citologÍa 2-matriz extracelular

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ATLAS de HISTOLOG ´ IA VEGETAL y ANIMAL CITOLOG ´ IA 2-Matriz extracelular Pilar Molist Manuel A. Pombal Manuel Meg´ ıas Depto. de Biolog´ ıa Funcional y Ciencias de la Salud Facultad de Biolog´ ıa Universidad de Vigo (Versi´ on: Julio 2011)

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ATLAS de HISTOLOGIAVEGETAL y ANIMAL

CITOLOGIA2-Matriz extracelular

Pilar MolistManuel A. Pombal

Manuel Megıas

Depto. de Biologıa Funcional y Ciencias de la SaludFacultad de BiologıaUniversidad de Vigo

(Version: Julio 2011)

Este documento es una edicion en pdf del sitiohtttp://webs.uvigo.es/mmegias/inicio.html. En concreto comprende a las

paginas que tratan de la celula eucariota.

1. INTRODUCCION

C. de Duve propuso en A guide tour of the living cell (ScientificAmerican books, vol. 2, 1984) un viaje por la celula. Si nos convirtieramosen seres del tamano de moleculas y nos dirigieramos a una celula de untejido animal, antes de toparnos con ella tendrıamos la sensacion de estaravanzando por una jungla de troncos ramas y lianas. A esta marana ladenominamos matriz extracelular. La matriz extracelular es un entramadode moleculas, proteınas y carbohidratos que se disponen en el espaciointercelular y que es sintetizado y secretado por las propias celulas. Tienemultiples funciones: aporta propiedades mecanicas a los tejidos (tanto enanimales como en vegetales), mantiene la forma celular, permite laadhesion de las celulas para formar tejidos, permite la sirve para lacomunicacion intercelular, forma sendas por las que se mueven las celulas,modula la diferenciacion celular y la fisiologıa celular, secuestra factores decrecimiento, etcetera. La cantidad, la composicion y la disposicion de lamatriz extracelular depende del tipo de tejido considerado. Hay algunoscomo el epitelial y el nervioso que carecen o tienen muy poca matrizextracelular, mientras que en otros como el tejido conectivo es el elementomas importante en volumen.

En los tejidos vegetales la pared celular se puede considerar, aunque nosiempre hay acuerdo, como una matriz extracelular especializada con unascaracterısticas muy diferentes a la de los tejidos animales. Su papel escrucial para dar rigidez a las celulas y por extension a la planta, es unabarrera a la permeabilidad, protege frente a las agresiones de patogenos omecanicas, entre otras funciones.

Las principales macromoleculas que componen la matriz extracelularson: colageno, elastina, glucosaminoglucanos, proteoglucanos yglucoproteınas. Todas ellas se encuentran en un medio acuoso junto conotras moleculas de menor tamano, ademas de los iones. Es la cantidad, laproporcion y el tipo de cada una de estas macromoleculas lo que distinguea unas matrices extracelulares de otras.

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Figura 1: En esta imagen se presentan ejemplos de distintos tipos de matrices extra-

celulares tenidas con diferentes colorantes. Los asteriscos senalan la matriz extracelular.

A) Cartılago hialino, B) Matriz osea compacta, C) Conectivo denso regular (tendon), D)

Conectivo gelatinoso del cordon umbilical, E) Paredes celulares del sistema vascular de un

tallo de una planta, F) Celulas epiteliales. Observese que practicamente no hay sustancia

intercelular, G) Imagen de microscopıa electronica del tejido nervioso donde practicamente

no existe matriz extracelular.

Figura 2: Esquema de las principales moleculas que aparecen en la matriz extracelular

de un tejido conectivo.

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2. PROTEINAS ESTRUCTURALES

La matriz extracelular esta formada principalmente por proteınas,glucosaminoglucanos, proteoglucanos y glucoproteınas, organizados enentramados diversos que constituyen las diferentes matrices extracelularesde los distintos tejidos. Las proteınas mas abundantes son el colageno y laelastina.

ColagenoSe denomina colageno a una familia de proteınas muy abundante en el

organismo de los animales. En los vertebrados hay mas de 40 genes quesintetizan unas cadenas de aminoacidos denominadas cadenas α, las cualesse asocian de tres en tres para formar hasta 28 tipos de moleculas decolageno diferentes. Las moleculas de colageno pueden representar del 25 al30 % de todas las proteınas corporales. Tradicionalmente se ha usado elcolageno para fabricar pegamentos y colas, de ahı su nombre. Su principalmision en los tejidos es formar un armazon que hace de sosten a los tejidosy que resiste las fuerzas de tension mecanica. Actua como las barras deacero que refuerzan el hormigon en las obras. La organizacion de lasmoleculas de colageno en estructuras macromoleculares tridimensionales esvariada. Pueden formar fibras paralelas para resistir tensionesunidireccionales, como ocurre en tendones y ligamentos, o fibras orientadasen forma de malla para soportar tensiones que pueden venir de todas lasdirecciones, como ocurre en el hueso, en el cartılago y en el tejidoconectivo. Las celulas se agarran a las moleculas de colageno mediantediversas proteınas de adhesion como las integrinas, inmunoglobulinas,anexinas, etcetera.

