Propiedades Del Colageno

EL COLGENO, UN CEMENTO BIOLGICO QUE MANTIENELA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

M.a ANTONIA LIZARBE IRACHETAReal Academia de Ciencias

INTRODUCCIN

La arquitectura, arte de encerrar el espacio, es la crea-cin de espacios interiores que resultan confortables y ade-cuados para el uso al que estn destinados. En cada poca,en las obras arquitectnicas se detectan una serie de rasgoscomunes, que les confieren una morfologa propia. Enella influye el tipo de material utilizado, que se moldea otrabaja de forma distinta segn sus caractersticas y enconsonancia con los conocimientos tcnicos del momento.Adems, los estilos cambian o bien por las innovacionestcnicas o bien por la introduccin 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 tcnico, ya que los medios de trabajo se perfeccionanconstantemente. Por ejemplo, aunque la bveda de cru-cera, por su manera de montar una estructura de piedra,supuso una revolucin, en un edificio contemporneodonde 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 haban sido utilizados en siglos anteriores, son ele-mentos de la arquitectura romnica. Sin embargo, la cons-truccin romnica se somete a una mtrica espacial: lalongitud de la iglesia no es arbitraria, debe ser mltiplo delancho de la nave central, y el ancho de las naves lateralesdebe reducirse a un submltiplo de la anchura de la navecentral. Con el mismo material, la piedra, las catedrales g-ticas estiran sus columnas y se remarca la verticalidad.Cabe resaltar que una de las caractersticas de la arqui-tectura gtica 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 verstiles y arqueadas patas. Al comparar un edificioromnico y otro gtico, construidos bsicamente con losmismos materiales, se puede observar que tanto los espa-cios generados como las sensaciones que percibimos sondiferentes (figura 1).

La admiracin que despiertan numerosas obras arqui-tectnicas no es comparable a la que debera suscitar la

2SI

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

truccin se inici en el siglo xm y finaliz en el xv.

contemplacin de las obras de la naturaleza. sta disponede una gama incalculable de materiales, tal vez algunosan inditos para nosotros, que conjunta, moldea y utili-za de forma singular y especfica para edificar los tejidos.Adems, en este caso se dispone de todos los conoci-mientos tcnicos imaginables, en los cuales se basan des-de la arquitectura de las membranas celulares a la arqui-tectura tisular o corporal. La naturaleza tambin utilizauna mtrica espacial y estilos que cambian con la utilizacinde materiales especficos, dotando a los tejidos corporales deuna organizacin y morfologa particular que les otorgapropiedades adaptadas a los requerimientos funciona-les propios o especficos de cada uno de ellos. Cuando secomparan cortes histolgicos, por ejemplo de la crnea ydel esfago (figura 2), se ponen de manifiesto diferentesestilos arquitectnicos naturales. El aspecto de la crnea,aparentemente simple y que carece de vasos sanguneos,parece limitarse a las lminas de clulas 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 ncleos de losfibroblastos. El esfago se muestra ms sofisticado y com-plejo; diferentes tipos celulares, membranas y espacios dematriz se organizan de una forma singular para poder de-

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M.a ANTONIA LIZARBE IRACHETA

CRNEAEpitelio

Membranade Bowman

EstromaSubstantia

propria

Membrana deDescementEndotelio

Muscularsexterna

Muscularsmucosa

EpitelioLumenLaminapropria

SubmucosaESFAGO

Fig. 2 . - Seccin de la crnea y del esfago. El diseo o la organizacinparticular de los tipos y capas celulares, al igual que la de la matrizextracelular, confiere a los tejidos una arquitectura especfica adap-tada a los requerimientos funcionales. En la figura se recoge la com-

posicin de la crnea y del esfago.

sempear 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 clulas quedar confinadas a regiones especficas.

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

La matriz extracelular

Las clulas estn soportadas o embebidas en un cemento,pegamento biolgico o armazn conocido como matriz ex-tracelular, de la que depende la integridad tisular y quedota a los tejidos de ciertas propiedades mecnicas, como,por ejemplo, extensibilidad y elasticidad a la piel o rigidezal hueso. A mediados del siglo pasado se pensaba que lamatriz extracelular desempeaba slo un papel pasivo,como soporte o armazn inerte del que dependa la inte-

gridad tisular. La matriz extracelular se puede definir comoun entramado organizado o asociacin de distintos tiposde macromolculas, cada una de ellas con una funcinespecializada, que constituye el entorno de las clulas eu-caritas. Las protenas de la matriz extracelular, frecuen-temente multimricas, se asocian entre s generando es-tructuras especializadas y estables que difieren en su formay propiedades. Adems, muchas de las protenas de la ma-triz son multifuncionales, pudiendo establecer interac-ciones con diferentes macromolculas y ser reconocidaspor las clulas. De esta forma, la matriz extracelular tam-bin influye en procesos como la adhesin y la motilidadcelular y la adquisicin de una morfologa particular, ymodula la proliferacin y la diferenciacin celular, de-sempeando, por tanto, un papel activo.

A mediados del siglo XX se consideraba a la matriz ex-tracelular como un conjunto de fibras de colgeno em-bebidas en una sustancia coloidal. Sin embargo, con unacomposicin tan sencilla no se puede explicar la diversi-dad de la funciones tisulares, que debe fundamentarse enuna composicin compleja y una organizacin variada.La matriz extracelular est compuesta por diferentes ma-cromolculas que pertenecen a las familias de los colge-nos, los proteoglicanos y las glicoprotenas no colageno-sas, apareciendo tambin, en algunos tejidos, las elastinas.La heterogeneidad funcional est claramente asociada auna heterogeneidad estructural, ya que no son slo cuatrotipos de molculas diferentes, son familias de molculas,y ms de una treintena de genes codifican las cadenas po-lipeptdicas que forman las molculas de los colgenos devertebrados. De igual modo, el nmero de miembrosde las familias de los proteoglicanos y de las glicoprotenasno colagenosas se cifran en varias decenas. Adems, lacomposicin de la matriz extracelular, supeditada a la fun-cin tisular, puede variar de una forma drstica de un te-jido a otro y la especificidad funcional se puede incre-mentar con la microheterogeneidad estructural detectadaen algn componente.

Las propiedades de la matriz extracelular dependen delas molculas 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 ms ubicua es la matriz intersticial o estroma,donde las clulas estn embebidas y cuyos componentesmayoritarios son los colgenos que forman fibras, laglicoprotena fibronectina y proteoglicanos del tipo con-droitn y dermatn sulfato. Los basamentos membrano-sos, que forman lminas sobre las que se sustentan las c-lulas, constituyen una matriz acelular que funciona comobarrera de permeabilidad selectiva. Estn compuestos prin-cipalmente por colgeno de tipo IV, la glicoprotena la-minina y proteoglicanos del tipo heparn sulfato. Los ba-samentos membranosos se localizan separando clulas dela matriz intersticial, como soporte para las clulas de epi-telio o de endotelio, o rodeando haces de clulas muscu-lares, adipocitos o clulas nerviosas.

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EL. COLGENO, UN CEMENTO BIOLGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

LA SUPERFAMILIA DE LOS COLGENOS

Los colgenos son las protenas ms abundantes en losmamferos, 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 crnea (64 %), el cartlago (50 %), el hueso cortical(23 %), la aorta (12-14 %), el pulmn (10 %) y el hga-do (4 %). Son los principales elementos estructurales dela matriz extracelular, proporcionando la ronna y dotan-do de fuerza y flexibilidad a los tejidos. Tambin estnrelacionados con otros procesos: transmisin de fuerzas(tendones), lubricacin (cartlago), transmisin de luz(cristalino) o generacin de barreras (filtracin o separa-cin de tipos celulares). El tipo de colgeno presente enuna matriz extracelular condiciona sus propiedades fsicasy biomecnicas. Los primeros colgenos conocidos, ma-yoritarios en los tejidos, forman fibras; por ello, el trmi-no colgeno ha sido sinnimo de protena fibrosa. Estees el caso del colgeno de tipo I, que constituye el 90 %del colgeno corporal. Su estructura, una triple hlice r-gida que se asocia formando fibras que pueden ser visua-lizadas por microscopa electrnica, ha sido durante aosel modelo de esta molcula. Los tejidos que requieren so-portar fuerzas mecnicas, como la piel, el tendn y el hue-so, son ricos en colgenos fibrilares y colgenos asociadosa fibras. El colgeno de tipo I, que proporciona elastici-dad a la piel, es tambin crucial para la interaccin con loscristales de hidroxiapatito en la formacin de la matrizsea. Sin embargo, las propiedades lubricantes del cart-lago se deben a las fibras de colgeno de tipo II, que for-man un soporte bsico al cual se anclan los proteoglica-nos. Resulta interesante sealar que la identificacin deotros colgenos ha permitido concluir que la formacin defibras es una caracterstica de un nmero limitado de ellos.As, las redes de colgeno de tipo IV proporcionan esta-bilidad mecnica a los basamentos membranosos.

Estructura y caractersticas

Los colgenos son molculas, homo y heterotrimricas,compuestas por tres cadenas polipeptdicas denominadascadenas a. El trmino genrico colgeno engloba a unasuperfamilia de protenas que, en vertebrados, est cons-tituida por una veintena de molculas diferentes o msde una treintena de cadenas polipeptdicas genticamen-te distintas (figura 3). Cada una de las cadenas a que for-man la molcula de colgeno se encuentran formandouna hlice levgira. Tres cadenas a se asocian entre s for-mando una superestructura bsica consistente en una tri-ple hlice dextrgira, regular y rgida: la triple hlice de co-lgeno (figura 4).

