Proteínas Matriz Extracelular PDF

7.-Proteínas de la sustancia fundamental del tejido conjuntivo: proteínas fibrosas: colágeno y elastina. Fibronectina y otras proteínas de unión celular Facultad de Odontología. Curso 2024-2025 2.3- Soluciones amortiguadoras Generalidades MEC...

7.-Proteínas de la sustancia fundamental del tejido conjuntivo: proteínas fibrosas: colágeno y elastina. Fibronectina y otras proteínas de unión celular Facultad de Odontología. Curso 2024-2025 2.3- Soluciones amortiguadoras Generalidades MEC Integrinas Fibronectina Fibras de elastina Fibras de colágeno  MATRIZ EXTRACELULAR (ECM o MEC) - Acelular: red de macromoléculas que conforman un lecho gelatinoso tridimensional en el que se desarrollan las células. - Soporte tridimensional (armazón estructural y soporte) - Participa en la regulación de procesos básicos: proliferación, la diferenciación, la migración e incluso la supervivencia de las células. - Red dinámica: remodelado (enzimas que degradan MEC como las metaloproteinasas). - Lo sintetizan y secretan las células conectivas: como fibroblastos, osteoblastos y condrocitos. - Unión de ciertos componentes de la MEC a la superficie de las células mediante integrinas = transmisión de señales mecánicas resultantes del estiramiento y compresión de los tejidos. La abundancia relativa, la distribución y la organización molecular de los componentes de la MEC varían enormemente en función del tipo de tejido, la etapa del desarrollo y el estado patológico. Esto determina su función. Destacan: colágeno, elastina y otras glucoproteínas estructurales (proteoglucanos) y proteínas de adhesión (fibronectina). Baynes, J. W., & Dominiczak, M. H. (2024). Bioquímica médica (Edición 6th). Elsevier Limited (UK). https://clinicalkeymeded.elsevier.com/books/9788413827186  INTEGRINAS - Tipo de receptor de la superficie celular que actúa como mediador en la transducción de señales desde la MEC hasta reacciones bioquímicas y mecánicas en el citoplasma, que finalmente dan lugar a alteraciones en la morfología y la función celular. - Esta señal es bidireccional (inside-out y outside-in signalling). - Heterodímeros de cadenas α (18) y β (8). La combinación específica de cadenas α y β (24 descritas) dicta el ligando específico de la MEC para un heterodímero de integrina concreto. Por ejemplo, moléculas con secuencia RGD (Arg, Gly, Asp) como la laminina, fibronectina o colágeno IV, entre otras. Señal bidireccional Current Drug Targets 12(12):1859-70. 2011 British Journal of Cancer volume 115, pages1017–1023(2016) Aunque las integrinas no poseen por sí mismas actividad enzimática, se asocian con una serie de proteínas cinasas citoplásmicas, que pueden iniciar una cascada enzimática, activando cambios en el comportamiento y la expresión génica de la célula.  FIBRONECTINA - Proteína multiadhesiva: que modula el ensamblaje de otras proteínas de la matriz extracelular y promueve la adhesión, la migración y la señalización celular. Codificada por un gen, pero con distintos procesamientos de mRNA que dan lugar a 20 tipos distintos de fibronectina, en función de tejido. Estructura: dos cadenas peptídicas unidas por enlaces disulfuro cerca del extremo C-terminal. 230 KDa x2 Cada subunidad de la fibronectina está organizada en dominios estructurales conocidos como I, II y III, y cada uno de éstos tiene varias unidades repetidas homólogas o módulos en su estructura primaria. Además, cada unidad está formada por los dominios funcionales según su afinidad de unión a componentes de la matriz extracelular, incluyendo el colágeno, la heparina y los receptores de la superficie celular o integrinas. Meisenberg y cols, Principios de bioquímica. Editorial Elsevier. 