jueves, 6 de abril de 2017

3 LA MATRIZ EXTRACELULAR

Si estamos trabajando con células libres, individuales en suspensión, el citosol se encuentra encerrado por una o varias barreras como la membrana y las paredes celulares, y a su alrededor lo que debe haber es agua, agua con nutrientes en los que el organismo pueda sobrevivir, pero si el organismo se asocia ocurre un cambio. Las células se agrupan, producen una cutícula y una masa de sustancias conocidas como matriz extracelular (De Duve & Pizano, 1995). Tanto los eucariotas como las bacterias y arcaicas (Fröls, 2013; Orell, Fröls, & Albers, 2013) pueden generar diferentes grados de complejidad de la matriz extracelular, pero las más especializadas son generadas por las células eucarióticas.

La matriz extracelular es una colección variable de moléculas segregadas por las células que se agrupan para vivir como una sola entidad, la cual provee un soporte estructural y bioquímico a las células insertadas (Karp, 2013; Michel, Tonon, Scornet, Cock, & Kloareg, 2010). Debido a que la pluricelularidad y la multicelularidacd ha evolucionado de manera independiente y con diferentes grados de complejidad en todos los linajes de seres vivos, la composición de la matriz extracelular varía mucho (Abedin & King, 2010). Sin embargo, aunque no existan homologías, si se pueden establecer analogías debido a la evolución convergente de procesos tales como la adhesión célula a célula, la comunicación entre los individuos insertados en la matriz y las funciones secundarias que puede adquirir la matriz extracelular o MEC dependiendo de su contenido de moléculas y viscosidad.

La matriz extracelular de los animales incluye la membrana basal y el fluido intersticial (Kumar, Abbas, Fausto, & Aster, 2014).  El fluido intersticial  está presente en varias células animales en los espacios intercelulares. Geles de polisacários y proteínas fibrosas llenan el espacio intersticial y actúan como un amortiguador de compresión contra las fuerzas a las que es sometido el tejido como un todo (Alberts et al., 2004). La membrana basal está constituida por deposiciones en forma de hoja de matriz extracelular “MEC” en varios tipos de tejidos epiteliales donde se anclan las células.

Cada tipo de tejido posee una MEC diferente, por ejemplo el tejido óseo pose un MEC tan viscoso que es sólido y muy duro debido a la combinación del colágeno con los minerales de hidroxiapatita; el tejido conectivo general tiene una viscosidad gelatinosa debido a las fibras de colágeno; y el MEC del tejido circulatorio sanguíneo es extremadamente líquido para favorecer una circulación con poco esfuerzo (Ross & Pawlina, 2011).

En las plantas la MEC incluye los componentes de las paredes celulares como la célulosa, en adición a una compleja red de moléculas señalizadoras (Brownlee, 2002). Algunas células vegetales que se encuentran en la transición a la pluricelularidad pueden generar biopelículas/bioplacas en la cual el MEC es una solución polimérica muy viscosa y pegajosa, tal como ocurre en las bacterias (Kostakioti, Hadjifrangiskou, & Hultgren, 2013).

3.1 Composición

Los componentes de la MEC se producen intracelularmente en por las células del tejido siendo secretadas al espacio intercelular por medio de exocitosis. Una vez en el espacio intercelular, la MEC favorece la agregación y organización de las células en su interior. La MEC es una combinación compleja de las sustancias que ya habíamos visto cuando discutimos el citosol y otras sustancias que favorecen la agregación celular como proteínas fibrosas y glicosaminoglicanos (Plopper, 2007).

3.1.1 Proteoglicanos

Los glicosaminoglicanos son carbohidratos complejos, es decir polisacáridos, poseen una alta afinidad por las proteínas fibrosas de la matriz extracelular para formar proteoglicanos. El ácido hialurónico es una excreción que se discutirá independientemente. Dado que los proteoglicanos poseen una carga neta negativa, las células como conjunto deben regular la carga para no descontrolar otros equilibrios electro-osmóticos, para esto se emplea el ion sodio(1+). Los proteoglicanos pueden actuar como pastores de moléculas, pudiendo solvatar agua o atraer otras proteínas como los factores de crecimiento. 

