Atlas de histología vegetal y animal
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La célula. 2. Matriz extracelular.

PROTEÍNAS ESTRUCTURALES

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El colágeno y la elastina son proteínas estructurales de la matriz extracelular.

Colágeno
Es la proteína más abundante de la matriz extracelular.
Formado por 3 cadenas α.
Se organiza para formar sobre todo fibras.
Resiste tensiones mecánicas sin deformarse.

Elastina
Forma parte de las fibras elásticas.
Las fibras elásticas permiten que los tejidos recuperen su forma orginal tras una distensión mecánica.

La matriz extracelular de los animales 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 estructurales 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 (del griego kola: pegamento). 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. Otras moléculas interaccionan también con las moléculas de colágeno como proteoglicanos y glicoproteínas.

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 con la glicina, y debido al pequeño tamaño de este aminoácido, es la que permite la disposición en hélice levógira de las cadenas polipetídicas formando así la cadenas alfa.

Fibras de colágeno

Fibras de colágeno en la matriz extracelular del tubo digestivo. Microscopía electrónica de barrido.


Colágeno de la dermis

Fibras de colágeno de la dermis.
Tinción: tricrómico de Masson.



Fibras de colágeno

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). La combinación de cadenas alfa puede ser homotípica (todas las cadenas iguales) o heterotípica (cadenas diferentes).

Forman fibras . Son las más abundantes de todas las formas de colágeno y están formadas por repeticiones alineadas de moléculas de colágeno 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, rodeando células como las musculares, o formando la base de los epitelios. Entre éstos se encuentra el colágeno tipo 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.

Síntesis de colágeno

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. Las prolinas son hidroxiladas para dar hidroxiprolinas, pudiendo representar hasta el 20 % de la molécula de colágeno. También se lleva a cabo glicosidación (O-glicosidación). En este momento se asocian las cadenas α de 3 en 3 gracias a puentes de hidrógeno y a puentes disulfuro, para formar las moléculas de procolágeno. Éstas son reconocidas por receptores transmembrana y empaquetado en vesículas recubiertas por COPII. Estas vesículas, de unos 500 nm de diámetro, han de ser diferentes puesto que las moléculas de procolágeno son como varillas rígidas de unos 300 nm (las vesículas típicas COPII miden entre 60 y 90 nm). El procolágeno pasa por el aparato de Golgi, no se sabe muy bien cómo, desde donde es exocitado al exterior celular. Es destacable que algunas células pueden seleccionar el dominio celular donde se liberará un determinado tipo de colágeno. Independientemente de esto, 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 impedían 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). La formación de las microfibrillas de colágeno, sin embargo, parece estar controlada por la participación de los colágenos tipo V y XI. En concreto el colágeno tipo V parece imprescindible para la formación de las fibras de colágeno. La forma y el crecimiento de las fibras de colágeno se ven afectados por otras moléculas como los proteglicanos. En la fase final de ensamblaje, y para dar estabilidad a la fibra, se forman enlaces covalentes por enzimas como la lisil oxidasa.

Síntesis de colágeno

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.

Fibras elásticas

Fibras de elastina

Fibras elásticas del tejido conectivo

La elastina es un polímero proteico insoluble abundante en muchas matrices extracelulares y aparece como un componente de las denominadas fibras elásticas. El principal componente de las fibras eláticas es la tropoelastina. Esta proteína se libera a la matriz extracelular y forma agregados amorfos entre los que se establecen enlaces covalentes. La tropoelastina 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 lisina la formación de α-hélices. De manera que en ambientes acuosos la tropoelastina adopta un disposición globular, pero que se puede estirar cuando se somete a fuerzas mecánicas. Cuando estas fuerzas desaparecen la proetína se vuelve de nuevo globular. Los aminoácidos no hidrófobos son los puntos donde se enlanzan dos moléculas de tropelastina próximas para formar el polímero de elastina. El alto contenido en aminoácidos hidrófobos hace a la tropolastina una de las proteínas más resistentes y durables de la matriz extracelular. La tropoelastina parece ser una invención de los vertebrados, puesto que no se ha encontrado en invertebrados.

Ejemplos de matrices extracelulares

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).

Al contrario que las fibras de colágeno, las fibras elásticas tienen la capacidad de estirarse en respuesta a las tensiones mecánicas y de contraerse para recuperar su longitud inicial en reposo gracias a las propiedades de la tropoelastina. Una fibra elástica está formada por el material amorfo de tropoelastina, que representa el 90 %, y por una cubierta formada por las denominadas microfibrillas de fibrilina y por otras glicoproteínas y proteoglicanos en menor proporción. La elasticidad de nuestros tejidos depende de las fibras elásticas. Estas fibras 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. La concentración de fibras elásticas varía entre tejidos. Por ejemplo, llega hasta el 70 % de la matriz extracelular en los ligamentos. Con el tiempo, la cantidad de fibras elásticas disminuye en los tejidos y los órganos y estructuras se vuelven más rígidas, como por ejemplo los vasos sanguíneos. Además de la elasticidad, 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.


Bibliografía

Heino J . The collagen family members as cell adhesion proteins. Bioessays. 2007. 29:1001-1010.

Canty EG, Kadler KE . Procollagen trafficking, processing and fibrillogenesis. Journal of cell sciences. 2005. 118:1341-1353.

Kadler CM, et al., . Collagens at a glance. Journal of cell science. 2007. 120:1955-1958.

Kielty CM . Elastic fibres in health and disease. Expert reviews in molecular medicine. 2006. 8:1-23.

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Actualizado: 06-11-2017. 22:39