CAPÍTULO 50: La matriz extracelular

Casi todas las células de mamífero están situadas en tejidos donde están rodeadas por una ECM compleja a menudo denominada “tejido conjuntivo”, que protege los órganos y proporciona también elasticidad donde se requiere (p. ej., los vasos sanguíneos, los pulmones y la piel). La ECM contiene tres clases principales de biomoléculas: proteínas estructurales (1), por ejemplo, colágeno, elastina y fibrilina, ciertas proteínas especializadas (2) como la fibronectina y la laminina, que forman una red de fibras que están embebidas en proteoglucanos (3). Se ha encontrado que la ECM está involucrada en muchos procesos normales y patológicos (p. ej., desempeña funciones importantes en el desarrollo, en estados inflamatorios y en la diseminación de células cancerosas). Se ha documentado afección de ciertos componentes de la ECM tanto en la artritis reumatoide como en la osteoartritis. Varias enfermedades (p. ej., osteogénesis imperfecta y varios tipos de síndrome de Ehlers-Danlos) se deben a alteraciones genéticas de la síntesis de colágeno. Componentes específicos de proteoglucanos (los glucosaminoglucanos; GAG) están afectados en el grupo de trastornos genéticos conocidos como las mucopolisacaridosis. Durante el proceso de envejecimiento ocurren cambios en la ECM. En este capítulo se describen los aspectos bioquímicos básicos de las tres clases principales de biomoléculas que se encuentran en la ECM, y se ilustra su importancia biomédica. También se consideran brevemente las principales características bioquímicas de dos formas especializadas de ECM (hueso y cartílago) y de varias enfermedades que las afectan.

El colágeno, el principal componente de casi todos los tejidos conjuntivos, constituye alrededor de 25% de la proteína de mamíferos. Proporciona un armazón extracelular para todos los animales metazoos y existe en casi todos los tejidos animales. En tejidos humanos se han identificado al menos 28 tipos de colágeno constituidos de más de 30 cadenas polipeptídicas distintas (cada una codificada por un gen separado) (cuadro 50-1). Si bien varios de éstos sólo están presentes en proporciones pequeñas, pueden desempeñar papeles importantes en la determinación de las propiedades físicas de tejidos específicos. Además, varias proteínas (p. ej., el componente C1q del sistema de complemento, proteínas surfactantes pulmonares SPA y SPD) que no están clasificadas como colágenos tienen dominios tipo colágeno en sus estructuras; estas proteínas a veces se denominan “colágenos no colágeno”.

Todos los tipos de colágeno tienen una estructura de triple hélice. En algunos colágenos, toda la molécula es una triple hélice, mientras que en otros la triple hélice puede comprender sólo una fracción de la estructura. El colágeno tipo I maduro, que contiene aproximadamente 1 000 aminoácidos, pertenece al primer tipo; en él, cada subunidad polipeptídica o cadena a se tuerce para formar una hélice de poliprolina siniestra de 13 residuos por cada vuelta. Tres de estas cadenas α a continuación se enrollan y forman una superhélice diestra, lo que forma una molécula tipo bastón de 1.4 nm de diámetro y alrededor de 300 nm de largo (figura 50-1). Una característica notoria del colágeno es la presencia de residuos de glicina en cada tercera posición de la porción de triple hélice de la cadena α. Esto es necesario porque la glicina es el único aminoácido lo bastante pequeño como para que quepa en el espacio limitado disponible en la porción central de la triple hélice. Esta estructura repetitiva, representada como (Gli-X-Y)n, es un requerimiento absoluto para la formación de la triple hélice. Si bien X e Y pueden ser cualesquier otros aminoácidos, alrededor de 100 de las posiciones X son prolina, y aproximadamente 100 de las posiciones Y son hidroxiprolina. La prolina y la hidroxiprolina confieren rigidez a la molécula de colágeno. La hidroxiprolina se forma por la hidroxilación postraduccional de residuos de prolina unidos a péptido por la enzima prolil hidroxilasa, cuyos cofactores son ácido ascórbico (vitamina C) y α-cetoglutarato. Las lisinas en la posición Y también pueden ser objeto de modificación postraduccional a hidroxilisina por medio de la acción de la lisil hidroxilasa, una enzima con cofactores similares. Algunas de estas hidroxilisinas pueden modificarse más por la adición de galactosa o galactosil-glucosa por medio de un enlace O-glucosídico (capítulo 46), un sitio de glucosilación que es singular para el colágeno.

Los tipos de colágeno que forman fibras tipo bastón largas en tejidos se montan por asociación lateral de estas unidades de triple hélice hacia fibrillas (de 10 a 300 nm de diámetro) en una alineación “escalonada un cuarto de su longitud” de modo que cada una es desplazada longitudinalmente desde su vecina poco menos de una cuarta parte de su longitud (figura 50-1). Las fibrillas, a su vez, se asocian hacia fibras más gruesas (de 1 a 20 μm de diámetro). Puesto que la alineación escalonada un cuarto de su longitud da por resultado brechas regularmente espaciadas entre las moléculas de triple hélice en la disposición, las fibras tienen un aspecto en banda en tejidos conjuntivos. En algunos tejidos, por ejemplo los tendones, las fibras se asocian para formar fascículos aún más grandes, que pueden tener un diámetro de hasta 500 ml. Las fibras de colágeno se estabilizan más por la formación de enlaces covalentes, tanto dentro de las unidades de triple hélice como entre las mismas. Estos enlaces covalentes se forman por medio de la acción de la lisil oxidasa, una enzima dependiente de cobre que produce desaminación oxidativa de los grupos ε-amino de ciertos residuos de lisina e hidroxilisina, lo que da aldehídos reactivos. Esos aldehídos pueden formar productos de condensación de aldol con otros aldehídos derivados de lisina o de hidroxiprolina para formar bases de Schiff con los grupos ε-amino de lisinas o hidroxilisinas no oxidadas. Estas reacciones, después de reordenamientos químicos adicionales, dan por resultado los enlaces covalentes estables que son importantes para la resistencia a la tracción de las fibras. La histidina también puede quedar involucrada en ciertos enlaces covalentes.

Los principales colágenos formadores de fibrillas en la piel y el hueso, y en el cartílago, respectivamente, son los tipos I y II, aunque otros colágenos también adoptan esta estructura. Sin embargo, además hay muchos colágenos no formadores de fibrillas, y sus estructuras y funciones se describen brevemente en la sección que sigue.

Algunos tipos de colágeno no forman fibrillas

Varios tipos de colágeno no forman fibrillas en los tejidos (figura 50-2). Se caracterizan por interrupciones de la triple hélice con tramos de proteína que carecen de secuencias de repetición Gli-X-Y. Estas secuencias no Gli-X-Y dan lugar a áreas de estructura globular intercaladas en la estructura de triple hélice. Los colágenos tipo red, como el tipo IV, forman redes en membranas basales; los colágenos asociados con fibrillas, con triples hélices interrumpidas (FACIT), como su nombre lo indica, tienen interrupciones en los dominios de triple hélice; los filamentos arrosariados constan de cadenas largas de moléculas de colágeno que tienen un aspecto arrosariado regular; el colágeno VII forma la principal parte de las fibrillas de anclaje en tejidos epiteliales; los colágenos transmembrana tienen dominios N-terminal intracelulares cortos, y dominios extracelulares con triples hélices interrumpidas largas; las multiplexinas son colágenos con múltiples dominios de triple hélice e interrupciones.