La secuencia de aminocidos de las cadenas a es singu-lar, ya que la caracterstica comn de las regiones en tri-ple hlice, conocidas como dominios colagenosos (COL),es la repeticin del triplete glicocola-X-Y (figura 4). Estas

SUPERFAMILIA DE LOS COLGENOSCOLGENOS TIPO COMPOSICIN

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)]3xix [a,(Xix)]sxx [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 colgenos. En el esquema se recogenlos distintos tipos de colgenos agrupados segn las estructuras ma-cromoleculares que forman. Se indica la composicin en cadenaspolipeptdicas de las formas mayoritarias de cada uno de los co-

lgenos.

regiones son resistentes a la degradacin por proteasas co-munes y slo son sensibles a colagenasas especficas. Lacomposicin de aminocidos del colgeno, tan diferentede las protenas globulares, es reflejo de la repeticin deltriplete Gly-X-Y, requerimiento imprescindible para laformacin de la triple hlice. As, en un colgeno que for-ma una triple hlice continua, una tercera parte de los re-siduos son glicocolas. Es una molcula rica en prolina e hi-droxiprohna (20 %), contiene aminocidos hidroxilados(hidroxiprolina y hidroxilisina) y, al igual que otras pro-tenas que se secretan, se glicosila en la clula antes de susecrecin al espacio extracelular. La estabilidad de esta es-tructura depende de la localizacin de los residuos en eltriplete, siendo crtica la posicin de la glicocola comoprimer aminocido del mismo. Para que las tres cadenas ase aproximen lo suficiente para formar la triple hlice, ensu interior slo puede acomodarse el aminocido ms pe-queo, la glicocola, quedando las cadenas laterales de losaminocidos de las posiciones X e Y del triplete locali-zadas hacia el exterior (figura 4). Las mutaciones queproducen cambios de la glicocola por otro aminocidoconducen a la formacin de colgenos no funcionales einestables, que son degradados intracelularmente o que

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

En los colgenos que no forman fibras, la estructura entriple hlice queda interrumpida por las denominadas re-giones no colagenosas (NC), que pueden variar desde do-minios globulares extensos hasta pequeas regiones don-de la secuencia del triplete no se repite o se altera. Estaszonas son sensibles al ataque proteoltico pero confierenflexibilidad a la molcula de colgeno. Por ello, como co-lgeno se define a aquellas macromolculas estructuralesde la matriz extracelular que incluyen en su estructurauno o varios dominios que se encuentran en conformacinde triple hlice. As, en esta familia se incluye un amplioconjunto de molculas de la matriz extracelular que pue-den no tener una triple hlice continua y presentan do-minios globulares no colagenosos, de longitud y localiza-cin variable a lo largo de la molcula. Para homogeneizarla nomenclatura, a los diferentes tipos de colgeno se lesha asignado un nmero romano correlativo segn se han

CADENA a

Gly - Pro -Secuencia

- Gly - Pro - -"'

- Gly - xi - Gly - L e u - G l y - Pro - 'i-''

Estructura Hlice de colgeno (levgira)

TRIPLE HLICE DE COLGENO

/ Seccin transversal

PROCOLGENO: precursor biosinttico

PropptidoN-termlnal

(139 aa) PropptidoC-termnal(330 aa)

Fig. 4.- Caractersticas de la molcula de colgeno. La secuencia delas cadenas a de la molcula de colgeno se caracteriza por la re-peticin del triplete Gly-X-Y. Tres hlices levgiras de cadenas a for-man la triple hlice de colgeno de 300 nm de longitud, estructuracontinua y rgida, salvo en los extremos (telopptidos). En la seccintransversal de la triple hlice se muestra la localizacin interior de losresiduos de glicocola de dos tripletes consecutivos. En la molculaprecursora, el procolgeno, se distinguen los dos dominios no colage-

nosos de los extremos amino y carboxilo terminal.

[NCLEOGenes de ' TRANS KIITINcolgeno

RETCULO ENDOPLSMICO

1 2

# * (4)

Galactosa Glucosa

N-glicusilo

APARATO DE GOLCI

ESPACIO EXTRACELULAR

1

linRNA niRNA

1- Sntesis v entrada al lumen delKI-: rugoso

2 - l-limiiKicin del pplido seal (dMiwi

?.- 1 lidroxilacin de prolma \ Iisina

Prolil y lisil- htln.\lasas

4.- (iicosilacin de hidroxilisiiuiAdicin de ohgosacndos

Galactosil y glucosil transferasas ,Otras })|COKdasas

5.- Alineacin de cadenas yTomiacion de puentes disulfuro

Pnitcna ti sulfuro isomerasa

.- l-'ormacin de la triple hlice

7.- IjiipaqueLinnenlo \ exocosis

PR(M:OI.

EL COLGENO, UN CEMENTO BIOLGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

modificacin y sistemas enzimticos sustratos y requerimientosetapas intracelulares

eliminacin del pptido sealseal peptidasa

hidroxilacion del carbono 4 de prolinaprolil 4-hidroxilasa

hidroxlacin del carbono 3 de prolinaproli! 3-hidroxilasahidroxacion de lisinalisil hidroxilasa

0-glicosilacin de hidroxilisinashidroxilisil-galactosil transferasaO-glicosilacin de galactosil-hidroxilisinagalactosil-hidroxilisil-glucosil transferasaN-glicosilacionoligosacaridil transferasaformacin de enlaces disulfuroprotena disulfuro isomerasa

interconversin cis/trans dei enlaceprolil peptidilo cis/trans somerasaasociacin de las tres cadenas.

Cadenas pre- proa.

Prolina en posicin Y (Gly-X-Pro). Requiere hierro, 2-cetoglutarato, 0 ; ycido ascrbico. Inhibidores: agentes quelantes de hierro, anlogos del 2-ceto-glutarato, antibiticos a-lactmicos, Zn2*, poli-L-Pro y anlogos de prolina.

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

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

UDP-galactosa e hidroxilisina. Requiere cationes divalentes Inhibicin porvarios cationes divalentes y por UDP.UDP-glucosa/galactosil-hidroxilisina. Requiere cationes divalentes. Inhibicinpor vanos cationes divalentes y por UDP.

-Asn-X-Ser(Thr)-

Cadenas polipeptdicas recin biosintetizadas.

Cadenas polipeptdicas recin biosintetizadas. Inhibicin por ciclosponna A.

No enzimtico; participan caperonas.etapas extracelulares

eliminacin del propptido de la regin amino-terminalprocolgeno N-peptidasa

eliminacin del propptido de la regin carboxilo-terminalprocolgeno C-peptidasaconversin de usinas e hidroxilisinas en aldehidoslisil oxidasa

Una isoenzima acta sobre procolgenos de tipo 1 y II y otra sobre el detipo III. Requieren cationes divalentes (Ca!+). Inhibicin por pptidos sintticosy agentes quelantes de cationes.

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

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

je y estabilizacin, propio de cada tipo de colgeno, queproporciona la estructura macromolecular estable y ade-cuada a la ("uncin que realiza en los tejidos. Un esquemade la fase intracelular de la biosntesis de colgeno se re-coge en la figura 5. En el proceso de biosntesis del colgenoparticipan al menos una decena de sistemas enzimticos(tabla I).

La traduccin de los RNAs mensajeros se realiza por ri-bosomas asociados al retculo endoplsmico. El pptido se-al permite la transferencia de la cadena a al lumen del re-tculo endoplsmico. Estas secuencias seal son reconocidasy cortadas por la seal-peptidasa, enzima de la regin lu-minal del retculo. Las cadenas proa contienen extensio-nes adicionales en sus extremos, regiones denominadaspropptidos (figuras 4 y 5).

La hidroxacion de residuos de prolina y de Usina, mo-dificacin poco frecuente en otras protenas, se realiza portres sistemas enzimticos; dos actan sobre residuos deprolina (prolil 4-hidroxilasa y prolil 3-hidroxilasa), y el ter-cero, sobre residuos de lisina (lisil hidroxilasa). Estas en-zimas actan sobre residuos que ocupan una posicin de-terminada en el triplete y cuando la cadena polipeptdicano est formando triple hlice, por lo que la hidroxila-cin debe completarse antes de la formacin de dicha es-

tructura. Los mecanismos de la reaccin son similares paralas tres hidroxilasas, y su actuacin requiere Fe"*, 2-ceto-glutarato, oxgeno molecular y cido ascrbico (vitamina C).

Los residuos de 4-hidroxiprolina son necesarios para elcorrecto ensamblaje de la molcula de procolgeno y parala estabilizacin de la triple hlice, ya que los grupos hi-droxilo de la hidroxiprolina forman enlaces de hidrgenoentre las cadenas a. La importancia de estos residuos haceque la prolil 4-hidroxilasa sea uno de los blancos potencialespara la modulacin farmacolgica o el control de procesosfibrticos caracterizados por una produccin excesiva de co-lgeno. Condiciones que impiden la hidroxacion de pro-lina (deficiencias en oxgeno, hierro o vitamina C) inhibenla formacin de la triple hlice. En estados caracterizadospor una fragilidad de la piel y de los vasos sanguneos, aso-ciados a deficiencias en vitamina C, las cadenas no hidro-xiladas se degradan en el interior de la clula.