Las moleculas de colageno se caracterizan por:a) Una composicion poco frecuente de aminoacidos. En las moleculas de

colageno abunda el aminoacido glicina, que es muy comun, y otros menoscomunes como la prolina e hidroxiprolina. La glicina se repite cada 3aminoacidos (...-Gly - x - y - Gly - x - y -...), donde x e y suelen ser prolinae hidroxiprolina, respectivamente. Esta secuencia repetida de glicina es laque permite la disposicion en helice levogira de las cadenas α, debido alpequeno tamano de este aminoacido.

b) Pueden organizarse formando fibras, mallas o especializarse enformar uniones entre moleculas. Todo ello depende de la composicionquımica de sus subunidades α y de los tipos de subunidades que lo formen.

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Figura 3: Esquema de la sıntesis de las fibras de colageno.

Forman fibras. Son los mas abundantes de todas las formas decolageno y estan formadas por repeticiones de moleculas de colageno, trescadenas α arrolladas en forma de triple helice dextrogira que forman lasunidades repetidas. El colageno se sintetiza en el interior celular en formaprocolageno, formado por 3 subunidades α inmaduras, que es exocitado alexterior celular. Tras la liberacion sufre un tratamiento enzimatico queelimina una secuencias terminales de cada cadena α, transformando elprocolageno en colageno. Tras ello las moleculas de colageno se ensamblanautomaticamente para formar las fibrillas de colageno, que a su vez seunen para formar las fibras de colageno. De los colagenos que forman fibraslos mas frecuentes son el tipo I, que abunda en huesos, cartılago y piel, yque representa el 90 % de todo el colageno del organismo. Otros tiposabundantes son el II, presente en el cartılago hialino, y el III, que abundaen la piel y en los vasos sanguıneos.

Forman mallas. Estos tipos de colageno suelen formar laminas deentramados moleculares. Se encuentran rodeando los organos o formandola base de los epitelios. Entre estos se encuentra el colageno tipo IV queabunda en la lamina basal, localizada entre el epitelio y el tejido conectivo.

Establecen conexiones. Forman puentes de union entre moleculas dela matriz extracelular y el colageno fibrilar o el colageno que forma mallas.Por ejemplo, el colageno tipo IX forma uniones entre los

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glucosaminoglucanos y las fibras de colageno tipo II.Tambien existen moleculas de colageno que poseen secuencias de

aminoacidos hidrofobicos y que se encuentran como moleculastransmembrana. Es el caso del colageno tipo XIII y el tipo XVII. Elcolageno tipo XVII forma parte de la estructura de los hemidesmosomas.

Figura 4: Imagen obtenida con un microscopio electronico de transmision a partir de

tejido conectivo de un invertebrado marino, la oreja de mar. Con los asteriscos negros se

indica el colageno ya ensamblado en el exterior celular, mientras que con los asteriscos

blancos las grandes vesıculas intracelulares llenas de moleculas de procolageno. La flecha

blanca indica un posible punto de liberacion de las moleculas de procolageno al espacio

extracelular.

Fibras elasticasEs una proteına abundante en muchas matrices extracelulares y aparece

como un componente de las denominadas fibras elasticas, las cuales sonagregados insolubles de proteınas. Al contrario que las fibras de colageno,las fibras elasticas tienen la capacidad de estirarse en respuesta a lastensiones mecanicas y de contraerse para recuperar su longitud inicial enreposo. La elasticidad de nuestros tejidos depende de las fibras elasticas. Seencuentran sobre todo en la dermis, en las paredes de las arterias, en elcartılago elastico y en el tejido conectivo de los pulmones. Ademas de laelastina, que representa el 90 %, las fibras elasticas estan formadas por lasdenominadas microfibrillas de fibrilina y por otras glucoporteınas y

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proteoglucanos en menor proporcion. Otras funciones de las fibras elasticasson aportar sosten a los tejidos o regular la actividad de los factores decrecimiento TGF-α mediado por la fibrilina.

La elastina posee una larga cadena de aminoacidos en la que haynumerosas secuencias con aminoacidos hidrofobos, separadas por otrassecuencias que contienen parejas de glicinas y otros aminoacidos pequenoscomo la lisina. Esta composicion de aminoacidos es la que confiere laspropiedades elasticas, puesto que los aminoacidos hidrofobos permiten ladisposicion en estructuras arrolladas y la lisina la formacion de α-helices,que son los puntos donde se enlanzan dos moleculas de elastina proximas.La elastina parece ser una invencion de los vertebrados, puesto que no seha encontrado en invertebrados.

Figura 5: Esquema de una porcion de una fibra de elastina. Las moleculas de elastina

estan unidas entre sı mediante enlaces entre las regiones ricas en el aminoacido lisina

(Modificado de Kielty 2007).

Bibliografıa especıfica

Heino J. The collagen family members as cell adhesion proteins. Bioessays. 2007.29:1001-1010.

