EL COLÁGENO, ¿UN CEMENTO BIOLÓGICO QUE … · el colÁgeno, ¿un cemento biolÓgico que mantiene...

EL COLÁGENO, ¿UN CEMENTO BIOLÓGICO QUE MANTIENELA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

M.a ANTONIA LIZARBE IRACHETA

Real Academia de Ciencias

INTRODUCCIÓN

La arquitectura, arte de encerrar el espacio, es la crea-ción de espacios interiores que resultan confortables y ade-cuados para el uso al que están destinados. En cada época,en las obras arquitectónicas se detectan una serie de rasgoscomunes, que les confieren una morfología propia. Enella influye el tipo de material utilizado, que se moldea otrabaja de forma distinta según sus características y enconsonancia con los conocimientos técnicos del momento.Además, los estilos cambian o bien por las innovacionestécnicas o bien por la introducción de nuevos materiales,como el hierro en el siglo XX. Y, aunque el arte de un si-glo no es superior al de los precedentes, lo es en el senti-do técnico, ya que los medios de trabajo se perfeccionanconstantemente. Por ejemplo, aunque la bóveda de cru-cería, por su manera de montar una estructura de piedra,supuso una revolución, en un edificio contemporáneodonde se utiliza hierro, acero y cemento, la descarga de fuer-zas se consigue de forma diferente. El muro construidocon sillares, el pilar, la columna y el arco de medio pun-to, que habían sido utilizados en siglos anteriores, son ele-mentos de la arquitectura románica. Sin embargo, la cons-trucción románica se somete a una métrica espacial: lalongitud de la iglesia no es arbitraria, debe ser múltiplo delancho de la nave central, y el ancho de las naves lateralesdebe reducirse a un submúltiplo de la anchura de la navecentral. Con el mismo material, la piedra, las catedrales gó-ticas estiran sus columnas y se remarca la verticalidad.Cabe resaltar que una de las características de la arqui-tectura gótica es el naturalismo, su aprendizaje de la na-turaleza. Parece en parte inspirada en las nervaduras lige-ras y resistentes de las plantas; los arbotantes y contrafuertesevocan animales que soportan su pesado cuerpo sobreunas versátiles y arqueadas patas. Al comparar un edificiorománico y otro gótico, construidos básicamente con losmismos materiales, se puede observar que tanto los espa-cios generados como las sensaciones que percibimos sondiferentes (figura 1).

La admiración que despiertan numerosas obras arqui-tectónicas no es comparable a la que debería suscitar la

2SI

iFig. 1.-Arquitectura románica y gótica. Muro de la nave central dela iglesia de San Vicente de Cardona del siglo xi -izquierda-, e inte-rior de la catedral de Saint-Étiene de Auxerre -derecha-, cuya cons-

trucción se inició en el siglo xm y finalizó en el xv.

contemplación de las obras de la naturaleza. Ésta disponede una gama incalculable de materiales, tal vez algunosaún inéditos para nosotros, que conjunta, moldea y utili-za de forma singular y específica para edificar los tejidos.Además, en este caso se dispone de todos los «conoci-mientos técnicos» imaginables, en los cuales se basan des-de la arquitectura de las membranas celulares a la arqui-tectura tisular o corporal. La naturaleza también utilizauna métrica espacial y estilos que cambian con la utilizaciónde materiales específicos, dotando a los tejidos corporales deuna organización y morfología particular que les otorgapropiedades adaptadas a los requerimientos funciona-les propios o específicos de cada uno de ellos. Cuando secomparan cortes histológicos, por ejemplo de la córnea ydel esófago (figura 2), se ponen de manifiesto diferentesestilos arquitectónicos naturales. El aspecto de la córnea,aparentemente simple y que carece de vasos sanguíneos,parece limitarse a las láminas de células epiteliales y endo-teliales soportadas por membranas y separadas por una ex-tensa capa de estroma entre ellas; en el estroma, o subs-tantia propria, se pueden distinguir los núcleos de losfibroblastos. El esófago se muestra más sofisticado y com-plejo; diferentes tipos celulares, membranas y espacios dematriz se organizan de una forma singular para poder de-

119


CÓRNEA

Epitelio—•Membrana

de Bowman

EstromaSubstantia

propria

Membrana deDescementEndotelio

Muscularísexterna

Muscularísmucosa

Epitelio

Lumen

Laminapropria

Submucosa

ESÓFAGO

Fig. 2 . - Sección de la córnea y del esófago. El diseño o la organizaciónparticular de los tipos y capas celulares, al igual que la de la matrizextracelular, confiere a los tejidos una arquitectura específica adap-tada a los requerimientos funcionales. En la figura se recoge la com-

posición de la córnea y del esófago.

sempeñar las funciones asignadas al aparato digestivo. Enestos ejemplos queda patente la coexistencia de diferentestipos celulares soportados o delimitados por membranas yun relleno y soporte, la matriz extracelular, que permite alas células quedar confinadas a regiones específicas.

Con las limitaciones que impone el espacio, y por laamplitud del tema, se deben considerar de forma muy re-sumida las características y composición de la matriz ex-tracelular y restringir esta presentación al papel de uno delos componentes, el colágeno, en el mantenimiento de laarquitectura tisular.

La matriz extracelular

Las células están soportadas o embebidas en un cemento,pegamento biológico o armazón conocido como matriz ex-tracelular, de la que depende la integridad tisular y quedota a los tejidos de ciertas propiedades mecánicas, como,por ejemplo, extensibilidad y elasticidad a la piel o rigidezal hueso. A mediados del siglo pasado se pensaba que lamatriz extracelular desempeñaba sólo un papel pasivo,como soporte o armazón inerte del que dependía la inte-

gridad tisular. La matriz extracelular se puede definir comoun entramado organizado o asociación de distintos tiposde macromoléculas, cada una de ellas con una funciónespecializada, que constituye el entorno de las células eu-cariótas. Las proteínas de la matriz extracelular, frecuen-temente multiméricas, se asocian entre sí generando es-tructuras especializadas y estables que difieren en su formay propiedades. Además, muchas de las proteínas de la ma-triz son multifuncionales, pudiendo establecer interac-ciones con diferentes macromoléculas y ser reconocidaspor las células. De esta forma, la matriz extracelular tam-bién influye en procesos como la adhesión y la motilidadcelular y la adquisición de una morfología particular, ymodula la proliferación y la diferenciación celular, de-sempeñando, por tanto, un papel activo.

A mediados del siglo XX se consideraba a la matriz ex-tracelular como un conjunto de fibras de colágeno em-bebidas en una sustancia coloidal. Sin embargo, con unacomposición tan sencilla no se puede explicar la diversi-dad de la funciones tisulares, que debe fundamentarse enuna composición compleja y una organización variada.La matriz extracelular está compuesta por diferentes ma-cromoléculas que pertenecen a las familias de los coláge-nos, los proteoglicanos y las glicoproteínas no colageno-sas, apareciendo también, en algunos tejidos, las elastinas.La heterogeneidad funcional está claramente asociada auna heterogeneidad estructural, ya que no son sólo cuatrotipos de moléculas diferentes, son familias de moléculas,y más de una treintena de genes codifican las cadenas po-lipeptídicas que forman las moléculas de los colágenos devertebrados. De igual modo, el número de miembrosde las familias de los proteoglicanos y de las glicoproteínasno colagenosas se cifran en varias decenas. Además, lacomposición de la matriz extracelular, supeditada a la fun-ción tisular, puede variar de una forma drástica de un te-jido a otro y la especificidad funcional se puede incre-mentar con la microheterogeneidad estructural detectadaen algún componente.

Las propiedades de la matriz extracelular dependen delas moléculas que la forman, del porcentaje relativo de cadauna de ellas y de las interacciones que se establezcanentre los diferentes componentes. En general, se puedendistinguir dos tipos principales de matrices extracelu-lares. La más ubicua es la matriz intersticial o estroma,donde las células están embebidas y cuyos componentesmayoritarios son los colágenos que forman fibras, laglicoproteína fibronectina y proteoglicanos del tipo con-droitín y dermatán sulfato. Los basamentos membrano-sos, que forman láminas sobre las que se sustentan las cé-lulas, constituyen una matriz acelular que funciona comobarrera de permeabilidad selectiva. Están compuestos prin-cipalmente por colágeno de tipo IV, la glicoproteína la-minina y proteoglicanos del tipo heparán sulfato. Los ba-samentos membranosos se localizan separando células dela matriz intersticial, como soporte para las células de epi-telio o de endotelio, o rodeando haces de células muscu-lares, adipocitos o células nerviosas.

120

EL. COLÁGENO, ¿UN CEMENTO BIOLÓGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

LA SUPERFAMILIA DE LOS COLÁGENOS

Los colágenos son las proteínas más abundantes en losmamíferos, y llegan a constituir hasta una tercera partedel contenido proteico de un animal. En el cuerpo hu-mano son el principal constituyente de muchos tejidos,como la piel (74 %), los tendones y ligamentos (90 %),la córnea (64 %), el cartílago (50 %), el hueso cortical(23 %), la aorta (12-14 %), el pulmón (10 %) y el híga-do (4 %). Son los principales elementos estructurales dela matriz extracelular, proporcionando la ronna y dotan-do de fuerza y flexibilidad a los tejidos. También estánrelacionados con otros procesos: transmisión de fuerzas(tendones), lubricación (cartílago), transmisión de luz(cristalino) o generación de barreras (filtración o separa-ción de tipos celulares). El tipo de colágeno presente enuna matriz extracelular condiciona sus propiedades físicasy biomecánicas. Los primeros colágenos conocidos, ma-yoritarios en los tejidos, forman fibras; por ello, el térmi-no colágeno ha sido sinónimo de proteína fibrosa. Estees el caso del colágeno de tipo I, que constituye el 90 %del colágeno corporal. Su estructura, una triple hélice rí-gida que se asocia formando fibras que pueden ser visua-lizadas por microscopía electrónica, ha sido durante añosel modelo de esta molécula. Los tejidos que requieren so-portar fuerzas mecánicas, como la piel, el tendón y el hue-so, son ricos en colágenos fibrilares y colágenos asociadosa fibras. El colágeno de tipo I, que proporciona elastici-dad a la piel, es también crucial para la interacción con loscristales de hidroxiapatito en la formación de la matrizósea. Sin embargo, las propiedades lubricantes del cartí-lago se deben a las fibras de colágeno de tipo II, que for-man un soporte básico al cual se anclan los proteoglica-nos. Resulta interesante señalar que la identificación deotros colágenos ha permitido concluir que la formación defibras es una característica de un número limitado de ellos.Así, las redes de colágeno de tipo IV proporcionan esta-bilidad mecánica a los basamentos membranosos.

Estructura y características

Los colágenos son moléculas, homo y heterotriméricas,compuestas por tres cadenas polipeptídicas denominadascadenas a. El término genérico «colágeno» engloba a unasuperfamilia de proteínas que, en vertebrados, está cons-tituida por una veintena de moléculas diferentes o másde una treintena de cadenas polipeptídicas genéticamen-te distintas (figura 3). Cada una de las cadenas a que for-man la molécula de colágeno se encuentran formandouna hélice levógira. Tres cadenas a se asocian entre sí for-mando una superestructura básica consistente en una tri-ple hélice dextrógira, regular y rígida: la triple hélice de co-lágeno (figura 4).