La hidroxacion de lisina es crtica para la estabiliza-cin de estructuras macromoleculares, ya que los residuosde hidroxilisina participan en la formacin de enlaces deentrecruzamiento intra e intermoleculares. La deficienciaen lisil hidroxilasa impide que se formen los enlaces deentrecruzamiento, con la consecuente susceptibilidad a ladegradacin y debilidad mecnica de los tejidos.

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M.11 ANTONIA LIZARBE IRACHETA

Otra de las etapas implicadas en la biosntesis de co-lgeno es la glicosilacin de las cadenas de procolgeno. Loshidratos de carbono, principalmente galactosa y glucosil-galactosa, se unen a travs de enlaces O-glicosdicos a hi-droxilisinas situadas en dominios que formarn parte dela triple hlice. La reaccin est catalizada por dos enzimas(tmnsfemsas de retculo endopldsmico) que requieren catio-nes divalentes. Al igual que las hidroxilasas, estas transfe-rasas actan sobre la cadena polipeptdica no integradaen la triple hlice. La extensin de la glicosilacin es muyvariable entre los diferentes tipos de colgeno e, incluso,dentro de un mismo tipo; cambia segn el tejido y tam-bin con la edad. Se ha observado una relacin inversaentre el contenido en hidratos de carbono y el dimetrode la fibra de colgeno, por lo que uno de los papeles asig-nados a la glicosilacin es participar en la fibrillognesis.Por otro lado, la glicosilacin de ciertos residuos posibi-lita la interaccin con otros componentes de la matriz ex-tracelular.

Tras la seleccin de las cadenas, se inicia la alineacin yasociacin no covalente de las tres cadenas proa a travsde los extremos carboxilo-terminales. Se ha postulado laexistencia de un sitio de nucleacin, una regin con 3-10tripletes -Gly-Pro-Hyp-, a partir de la cual la propagacinde la formacin de la triple hlice queda ya slo condi-cionada a la secuencia de aminocidos de las cadenas po-lipeptdicas. La asociacin de cadenas se estabiliza con laformacin de puentes disulfuro, etapa catalizada por la en-zima disulfiiro isomerasa, participando tambin la prolil-pep-tidil cisltrans isomerasa, que cambia la configuracin deenlaces de prolina.

La secrecin de procolgeno se produce a travs del apa-rato de Golgi. Se sabe que alteraciones en la hidroxilacinde prolina, debidas a una baja disponibilidad de cofacto-res (Fe"*, O,), estn asociadas a un procesamiento incorrectodel procolgeno, lo que provoca una disminucin en suvelocidad de secrecin.

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

Tipos de colgeno

Colgenos fibrilares

Los colgenos fibrilares pierden en el espacio extracelularlas regiones N- y C-terminales de las molculas de pro-colgeno, quedando la triple hlice preparada para la for-macin de fibras (figura 6). Dos metaloproteinasas neu-tras, conocidas como procolgeno proteinasas, que requierencalcio y slo actan sobre molculas en triple hlice, con-vierten el procolgeno en colgeno.

En este grupo homogneo se incluyen los colgenos queforman fibras resistentes, estabilizadas por enlaces cova-

lentes, como estructura supramolecular. En l se encuen-tran los inicialmente descritos de tipo intersticial (tipos I,II y III) y los de tipo V y XI. El colgeno de tipo I es elms abundante, y representa el principal componente fi-brilar en muchos tejidos. El colgeno de tipo III se en-cuentra en casi todos los tejidos que contienen colgenode tipo I pero en cantidades muy inferiores. Sus niveles sonelevados durante el desarrollo fetal si bien disminuyenprogresivamente con la edad. El colgeno de tipo II es elprincipal colgeno de cartlago. Los colgenos V y XI, porsu bajo porcentaje en relacin al contenido total de colgenoen estos tejidos, son minoritarios. stos retienen parte de laextensin amino terminal del precursor y participaran enel control del dimetro de la fibra de colgeno.

La estructura madura de los colgenos fibrilares con-siste en un solo dominio colagenoso, una triple hlicecontinua de 300 nm (aproximadamente 1 000 aminoci-dos), con unas cortas regiones en los extremos que noadoptan esta estructura, los telopptidos (figura 6). Lastriples hlices de las molculas maduras de colgeno agre-

PROCOLGENO DE TIPO I

Aminoproteinasa

ao

IJ

PROCOLGENO PROTEINASAS

CarboxiproteinasaOH OH . >

300 nm

Enlaces de entrecruzamlentoLISILOXIDASA

Telopptldo Triple hlice

Micron brilla

Fig. 6.- Formacin de fibras y redes de colgeno en el espacio ex-tracelular. Procesamiento del colgeno de tipo I y formacin de fi-bras. Las procolgeno proteinasas actan sobre el procoigeno, quepierde los dominios no colagenosos de los extremos. La triple hli-ce resultante agrega lateralmente formando microfibrillas; residuosde lisina e hidroxilisina son transformados por la lisil oxidasa en loscorrespondientes aldehidos, formndose enlaces de entrecruza-miento covalentes. Se recuadra la posicin de las usinas de los telo-pptidos y de las hidroxilisinas de la triple hlice que participan en

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

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gan de forma espontnea en el espacio extracelular porinteracciones inicas e hibrofbicas. La secuencia de ami-nocidos determina un alineamiento de forma paralela ydesplazada, ensamblndose los monmeros cabeza-cola,formando las fibrillas de colgeno. Sin embargo, estas in-teracciones iniciales no covalentes, que se establecen en-tre las molculas de colgeno que forman la fibrilla, noproporcionan resistencia mecnica a estas estructuras. Pararesponder a las demandas estructurales para las que han sidodiseadas (fuerza tensil y estabilidad mecnica), se re-quiere un proceso adicional de estabilizacin por forma-cin de enlaces covalentes de entrecruzamiento. Los resi-duos implicados en la formacin de estos enlacesestabilizadores son Usinas e hidroxilisinas localizadas enlos telopptidos o en regiones de la triple hlice relajadas(tripletes que contienen poca prolina) (figura 6). Un re-querimiento previo para la formacin de estos enlaces esla actuacin de la lisil oxidasa, enzima que cataliza la de-saminacin oxidativa de cadenas de lisina e hidroxilisina,convirtindolas en los correspondientes aldehidos (figura 7).Posteriormente se producen reacciones qumicas de en-trecruzamiento, pero sin la participacin de sistemas en-zimticos, complicndose cada vez ms este tipo de esta-bilizacin en el que pueden participar otros aminocidos(figura 7). Esto explicara las modificaciones en las pro-piedades de la piel observadas con el envejecimiento.

La composicin de la fibra es uno de los factores de losque depende el dimetro de la misma. Las fibras de col-geno pueden estar formadas por uno o varios tipos de co-lgeno. En cartlago se han detectado fibras con un ncleode colgeno de tipo XI revestido con colgeno de tipo II.Tambin se ha descrito la posible coexistencia de colge-no de tipo I, tipo III y tipo V en la misma fibra. Uno delos colgenos minoritarios fibrilares, el tipo V, genera unncleo inicial sobre el que copolimerizan los colgenosde tipo I y tipo III (figura 8).

Colgenos no fibrilares

En el resto de los colgenos (tipos IV, VI-X y XII-XIX)se detecta una gran heterogeneidad en cuanto a su es-tructura, localizacin tisular, organizacin supramolecu-lar y funcin. En general, la repeticin de los tripletesqueda interrumpida en una o varias localizaciones quepueden ser ms o menos extensas. As, estas molculas noestn constituidas por una triple hlice continua, sino quecontienen dominios globulares en los extremos y tambinseparando regiones en triple hlice. Adems, el procesa-miento de la molcula precursora, prdida de las exten-siones amino y carboxilo terminales, puede no producir-se, siendo en estos casos el propio procolgeno la molculacon la que se inicia el ensamblaje molecular.

Colgenos asociados a fibras

Son molculas en las que las regiones en triple hlice sealternan o interrumpen con regiones no colagenosas de lon-

H-NH-CO=C

Hyl

OH

,

H-C(CH2)2-CH-CH2-NH3 H3N-CH2-CH2-(CH2)2-C-HC = 0

Lisiloxidasa

H-N OHI I

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

I

- O., Cu:-

. N-HCK |

^CCHj(CH2)2-C-HH

C =O

IAldehidosEspontneo?

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.- Formacin de enlaces de entrecruzamiento. Los residuos deusina (Lys) o hidroxilisina (Hyl) se convierten en los correspondientesaldehidos por accin de la lisil oxidasa. Estos grupos pueden reaccionarpara formar enlaces covalentes. La reaccin 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-sacin que se obtienen en estas reacciones pueden ser complejos,ya que pueden participar dos o ms aminocidos, rindiendo produc-

tos de condensacin bi, tri y tetrafuncionales.

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

125


GAGDECORINA TIPO II I GAG TIPO IXCOL2

TIPO XI "IX

NC4

NC3 1 N C 2 NC1

( GAG

TIPO I Y IIITIPO XIV

DECORINA

GAG

NC3

TIPO XIVCOL1

NC1 NC2COL2

Fig. 8 . - Fibras de colgenos intersticiales y colgenos asociados a fibras. Las fibras de colgeno del cartlago estn constituidas por molculasde colgeno de tipo II y tipo XI revestidas de colgeno de tipo IX; en su superficie se asocian molculas de proteoglicanos, como la decori-na (parte superior). En el estroma, las fibras estn formadas por un ncleo de colgeno de tipo V revestido por colgenos de tipo I y III; en

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

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

Los colgenos homotrimricos de tipo XII y XIV se aso-cian a la superficie de las fibras de colgeno de tipo I deuna forma similar, modulando la interaccin de las fibrascon otros componentes de la matriz extracelular (figura 8).Los colgenos de tipo XVI y XIX, que contienen cinco sub-dominios en triple hlice, se han clasificado con los aso-ciados a fibras, ya que parece que contienen uno o dosdominios comunes con el colgeno de tipo IX. El colgenode tipo XIX tambin se ha detectado en zonas de los ba-samentos membranosos y regiones vasculares. Estos datosapuntan a que estos colgenos, junto con los de tipo XVy XVIII, podran formar un nuevo subgrupo de colgenosdistribuidos en zonas de los basamentos membranosos.Su papel se centrara en establecer interacciones estroma-basamento membranoso y podran tener una implicacinen procesos angiognicos y patolgicos.