Canty EG, Kadler KE. Procollagen trafficking, processing and fibrillogenesis. Journalof 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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3. GLUCIDOS, PROTEOGLUCANOS

Las proteınas colageno, las fibras elasticas y otras moleculas presentesen la matriz extracelular se encuentran embebidas en un medio compuestofundamentalmente por polımeros no ramificados de azucares y agua. Losazucares corresponden al tipo de los denominados glucosaminoglucanos omucopolisacaridos. En las paredes celulares de las celulas vegetales noexisten glucosaminoglucanos sino fundamentalmente celulosa, que es unpolımero de glucosa.

GlucosaminoglucanosSon polımeros no ramificados de azucares que pueden formar cadenas

muy largas. Estan formados por repeticiones de parejas de monosacaridosdonde uno de los azucares tiene un grupo amino (N-acetilgalactosamina oN-acetilglucosamina) y el otro es normalmente la galactosa o el acidoglucuronico. Estos azucares poseen grupos carboxilo (COO-) y grupossulfatos (SO3-), cuyas cargas negativas permiten una fuerte y abundanteasociacion con moleculas de agua, aportando una gran hidratacion a lamatriz extracelular. Los glucosaminoclucanos son moleculas poco flexiblespor lo que ocupan un gran volumen y gracias a su fuerte hidratacion hacenque la matriz extracelular se comporte como un gel. Esto permite que lostejidos que poseen una alta proporcion de glucosaminoglucanos puedanresistir fuertes presiones mecanicas y ademas favorece una alta tasa dedifusion de sustancias entre las celula. Los tipos mas comunes deglulcosaminoglucanos son el acido hialuronico y los glucosaminoglucanossulfatados: condroitın sulfato, dermatan sulfato, queratan sulfato yheparan sulfato.

El acido hialuronico o hialuronato es un caso especial deglucosaminoglucano puesto que no forma enlaces covalentes con otrasmoleculas de la matriz extracelular, se sintetiza extracelularmente porenzimas localizados en la superficie celular y no posee grupos sulfatos.Esta compuesto por parejas formadas por el acido glucuronico y laN-acetil-glucosamina, que pueden llegar hasta las 20.000 repeticiones. Sesuele asociar con las moleculas de colageno o a proteoglucanos, confiriendoa la matriz extracelular elasticidad, resistencia y lubricacion. Su funcion esmuy importante durante el desarrollo o en lugares del organismo donde seproduce una fuerte proliferacion celular puesto que facilita eldesplazamiento celular, puesto que al ser una molecula grande y pocoflexible ocupa un volumen grande con muchos espacios libres. Tambien

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Figura 6: Composicion de los principales grupos de glucosaminoglucanos (Modificado de

Lamoureux, 2007).

aparece en aquellos lugares donde se produce una fuerte friccion como en elcartılago de las articulaciones.

Los demas tipos de glucosaminoglucanos estan sulfatados y unidoscovalentemente a cadenas de aminoacidos. El condroitın sulfato es unglucosaminoglucano sulfatado compuesto por repeticiones de parejas deN-acetil-galactosamina y acido glucuronico. Es abundante en el cartılago.

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El dermatan sulfato esta formado por acido glucuronico o acido iduronicomas N-acetil-galactosamina. El queratan sulfato es un polımero deN-acetil-glucosamina mas galactosa, con los azucares mostrando distintotipo de sulfatacion. El heparan sulfato lo producen la mayorıa de lascelulas, mientras que su derivado, la heparina, solo la producen losmastocitos. La heparina es un antitrombotico muy usado en medicinacomo anticoagulante. Esta formado por dımeros de N-acetil-glucosaminamas acido glucuronico o acido iduronico, igual que el hialuronato, pero condistintos tipos de enlaces entre azucares, que son sulfatados. Todos estosglucosaminoglucanos suelen estar unidos covalentemente a cadenas deaminoacidos formando los denominados proteoglucanos.

ProteoglucanosUn proteoglucano es una molecula compuesta por la union covalente

entre una cadena de aminoacidos y uno o varios glucosaminoglucanossulfatados. Es una familia de moleculas ubicua. Los proteoglucanos sonsintetizados en el interior celular. La parte proteica se sintetiza en elretıculo endoplasmatico, donde tambien se inicia la adicion de glucidos. Sinembargo, la elongacion de las cadenas de repeticiones deglucosaminoglucanos y la sulfatacion se produce en el lado trans delaparato de Golgi. La mayorıa de los proteoglucanos son exocitados alespacio intercelular, pero algunos formaran parte de la membranaplasmatica gracias que su parte proteica contiene secuencias deaminoacidos hidrofobos que se insertan entre las cadenas de acidos grasosde la membrana. Otras moleculas como el colageno tipo IX, el XII y elXVII tambien contienen cadenas de glucosaminoglucanos.

Figura 7: Esquema de un proteoglucano, el agrecano (Modificado de Lamoureux, 2007).

