En un sentido amplio, la matriz extracelular es el componente no celular que aparece en todos los tejidos y órganos de los organismos pluricelulares. Se suele definir como una red tridimensional de macromoléculas que ofrece soporte mecánico y bioquímico a las células de su alrededor.
Los procesos que se dan en la matriz extracelular regulan diversas funciones celular y están involucrados en numerosos procesos fisiológicos y patológicos. Su rol es fundamental en el funcionamiento del organismo.
Aunque la composición y estructura es muy diferente entre diferentes seres vivos, e incluso entre diferentes tejidos, la matriz extracelular mantiene funciones comunes como la adhesión celular, la comunicación célula-célula y la regulación de la diferenciación, migración y maduración celular.
Índice de contenido
Componentes y estructura de la matriz extracelular
La matriz extracelular del cuerpo humano incluye:
- Matriz intersticial: es el espacio intercelular, el espacio que queda entre unas células y otras dentro de un tejido. Está ocupado por una especie de gel acuoso de polisacáridos y proteínas fibrosas, junto a otras moléculas dispersas en él, como electrolitos, enzimas y transmisores químicos.
- Membrana basal: esta membrana, generalmente considerada parte del tejido epitelial, está formada por deposiciones de matriz extracelular, especialmente de proteínas, y sobre ella descansan las células epiteliales.
La matriz extracelular de cada tejido tiene características propias. Pueden ser tan diferentes como la matriz extracelular del tejido óseo, que es dura y altamente mineralizada, o el plasma sanguíneo, que tiene una matriz fluida (la sangre se puede considerar un tipo de tejido, concretamente un tipo de tejido conectivo).
En algunos tejidos, como el tejido muscular y el tejido nervioso, la matriz extracelular adquiere un alto grado de especialización funcional.
Composición
Las sustancias y componentes de la matriz extracelular son producidas por las denominadas células residentes, que suelen ser células diferenciadas y especializadas en cada tipo de tejido, por ejemplo los fibroblastos.
Entre las principales moléculas que nos podemos en la matriz extracelular, destacan los glicosaminoglicanos y proteoglicanos, y proteínas fibrosas como el colágeno o la elastina.
1. Proteoglicanos y glicosaminoglicanos (GAGs)
En la matriz extracelular existen unas proteínas altamente glicosiladas que se conocen como proteoglicanos. La parte glucídica de estas moléculas son los glicosaminoglicanos, un tipo de polisacáridos de función estructural.
Los glicosaminoglicanos, también conocidos como glicosaminoglucuronanos (IUPAC) o mucopolisacáridos, son largas cadenas glucídicas formadas por la repetición de dos unidades de un amino-azúcar.
Salvo excepciones como el ácido hialurónico, la mayoría de los glicosaminoglicanos de la matriz extracelular se encuentran unidos a proteínas en forma de proteoglicanos.
Las moléculas de proteoglicanos presentan una carga eléctrica neta negativa, lo que hace que se se adhieran iones sodio (Na+). Estos iones aumentan la presión osmótica ayudando a retener agua y mantener la matriz extracelular hidratada.
Entre los glicosaminoglicanos más destacados, tenemos el heparán sulfato, el condroitín sulfato y el queratán sulfato, presentes como proteoglicanos, y el ácido hialurónico, presente de forma libre.
Heparán sulfato
El heparán sulfato es un GAC que aparece en alta proporción como un proteoglicano. Los principales proteoglicanos de heparán sulfato son el perlecano, un proteoglicano específico de la membrana basal, la agrina y el colágeno XVIII.
Los proteoglicanos de heparán sulfato regulan procesos implicados en el desarrollo y migración celular, como la angiogénesis, la embriogénesis o incluso la metástasis tumoral.
Condroitín sulfato
Los proteoglicanos de condroitín sulfato contribuyen a la resistencia del cartílago, tendones, ligamentos y paredes de vasos sanguíneos, especialmente de la aorta y otros vasos de gran calibre. También parece estar involucrado en la neuroplasticidad.
Queratán sulfato
Los proteoglicanos de queratán sulfato, a diferencia de otros glicosaminoglicanos, no contienen ácido urónico. Los queratán sulfatos están presentes especialmente en tejidos como la córnea y los huesos.
Ácido hialurónico
El ácido hialurónico es un glicosaminoglicano de la matriz extracelular que no forma proteoglicanos. Consiste en un polisacárido en el que se alternan ácido D-glucurónico y N-acetilglucosamina.
El ácido hialurónico absorbe y retiene cantidades de agua significativas, aportando a los tejidos el turgor necesario para resistir la compresión y mantenerlos hidratados.
El ácido hialurónico se encuentra en gran cantidad en la matriz extracelular de tejidos como la piel o en las articulaciones que soportan carga.
También forma parte del gel que ocupa el espacio intersticial y también se puede encontrar adherido a la superficie celular, donde es capaz de interaccionar con el receptor transmembrana CD44.
2. Fibras y proteínas
Colágeno
El colágeno es la proteína más abundante de la matriz extracelular, de hecho, es la proteína más abundante de todo el cuerpo humano, especialmente presente en los tejidos duros. En el hueso, por el ejemplo, el colágeno llega a representar hasta el 90% de las proteínas de la matriz extracelular.
El colágeno adopta una estructura fibrilar que sirve de soporte para las células residentes. Algunas enfermedades se deben específicamente a alteraciones genéticas del colágeno, por ejemplo la osteogénesis imperfecta y la epidermólisis ampollar.
Elastina
Si el colágeno aporta resistencia, la elastina aporta elasticidad y permite que la matriz extracelular pueda estirarse si es necesario y luego volver al estado original.
