Tema 9: Biología Celular - Matriz Extracelular (PDF)

BIOLOGÍA CELULAR BLOQUE 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS Unidad Didáctica 9. Matriz extracelular e interacciones célula matriz BLOQUE 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 1...

BIOLOGÍA CELULAR BLOQUE 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS Unidad Didáctica 9. Matriz extracelular e interacciones célula matriz BLOQUE 2: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 1 Unidad Didáctica 9 Guion de la Unidad Didáctica 9 9.1 Proteínas estructurales de la matriz e interacciones célula-matriz 9.2 Interacciones célula-célula. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 2 Unidad Didáctica 9 Proteínas estructurales de la matriz e interacciones célula-matriz BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 3 Unidad Didáctica 9  Muchas de las células en los tejidos de los organismos pluricelulares se encuentran embebidas en una matriz extracelular La matriz extracelular (MEC) se constituye de: Proteínas secretadas Polisacáridos Rellena los espacios entre las células y entre las células y tejidos. Un tipo de matriz extracelular es la lámina basal (o membrana basal) sobre la que descansan las células epiteliales. La matriz extracelular es más abundante en el tejido conectivo, especialmente el tejido conectivo laxo. Otro tipos de tejido conectivo, como el hueso, el tendón o el cartílago, están constituidos fundamentalmente por matriz extracelular, que es la responsable principal de su estructura y función. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 4 Unidad Didáctica 9 BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 5 Unidad Didáctica 9  6 BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS Unidad Didáctica 9  Membrana basal La membrana basal subyace al epitelio celular típico o endotelio vascular y consta de dos capas estructurales delgadas. Una capa es la lámina basal formada por células epiteliales o endoteliales. La segunda capa es la lámina reticular formada por fibroblastos. Los datos del microscopio electrónico muestran que la lámina basal consiste en una lámina lúcida clara junto a las células epiteliales y una lámina densa opaca. La lámina lúcida contiene integrinas, lamininas (1, 5, 6 y 10) y colágeno XVII, así como colágeno tipo IV y distroglicanos. La lámina densa contiene fibras de colágeno tipo IV, proteoglicanos entactina / nidogen-1, perlecano y heparán sulfato. La lámina reticular contiene colágenos I, III y V y varios proteoglicanos. La invasión a través de la membrana basal requiere la expresión de muchos receptores de adhesión a la superficie celular y enzimas degradantes de la matriz. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 7 Unidad Didáctica 9  Proteínas estructurales de la matriz La matriz extracelular está constituida por: Proteínas fibrosas, resistentes, embebidas en una sustancia fundamental gelatinosa y de naturaleza polisacárida. Proteínas de adhesión que unen los componentes de la matriz entre sí, como a las células adyacentes. Tendón Las diferencias de los distintos tipos de matriz se debe a variaciones cuantitativas de los diferentes constituyentes y a modificaciones de su organización: Tendones: tiene mayor proporción de proteínas fibrosas Cartílago: alta concentración de polisacáridos que forman un gel firme y resistente a la compresión. Cartílago Hueso Hueso: constituido por cristales de fosfato cálcico. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 8 Unidad Didáctica 9  La proteína estructural principal de la matriz es el colágeno Proteína más abundante de los tejidos animales. Familia de proteínas constituida por más de 40 proteínas distintas. Forman hélices triples en las que tres cadenas polipeptídicas se enrollan estrechamente una alrededor de la otra formando una estructura en forma de cuerda. Los dominios de la triple hélice consisten en repeticiones de la secuencia Gly-X-Y. Se requiere de la Gly en cada 3ª posición para que las cadenas polipeptídicas puedan agruparse en forma de cuerda. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 9 Unidad Didáctica 9  La proteína estructural principal de la matriz es el colágeno En la posición X suele aparecer una Pro, y la Hidroxiprolina (Hyp) en la posición Y. Debido a su estructura en anillo, estos aminoácidos estabilizan la estructura helicoidal de las cadenas polipeptídicas. La Hyp se forma dentro del retículo endoplasmático a partir de la modificación de los restos de Pro que ya se han incorporado en la cadena polipeptídica. La enzima implicada en esta modificación es la Prolil hidroxilasa. Los grupos –OH de estos aminoácidos modificados estabilizan la triple hélice de colágeno formando enlaces de hidrógeno entre las cadenas polipeptídicas. X X Y Y BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 10 Unidad Didáctica 9 Existen 28 tipos diferentes de colágeno, con distintas funciones en las diferentes clases de matriz BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 11 Unidad Didáctica 9  Existen 28 tipos diferentes de colágeno, con distintas funciones en las diferentes clases de matriz El colágeno tipo I representa al colágeno fibrilar más abundante en los tejidos conectivos. Estos colágenos están constituidos por aproximadamente 1000 aminoácidos (330 repeticiones de Gly-X-Y). Tras ser secretados de las células, estos colágenos se ensamblan en fibrillas de colágeno, en las que las moléculas de triple hélice se asocian en una estructura regular y discontinua. La asociación de las moléculas de colágeno en fibrillas se refuerza debido a que se forman enlaces covalentes transversales entre las cadenas laterales de los restos de Lys e hidroxilisina (principalmente en los extremos de las moléculas). La fibrillas se asocian, además, unas con otras para formar las fibras de colágeno, las cuales pueden tener varias micras de diámetro. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 12 Unidad Didáctica 9  Existen 28 tipos diferentes de colágeno, con distintas funciones en las diferentes clases de matriz Los tejidos conectivos contienen colágenos asociados a fibrillas, que se unen a las superficies de las fibrillas del colágeno y las conectan entre sí y a otros componentes de la matriz. Las láminas basales están constituidas por el colágeno tipo IV que forman redes de colágeno. La secuencias Gly-X-Y se irrumpen frecuentemente por pequeñas secuencias no helicoidales, lo que le confiere mayor flexibilidad que los colágenos fibrilares. Por ello, se ensamblan en redes entrelazadas bidimensionales en lugar de fibrillas. Los tejidos conectivos también contienen fibras elásticas, que son abundantes en órganos con capacidad de cambiar de volumen de forma regular (Ej. Pulmones). Estas fibras elásticas se componen de una proteína denominada elastina. La elastina forma redes con puentes cruzados mediante enlaces covalentes entre las cadenas laterales de restos de Lys (similares a los del colágeno). Esta red se comporta como una goma elástica (se estira con la tensión y se retrae cuando se libera de la tensión). BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 13 Unidad Didáctica 9  Polisacáridos de la matriz extracelular (MEC) Las proteínas estructurales fibrosas de la MEC están embebidas en un gel formado a partir de unos polisacáridos denominados glicosaminoglicanos (GAG) compuestos por unidades repetidas de disacáridos. Uno de los azúcares del disacárido puede ser la N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina, y el segundo suele ser un ácido (ácido glucorónico o ácido idurónico). A excepción del ácido hialurónico, estos azúcares se modifican por la adición de grupos sulfato. Por ello, los GAG tienen una carga negativa elevada que atraen moléculas de H20 para formar geles hidratados, proporcionando el soporte de la MEC. El ácido hialurónico es el único GAG que aparece como una única cadena larga de polisacárido. Es producido por la acción de enzimas denominadas ácido hialurónico sintetasas, que se encuentran en la superficie interna de la membrana celular. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 14 Unidad Didáctica 9  Polisacáridos de la matriz extracelular (MEC) Todos los demás GAG se unen a proteínas para forma proteoglicanos, constituidos hasta por un 95% de polisacáridos. Los proteoglicanos pueden contener desde solamente una o hasta más de 100 cadenas de GAG unidas a restos de Ser de una proteína central. Estas proteínas centrales pueden llegar a pesar de entre 10 a 500 KDa, por lo que los proteoglicanos son macromoléculas muy diversas. Además de ser componentes de la MEC, algunos proteoglicanos como los sindecanos (con a-hélices transmembranas) o glipicanos (con anclajes GPI) constituyen proteínas de superficie celular que intervienen en la adhesión celular. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 15 Unidad Didáctica 9  Polisacáridos de la matriz extracelular (MEC) Algunos proteoglicanos interaccionan con el ácido hialurónico para formar grandes complejos en la MEC, como el agrecano, principal proteoglicano del cartílago. En el agrecano se unen más de 100 cadenas de codriotín sulfato a una proteína central de unos 250KDa, formando un proteoglicano de unos 3.000KDa. Muchas moléculas de agrecano se asocian con cadenas de ácido hialurónico, constitiyendo grandes agregados (>100.000 KDa) que quedan atrapados en la red de colágeno. Los proteoglicanos también interaccionan con el colágeno y con otras proteínas de la matriz para formar redes gelatinosas en las que las proteínas fibrosas de la MEC están embebidas. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 16 Unidad Didáctica 9  Proteínas de adhesión: fibronectina Responsables de unir los componentes de la MEC entre sí y a las superficies celulares. Interaccionan con el colágeno y los proteoglicanos con el fin de especificar la organización de la MEC. Son los lugares de unión principales para receptores de la superficie celular como las integrinas. La fibronectina es la principal proteína de adhesión de los tejidos conectivos. Se trata de una glicoproteína dimérica, constituida por dos cadenas polipeptídicas de 2500 aminoácidos cada una. Se dispone en la MEC a modo de una red de fibrillas. Tiene sitios de unión para el colágeno y para los proteoglicanos, actuando como puente de unión entre diferentes componentes de la MEC. Contienen un sitio de unión distinto de reconocimiento de las integrinas celulares. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 17 Unidad Didáctica 9  Proteínas de adhesión: lamininas Los componentes fundamentales de las láminas basales son proteínas de adhesión diferenciadas pertenecientes a la familia de las lamininas. Son heterodímeros en forma de cruz o T de subunidades a, b y g, productos de 5 genes a, 4 genes b y 3 g. Las lamininas son capaces de autoensamblarse en redes en forma de malla. Las distintas subunidades poseen lugares de unión para receptores de la superficie celular (integrinas) y para proteoglicanos. Las lamininas se asocian estrechamente con otra proteína de adhesión, el nidógeno, que también se une al colágeno IV. Como resultado de estas múltiples interacciones, la laminina, el nidógeno, colágeno y los proteoglicanos forman redes entrecruzadas en las láminas basales. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 18 Unidad Didáctica 9  Interacciones célula-matriz: integrinas Los principales receptores celulares de superficie responsables de la unión de las células a la MEC son las integrinas. Se trata de una familia de proteínas transmembrana constituida por dos subunidades (a y b), y las combinaciones de 18 subunidades a y las 8 subunidades b dan lugar a 24 integrinas distintas. Las integrinas se unen a secuencias cortas de amino ácidos presentes en múltiples componentes de la MEC, incluyendo colágeno, fibronectina y laminina. La subunidad a fija cationes divalentes (M2+). BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 19 Unidad Didáctica 9  Interacciones célula-matriz: integrinas Las integrinas también sirven como anclaje para el citoesqueleto. La unión del citoesqueleto a la MEC es la responsable de la estabilidad de las uniones célula-matriz: adhesiones focales y hemidesmosomas. Las adhesiones focales anclan varios tipos celulares a la MEC. En estas adhesiones focales, los dominios citoplásmicos de las subunidades b de las integrinas anclan el citoesqueleto de actina mediante su asociación con paquetes de filamentos de actina a través de proteínas de unión a la actina como la a-actinina, vinculina y talina. Los hemidesmosomas median las uniones entre células epiteliales, en las que una integrina específica (denominada a6b4) se une a través de la plectina con los filamentos intermedios en lugar de con la actina. Esto está mediado por la larga cola citoplásmica de la subunidad b4 de la integrina. La integrina a6b4 se une a la laminina, de forma que los hemidesmosomas anclan las células epiteliales a la lámina basal. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 20 Unidad Didáctica 9  Interacciones célula-matriz: integrinas La capacidad de las integrinas de unirse de forma reversible a componentes de la matriz depende de su capacidad de alternar de conformación entre estados inactivos y activos, que puede ser activada por señales del interior o del exterior de la célula. En el estado inactivo, las integrinas son incapaces de unirse a la MEC porque los grupos de cabeza que contienen el lugar de unión al ligando se mantienen próximos a la superficie celular. Cuando se activan, las integrinas pasan por un cambio de conformación que despliega los grupos de cabeza en la matriz y permite la unión de ligandos. Esta interacción inicial de las integrinas con la MEC incorpora más integrinas al punto de adhesión, dando lugar a pequeños acúmulos de integrinas denominados complejos focales. A continuación los complejos focales se transforman en adhesiones focales gracias a al incorporación de a-actinina, vinculina, talina y formina (que pone en marcha la formación de haces de actina). BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 21 Unidad Didáctica 9  Interacciones célula-matriz: integrinas Las adhesiones focales pueden ser interacciones muy estables implicadas en la estructura tisular, o bien recambiarse rápidamente cuando las células se desplazan. Durante la migración celular, la formación de nuevos complejos focales en el extremo de avance de la célula resulta en la pérdida de tensión en las adhesiones focales previas, lo que provoca la inactivación de la integrina unida a la MEC. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 22 Unidad Didáctica 9  Interacciones célula-matriz: metaloproteasas Las células animales modifican la MEC conforme crecen y migran. Las células secretan varios tipos de enzimas que digieren los glicosaminoglicanos, además de una gran familia de proteasas. Las metaloproteasas de matriz integra 23 proteasas diferentes en el ser humano. Estas enzimas se encargan de degradar diversas proteínas de matriz, como cológenos y laminina, además de receptores de superficie celular y moléculas de adhesión. Las metaloproteasas no solo son importantes en los desplazamientos normales de las células durante el desarrollo, si no también en el crecimiento y la metástasis. Expresión de la colagenasa-3 (MMP-13) BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 23 Unidad Didáctica 9 BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 24 Unidad Didáctica 9 Cell–Extracellular Matrix Mechanobiology https://youtu.be/LajvidhBK2Y Extracellular Matrix https://youtu.be/uBQpFjLktqM BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 25 Unidad Didáctica 9 Interacciones célula-célula BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 26 Unidad Didáctica 9  Las interacciones directas entre las células, al igual que las de las células con la MEC, con críticas para el desarrollo y la función de los organismos pluricelulares. Algunas interacciones son transitorias, como las interacciones de las células del sistema inmunitario y las interacciones de los linfocitos en los lugares de inflamación. Otras interacciones son estables, y desempeñan un papel fundamental en la organización de las células en los tejidos (mantenimiento de las láminas basales de los epitelios). Además de mediar en la adhesión celular, existen tipos especializados de unión que proporcionan mecanismos de rápida comunicación entre las células. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 27 Unidad Didáctica 9  Uniones adhesivas Las adhesiones célula a células son un proceso selectivo: las células se adhieren solamente a otros tipos específicos de células. Esta adhesión específica está mediada por proteínas transmembrana denominadas moléculas de adhesión celular. Distinguimos 4 tipos: Selectinas Integrinas Superfamilia de las Ig Cadherinas Las adhesiones celulares mediadas por selectinas, integrinas y la mayoría de las cadherinas requieren Ca2+, Mg2+ o Mn2+, de modo que muchas de las interacciones adhesivas entre células son dependientes de cationes divalentes. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 28 Unidad Didáctica 9  Uniones adhesivas Las selectinas median en interacciones transitorias entre los leucocitos y las células endoteliales o las plaquetas sanguíneas. Existen tres miembros de la familia de las selectinas: L- selectina (leucocitos), E-selectina (células endoteliales) y P- selectina (plaquetas). Uno de sus papeles clave: iniciar las interacciones entre los leucocitos y las células endoteliales durante la migración de los leucocitos desde la circulación a los lugares de inflamación tisular. Tras esta interacción inicial, se forman adhesiones más estables, en las que las integrinas de la superficie de los leucocitos se unen a moléculas de adhesión intracelular (ICAM), que son miembros de la superfamilia de la Ig que se expresan en la superficie de las células endoteliales. Los linfocitos firmemente sujetos son capaces entonces de penetrar la pared de los capilares y entrar en el tejido circundante. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 29 Unidad Didáctica 9  Uniones adhesivas La unión de las ICAM a las integrinas es un ejemplo de interacción heterofílica, en el que una molécula de adhesión de una célula (ICAM) reconoce a una molécula diferente de la superficie de otra célula (integrinas). Otros miembros de la superfamilia de las Ig median interacciones homofílicas, en las que una molécula de adhesión de la superficie de una célula se une a la misma molécula de la superficie de la otra célula. Esta unión conduce a una adhesión selectiva entre células del mismo tipo. En las uniones indirectas las moléculas de adhesión de una célula interaccionan con moléculas de adhesión iguales de la otra célula mediante la interacción con una molécula intermediaria. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 30 Unidad Didáctica 9  Uniones adhesivas Las cadherinas están implicadas en la adhesión selectiva entre células embrionarias, la formación de sinapsis específicas en el sistema nervioso, y son las proteínas principalmente responsables del mantenimiento de las uniones estables entre células en los tejidos. Forman una familia integrada por más de 100 proteínas que comparten un dominio extracelular altamente conservado que median interacciones principalmente homofílicas. Por ejemplo, la E-cadherina se expresa en la superficie de las células epiteliales, de modo que las interacciones homofílicas entre E-cadherinas da lugar a la adhesión selectiva entre células epiteliales. Diferentes miembros de la familia de las cadherinas, como la N-cadherina (cadherina neural) y la P-cadherina (cadherina placentaria), median la adhesión selectiva a otros tipos celulares. Hay diversas subfamilias de cadherinas (cadherinas clásicas, cadherinas desmosómicas y protocadherinas) que difieren principalmente en sus dominios transmembrana y citosólicos. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 31 Unidad Didáctica 9  Uniones adhesivas Además de las cadherinas, un segundo tipo de moléculas de adhesión celular, la nectina, también se encuentra presente en las uniones adherentes. Existen 4 nectinas conocidas y una familia de proteínas semejantes a la nectina, que son miembros de la superfamilia de las Ig. Las nectinas interaccionan de forma homofílica, pero también pueden unirse heterofílicamente a diferentes nectinas de la membrana de la célula opuesta. Estas uniones heterofílicas median interacciones entre diferentes tipos de células (ej.: entre neronas y células gliales en el encéfalo). Las nectinas también forman enlaces con el citoesqueleto de actina. AF, afadin BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 32 Unidad Didáctica 9  Uniones adhesivas Los desmosomas se asocian directamente a los citoesqueletos de filamentos intermedios. Las cadherinas desmosomales, desmogleina y desmocolina, se unen a través de la unión. Las proteínas placoglobina y placofilina se unen a las colas citosólicas de las cadherinas desmosomales y proporcionan un enlace directo con la proteína de unión de los filamentos intermedios (desmoplaquina). BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 33 Unidad Didáctica 9  Uniones adhesivas BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 34 Unidad Didáctica 9  Uniones adhesivas BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 35 Unidad Didáctica 9  Uniones estrechas Las uniones estrechas son críticamente importantes para la función de las láminas de células epiteliales como barrera entre compartimentos fluidos. Estas uniones permiten que los epitelios cumplan con las funciones de barrera: Forman sellos que previenen el paso libre de moléculas (incluyendo iones) entre las células de las láminas epiteliales. Separan los dominios apical y basolateral de la membrana plasmática, impidiendo la libre difusión de lípidos y proteínas de membrana entre ellos. Las uniones estrechas proporcionan una fuerza adhesiva mínima entre células opuestas, de modo que generalmente se asocian con uniones adherentes y desmosomas para formar un complejo de unión. El epitelio intestinal separa la luz del intestino del Las uniones estrechas se forman por interacciones entre hebras de tejido conectivo subyacente, que contiene capilares proteínas transmembranas de las de las células adyacentes. sanguíneos. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 36 Unidad Didáctica 9  Uniones estrechas BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 37 Unidad Didáctica 9  Uniones estrechas Las uniones estrechas son los contactos más estrechos conocidos entre células adyacentes. Están formadas por una red de hebras proteicas que continúan a lo largo de toda la circunferencia celular. Cada hebra de estas redes está compuesta por proteínas transmembrana de la ocludina, la Claudina y de moléculas de adhesión de las uniones (JAM: junctional adhesión molecules). Estas tres proteínas se unen a proteínas similares en células adyacentes, sellando así el espacio entre las membranas plasmáticas. Las colas citosólicas de las ocludinas, las claudinas y JAM también se asocian con proteínas de la zonula occludens, que asocian el complejo de unión estrecha con el citoesqueleto de actina y mantienen a la unión estrecha en su localización de membrana plasmática. BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 38 Unidad Didáctica 9  Uniones estrechas BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 39 Unidad Didáctica 9  Uniones estrechas BLOQUE II: ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS CÉLULAS 40 Unidad Didáctica 9  Uniones tipo gap Las uniones de tipo gap proporcionan conexiones directas entre los citoplasmas de células adyacentes, de forma que las actividades de células individuales en los organismos multicelulares puedan estar estrechamente coordinados. Estas uniones consisten en canales regulados que atraviesan la membrana plasmática, que cuando están abiertos, permiten la difusión de iones y de moléculas pequeñas (