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Los proteoglucanos se diferencian sobre todo en la secuencia y en lalongitud de la cadena de aminoacidos (desde 100 a 4000 aminoacidos).Tambien se diferencian en el numero y en el tipo de moleculas deglucosaminoglucanos que tiene unidos. Por ejemplo, la decorina tiene unasola molecula mientras que el agrecano contiene mas de 200.

La funcion de los proteoglucanos depende de sus moleculas deglucosaminoglucanos: hidratacion, resistencia a presiones mecanicas,lubricantes, afectan a la diferenciacion, la movilidad y la fisiologıa celular,etcetera. Su accion mecanica es esencial en los cartılagos y en lasarticulaciones. Pero ademas son puntos de anclaje de las celulas a la matrizextracelular que le rodea, bien por su accion directa por ser moleculasintegrales de la membrana plasmatica, porque forman uniones confosfolıpidos de la membrana o porque son reconocidos por proteınas deadhesion presentes en las membranas plasmaticas como las integrinas.

CelulosaLa celulosa es el principal componente de las paredes vegetales, la

matriz extracelular de las plantas. Aunque algunos autores consideran quela pared celular de las plantas no se puede incluir en la categorıa de matrizextracelular por sus caracterısticas propias, nosotros la consideraremoscomo un tipo muy especializado de matriz extracelular. La celulosa es unpolisacarido formado por monomeros de glucosa (mas de 500 por molecula)unidos mediante enlaces tipo β(1-4). Aporta a los tejidos vegetalesresistencia a tensiones mecanicas, tanto de estiramiento como de presion yes la que permite el soporte de las partes aereas de la planta. Lasmoleculas de glucosa se asocian entre sı mediante enlaces de hidrogenopara formar estructuras cristalinas denominadas microfibrillas de celulosa,formadas por unas 50 moleculas de celulosa, orientadas con la mismapolaridad. Las fibrillas se asocian entre sı mediante puentes formados porotros glucidos, como hemicelulosa y pectinas, que resultan en las fibras decelulosa, visibles al microscopio optico.

Al igual que ocurre con el hialuronato, la celulosa se sintetiza en elexterior celular gracias a la accion de la celulosa sintasa, una proteınatransmembrana localizada en la membrana plasmatica. Esta enzima recogelas unidades de glucosa desde el citosol, les hace cruzar la membrana y lasenlaza en el exterior celular. Un aspecto interesante de la sıntesis decelulosa es la orientacion de las moleculas que se van sintetizando, ya quedetermina la orientacion de las fibrillas y posteriormente de las fibras decelulosa. Esta orientacion es muy importante porque determinara el eje de

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Figura 8: Organizacion de las moleculas de celulosa y la interaccion entre ellas mediante

puentes de hidrogeno (lıneas en rojo).

crecimiento de la celula vegetal, que siempre tendera a ser perpendicular ala disposicion de las fibras de celulosa. La orientacion de la deposicion delas moleculas de celulosa esta condicionada por la orientacion de losmicrotubulos corticales que se localizan justo debajo de la membranaplasmatica, en el citosol. De esta manera la celula puede controlar laorientacion de las fibras de celulosa y por tanto su crecimiento, porejemplo para que una estructura vegetal, tallos u hojas, crezcan hacia unafuente de luz.

Bibliografıa especıfica

Lamoureux F. Proteoglycans: key partners in bone cell biology. 2007. BioEssays.29:758-771.

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4. GLUCOPROTEINAS, ADHESION

Las distintas moleculas que forman la matriz extracelular estan unidasentre sı para formar un entramado cohesionado. De igual modo, las celulasestan adheridas a las moleculas de la matriz extracelular. La mayorıa deestas uniones son entre proteınas, pero tambien entre proteınas y azucares,y estan principalmente mediadas por glucoproteınas. Hay tres tipos deuniones que dan cohesion a los tejidos: entre moleculas de la matrizextracelular, entre las celulas y la matriz extracelular y entre celulascontiguas.

Proteınas presentes en la matriz extracelular

Figura 9: Esquema de una molecula de fibronectina. Esta formada por dos cadenas de

aminoacidos unidas por la zona proxima al extrremo carboxilo por puentes disulfuro. Se

indican los dominios de la proteına que interaccionan con otras moleculas produciendo

adhesion. (Modificado de Pankov 2002)

Las fibronectinas son glucoproteınas formadas por dos cadenas depolipeptidos unidos por uniones disulfuro. Poseen dominios en suestructura que permiten unirse al colageno, a ciertos proteoglucanos, aglucosaminoglucanos, a la fibrina, a la heparina y a proteınas de lamembrana plasmatica celular como las integrinas. Por tanto establecenuniones entre moleculas de la matriz extracelular y entre moleculas de lascelulas con la matriz extracelular. Las moleculas de fibronectina puedenaparecer formando fibras insolubles en los tejidos conectivos o solubles enel plasma de los fluidos corporales, como la sangre. Tienen un papel muyimportante durante el desarrollo embrionario creando sendas por las que

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pueden migrar las celulas de un lugar a otro del embrion.Las tenascinas son una familia de proteınas de gran tamano que

aparecen en tejidos embrionarios, en heridas y en tumores. Son capaces deunirse a las integrinas (proteınas transmembrana de las celulas), a losproteoglucanos y a los receptores del tipo de las inmunoglobulinas.