Colgenos que forman redes

En este grupo se incluyen los colgenos de tipo IV, VIIIy X. El colgeno de tipo IV es el principal componente es-tructural de la lmina densa de los basamentos membra-nosos. El monmero de 395 nra es ms largo que el de loscolgenos intersticiales; el procolgeno de tipo IV no se pro-cesa despus de la secrecin, y se asocia formando tina red omalla tridimensional flexible. El procolgeno de tipo IVmantiene las regiones de los propptidos y presentapequeas alteraciones en zonas de la triple hlice que otor-gan a sta flexibilidad. Es el primer colgeno en el que sedescribieron imperfecciones en los tripletes Gly-X-Y porinclusin o delecin de aminocidos. La molcula estconstituida por tres dominios, el amino terminal o regin 7S,la triple hlice interrumpida y el dominio NC1 en elextremo carboxilo terminal. Las molculas se asocian for-mando redes o mallas tridimensionales estabilizadas co-valentemente (figura 9). Las regiones amino terminalesde cuatro molculas de colgeno de tipo IV se asocian deforma antiparalela y solapndose, generando el dominio 7S.Adems de los puentes disulfuro, la lisil oxidasa actasobre residuos de este dominio 7S, por lo que la estabili-zacin se produce por entrecruzamientos covalentes se-mejantes a los de los colgenos fibrilares. Adems, inte-raccionan las regiones globulares carboxilo terminales(NC1); los puentes disulfuro que se establecen entre losdominios NC1 de dos molculas diferentes son otros delos enlaces que contribuyen a la estabilizacin de las redesde colgeno.

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

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lipeptdicas diferentes que, segn se asocien, forman las dis-tintas variantes de colgeno de tipo IV presentes en dife-rentes tejidos.

Los colgenos de tipo VIII y X, con casi la mitad de losaminocidos que los intersticiales, alrededor de unos 700residuos, son los colgenos ms cortos y forman redes he-xagonales. El colgeno de tipo VIII, aunque tambin lo-calizado en otros tejidos, es un componente estructuralbsico de la membrana de Descement, sintetizado por lasclulas del epitelio de la crnea (figura 2). En el cartlago,adems de los colgenos de tipo II y IX, que son biosin-tetizados por todos los condrocitos, se ha descrito otrocolgeno, el de tipo X. Este presenta una localizacin res-tringida y es biosintetizado nicamente por condrocitoshipertrficos. Las estructuras que forma este colgeno ho-motrimrico pueden reforzar la matriz extracelular en lazona hipertrfica de la placa de crecimiento.

Otros colgenos

El colgeno de tipo VI, colgeno microfibrilar, forma fi-lamentos con glbulos. Es un heterotrmero en el que unatriple hlice pequea de 105 nm queda flanqueada pordos dominios no colagenosos que contribuyen con casilos dos tercios a la masa de la molcula. Tiene una es-tructura modular multidominio con regiones homologasa las encontradas en otras protenas. La estructura mo-lecular bsica para la constitucin de las microfibrillas esun tetrmero, quedando los dominios globulares expues-tos hacia el exterior de las mismas (figura 10).

Los colgenos de tipo VII y XVII estn asociados conestructuras especializadas ancladas a los basamentos mem-branosos. El colgeno de tipo VII, homotrmero con unadistribucin limitada (piel, mucosa oral y crvix), es el

principal componente de las fibras de anclaje (figura 10).stas anclan los basamentos membranosos al estroma, re-forzando la unin de clulas epiteliales al estroma ad-yacente. La triple hlice de 420-450 nm es la ms largadescrita para los colgenos de vertebrados; presenta dis-continuidades y est flanqueada por dos dominios nocolagenosos. En el extremo amino terminal de la molculaprecursora se localiza una pequea regin globular (NC2),que participa en el ensamblaje de las molculas. Los pro-colgenos agregan antiparalelamente para formar un d-mero, solapndose en una regin que se estabiliza porpuentes disulfuro. Tras la ruptura del dominio NC2, losdmeros se asocian lateralmente formando una estructu-ra empaquetada donde los extremos interaccionan, porun lado, con la lmina 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 colgeno detipo XVII asociado a la membrana celular. Este colgenose ha agrupado con el de tipo XIII, que tambin contieneun dominio transmembrana, en la subfamilia de colgenosasociados a membrana, conocidos ahora como MACITs(Membrane-Associated Collagens with Interrupted Triple h-lices). Los colgenos de tipo XV y XVIII de los basamen-tos membranosos se han clasificado en la subfamilia delas multiplexinas (mltiple 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 colgeno de tipo XVIII, denominadoendostatina, se le ha asignado un papel antiangiognico einhibidor del crecimiento tumoral.

PROCOLGENO DE TIPO IV

7S TRIPLE HLICE DISCONTINUA

Interacciones

NC1

NC1 FORMACIN DE REDESTETRMEROEstructura tipo araa

ESTABILIZACIN:DMERO Entrecruzamientos (Lisil oxidasa)

Puentes -S-S-

Fig. 9.- Formacin de redes de colgeno de tipo IV. La molcula de procolgeno de tipo IV, flexible y con inclusiones y deleciones en la se-cuencia del triplete Gly-X-Y, mantiene los dominios no colagenosos. La interaccin de molculas de procolgeno de tipo IV, que se produ-ce a travs de las regiones 7S y NC1, conlleva la formacin de dmeros, tetrmeros y, en ltimo trmino, redes tridimensionales. stas 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 hlice^ ^ ^ ^ ^ ^

105 nm

^znCt a /a2ct

NC2

Monmero

T+

M

Dmero

MICROFIBRILLA

Tetrmero Tetrmero

UI

FIBRAS DE ANCLAJE

-^7 60 nm

/ ^Basamento Placa demembranoso anclaje

Fig. 10.- Caractersticas y versatilidad en la organizacin supramacromolecular de diferentes tipos de colgeno. Tres cadenas a(VI), una deellas con una extensin no colagenosa de gran tamao, forman las molculas de colgeno de tipo VI; los monmeros se entrelazan for-mando microfibrillas en las que parte de los dominios globulares se exponen al exterior. Las molculas de colgeno de tipo Vil, ms largasy flanqueadas por dos dominios no colagenosos (NC), agregan cabeza-cabeza formando dmeros. Los monmeros se asocian formando ma-

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

Los genes de los colgenos

Los anlisis genticos han demostrado que los genes quecodifican las cadenas de colgeno se encuentran dispersosen el genoma, y la expresin de un determinado tipo de co-lgeno est sometida a un riguroso control. Los genes delas cadenas proa, y proa, del colgeno de tipo I se en-cuentran en los cromosomas 17 y 7, respectivamente. Loscolgenos de tipo IV y tipo VI constituyen una excepcin,ya que, para las cadenas proa,(IV) y proa:(IV), los genesse encuentran prximos 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) est enel cromosoma X, localizacin que puede relacionarse conla mutacin que produce la enfermedad renal asociada alcromosoma X (sndrome de Alport). Los que codifican lascadenas proa de los colgenos fibrilares presentan bastan-tes similitudes; son relativamente complejos, con una es-tructura bsica consistente en 52 exones. De ellos, 42 co-difican la regin en triple hlice de la cadena proa decolgenos de tipo II y III, y 41 la cadena proa del colge-no de tipo I. En la secuencia de los exones se observa la com-binacin y repeticin de unidades bsicas de 54 pares debases, que codifican seis tripletes -Gly-X-Y-, o de 45 paresde bases, que codifican cinco tripletes.

PATOLOGAS ASOCIADAS A LA MOLCULADE COLGENO

Durante muchas dcadas existi el convencimiento deque un grupo de enfermedades estaban directa o indirec-

tamente relacionadas con el colgeno. La evidencia defi-nitiva surgi de estudios realizados sobre enfermedadesgenticas v, desde entonces, se han llevado a cabo mime-rosas investigaciones para descubrir la base molecular deestos desrdenes hereditarios. La sntesis anormal del co-lgeno o las alteraciones en su estructura y en la interac-cin con otros componentes de la matriz producen nu-merosas disfunciones en rganos, tales como alteracionesen el sistema cardio-vascular (aneurismas articos y arte-riales, mal funcionamiento de las vlvulas cardacas), enel ocular (dislocacin de lentes), en el hueso (fragilidadsea y facilidad para que se produzcan fracturas), en lapiel (cicatrizacin deficiente y distensibilidad inusual) y enlas articulaciones (hipermovilidad, artrosis). El conoci-miento que actualmente se est alcanzando sobre las al-teraciones genticas tiene, adems, aplicaciones en el pro-nstico de una enfermedad. Si el defecto molecular puededeterminarse, ser posible predecir, al menos en ciertogrado, la evolucin natural de la enfermedad y tomar pre-cauciones o actuar para paliar sus sntomas.