3.1.1.1 Sulfato de heparano

Es un polisacárido lineal encontrado en todos los tejidos animales y se encuentra asociado a proteínas fibrosas. Las cadenas del sulfato de heparano se encuentran cerca de las células y actúa como un regulador de muchos procesos biológicos como la angiogénesis, la coagulación y la metastasis tumoral. En la matriz extracelular, especialmente en la membrana basal el sulfato de heparano se encuentra asociado a las proteínas perlecano, agrina y colágeno XVIII (Gallagher & Lyon, 2000; Iozzo, 1998).

3.1.1.2 Sulfato de condroitina

Es un proteoglicano con propiedades elásticas, que a su vez proporciona elasticidad al cartílago, los tendones, los ligamentos y las paredes de la aorta (Hensch, 2005). 


3.1.1.3 Sulfato de queratano

Se encuentra presente en córneas, cartílago, hueso y los cuernos de los animales (Bashkin et al., 1989; Ruoslahti, 1996).


3.1.2 Ácido hialurónico

También conocido como hialuronano es un polisacárido que consiste en residuos alternantes de ácido d-glucorónico y N-acetilglucosamina, pero no se asocia a proteínas fibrosas. El ácido hialurónico es una molécula de amortiguación de impactos, lo que contribuye a un aumento en la viscosidad del tejido, permitiendo la resistencia a la compresión (Hay, 2013; Landau & Fagien, 2015; Paliwal et al., 2014). 

3.1.3 Proteínas de la matriz extracelular

Las proteínas se encargan de organizar a las células de un tejido, y además confieren propiedades específicas (Hay, 2013).


3.1.3.1 Colágeno

Los colágenos, en plural, son el tipo de proteínas más abundante de la MEC. De hecho los colágenos son las proteínas más abundantes en el cuerpo humano, aportando el 90% de las proteínas de una matriz extracelular. Los colágenos son proteínas fibrilares que dan soporte estructural, como si fueran andamios, a los tejidos. El colágeno es excitado como una molécula precursora inactiva llamada procolágeno, la cual es clavada por medio de enzimas proteasas, una vez cortadas en las partes indicadas, los segmentos se re-ensamblan en las fibras del andamio (Hay, 2013).  Los colágenos pueden ser divididos en varias familuas dependiendo de las estructuras que forman: Fibrilares: tipos I, II, II, V, XI. Facitos: tipos IX, XII, XIV Cadena corta: tipos VIII y X. De la membrana basal: tipo IV. Otros: tipos VI, VII, VIII. (Hay, 2013).

3.1.3.2 Elastina

Las elastinas en contraste a los colágenos, otrogar elasticidad, que es la capacidad de recuperar la forma cuando se es extendido un tejido. Es util para los vasos sanguíneos, pulmones, la piel y otros tejidos elasticos. Las elastinas son sitentizadas por los fibroblastos y el músculo liso (Hay, 2013). 

3.1.3.3 Fibronectina

Las fibronectinas son glucoproteínas que conectan las células con las fibras de colágeno en la MEC, permitiendo que las células se muevan junto a la MEC. Las fibronectinas se unen al colágeno y a receptores de la membrana de las células llamadas integrinas, causando una reorganización del citoesqueleto celular para facilitar el movimiento celular. La fibrinectina es segregada por como un precursor inactivo no plegado pero afin a las integrinas. Cuando se une a las integrinas se pliega en su forma activa con afinidad por el colágeno. Las fibronectinas también ayudan a la coagulación mediante la unión de las plaquetas (Hay, 2013).

3.1.3.4 Laminina

Son proteínas encontradas en la lámina basal de casi todos los animales. En lugar de formar fibras como los colágenos, las lamininas forman redes que resisten a las fuerzas de tensupin en la lámina basal, apoyan la adhesión celular y se unen a otros componentes de la MEC como los colágenos (Hay, 2013).

3.1.4 Vesículas extracelulares

En 2016 fue reportada la presencia de ácidos nucleicos, tanto ADN como ARN asociado a nanovespiculas vinculadas a la matriz. Estas micro-vesículas fueron confirmadas como de tamaño y forma semejante a otros exosomas reportados con anterioridad. Al parecer su función es regular la activación de macrófagos que patrullan la matriz en busca de bacterias invasoras, además de regular la proliferación, migración y apoptosis del tejido, por lo que deben tener algo que ver con el cáncer (Huleihel et al., 2016).