Otras glucoproteınas de adhesion presentes en la matriz extracelular sonel fibrinogeno, que une receptores de superficie de las plaquetas y permitela coagulacion sanguınea, la laminina que ayuda en el entramado de laslaminas basales, la osteopondina presente en el hueso y el rinon, ladenominada proteına de union, que aparece en el cartılago donde reconocea proteoglucanos, etcetera.

Proteınas transmembrana que unen la celula a la matrizextracelular.

Figura 10: Moleculas integrinas en distintos estados de conformacion (Modificado de

Luo, 2007)

Las integrinas son las moleculas mas importantes en la adhesion de lacelula a la matriz extracelular, aunque algunos proteoglucanos tambienpueden realizar esta funcion. Las integrinas son una gran familia deproteınas cuyos miembros se expresan diferencialmente segun los tiposcelulares y segun las necesidades fisiologicas de los tejidos o de las celulas.Son proteınas transmembrana formadas por dos subunidades, cada una deellas con un dominio intracelular que contacta con el citoesqueleto y otroextracelular globular que es capaz de unirse al colageno, fibronectinas ylamininas, ademas del dominio transmembrana. Esta conexion entre matrizextracelular y citoesqueleto celular es fundamental para modificar el

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comportamiento celular en funcion de las moleculas presentes en la matrizextracelular. Esto es posible porque el estado de adhesion de la integrina setransmite a su dominio citosolico, el cual interactua con proteınas que soncapaces de viajar al interior del citoplasma para afectar a rutasmoleculares o viajar al interior del nucleo para alterar la expresion genica.Tambien la celula puede modificar su capacidad de adhesion, y por tantosu movilidad, cambiando el juego de proteınas receptoras en su superficie.

Las integrinas suelen aparecer asociadas en la membrana plasmaticaformando las denominadas adhesiones focales y tambien a loshemidesmosomas.

Proteınas transmembrana que unen la celula a la matrizextracelular.

Estas moleculas se encargan de adherir directamente unas celulas aotras. Hay cuatro tipos: cadherinas, inmunoglobulinas, selectinas y algunostipos de integrinas. Las cadherinas se encuentran en la superficie de lamayorıa de las celulas animales y forman uniones homotıpicas, es decir,reconocen a otras cadherinas en la celula adyacente. Son una gransuperfamilia de proteınas cuyos miembros suelen aparecercaracterısticamente en ciertos tejidos. Ası, la N-cadherina se expresa en eltejido nervioso, la E-cadherina en el tejido epitelial, etcetera. Es por elloque juegan un papel importante en la segregacion de poblaciones celularesde los distintos tejidos. Son especialmente importantes durante eldesarrollo embrionario. Las cadherinas son parte estructural de losdemosomas en mancha (macula adherens). Las moleculas de adhesion deltipo inmunoglobulina, tambien llamadas CAM (cell adhesion molecule)forman uniones homofılicas con inmunoglobulinas presentes en la celulaadyacente, aunque tambien pueden realizar uniones heterofılicas con otrotipo de moleculas. Es tambien una gran familia de proteınas condistribucion especıfica de sus miembros en los distintos tejidos. Porejemplo, N-CAM aparece en el sistema nervioso. Sus uniones no son tanfuertes como las de las cadherinas y parece que actuan ajustando de formamas fina la asociacion entre celulas de un mismo tejido. Las selectinas sontambien proteınas de adhesion entre celulas, pero forman unionesheterofılicas, es decir, se unen a glucidos presentes en la celula vecina. Estoes gracias a que poseen un dominio que tiene apetencia por determinadosazucares (acido sialico y fucosa). Son importantes en la union de losglobulos blancos a las paredes del endotelio cuando abandonan el torrentesanguıneo para adentrarse en los tejidos. Las integrinas, que antes vimos

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como moleculas que median la adhesion de las celulas a la matrizextracelular, tambien pueden mediar adhesiones celula-celula. En concreto,algunas integrinas pueden formar uniones con algunas moleculastransmembrana del tipo de las inmunoglobulinas.

Figura 11: Principales proteınas transmembrana que realizan contactos celula-celula

(Modificado de Hynes, 1999).

Remodelacion de la matriz extraceular: metaloproteinasasLa matriz extracelular de los animales necesita reorganizarse para

satisfacer las necesidades fisiologicas de los tejidos. Ademas, necesita unaregeneracion constante mediante la degradacion de componentes y laproduccion de otros nuevos por parte de las celulas. La degradacion de lamatriz extracelular la llevan a cabo enzimas como las metaloproteinasas.Son enzimas que se asocian a la cara externa de la membrana plasmatica oforman parte integral de ella, siempre con su centro activo localizadoextracelularmente. Inicialmente se producen en forma inactiva oprometaloproteinasas y para su activacion es necesaria una proteolisis ensu estructura, llevada a cabo por otras enzimas asociadas a la membranaplasmatica. Existen multiples tipos de metoloproteinasas, cada una de lascuales tiene apetencia por distintos componentes de la matriz extracelular.