Las enfermedades del colgeno comprenden un grupoheterogneo de alteraciones con manifestaciones pleoi-trpicas y herencia monognica; son conjuntos de com-plejidad variable. Como se recoge en la tabla II, su natu-raleza puede ser hereditaria o adquirida, y una patologapuede ser el resultado de una alteracin primaria, porejemplo, mutacin en un gen de colgeno, o secundaria,si el colgeno se modifica a causa de una alteracin que noest relacionada directamente con esta molcula.

La relacin de enfermedades hereditarias cuyo defectoprimario reside en la molcula de colgeno incluye, al me-

128

El. COLGENO, UN CEMENTO BIOLGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

1 ...enfermedades hereditarias

sndrome de Ehlers-Danlosvariantes de osteognesis imperfectaepidermolisis bullosacondrodisplasiassndrome de cutis laxasndrome de Menkeshomocistinuria

sndrome de Marfan (?)

enfermedades adquiridasdeficiencias nutricionalesrespuesta a la inflamacinfibrosisaterosclerosisartrosis

envejecimiento prematuroneoplasiaesclerodermia

nos, el sndrome de Ehlers-Danlos, la osteognesis im-perfecta, la epiderolisis bullosa, varias condrodisplasias yel cutis laxa. El colgeno tambin se altera, pero de formasecundaria, en el sndrome de Menkes (deficiencia en laabsorcin de cobre) y en la homocistinuria (deficienciaen la cistationina sintetasa). Las primarias estn causadasnormalmente por mutaciones en los genes que codificanpara el colgeno o por alteraciones en la cantidad o acti-vidad de las enzimas encargadas de la biosntesis del mismo.Tan slo considerando los diferentes tipos del sndromede Ehlers-Danlos, que se comentarn 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 colgeno, a su expresin, al procesamiento de los ex-tremos, a distorsiones en el entrecruzamiento covalenteestabilizador de la fibras de colgeno, a su maduracin oa la fibrillognesis. Adems, se puede afectar potencial-mente la produccin de otras protenas no colagenosas,como es el caso de los proteoglicanos.

Numerosas mutaciones en los genes de las cadenas ade colgeno son responsables de diversas enfermedadesdel tejido conectivo (tabla III). A la complejidad de estosgenes, con los inherentes problemas que pueden surgir enel proceso de eliminacin de exones, se suman las conse-cuencias drsticas que pueden originarse, alterndose laestructura, por la sustitucin de un residuo en una cade-na de colgeno. Slo considerando el colgeno 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 patologas. La mayora de las mutaciones crticasen los colgenos fibrilares afectan a las glicocolas de lostripletes de las regiones en triple hlice, alterndose la for-macin de la triple hlice y el proceso de secrecin delprocolgeno. Si la formacin de la triple hlice se retrasa,las hidroxilasas y transferasas modifican ms extensamenteel dominio colagenoso, provocando una degradacin r-pida del monmero secretado o bien que las molculasanmalas sean incapaces de formar estructuras supramo-leculares. En la hipocondrognesis se ha detectado unamutacin en la cadena a del colgeno de tipo II (sustitu-cin G574S) que produce una disminucin de la secrecin,un procesamiento anormal del procolgeno de tipo II y unaformacin de fibras anmala. Sin embargo, la misma mu-tacin (G769S), en este caso afectando a otro triplete,

provoca un cambio en los tipos de colgeno sintetizadosen el cartlago.

La importancia fisiopatolgica de los basamentos mem-branosos ha quedado patente tras la caracterizacin dedefectos genticos que afectan a las cadenas de colge-no de tipo IV. No se han descrito mutaciones causantes deenfermedades que afecten a los genes de las cadenas del he-terotrmero [ai(IV)]2aj(IV)]; estas mutaciones son letalesdada la distribucin ubicua de esta molcula. Sin embar-go, las mutaciones en los genes de otras cadenas de este co-lgeno pueden ser las responsables de anomalas que sloafecten a determinados rganos. En este sentido, en elsndrome de Alport asociado al cromosoma X se altera unode los tipos de colgeno de tipo IV, no muy abundante,compuesto por las cadenas oc,(IV) y cc.,(IV). En este sn-drome tambin se han detectado mutaciones puntualesen el gen de la cadena oc,(IV) que producen la consiguientedisfuncin de los basamentos membranosos de la lminabasal glomerular. Tres mutaciones afectan a glicocolas delos tripletes de dominios en triple hlice (G325R, G521Cy Gl 143D) y otras dos alteran la regin carboxilo termi-nal (W1536S y C1564S). Aunque cada una de ellas estasociada a una manifestacin clnica 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 composicin de la fibra es uno de los factores im-plicados en el control del dimetro de la misma. La co-polimerizacin del colgeno de tipo XI (minoritario fi-

Tabla III. Enfermedades hereditarias humanas causadaspor mutacin en los genes de colgeno

Sndrome de Ehlers-Danlostipo Viltipo tVtipo II

Osteognesis imperfectaCondrodisplasias

acondrognesis IIhipocondrognesisdisplasia espondiloepifisiana congnitadisplasia de Kniestsndrome de Sticklercondrodisplasta de Schmid tipo metafisiariodisplasia espondilometafisiariosndrome de Marshal

Sndrome de Alportautosmico recesivoligado al cromosoma Xcon leiomiomatosis

Epidermolisis bullosaformas distrficasjuncionalatrfica benigna

COL1A1, COLIA2COL3A1COL5A1COL1A1, COL1A2

COL2A1COL2A;C0L2A1COL2A1COL2A 1.COL11A1 COL 11A2COL10A1COL10AlCOL 11A 1

COL4A3, COL4A4COL4A5COL4A5, COL4A6

COL7A1COL17A1COL17A1

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.'1 ANTONIA LIZARBE IRACHETA

Fig. 11. - Degradacin de fibras de colgeno en tumores de adeno-carcinoma de colon. En muchos tumores la matriz extracelular apa-rece alterada. Por microscopa electrnica se detectan las fibras delos colgenos 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 colgeno de tipo II controla el dimetro de lasfibras de colgeno en el cartlago (figura 8). Los estudioscon el colgeno de tipo XI permitieron describir la primeraenfermedad gentica humana causada por una mutacin enun gen de un colgeno fibrilar minoritario (sustitucin deglicocola por arginina), que causa el sndrome de Stickler.Tambin se ha apuntado a este colgeno como una de laspotenciales molculas alteradas en la osteoartritis. Muta-ciones en el gen de colgeno de tipo X, que forma redesque refuerzan la matriz extracelular en la zona hipertrfi-ca de la placa de crecimiento, causan la condrodisplasia deSchmid. Recientemente se han descrito mutaciones enotro colgeno minoritario, el de tipo XVII, que produ-cen un tipo de epidermolisis hullosa.

Adems de toda la gama de enfermedades genticas he-reditarias, el espectro se ampla al incluir las patologasadquiridas, aspectos oncolgicos y la implicacin del co-lgeno en respuestas inmunolgicas (tabla II). Algunas deestas enfermedades estn relacionadas con disfuncionesen el complejo proceso de biosntesis del colgeno. Defi-ciencias en hierro o vitamina C, condiciones que impi-den la hidroxilacin de prolina, bloquean la formacinde la triple hlice, degradndose las cadenas no hidroxi-ladas en el interior de la clula. Por otro lado, se ha ob-servado que, con el envejecimiento, se incrementa la con-tribucin de la glicosilacin no enzimtica, proceso que harelacionado al colgeno con estados asociados a hiperglu-cemia en la diabetes microangioptica.

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

glomrulo renal y del pulmn, se caracteriza por la pro-duccin de anticuerpos frente al dominio NC1 de la ca-dena a,(IV). Tambin hay evidencia experimental de queel colgeno de tipo II desempea un papel crtico comoautoantgeno en la artritis reumatoide; el colgeno detipo 1, en la esclerodemia, y el colgeno de tipo Vil, en laepidermolisis hullosa adquirida.

Sndrome de Ehlers-Danlos

Antecedentes

La primera descripcin de un individuo que padecael sndrome de Ehlers-Danlos (EDS) se debe a J. vanMeek'ren (1611-1666), mdico de Amsterdam, queen 1657 describe a un joven espaol de las islas Canarias,de 23 aos, que tiene capacidad para estirar su piel. El mis-mo caso se recoge en 1668, acompaado de un grabadode observaciones mdico-quirrgicas, donde se muestra lagran elasticidad de la piel del pecho del paciente.

Actualmente esta enfermedad se diagnostica a travs demtodos clnicos, bioqumicos, morfolgicos y funciona-les. Sin embargo, de forma retrospectiva, y con valor di-dctico, se han relatado ancdotas y descripciones pinto-rescas de personas que se consideraban como curiosidadespor sus inusuales caractersticas fsicas y que se dedicabana realizar giras o trabajaban en circos mostrando sus ha-bilidades. As, la primera documentacin fotogrfica de unapersona que padeca EDS data de 1880; la fotografa se ha-ba incorporado como mtodo de documentacin clni-ca en 1850. Charles Eisenmann, fotgrafo de retratos ins-tantneos, inmortaliz a Flix Wehrle, conocido como elhombre elstico, que tena una gran capacidad paraestirar su piel a una distancia prodigiosa para posterior-mente retornar a su posicin. Adems, dada la gran mo-vilidad de sus dedos, poda hacerlos girar hasta tocar laparte anterior y posterior de la mueca. Al parecer, sucarrera se ensombreci por las hazaas ms espectacularesde James Morris, conocido como el hombre de goma,que poda estirar la piel de su garganta hasta los ojos.