La secuencia de aminoácidos de las cadenas a es singu-lar, ya que la característica común de las regiones en tri-ple hélice, conocidas como dominios colagenosos (COL),es la repetición del triplete glicocola-X-Y (figura 4). Estas

SUPERFAMILIA DE LOS COLÁGENOS

COLÁGENOS TIPO COMPOSICIÓN

FIBRILARES

XI

[01,(1)1 ,̂(1)

[a,(V)]2a2(V)cx,(V)a2(V)a,(V)a,(Xi)a,(Xi)us(Xi)

ASOCIADOSA FIBRAS(FACITs)

ix a,(ix)a2(ix)a,(ix)XII [a^xii)],xiv [a,(Xiv)],xvi [a,(xvi)]3

xix [a,(Xix)]s

xx [a,(xx)]s

FORMAN REDESY ESTRUCTURAS

MICROFIBRI LARES

IVVIVilVIII

X

[aa,ra[a[a[a

,(IV)]2

(Vi)a,(VH):,\ V I I I j

1 \ V I I I ;

,(X)]3

a2(iv>2(Vi)a3(vi)3

|2a2(VMi)

MULTIPLEXINAS XVXVIII

tOl,(XV)]3

[a,(xvni)]s

ASOCIADOS AMEMBRANA

(MACITs)

XIIIXVII

Fig. 3.- La superfamilia de los colágenos. En el esquema se recogenlos distintos tipos de colágenos agrupados según las estructuras ma-cromoleculares que forman. Se indica la composición en cadenaspolipeptídicas de las formas mayoritarias de cada uno de los co-

lágenos.

regiones son resistentes a la degradación por proteasas co-munes y sólo son sensibles a colagenasas específicas. Lacomposición de aminoácidos del colágeno, tan diferentede las proteínas globulares, es reflejo de la repetición deltriplete Gly-X-Y, requerimiento imprescindible para laformación de la triple hélice. Así, en un colágeno que for-ma una triple hélice continua, una tercera parte de los re-siduos son glicocolas. Es una molécula rica en prolina e hi-droxiprohna (20 %), contiene aminoácidos hidroxilados(hidroxiprolina y hidroxilisina) y, al igual que otras pro-teínas que se secretan, se glicosila en la célula antes de susecreción al espacio extracelular. La estabilidad de esta es-tructura depende de la localización de los residuos en eltriplete, siendo crítica la posición de la glicocola comoprimer aminoácido del mismo. Para que las tres cadenas ase aproximen lo suficiente para formar la triple hélice, ensu interior sólo puede acomodarse el aminoácido más pe-queño, la glicocola, quedando las cadenas laterales de losaminoácidos de las posiciones X e Y del triplete locali-zadas hacia el exterior (figura 4). Las mutaciones queproducen cambios de la glicocola por otro aminoácidoconducen a la formación de colágenos no funcionales einestables, que son degradados intracelularmente o que

121


se asocian de modo incorrecto en la matriz. Algunos ami-noácidos ocupan preferentemente la posición X o la Y; laprolina (Pro) se encuentra en la posición X, mientras quela hidroxiprolina (Hyp) e hidroxilisina (Hyl) ocupan laposición Y.

En los colágenos que no forman fibras, la estructura entriple hélice queda interrumpida por las denominadas re-giones no colagenosas (NC), que pueden variar desde do-minios globulares extensos hasta pequeñas regiones don-de la secuencia del triplete no se repite o se altera. Estaszonas son sensibles al ataque proteolítico pero confierenflexibilidad a la molécula de colágeno. Por ello, como co-lágeno se define a aquellas «macromoléculas estructuralesde la matriz extracelular que incluyen en su estructurauno o varios dominios que se encuentran en conformaciónde triple hélice». Así, en esta familia se incluye un amplioconjunto de moléculas de la matriz extracelular que pue-den no tener una triple hélice continua y presentan do-minios globulares no colagenosos, de longitud y localiza-ción variable a lo largo de la molécula. Para homogeneizarla nomenclatura, a los diferentes tipos de colágeno se lesha asignado un número romano correlativo según se han

CADENA a

— Gly - Pro -Secuencia

- Gly - Pro - -"••'

- Gly - x

i - Gly - L e u • - G l y - Pro - 'i-''—

Estructura Hélice de colágeno (levógira)

TRIPLE HÉLICE DE COLÁGENO

/ Sección transversal

PROCOLÁGENO: precursor biosintético

PropéptidoN-termlnal

(139 aa) PropéptidoC-term¡nal

(330 aa)

Fig. 4.- Características de la molécula de colágeno. La secuencia delas cadenas a de la molécula de colágeno se caracteriza por la re-petición del triplete Gly-X-Y. Tres hélices levógiras de cadenas a for-man la triple hélice de colágeno de 300 nm de longitud, estructuracontinua y rígida, salvo en los extremos (telopéptidos). En la seccióntransversal de la triple hélice se muestra la localización interior de losresiduos de glicocola de dos tripletes consecutivos. En la moléculaprecursora, el procolágeno, se distinguen los dos dominios no colage-

nosos de los extremos amino y carboxilo terminal.

[NÚCLEO

Genes de ' TRANSÍ KIITIÓN

colágeno

RETÍCULO ENDOPLÁSMICO

1 2

# * • (4)—• Galactosa—• Glucosa

É N-glicusilo

APARATO DE GOLCI

ESPACIO EXTRACELULAR

1

linRNA » niRNA

1- Síntesis v entrada al lumen delKI-: rugoso

2 - l-limiiKición del péplido señal (dMiwi

?.- 1 lidroxilación de prolma \ Iisina

Prolil y lisil- h¡tln.\Ílasas

4.- (iíicosilación de hidroxilisiiuiAdición de ohgosacándos

Galactosil y glucosil transferasas ,Otras })|ÍCOK¡dasas

5.- Alineación de cadenas yTomiacion de puentes disulfuro

Pnitcína ti ¡sulfuro isomerasa

<>.- l-'ormación de la triple hélice

7.- IjiipaqueLinnenlo \ exocüosis

PR(M:OI.Á<;KNO J

Fig. 5.- Etapas intracelulares de la biosíntesis de procolágeno. Labiosíntesis de cadenas a y el procesamiento ¡ntracelular de las mis-mas, hasta formar la molécula de procolágeno, transcurren en di-ferentes compartimentos subcelulares. La mayoría de las modifica-ciones, desde las reacciones de hidroxilación y glicosilación hasta laformación del procolágeno, se producen en el lumen de retículo en-doplásmico. En el aparato de Golgi se empaguetan dichas molécu-las y se secretan al espacio extracelular. Las características de los sis-temas enzimáticos gue participan en el procesamiento ¡ntracelular

se recogen en la tabla I.

ido descubriendo. Las cadenas a se nombran con un subín-dice, indicándose entre paréntesis el tipo de colágeno.De este modo, el colágeno de tipo I, que está compuestopor dos cadenas iguales y una distinta, se reconoce como[a, (I)], a, (I) (figura 3). Con independencia de cuál seael tipo de colágeno, las características de estas moléculasemanan de las de su precursor biosintético, la molécula deprocolágeno (figura 4).

Biosíntesis de colágeno

Después del proceso de transcripción de los genes y delprocesamiento del RNA mensajero, se sintetizan las cadenaspolipeptídicas, que se modifican, originándose el proco-lágeno. Una vez secretado al espacio extracelular, y en fun-ción del tipo de colágeno considerado, el procolágenopuede remodelarse. El proceso culmina con el ensambla-

122

EL COLÁGENO, ¿UN CEMENTO BIOLÓGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

modificación y sistemas enzimáticos sustratos y requerimientos

etapas intracelulares

eliminación del péptido señalseñal peptidasa

hidroxilacion del carbono 4 de prolinaprolil 4-hidroxilasa

hidroxílación del carbono 3 de prolinaproli! 3-hidroxilasa

hidroxüacion de lisinalisil hidroxilasa

0-glicosilación de hidroxilisinashidroxilisil-galactosil transferasa

O-glicosilación de galactosil-hidroxilisinagalactosil-hidroxilisil-glucosil transferasa

N-glicosilacionoligosacaridil transferasa

formación de enlaces disulfuroproteína disulfuro isomerasa

interconversión cis/trans dei enlaceprolil peptidilo cis/trans ¡somerasa

asociación de las tres cadenas.

Cadenas pre- proa.

Prolina en posición Y (Gly-X-Pro). Requiere hierro, 2-cetoglutarato, 0 ; yácido ascórbico. Inhibidores: agentes quelantes de hierro, análogos del 2-ceto-glutarato, antibióticos a-lactámicos, Zn2*, poli-L-Pro y análogos de prolina.

Prolina en posición X (Gly-Pro-4Hyp). Requiere hierro, 2-cetoglutarato, 0y acido ascórbico.

Usina en posición Y (Gly-X-Lys). Requiere hierro, 2-cetoglutarato, 0 y acidoascórbico.

UDP-galactosa e hidroxilisina. Requiere cationes divalentes Inhibición porvarios cationes divalentes y por UDP.

UDP-glucosa/galactosil-hidroxilisina. Requiere cationes divalentes. Inhibiciónpor vanos cationes divalentes y por UDP.

-Asn-X-Ser(Thr)-

Cadenas polipeptídicas recién biosintetizadas.

Cadenas polipeptídicas recién biosintetizadas. Inhibición por ciclosponna A.

No enzimático; participan caperonas.

etapas extracelulares

eliminación del propéptido de la región amino-terminalprocolágeno N-peptidasa

eliminación del propéptido de la región carboxilo-terminalprocolágeno C-peptidasa

conversión de usinas e hidroxilisinas en aldehidoslisil oxidasa

Una isoenzima actúa sobre procolágenos de tipo 1 y II y otra sobre el detipo III. Requieren cationes divalentes (Ca!+). Inhibición por péptidos sintéticosy agentes quelantes de cationes.

Procolágenos de tipo 1, II y III. Similar a procolageno N-peptidasa.

Usinas e hidroxilisinas de los telopéptidos. Requiere cobre. Inhibidores:penicilamina, [3-aminopropionithlo y agentes quelantes del cobre.

je y estabilización, propio de cada tipo de colágeno, queproporciona la estructura macromolecular estable y ade-cuada a la ("unción que realiza en los tejidos. Un esquemade la fase intracelular de la biosíntesis de colágeno se re-coge en la figura 5. En el proceso de biosíntesis del colágenoparticipan al menos una decena de sistemas enzimáticos(tabla I).

La traducción de los RNAs mensajeros se realiza por ri-bosomas asociados al retículo endoplásmico. El péptido se-ñal permite la transferencia de la cadena a al lumen del re-tículo endoplásmico. Estas secuencias señal son reconocidasy cortadas por la señal-peptidasa, enzima de la región lu-minal del retículo. Las cadenas proa contienen extensio-nes adicionales en sus extremos, regiones denominadaspropéptidos (figuras 4 y 5).

La hidroxüacion de residuos de prolina y de Usina, mo-dificación poco frecuente en otras proteínas, se realiza portres sistemas enzimáticos; dos actúan sobre residuos deprolina (prolil 4-hidroxilasa y prolil 3-hidroxilasa), y el ter-cero, sobre residuos de lisina (lisil hidroxilasa). Estas en-zimas actúan sobre residuos que ocupan una posición de-terminada en el triplete y cuando la cadena polipeptídicano está formando triple hélice, por lo que la hidroxila-ción debe completarse antes de la formación de dicha es-

tructura. Los mecanismos de la reacción son similares paralas tres hidroxilasas, y su actuación requiere Fe"*, 2-ceto-glutarato, oxígeno molecular y ácido ascórbico (vitamina C).

Los residuos de 4-hidroxiprolina son necesarios para elcorrecto ensamblaje de la molécula de procolágeno y parala estabilización de la triple hélice, ya que los grupos hi-droxilo de la hidroxiprolina forman enlaces de hidrógenoentre las cadenas a. La importancia de estos residuos haceque la prolil 4-hidroxilasa sea uno de los blancos potencialespara la modulación farmacológica o el control de procesosfibróticos caracterizados por una producción excesiva de co-lágeno. Condiciones que impiden la hidroxüacion de pro-lina (deficiencias en oxígeno, hierro o vitamina C) inhibenla formación de la triple hélice. En estados caracterizadospor una fragilidad de la piel y de los vasos sanguíneos, aso-ciados a deficiencias en vitamina C, las cadenas no hidro-xiladas se degradan en el interior de la célula.

La hidroxüacion de lisina es crítica para la estabiliza-ción de estructuras macromoleculares, ya que los residuosde hidroxilisina participan en la formación de enlaces deentrecruzamiento intra e intermoleculares. La deficienciaen lisil hidroxilasa impide que se formen los enlaces deentrecruzamiento, con la consecuente susceptibilidad a ladegradación y debilidad mecánica de los tejidos.