El contenido en elastina varía considerablemente según el tejido, siendo más abundante donde es necesaria más elasticidad, por ejemplo en los vasos sanguíneos, los pulmones o la piel.
La elastina es sintetizada principalmente por fibroblastos y células musculares. La falta de elastina está involucrada en enfermedades como el cutis laxa o el síndrome de Williams.
Fibronectina
La fibronectina es un grupo de glicoproteínas que en la matriz celular tienen una función fundamentalmente mecánica. Conectan las células con las fibras de colágeno permitiendo el movimiento de las células a través de la matriz extracelular.
Otras funciones conocidas de la fibronectina es la retención de las plaquetas para promover la coagulación sanguínea ante un daño tisular que implique hemorragia.
Laminina
La laminina y sus diversos tipos se pueden encontrar en la lámina basal en prácticamente todos los animales. La laminina adopta una estructura de red, a diferencia del colágeno que adopta una estructura fibrilar.
La laminina está implicada en la adhesión celular y en la adhesión de otros componentes de la matriz extracelular, por ejemplo en la unión del colágeno y los nidógenos, otras proteínas de la lámina basal.
3. Nanovesículas extracelulares
En la matriz extracelular se pueden encontrar nanovesículas previamente descritas como exosomas, cuyo contenido es muy diverso: proteínas, lípidos o fragmentos de ADN y ARN.
Las nanovesículas se consideran actualmente como componentes clave de la matriz extracelular. Entre sus funciones, regulan el estado de activación de los macrófagos y regulan la proliferación y migración celular, aunque su mecanismo de acción no es del todo conocido.
Funciones generales
La naturaleza y composición de la matriz extracelular le confiere muchas funciones que de forma general se pueden describir en:
- Soporte
- Segregación de tejidos
- Regulación de la comunicación intercelular
En la matriz extracelular pueden quedar retenidos factores de crecimiento. Ante ciertos cambios fisiológicos, las células de la zona liberan proteasas que rompen la estructura de la matriz extracelular, liberándose esos factores de crecimiento.
Esto permite una activación rápida y local de procesos mediados por factores de crecimiento sin necesidad de nueva síntesis de estos mediadores químicos. Así, la matriz extracelular interviene en la regulación del ciclo celular al completo.
La formación de matriz extracelular es en sí mismo un proceso esencial en el crecimiento, desarrollo y reparación de tejidos, incluyendo la curación de heridas, y también está involucrado en la fibrosis y en la invasión y metástasis del cáncer.
Estos procesos no se conocen con exactitud, pero se sabe que las células se encuentran adheridas a la matriz extracelular y se pueden mover a través de ella en proceso conocido como durotaxis. La rigidez y elasticidad de la matriz extracelular es fundamental en la durotaxis.
La rigidez y elasticidad de la matriz extracelular también afecta a la expresión genética, lo que tiene su impacto en los procesos de diferenciación y proliferación celular, no solo en los procesos normales, también en los procesos neoplásicos y cancerígenos.
Adhesión celular a la matriz extracelular
La adhesión de las células a la matriz extracelular se da a través de los llamados complejos de adhesión, que pueden ser de dos formas:
- Adhesión focal: las células se conectan a la matriz extracelular a través de filamentos de actina.
- Hemidesmosomas: las células se conectan a la matriz extracelular a través de filamentos intermedios de queratina. Sen especialmente numerosas en la unión de células a la membrana basal, y son muy parecidos a los desmosomas que se dan en la unión célula-célula.
La adhesión célula-matriz está regulada por la expresión de integrinas en la membrana celular. Las integrinas se pueden unir a proteínas de la matriz, como fibronectinas y lamininas, pero también a las integrinas de superficie de otras células.
La unión de las células a la matriz es un proceso elemental en cualquier organismo pluricelular. Las integrinas no son simples anclajes mecánicos a la matriz, sino que son capaces de transmitir señales al interior celular, por ejemplo de factores de crecimiento y citoquinas.
El papel de la rigidez y la elasticidad
La matriz extracelular puede tener una rigidez y elasticidad extremadamente variable, desde el tejido blando del cerebro al tejido duro del hueso, y también puede cambiar dentro del mismo tejido según el estado fisiológico.
El grado de rigidez está íntimamente relacionado con la concentración de colágeno y elastina, y es una propiedad que regula numerosas funciones celulares implicadas en la migración, diferenciación, proliferación y muerte celular.
- Efecto en la expresión génica: no se conoce como se produce, pero la propiedades mecánicas de la matriz extracelular afectan al comportamiento y expresión génica. Los cambios en la rigidez y elasticidad de la matriz extracelular es percibida a través de los complejos de adhesión. A través de las integrinas se transmiten las fuerzas contráctiles hasta las fibras de actina-miosina del citoesqueleto. Este campo de la biología celular es aún muy desconocido.
- Efecto en la diferenciación celular: la diferenciación celular, proceso en el que un tipo de célula se transforma en otro tipo, es un proceso muy complejo regulado por numerosos factores. En algunas circunstancias se ha visto que la rigidez y elasticidad tisular es un factor fundamental; por ejemplo, en la diferenciación de las células madres mesenquimales.
- Durotaxis: la durotaxis es un proceso de migración celular guiado por un gradiente en la rigidez y elasticidad de la matriz extracelular. Cada célula individual de un tejido tiende a moverse hacia las zonas de mayor rigidez. En el mecanismo molecular intervienen los complejos de adhesión, incluyendo las integrinas y proteínas de señalización, como la PTK2, la talina, la vinculina o diversas GTPasas, que provocan cambios en la contractilidad de la actomiosina del citoesqueleto.