III.Matriz extracelular e interaciones celula-matriz

Consideraciones generales.

Las células crecen, se desplazan y se diferencian manteniendo un íntimo contacto con la ECM. La matriz influye decisivamente en estas funciones celulares. La ECM es secretada localmente y se incorpora a la trama que se encuentra en los espacios intercelulares. Forma una proporción considerable de la masa de cualquier tejido y consta de macromoléculas situadas fuera de las células. Las proteínas de la matriz retienen moléculas de agua para dar turgencia a los tejidos blandos, o de sustancias minerales capaces de dar rigidez a los tejidos esqueléticos y forman un reservorio para los factores del crecimiento que regulan la proliferación celular. La ECM también proporciona un sustrato para que las células se adhieran, emigren y proliferen, y puede influir directamente sobre la forma y el funcionamiento de las células. La degradación de la ECM acompaña a la morfogénesis y a la curación de las heridas, así como a la invasión por un tumor y sus metástasis. La formación de la ECM implica la asociación física de tres clases de macromoléculas:

proteínas estructurales fibrosas, como las de colágeno y las elastinas

glucoproteínas de adhesión, que comprende a la fibronectina y la laminina

un gel de proteoglicanos y hialuronano

Estas macromoleculas se reúnen formando dos estructuras: la matriz intersticial y la BM (membrana basal). La matriz intersticial ocupa los espacios situados entre las células epiteliales, endoteliales y musculares lisas, y en el tejido conjuntivo. Está formada por colágeno fibrilar (I, III, V) y no fibrilar, elastina, fibronectina, proteoglucanos, hialuronato y otros componentes. Las BM son fabricadas por las células epiteliales y mesenquimatosas, y están íntimamente asociadas a la superficie celular. Constande una red de colágeno amorfo sin fibrillas (IV), laminina, heparán sulfato, proteoglucanos y otras glucoproteínas.

Colágeno

Los colágenos están formados por una triple espiral de cadenas α de tres polipéptidos, que tienen una secuencia repetida de glu-x-y. Se conocen unas 14 clases distintas de colágeno (Tabla). Los tipos I, II y III son los colágenos intersticiales o fibrilares, que son los más abundantes. Los tipos IV, V y VI son formas no fibrilares (o amorfas) y se encuentran en el tejido intersticial y en las BM.

Las cadenas a se sintetizan en los ribosomas y sufren varias modificaciones enzimáticas, como la hidroxilación de los residuos de prolina y lisina, formándose colágeno con un contenido elevado en hidroxiprolina. La hidroxilación del propéptido del colágeno requiere vitamina C, lo que explica la insuficiente curación de heridas que se observa en situaciones de carencia de vitamina C (escorbuto). A continuación las cadenas de procolágeno se alinean y forman la triple espiral. En esta fase, la molécula de procolágeno aún es soluble y contiene propéptidos con grupos aminoterminales y carboxiterminales. En el momento de su secreción por la célula o poco después, las peptidasas del procolágeno cortan y separan al propéptido terminal, favoreciendo así la formación de fibrillas denominadas tropocolágeno. Si existe un defecto en la estructura del colágeno, la aminoproteasa puede dejar de escindir al protocolágeno, dando lugar a la formación de fibras defectuosas, como se observa en el tipo VII del síndrome de Ehlers-Danlos. La formación de fibrillas va acompañada de la oxidación de residuos de lisina e hidroxilisina, por acción de la lisiloxidasa. Debido a ello aparecen entrecruzamientos entre las cadenas α de las moléculas próximas, favoreciendo la formación y consolidación de la arquitectura del colágeno. Los enlaces entrecruzados son el principal factor que favorece la resistencia a la tensión del colágeno.