El colágeno pasa por modificaciones postraduccionales extensas

El colágeno recién sintetizado pasa por modificación postraduccional extensa antes de hacerse parte de una fibra de colágeno extracelular madura (cuadro 50-2). Al igual que casi todas las proteínas secretadas, el colágeno es sintetizado en ribosomas en una forma precursora, el preprocolágeno, que contiene una secuencia líder o señal que dirige la cadena polipeptídica hacia la luz del retículo endoplasmático. Conforme entra en el retículo endoplasmático, esta secuencia líder es eliminada enzimáticamente. En este sitio también tienen lugar la hidroxilación de residuos de prolina y lisina, y la glucosilación de hidroxilisinas en la molécula de procolágeno. La molécula de procolágeno contiene extensiones polipeptídicas (péptidos de extensión) de 20 a 35 kDa en sus extremos tanto amino como carboxilo terminales, ninguno de los cuales está presente en el colágeno maduro. Ambos péptidos de extensión contienen residuos de cisteína. Si bien el propéptido amino terminal sólo forma enlaces disulfuro intracadena, los propéptidos carboxilo terminal forman enlaces disulfuro tanto intracadena como intercadena. La formación de estos enlaces disulfuro ayuda en el registro de las tres moléculas de colágeno para formar la triple hélice, con enrollamiento desde el extremo carboxilo terminal. Después de la formación de la triple hélice, no puede tener lugar más hidroxilación de prolina o lisina, o glucosilación de hidroxilisinas. El automontaje es un principio fundamental en la biosíntesis de colágeno.

Después de secreción desde la célula por medio del aparato de Golgi, enzimas extracelulares llamadas procolágeno aminoproteinasa y procolágeno carboxiproteinasa eliminan los péptidos de extensión en los extremos amino y carboxilo terminales, respectivamente, lo que forma las unidades monoméricas de colágeno, llamadas tropocolágeno. La separación de los propéptidos tal vez ocurra dentro de criptas o pliegues en la membrana celular. Una vez que los propéptidos son eliminados, las moléculas de tropocolágeno, que contienen unos 1 000 aminoácidos por cada cadena, se montan espontáneamente hacia fibras de colágeno, las cuales son más estabilizadas por la formación de enlaces covalentes intercadena e intracadena mediante la acción de la lisil oxidasa, como se describió.

Las mismas células que secretan colágeno también secretan fibronectina, una glucoproteína grande presente en superficies celulares, en la matriz extracelular, y en la sangre (véase más adelante). La fibronectina se une a las fibras de colágeno durante la agregación y altera la cinética de la formación de fibra en la matriz pericelular. Asociados con fibronectina y procolágeno en esta matriz están los proteoglucanos heparán sulfato y condroitín sulfato (véase más adelante). De hecho, el colágeno tipo IX, un tipo de colágeno menor del cartílago, contiene una cadena de glucosaminoglucano unida. Esas interacciones pueden servir para regular la formación de fibras de colágeno y para determinar su orientación en los tejidos.

Una vez formado, el colágeno es relativamente estable desde el punto de vista metabólico. Empero, su desintegración aumenta durante la inanición y diversos estados inflamatorios. En varias enfermedades, ocurre producción excesiva de colágeno, por ejemplo, en la cirrosis hepática.

Varias enfermedades genéticas y por deficiencia se producen por anormalidades en la síntesis de colágeno

Más de 30 genes codifican para los colágenos, y se designan de acuerdo con el tipo de procolágeno y sus cadenas α constituyentes, llamadas cadenas proα. Los colágenos pueden ser homotriméricos, que contienen tres cadenas proα idénticas, o heterotriméricos, en los cuales las cadenas proα son diferentes. Por ejemplo, el colágeno tipo I es heterotrimérico; contiene dos cadenas proα1(I) y una cadena proα2(I) (los números arábigos se refieren a la cadena proα, y el número romano entre paréntesis indica el tipo de colágeno), mientras que el colágeno tipo II es homotrimérico al tener tres cadenas proα1(II). Los genes que codifican para el colágeno tienen el prefijo COL seguido por el tipo en números arábigos, a continuación una A y el número de la cadena proa que codifican. De este modo, COL1A1 y COL1A2 son los genes que codifican para las cadenas proα1 y 2 del colágeno tipo I, COL2A1 es el gen que codifica para la cadena proa1 del colágeno tipo II y así sucesivamente.

La vía de la biosíntesis de colágeno es compleja; involucra al menos ocho pasos postraduccionales catalizados por enzima. De este modo, no sorprende que varias enfermedades (cuadro 50-3) se deban a mutaciones en genes que codifican para colágeno, o en genes que codifican para algunas de las enzimas involucradas en estas modificaciones postraduccionales. Las enfermedades que afectan el hueso (p. ej., osteogénesis imperfecta) y el cartílago (p. ej., las condrodisplasias) se comentan más adelante en este capítulo.

El síndrome de Ehlers-Danlos (antes llamado cutis hiperelástica), comprende un grupo de trastornos hereditarios cuyas principales características clínicas son hiperextensibilidad de la piel, fragilidad tisular anormal, y movilidad articular aumentada. El cuadro clínico es variable, lo que refleja extensa heterogeneidad genética subyacente. Se conocen varias formas de la enfermedad causadas por defectos genéticos en proteínas involucradas en la síntesis y el montaje de colágenos tipo I, III y V, y desde 1997 se ha usado la clasificación de Villefranche de seis subtipos con base en su fenotipo y en sus defectos moleculares (cuadro 50-4). Los subtipos con hipermovilidad, vascular y clásico son más comunes, mientras que los otros 3, cifoescoliosis, artrocalasia y dermatosparaxis son en extremo raros. El subtipo vascular es el más grave debido a su tendencia a rotura espontánea de arterias o del intestino, lo que refleja anormalidades del colágeno tipo III. Los pacientes con cifoescoliosis muestran curvatura progresiva de la columna vertebral (escoliosis), y una tendencia a rotura ocular debido a una deficiencia de lisil hidroxilasa. Una deficiencia de procolágeno N-proteinasa (metaloproteinasa ADAM con motivo de trombospondina tipo I [ADAMTS2]), que causa formación de fibrillas de colágeno irregulares, delgadas, anormales, da por resultado dermatosparaxis, que se manifiesta por piel frágil y flácida notoria.

El síndrome de Alport (nefritis hereditaria) es la designación aplicada a varios trastornos genéticos (tanto ligados a X como autosómicos) que afectan el colágeno tipo IV, un colágeno tipo red que forma parte de la estructura de las membranas basales de los glomérulos renales, el oído interno y el ojo (véase más adelante la exposición sobre laminina). Se han demostrado mutaciones en varios genes que codifican para fibras de colágeno tipo IV. El principal signo de presentación es hematuria, acompañada por lesiones oculares y pérdida de la audición, y los pacientes finalmente pueden presentar enfermedad renal terminal. La microscopia electrónica revela anormalidades características de la estructura de la membrana basal y de la lámina densa.

En la epidermólisis ampollar (“bullosa”) la piel se rompe y forma vesículas como resultado de traumatismo menor. La forma distrófica se debe a mutaciones de COL7A1, que afectan la estructura del colágeno tipo VII; este colágeno forma fibrillas delicadas que fijan la lámina basal a fibrillas de colágeno en la dermis. Se ha mostrado que estas fibrillas de anclaje están notoriamente reducidas en esta forma de la enfermedad, lo que probablemente da por resultado la formación de vesículas. La epidermólisis ampollar simple, otra variante, se debe a mutaciones en la queratina 5 (capítulo 51).

El escorbuto afecta la estructura del colágeno. No obstante, se debe a una deficiencia de ácido ascórbico (vitamina C) (capítulo 44), y no es una enfermedad genética. Sus principales signos son sangrado de encías, hemorragias subcutáneas, y cicatrización inadecuada de heridas. Estos signos reflejan síntesis defectuosa de colágeno debido a actividad reducida de las enzimas prolil y lisil hidroxilasas, ambas de las cuales requieren ácido ascórbico como un cofactor, y están involucradas en modificaciones postraduccionales que dan rigidez a las moléculas de colágeno.