2018  Mediante la secuencia de aminoácidos característica Arg, Gly y Asp (RGD) localizada en el dominio III10 se une a integrinas, que es un receptor situado en la superficie de una célula. Se han definido dos formas diferentes: La fibronectina plasmática: forma soluble de la proteína, sintetiza en hígado. Carece de dos de las repeticiones de tipo III. Función: - unir las plaquetas circulantes a un coágulo a través de los receptores de integrinas. - actúa en la fagocitosis y en la cicatrización celular. La fibronectina de la matriz extracelular: forma insoluble, sintetizada por fibroblastos. Función: - molécula de adhesión celular (uniendo células entre sí y otros sustratos como el colágeno), importante en la migración celular, y estado de diferenciación de la célula.  FIBRAS DE ELASTINA - Aportan RESISTENCIA A LA TENSIÓN, recuperando su conformación inicial cuando ésta cesa. - Presente en la MEC de casi todos los tejidos conectivos, principalmente, en arterias próximas al corazón y al pulmón, ligamentos y piel. - Elevada vida media (40 años). Con la edad y determinadas enfermedades se degrada y fragmenta, lo que conduce a un incremento en la rigidez de la pared arterial. - Formadas por Núcleo ELASTINA* (insoluble, polimérico y amorfo) Recubrimiento Microfibrillas de fibrilinas (diferentes glucoproteínas) (andamios) Aportan estabilidad de a la fibra (síndrome de Marfan) ELASTINA (tropoelastina) - Componente principal de las fibras elásticas (90%). A los monómeros de elastina se denominan tropoelastina. - Un solo polipéptido, codificado por un único gen. - Alto contenido en residuos no polares: Glicina (33%) Prolina, valina y alanina Poca 4-hidroxiprolina y no tiene hidroxilisina Lisina (K), importante en los entrecruzamientos. Moore J, Thibeault S. Journal of Voice, Volume 26, Issue 3, 2012, 269–275  TROPOELASTINA - Los aminoácidos se disponen formando dominios hidrofóbicos e hidrofílicos: Dominios hidrofóbicos: Dominios hidrofílicos (entrecruzamiento). Segmentos responsables de las Segmentos ricos en residuos de alanina (A) y propiedades elásticas de la molécula, cuya lisina (K), que forman secuencias como Lys- composición está formada principalmente Ala-Ala-Lys- y Lys-Ala-Ala-Ala-Lys, que por glicina y valina, que forman giros  y participan a través de la Lisina en la agrupamientos helicoidales de los giros  formación de enlaces covalentes cruzados. que forman espirales . Mecham R. Methods 45: 32–41. 2008. Valina: las débiles interacciones entre residuos de valina en Lisina*: implicada en el los dominios hidrofóbicos aportan elasticidad a la molécula. entrecruzamiento intermolecular Herrera Castillón E. Bioquímica básica Elsevier Limited (UK), 2014.  La tropoelastina sintetizada por las células (fibroblastos) es secretada a la matriz extracelular, y permanece unida a la superficie de la célula donde se forman agregados con glicoproteínas (fibulinas 4 y 5) y la enzima LISIL OXIDASA (LOX)* que es la enzima que comienza a establecer entrecruzamientos. J. Mater. Chem. B, 2020,8, 9239-9250 *Fibulinas: glicoproteína de la MEC, que interacciona con las integrinas (región RGD) permitiendo la correcta organización de las fibras elásticas durante la elastogénesis y que los componentes de las fibras elásticas se mantengan en la proximidad de la superficie celular  Entrecruzamientos de tropoelastina: LISIL OXIDASA (LOX) LOX: Enzima de la MEC que cataliza la desaminación oxidativa de las lisinas de las secuencias específicas de la región hidrofílica. La reacción consume oxígeno molecular y libera amoniaco y la enzima es dependiente de cobre. El producto de la reacción se llama ALISINA. La alisina tiene un grupo aldehído reactivo que tiende a reaccionar con otras lisinas o alisinas de otros monómeros de tropoelastina, generando nuevos enlaces covalentes cruzados que estabilizan la red. Cuando el aldehído reactivo de la alisina se condensa con: ▪ lisina. Se genera un enlace cruzado denominado dehidrolisino-norleucina (dLNL). ▪ alisina: se genera un entrecruzamiento de condensación tipo aldol (ACP). Bioorganic Chemistry, 01 Aug 2014, 57:231-2418 ▪ Enlace cruzado entre 3 alisinas y 1 lisina: se forma un entrecruzamiento tetrafuncional o piridino, que es la molécula de DESMOSINA o de isodesmosina. Baynes, John. Bioquímica médica. Disponible en: ClinicalKey Student, (Edición 5th). Elsevier Limited (UK), 2019. Herrera Castillón E. Bioquímica básica Elsevier Limited (UK), 2014.  