123

M.11 ANTONIA LIZARBE IRACHETA

Otra de las etapas implicadas en la biosíntesis de co-lágeno es la glicosilación de las cadenas de procolágeno. Loshidratos de carbono, principalmente galactosa y glucosil-galactosa, se unen a través de enlaces O-glicosídicos a hi-droxilisinas situadas en dominios que formarán parte dela triple hélice. La reacción está catalizada por dos enzimas(tmnsfemsas de retículo endopldsmico) que requieren catio-nes divalentes. Al igual que las hidroxilasas, estas transfe-rasas actúan sobre la cadena polipeptídica no integradaen la triple hélice. La extensión de la glicosilación es muyvariable entre los diferentes tipos de colágeno e, incluso,dentro de un mismo tipo; cambia según el tejido y tam-bién con la edad. Se ha observado una relación inversaentre el contenido en hidratos de carbono y el diámetrode la fibra de colágeno, por lo que uno de los papeles asig-nados a la glicosilación es participar en la fibrillogénesis.Por otro lado, la glicosilación de ciertos residuos posibi-lita la interacción con otros componentes de la matriz ex-tracelular.

Tras la selección de las cadenas, se inicia la alineación yasociación no covalente de las tres cadenas proa a travésde los extremos carboxilo-terminales. Se ha postulado laexistencia de un sitio de nucleación, una región con 3-10tripletes -Gly-Pro-Hyp-, a partir de la cual la propagaciónde la formación de la triple hélice queda ya sólo condi-cionada a la secuencia de aminoácidos de las cadenas po-lipeptídicas. La asociación de cadenas se estabiliza con laformación de puentes disulfuro, etapa catalizada por la en-zima disulfiiro isomerasa, participando también la prolil-pep-tidil cisltrans isomerasa, que cambia la configuración deenlaces de prolina.

La secreción de procolágeno se produce a través del apa-rato de Golgi. Se sabe que alteraciones en la hidroxilaciónde prolina, debidas a una baja disponibilidad de cofacto-res (Fe"*, O,), están asociadas a un procesamiento incorrectodel procolágeno, lo que provoca una disminución en suvelocidad de secreción.

Todas estas reacciones intracelulares modifican, en ma-yor o menor grado, las cadenas proa de los diferentes ti-pos de colágeno. Sin embargo, el procesamiento extrace-lular del procolágeno es distinto en función del tipo decolágeno de que se trate y de la estructura supramolecu-lar que deba formar en un tejido determinado.

Tipos de colágeno

Colágenos fibrilares

Los colágenos fibrilares pierden en el espacio extracelularlas regiones N- y C-terminales de las moléculas de pro-colágeno, quedando la triple hélice preparada para la for-mación de fibras (figura 6). Dos metaloproteinasas neu-tras, conocidas como procolágeno proteinasas, que requierencalcio y sólo actúan sobre moléculas en triple hélice, con-vierten el procolágeno en colágeno.

En este grupo homogéneo se incluyen los colágenos queforman fibras resistentes, estabilizadas por enlaces cova-

lentes, como estructura supramolecular. En él se encuen-tran los inicialmente descritos de tipo intersticial (tipos I,II y III) y los de tipo V y XI. El colágeno de tipo I es elmás abundante, y representa el principal componente fi-brilar en muchos tejidos. El colágeno de tipo III se en-cuentra en casi todos los tejidos que contienen colágenode tipo I pero en cantidades muy inferiores. Sus niveles sonelevados durante el desarrollo fetal si bien disminuyenprogresivamente con la edad. El colágeno de tipo II es elprincipal colágeno de cartílago. Los colágenos V y XI, porsu bajo porcentaje en relación al contenido total de colágenoen estos tejidos, son minoritarios. Éstos retienen parte de laextensión amino terminal del precursor y participarían enel control del diámetro de la fibra de colágeno.

La estructura madura de los colágenos fibrilares con-siste en un solo dominio colagenoso, una triple hélicecontinua de 300 nm (aproximadamente 1 000 aminoáci-dos), con unas cortas regiones en los extremos que noadoptan esta estructura, los telopéptidos (figura 6). Lastriples hélices de las moléculas maduras de colágeno agre-

PROCOLÁGENO DE TIPO I

Aminoproteinasa

a•o

IÜJ

PROCOLÁGENO PROTEINASAS

Carboxiproteinasa»OH OH . >

300 nm

Enlaces de entrecruzamlentoLISILOXIDASA

Telopéptldo Triple hélice

Micron brilla

Fig. 6.- Formación de fibras y redes de colágeno en el espacio ex-tracelular. Procesamiento del colágeno de tipo I y formación de fi-bras. Las procolágeno proteinasas actúan sobre el procoiágeno, quepierde los dominios no colagenosos de los extremos. La triple héli-ce resultante agrega lateralmente formando microfibrillas; residuosde lisina e hidroxilisina son transformados por la lisil oxidasa en loscorrespondientes aldehidos, formándose enlaces de entrecruza-miento covalentes. Se recuadra la posición de las usinas de los telo-péptidos y de las hidroxilisinas de la triple hélice que participan en

la formación de este tipo de enlaces entre dos cadenas a.

124


gan de forma espontánea en el espacio extracelular porinteracciones iónicas e hibrofóbicas. La secuencia de ami-noácidos determina un alineamiento de forma paralela ydesplazada, ensamblándose los monómeros cabeza-cola,formando las fibrillas de colágeno. Sin embargo, estas in-teracciones iniciales no covalentes, que se establecen en-tre las moléculas de colágeno que forman la fibrilla, noproporcionan resistencia mecánica a estas estructuras. Pararesponder a las demandas estructurales para las que han sidodiseñadas (fuerza tensil y estabilidad mecánica), se re-quiere un proceso adicional de estabilización por forma-ción de enlaces covalentes de entrecruzamiento. Los resi-duos implicados en la formación de estos enlacesestabilizadores son Usinas e hidroxilisinas localizadas enlos telopéptidos o en regiones de la triple hélice relajadas(tripletes que contienen poca prolina) (figura 6). Un re-querimiento previo para la formación de estos enlaces esla actuación de la lisil oxidasa, enzima que cataliza la de-saminación oxidativa de cadenas de lisina e hidroxilisina,convirtiéndolas en los correspondientes aldehidos (figura 7).Posteriormente se producen reacciones químicas de en-trecruzamiento, pero sin la participación de sistemas en-zimáticos, complicándose cada vez más este tipo de esta-bilización en el que pueden participar otros aminoácidos(figura 7). Esto explicaría las modificaciones en las pro-piedades de la piel observadas con el envejecimiento.

La composición de la fibra es uno de los factores de losque depende el diámetro de la misma. Las fibras de colá-geno pueden estar formadas por uno o varios tipos de co-lágeno. En cartílago se han detectado fibras con un núcleode colágeno de tipo XI revestido con colágeno de tipo II.También se ha descrito la posible coexistencia de coláge-no de tipo I, tipo III y tipo V en la misma fibra. Uno delos colágenos minoritarios fibrilares, el tipo V, genera unnúcleo inicial sobre el que copolimerizan los colágenosde tipo I y tipo III (figura 8).

Colágenos no fibrilares

En el resto de los colágenos (tipos IV, VI-X y XII-XIX)se detecta una gran heterogeneidad en cuanto a su es-tructura, localización tisular, organización supramolecu-lar y función. En general, la repetición de los tripletesqueda interrumpida en una o varias localizaciones quepueden ser más o menos extensas. Así, estas moléculas noestán constituidas por una triple hélice continua, sino quecontienen dominios globulares en los extremos y tambiénseparando regiones en triple hélice. Además, el procesa-miento de la molécula precursora, pérdida de las exten-siones amino y carboxilo terminales, puede no producir-se, siendo en estos casos el propio procolágeno la moléculacon la que se inicia el ensamblaje molecular.

Colágenos asociados a fibras

Son moléculas en las que las regiones en triple hélice sealternan o interrumpen con regiones no colagenosas de lon-

H-N

H-C

O=C

Hyl

OH

,„H-C—(CH2)2-CH-CH2-NH3 H3N-CH2-CH2-(CH2)2-C-H

C = 0

Lisiloxidasa

H-N OHI I

H-C-(CH2)2-CH-C

O=CI

- O., Cu:-

. N-HCK |

^C—CHj(CH2)2-C-HH C =O

IAldehidos

¿Espontáneo?

N OH HI I I

CI I I I

H-C—(CH2)2-CH-C=C—(CH2)2-C-HO=C ^.C^ C=O

| O H

Aldehido dehidroxilisina

Fig. 7.- Formación de enlaces de entrecruzamiento. Los residuos deusina (Lys) o hidroxilisina (Hyl) se convierten en los correspondientesaldehidos por acción de la lisil oxidasa. Estos grupos pueden reaccionarpara formar enlaces covalentes. La reacción entre dos aldehidos de li-sina se muestra en la parte superior de la figura. En la parte inferiorse esquematizan algunas de las posibles combinaciones entre residuosde Lys, Hyl y los correspondientes aldehidos. Los productos de conden-sación que se obtienen en estas reacciones pueden ser complejos,ya que pueden participar dos o más aminoácidos, rindiendo produc-

tos de condensación bi, tri y tetrafuncionales.

gitud variable, manteniendo todas ellas una gran extensiónamino terminal que les impide formar fibras. Sin embar-go, los diferentes dominios funcionales permiten a estoscolágenos interaccionar con las fibras, controlando su diá-metro, y proyectarse hacia el exterior de las mismas, don-de se expone un dominio que posibilita la interacción conotros componentes de la matriz (figura 8). A este grupode colágenos, de tipo IX, XII, XIV y XX, este último re-cientemente descrito, se les conoce por las siglas FACIT(Fibril-Associated Collagens with Interrupted Triple hélices).

125


GAG

DECORINA TIPO II I GAGTIPO IX

COL2

TIPO XI "•IX

NC4

NC3 1 N C 2 NC1

( GAG

TIPO I Y III

TIPO XIV

DECORINA

GAG

NC3

TIPO XIVCOL1

NC1 NC2

COL2

Fig. 8 . - Fibras de colágenos intersticiales y colágenos asociados a fibras. Las fibras de colágeno del cartílago están constituidas por moléculasde colágeno de tipo II y tipo XI revestidas de colágeno de tipo IX; en su superficie se asocian moléculas de proteoglicanos, como la decori-na (parte superior). En el estroma, las fibras están formadas por un núcleo de colágeno de tipo V revestido por colágenos de tipo I y III; en

la superficie de la fibra se asocia el colágeno de tipo XIV (parte inferior).

En el colágeno de tipo IX, molécula heterotriméricaprototipo de esta subfamilia, coexisten tres dominios co-lagenosos y cuatro no colagenosos. En la figura 8 se recogela asociación descrita en cartílago, donde dos dominiosen triple hélice del colágeno de tipo IX interaccionan conel colágeno de tipo II de la fibra en una asociación late-ral. Sin embargo, un tercer tramo de hélice (COL3) pro-yecta el dominio no colagenoso NC4 fuera de la fibra.En la superficie de las fibras, esta molécula interacciona deforma covalente por entrecruzamientos de Usina con eltelopéptido amino terminal del colágeno de tipo II. Un as-pecto curioso de este colágeno es que a la cadena OC,(IX),en el dominio NC3, puede asociarse una molécula de gli-cosaminoglicano. Esta propiedad ha sido descrita tam-bién en una de las formas de los colágenos de tipo XIIy XIV.

Los colágenos homotriméricos de tipo XII y XIV se aso-cian a la superficie de las fibras de colágeno de tipo I deuna forma similar, modulando la interacción de las fibrascon otros componentes de la matriz extracelular (figura 8).Los colágenos de tipo XVI y XIX, que contienen cinco sub-dominios en triple hélice, se han clasificado con los aso-ciados a fibras, ya que parece que contienen uno o dosdominios comunes con el colágeno de tipo IX. El colágenode tipo XIX también se ha detectado en zonas de los ba-samentos membranosos y regiones vasculares. Estos datosapuntan a que estos colágenos, junto con los de tipo XVy XVIII, podrían formar un nuevo subgrupo de colágenosdistribuidos en zonas de los basamentos membranosos.Su papel se centraría en establecer interacciones estroma-basamento membranoso y podrían tener una implicaciónen procesos angiogénicos y patológicos.