En la enfermedad de Menkes, la deficiencia de cobre da por resultado formación defectuosa de enlaces covalentes de colágeno y elastina por la enzima dependiente de cobre lisil oxidasa. (La enfermedad de Menkes se comenta en el capítulo 52.)

La elastina es una proteína del tejido conjuntivo de la cual dependen las propiedades de extensibilidad y retroceso elástico en los tejidos. Si bien no está tan difundida como el colágeno, la elastina está presente en grandes cantidades, particularmente en tejidos que requieren estas propiedades físicas, por ejemplo, los pulmones, los vasos sanguíneos arteriales grandes, y algunos ligamentos elásticos. También se encuentran cantidades más pequeñas de elastina en la piel, el cartílago de la oreja, y varios otros tejidos. En contraste con el colágeno, parece haber sólo un tipo genético de elastina, aunque surgen variantes por empalme alternativo (capítulo 36) del hnRNA que codifica para elastina. La elastina es sintetizada como un monómero soluble de ∼ 70 kDa llamado tropoelastina. Algunas de las prolinas de la tropoelastina son hidroxiladas a hidroxiprolina por la prolil hidroxilasa, aunque no hay hidroxilisina ni hidroxilisina glucosilada. A diferencia del colágeno, la tropoelastina no se sintetiza en una proforma con péptidos de extensión. Además, la elastina no contiene secuencias de Gli-X-Y repetidas, estructura de triple hélice, o porciones carbohidrato.

Después de secreción desde la célula, ciertos residuos de lisil de la tropoelastina son desaminados oxidativamente aldehídos por la lisil oxidasa, la misma enzima involucrada en este proceso en el colágeno. Sin embargo, los enlaces covalentes importantes formados en la elastina son las desmosinas, que se producen por la condensación de tres de estos aldehídos derivados de lisina con una lisina no modificada para formar un enlace covalente tetrafuncional singular para la elastina. Una vez unida mediante enlace covalente en su forma extracelular madura, la elastina es altamente insoluble y en extremo estable, y tiene una tasa de recambio muy baja. La elastina muestra diversas conformaciones en espiral al azar que permiten a la proteína estirarse y después tener retroceso elástico durante el desempeño de sus funciones fisiológicas.

En el cuadro 50-5 se resumen las principales diferencias entre el colágeno y la elastina.

Se han encontrado deleciones en el gen que codifica para la elastina (situado en 7q11.23) en alrededor de 90% de los sujetos con el síndrome de Williams-Beuren, un trastorno del desarrollo que afecta el tejido conjuntivo y el sistema nervioso central. Las mutaciones, al afectar la síntesis de elastina, probablemente desempeñan un papel causal en la estenosis aórtica supravalvular que a menudo se encuentra en esta enfermedad. En enfermedades o estados como el enfisema pulmonar, la cutis laxa y el envejecimiento de la piel se encuentra fragmentación de la elastina o, de manera alternativa, un decremento de la misma.

Las microfibrillas son cadenas tipo fibra finas de 10 a 12 nm de diámetro que proporcionan un andamio para el depósito de elastina en la ECM. Las fibrilinas son glucoproteínas grandes (alrededor de 350 kDa) que son componentes estructurales importantes de estas fibras. Son secretadas (después de una división proteolítica) hacia la ECM por fibroblastos, y quedan incorporadas en las microfibrillas insolubles. La fibrilina-1 es la principal fibrilina presente pero también se han identificado fibrilina-2 y fibrilina-3, y se cree que la fibrilina-2 es importante en el depósito de microfibrillas en etapas tempranas del desarrollo. Otras proteínas, entre ellas las proteínas asociadas a microfibrillas (MAGP), fibulinas y miembros de la familia ADAMTS también están asociadas con microfibrillas. Las microfibrillas de fibrilina se encuentran en fibras elásticas y en fascículos libres de elastina en los ojos, los riñones y los tendones.

El síndrome de Marfan se origina por mutaciones en el gen que codifica para la fibrilina-1

El síndrome de Marfan es una enfermedad hereditaria relativamente prevalente, que afecta el tejido conjuntivo; se hereda como un rasgo autosómico dominante. Afecta los ojos (p. ej., causa luxación del cristalino, conocida como ectopia lentis), el sistema esquelético (la mayoría de los pacientes es alta y muestra dedos largos [aracnodactilia] e hiperextensibilidad de las articulaciones), y el sistema cardiovascular (p. ej., causa debilidad de la media aórtica, que lleva a dilatación de la aorta ascendente). Abraham Lincoln quizá tuvo esta enfermedad. La mayor parte de los casos se origina por mutaciones en el gen (en el cromosoma 15) que codifica para la fibrilina-1; se han detectado mutaciones de sentido erróneo en varios pacientes con síndrome de Marfan. Esto da por resultado fibrilina anormal y/o depósito de cantidades más bajas en la ECM. Puesto que la citocina TGF-β normalmente se une a la fibrilina-1, la unión disminuida en el síndrome de Marfan causa alteraciones de la señalización de TGF-β, que contribuyen a las alteraciones patológicas que se encuentran en la enfermedad. Esto podría en potencia llevar al desarrollo de terapias para la enfermedad con fármacos que antagonizan el TGF-β (p. ej., el antagonista del receptor de angiotensina II, losartán).

Recientemente también se han identificado mutaciones en el gen que codifica para la fibrilina-1 como la causa de displasia acromícrica y displasia geleofísica, que se caracterizan por estatura baja, engrosamiento de la piel y rigidez de articulaciones. La aracnodactilia contractural congénita se asocia con una mutación en el gen que codifica para la fibrilina-2. En la figura 50-3 se resume la secuencia de eventos probable que conduce a síndrome de Marfan.

La fibronectina es una glucoproteína importante de la ECM, que también se encuentra en una forma soluble en el plasma. Consta de dos subunidades idénticas, cada una de alrededor de 230 kDa, unidas por dos puentes disulfuro cerca de sus carboxilo terminales. El gen que codifica para la fibronectina es muy grande; contiene alrededor de 50 exones; el RNA producido por su transcripción queda sujeto a considerable empalme alternativo, y se han detectado hasta 20 mRNA diferentes en diversos tejidos. La fibronectina contiene tres tipos de motivos repetitivos (I, II y III), que están organizados en dominios funcionales (al menos 7); las funciones de estos dominios comprenden unión a fibronectina, habilitación de moléculas de la proteína para interactuar, heparina (véase más adelante), fibrina, colágeno, y superficies celulares (figura 50-4). La fibronectina se une a células por medio de una proteína receptora transmembrana que pertenece a la clase de proteínas integrina (capítulo 55). Las integrinas son heterodímeros, que contienen diversos tipos de cadenas polipeptídicas α y β. La fibronectina contiene una secuencia Arg-Gli-Asp (RGD) que se une al receptor. Esta secuencia es compartida por varias otras proteínas presentes en la ECM que se unen a integrinas que se encuentran en las membranas de células plasmáticas, y su presencia en péptidos sintéticos las habilita para inhibir la unión de fibronectina a células. En la figura 50-5 se ilustra la interacción del colágeno, la fibronectina y la laminina, todas ellas proteínas importantes de la ECM, con una célula típica (p. ej., fibroblasto) presente en la matriz.