Síntesis de colágeno
Elastina, fibrilina y fibras elásticas

Ciertos tejidos, como los vasos sanguíneos, la piel, el útero y el pulmón, deben gozar de elasticidad para cumplir su función. La capacidad de retracción de estos tejidos se obtiene gracias a las fibras elásticas. Estas fibras pueden estirarse y alcanzar varias veces su longitud, para recuperar después su tamaño inicial al cesar la fuerza de distensión. Las fibras elásticas constan de un núcleo central formado por elastina y rodeado por una red de microfibrillas. La elastina es muy abundante en las paredes de los grandes vasos (aorta), en el útero, la piel y los ligamentos. Es rica en glicina y también en prolina y alanina; pero elastina contiene poca hidroxiprolina y ningún residuo de hidroxilisina. En la elastina madura existen entrecruzamientos que regulan su elasticidad.

La red de microfibrillas que rodea al núcleo está formada en gran parte por fibrilina. Es una glucoproteína asociada consigo misma o con otros componentes de la ECM. Las microfibrillas sirven de armazón para el depósito de elastina y el ensamblaje de las fibras elásticas. Los defectos hereditarios de la fibrilina provocan la formación de fibras elásticas anormales en un proceso familiar bastante frecuente, el síndrome de Marfan, que se manifiesta por lesiones del sistema cardiovascular (disección aórtica) y el esqueleto.

Glucoproteinas e integrinas de adhesion

Las glucoproteínas e integrinas de adhesión son varias proteínas diferentes con capacidad para unirse a:

componentes de la ECM

ciertas proteínas específicas integrantes de la membrana celular


Es decir, unen a los componentes de la ECM entre si y a las células.

La fibronectina es una proteína de adhesión con capacidad para fijar las células a una serie de matrices. Es una gran glucoproteína formada por dos cadenas que se mantienen unidas por puentes disulfuro. La fibronectina se encuentra en la superficie de las células, las BM y las matrices pericelulares. Es elaborada por los fibroblastos, monocitos y células endoteliales. Se une a componentes de la ECM (colágeno, fibrina y proteoglucanos) por varias regiones específicas y a las células por sus receptores, los cuales reconocen la secuencia específica de aminoácidos que tiene el tripéptido arginina- glicina-ácido aspártico (RGD). El elemento que reconoce al RGD es clave en la adhesión entre la célula y la matriz. Se cree que la fibronectina participa directamente en esa unión, donde sirve para potenciar la sensibilidad de las células del endotelio capilar a los efectos proliferativos de los factores de crecimiento.

La laminina es la glucoproteína que más abunda en las BM. Son estructuras de gran tamaño formadas por entrecruzamientos heterotriméricos que abarcan todo el espesor de la lámina basal. Están unidas a receptores específicos por el extremo situado en la superficie celular y, por el otro, a algunos componentes de la matriz (colágeno tipo IV y heparán sulfato). La laminina podría actúa como mediadora uniendo la célula a los sustratos del tejido conjuntivo. En cultivos de células endoteliales expuestos al FGF, la laminina produce el alineamiento de las células endoteliales y la formación de los conductos capilares, esencial para la angiogénesis.

A. Estructura de la molécula de fibronectina.             B. Estructura de la molécula de laminina

 

La laminina y la fibronectina, se unen a los miembros de la familia de los receptores de las integrinas.

