentes. Su principal misión es crear un armazón que hace de sostén a los tejidos y que resiste las fuerzas de tensión mecánica. Actúa como las barras de acero que refuerzan el hormigón en los edificios. La organización de las moléculas de colágeno en estructuras macromoleculares tridimensionales es variada, pudiendo formar haces, matrices, etcétera. Las células se "agarran" a las moléculas de colágeno mediante diversas proteínas de adhesión como las integrinas, inmunoglobulinas, anexinas, etcétera.
Las moléculas de colágeno se caracterizan por:
a) Una composición poco frecuente de aminoácidos. En las moléculas de colágeno abunda el aminoácido glicina, que es muy común, y otros menos comunes como la prolina e hidroxiprolina. La glicina se repite cada 3 aminoácidos (...-Gly - x - y - Gly - x - y -...), donde x e y suelen ser prolina e hidroxiprolina, respectivamente. Esta secuencia repetida de glicina es la que permite la disposición en hélice levógira de las cadenas α, debido al pequeño tamaño de este aminoácido.
Fibras de colágeno en la matriz extracelular del tubo digestivo. Microscopía electrónica de barrido.
Fibras de colágeno de la dermis.Tinción: tricrómico de Masson.
Fibras de colágeno en la matriz extracelular del tubo digestivo. Microscopía electrónica de trasnmisión.
b) Pueden organizarse formando fibras, mallas o especializarse en formar uniones entre moléculas. Todo ello depende de la composición química de sus subunidades α y de los tipos de subunidades que lo formen (ver tabla).
Forman fibras. Son las más abundantes de todas las formas de colágeno y están formadas por repeticiones de moléculas de colágeno, tres cadenas α arrolladas en forma de triple hélice dextrógira que forman las unidades repetidas. De los colágenos que forman fibras el más frecuente es el tipo I, que abunda en huesos, cartílago y piel, y que representa el 90 % de todo el colágeno del organismo. Otros tipos abundantes son el II, presente en el cartílago hialino, y el III, que abunda en la piel y en los vasos sanguíneos.
Forman mallas. Estos tipos de colágeno suelen organizarse en entramados moleculares que forman láminas. Se encuentran rodeando los órganos o formando la base de los epitelios. Entre éstos se encuentra el colágenotipo IV que abunda en la lámina basal, localizada entre el epitelio y el tejido conectivo.
Establecen conexiones. Forman puentes de unión entre moléculas de la matriz extracelular y el colágeno fibrilar o el colágeno que forma mallas. Por ejemplo, el colágeno tipo IX forma uniones entre los glicosaminoglicanos y las fibras de colágeno tipo II.
Esquema de la síntesis de las fibras de colágeno.
También existen moléculas de colágeno que poseen secuencias de aminoácidos hidrofóbicos y que se encuentran como moléculas transmembrana. Es el caso del colágeno tipo XIII y el tipo XVII. El colágeno tipo XVII forma parte de la estructura de los hemidesmosomas.
Independientemente del tipo, la síntesis de la moléculas de colágeno ocurre en forma de precursor. El colágeno se sintetiza en el interior celular en forma de procolágeno. En primer lugar se sintetizan las cadenas α inmaduras en el retículo, donde son modificadas (hidroxiladas y glucosidadas). Aquí se asocian las cadenas α de 3 en 3 mediante puentes de hidrógeno, para formar las moléculas de procolágeno. Éstas son reconocidas por receptores transmembrana y empaquetado en vesículas recubiertas por COPII. Estas vesículas han de ser especiales puesto que las moléculas de procolágeno son como varillas rígidas de unos 400 nm (las vesículas típicas COPII miden entre 60 y 90 nm). El procolágeno pasa por el aparato de Golgi, desde donde es exocitado al exterior celular. Durante, o tras la liberación, sufre una acción enzimática que elimina una secuencias terminales de cada cadena α, transformando el procolágeno en colágeno. Estas secuencias terminales impiden que el procolágeno se ensamble espontáneamente en el interior celular. Las moléculas de colágeno, sin cadenas terminales, se ensamblan automáticamente para formar las fibrillas de colágeno, que a su vez se unen para formar las fibras de colágeno (ver figura).
Imagen obtenida con un microscopio electrónico de transmisión a partir de tejido conectivo de un invertebrado marino, la oreja de mar. Con los asteriscos negros se indica el colágeno ya ensamblado en el exterior celular, mientras que con los asteriscos blancos las grandes vesículas intracelulares llenas de moléculas de procolágeno. La flecha blanca indica un posible punto de liberación de las moléculas de procolágeno al espacio extracelular.
El colágeno se sintetiza principalmente por fibroblastos, miofibroblastos, osteoblastos y condrocitos. Algunas moléculas de colágeno son también sintetizadas por otros tipos celulares tales como las epiteliales.
Elastina
Fibras de elastina del tejido conectivo
Es una proteína abundante en muchas matrices extracelulares y aparece como un componente de las denominadas fibras elásticas, las cuales son agregados insolubles de proteínas. Al contrario que las fibras de colágeno, las fibras elásticas tienen la capacidad de estirarseen respuesta a las tensiones mecánicas y de contraerse para recuperar su longitud inicial en reposo. La elasticidad de nuestros tejidos depende de las fibras elásticas. Se encuentran sobre todo en la dermis, en las paredes de las arterias, en el cartílago elástico y en el tejido conectivo de los pulmones. Además de la elastina, que representa el 90 %, las fibras elásticas están formadas por las denominadas microfibrillas de fibrilina y por otras glicoproteínas y proteoglicanos en menor proporción. Otras funciones de las fibras elásticas son aportar sostén a los tejidos o regular la actividad de los factores de crecimiento TGF-β mediado por la fibrilina.
Esquema de una porción de una fibra de elastina. Las moléculas de elastina están unidas entre sí mediante enlaces entre las regiones ricas en el aminoácido lisina (Modificado de Kielty 2007).
La elastina posee una larga cadena de aminoácidos en la que hay numerosas secuencias con aminoácidos hidrófobos, separadas por otras secuencias que contienen parejas de glicinas y otros aminoácidos pequeños como la lisina. Esta composición de aminoácidos es la que confiere las propiedades elásticas, puesto que los aminoácidos hidrófobos permiten la disposición en estructuras arrolladas y la lisinala formación de α-hélices. Los aminoácidos no hidrófobos son los puntos donde se enlanzan dos moléculas de elastina próximas. La elastina parece ser una invención de los vertebrados, puesto que no se ha encontrado en invertebrados.
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