El receptor de fibronectina interactúa indirectamente con microfilamentos de actina (capítulo 51) presentes en el citosol (figura 50-6). Están involucradas varias proteínas, conocidas en conjunto como proteínas de fijación; éstas incluyen talina, vinculina, ;-actinina y paxilina. La talina enlaza la integrina a la actina por medio de la vinculina, que se une a α-actinina y paxilina, así como a actina. La α-actinina también se une a la actina, mientras que la paxilina se une a la integrina; esos complejos proteínicos grandes forman adhesiones focales que no sólo anclan las células a la ECM, sino que también transmiten señales desde el exterior que influyen sobre la conducta celular. De este modo, la interacción de la fibronectina con su receptor proporciona una ruta por la cual el exterior de la célula puede comunicarse con el interior. La fibronectina también está involucrada en la migración celular porque proporciona un sitio de unión para células y, así, las ayuda a dirigir su trayectoria por la ECM. La cantidad de fibronectina alrededor de muchas células transformadas está agudamente reducida, lo que explica en parte su interacción fallida con la ECM.

Las láminas basales son áreas especializadas de la ECM que rodean células epiteliales y algunas otras células (p. ej., células musculares). La laminina (una glucoproteína de alrededor de 850 kDa y 70 nm de longitud) consta de tres cadenas polipeptídicas alargadas separadas (cadenas α, β y γ) enlazadas juntas para formar una forma compleja, alargada (figura 51-11, en la cual la laminina se llama merosina). Hay diversas variantes genéticas de la laminina; cuyos detalles no se presentan aquí. En las láminas basales, la laminina forma redes que están unidas a redes de colágeno tipo IV por la entactina (también llamada nidógeno), una glucoproteína que contiene una secuencia RGD y el proteoglucano heparán sulfato, perlecano. El colágeno interactúa con la laminina (en lugar de directamente con la superficie celular), que a su vez interactúa con integrinas u otras proteínas, como distroglucanos (capítulo 51) lo que ancla así la lámina a las células (figura 50-7).

En el glomérulo renal, la lámina basal consta de dos hojas de células separadas (una endotelial y una epitelial), cada una dispuesta en lados opuestos de la lámina; estas tres capas constituyen la membrana glomerular. Esta lámina basal relativamente gruesa tiene un papel importante en la filtración glomerular, al regular el paso de moléculas grandes (en su mayor parte proteínas plasmáticas) a través del glomérulo hacia el túbulo renal. La membrana glomerular permite que moléculas pequeñas, como la inulina (5.2 kDa), la crucen tan fácilmente como el agua. Por otro lado, sólo una pequeña cantidad de la proteína albúmina (69 kDa), la principal proteína plasmática, pasa a través del glomérulo normal. Esto se explica por dos grupos de hechos: 1) los poros en la membrana glomerular son suficientemente grandes como para permitir el paso de moléculas de hasta alrededor de 8 nm. 2) La albúmina es más pequeña que este tamaño de poro, pero las cargas negativas del heparán sulfato y de ciertas glucoproteínas que contienen ácido siálico presentes en la lámina evitan que lo cruce fácilmente. Dichas cargas negativas repelen la albúmina y casi todas las proteínas plasmáticas, que tienen carga negativa al pH de la sangre. La estructura normal del glomérulo puede quedar gravemente dañada en ciertos tipos de glomerulonefritis (p. ej., causada por anticuerpos dirigidos contra diversos componentes de la membrana glomerular). Esto altera los poros y las cantidades y disposiciones de las macromoléculas con carga negativa arriba mencionadas, y puede haber paso hacia la orina de cantidades relativamente masivas de alúmina (y de algunas otras proteínas plasmáticas), lo que da por resultado albuminuria grave.

Los glucosaminoglucanos que se encuentran en proteoglucanos están constituidos de disacáridos repetitivos

Los proteoglucanos son proteínas que contienen glucosaminoglucanos (GAG) enlazados de manera covalente (capítulo 15). Al menos 30 se han caracterizado y se les han dado nombres como sindecano, betaglucano, serglicina, perlecano, agrecano, versicano, decorina, biglucano, y fibromodulina. Las proteínas unidas de manera covalente a glucosaminoglucanos se llaman “proteínas centrales”. Los proteoglucanos varían en la distribución tisular, la naturaleza de la proteína central, los glucosaminoglucanos unidos, y su función; su aislamiento y caracterización han resultado difíciles, pero el uso de tecnología de DNA recombinante está empezando a proporcionar información importante acerca de sus estructuras. La cantidad de carbohidrato en un proteoglucano por lo general es mucho mayor que la que se encuentra en una glucoproteína y puede comprender hasta 95% de su peso. En las figuras 50-8 y 50-9 se muestra la estructura general de un proteoglucano particular, el agrecano, el principal tipo que se encuentra en el cartílago. Es muy grande (alrededor de 2 × 10³ kDa) y su estructura general semeja la de un cepillo para botellas. Contiene una cadena larga de ácido hialurónico (un tipo de GAG) (capítulo 15), al cual proteínas de enlace están unidas de manera no covalente. A su vez, las proteínas de enlace interactúan de modo no covalente con moléculas de proteína centrales, a partir de las cuales se proyectan cadenas de otros GAG (en este caso, queratán sulfato y condroitín sulfato). En la exposición sobre cartílago (véase más adelante) se dan más detalles sobre esta macromolécula.

Hay al menos siete GAG: ácido hialurónico (hialuronano), condroitín sulfato, queratán sulfatos I y II, heparina, heparán sulfato y dermatán sulfato. Los GAG son polisacáridos no ramificados constituidos de disacáridos repetitivos, un componente de los cuales siempre es un aminoazúcar (de ahí el nombre GAG), sea d-glucosamina o d-galactosamina. El otro componente del disacárido repetitivo (excepto en el caso del queratán sulfato) es un ácido urónico, sea ácido l-glucurónico (GlcUA) o su 5′-epímero, ácido l-idurónico (IdUa). Con la excepción del ácido hialurónico, todos los GAG contienen grupos sulfato, sea como O-ésteres o como N-sulfato (en la heparina y en el heparán sulfato). El ácido hialurónico también es excepcional porque parece existir como un polisacárido en la ECM, sin fijación covalente a proteína, como lo especifica la definición de un proteoglucano antes proporcionada. Ha resultado difícil trabajar tanto con los GAG como con los proteoglucanos, debido en parte a su complejidad. Empero, puesto que son componentes importantes de la ECM, tienen varias funciones biológicas importantes y están involucrados en diversos procesos mórbidos, el interés por ellos ha aumentado mucho en años recientes.

La biosíntesis de glucosaminoglucanos comprende fijación a proteínas centrales, alargamiento de cadena y terminación de cadena

Fijación a proteínas centrales

El enlace entre GAG y sus proteínas centrales por lo general es de uno de tres tipos.

1. Un enlace O-glucosídico entre la xilosa (Xil) y Ser, un enlace que es singular para los proteoglucanos; dicho enlace está formado por la transferencia de un residuo Xil a Ser desde la UDP-xilosa. A continuación se añaden dos residuos de Gal al residuo de Xil, lo cual forma un enlace trisacárido, Gal-Gal-Xil-Ser. El crecimiento adicional de cadena del GAG ocurre en la RAL terminal.

2. Se forma un enlace O-glucosídico entre GalNAc (N-acetilgalactosamina) y Ser (Tre) (figura 46-1A), presente en el queratán sulfato II. Este enlace se forma por donación a Ser (o Tre) de un residuo de GalNAc, usando UDP-GalNAc como su donante.

3. Un enlace N-glucosamina entre GlcNAc (N-acetil glucosamina) y el nitrógeno amida de Asn, como se encuentra en glucoproteínas N-enlazadas (figura 46-1B). Se cree que su síntesis comprende oligosacárido dolicol-PP.