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Bibliografıa especıfica

Hynes RO. Cell adhesion: old and new questions. Trends in cell biology. 1999.9:M33-M37.

Luo BH, et al. Structural basis of integrin regulation and signaling. Annual review ofimmunology. 2007. 25:619-647.

Pankov R, Yamada KM. Fibronectin at a glance. Journal of cell science. 2002.115:3861-3863.

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5. COMPLEJOS DE UNION

Como hemos visto en el apartado anterior las celulas se anclan a lamatriz extracelular y a otras celulas mediante unas proteınasespecializadas. Las integrinas, cadherinas, selectinas e inmunoglobulinasson las mas importantes. A veces se producen uniones tan especializadas ydesarrolladas que forman estructuras macromoleculares denominadascomplejos de union y uniones focales, los cuales son fundamentales paramantener la cohesion de muchos tejidos, principalmente los epitelios, eltejido muscular y el nervioso.

Los complejos de union se clasifican segun su forma, las moleculas deadhesion que los componen, los elementos a los que se unen y susinteracciones con el citoesqueleto. La primera vez que se observaron fuecon el microscopio electronico y se clasificaron morfologicamente, perofueron las tecnicas de biologıa molecular las que permitieron desentranarsus estructuras moleculares.

Las uniones estrechas o zonula occludens se encuentran en laspartes apicales de los epitelios y en el tejido muscular cardiaco. Establecenuniones tan fuertes y estrechas entre las celulas contiguas quepracticamente no dejan espacio intercelular entre sus membranasplasmaticas, limitando la difusion de sustancia solubles extracelulares. Lasuniones estrechas forman una especie de cinturon que rodea todo elperımetro celular, en el caso de las celulas epiteliales. Ademas de mantenercohesionadas fuertemente a las celulas realizan otras funciones. En losepitelios, por ejemplo en el epitelio digestivo, impiden la difusionintercelular evitando que las sustancias del interior del tubo digestivopenetren en el organismo por los espacios intercelulares. Esto obliga a lassustancias a ser capatadas selectivamente por parte de las celulasepiteliales, donde son trasnformadas y liberadas al torrente sanguıneo.Pero, ademas, las uniones estrechas permiten la polaridad de las celulasepiteliales puesto que impiden la difusion lateral de moleculas insertas ensus membranas celulares. Es decir, actuan como una barrera fısica a ladifusion lateral de las moleculas de la membrana plasmatica. Con ello seconsigue una zona o dominio apical con un juego de moleculas distinto alque hay en el domino latero-basal de la celula epitelial. Esta separacion esimportante para establecer un camino de captacion y liberacion desustancias desde el exterior hacia el interior.

Las uniones estrechas estan formadas por la ocludina y por una familiade moleculas denominadas claudinas, que son las proteınas transmembranaencargadas de establecer los contactos celula-celula. Las claudinas parecen

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Figura 12: Esquema de las uniones estrechas de las celulas epiteliales del digestivo. La

estructura molecular parece ser similar en los distintos tipos de epitelios. (Modificado de

Niessen 2007)

ser las mas importantes en el establecimiento de la union y en estas unionesforman unos poros que dejan pasar ciertos iones por el espacio extracelular,no mas de 1 nanometro de diametro. Hay 20 tipos de claudinas, cada unade las cuales forma uno poro extracelular distinto y ası los epitelios puedenmodificar la selectividad de su permeabilidad intercelular segun el tipo declaudina que expresen. El dominio intracelular de estas moleculasinteractua con otras moleculas denominadas ZO, las cuales forman unentramado que interacciona con los filamentos de actina del citoesqueleto ycon otras proteınas citosolicas que desencadenan cascadas de senalizacion.

Las funiones adherentes o zonula adherens son complejos de unionque se forman en las celulas epiteliales y que se situan proximas y basales alas uniones estrechas. Su mision es unir celulas vecinas. Son los primeroscomplejos de union que se forman durante el desarrollo de los epitelios,aparece antes que las uniones estrechas, por lo que parecen actuar enprocesos morfogeneticos durante el desarrollo embrionario. Al igual que lasuniones estrechas forman una estructura a modo de cinturon en todo elperımetro celular. Las E-cadherinas son las moleculas encargadas derealizar las conexiones celula-celula con su dominio extracelular, mientrasque el intracelular contacta con los filamentos de actina. En el entramadomolecular que se asocia con el dominio interno de las cadherinas seencuentra la β-catenina que puede desencadenar cambios en la expresion

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genica cuando se desplaza hasta el nucleo.

Figura 13: Organizacion y composicion de los desmosomas (modificado de Huber 2003)

Los desmosomas o macula adherens, al contrario que los doscomplejos de union anteriores, establecen conexiones puntuales en forma dedisco entre celulas vecinas, como si fuesen remaches. Son muy abundantesentre las celulas epiteliales y entre las musculares, pero tambien en otrostejidos como el nervioso. Las uniones entre celulas estan mediadas pormoleculas del tipo cadherinas denominadas desmogleınas y desmocolinas.El dominio intracelular de estas cadherinas contacta con los filamentosintermedios como las queratinas, gracias a proteınas intermediarias.