3.1.5 Sedimentos inorgánicos

Algunas sales no solubles se depositan en las fibras de la MEC provocando el desarrollo de una rigidez mayor, tal es el caso de la hidroxiapatita, que contribuye a la diluyera del hueso (Wang et al., 2014).


3.2 Propiedades

De cierta forma, no son las células aisladas las que determina n la propiedad de un tejido, y en ese sentido debería reevaluarse la definición de tejido como un conjunto de células de un mismo tipo que llevan a cabo una función determinada. Los tejidos están más condicionados por sus respectivas matrices extracelulares que por las células que los componen. Un tejido debe evaluarse como un todo, células de un mismo tipo embebidas en una matriz extracelular específica que realizan funciones determinadas (Hay, 2013).

3.2.1 Rigidez y elasticidad

La matriz extracelular “MEC” no es una entidad única, la diferente mezcla de factores crea diferentes tipos de MEC que determina a su vez las propiedades del tejido. Por ejemplo las propiedades elásticas del cartílago y la dureza de los huesos son todas originadas por las sustancias que componen la MEC. Las células pueden detectar las propiedades mecánicas del ambiente inmediato, esto es importante en muchos procesos celulares como la contracción, la migración celular, la proliferación, la diferenciación y la apoptosis (Hay, 2013). 

3.2.2 Epigenética

Las diferentes propiedades mecánicas de la MEC ejercen efectos tanto en el comportamiento de la célula como en la expresión genética. Aunque el mecanismo que lo permite aún no está completamente elucidado, se piensa que las fuerzas contráctiles del colágeno se transmiten a los receptores de membrana, de allí al citoesqueleto y una vez en el citoesqueleto se dan la activación de mensajeros intracelulares secundarios que transmiten la señal hasta los núcleos (Hay, 2013).

3.2.3 Diferenciación celular

La elasticidad de la MEC dirige la diferenciación celular, proceso en el cual una célula pluripotemnte o multipotente se especializa por medio de divisiones mitóticas en células de un tejido funcional específico. Esto es un aspecto vital para la impresión tridimensional de órganos, una tecnología de clonación con la que se aspira poder crear órganos de reemplazo a la medida. Las impresoras deben imprimir empleando células y una matriz extracelular. Debido a que la matriz extracelular dirige la especialización de la diferenciación celular, cada órgano deberá poseer un tipo de MEC específica (Hay, 2013).


3.2.4 Durotaxis

También llamada mecanotaxis, es el movimiento direccionado de la motilidad celular o ectocrecimiento, por ejemplo como en el caso del ectocrecimiento axonal, o arriba o abajo de un gradiente de rigidez. Estos gradientes de rigidez están a menudo presentes en biomateriales crecidos con las células de interés, donde los gradientes se establecen alterando el grado de uniones cruzadas del polímero. Los mecanismos moleculares detrás de la durotaxis se enfocan principalmente en la adhesión focal, un enorme complejo de proteínas son capaces de alterar la forma de la célula en zonas específicas permitiendo un movimiento ameboideo, por lo que se trata evidentemente de modificaciones del citoesqueleto (Hay, 2013).

3.3 Adhesión

Muchas células se unen a componentes de la MEC. La adhesión celular ocurre mediante adhesiones focales en las que se conecvta el citoesqueleto a las fibras de la MEC a través de receptores intermembranañles condóminos tanto a fuera como al interior de la membrana(Hay, 2013).

3.4 En las plantas

La matriz extracelular de los vegetales es primariamente su pared celular, la cual está constituida por una serie de capas laminares de microfibras de celulosa embebidas en una matriz de glicoproteínas. Al contrario de las MEC de los animales y bacterias, la MEC de las plantas es extremadamente viscosa, por lo que torga rigidez y una “sequedad” al tejido vegetal, por donde el aire puede penetrar con relativa facilidad (Hay, 2013).

3.5 En las bacterias

La MEC en las bacterias se encuentra compuesta principalmente por polisacáridos, proteínas, ácidos nucleicos y lípidos, y proveen estabilidad mecánica para la formación de las bioplacas bacterianas. En adición la matriz actúa como una suerte de protosistema, en el cual se vierten enzimas relacionadas con las funciones de digestión, comunicación, protección, así como un sistema que permite emitir desechos al ambiente (Bremer, Flint, Brooks, & Palmer, 2015; Donlan, 2016).

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