Las proteínas centrales se sintetizan en el retículo endoplasmático y ahí también se forman al menos algunos de los enlaces anteriores. Casi todos estos últimos pasos en la biosíntesis de cadenas de GAG, y sus modificaciones subsiguientes, ocurren en el aparato de Golgi.

Alargamiento de cadena

Azúcares nucleótido apropiados y glucosiltransferasas altamente específicas localizadas en el aparato de Golgi se emplean para sintetizar las cadenas de oligosacárido de los GAG. Aquí parece ser cierta la relación “una enzima, un enlace”, como sucede para ciertos tipos de enlaces que se encuentran en glucoproteínas. Los sistemas enzimáticos involucrados en el alargamiento de cadena tienen capacidad de reproducción de alta fidelidad de GAG complejos.

Terminación de cadena

Esto parece depender de 1) sulfación, particularmente en ciertas posiciones de los azúcares, y 2) la progresión de la cadena de GAG en crecimiento en dirección contraria al sitio de la membrana donde ocurre catálisis.

Modificaciones adicionales

Después de formación de la cadena de GAG suceden muchas modificaciones químicas, como la introducción de grupos sulfato en GalNAc y otras porciones, y la epimerización de GlcUA a residuos de IdUa. Las enzimas que catalizan la sulfación se designan sulfotransferasas y usan 3′-fosfoadenosina-5′-fosfosulfato (PAPS; sulfato activo) (capítulo 32) como el donante de sulfato. Estas enzimas situadas en el aparato de Golgi son altamente específicas, y enzimas separadas catalizan las sulfación en diferentes posiciones (p. ej., los carbonos 2, 3, 4 y 6) en los azúcares aceptores. Una epimerasa cataliza conversiones de residuos glucuronil en iduronil.

Los proteoglucanos son importantes en la organización estructural de la matriz extracelular

Los proteoglucanos se encuentran en todos los tejidos del organismo, principalmente en la ECM o “sustancia fundamental”; están asociados de maneras específicas uno con otro y con los otros componentes estructurales importantes de la matriz, colágeno y elastina. Algunos proteoglucanos se unen a colágeno y otros a elastina; estas interacciones son importantes en la determinación de la organización estructural de la matriz. Algunos proteoglucanos (p. ej., decorina) también pueden unirse a factores de crecimiento, como TGF-β, y modulan sus efectos sobre las células. Además, algunos de ellos interactúan con ciertas proteínas adhesivas, como fibronectina y laminina (véase antes), que también se encuentran en la matriz. Los GAG presentes en los proteoglucanos son polianiones y, por tanto, se unen a policationes y cationes como Na⁺ y K⁺. Esta última capacidad atrae agua por presión osmótica hacia la ECM y contribuye a su turgencia. Los GAG también forman gel a concentraciones relativamente bajas. Debido a la naturaleza extendida larga de las cadenas de polisacáridos de GAG y su capacidad para formar gel, los proteoglicanos pueden actuar como tamices, al restringir el paso de macromoléculas grandes hacia la ECM pero permitir difusión relativamente libre de moléculas pequeñas. De nuevo, debido a sus estructuras extendidas y los enormes agregados macromoleculares que a menudo forman, ocupan un volumen grande de la matriz en comparación con proteínas.

Diversos glucosaminoglucanos muestran diferencias de estructura, y tienen distribuciones características y funciones diversas

Los siete GAG antes nombrados difieren uno de otro en varias de las propiedades que siguen: composición de aminoazúcar, composición de ácido urónico, enlaces entre estos componentes, longitud de cadena de los disacáridos, la presencia o ausencia de grupos sulfato y sus posiciones de fijación a los azúcares constituyentes, la naturaleza de las proteínas centrales a las cuales están unidos, la naturaleza del enlace a proteína central, su distribución tisular y subcelular, y sus funciones biológicas.

Ahora se comenta brevemente la estructura (figura 50-10), la distribución y las funciones de cada uno de los GAG. En el cuadro 50-6 se resumen las principales características de los siete GAG.

Ácido hialurónico

El ácido hialurónico consta de una cadena no ramificada de unidades de disacárido repetitivas que contienen GlcUA y GlcNAc. Está presente en bacterias y se encuentra en la ECM de casi todos los tejidos animales, pero su concentración es en especial alta en tipos muy hidratados, como la piel y el cordón umbilical, y en el hueso, el cartílago, las articulaciones (líquido sinovial) y en el humor vítreo en el ojo, así como en tejidos embrionarios. Se cree que desempeña una función importante en permitir la migración celular durante la morfogénesis y la reparación de heridas. Su capacidad para atraer agua hacia la ECM desencadena aflojamiento de la matriz, lo cual ayuda a este proceso. Las concentraciones altas de ácido hialurónico junto con condroitín sulfatos presentes en el cartílago contribuyen a su compresibilidad (véase más adelante).

Condroitín sulfatos (condroitín 4-sulfato y condroitín 6-sulfato)

Los proteoglucanos enlazados al condroitín sulfato por el enlace Xil-Ser O-glucosídico son componentes prominentes del cartílago (véase más adelante). El disacárido repetitivo es similar al que se encuentra en el ácido hialurónico; contiene GlcUA, pero GalNAc reemplaza a GlcNAc. El GalNAc es sustituido con sulfato en su posición 4′ o 6′; alrededor de un sulfato está presente por cada unidad de disacárido. Los condroitín sulfatos tienen un papel importante en el mantenimiento de la estructura de la ECM. Se encuentran en sitios de calcificación en hueso endocondral y son un componente importante del cartílago. Se encuentran en cantidades altas en la ECM del sistema nervioso central y, además de su función estructural, se cree que actúan como moléculas señalizadoras en la prevención de la reparación de terminaciones nerviosas después de lesión.

Queratán sulfatos I y II

Los queratán sulfatos constan de unidades de disacárido Gal-GlcNAc repetitivas que contienen sulfato fijo a la posición 69 de GlcNAc u ocasionalmente de Gal (figura 50-10).

El queratán sulfato I originalmente se aisló a partir de la córnea, mientras que el queratán sulfato II provino del cartílago. No obstante, los dos GAG difieren en sus enlaces estructurales a las proteínas centrales, y puesto que ahora se sabe que la distribución de los dos tipos no es específica para tejido la clasificación se basa en el enlace de proteína diferente. En el ojo, se encuentran entre fibrillas de colágeno, y desempeñan un papel crucial en la transparencia de la córnea. Los cambios de la composición de proteoglucano que se encuentran en cicatrices corneales desaparecen cuando la córnea cicatriza.

Heparina

El disacárido repetitivo heparina contiene glucosamina (GlcN) y uno de los dos ácidos urónicos (figura 50-11). Casi todos los grupos amino de los residuos de GlcN están N-sulfatados, pero algunos están acetilados. La GlcN también porta un sulfato fijo al carbono 6.

Casi todos los residuos de ácido urónico son IdUa. Inicialmente, todos los ácidos urónicos son GlcUA, pero una 59-epimerasa convierte alrededor de 90% de los residuos de GlcUA en IdUa después de que se forma la cadena de polisacárido. La molécula de proteína del proteoglucano heparina es singular; consta exclusivamente de residuos de serina y glicina. Alrededor de dos terceras partes de los residuos de serina contienen cadenas de GAG, por lo general de 5 a 15 kDa, pero en ocasiones mucho más grandes. La heparina se encuentra en los gránulos de los mastocitos y en el hígado, los pulmones y la piel. Es un anticoagulante importante. Se une a los factores IX y XI, pero su interacción más importante es con antitrombina plasmática (capítulo 55). La heparina también puede unirse de manera específica a la lipoproteína lipasa presente en las paredes de capilares, y causa una liberación de esta enzima hacia la circulación.