El nombre de esta enfermedad se debe a Edvard Ehlers(1863-1937), un dermatlogo de Copenhague que,en 1901, describi a un paciente de cutis laxa, y al derma-tlogo parisino Henri-Alexandre Danlos (1844-1912),que describi, en 1908, a otro paciente con la piel fina,frgil e hiperelstica. En 1955, L. Jansen sugiri que elcolgeno deba de estar implicado en estos defectos.

El sndrome de Ehlers-Danlos es un grupo muy hete-rogneo de desrdenes hereditarios que afectan a la piel,ligamentos, articulaciones, vasos sanguneos, rganos in-ternos, etc. Todos los rganos, excepto el sistema es-queltico, son frgiles. Aunque los datos relativos a laincidencia de esta patologa son muy variables, en algncaso se recogen cifras de 1/5 000 personas. A pesar de loscambios genticos heterogneos que se han descrito enesta patologa, las repercusiones en el organismo tienenun limitado repertorio de cambios morfolgicos y fun-

130

EL COLGENO, UN CEMENTO RIOLGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

tipo y defecto primario

Tipo 1deficiencias en la fibrillognesis

Tipo IImutaciones en genes de colgeno de tipo V

Tipo III

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

Tipo Vdeficiencia en lisil oxidasa

Tipo VIdeficiencia en lisil hidroxilasa

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

Tipo VIII

Tipo IXalteracin de la actividad de la lisil oxidasa

TipoXdefecto en fibronectina

caractersticas clnicas

Piel hiperelastlca y extenslble, frgil y pulverlzable. Articulaciones hipermovibles. Ruptura demembranas y terminacin prematura del embarazo. Deformidades msculo-esquelticas.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.

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

Piel hiperextensible, pero no frgil; articulaciones moderadamente hiperextensibles. Estatura baja,hernias inguinales.Sndrome ocular (desprendimiento de retina). Alteraciones en piel y articulaciones. La esclera esfina, azul y frgil. Hipotona muscular. Osteopoross.

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

Moderada fragilidad y suave hiperextensbilidad de la piel. Poca hipermovilidad de articulaciones.Enfermedad periodontal y prdida prematura de dientes.

Piel laxa, pero poco elstica. Hipermovldad de articulaciones moderada. Cicatrizacin normal.

Disfuncion plaquetaria debido a alteracin en fbronectina plasmtica y celular. Alteraciones en piely articulaciones.

dnales. En 1967 se estableci una clasificacin en tresgrupos pero, posteriormente, se increment a diez tiposbasados en una combinacin de criterios clnicos, gen-ticos y bioqumicos; adems, en alguno de ellos ya sehan descrito subgrupos. Sin embargo, muchos pacientesno se pueden incluir en ninguna de estas diez categor-as. Los diez tipos de Ehlers-Danlos, as como algunas desus caractersticas, se recogen en la tabla IV. Los tiposautosmicos dominantes se asocian a mutaciones en lasmolculas de colgeno, y los tipos recesivos, a defectosen sistemas enzimticos implicados en la biosntesis decolgeno.

De forma general, los sntomas y alteraciones mscomunes afectan a la piel y a las articulaciones. La pieles blanquecina, fina, blanda y delgada, y muestra unahiperelasticidad cutnea o hiperextensibilidad que va-ra segn la localizacin corporal. En algunas reas, lapiel hiperelstica parece estar poco adherida al tejidosubcutneo, se extiende fcilmente y retorna a su po-sicin original. Las manos, por ejemplo, pueden tenerun aspecto de guantes finos y anchos, poco adaptadosa la estructura msculo-esqueltica. La fragilidad cu-tnea se refleja en una cicatrizacin anormal, mos-trando la piel en las reas daadas, 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 articulacin, asociadotodo ello, posiblemente, con una hipotona muscularque facilita las contorsiones de los dedos y miembros

(figura 12). Aunque las anormalidades seas son me-nos frecuentes, los enfermos pueden presentar pies pla-nos, dislocaciones de las articulaciones, ocasionales ohabituales en funcin de la laxitud de las mismas, de-formidad de la columna, deformidad de la pared to-rcica 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-bin pueden padecer alteraciones neuromusculares,oculares y orales.

Fig. 12.- Hipermovilidad de articulaciones. Una de las caractersti-cas detectadas en el sndrome 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 as como la alteracin 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, frgil, pul-verizable y una cicatrizacin anormal. Las articulacio-nes muestran hipermovihdad, se detectan deformacio-nes del trax 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 mnima o nula, sta es muyfina y traslcida; a travs de ella, en el pecho, abdomeny extremidades, se visualiza claramente todo el rbol 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-mitndose la manifestacin de la enfermedad al perio-donto.

El defecto molecular bsico no se ha elucidado en to-dos los tipos de EDS establecidos, pero lo que s parececlaro es que el colgeno, y en consecuencia el tejido con-juntivo, est afectado en mayor o menor grado. Adems,en muchas ocasiones el defecto molecular descrito pue-de ser variable (como puede ser el tipo y posicin de lasmutaciones y la clase de cadena de colgeno alterado).En los tipos I, II y III, asociados por la sintomatologa,se ha postulado que el defecto bsico radica en la deses-tabilizacin de las fibras de colgenos intersticiales debidoa un entrecruzamiento anormal, lo que dara cuenta delos cambios en las propiedades fsicas de la piel. En algunoscasos de EDS de tipo I se ha propuesto que el procesa-miento del procolgeno de tipo I est alterado, por loque el proceso de fibrillognesis se realiza de forma defec-tuosa. En otros casos se ha detectado una reduccin o au-sencia de sntesis de la cadena proa : de colgeno de tipo I,que, junto a una degradacin intracelular del colgenorecin formado, se traduce en una reduccin del conte-nido de colgeno del tejido a la mitad de lo normal.Recientemente se han descrito mutaciones en el colge-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 colgeno de tipo III. Se han descritocasos en los que el contenido de colgeno de tipo III enaorta y piel es muy bajo; la tasa de sntesis de este col-geno se puede reducir hasta un 90 %. La formacin dela triple hlice es anmala, las cadenas de colgeno anor-males se ensamblan lentamente y se producen numero-sas modificaciones que hacen que el colgeno, como con-secuencia de la inestabilidad de la triple hlice, se excretelentamente o que la molcula recin formada se degradeintracelularmente. Esto puede ser debido a diferentescausas, como la delecin a;enmica en uno de los alelos

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

En el caso del EDS de tipo V, extremadamente raro yaque hay un nmero 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 provocara una disminucin enlos entrecruzamientos estabilizadores y, por lo tanto, unadisfuncin en las propiedades extensibles de las fibras decolgeno.

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 cinticas, cuya actividaden cultivo de fibroblastos se reduce del 2 al 50 % de laactividad normal. Ello se traduce en deficiencias en losentrecruzamientos en los que estn implicados los resi-duos de hidroxilisina. Independientemente del tipo dealteracin o mutacin que sufra la enzima, la conse-cuencia de esta deficiencia acarrea que el contenido encualquier tipo de colgeno sintetizado disminuya, aun-que de forma variable en distintos tejidos. La falta decorrelacin entre la actividad de la lisil hidroxilasa, elcontenido en hidroxilisina y la severidad del fenotipoobservada han hecho postular ciertas hiptesis. Por ejem-plo, se podran explicar estas discrepancias si existiesendiferencias especficas tisulares o mltiples formas de laenzima, o si la afinidad de la forma de enzima mutadapor varios sustratos o por concentraciones crticas de co-factores fuera distinta.

Las primeras observaciones sobre el EDS de tipo VII pu-sieron en evidencia una acumulacin anmala de la mo-lcula de procolgeno en piel y tendones. Ello apuntabahacia defectos en la conversin del procolgeno en col-geno. De hecho, la actividad de la procolgeno 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 enzimtica, son las mu-taciones en las cadenas proa, y proa, del colgeno detipo I el defecto molecular bsico. Est claro que muta-ciones en la cadena procx: originan una cadena de col-geno alterada, pNa, (I), que retiene la extensin N-ter-minal, que, en condiciones normales, debera sereliminada. El mantenimiento de esta extensin interfie-re en la fibrillognesis y en el entrecruzamiento, y provocala formacin de fibras anormales de colgeno. Aunqueson varias las mutaciones descritas en distintas posiciones,un ejemplo clarificador lo constituye la prdida total o par-cial en el exn 6 de las cadenas proa, y proa,. Como pa-radoja, en este caso una delecin trae como consecuen-cia la produccin de una protena ms larga que la normal,pero con unas propiedades funcionales alteradas. Estamutacin causa la eliminacin de un segmento de en-tre 18 y 24 aminocidos en la cadena polipeptdica,perdindose el sitio de reconocimiento de la procolge-no N-proteinasa y, adems, un residuo de Usina crtico para

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EL COLGENO, ;UN CEMENTO BIOLGICO QUE MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TISULAR?

el entrecruzamiento intermolecular. En algunos casos enlos que la mutacin 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 posicin que no es reco-nocida por el sistema enzimtico implicado en la forma-cin de entrecruzamientos, la lisil oxidasa. Todo elloapunta a que, en la forma mutante, la retencin de laparte que debe eliminarse desempea un papel crtico enla patognesis de esta enfermedad.