Las integrinas son la principal familia de receptores de la superficie celular que actúan mediando la unión de las células a la ECM. Algunas integrinas sirven también como mediadoras de interacciones celulares involucradas en la adhesión de los leucocitos. La mayoría de las células tienen más de una integrina en su superficie celular. Su papel en la adhesión las convierte en unos elementos esenciales para la extravasación leucocitaria, la agregación plaquetaria, los procesos del desarrollo y la curación de las heridas. Además, algunas células es necesario que estén adheridas para proliferar, y si no se unen a una ECM por medio de integrinas, se produce la apoptosis. Las integrinas son glucoproteínas formadas por cadenas α y α que atraviesan la membrana. Las porciones extracelulares de las integrinas se unen a componentes de la ECM (fibronectina, laminina y algunas clases de colágeno) por reconocimiento de la secuencia RGD. Los receptores de las integrinas juegan un papel decisivo en la organización del citoesqueleto celular de la actina y en la transmisión de señales desde la ECM hasta el interior de la célula. El enganche entre los componentes de la ECM y el receptor de la integrina produce agrupamiento de los receptores y la formación de adhesiones locales, en donde las integrinas se conectan con los complejos del citoesqueleto intracelular. Las proteínas que se fijan con las integrinas en esas adhesiones locales son la talina, vinculina, a-actinina, tensina y paxilina. Una vez ensambladas, los complejos formados por integrina-citoesqueleto funcionan igual que los receptores activados, y reclutan a los componentes de los sistemas de señalización intracelular. Es probable que los receptores de los factores de crecimiento y distintas moléculas de la ECM compartan las mismas vías metabólicas intracelulares, como las vías de activación de la cinasa de MAP, cinasa de PI-3 y proteína cinasa C. La conexión mecánica entre los receptores de las integrinas y el sistema de señalización del citoesqueleto quizá consista en una transformación de la fuerza mecánica en señales bioquímicas.

Principales integrinas y mecanismos de señalización mediada por integrinas
Proteoglucanos y hialuronanos

Los proteoglucanos y hialuronanos son el tercer componente de la ECM. Los proteoglucanos están formados por una proteína central unida a glucosaminoglucanos, polímeros largos compuestos por disacáridos repetidos que contienen un residuo de sulfato. Los proteoglucanos destacan por su gran diversidad y entre los más frecuentes están: el heparán sulfato, el condroitín sulfato y el dermatán sulfato. Cumplen diversas funciones relacionadas con la regulación de la estructura y la permeabilidad del tejido conjuntivo. Los proteoglucanos también pueden formar parte de las proteínas de la membrana, y ser moduladores del crecimiento y la diferenciación celular.

El sindecán, un proteoglucano de la superficie celular, modula la actividad del FGF

El hialuronano es una molécula enorme formada por numerosas repeticiones de un disacárido sencillo. El hialuronano funciona como un ligando de las proteínas centrales (proteína de unión al cartílago, el agrecano, y el versicano) y muchas veces sirve de eje o estructura central para los grandes complejos de proteoglucanos. Se adhiere también a los receptores de la superficie que regulan la proliferación y migración celular (CD44). El hialuronano fija gran cantidad de agua, formando un gel viscoso hidratado que proporciona al tejido conjuntivo una gran turgencia y capacidad para resistir a las fuerzas de compresión. Confiere resistencia elástica y propiedades lubricantes a muchas variedades del tejido conjuntivo, especialmente a las que se encuentran en el cartilago articular. También existe hialuronano en la matriz de las células que están en migración y proliferación, en donde inhibe la adhesión célula-célula y favorece la migración celular.

Proteínas de la matriz celular

Las proteínas de la matriz celular no forman parte de la estructura de la ECM, sino que reaccionan con las proteínas de la matriz, con los receptores de la superficie celular o con otras moléculas (factores de crecimiento, citocinas o proteasas) que, a su vez, interactúan con la superficie celular. Todas ellas permiten las interacciones célula-matriz.
Esta familia de proteínas adaptadoras comprende:

la proteína ácida secretada rica en cisteína (SPARC) u osteonectina, que favorece la remodelación de los tejidos que han sufrido lesiones y que inhibe la angiogénesis

las tromboespondinas, algunas de las cuales también inhiben la angiogénesis

la osteopontina, que podría regular el proceso de calcificación y que también sirve de mediadora de la migración leucocitaria

el grupo de las tenacinas, grandes proteínas multiméricas involucradas en la morfogénesis y modulación de la adhesión celular.

 

Mecanismos por los que la ECM y los factores de crecimiento influyen en el crecimiento, movilidad, diferenciación y síntesis de proteínas