Heparán sulfato

Esta molécula se encuentra en muchas superficies celulares como un proteoglucano, y es extracelular. Contiene GlcN con menos N-sulfatos que la heparina y, a diferencia de esta última, su ácido urónico predominante es GlcUA. El heparán sulfato está asociado con la membrana plasmática de células; sus proteínas centrales en realidad abarcan esa membrana. En ésta pueden actuar como receptores y pueden participar también en la mediación del crecimiento celular y la comunicación célula-célula. La fijación de células a su sustrato en cultivo está mediada al menos en parte por heparán sulfato. Este proteoglucano también se encuentra en la membrana basal de los riñones, junto con colágeno tipo IV y laminina (véase antes), donde desempeña una función importante en la determinación de la selectividad de carga de la filtración glomerular.

Dermatán sulfato

Esta sustancia se encuentra ampliamente distribuida en tejidos animales. Su estructura es similar a la del condroitín sulfato, excepto que en lugar de un GlcUA en el enlace β-1,3 a GalNAc, contiene un IdUa en un enlace de α-1,3 a GalNAc. La formación del IdUa ocurre, como en la heparina y en el heparán sulfato, mediante el 5′-epimerización de GlcUA. Dado que esto se encuentra regulado por el grado de sulfación, y puesto que la asociación es incompleta, el dermatán sulfato contiene disacáridos tanto IdUa-GalNAc como GlcUA-GalNAc. El dermatán sulfato está ampliamente distribuido en los tejidos, y es el principal GAG en la piel. La evidencia sugiere que puede participar en la coagulación de la sangre, la reparación de heridas, y la resistencia a la infección.

Los proteoglucanos también se encuentran en ubicaciones intracelulares, como el núcleo; no se ha elucidado su función en este orgánulo. Están presentes en algunos gránulos de almacenamiento o secretores, como los gránulos cromafines de la médula suprarrenal. Se ha postulado que desempeñan un papel en la liberación del contenido de esos gránulos. En el cuadro 50-7 se resumen las diversas funciones de los GAG.

Las deficiencias de enzimas que degradan glucosaminoglucanos dan por resultado mucopolisacaridosis

Tanto las exoglucosidasas como las endoglucosidasas degradan GAG. Al igual que casi todas las otras biomoléculas, los GAG están sujetos a recambio; son tanto sintetizados como degradados. En tejidos de adulto, los GAG por lo general muestran recambio relativamente lento; sus vidas medias son de días a semanas.

La elucidación de las deficiencias de enzimas específicas que ocurren en ciertos errores congénitos del metabolismo ha ayudado mucho a entender las vías de degradación de GAG, como en el caso de las glucoproteínas (capítulo 46) y los glucoesfingolípidos (capítulo 24). Cuando las GAG están involucradas, estos errores congénitos se llaman mucopolisacaridosis (cuadro 50-8).

La degradación de GAG es llevada a cabo por una batería de hidrolasas lisosomales, entre ellas se cuentan endoglucosidasas, exoglucosidasas y sulfatasas, que por lo general actúan en secuencia para degradar los diversos GAG. En el cuadro 50-8 se indican varias de ellas.

Las mucopolisacaridosis (MPS) (cuadro 50-8) comparten un mecanismo causal común (figura 50-12). Por lo general se heredan de una manera autosómica recesiva; los síndromes de Hurler y de Hunter quizá son los más ampliamente estudiados. Ninguna es común; en general, estas enfermedades son crónicas y progresivas, y afectan múltiples órganos. Muchos pacientes muestran organomegalia (p. ej., hepatomegalia y esplenomegalia), anormalidades graves del desarrollo de cartílago y hueso, aspecto facial anormal, y retraso mental. Además, puede haber defectos de la audición, la visión y el sistema cardiovascular. Las pruebas diagnósticas incluyen análisis de GAG en muestras de orina o de biopsia de tejido; valoración de enzimas defectuosas sospechadas en leucocitos, fibroblastos o suero, y prueba para genes específicos. Ahora a veces es posible el diagnóstico prenatal usando células de líquido amniótico o muestras de biopsia de vellosidades coriónicas. En algunos casos, se obtiene un antecedente familiar de una mucopolisacaridosis.

El término “mucolipidosis” se introdujo para denotar enfermedades en las que se combinaban características comunes tanto a mucopolisacaridosis como a esfingolipidosis (capítulo 24). En la sialidosis (mucolipidosis I, ML-I), diversos oligosacáridos derivados de glucoproteínas y ciertos gangliósidos se acumulan en los tejidos. En el capítulo 46 se describen la enfermedad de células I (ML-II) y la seudopolidistrofia de Hurler (ML-III). El término “mucolipidosis” se retiene porque aún está en uso clínico relativamente difundido, pero es inapropiado para estas dos últimas enfermedades porque el mecanismo de su causa comprende ubicación errónea de ciertas enzimas lisosomales. Los defectos genéticos del catabolismo de las cadenas de oligosacárido de glucoproteínas (p. ej., manosidosis, fucosidosis) también se describen en el capítulo 46. Casi todos estos defectos se caracterizan por excreción aumentada de diversos fragmentos de glucoproteínas en la orina, que se acumulan debido al bloqueo metabólico, como en el caso de las mucolipidosis.

La hialuronidasa es una enzima importante involucrada en el catabolismo tanto del ácido hialurónico como del condroitín sulfato. Es una endoglucosidasa ampliamente distribuida, que divide enlaces hexosaminídicos. A partir del ácido hialurónico, la enzima generará un tetrasacárido con la estructura (GlcUAβ-1,3-GlcNAc-β-1,4)₂, que puede ser más degradado por una β-glucuronidasa y β-N-acetilhexosaminidasa. Un defecto genético en la hialuronidasa causa MPS IX, un trastorno por almacenamiento lisosomal en el cual se acumula ácido hialurónico en las articulaciones.

Los proteoglucanos se asocian con enfermedades importantes y con el envejecimiento

El ácido hialurónico puede ser importante para permitir que células tumorales migren por la ECM. Las células tumorales pueden inducir a los fibroblastos para que sinteticen cantidades muy aumentadas de este GAG, lo que tal vez facilita su propia diseminación. Algunas células tumorales tienen menos heparán sulfato en su superficie y quizás esto se encuentre implicado en la falta de adhesividad que muestran estas células.

La íntima de la pared arterial contiene ácido hialurónico y proteoglucanos condroitín sulfato, dermatán sulfato y heparán sulfato. De estos proteoglucanos, el dermatán sulfato se une a lipoproteínas de baja densidad plasmáticas. Además, el dermatán sulfato parece ser el principal GAG sintetizado por las células de músculo liso arteriales. Debido a que son estas células las que proliferan en las lesiones ateroscleróticas en arterias, el dermatán sulfato tal vez desempeñe un papel importante en la aparición de la placa aterosclerótica.

En diversos tipos de artritis, los proteoglucanos pueden actuar como autoantígenos y contribuir así a las características patológicas de estas enfermedades. La cantidad de condroitín sulfato en el cartílago disminuye con la edad, mientras que las cantidades de queratán sulfato y ácido hialurónico aumentan. Estos cambios quizá contribuyan a la aparición de osteoartritis, al igual que la actividad aumentada de la enzima agrecanasa, que actúa para degradar el agrecano. Con el envejecimiento también se observan cambios de las cantidades de ciertos GAG en la piel, y ayudan a explicar los cambios característicos que se notan en este órgano en el anciano.

Durante los años pasados, ha quedado claro que además de su papel estructural en la ECM, los proteoglucanos funcionan como moléculas señalizadoras que influyen sobre la conducta celular y ahora se cree que participan en diversas enfermedades, como la fibrosis, la enfermedad cardiovascular y el cáncer.