Los hemidesmosomas y las uniones focales establecen unionesfuertes entre las celulas y la matriz extracelular. En ambos casos lasuniones se establecen por integrinas. Los hemidesmosomas unen las celulasepiteliales a la lamina basal gracias al dominio extracelular de la integrina,mientras que el dominio intracelular contacta con los filamentosintermedios citosolicos. Aunque los hemidesmosomas parecen desmosomassin una de sus partes, molecularmente son diferentes. Las uniones focalesunen a las celulas con diversos tipos de matrices extracelulares gracias a

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otro tipo de integrinas que en su dominio intracelular contacta con losfilamentos de actina.

Figura 14: Esquema un hemidesmosma localizado en la base de un epitelio de mamıfero.

(Modificado de Hahn 2001)

Algunos autores suelen colocar en este apartado de estructurascohesivas macromoleculares a las uniones en hendidura. Estas son unionesentre celulas establecidas por unas moleculas denominadas conexinas. Sinembargo, las uniones en hendidura no tienen como principal misioncohesionar tejidos sino permitir la comunicacion directa entre citoplasmasde celulas vecinas, gracias a los canales que crean las conexinas. Por tanto,veremos estas estructuras cuando hablemos de la comunicacion celular.

Bibliografıa especıfica

Hahn B-S, Labouesse M. Tissue integrity: Hemidesmosomes and resistance tostress.2001. Current biology 11:R858-R861.

Huber O. Structure and function of desmosomal proteins and their role indevelopment and disease. 2003. Cell and molecular life science. 60:1872-1890.

Niessen CM. Tight junctions/adherens junctions: basic structure and function. 2007.Journal of investigative dermatology. 127:2525-2532.

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6. TIPOS DE MATRICES EXTRACELULARES

Como se ha mencionado, algunos tejidos pueden llevar a cabo lasfunciones que tienen encomendadas en el organismo gracias a laspropiedades de sus matrices extracelulares, que varıan en el tipo y en lacantidad de las moleculas que las componen. Esto es cierto para los tejidosanimales y para los tejidos vegetales. A la matriz extracelular de lasplantas se le denomina pared celular. Nosotros vamos a considerar a lapared celular como una matriz extracelular muy especializada, aunque notodos los autores la consideran como tal puesto que es radicalmentediferente a la que nos encontramos en los tejidos animales.

Pared celularLas celulas vegetales no se entienden sin la pared celular y es una

caracterıstica distintiva respecto a las celula animales, considerandolaalgunos autores como un organulo celular mas. Es el sosten de la celulavegetal y determina la forma y el tamano celular, ası como lascaracterısticas de los tejidos. Las celulas vegetales son mas fragiles que lascelulas animales puesto que no poseen un citoesqueleto tan desarrollado,por ello todas poseen pared celular. Una caracterıstica importante es quela pared celular sigue realizando su funcion incluso cuando las celulas quela sintetizaron han muerto, como ocurre en la madera de los arboles. Lamolecula mas importante de la pared celular es la celulosa, la moleculaorganica mas abundante de la Tierra. No todas las paredes celulares soniguales y sus caracterıscas varıan segun los tejidos en los que se encuentren.Mas informacion sobre funjciones de las paredes celulares se puedeencontrar en el apartado de histologıa vegetal.

Capas. La pared celular varıa en grosor segun el tipo y la edad de lacelula que la produce. Nos podemos encontrar hasta 3 capas en las paredescelulares: la lamina media, la pared primaria y la pared secundaria. Lascelulas sintetizan estas capas en el orden descrito y siempre la capa masreciente es la que esta mas proxima a la celula. Todas las celulas tienenlamina media, que comparten con la celula contigua, y pared celularprimaria, mas o menos gruesa, pero solo algunas desarrollan paredsecundaria. La pared primaria permite a la celula crecer en tamano puestoque es extensible gracias presiones hıdricas, lo que se denomina turgenciacelular. La pared celular secundaria se deposita en las celulas que tienenque resistir fuertes presiones o que forman los vasos conductores, y puedesubdividirse en subcapas. La sıntesis de pared secundaria implica que lacelula ya no crecera mas puesto que no es extensible como la primaria.

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Figura 15: Organizacion de las fibras de celulosa que componen la pared celular.

Posee normalmente aberturas por donde puede circular el agua entrecelulas vecinas ya que es impermeable al agua.