Colágenos que forman redes

En este grupo se incluyen los colágenos de tipo IV, VIIIy X. El colágeno de tipo IV es el principal componente es-tructural de la lámina densa de los basamentos membra-nosos. El monómero de 395 nra es más largo que el de loscolágenos intersticiales; el procolágeno de tipo IV no se pro-cesa después de la secreción, y se asocia formando tina red omalla tridimensional flexible. El procolágeno de tipo IVmantiene las regiones de los propéptidos y presentapequeñas alteraciones en zonas de la triple hélice que otor-gan a ésta flexibilidad. Es el primer colágeno en el que sedescribieron imperfecciones en los tripletes Gly-X-Y porinclusión o deleción de aminoácidos. La molécula estáconstituida por tres dominios, el amino terminal o región 7S,la triple hélice interrumpida y el dominio NC1 en elextremo carboxilo terminal. Las moléculas se asocian for-mando redes o mallas tridimensionales estabilizadas co-valentemente (figura 9). Las regiones amino terminalesde cuatro moléculas de colágeno de tipo IV se asocian deforma antiparalela y solapándose, generando el dominio 7S.Además de los puentes disulfuro, la lisil oxidasa actúasobre residuos de este dominio 7S, por lo que la estabili-zación se produce por entrecruzamientos covalentes se-mejantes a los de los colágenos fibrilares. Además, inte-raccionan las regiones globulares carboxilo terminales(NC1); los puentes disulfuro que se establecen entre losdominios NC1 de dos moléculas diferentes son otros delos enlaces que contribuyen a la estabilización de las redesde colágeno.

La forma [a, (IV)], a,(IV) es la más ubicua en los ba-samentos membranosos, pero hay hasta seis cadenas po-

126


lipeptídicas diferentes que, según se asocien, forman las dis-tintas variantes de colágeno de tipo IV presentes en dife-rentes tejidos.

Los colágenos de tipo VIII y X, con casi la mitad de losaminoácidos que los intersticiales, alrededor de unos 700residuos, son los colágenos más cortos y forman redes he-xagonales. El colágeno de tipo VIII, aunque también lo-calizado en otros tejidos, es un componente estructuralbásico de la membrana de Descement, sintetizado por lascélulas del epitelio de la córnea (figura 2). En el cartílago,además de los colágenos de tipo II y IX, que son biosin-tetizados por todos los condrocitos, se ha descrito otrocolágeno, el de tipo X. Este presenta una localización res-tringida y es biosintetizado únicamente por condrocitoshipertróficos. Las estructuras que forma este colágeno ho-motrimérico pueden reforzar la matriz extracelular en lazona hipertrófica de la placa de crecimiento.

Otros colágenos

El colágeno de tipo VI, colágeno microfibrilar, forma fi-lamentos con glóbulos. Es un heterotrímero en el que unatriple hélice pequeña de 105 nm queda flanqueada pordos dominios no colagenosos que contribuyen con casilos dos tercios a la masa de la molécula. Tiene una es-tructura modular multidominio con regiones homologasa las encontradas en otras proteínas. La estructura mo-lecular básica para la constitución de las microfibrillas esun tetrámero, quedando los dominios globulares expues-tos hacia el exterior de las mismas (figura 10).

Los colágenos de tipo VII y XVII están asociados conestructuras especializadas ancladas a los basamentos mem-branosos. El colágeno de tipo VII, homotrímero con unadistribución limitada (piel, mucosa oral y cérvix), es el

principal componente de las fibras de anclaje (figura 10).Éstas anclan los basamentos membranosos al estroma, re-forzando la unión de células epiteliales al estroma ad-yacente. La triple hélice de 420-450 nm es la más largadescrita para los colágenos de vertebrados; presenta dis-continuidades y está flanqueada por dos dominios nocolagenosos. En el extremo amino terminal de la moléculaprecursora se localiza una pequeña región globular (NC2),que participa en el ensamblaje de las moléculas. Los pro-colágenos agregan antiparalelamente para formar un dí-mero, solapándose en una región que se estabiliza porpuentes disulfuro. Tras la ruptura del dominio NC2, losdímeros se asocian lateralmente formando una estructu-ra empaquetada donde los extremos interaccionan, porun lado, con la lámina densa y, por el otro, con las placasde anclaje.

En los hemidesmosomas, estructuras especializadas delas regiones dermo-epiteliales que afirman la dermis albasamento membranoso, se ha localizado el colágeno detipo XVII asociado a la membrana celular. Este colágenose ha agrupado con el de tipo XIII, que también contieneun dominio transmembrana, en la subfamilia de colágenosasociados a membrana, conocidos ahora como MACITs(Membrane-Associated Collagens with Interrupted Triple hé-lices). Los colágenos de tipo XV y XVIII de los basamen-tos membranosos se han clasificado en la subfamilia delas multiplexinas (múltiple triple-helix domain and inte-rruptions). Se caracterizan por poseer un dominio centralcolagenoso interrumpido y flanqueado por grandes ex-tensiones amino y carboxilo terminales. Al fragmento car-boxilo terminal del colágeno de tipo XVIII, denominadoendostatina, se le ha asignado un papel antiangiogénico einhibidor del crecimiento tumoral.

PROCOLÁGENO DE TIPO IV

7S TRIPLE HÉLICE DISCONTINUA

Interacciones

NC1

NC1¿ FORMACIÓN DE REDES

TETRÁMEROEstructura tipo araña

ESTABILIZACIÓN:DÍMERO Entrecruzamientos (Lisil oxidasa)

Puentes -S-S-

Fig. 9.- Formación de redes de colágeno de tipo IV. La molécula de procolágeno de tipo IV, flexible y con inclusiones y deleciones en la se-cuencia del triplete Gly-X-Y, mantiene los dominios no colagenosos. La interacción de moléculas de procolágeno de tipo IV, que se produ-ce a través de las regiones 7S y NC1, conlleva la formación de dímeros, tetrámeros y, en último término, redes tridimensionales. Éstas se es-

tabilizan por enlaces covalentes de entrecruzamiento y por puentes disulfuro.

127

M.-1 ANTONIA LI/ARBK IRACHETA

TIPO VI

_t 1 1 1 1 1 1 1 1 U j^ 1 1 1 1 1 1 1 1 F"

Nt

TIPO Vil

N rf. 450 nm

NC1 *

Triple hélice

^ ^ ^ • ^ ^ ^105 nm

™^znCt a /a2

ct

NC2

Monómero

T

+•

• M

Dímero

MICROFIBRILLA

Tetrámero Tetrámero

UI

FIBRAS DE ANCLAJE

•-^7 60 nm «

• » / ^Basamento Placa demembranoso anclaje

Fig. 10.- Características y versatilidad en la organización supramacromolecular de diferentes tipos de colágeno. Tres cadenas a(VI), una deellas con una extensión no colagenosa de gran tamaño, forman las moléculas de colágeno de tipo VI; los monómeros se entrelazan for-mando microfibrillas en las que parte de los dominios globulares se exponen al exterior. Las moléculas de colágeno de tipo Vil, más largasy flanqueadas por dos dominios no colagenosos (NC), agregan cabeza-cabeza formando dímeros. Los monómeros se asocian formando ma-

nojos cuyos extremos ¡nteraccionan con los basamentos membranosos y las placas de anclaje.

Los genes de los colágenos

Los análisis genéticos han demostrado que los genes quecodifican las cadenas de colágeno se encuentran dispersosen el genoma, y la expresión de un determinado tipo de co-lágeno está sometida a un riguroso control. Los genes delas cadenas proa, y proa, del colágeno de tipo I se en-cuentran en los cromosomas 17 y 7, respectivamente. Loscolágenos de tipo IV y tipo VI constituyen una excepción,ya que, para las cadenas proa,(IV) y proa:(IV), los genesse encuentran próximos en el cromosoma 13, y los de lascadenas proa,(VI) y proa^VI), en el cromosoma 21. Sinembargo, el gen codificador de la cadena proas(IV) está enel cromosoma X, localización que puede relacionarse conla mutación que produce la enfermedad renal asociada alcromosoma X (síndrome de Alport). Los que codifican lascadenas proa de los colágenos fibrilares presentan bastan-tes similitudes; son relativamente complejos, con una es-tructura básica consistente en 52 exones. De ellos, 42 co-difican la región en triple hélice de la cadena proa decolágenos de tipo II y III, y 41 la cadena proa del coláge-no de tipo I. En la secuencia de los exones se observa la com-binación y repetición de unidades básicas de 54 pares debases, que codifican seis tripletes -Gly-X-Y-, o de 45 paresde bases, que codifican cinco tripletes.

PATOLOGÍAS ASOCIADAS A LA MOLÉCULA

DE COLÁGENO

Durante muchas décadas existió el convencimiento deque un grupo de enfermedades estaban directa o indirec-

tamente relacionadas con el colágeno. La evidencia defi-nitiva surgió de estudios realizados sobre enfermedadesgenéticas v, desde entonces, se han llevado a cabo mime-rosas investigaciones para descubrir la base molecular deestos desórdenes hereditarios. La síntesis anormal del co-lágeno o las alteraciones en su estructura y en la interac-ción con otros componentes de la matriz producen nu-merosas disfunciones en órganos, tales como alteracionesen el sistema cardio-vascular (aneurismas aórticos y arte-riales, mal funcionamiento de las válvulas cardíacas), enel ocular (dislocación de lentes), en el hueso (fragilidadósea y facilidad para que se produzcan fracturas), en lapiel (cicatrización deficiente y distensibilidad inusual) y enlas articulaciones (hipermovilidad, artrosis). El conoci-miento que actualmente se está alcanzando sobre las al-teraciones genéticas tiene, además, aplicaciones en el pro-nóstico de una enfermedad. Si el defecto molecular puededeterminarse, será posible predecir, al menos en ciertogrado, la evolución natural de la enfermedad y tomar pre-cauciones o actuar para paliar sus síntomas.

Las enfermedades del colágeno comprenden un grupoheterogéneo de alteraciones con manifestaciones pleoi-trópicas y herencia monogénica; son conjuntos de com-plejidad variable. Como se recoge en la tabla II, su natu-raleza puede ser hereditaria o adquirida, y una patologíapuede ser el resultado de una alteración primaria, porejemplo, mutación en un gen de colágeno, o secundaria,si el colágeno se modifica a causa de una alteración que noestá relacionada directamente con esta molécula.

La relación de enfermedades hereditarias cuyo defectoprimario reside en la molécula de colágeno incluye, al me-

128

El. COLÁGENO, ¿UN CEMENTO BIOLÓGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

1 ...enfermedades hereditarias

síndrome de Ehlers-Danlos

variantes de osteogénesis imperfecta

epidermolisis bullosa

condrodisplasias

síndrome de cutis laxa

síndrome de Menkes

homocistinuria

síndrome de Marfan (?)

enfermedades adquiridas

deficiencias nutricionales

respuesta a la inflamación

fibrosis

aterosclerosis

artrosis

envejecimiento prematuro

neoplasia

esclerodermia

nos, el síndrome de Ehlers-Danlos, la osteogénesis im-perfecta, la epiderolisis bullosa, varias condrodisplasias yel cutis laxa. El colágeno también se altera, pero de formasecundaria, en el síndrome de Menkes (deficiencia en laabsorción de cobre) y en la homocistinuria (deficienciaen la cistationina sintetasa). Las primarias están causadasnormalmente por mutaciones en los genes que codificanpara el colágeno o por alteraciones en la cantidad o acti-vidad de las enzimas encargadas de la biosíntesis del mismo.Tan sólo considerando los diferentes tipos del síndromede Ehlers-Danlos, que se comentarán posteriormente, sepuede mostrar la diversidad de causas que pueden pro-ducir una enfermedad. Las mutaciones, en este caso,conducen a diferentes fenotipos que afectan a la estructuradel colágeno, a su expresión, al procesamiento de los ex-tremos, a distorsiones en el entrecruzamiento covalenteestabilizador de la fibras de colágeno, a su maduración oa la fibrillogénesis. Además, se puede afectar potencial-mente la producción de otras proteínas no colagenosas,como es el caso de los proteoglicanos.