En el caso del EDS de tipo IX, las alteraciones bioqu-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 patologa se generapor las anormalidades detectadas en la homeostasis del co-bre, similar en algunos aspectos al sndrome de Menkes.Sin embargo, en contraste con los casos de sndrome deMenkes, las fibras elsticas no estn alteradas. Al reducirseel nivel srico del cobre, cofactor de la lisil oxidasa, se re-duce esta actividad enzimtica y la de otras enzimas norelacionadas con el metabolismo del colgeno, pero quetambin requieren cobre, como la dopamina-P-hidroxi-lasa. Por microscopa electrnica se ha observado que lasfibras de colgeno de la piel de los pacientes tienen un di-metro mayor y estn empaquetadas de forma ms densaque en los controles. Tambin, en pacientes donde sediagnostica EDS de tipo X, el defecto molecular prima-rio no se centra en la molcula de colgeno. En este casose ha descrito que las alteraciones en la fibronectina plas-mtica y celular podran ser las responsables de las anor-males propiedades de la piel y articulaciones de estos pa-cientes.

Otras formas de este sndrome son los casos espordi-cos descritos en pacientes con retraso mental o aquellos quetienen alterado el metabolismo de proteoglicanos, peroque clnicamente presentan adicionalmente los sntomasclsicos de la enfermedad de Ehlers-Danlos.

Osteognesis imperfecta

Antecedentes y caractersticas

La enfermedad debe su nombre a Lobstein y Vrolik,quienes describieron formas letales de esta patologa a fi-nales del siglo XVIII y principios del XIX. El estudio de al-gn esqueleto de momias egipcias ha permitido describiruna morfologa compatible con este sndrome. Adems,segn los relatos de la poca, parece que Ivar Benlos (si-glo XI), hijo del rey de Dinamarca, padeca la enfermedad.Asimismo, en Inglaterra, se ha encontrado un esqueleto delsiglo XVII con alteraciones que pueden corresponder a estapatologa.

La osteognesis imperfecta constituye otro grupo detrastornos hereditarios del colgeno de tipo I, caracterizadospor una fragilidad sea que predispone al paciente a su-frir fracturas despus de traumas mnimos y a padecer unadeformacin esqueltica progresiva (figura 13). Aunque el

Fig. 13.- Radiografa de un paciente con osteognesis imperfecta.Una de las caractersticas de la osteognesis imperfecta es la fragi-lidad sea que provoca fracturas seas y la deformidad de los huesos,

como se muestra en la figura.

principal tejido afectado es el seo (huesos cortos y claros),tambin estn alterados otros tejidos ricos en colgeno detipo I, como los ligamentos, tendones, fascia y dientes.La escoliosis torcica, deformacin de la pared torcica yde la columna vertebral, en la poblacin con osteogne-sis imperfecta, parece influir sobre la funcin pulmonary calidad de vida de los pacientes.

Tipos y defecto molecular

El defecto molecular se centra en alteraciones en la mo-lcula de colgeno de tipo I. Se han descrito alrededorde 50 mutaciones que afectan a los dos genes (COL1A1y COL1A2) del colgeno de tipo I en pacientes con osteo-gnesis imperfecta. Una de las caractersticas de esta pa-tologa es la gran variabilidad clnica con la que se pre-senta. Est asociada a un amplio espectro de fenotiposque varan 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 slo cuatro gru-pos o tipos, cuyas caractersticas se recogen en la tabla V.Los fenotipos varan segn la cadena de procolgeno queest afectada y de acuerdo con la naturaleza y la localiza-cin de la mutacin. En estos tipos de osteognesis im-perfecta (I-VI), el defecto molecular bsico radica en lasmutaciones de los genes de las cadenas de colgeno detipo I. En otros dos tipos adicionales de esta enfermedad(Vy IV), el defecto molecular no se centra en mutacionesen los genes de colgeno. La incidencia combinada de to-

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M.;1 ANTONIA LIZARBF IRACHF.TA

tipo

tipo 1

tipo II

tipo III

tipo IV

alteracin molecular

Alteraciones en cadenas prou del colgeno de tipo 1. El colgeno sesintetiza a partir del alelo normal, pero la cantidad de colgeno totalest reducida a la mitad. Formacin de fibras anormal.

Alteraciones en cadenas proa, (1) y proa,, (1). Reagrupamiento degenes de colgeno. Delecin de exones, delecin de un triplete ysustituciones de residuos de glicocola que afectan al dominio entriple hlice. Sustituciones y pequeas delecciones en regin delpropptido C-terminal.

Sustitucin de residuos de glicocola en proa, (1) y proa,, (1) y deleaonesde aminocidos [proa;(D] del dominio de triple hlice. Delecin de4 pares de bases del gen COL1A2 que imposibilita la incorporacinde la cadena proa2 (1) en la molcula de colgeno.Sustituciones de residuos de glicocola del dominio en triple hlicede las dos cadenas. Delecin de un triplete en la cadena proa- (1).

caractersticas clnicas

Leve. Fragilidad sea pero pocas deformidades y estatura normal.Esclerticas azules. Con frecuencia, sordera presenil.

Perinatal letal. En el periodo perinatal es letal por la anormalmineralizacin de la calvaria; fracturas y deformidad en huesos largos.Esclerticas oscuras. Es la forma ms severa.

Moderadamente severa. Deformacin progresiva de los huesos conmoderada deformidad del pecho. Esclertica normal o azul.Dentinognesis imperfecta. Crecimiento limitado, corta estatura.Prdida de audicin. Es una de las formas con ms variabilidad.

Deformidad sea de leve a moderada y estatura corta, fracturas.Esclertica normal. Dentinognesis imperfecta, prdida de audicin.

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 secrecin del colgeno sea un proceso lento. Ello pro-duce una inestabilidad de la molcula y una formacinde fibrillas defectuosa. En el hueso, aunque se incorporenun nmero reducido de las cadenas anormales, se produ-ce una alteracin del proceso de mineralizacin. En losanlisis morfomtricos de fibrillas de colgeno se haobservado que el dimetro de las fibras de colgeno detipo I se reduce considerablemente. De un valor mediode 73 nm, en los controles, pasa a 57 nm y 45 nm, en laosteognesis imperfecta de tipo I y II, respectivamente.Las fibrillas ms finas no seran capaces de producir sitiosde nucleacin para la propagacin mineral y podran de-sempear un papel importante en la fragilidad sea tpicade esta enfermedad. Los anlisis del contenido mineral yde la densidad sea, teniendo en cuenta el rea analizaday la edad de los pacientes, han mostrado una reduccin sig-nificativa en estos parmetros. Por tomografa compute-rizada, que permite determinar la densidad sea corticaly la trabecular, se ha observado que los bebes y nios conosteognesis imperfecta de tipo I poseen niveles bajos, enrelacin a los controles. Sin embargo, en adultos, la den-sidad sea cortical se eleva, lo que podra explicar el des-censo en la frecuencia de fracturas en individuos con estetipo de patologa con respecto a la etapa de niez.

La osteognesis imperfecta de tipo I presenta un feno-tipo relativamente leve y herencia dominante; esto con-cuerda con el hecho de que, si bien slo se producen la mi-tad del nmero normal de las molculas, stas sonnormales. Las mutaciones detectadas en el gen COL1AJ,que dan lugar a un alelo nulo, producen la terminacin pre-matura de la cadena proa,. As, las repercusiones de unamutacin que hace que no se exprese el producto gnicoson mucho menores que el efecto de los alelos negativosdominantes. Las consecuencias ms graves de la produc-cin de cadenas proa, estructuralmente defectuosas (en

comparacin con la no produccin de las mismas) son enparte un reflejo de la estequiometra del colgeno de tipo I,dos cadenas proa, y una proa,. Si una cadena proa, esanormal, tres de cada cuatro molculas de colgeno po-seern al menos una cadena defectuosa; en cambio, si unacadena proa, es defectuosa, slo una de cada dos molculasde colgeno estar afectada. Ello indica que el efecto delalelo murante est amplificado debido a la naturaleza po-limrica de la molcula de colgeno.

La forma de la enfermedad ms 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 hlice, producindosesustituciones 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 CL1A2 (G319V), producidas por mu-taciones puntuales contiguas. En los pocos casos estudiadosde osteognesis imperfecta de tipo III y IV, las mutacionesse localizan, normalmente, en el extremo N-terminal de lamolcula y, aunque el residuo que sustituye sea relativa-mente pequeo, como la serina, se origina la enfermedad.

Se estn evaluando distintos tratamientos, como la im-plantacin de varillas intramedulares, que disminuye lafrecuencia de produccin de fracturas. Estas implan-taciones se realizan con tcnicas quirrgicas que mini-mizan el trauma quirrgico y la desvascularizacin delhueso. Otro tratamiento clnico experimental es la admi-nistracin de pamidronato (un bisfofonato) a nios, queincrementa la densidad sea media y disminuye la tasade fracturas. Tambin se est analizando el efecto de lahormona del crecimiento en el metabolismo del calcio.

Epidermolisis bullosa

La asociacin estable entre la epidermis y la dermis seconsigue a travs de estructuras de unin que incluyen a

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El. COLGENO, UN CEMENTO BIOLGICO QUF. MANTIENE LA ARQUITECTURA Y PLASTICIDAD TLSULAR?