FIBRAS DE COLÁGENO Principal proteína de la MEC y la más abundante del individuo (30% masa proteica total). Sintetizada por fibroblastos. Se encuentra en todos los tejidos y órganos en grado variable y garantiza la resistencia a la tracción de los tejidos. TROPOCOLÁGENO: unidad fundamental del colágeno. Homotriméricas - Formado por tres cadenas  polipeptídicas de igual tamaño (≈1000aa, 45 tipos distintos). Heterotriméricas. - Cada una es una hélice levógira, y las tres se arrollan para formar una superhélice dextrógira con 3 residuos de aminoácidos por vuelta, denominada triple hélice de colágeno. Se conocen 28 tipos de colágeno distintos, en función de la combinación de tipo de cadenas. Clasificación: Colágenos formadores de fibrillas: proporcionan fuerza contráctil a los tendones, ligamentos y piel. Supone el 90% de los colágenos. Colágenos no fibrilares: forman mallas, componentes fundamentales de las membranas basales. Asociados a fibrillas: que unen fibras de colágeno con otros componentes de la MEC. No fibrilares: Segmentos de triple hélice de longitud variable, interrumpidos por uno o más segmentos no helicoidales intercalados. Colágenos asociados a fibrillas con triples hélices interrumpidas (FACIT) Colágenos transmembrana. Colágenos con múltiples dominios triple helicoidales con interrupciones Theocharis A, Skandalis S, Gialeli Ch, Karamanos N. Advanced Drug Delivery Reviews, Volume 97, 2016, 4–27  COLÁGENO TIPO I: TROPOCOLÁGENO El TROPOCOLÁGENO es la unidad básica de la fibra de colágeno, formada por una triple hélice de tres cadenas polipeptídicas entrelazadas: 2 cadena α 1 y una copia de la cadena α 2. La secuencia repetida característica de las cadenas peptídicas del tropocolágeno es Gly-X-Y, donde X e Y puede ser cualquier aminoácido, pero lo más frecuente es que “X” sea prolina e “Y” 4-hidroxiprolina e hidroxilisina. ▪ Glicina (33%): uno de cada 3 aminoácidos es glicina. Su pequeña cadena lateral permite que se sitúe en el interior de la hélice. Interviene en la formación de puentes de hidrógeno intercatenarios. ▪ Prolina (Pro- 12-20%) e hidroxiprolina (HyP-10%): La 4- hidroxiprolina interviene en la formación de los puentes de hidrógeno entre las cadenas  del tropocolágeno. Lo voluminoso de su anillo, hace que estos aminoácidos se proyecten hacia el exterior, dando un marcado giro a la hélice del colágeno que da lugar a lo que se conoce como hebras de poliprolina Rodríguez L. Compendio de histología médica y biología celular. Editorial Elsevier, 2015. tipo II (no se forma una hélice α convencional): - 3 aa por vuelta ▪ Lisina e Hidroxilisina (0,6%): La lisina e hidroxilisina pueden sufrir - un avance de 0,30 nm por aminoácido desaminación oxidativa para generar alisina e hidroxialisina que - sin puentes de hidrógeno intracatenarios intervienen en la formación de entrecruzamientos covalentes entre - dos veces más alargada que la hélice α. moléculas de tropocolágeno. La hidroxilisina ofrece lugares de glicoxilación.  ETAPAS DE LA SÍNTESIS DE TROPOCOLÁGENO Herrera Castillón E. Bioquímica básica Elsevier Limited (UK), 2014. 1.- TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN de los genes implicados. La cadena de polipéptido naciente, PREPROCOLÁGENO, se sintetiza con una secuencia señal hidrofóbica (20 aa N-terminal) que dirige la cadena polipeptídica creciente a la luz del retículo endoplasmático. 2.- ELIMINACIÓN DEL PÉPTIDO SEÑAL del preprocolágeno, que pasa a denominarse PROCOLÁGENO. 3.- PROCESOS DE HIDROXILACIÓN en residuos de lisina y prolina. Enzima prolina hidroxilasa y lisina hidroxilasa*. 4-prolina hidroxilasa Pro Esencial para las uniones (puentes de hidrógeno) en el interior de la estructura 4-HidroxiPro trihelicoidal, que contribuye a su estabilidad. 