Numerosas mutaciones en los genes de las cadenas ade colágeno son responsables de diversas enfermedadesdel tejido conectivo (tabla III). A la complejidad de estosgenes, con los inherentes problemas que pueden surgir enel proceso de eliminación de exones, se suman las conse-cuencias drásticas que pueden originarse, alterándose laestructura, por la sustitución de un residuo en una cade-na de colágeno. Sólo considerando el colágeno de tipo I,se han identificado un centenar de mutaciones en los ge-nes de las cadenas proa,(I) y proa,(I) que originan dis-tintas patologías. La mayoría de las mutaciones críticasen los colágenos fibrilares afectan a las glicocolas de lostripletes de las regiones en triple hélice, alterándose la for-mación de la triple hélice y el proceso de secreción delprocolágeno. Si la formación de la triple hélice se retrasa,las hidroxilasas y transferasas modifican más extensamenteel dominio colagenoso, provocando una degradación rá-pida del monómero secretado o bien que las moléculasanómalas sean incapaces de formar estructuras supramo-leculares. En la hipocondrogénesis se ha detectado unamutación en la cadena a del colágeno de tipo II (sustitu-ción G574S) que produce una disminución de la secreción,un procesamiento anormal del procolágeno de tipo II y unaformación de fibras anómala. Sin embargo, la misma mu-tación (G769S), en este caso afectando a otro triplete,

provoca un cambio en los tipos de colágeno sintetizadosen el cartílago.

La importancia fisiopatológica de los basamentos mem-branosos ha quedado patente tras la caracterización dedefectos genéticos que afectan a las cadenas de coláge-no de tipo IV. No se han descrito mutaciones causantes deenfermedades que afecten a los genes de las cadenas del he-terotrímero [ai(IV)]2aj(IV)]; estas mutaciones son letalesdada la distribución ubicua de esta molécula. Sin embar-go, las mutaciones en los genes de otras cadenas de este co-lágeno pueden ser las responsables de anomalías que sóloafecten a determinados órganos. En este sentido, en elsíndrome de Alport asociado al cromosoma X se altera unode los tipos de colágeno de tipo IV, no muy abundante,compuesto por las cadenas oc,(IV) y cc.,(IV). En este sín-drome también se han detectado mutaciones puntualesen el gen de la cadena oc,(IV) que producen la consiguientedisfunción de los basamentos membranosos de la láminabasal glomerular. Tres mutaciones afectan a glicocolas delos tripletes de dominios en triple hélice (G325R, G521Cy Gl 143D) y otras dos alteran la región carboxilo termi-nal (W1536S y C1564S). Aunque cada una de ellas estáasociada a una manifestación clínica diferente, a nivel mo-lecular, las interacciones necesarias para el ensamblaje delos basamentos membranos se modifican. En la leiomio-matosis difusa se han descrito mutaciones en los genes delas cadenas oc(, (IV) y as(IV).

La composición de la fibra es uno de los factores im-plicados en el control del diámetro de la misma. La co-polimerización del colágeno de tipo XI (minoritario fi-

Tabla III. Enfermedades hereditarias humanas causadaspor mutación en los genes de colágeno

Síndrome de Ehlers-Danlos

tipo Vil

tipo tV

tipo II

Osteogénesis imperfecta

Condrodisplasias

acondrogénesis II

hipocondrogénesis

displasia espondiloepifisiana congénita

displasia de Kniest

síndrome de Stickler

condrodisplasta de Schmid tipo metafisiario

displasia espondilometafisiario

síndrome de Marshal

Síndrome de Alport

autosómico recesivo

ligado al cromosoma X

con leiomiomatosis

Epidermolisis bullosa

formas distróficas

juncional

atrófica benigna

COL1A1, COLIA2

COL3A1

COL5A1

COL1A1, COL1A2

COL2A1

COL2A;

C0L2A1

COL2A1

COL2A 1.COL11A1 COL 11A2

COL10A1

COL10Al

COL 11A 1

COL4A3, COL4A4

COL4A5

COL4A5, COL4A6

COL7A1

COL17A1

COL17A1

129

.'1 ANTONIA LIZARBE IRACHETA

Fig. 11. - Degradación de fibras de colágeno en tumores de adeno-carcinoma de colon. En muchos tumores la matriz extracelular apa-rece alterada. Por microscopía electrónica se detectan las fibras delos colágenos intersticiales que, en este tumor, se visualizan como inma-duras, sin formar o degradadas (A), cuando se las comparan con el

aspecto que presentan en el tejido control (B).

brilar) con colágeno de tipo II controla el diámetro de lasfibras de colágeno en el cartílago (figura 8). Los estudioscon el colágeno de tipo XI permitieron describir la primeraenfermedad genética humana causada por una mutación enun gen de un colágeno fibrilar minoritario (sustitución deglicocola por arginina), que causa el síndrome de Stickler.También se ha apuntado a este colágeno como una de laspotenciales moléculas alteradas en la osteoartritis. Muta-ciones en el gen de colágeno de tipo X, que forma redesque refuerzan la matriz extracelular en la zona hipertrófi-ca de la placa de crecimiento, causan la condrodisplasia deSchmid. Recientemente se han descrito mutaciones enotro colágeno minoritario, el de tipo XVII, que produ-cen un tipo de epidermolisis hullosa.

Además de toda la gama de enfermedades genéticas he-reditarias, el espectro se amplía al incluir las patologíasadquiridas, aspectos oncológicos y la implicación del co-lágeno en respuestas inmunológicas (tabla II). Algunas deestas enfermedades están relacionadas con disfuncionesen el complejo proceso de biosíntesis del colágeno. Defi-ciencias en hierro o vitamina C, condiciones que impi-den la hidroxilación de prolina, bloquean la formaciónde la triple hélice, degradándose las cadenas no hidroxi-ladas en el interior de la célula. Por otro lado, se ha ob-servado que, con el envejecimiento, se incrementa la con-tribución de la glicosilación no enzimática, proceso que harelacionado al colágeno con estados asociados a hiperglu-cemia en la diabetes microangiopática.

En el desarrollo de tumores se ha observado una varia-ción en la cantidad y tipos de colágenos biosintetizados.En ciertos tumores, la cantidad de colágeno se reduce conrespecto a la del tejido control y las fibras de colágeno delestroma tumoral aparecen distorsionadas; su aspecto co-rresponde a fibras sin formar o a fibras en proceso dedegradación (figura 11). Por el contrario, otros tipos de tu-mores se pueden caracterizar por un incremento en el con-tenido en colágeno. Los colágenos también desempeñanun papel central patogénico en ciertos desórdenes au-toinmunes; en una variedad de enfermedades autoinmu-nes se ha observado la presencia de anticuerpos frente a di-ferentes colágenos. El síndrome de Goodpasture, queafecta particularmente a los basamentos membranosos del

glomérulo renal y del pulmón, se caracteriza por la pro-ducción de anticuerpos frente al dominio NC1 de la ca-dena a,(IV). También hay evidencia experimental de queel colágeno de tipo II desempeña un papel crítico comoautoantígeno en la artritis reumatoide; el colágeno detipo 1, en la esclerodemia, y el colágeno de tipo Vil, en laepidermolisis hullosa adquirida.

Síndrome de Ehlers-Danlos

Antecedentes

La primera descripción de un individuo que padecíael síndrome de Ehlers-Danlos (EDS) se debe a J. vanMeek'ren (1611-1666), médico de Amsterdam, queen 1657 describe a «un joven español de las islas Canarias,de 23 años, que tiene capacidad para estirar su piel». El mis-mo caso se recoge en 1668, acompañado de un grabadode observaciones médico-quirúrgicas, donde se muestra lagran elasticidad de la piel del pecho del paciente.

Actualmente esta enfermedad se diagnostica a través demétodos clínicos, bioquímicos, morfológicos y funciona-les. Sin embargo, de forma retrospectiva, y con valor di-dáctico, se han relatado anécdotas y descripciones pinto-rescas de personas que se consideraban como curiosidadespor sus inusuales características físicas y que se dedicabana realizar giras o trabajaban en circos mostrando sus ha-bilidades. Así, la primera documentación fotográfica de unapersona que padecía EDS data de 1880; la fotografía se ha-bía incorporado como método de documentación clíni-ca en 1850. Charles Eisenmann, fotógrafo de retratos ins-tantáneos, inmortalizó a Félix Wehrle, conocido como «elhombre elástico», que tenía «una gran capacidad paraestirar su piel a una distancia prodigiosa para posterior-mente retornar a su posición. Además, dada la gran mo-vilidad de sus dedos, podía hacerlos girar hasta tocar laparte anterior y posterior de la muñeca». Al parecer, sucarrera se ensombreció por las hazañas más espectacularesde James Morris, conocido como «el hombre de goma»,que podía estirar la piel de su garganta hasta los ojos.

El nombre de esta enfermedad se debe a Edvard Ehlers(1863-1937), un dermatólogo de Copenhague que,en 1901, describió a un paciente de cutis laxa, y al derma-tólogo parisino Henri-Alexandre Danlos (1844-1912),que describió, en 1908, a otro paciente con la piel fina,frágil e hiperelástica. En 1955, L. Jansen sugirió que elcolágeno debía de estar implicado en estos defectos.

El síndrome de Ehlers-Danlos es un grupo muy hete-rogéneo de desórdenes hereditarios que afectan a la piel,ligamentos, articulaciones, vasos sanguíneos, órganos in-ternos, etc. Todos los órganos, excepto el sistema es-quelético, son frágiles. Aunque los datos relativos a laincidencia de esta patología son muy variables, en algúncaso se recogen cifras de 1/5 000 personas. A pesar de loscambios genéticos heterogéneos que se han descrito enesta patología, las repercusiones en el organismo tienenun limitado repertorio de cambios morfológicos y fun-

130

EL COLÁGENO, ¿UN CEMENTO RIOLÓGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

tipo y defecto primario

Tipo 1deficiencias en la fibrillogénesis

Tipo IImutaciones en genes de colágeno de tipo V

Tipo III

Tipo IVmutaciones en el gen COL5A1(colágeno de tipo III)

Tipo Vdeficiencia en lisil oxidasa

Tipo VIdeficiencia en lisil hidroxilasa

Tipo Vilprocolágeno N-proteinasa.mutaciones en genes COL1A1 y COL1A2(colágeno de tipo I)

Tipo VIII

Tipo IXalteración de la actividad de la lisil oxidasa

TipoXdefecto en fibronectina

características clínicas

Piel hiperelastlca y extenslble, frágil y pulverlzable. Articulaciones hipermovibles. Ruptura demembranas y terminación prematura del embarazo. Deformidades músculo-esqueléticas.Complicaciones vasculares e intestinales.

Forma menos severa. Elasticidad, extensibilidad y movilidad ligeramente aumentada, pero limitadaa piel y articulaciones de pies y manos.

Pocas anormalidades en piel Laxitud en articulaciones generalizada. Dislocaciones y artritis.

Síndrome arterial (ruptura de arterias). Piel fina y pulverizable pero no hiperelasticidad. Mínimahipermovilidad de articulaciones, limitada a manos y pies.

Piel hiperextensible, pero no frágil; articulaciones moderadamente hiperextensibles. Estatura baja,hernias inguinales.

Síndrome ocular (desprendimiento de retina). Alteraciones en piel y articulaciones. La esclera esfina, azul y frágil. Hipotonía muscular. Osteoporosís.

Alteraciones en piel ligeras. Articulaciones muy movibles y ligamentos alterados. Luxacionesrecurrentes. Hipotonia muscular. Pequeña estatura.

Moderada fragilidad y suave hiperextensíbilidad de la piel. Poca hipermovilidad de articulaciones.Enfermedad periodontal y pérdida prematura de dientes.

Piel laxa, pero poco elástica. Hipermovílídad de articulaciones moderada. Cicatrización normal.

Disfuncion plaquetaria debido a alteración en fíbronectina plasmática y celular. Alteraciones en piely articulaciones.

dónales. En 1967 se estableció una clasificación en tresgrupos pero, posteriormente, se incrementó a diez tiposbasados en una combinación de criterios clínicos, gené-ticos y bioquímicos; además, en alguno de ellos ya sehan descrito subgrupos. Sin embargo, muchos pacientesno se pueden incluir en ninguna de estas diez categorí-as. Los diez tipos de Ehlers-Danlos, así como algunas desus características, se recogen en la tabla IV. Los tiposautosómicos dominantes se asocian a mutaciones en lasmoléculas de colágeno, y los tipos recesivos, a defectosen sistemas enzimáticos implicados en la biosíntesis decolágeno.