Componentes. El principal componente de la pared celular es lacelulosa, un polisacarido de glucosas conectadas con enlaces del tipo β1-4.Las largas cadenas de glucosa se asocian paralelamente entre sı paraformar microbrillas, las cuales pueden tener un diametro variable, que a suvez se asocian para formar las fibras de celulosa. Estas fibras son visibles almicroscopio y tienen una resistencia enorme a la tension, parecida a la delacero. Las fibras de celulosa estan formadas, ademas de por lasmicrofibrillas, por hemicelulosa, pectinas, que tambien son glucidos, yglucoproteınas. La hemicelulosa es una familia de polisacaridos que varıaentre los distintos tipos celulares, siendo los xiloglucanos el tipo dehemicelulosa mas abundante. Las pectinas son el tipo de polisacarido masvariado de las paredes celulares primarias, mientras que estan ausentes delas secundarias. Son moleculas altamente hidrofılicas. La calosa es unpolisacarido que se situa entre la membrana de la celula y la porcioncelulosıtica. Su sıntesis aumenta en respuesta a heridas o patogenos ycierra la comunicacion entre celulas. La lignina es un polifenol que sedeposita en las paredes secundarias, y restringe la difusion de agua. En lasparedes celulares de los tejidos de proteccion como la epidermis sedepositan sustancias como la cutina y la suberina, que son depositos

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Figura 16: Organizacion de las diferentes capas de la pared celular de las celulas con

crecimiento secundario.

lipıdicos que impiden la perdida de agua de los tejidos.

Lamina basalLa lamina basal es una delgada capa de matriz extracelular que se

encuentra en la base de todos los epitelios, tambien envolviendo a lascelulas musculares y a las celulas nerviosas que se encuentran fuera delsistema nervioso central. Sus principales funciones son dar soporte fısico yactuar como barrera con una permeabilidad selectiva. En los glomerulosdel rinon es importante en la filtracion de la sangre. La lamina basalesta formada por varios tipos de moleculas que forman un entramado enforma de malla. Estan presentes el colageno tipo IV, la laminina, elproteoglucano perlecano y la proteına nidogen. La lamina basal se une alas membranas celulares por la adhesion entre las integrinas, situadas enlas membrana plasmatica, y las lamininas.

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Matriz extracelular de tejidos conectivos propiamente dicholaxo y denso

El tejido conectivo propiamente dicho de tipo laxo esta formado poruna matriz extracelular poco densa formada sobre todo por hialuronato yproteglucanos, con poca proporcion de moleculas de colageno y de fibraselasticas. Su principal mision es rellenar e hidratar espacios intercelulares yser el medio por el que viajan una gran diversidad de celulas que se puedenencontrar en este tejido, ademas de los fibroblatos. Sin embargo, en eltejido conectivo propiamente dicho de tipo denso abundan las fibras decolageno que se disponen paralelas a la tension mecanica que soportanestos tejidos, como ocurre en los tendones, o de forma mas desorganizadacomo ocurre en la dermis o en el sistema digestivo. En este tipo de matrizextracelular pueden ser abundantes las fibras elasticas, como ocurre en lapared de las arterias.

CartılagoLa resistencia y elasticidad del cartılago es debida a la matriz

extracelular producida por los condrocitos. Esta matriz extracelularesta formada principalmente por fibras de colageno tipo II que formanaproximadamente el 25 % de la masa seca, aunque tambien estan presentesel colageno tipo IX y XI en menor poporcion. La segunda molecula masabundante son los glucosaminoglucanos, como el hialuronato o el agrecano,los cuales se asocian para formar grandes agregados. Ası, el colagenoresiste fuertes tensiones de estiramiento y los glucosaminoglucanos resistengrandes presiones mecanicas. En el cartılago de tipo elastico abundan lasfibras elasticas y aporta elasticidad a estructuras tales como la faringe, laepiglotis o al pabellon auditivo.

HuesoEn el hueso existen fibras de colageno tipo I inmersas en una matriz de

cristales de fosfato calcico (suponen dos tercios del peso seco del hueso).Ambos elementos aportan al hueso sus propiedades: el colageno permite laelasticidad para que no sea fragil y los cristales de fosfato calcico sudureza. La magtriz extracelular del hueso contiene diversos tipos deproteoglucanos y de glucoproteınas en menores proporciones, aunque sonmuy importantes para la organizacion del colageno, la mineralizacion y lareabsorcion del hueso.

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Suero sanguıneoAlgunos autores consideran que el suero sanguıneo es una matriz

extraordinariamente especializada donde mas del 90 % del pesocorresponde al agua. Otros no lo encuadran dentro del termino matrizextracelular. Sin embargo, es el elemento que rodea a las celulassanguıneas. La proteına mas abundante del suero es la albumina, cuyaprincipal mision es mantener una presion osmotica correcta entre elinterior de los vasos sanguıneos y los tejidos que los rodean, por ejemploevitando la formacion de edemas. Otras proteınas abundantes son lasγ-inmunoglobulinas, anticuerpos del sistema inmune, y otras sin actividaddefensiva como son las α- y β-globulinas. Estas ultimas sirven paratransportar determinados productos como el hierro o el cobre. En el suerotambien aparecen moleculas como la fibronectina que se puedenintercambiar con el tejido conectivo que rodea a los vasos sanguıneosa. Elfibrinogeno presente en el suero es una molecula esencial para lacoagulacion de la sangre. Las demas moleculas de bajo peso molecular queestan en el suero tambien se pueden encontrar en los tejidos circundantespuesto que atraviesan libremente los capilares sanguıneos.

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