5-lisina hidroxilasa Lys 5-HidroxiLys Necesaria para formar enlaces intermoleculares (entre las moléculas de tropocolágeno) y además son lugares donde se añaden carbohidratos. PROLINA Y LISINA HIDROXILASAS Estas hidroxilasas descarboxilan -cetoglutarato hacia succinato, empleando oxígeno molecular e hidroxilando a la prolina en posición 4. Estas enzimas contienen hierro no hemo (Fe2+), que en el transcurso de la reacción se oxida y la enzima se inactiva. La recuperación de la enzima útil, con el hierro reducido se puede llevar a cabo mediante una reacción con ácido ascórbico, que reduce el hierro, formándose dehidroascorbato y restaura la actividad de la enzima. Townsend. Fundamentos biológicos de la práctica quirúrgica moderna. Editorial Elsevier, 2013 En ausencia de vitamina C, no tiene lugar la correcta hidroxilación de los residuos de Pro y Lys, se altera la formación de puentes de H que estabilizan la triple hélice y los entrecruzamientos con otras hélices= escorbuto (lesiones en la piel, vasos sanguíneos frágiles, escasa cicatrización de las heridas, pérdida de dientes, etc) Ferrier D. Lippincott´s illustrated reviews biochemistry. Ediciones Wolters Kluwer., 2014 4.- GLICOXILACIÓN 5: FORMACIÓN DE LA TRIPLE HÉLICE DE PROCOLÁGENO. Incorporación en algunos residuos de 5-HIDROXILISINA Asociación de tres cadenas de procolágeno por los extremos C-terminales de: mediante enlaces disulfuro inter e intracatenarios. El plegamiento progresa hacia el - galactosa (enzima galactosil transferasa) extremo N-terminal. - glucosa (Glucosil transferasa) formar un disacárido Las extensiones N y C terminales se denominan propéptidos, que no forman la por la adición de glucosa a la galactosil hidroxilisina. triple hélice por su composición inusual de aminoácidos respecto a lo descrito. Herrera Castillón E. Bioquímica básica Elsevier Limited (UK), 2014. 6, 7 Y 8.- SECRECIÓN DEL COLÁGENO La triple hélice se transporta del RE al aparato de Golgi, donde es empaquetado en vesículas secretoras y exportado al espacio extracelular por exocitosis. En este estadio el procolágeno aún es soluble y contiene extensiones adicionales no helicoidales en sus N- y C -terminales. 9: ELIMINACIÓN DE LOS EXTREMOS N Y C-TERMINALES NO HELICOIDALES Los péptidos de extensión aminoterminales y carboxiterminales, no helicoidales (propéptidos), se eliminan en el espacio extracelular por metaloproteinasas: proteinasas del procolágeno N y C terminales específicas, formándose así la molécula de TROPOCOLÁGENO, con nuevos extremos no helicoidales, llamados telopéptidos. Telopéptido región no helicoidal Herrera Castillón E. Bioquímica básica Elsevier Limited (UK), 2014.  10.- PROCESAMIENTO EXTRACELULAR Y ENSAMBLAJE (COLÁGENO TIPO I): La enzima LISIL OXIDASA (LOX) desamina oxidativamente el grupo amino de las cadenas laterales de algunos residuos de lisina e hidroxilisina de los telopéptidos, dando lugar a derivados aldehídos reactivos, conocidos como alisina e hidroxialisina. Estos aldehídos reaccionan de manera no enzimática con otros aldehídos o residuos de hidroxilisina o de lisina para establecer uniones intramoleculares o intermoleculares di, tri o tetravalentes. Con ello, las moléculas de tropocolágeno se autoensamblan en fibrillas de colágeno insolubles, y son estabilizadas por uniones tanto intramoleculares como intermoleculares, derivados de aldehídos en la región de los telopéptidos.  En las fibrillas de colágeno, las superhélices se agrupan de forma escalonada, de forma que cada una se encuentra desplazada un cuarto de su longitud respecto a la anterior. Esta disposición le confiere el aspecto de bandas al microscopio electrónico de las fibras de colágeno de los tejidos conectivos. Meisenberg, Gerhard, y William H. Simmons. Principios de bioquímica médica. Disponible en: ClinicalKey Student, (Edición 4th). Elsevier Limited (UK), 2018. Amirrah, I.N. y cols. Biomedicines 2022, 10, 2307 Las macromoléculas de tropocolágeno se agrupan entre sí mediante entrecruzamientos, que forman las microfibrillas de colágeno. Centenares de estas microfibrillas se unen formando fibras colágenas. Las fibras de colágeno tienden a agruparse en conjuntos más grandes, llamados haces colágenos.  