De forma general, los síntomas y alteraciones máscomunes afectan a la piel y a las articulaciones. La pieles blanquecina, fina, blanda y delgada, y muestra unahiperelasticidad cutánea o hiperextensibilidad que va-ría según la localización corporal. En algunas áreas, lapiel hiperelástica parece estar poco adherida al tejidosubcutáneo, se extiende fácilmente y retorna a su po-sición original. Las manos, por ejemplo, pueden tenerun aspecto de guantes finos y anchos, poco adaptadosa la estructura músculo-esquelética. La fragilidad cu-tánea se refleja en una cicatrización anormal, mos-trando la piel en las áreas dañadas, frecuentementepigmentadas, un aspecto semejante al papel de ciga-rrillo. Algunos pacientes pueden tocarse la punta dela nariz con la lengua. La hipermovilidad de las arti-culaciones parece ser el resultado de la laxitud de losligamentos y de los tendones de la articulación, asociadotodo ello, posiblemente, con una hipotonía muscularque facilita las contorsiones de los dedos y miembros

(figura 12). Aunque las anormalidades óseas son me-nos frecuentes, los enfermos pueden presentar pies pla-nos, dislocaciones de las articulaciones, ocasionales ohabituales en función de la laxitud de las mismas, de-formidad de la columna, deformidad de la pared to-rácica y osteoartritis. Las complicaciones gastrointes-tinales son escasas a pesar de las alteraciones que sufreel tracto gastrointestinal, aunque se pueden formarhernias inguinales y umbilicales, o perforaciones. Tam-bién pueden padecer alteraciones neuromusculares,oculares y orales.

Fig. 12.- Hipermovilidad de articulaciones. Una de las característi-cas detectadas en el síndrome de Ehlers-Danlos es la hipermovilidadde las articulaciones. Se muestra la facilidad para hacer girar los de-dos desde la parte posterior de la mano hacia la parte anterior delbrazo así como la alteración de las articulaciones entre las falanges

de los dedos.

131

M.-1 ANTONIA LIZARBE IRACHETA

Tipos y defecto molecular

La severidad de la enfermedad es muy variable, des-de grave a benigna. En el EDS de tipo I, de tipo grave,los pacientes tienen una piel hiperextensible, frágil, pul-verizable y una cicatrización anormal. Las articulacio-nes muestran hipermovihdad, se detectan deformacio-nes del tórax y complicaciones vasculares e intestinales.La gravedad del EDS de tipo IV se debe a la posibilidadde que se produzca la rotura de las arterias por la ex-trema fragilidad de las paredes de las mismas. Estos pa-cientes muestran poca hipermovilidad de las articula-ciones, usualmente limitada a los dedos. Aunque lahiperelasticidad de la piel es mínima o nula, ésta es muyfina y traslúcida; a través de ella, en el pecho, abdomeny extremidades, se visualiza claramente todo el árbol ve-noso. La piel de las manos y pies tiene un aspecto en-vejecido (acrogeria). Sin embargo, en las personas quepadecen EDS del subgrupo VIII, de tipo benigno, sedetectan pocas alteraciones en piel y articulaciones, li-mitándose la manifestación de la enfermedad al perio-donto.

El defecto molecular básico no se ha elucidado en to-dos los tipos de EDS establecidos, pero lo que sí parececlaro es que el colágeno, y en consecuencia el tejido con-juntivo, está afectado en mayor o menor grado. Además,en muchas ocasiones el defecto molecular descrito pue-de ser variable (como puede ser el tipo y posición de lasmutaciones y la clase de cadena de colágeno alterado).En los tipos I, II y III, asociados por la sintomatología,se ha postulado que el defecto básico radica en la deses-tabilización de las fibras de colágenos intersticiales debidoa un entrecruzamiento anormal, lo que daría cuenta delos cambios en las propiedades físicas de la piel. En algunoscasos de EDS de tipo I se ha propuesto que el procesa-miento del procolágeno de tipo I está alterado, por loque el proceso de fibrillogénesis se realiza de forma defec-tuosa. En otros casos se ha detectado una reducción o au-sencia de síntesis de la cadena proa : de colágeno de tipo I,que, junto a una degradación intracelular del colágenorecién formado, se traduce en una reducción del conte-nido de colágeno del tejido a la mitad de lo normal.Recientemente se han descrito mutaciones en el coláge-no de tipo V que pueden ser responsables del EDS detipo II.

El EDS de tipo IV, el de tipo arterial, se ha asociado adeficiencias en el colágeno de tipo III. Se han descritocasos en los que el contenido de colágeno de tipo III enaorta y piel es muy bajo; la tasa de síntesis de este colá-geno se puede reducir hasta un 90 %. La formación dela triple hélice es anómala, las cadenas de colágeno anor-males se ensamblan lentamente y se producen numero-sas modificaciones que hacen que el colágeno, como con-secuencia de la inestabilidad de la triple hélice, se excretelentamente o que la molécula recién formada se degradeintracelularmente. Esto puede ser debido a diferentescausas, como la deleción a;enómica en uno de los alelos

del gen COL3A1, o a mutaciones puntuales que produ-cen un proceso anormal de eliminación de intrones oque hacen que se reemplacen residuos de glicocola en laregión de la triple hélice.

En el caso del EDS de tipo V, extremadamente raro yaque hay un número muy reducido de casos descrito, seha apuntado como posible defecto molecular un nivelbajo de la enzima lisil oxidasa en la piel y otros tejidos. Estadeficiencia en lisil oxidasa provocaría una disminución enlos entrecruzamientos estabilizadores y, por lo tanto, unadisfunción en las propiedades extensibles de las fibras decolágeno.

En el EDS de tipo VI, conocido como el tipo ocular,se ha detectado una marcada deficiencia en lisil hidroxi-lasa o cambios en sus propiedades cinéticas, cuya actividaden cultivo de fibroblastos se reduce del 2 al 50 % de laactividad normal. Ello se traduce en deficiencias en losentrecruzamientos en los que están implicados los resi-duos de hidroxilisina. Independientemente del tipo dealteración o mutación que sufra la enzima, la conse-cuencia de esta deficiencia acarrea que el contenido encualquier tipo de colágeno sintetizado disminuya, aun-que de forma variable en distintos tejidos. La falta decorrelación entre la actividad de la lisil hidroxilasa, elcontenido en hidroxilisina y la severidad del fenotipoobservada han hecho postular ciertas hipótesis. Por ejem-plo, se podrían explicar estas discrepancias si existiesendiferencias específicas tisulares o múltiples formas de laenzima, o si la afinidad de la forma de enzima mutadapor varios sustratos o por concentraciones críticas de co-factores fuera distinta.

Las primeras observaciones sobre el EDS de tipo VII pu-sieron en evidencia una acumulación anómala de la mo-lécula de procolágeno en piel y tendones. Ello apuntabahacia defectos en la conversión del procolágeno en colá-geno. De hecho, la actividad de la procolágeno N-pro-teinasa se reduce por mutaciones entre un 10 y un 40 %en EDS VIIC. Sin embargo, en EDS VIIA y VIIB no esuna deficiencia en esta actividad enzimática, son las mu-taciones en las cadenas proa, y proa, del colágeno detipo I el defecto molecular básico. Está claro que muta-ciones en la cadena procx: originan una cadena de colá-geno alterada, pNa, (I), que retiene la extensión N-ter-minal, que, en condiciones normales, debería sereliminada. El mantenimiento de esta extensión interfie-re en la fibrillogénesis y en el entrecruzamiento, y provocala formación de fibras anormales de colágeno. Aunqueson varias las mutaciones descritas en distintas posiciones,un ejemplo clarificador lo constituye la pérdida total o par-cial en el exón 6 de las cadenas proa, y proa,. Como pa-radoja, en este caso una deleción trae como consecuen-cia la producción de una proteína más larga que la normal,pero con unas propiedades funcionales alteradas. Estamutación causa la eliminación de un segmento de en-tre 18 y 24 aminoácidos en la cadena polipeptídica,perdiéndose el sitio de reconocimiento de la procoláge-no N-proteinasa y, además, un residuo de Usina crítico para

132

EL COLÁGENO, ;UN CEMENTO BIOLÓGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

el entrecruzamiento intermolecular. En algunos casos enlos que la mutación afecta de forma diferente, se pierdeel sitio de corte de la enzima, pero se preserva el residuode Usina; las consecuencias son las mismas, ya que el re-siduo de lisina queda en una posición que no es reco-nocida por el sistema enzimático implicado en la forma-ción de entrecruzamientos, la lisil oxidasa. Todo elloapunta a que, en la forma mutante, la retención de laparte que debe eliminarse desempeña un papel crítico enla patogénesis de esta enfermedad.

En el caso del EDS de tipo IX, las alteraciones bioquí-micas detectadas se centran en modificaciones en la ac-tividad de la enzima lisil oxidasa. Aunque el defecto pri-mario se desconoce, parece que esta patología se generapor las anormalidades detectadas en la homeostasis del co-bre, similar en algunos aspectos al síndrome de Menkes.Sin embargo, en contraste con los casos de síndrome deMenkes, las fibras elásticas no están alteradas. Al reducirseel nivel sérico del cobre, cofactor de la lisil oxidasa, se re-duce esta actividad enzimática y la de otras enzimas norelacionadas con el metabolismo del colágeno, pero quetambién requieren cobre, como la dopamina-P-hidroxi-lasa. Por microscopía electrónica se ha observado que lasfibras de colágeno de la piel de los pacientes tienen un diá-metro mayor y están empaquetadas de forma más densaque en los controles. También, en pacientes donde sediagnostica EDS de tipo X, el defecto molecular prima-rio no se centra en la molécula de colágeno. En este casose ha descrito que las alteraciones en la fibronectina plas-mática y celular podrían ser las responsables de las anor-males propiedades de la piel y articulaciones de estos pa-cientes.

Otras formas de este síndrome son los casos esporádi-cos descritos en pacientes con retraso mental o aquellos quetienen alterado el metabolismo de proteoglicanos, peroque clínicamente presentan adicionalmente los síntomasclásicos de la enfermedad de Ehlers-Danlos.

Osteogénesis imperfecta

Antecedentes y características

La enfermedad debe su nombre a Lobstein y Vrolik,quienes describieron formas letales de esta patología a fi-nales del siglo XVIII y principios del XIX. El estudio de al-gún esqueleto de momias egipcias ha permitido describiruna morfología compatible con este síndrome. Además,según los relatos de la época, parece que Ivar Benlos (si-glo XI), hijo del rey de Dinamarca, padecía la enfermedad.Asimismo, en Inglaterra, se ha encontrado un esqueleto delsiglo XVII con alteraciones que pueden corresponder a estapatología.

La osteogénesis imperfecta constituye otro grupo detrastornos hereditarios del colágeno de tipo I, caracterizadospor una fragilidad ósea que predispone al paciente a su-frir fracturas después de traumas mínimos y a padecer unadeformación esquelética progresiva (figura 13). Aunque el

Fig. 13.- Radiografía de un paciente con osteogénesis imperfecta.Una de las características de la osteogénesis imperfecta es la fragi-lidad ósea que provoca fracturas óseas y la deformidad de los huesos,

como se muestra en la figura.

principal tejido afectado es el óseo (huesos cortos y claros),también están alterados otros tejidos ricos en colágeno detipo I, como los ligamentos, tendones, fascia y dientes.La escoliosis torácica, deformación de la pared torácica yde la columna vertebral, en la población con osteogéne-sis imperfecta, parece influir sobre la función pulmonary calidad de vida de los pacientes.