El hueso contiene material tanto orgánico como inorgánico. La materia orgánica es principalmente proteína. Las principales proteínas del hueso se listan en el cuadro 50-9; el colágeno tipo I es la principal proteína; comprende 90 a 95% del material orgánico. También hay colágeno tipo 5 en pequeñas cantidades, al igual que diversas proteínas que no son colágeno, algunas de las cuales son relativamente específicas para el hueso. El componente inorgánico o mineral es principalmente hidroxiapatita cristalina —Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂— junto con sodio, magnesio, carbonato y fluoruro. 99% del calcio del organismo está contenido en el hueso (capítulo 44). La hidroxiapatita confiere al hueso la fuerza y la resistencia requeridas para sus papeles fisiológicos.

El hueso es una estructura dinámica que pasa por ciclos continuos de remodelado, que constan de resorción, seguida por depósito de nuevo tejido óseo. Este remodelado permite que el hueso se adapte a señales tanto físicas (p. ej., aumentos de la carga de peso) como hormonales.

Los principales tipos de células involucrados en la resorción y el depósito óseos son los osteoclastos y los osteoblastos, respectivamente (figura 50-13). Los osteocitos se encuentran en el hueso maduro, y están involucrados también en el mantenimiento de la matriz ósea. Descienden de los osteoblastos y son de vida muy prolongada, con una vida media promedio de 25 años.

Los osteoclastos son células multinucleadas derivadas de células madre hematopoyéticas pluripotentes. Los osteoclastos poseen un dominio de membrana apical, y muestran un borde en cepillo que desempeña una función clave en la resorción ósea (figura 50-14). Una ATPasa translocadora de protón, especial, expele protones a través del borde en cepillo hacia el área de resorción, que es el microambiente BPH bajo que se muestra en la figura. Esto disminuye el pH local a 4.0 o menos, lo que aumenta así la solubilidad de la hidroxiapatita y ayuda a su descomposición hacia Ca²⁺, H₃PO₄ y H₂CO₃ y agua, lo que permite así que ocurra desmineralización. También se liberan proteasas ácidas lisosomales, como las catepsinas, para digerir las ahora accesibles proteínas de la matriz. Los osteoblastos (células mononucleares derivadas de precursores mesenquimatosos pluripotentes) sintetizan la mayor parte de las proteínas que se encuentran en el hueso (cuadro 50-9), así como diversos factores de crecimiento y citocinas. Se encargan del depósito de la nueva matriz ósea (osteoide) y su mineralización subsiguiente. Los osteoblastos controlan la mineralización al regular el paso de iones de calcio y fosfato a través de sus membranas de superficie. La fosfatasa alcalina, una enzima en la membrana celular, genera iones fosfato a partir de fosfatos orgánicos. Los mecanismos involucrados en la mineralización no se entienden por completo, pero varios factores han quedado implicados. La fosfatasa alcalina contribuye a la mineralización, pero es insuficiente por sí misma. También se cree que desempeñan un papel vesículas pequeñas (vesículas de la matriz) que contienen calcio y fosfato, y que se forman mediante gemación desde la membrana del osteoblasto. Además, el colágeno tipo I parece ser necesario; la mineralización es evidente por vez primera en los vacíos entre moléculas sucesivas. Las fosfoproteínas ácidas, como la sialoproteína ósea y la osteopontina, pueden actuar como sitios de nucleación. Estas proteínas contienen secuencias RGD para la fijación celular, y motivos (p. ej., tramos poli-ASP y poli-Glu) que se unen al calcio y proporcionan un andamio para la mineralización. Algunas macromoléculas, como ciertos proteoglucanos y glucoproteínas, también actúan como inhibidores de la nucleación.

Se estima que anualmente se renueva alrededor de 4% del hueso compacto en el adulto sano típico, mientras que se reemplaza aproximadamente 20% del hueso trabecular (hueso menos denso que se encuentra en los extremos de los huesos largos cerca de las articulaciones).

Muchos factores están involucrados en la regulación del metabolismo óseo. Algunos estimulan osteoblastos (p. ej., hormona paratiroidea y 1,25-dihidroxicolecalciferol [capítulo 44]) y otros los inhiben (p. ej., corticosteroides). La hormona paratiroidea y el 1,25-dihidroxicolecalciferol también estimulan los osteoclastos, mientras que la calcitonina y los estrógenos los inhiben.

En el cuadro 50-10 se listan varios de los ejemplos más importantes de los trastornos metabólicos y genéticos que afectan el hueso.

La osteogénesis imperfecta (huesos frágiles) se caracteriza por fragilidad anormal de los huesos. Las escleróticas a menudo son anormalmente delgadas y translúcidas, y pueden tener aspecto azul debido a la deficiencia de tejido conjuntivo. Se han reconocido ocho tipos (I-VIII) de esta enfermedad. Los tipos I a IV se originan por mutaciones en los genes COL1A1 o COL1A2 o ambos. El tipo I es leve, pero el tipo II es grave, y los lactantes que nacen con la enfermedad por lo general no sobreviven. Se han documentado más de 100 mutaciones en estos dos genes, e incluyen deleciones y duplicaciones parciales de gen. Otras mutaciones afectan el empalme de RNA, y el tipo más frecuente da por resultado el reemplazo de glicina por otro aminoácido más voluminoso, lo cual afecta la formación de la triple hélice. En general, estas mutaciones dan por resultado expresión disminuida de colágeno, o pro cadenas estructuralmente anormales que se montan hacia fibrillas anormales, lo cual debilita la estructura general del hueso. Cuando hay una cadena anormal, puede interactuar con dos cadenas normales, pero quizá se evite el plegamiento, lo cual da por resultado degradación enzimática de todas las cadenas. Esto se llama “suicidio del procolágeno” y es un ejemplo de una mutación negativa dominante, un resultado que a menudo se observa cuando una proteína consta de múltiples subunidades diferentes. Los tipos V a VIII son menos comunes y se originan por mutaciones en los genes que codifican para las proteínas involucradas en la mineralización ósea que no son colágeno.

La osteopetrosis (enfermedad de los huesos de mármol), caracterizada por densidad ósea aumentada, es una enfermedad rara que se caracteriza por incapacidad para resorber hueso. Una forma ocurre junto con acidosis tubular renal y calcificación cerebral. Se debe a mutaciones en el gen (localizado en el cromosoma 8q22) que codifica para la anhidrasa carbónica II (CA II), una de cuatro isozimas de la anhidrasa carbónica presentes en tejidos de humano. La reacción catalizada por la anhidrasa carbónica es

En osteoclastos involucrados en la resorción ósea, la Ca II al parecer proporciona protones para neutralizar los iones OH^– que quedan dentro de la célula cuando iones H⁺ son bombeados a través de sus bordes en cepillo (véase antes). De este modo, si hay deficiencia de la actividad de CA II en osteoclastos, no ocurre resorción normal de hueso y sobreviene osteopetrosis. El mecanismo de la calcificación cerebral no está claro, mientras que la acidosis tubular renal refleja actividad deficiente de CA II en los túbulos renales.

La osteoporosis es una reducción progresiva generalizada de la masa de tejido óseo por unidad de volumen, lo cual causa debilidad del esqueleto. La enfermedad tipo 1 primaria por lo general ocurre en mujeres después de la menopausia, mientras que el tipo 2 primario u osteoporosis senil ocurre en ambos sexos después de los 75 años de edad, aunque es más prevalente en mujeres (proporción mujeres:varones, 2:1). La proporción entre elementos minerales y orgánicos no cambia en el hueso normal restante. Ocurren muy fácilmente fracturas de diversos huesos, como la cabeza del fémur, y representan una enorme carga tanto para los pacientes afectados como para el presupuesto de la sociedad para el cuidado de la salud. Entre otros factores, los estrógenos y las citocinas interleucinas 1 y 6 parecen estar íntimamente involucrados en la causa de la osteoporosis.