2

5

Desmosoma

O MembranaO o plasmticac c Lmina lcida i_Q Lmina densa(0 C(0 ^m E

/Citoesqueleto

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

\Filamentos intermedios

^ | Queratinas 5 y 14Cadherinas

Colgeno XVII

Colgeno IV

Dermispapilar

Fibras decolgeno

Fibras deanclaje

Placa deanclaje

ProteoglicanosElastina, Fibrillina

Colgeno Vil

Colgenos intersticiales(I, III y V)

Colgeno VI

Fig. 14.- Molculas y estructuras detectadas en los sitios de unin dermis-epidermis. Los queratmocitos bsales estn unidos a la dermis atravs 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 colgeno que forman parte de cada una de las estructuras. Mutaciones en varias molculas, en-tre ellas los colgenos 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 separacin de la dermis de la epidermis, con la consiguiente formacin 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 bsales a travs 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 heterogneo de al-teraciones cutneas, se caracteriza por la fragilidad de la piely la facilidad para que se formen ampollas. Frecuente-mente estas alteraciones estn asociadas a otras manifes-taciones extracutneas en tejidos con epitelio estratifica-do; entre otras, erosiones de la crnea y en el epitelio dela trquea. La epidermolisis bullosa se ha dividido en va-rias categoras clnicas, que incluyen las variantes simple,hemidesmosomal, juncional y distrfica. En cada uno deestos casos, la zona afectada, o la regin por donde se pro-duce la separacin dermis-epidermis, es diferente.

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

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

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

Condrodisplasias

En 1 878, Parrot acu el trmino 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 mecanismospatognicos por los que se altera el crecimiento del hueso.

Las condrodisplasias, de nomenclatura confusa y clasi-ficacin realmente compleja, son un conjunto de enfer-medades caracterizadas por alteraciones en la formacindel esqueleto durante el crecimiento. Por ello, se produ-cen deformaciones esquelticas y prdida de la propor-cin entre la longitud del tronco y la de los brazos y pier-nas. La severidad vara desde formas letales, incompatiblescon la vida, a formas tan benignas que son difciles dedetectar. Las principales alteraciones detectadas son lasmodificaciones que se producen en los componentes delcartlago de los huesos en crecimiento.

Las condrodisplasias son el resultado de la mutacin degenes cuyos productos defectuosos no permiten que trans-curra de forma correcta el proceso de osificacin endo-condral, responsable de la formacin de hueso. En con-diciones normales, clulas mesenquimales pocodiferenciadas se diferencian a condrocitos, las clulas delcartlago. Estas clulas producen las protenas de la matrizcartilaginosa que, posteriormente, se convertir en hueso.Para ello, el condrocito se diferencia a un fenotipo hiper-trfico, el cual altera y cambia la composicin y organi-zacin del cartlago. Esto permite la vascularizacin delcartlago y, adems, en esta remodelacin se forma el hue-so. Los colgenos de cartlago 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 decolgeno se han considerado como las potenciales res-ponsables de que los cambios cartlago-hueso no se pro-duzcan de forma adecuada. En la tabla III se recogen losgenes de colgeno en los que se han detectado mutacio-nes que generan esta patologa. Algunas de stas producenuna reduccin en la secrecin de colgeno de tipo II, elprincipal componente de la matriz cartilaginosa. Las mu-taciones en el colgeno de tipo X producen distorsionesen la zona hipertrfica, ya que la sntesis de este colgenoest limitada a esta regin.

Sndrome de Marfan

Uno de los ejemplos claros de patognesis gentica-mente heterognea lo constituye el sndrome de Marfan.Esta patologa lleva el nombre del doctor Antoine-Ber-nard Marfan (1858-1942), profesor de Pediatra en Parsque, en 1896, describi el caso de una nia de cinco aos

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

Los sntomas de sndrome de Marfan pueden ser leveso graves: es un modelo variable de anormalidades quepueden afectar al sistema esqueltico (huesos y ligamen-tos), al cardiovascular (corazn y vasos sanguneos), y pro-vocar trastornos oculares. La sintomatologa clnica sepuede manifestar al nacer o bien aparecer en la vida adulta.Es una enfermedad de carcter autosmico dominanteque tiene una incidencia de una de cada 10 000 personas.

Los individuos afectados presentan un aspecto caracters-tico, debido a las anormalidades esquelticas que padecen,siendo altos, delgados y con articulaciones hiperextensibles.Los brazos y las piernas suelen ser inusualmente largos enproporcin al torso. La espina dorsal puede presentar cur-vaturas (escoliosis) y el esternn puede sobresalir o pare-cer hundido. Los dedos son muy largos, con apariencia depatas de araa (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 apiamiento de los dientes. Losdefectos dentales no revisten gravedad alguna, y no dejande ser un inconveniente meramente esttico que puedecorregirse mediante ortodoncia. En algunos pacientes conesta enfermedad se ha descrito la fragmentacin de lasfibras elsticas de la aorta y una disminucin en el conte-nido en desmosina, reflejo de una deficiencia en los enla-ces de entrecruzamiento que estabilizan la fibra elstica.

El principal peligro para los pacientes se produce cuan-do se ve afectado el sistema cardiovascular. Las vlvulasdel corazn, grandes y blandas, son la causa de los soploscardacos y del murmullo del corazn. Se ha detectadotambin dilatacin de la aorta, aneurismas, diseccin dela aorta y alteraciones en las vlvulas cardacas y de la aor-ta. Los trastornos oculares afectan al 50 % de las personascon este sndrome, que presentan subluxacin o disloca-cin del cristalino; el cristalino est descentrado como re-sultado de un defecto en el ligamento de suspensin. Lamiopa es otro sntoma comn, independientemente de

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U i

Fig. 15.- Escultura de Abraham Lincoln. Considerando principal-mente el aspecto fsico de Abraham Lincoln, se ha sugerido quepudo sufrir el sndrome de Marfan. Esta enfermedad se asoci a unadisfuncin del metabolismo del colgeno pero, actualmente, el de-fecto molecular bsico se ha asociado a mutaciones en el gen de la

fibrillina-1, un componente de las fibras elsticas.

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

Defecto molecular

Hasta la dcada de los ochenta del siglo pasado, el de-fecto molecular del sndrome de Marfan se asociaba conanormalidades en la molcula de colgeno, ya que stese extraa fcilmente de tejidos afectados. Los primerosdatos del defecto molecular de esta patologa mostraronuna insercin mutacional en la cadena proa, del colgenode tipo I, lo que provoca la inclusin de alrededor de 25residuos en la regin en triple hlice (posiblemente porduplicacin de un segmento codificado) y conduce auna anormal estabilizacin de las fibras de colgeno porun entrecruzamiento anmalo. Otras alteraciones en lacadena proa, del colgeno de tipo I, como la sustitu-cin de la arginina 618 (que ocupa la posicin Y de untriplete) por un glutmico, tambin se propusieron comoresponsables de las alteraciones observadas. El incre-mento en la solubilidad del colgeno tisular se debe adeficiencias en el entrecruzamiento qumico estable delcolgeno. Tambin se detectaron alteraciones en otroscomponentes de la matriz extracelular, como los proteo-glicanos y los glicosaminoglicanos. Adems, todas estasalteraciones estaban asociadas a trastornos en los tejidoselsticos ya que, en algunos pacientes con esta enferme-dad, se observaron otros sntomas, como la fragmenta-cin de las fibras elsticas de la aorta y una disminucinen el contenido en desmosina, reflejo de una deficien-cia en los enlaces de entrecruzamiento que estabilizan la

fibra elstica. La heterogeneidad clnica de esta patolo-ga hizo que se considerasen a numerosos genes de pro-tenas de la matriz extracelular (elastina, fibronectina,genes de los colgenos de tipo I, II y III y de las cadenasproa, (V) y proa, (VI), y fibrillinas) como potencialescandidatos del defecto molecular bsico del sndromede Marfan.

Con los estudios y conocimientos sobre los compo-nentes de la fibra elstica, en 1991 se asoci el sndromede Marfan a deficiencias en un gen del cromosoma 15. Unagran variedad de mutaciones en el gen FBN1 seran lasresponsables de la enfermedad. Dependiendo del tipo y lo-calizacin de la mutacin, se podra explicar la distintagravedad que pueden revestir los sntomas. El gen FBN1codifica para un componente estructural mayoritario delas microfibrillas extracelulares elsticas, la fibrillina-1, uncomponente esencial de la fibra elstica responsable de laspropiedades biomecnicas de rganos 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 elsticas.En tejidos de personas afectadas por el sndrome de Mar-fan, la fibrillina escasea o es defectuosa, lo que provocaincapacidad para tolerar fuerzas normales de tensin. Eltejido pierde su elasticidad, se alarga y no recupera su ta-mao natural para satisfacer las necesidades y funciones delcuerpo. La dilatacin artica est asociada a la aparicinde fibras elsticas fragmentadas y la acumulacin de ele-mentos amorfos de la matriz. La alteracin de otra molculade la fibra elstica, la fibrillina-2, origina un fenotipo cl-nico diferente, solapado con los sntomas anteriores, el dela aranodactilia congnita contractural. Se postula que lafibrillina-2 sea la encargada de guiar la elastognesis y la fi-brillina-1, a su vez, la que proporcione el soporte estruc-tural.

Aunque la secuencia patognica responsable del colap-so mecnico de las paredes vasculares de la aorta an nose conoce bien, las modificaciones en la fibrillina-1 pue-den disminuir la capacidad de la pared elstica de los va-sos para soportar el estrs hemodinmico, al impedir elensamblaje microfibrilar. Tambin se ha propuesto quepuede existir un umbral crtico en el nmero de microfi-brillas funcionales necesarias para la correcta biomecni-ca de los tejidos.

BIBLIOGRAFA

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BORZA, D. B., NETZER, K. O., LEI

Propiedades Del Colageno

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