Tipos y defecto molecular

El defecto molecular se centra en alteraciones en la mo-lécula de colágeno de tipo I. Se han descrito alrededorde 50 mutaciones que afectan a los dos genes (COL1A1y COL1A2) del colágeno de tipo I en pacientes con osteo-génesis imperfecta. Una de las características de esta pa-tología es la gran variabilidad clínica con la que se pre-senta. Está asociada a un amplio espectro de fenotiposque varían desde leve a severo y letal, y que son el resul-tado de la heterogeneidad observada a nivel molecular.Sin embargo, se han intentado agrupar en sólo cuatro gru-pos o tipos, cuyas características se recogen en la tabla V.Los fenotipos varían según la cadena de procolágeno queesté afectada y de acuerdo con la naturaleza y la localiza-ción de la mutación. En estos tipos de osteogénesis im-perfecta (I-VI), el defecto molecular básico radica en lasmutaciones de los genes de las cadenas de colágeno detipo I. En otros dos tipos adicionales de esta enfermedad(Vy IV), el defecto molecular no se centra en mutacionesen los genes de colágeno. La incidencia combinada de to-

133

M.;1 ANTONIA LIZARBF IRACHF.TA

tipo

tipo 1

tipo II

tipo III

tipo IV

alteración molecular

Alteraciones en cadenas prou del colágeno de tipo 1. El colágeno sesintetiza a partir del alelo normal, pero la cantidad de colágeno totalestá reducida a la mitad. Formación de fibras anormal.

Alteraciones en cadenas proa, (1) y proa,, (1). Reagrupamiento degenes de colágeno. Deleción de exones, deleción de un triplete ysustituciones de residuos de glicocola que afectan al dominio entriple hélice. Sustituciones y pequeñas delecciones en región delpropéptido C-terminal.

Sustitución de residuos de glicocola en proa, (1) y proa,, (1) y deleaonesde aminoácidos [proa;(D] del dominio de triple hélice. Deleción de4 pares de bases del gen COL1A2 que imposibilita la incorporaciónde la cadena proa2 (1) en la molécula de colágeno.

Sustituciones de residuos de glicocola del dominio en triple hélicede las dos cadenas. Deleción de un triplete en la cadena proa- (1).

características clínicas

Leve. Fragilidad ósea pero pocas deformidades y estatura normal.Escleróticas azules. Con frecuencia, sordera presenil.

Perinatal letal. En el periodo perinatal es letal por la anormalmineralización de la calvaria; fracturas y deformidad en huesos largos.Escleróticas oscuras. Es la forma más severa.

Moderadamente severa. Deformación progresiva de los huesos conmoderada deformidad del pecho. Esclerótica normal o azul.Dentinogénesis imperfecta. Crecimiento limitado, corta estatura.Pérdida de audición. Es una de las formas con más variabilidad.

Deformidad ósea de leve a moderada y estatura corta, fracturas.Esclerótica normal. Dentinogénesis imperfecta, pérdida de audición.

das las formas de esta enfermedad es de alrededor de unapor 10 000 personas.

El defecto molecular, las mutaciones detectadas en losgenes COL]Al y COLIA2, acarrea ciertas alteraciones enel ensamblaje de las cadenas individuales, provocando quela secreción del colágeno sea un proceso lento. Ello pro-duce una inestabilidad de la molécula y una formaciónde fibrillas defectuosa. En el hueso, aunque se incorporenun número reducido de las cadenas anormales, se produ-ce una alteración del proceso de mineralización. En losanálisis morfométricos de fibrillas de colágeno se haobservado que el diámetro de las fibras de colágeno detipo I se reduce considerablemente. De un valor mediode 73 nm, en los controles, pasa a 57 nm y 45 nm, en laosteogénesis imperfecta de tipo I y II, respectivamente.Las fibrillas más finas no serían capaces de producir sitiosde nucleación para la propagación mineral y podrían de-sempeñar un papel importante en la fragilidad ósea típicade esta enfermedad. Los análisis del contenido mineral yde la densidad ósea, teniendo en cuenta el área analizaday la edad de los pacientes, han mostrado una reducción sig-nificativa en estos parámetros. Por tomografía compute-rizada, que permite determinar la densidad ósea corticaly la trabecular, se ha observado que los bebes y niños conosteogénesis imperfecta de tipo I poseen niveles bajos, enrelación a los controles. Sin embargo, en adultos, la den-sidad ósea cortical se eleva, lo que podría explicar el des-censo en la frecuencia de fracturas en individuos con estetipo de patología con respecto a la etapa de niñez.

La osteogénesis imperfecta de tipo I presenta un feno-tipo relativamente leve y herencia dominante; esto con-cuerda con el hecho de que, si bien sólo se producen la mi-tad del número normal de las moléculas, éstas sonnormales. Las mutaciones detectadas en el gen COL1AJ,que dan lugar a un alelo nulo, producen la terminación pre-matura de la cadena proa,. Así, las repercusiones de unamutación que hace que no se exprese el producto génicoson mucho menores que el efecto de los alelos negativosdominantes. Las consecuencias más graves de la produc-ción de cadenas proa, estructuralmente defectuosas (en

comparación con la no producción de las mismas) son enparte un reflejo de la estequiometría del colágeno de tipo I,dos cadenas proa, y una proa,. Si una cadena proa, esanormal, tres de cada cuatro moléculas de colágeno po-seerán al menos una cadena defectuosa; en cambio, si unacadena proa, es defectuosa, sólo una de cada dos moléculasde colágeno estará afectada. Ello indica que el efecto delalelo murante está amplificado debido a la naturaleza po-limérica de la molécula de colágeno.

La forma de la enfermedad más grave es la de tipo II, quese origina por mutaciones que producen cadenas proa, yproa, estructuralmente anormales. Las alteraciones se loca-lizan en residuos situados en la triple hélice, produciéndosesustituciones cerca del extremo carboxilo de la cadena enlas que tin residuo de glicocola se reemplaza por otro distinto.Estas sustituciones causan de modo invariable la forma le-tal, independientemente de la naturaleza del residuo susti-tuido. Algunos ejemplos descritos son las sustituciones en elgen CUIJA 1 (G478S y G994D), que son debidas a tran-siciones, o las del gen CÜL1A2 (G319V), producidas por mu-taciones puntuales contiguas. En los pocos casos estudiadosde osteogénesis imperfecta de tipo III y IV, las mutacionesse localizan, normalmente, en el extremo N-terminal de lamolécula y, aunque el residuo que sustituye sea relativa-mente pequeño, como la serina, se origina la enfermedad.

Se están evaluando distintos tratamientos, como la im-plantación de varillas intramedulares, que disminuye lafrecuencia de producción de fracturas. Estas implan-taciones se realizan con técnicas quirúrgicas que mini-mizan el trauma quirúrgico y la desvascularización delhueso. Otro tratamiento clínico experimental es la admi-nistración de pamidronato (un bisfofonato) a niños, queincrementa la densidad ósea media y disminuye la tasade fracturas. También se está analizando el efecto de lahormona del crecimiento en el metabolismo del calcio.

Epidermolisis bullosa

La asociación estable entre la epidermis y la dermis seconsigue a través de estructuras de unión que incluyen a

134

El. COLÁGENO, ¿UN CEMENTO BIOLÓGICO QUF. MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TLSULAR?

2

5

Desmosoma

O MembranaO o plasmáticac c Lámina lúcida

£ i_

•Q Lámina densa(0 C(0 ^

m E

/Citoesqueleto

/ \ \ I \ A ^em'c'esmc)sc>rna

\Filamentos intermedios

— ^ | Queratinas 5 y 14Cadherinas

Colágeno XVII

Colágeno IV

Dermispapilar

Fibras decolágeno

Fibras deanclaje

Placa deanclaje

ProteoglicanosElastina, Fibrillina

Colágeno Vil

Colágenos intersticiales(I, III y V)

Colágeno VI

Fig. 14.- Moléculas y estructuras detectadas en los sitios de unión dermis-epidermis. Los queratmocitos básales están unidos a la dermis através de diferentes y complicadas estructuras que, a modo de red, anclan el citoesqueleto a las placas de anclaje. En la parte derecha dela figura se indican los diferentes tipos de colágeno que forman parte de cada una de las estructuras. Mutaciones en varias moléculas, en-tre ellas los colágenos de tipo Vil y XVII, son responsables de diferentes tipos de epidermolisis bullosa que se caracteriza por una fragilidad

de la piel que predispone a la separación de la dermis de la epidermis, con la consiguiente formación de ampollas.

los hemidesmosomas, y a los filamentos y fibras de an-claje. Se forma una compleja red que interconecta el me-dio intracelular de los queratinocitos básales a través de lamembrana basal, que separa la dermis de la epidermis,con el estroma subyacente (figura 14). Aberraciones enestas estructuras, que pueden ser debidas a lesiones en di-ferentes genes, pueden producir la fragilidad de la piel anivel del basamento membranoso o de la dermis.

La epidermolisis bullosa, un grupo heterogéneo de al-teraciones cutáneas, se caracteriza por la fragilidad de la piely la facilidad para que se formen ampollas. Frecuente-mente estas alteraciones están asociadas a otras manifes-taciones extracutáneas en tejidos con epitelio estratifica-do; entre otras, erosiones de la córnea y en el epitelio dela tráquea. La epidermolisis bullosa se ha dividido en va-rias categorías clínicas, que incluyen las variantes simple,hemidesmosomal, juncional y distrófica. En cada uno deestos casos, la zona afectada, o la región por donde se pro-duce la separación dermis-epidermis, es diferente.

La gama de colágenos que se encuentra en estas loca-lizaciones es variada: en la membrana del queratinocitoaparece el colágeno de tipo XVII, y en el basamento mem-branoso, el colágeno de tipo IV. Los manojos de coláge-no de tipo VII, que forman las fibras de anclaje, conectanla lámina densa del basamento membranoso con las pla-cas de anclaje. Entrelazándose con las fibras de anclaje selocalizan fibras de colágenos intersticiales (I, III y V) ymicrofibrillas de colágeno de tipo VI.

Se han descrito mutaciones en diez genes distintos quecodifican diferentes moléculas implicadas en el manteni-miento de las uniones dermoepiteliales; esto puede darcuenta de la heterogeneidad clínica de esta enfermedad. En-tre estos genes se encuentran dos que codifican para ca-denas a de colágeno. Ciertas mutaciones en el gen de co-lágeno de tipo Vil (COL7A1) parecen ser las responsablesde los casos de epidermolisis bullosa distrófica. Los tipos demutaciones detectadas son muy variables, como mu-taciones sin sentido, mutaciones puntuales o pequeñas

135


inserciones o deleciones. Frecuentemente se producen sus-tituciones de residuos de glicocola de la región en triplehélice. En las variantes desmosomales y en formas no le-tales de la juncional se han detectado mutaciones en elgen COL17A1 del colágeno de tipo XVII.

Condrodisplasias

En 1 878, Parrot acuñó el término «acondroplasia» paraidentificar a personas de baja estatura y proporciones cor-porales anormales. Hasta 1990 no se elucidaron las mu-taciones responsables ni se caracterizaron los mecanismospatogénicos por los que se altera el crecimiento del hueso.

Las condrodisplasias, de nomenclatura confusa y clasi-ficación realmente compleja, son un conjunto de enfer-medades caracterizadas por alteraciones en la formacióndel esqueleto durante el crecimiento. Por ello, se produ-cen deformaciones esqueléticas y pérdida de la propor-ción entre la longitud del tronco y la de los brazos y pier-nas. La severidad varía desde formas letales, incompatiblescon la vida, a formas tan benignas que son difíciles dedetectar. Las principales alteraciones detectadas son lasmodificaciones que se producen en los componentes delcartílago de los huesos en crecimiento.

Las condrodisplasias son el resultado de la mutación degenes cuyos productos defectuosos no permiten que trans-curra de forma correcta el proceso de osificación endo-condral, responsable de la formación de hueso. En con-diciones normales, células mesenquimales pocodiferenciadas se diferencian a condrocitos, las células delcartílago. Estas células producen las proteínas de la matrizcartilaginosa que, posteriormente, se convertirá en hueso.Para ello, el condrocito se diferencia a un fenotipo hiper-trófico, el cual altera y cambia la composición y organi-zación del cartílago. Esto permite la vascularización delcartílago y, además, en esta remodelación se forma el hue-so. Los colágenos de cartílago que participan en todos es-tos cambios son los de tipo II, IX y XI (figura 8).