En el cuadro 50-11 se listan las principales proteínas del cartílago hialino (el principal tipo de cartílago). El colágeno tipo II es la proteína principal (figura 50-15) y hay también varios otros tipos menores de colágeno. Además de estos componentes, el cartílago elástico contiene elastina, y el cartílago fibroelástico contiene colágeno tipo I. El cartílago contiene varios proteoglucanos, que desempeñan una función importante en su compresibilidad. El agrecano (aproximadamente 2 × 10³ kDa) es el principal proteoglucano. Tiene una estructura muy compleja que contiene varios GAG (ácido hialurónico, condroitín sulfato, y queratán sulfato) y proteínas tanto de enlace como centrales (figura 50-16). La proteína central contiene tres dominios: A, B y C. El ácido hialurónico se une de manera no covalente al dominio A de la proteína central, así como a la proteína de enlace, que estabiliza las interacciones hialuronato-proteína central. Las cadenas de queratán sulfato están situadas en el dominio B, mientras que las cadenas de condroitín sulfato están ubicadas en el dominio C; estos dos tipos de GAG están unidos de modo covalente a la proteína central. Esta última también contiene cadenas de oligosacáridos tanto O-enlazadas como N-enlazadas.

Los otros proteoglucanos que se encuentran en el cartílago tienen estructura más simple que el agrecano.

La condronectina está involucrada en la fijación del colágeno tipo II a condrocitos (las células en el cartílago).

El cartílago es un tejido avascular y obtiene la mayor parte de sus nutrientes a partir del líquido sinovial. Muestra recambio lento pero continuo. Diversas proteasas (p. ej., colagenasas y estromelisina) sintetizadas por los condrocitos pueden degradar colágeno y las otras proteínas que se encuentran en el cartílago. La interleucina-1 (IL-1) y el factor de necrosis tumoral α (TNFα) parecen estimular la producción de ese tipo de proteasas, mientras que el factor de crecimiento transformante β (TGFβ) y el factor de crecimiento tipo insulina I (IGF-I) por lo general ejercen una influencia anabólica sobre el cartílago.

Las condrodisplasias son un grupo mixto de trastornos hereditarios que afectan el cartílago. Se manifiestan por enanismo de extremidades cortas, y muchas deformidades del esqueleto. Varias de ellas se deben a diversas mutaciones en el gen COL2A1, que llevan a formas anormales de colágeno tipo II. Un ejemplo es el síndrome de Stickler, que se manifiesta por degeneración del cartílago articular y del cuerpo vítreo del ojo.

La mejor conocida de las condrodisplasias es la acondroplasia, la causa más común de enanismo de extremidades cortas. Los individuos afectados tienen extremidades cortas, tamaño normal del tronco, macrocefalia y varias otras anormalidades del esqueleto. La enfermedad a menudo se hereda como un rasgo autosómico dominante, pero muchos casos se deben a mutaciones nuevas. En la figura 50-17 se esboza la base molecular de la acondroplasia. La acondroplasia no es un trastorno del colágeno, sino que se debe a mutaciones en el gen que codifica para el receptor de factor de crecimiento de fibroblastos 3 (FGFR3). Los factores de crecimiento de fibroblastos son una familia de más de 20 proteínas que afectan el crecimiento y la diferenciación de células de origen mesenquimatoso y neuroectodérmico; estos receptores son proteínas transmembrana y forman un subgrupo de cuatro en la familia de tirosina cinasas receptoras. El FGFR3 es un miembro de este subgrupo y media las acciones del FGF3 sobre el cartílago. En la mayor parte de los casos de acondroplasia que se han investigado, se encontró que las mutaciones afectaron el nucleótido 1138 y dieron lugar a la sustitución de glicina por arginina (residuo número 380) en el dominio transmembrana de la proteína, lo que la hizo inactiva. En individuos no afectados no se encontró esa mutación.

Es más bien sorprendente que otras mutaciones en el mismo gen pueden dar por resultado hipocondroplasia, displasia tanatofórica (tipos I y II) (otras formas de enanismo de extremidades cortas), y el fenotipo SADDAN (acondroplasia grave con retraso del desarrollo y acantosis nigricans [esta última es una hiperpigmentación parda a negra de la piel]).

Otras displasias esqueléticas (incluso ciertos síndromes de craneosinostosis) también se deben a mutaciones en genes que codifican para receptores de FGF (cuadro 50-10). Se ha encontrado que otro tipo de displasia esquelética, la displasia diastrófica se debe a mutación en un transportador de sulfato.

• Los principales componentes de la ECM son las proteínas estructurales colágeno, elastina y fibrilina-1, varias proteínas especializadas (p. ej., fibronectina y laminina) y diversos proteoglucanos.

• El colágeno es la proteína más abundante en el reino animal; se han aislado alrededor de 28 tipos. Todos los colágenos contienen tramos mayores o menores de triple hélice, y la estructura repetitiva (Gli-X-Y)n.

• La biosíntesis de colágeno es compleja; comprende muchos eventos postraduccionales, incluso hidroxilación de prolina y lisina.

• Las enfermedades asociadas con síntesis alterada de colágeno son escorbuto, osteogénesis imperfecta, síndrome de Ehlers-Danlos (6 subtipos) y enfermedad de Menkes.

• La elastina confiere extensibilidad y retroceso elástico a los tejidos. La elastina carece de hidroxilisina, secuencias Gli-X-Y, estructura de triple hélice y azúcares, pero contiene enlaces covalentes de desmosina e isodesmosina que no se encuentran en el colágeno.

• La fibrilina-1 se encuentra en microfibrillas. Las mutaciones en el gen que codifica para fibrilina-1 causan síndrome de Marfan. La citocina TGF-β parece contribuir a la enfermedad cardiovascular.

• Los glucosaminoglucanos (GAG) están constituidos de disacáridos repetitivos que contienen un ácido urónico (glucurónico o idurónico) o hexosa (galactosa) y una hexosamina (galactosamina o glucosamina). También suele haber sulfato.

• Los principales GAG son el ácido hialurónico, condroitín 4- y 6-sulfatos, queratán sulfatos I y II, heparina, heparán sulfato y dermatán sulfato.

• Los GAG son sintetizados por las acciones secuenciales de una batería de enzimas específicas (glucosiltransferasas, epimerasas, sulfotransferasas, etc.) y son degradados por la acción secuencial de hidrolasas lisosomales. Las deficiencias genéticas de estas últimas dan por resultado mucopolisacaridosis (p. ej., el síndrome de Hurler).

• Los GAG se encuentran en los tejidos unidos a diversas proteínas (proteínas en las adoras y proteínas centrales) que constituyen proteoglucanos. Estas estructuras a menudo tienen peso molecular muy alto y desempeñan muchas funciones en los tejidos.

• Muchos componentes de la ECM se unen a proteínas de la superficie celular llamadas integrinas; esto constituye una vía mediante la cual el exterior de las células puede comunicarse con el interior.

• Tanto el hueso como el cartílago son formas especializadas de ECM. El colágeno I y la hidroxiapatita son los principales constituyentes del hueso. El colágeno II y ciertos proteoglucanos son constituyentes importantes del cartílago.

• Varias enfermedades hereditarias del hueso (p. ej., osteogénesis imperfecta) y del cartílago (p. ej., las condrodistrofias) son causadas por mutaciones en los genes que codifican para colágeno y proteínas involucradas en la mineralización ósea y la formación de cartílago.