Enfermedad Definición Síndrome de Marfan Mutaciones en el gen de la fibrilina 1, que forma parte de las microfibrillas de Personas altas, con dedos largos y delgados fibrilina de la fibra elástica. Disminución de la elastina (aracnodactilia); cristalinos desplazados (ectopia lentis), y la capa media de las grandes arterias débil. Osteogénesis imperfecta Con frecuencia es causada por un defecto en un gen que produce el colágeno tipo I: Fracturas repetidas, huesos quebradizos, dientes COL1A1 y COL1A2. Transmisión autosómica dominante. anormales, piel delgada, tendones débiles, escleróticas azules, sordera progresiva. Muchas de estas mutaciones son sustituciones de una sola base que convierten la glicina de la repetición Gly-X-Y en aminoácidos voluminosos, impidiendo con ello el plegamiento correcto de las cadenas polipeptídicas de colágeno en una triple hélice y su ensamblaje en fibrillas de colágeno. Escorbuto Deficiencia de ácido ascórbico, trastorno en la hidroxilación de residuos de prolina y Defectos del tejido conjuntivo, sangrado, pérdida de de lisina por bloqueo de la enzima prolina y lisina hidroxilasa. dientes. Latirismo Inhibición irreversible de la enzima lisil oxidasa por una sustancia presente en las Anomalías en huesos, articulaciones y grandes vasos semillas del guisante dulce (Lathyrus odoratus) sanguíneos Síndrome de Ehler´s Danlos Es el nombre por el que se conocen un grupo heterogéneo de enfermedades Hiperlaxitud articular, hiperextensibilidad de la piel y hereditarias del tejido conectivo (“hombre de goma”) con orígenes variados fragilidad de los tejidos (enzimas de la síntesis de colágeno, como la lisil hidroxilasa, COL1A1, COL5A1).  PROTEOGLICANOS GLUCOSAMINOGLICANOS (GAG) (95% de la molécula) Estructuras formadas por proteínas (5%) Los GAG son carbohidratos; componentes formadores del gel de la MEC, en el que se encuentran inmersas las proteínas. Generan un gel que proporciona, además, soporte mecánico, flexibilidad y elasticidad a la matriz, permitiendo que se produzca compresión y reexpansión. Estructura: La unidad básica de los proteoglucanos consiste en una proteína núcleo (proteínas de membrana o de secreción) a la que se unen covalentemente uno o varios glucosaminoglucanos*. La unión de los GAG suele ser a través de un residuo de serina de la proteína presente generalmente en la secuencia Ser-Gly-X-Gly (donde X es cualquier aminoácido). El GAG se une a la serina generalmente a través de un puente trisacárido Xyl-Gal-Gal- (xilosa, galactosa). El ácido hialurónico y queratán sulfato, por un pentasacárido: Xyl-Gal-Gal-GlcA).  GLUCOSAMINGLICANOS (GAG) Polímeros lineales (hasta 100 residuos de glúcidos en una cadena) de disacáridos repetidos n veces. Disacárido de un grupo urónico (ácido de un glúcido) y un aminoazúcar. Son moléculas polianiónicas (grupos carboxilo y sulfatación): gran hidratación a la matriz extracelular (GELES) → conformación extendida en disolución (ocupan gran volumen). Los GAG justifican la función de hidratación, resistencia a presiones mecánicas o lubricación de los proteoglucanos. [4GlcUA1- 4GlcNAc1 Meisenberg y cols, Principios de bioquímica. Editorial Elsevier. 2018 GAG: glucosaminoglucano; CS: condroitín sulfato; DS: dermatán sulfato; KS: queratán sulfato; HS: heparán sulfato; GPI: glicerofosfatidilinositol; SLRP: proteoglucanos pequeños ricos en leucina, de Small Leucine-Rich Proteoglycan; FGF2: factor de crecimiento de fibroblastos 2, de Fibroblast Growth Factor 2. Los proteoglucanos presentan una asombrosa diversidad en el número de GAG unidos a sus centros, que pueden ser desde uno (decorina) hasta más de 200 (agrecano). Herrera Castillón E. Bioquímica básica Elsevier Limited (UK), 2014.