Entre otras mutaciones, las que afectan a varios genes decolágeno se han considerado como las potenciales res-ponsables de que los cambios cartílago-hueso no se pro-duzcan de forma adecuada. En la tabla III se recogen losgenes de colágeno en los que se han detectado mutacio-nes que generan esta patología. Algunas de éstas producenuna reducción en la secreción de colágeno de tipo II, elprincipal componente de la matriz cartilaginosa. Las mu-taciones en el colágeno de tipo X producen distorsionesen la zona hipertrófica, ya que la síntesis de este colágenoestá limitada a esta región.

Síndrome de Marfan

Uno de los ejemplos claros de patogénesis genética-mente heterogénea lo constituye el síndrome de Marfan.Esta patología lleva el nombre del doctor Antoine-Ber-nard Marfan (1858-1942), profesor de Pediatría en Parísque, en 1896, describió el caso de «una niña de cinco años

de edad, muy alta, con dedos, brazos y piernas largos quepresentaba otras anormalidades esqueléticas y trastornosde diversa severidad». En un diagnóstico retrospectivo,por el aspecto característico de los pacientes con este sín-drome, se especula que el músico italiano Nicolás Paga-nini (1782-1840) y el presidente de Estados Unidos Abra-ham Lincoln (1809-1865) pudieron haber sufrido estaenfermedad. Según alguna tesis, Paganini, uno de los gran-des virtuosos del violín, debe su incomparable virtuosismoa coincidencias fortuitas y afortunadas de tres factores: uninmenso genio musical, una aptitud o instinto para la dra-matización, y una destreza manual conferida por haber na-cido con los dedos largos y la hiperextensibilidad de las ar-ticulaciones del síndrome de Marfan. Los grabados del artistamuestran un físico delgado, con rasgos angulares, largasextermidades y manos con dedos largos, delgados e hipe-rextensibles. La posibilidad de que Abraham Lincoln su-friera el síndrome de Marfan se discute y debate actual-mente; los que apoyan esta hipótesis lo hacen considerandoprincipalmente su aspecto físico (figura 15).

Los síntomas de síndrome de Marfan pueden ser leveso graves: es un modelo variable de anormalidades quepueden afectar al sistema esquelético (huesos y ligamen-tos), al cardiovascular (corazón y vasos sanguíneos), y pro-vocar trastornos oculares. La sintomatología clínica sepuede manifestar al nacer o bien aparecer en la vida adulta.Es una enfermedad de carácter autosómico dominanteque tiene una incidencia de una de cada 10 000 personas.

Los individuos afectados presentan un aspecto caracterís-tico, debido a las anormalidades esqueléticas que padecen,siendo altos, delgados y con articulaciones hiperextensibles.Los brazos y las piernas suelen ser inusualmente largos enproporción al torso. La espina dorsal puede presentar cur-vaturas (escoliosis) y el esternón puede sobresalir o pare-cer hundido. Los dedos son muy largos, con apariencia depatas de araña (aranodactilia), y, por lo general, la carasuele ser larga y estrecha. Pueden presentar un cuadrodental caracterizado por unas quijadas estrechas, paladaralto y deformado, y el apiñamiento de los dientes. Losdefectos dentales no revisten gravedad alguna, y no dejande ser un inconveniente meramente estético que puedecorregirse mediante ortodoncia. En algunos pacientes conesta enfermedad se ha descrito la fragmentación de lasfibras elásticas de la aorta y una disminución en el conte-nido en desmosina, reflejo de una deficiencia en los enla-ces de entrecruzamiento que estabilizan la fibra elástica.

El principal peligro para los pacientes se produce cuan-do se ve afectado el sistema cardiovascular. Las válvulasdel corazón, grandes y blandas, son la causa de los soploscardíacos y del murmullo del corazón. Se ha detectadotambién dilatación de la aorta, aneurismas, disección dela aorta y alteraciones en las válvulas cardíacas y de la aor-ta. Los trastornos oculares afectan al 50 % de las personascon este síndrome, que presentan subluxación o disloca-ción del cristalino; el cristalino está descentrado como re-sultado de un defecto en el ligamento de suspensión. Lamiopía es otro síntoma común, independientemente de

136


Uá i

Fig. 15.- Escultura de Abraham Lincoln. Considerando principal-mente el aspecto físico de Abraham Lincoln, se ha sugerido quepudo sufrir el síndrome de Marfan. Esta enfermedad se asoció a unadisfunción del metabolismo del colágeno pero, actualmente, el de-fecto molecular básico se ha asociado a mutaciones en el gen de la

fibrillina-1, un componente de las fibras elásticas.

que el cristalino esté centrado o no. También la retina,sensible a la luz, tiene tendencia al desprendimiento, y escorriente el estrabismo y el desarrollo de glaucoma.

Defecto molecular

Hasta la década de los ochenta del siglo pasado, el de-fecto molecular del síndrome de Marfan se asociaba conanormalidades en la molécula de colágeno, ya que éstese extraía fácilmente de tejidos afectados. Los primerosdatos del defecto molecular de esta patología mostraronuna inserción mutacional en la cadena proa, del colágenode tipo I, lo que provoca la inclusión de alrededor de 25residuos en la región en triple hélice (posiblemente porduplicación de un segmento codificado) y conduce auna anormal estabilización de las fibras de colágeno porun entrecruzamiento anómalo. Otras alteraciones en lacadena proa, del colágeno de tipo I, como la sustitu-ción de la arginina 618 (que ocupa la posición Y de untriplete) por un glutámico, también se propusieron comoresponsables de las alteraciones observadas. El incre-mento en la solubilidad del colágeno tisular se debe adeficiencias en el entrecruzamiento químico estable delcolágeno. También se detectaron alteraciones en otroscomponentes de la matriz extracelular, como los proteo-glicanos y los glicosaminoglicanos. Además, todas estasalteraciones estaban asociadas a trastornos en los tejidoselásticos ya que, en algunos pacientes con esta enferme-dad, se observaron otros síntomas, como la fragmenta-ción de las fibras elásticas de la aorta y una disminuciónen el contenido en desmosina, reflejo de una deficien-cia en los enlaces de entrecruzamiento que estabilizan la

fibra elástica. La heterogeneidad clínica de esta patolo-gía hizo que se considerasen a numerosos genes de pro-teínas de la matriz extracelular (elastina, fibronectina,genes de los colágenos de tipo I, II y III y de las cadenasproa, (V) y proa, (VI), y fibrillinas) como potencialescandidatos del defecto molecular básico del síndromede Marfan.

Con los estudios y conocimientos sobre los compo-nentes de la fibra elástica, en 1991 se asoció el síndromede Marfan a deficiencias en un gen del cromosoma 15. Unagran variedad de mutaciones en el gen FBN1 serían lasresponsables de la enfermedad. Dependiendo del tipo y lo-calización de la mutación, se podría explicar la distintagravedad que pueden revestir los síntomas. El gen FBN1codifica para un componente estructural mayoritario delas microfibrillas extracelulares elásticas, la fibrillina-1, uncomponente esencial de la fibra elástica responsable de laspropiedades biomecánicas de órganos y tejidos, y que pro-porciona fuerza y elasticidad al tejido conjuntivo. Las mi-crofibrillas pueden existir como estructuras individuales,o bien asociadas con la elastina formando fibras elásticas.En tejidos de personas afectadas por el síndrome de Mar-fan, la fibrillina escasea o es defectuosa, lo que provocaincapacidad para tolerar fuerzas normales de tensión. Eltejido pierde su elasticidad, se alarga y no recupera su ta-maño natural para satisfacer las necesidades y funciones delcuerpo. La dilatación aórtica está asociada a la apariciónde fibras elásticas fragmentadas y la acumulación de ele-mentos amorfos de la matriz. La alteración de otra moléculade la fibra elástica, la fibrillina-2, origina un fenotipo clí-nico diferente, solapado con los síntomas anteriores, el dela aranodactilia congénita contractural. Se postula que lafibrillina-2 sea la encargada de guiar la elastogénesis y la fi-brillina-1, a su vez, la que proporcione el soporte estruc-tural.

Aunque la secuencia patogénica responsable del colap-so mecánico de las paredes vasculares de la aorta aún nose conoce bien, las modificaciones en la fibrillina-1 pue-den disminuir la capacidad de la pared elástica de los va-sos para soportar el estrés hemodinámico, al impedir elensamblaje microfibrilar. También se ha propuesto quepuede existir un umbral crítico en el número de microfi-brillas funcionales necesarias para la correcta biomecáni-ca de los tejidos.

BIBLIOGRAFÍA

• AUMAILLEY, M. y KRIEG, T, «Structure and function ofthe cutaneous extracellular matrix», Europea» JournalofDermatology 4, 1994, págs. 271-280.

• BORZA, D. B., NETZER, K. O., LEINONE, A., TODD,?., CERVERA, J., SAUS, J. y HUDSON, B. G., «The good-pasture autoantigen Identification of múltiple cripticepitopes on the NC1 domain of the alpha3(IV) colla-gen domain», JournalofBiological Chemistry 25, 2000,págs. 6030-6037.

137


BRUCKNER-TUDERMAN, L, HOPFNER, B. y HAMMAMI-HAUASLI, N., «Biology of the anchoring fibrils: lesonsfrom distrophic epidermolysis hullosa», Matrix Bio-logy 18, 1999, págs. 43-54.BURROWS, N. R, «The molecular genetics of the Er-lers-Danlos syndrome», Clinical and Experimental Der-matology 24, 1999, págs. 99-106.FLEISCHMAJER, R., O1.SEN, B. B. y KÜHN, K., Structu-re, Molecular Biology, and Pathology of Collagen, NewYork Academic of Sciences, Nueva York, 1990.HARLEY, V. R., CHAN, D., RÜGERS, J. G. y COLÉ,W. G., «Marfan syndrome: absence of rype I and type IIIcollagen strutural defects in 25 paúents», Journal ofln-heited Metabolism Disease 13, 1990, págs. 219-226.HAY, E. D., Cell Biology ofthe Extracellular Matrix,Plenum Press, Nueva York, 1991.KlVIRIKKO, K. I., «Collagens and treir abnormalities ina wide spectrum of diseases», AnnualMedicine 25, 1993,págs. 113-126.

Kl/IVANIEMI, H., TROMP, G. y PROCKOP, D. J., «MU-tation in collagen genes: Causes of rate and some corn-mun diseases in humans», FASEB Journal 5, 1991,págs. 2052-2060.LAPIERRE, CH. M. y KRIF.G, T., Connective tissue diseasesoftbeskin, Marcel Dekker, Nueva York, 1993.LlZARBE, M. A., «La célula en su entorno: organizaciónestructural de la matriz extracelular e interacciones cé-

lula-matriz», Revista de la Real Academia de CienciasExactas, Físicas y Naturales 92, 1998, págs. 139-184.MAYNE, R. y BREWTON, R. G., «New members ofthecollagen superfamily», Current Opinión in Cell Biology 5,1993, págs. 883-890.

MYLLYHARJU, J. y KlVIRIKKO, K. I., «Collagens andcollagen-related diseases», Annual of Medicine 33, 2001,págs. 7-21.

OLMO, N. y LlZARBE, M. A., «Proteínas estructuralesdel tejido conectivo», Tratado de Reumatología, Aran,Madrid, 1998, págs. 25-54.OLSEN, B. R., «New insights into the functions of co-llagens from genetic analysis», Current Opinión in CellBiology-7, 1995, págs. 720-727.ROSEBOROUGH, G. S. y WILLIAMS, G. M., «Marfanand other connective tissue disorders: conservative andsurgical consideratios», Seminars in Vascular Surgery 13,2000, págs. 271-282.

ROYCE, P. M. y STEINMANN, B., Connective tissueand its heritable disorders, Willey-Liss, Nueva York,1993.VAN DER REST, M. y GARRONE, R., «Collagen family ofproteins», FASEB Journal 5, 1991, págs. 2814-2823.YEOWELL, H. N. y PlNNEL, S. R., «The Ehlers-Danlossyndromes», Seminars in Dermatology 12, 1993,págs. 229-240.

138

EL COLÁGENO, ¿UN CEMENTO BIOLÓGICO QUE … · el colÁgeno, ¿un cemento biolÓgico que mantiene...

Documents

Transcript of EL COLÁGENO, ¿UN CEMENTO BIOLÓGICO QUE … · el colÁgeno, ¿un cemento biolÓgico que mantiene...