Em um sentido amplo, a matriz extracelular é o componente não celular que aparece em todos os tecidos e órgãos de organismos multicelulares. Geralmente é definida como uma rede tridimensional de macromoléculas que oferece suporte mecânico e bioquímico às células ao seu redor.

Os processos que ocorrem na matriz extracelular regulam várias funções celulares e estão envolvidos em vários processos fisiológicos e patológicos. Seu papel é fundamental no funcionamento do organismo.

Embora a composição e a estrutura sejam muito diferentes entre os diferentes seres vivos, e mesmo entre os diferentes tecidos, a matriz extracelular mantém funções comuns como a adesão celular, a comunicação célula-célula e a regulação da diferenciação, migração e maturação celular .

Componentes e estrutura da matriz extracelular

A matriz extracelular do corpo humano inclui:

  1. Matriz intersticial : é o espaço intercelular, o espaço que permanece entre algumas células e outras dentro de um tecido. É ocupado por uma espécie de gel aquoso de polissacarídeos e proteínas fibrosas , junto com outras moléculas nele dispersas, como eletrólitos, enzimas e transmissores químicos.
  2. Membrana basal : esta membrana, geralmente considerada parte do tecido epitelial , é formada por deposições de matriz extracelular , principalmente proteínas, e sobre ela repousam as células epiteliais.

Matriz extracelular em relação a um epitélio, um endotélio e tecido conjuntivo

A matriz extracelular de cada tecido possui características próprias. Eles podem ser tão diferentes quanto a matriz extracelular do tecido ósseo, que é dura e altamente mineralizada, ou o plasma sanguíneo, que possui uma matriz fluida (o sangue pode ser considerado um tipo de tecido, especificamente um tipo de tecido conjuntivo ).

Em alguns tecidos, como o tecido muscular e o tecido nervoso, a matriz extracelular adquire um alto grau de especialização funcional.

Composição

As substâncias e componentes da matriz extracelular são produzidos pelas chamadas células residentes , que geralmente são células diferenciadas e especializadas em cada tipo de tecido, por exemplo, os fibroblastos .

Entre as principais moléculas que podemos encontrar na matriz extracelular, destacam-se os glicosaminoglicanos e proteoglicanos , além de proteínas fibrosas como o colágeno ou a elastina .

Estrutura e composição da matriz extracelular em vários estados

1. Proteoglicanos e glicosaminoglicanos (GAGs)

Na matriz extracelular existem proteínas altamente glicosiladas conhecidas como proteoglicanos . A parte do carboidrato dessas moléculas são os glicosaminoglicanos , um tipo de polissacarídeo com função estrutural.

Os glicosaminoglicanos, também conhecidos como glicosaminoglucuronanos (IUPAC) ou mucopolissacarídeos , são longas cadeias de carboidratos formadas pela repetição de duas unidades de um amino-açúcar.

Com exceções como o ácido hialurônico, a maioria dos glicosaminoglicanos na matriz extracelular são ligados a proteínas na forma de proteoglicanos.

As moléculas de proteoglicano têm uma carga elétrica negativa líquida , que faz com que os íons de sódio (Na + ) adiram . Esses íons aumentam a pressão osmótica ajudando a reter água e manter a matriz extracelular hidratada.

Entre os glicosaminoglicanos mais proeminentes, temos o heparan sulfato, o condroitina sulfato e o queratan sulfato , presentes como proteoglicanos, e o ácido hialurônico , presente na forma livre.

Sulfato de heparana

O sulfato de heparana é um GAC que aparece em alta proporção como um proteoglicano. Os principais proteoglicanos de sulfato de heparan são perlecan , um proteoglicano específico da membrana basal, agrin e colágeno XVIII .

Proteoglicanos de heparan sulfato regulam processos envolvidos no desenvolvimento e migração celular, como angiogênese, embriogênese ou mesmo metástase tumoral.

Sulfato de condroitina

Os proteoglicanos de sulfato de condroitina contribuem para a resistência da cartilagem, tendões, ligamentos e paredes dos vasos sanguíneos , especialmente a aorta e outros vasos grandes. Ele também parece estar envolvido na neuroplasticidade.

Sulfato de queratana

Os proteoglicanos de queratina sulfato, ao contrário de outros glicosaminoglicanos, não contêm ácido urônico. Os sulfatos de queratina estão presentes especialmente em tecidos como a córnea e os ossos .

Ácido hialuronico

O ácido hialurônico é um glicosaminoglicano de matriz extracelular que não forma proteoglicanos . É composto por um polissacarídeo em que o ácido D-glucurônico e a N-acetilglucosamina se alternam.

O ácido hialurônico absorve e retém quantidades significativas de água , proporcionando aos tecidos a turgidez necessária para resistir à compressão e mantê-los hidratados.

O ácido hialurônico é encontrado em grandes quantidades na matriz extracelular de tecidos como a pele ou em articulações de suporte de carga.

Também faz parte do gel que ocupa o espaço intersticial e também pode ser encontrado aderido à superfície celular, onde é capaz de interagir com o receptor transmembrana CD44.

2. Fibras e proteínas

Colágeno

O colágeno é a proteína mais abundante da matriz extracelular , na verdade, é a proteína mais abundante em todo o corpo humano, principalmente presente nos tecidos duros . No osso, por exemplo, o colágeno representa até 90% das proteínas da matriz extracelular.

O colágeno adota uma estrutura fibrilar que sustenta as células residentes. Algumas doenças são devidas especificamente a alterações genéticas no colágeno, por exemplo, osteogênese imperfeita e epidermólise bolhosa.

Elastina

Se o colágeno fornece força, a elastina fornece elasticidade e permite que a matriz extracelular se estique, se necessário, e depois retorne ao seu estado original.

O conteúdo de elastina varia consideravelmente dependendo do tecido, sendo mais abundante onde é necessária maior elasticidade, por exemplo nos vasos sanguíneos, nos pulmões ou na pele.

A elastina é sintetizada principalmente por fibroblastos e células musculares. A falta de elastina está envolvida em doenças como cutis laxa ou síndrome de Williams.

Fibronectina

A fibronectina é um grupo de glicoproteínas com função fundamentalmente mecânica na matriz celular . Eles conectam células com fibras de colágeno, permitindo o movimento das células através da matriz extracelular.

Outras funções conhecidas da fibronectina são a retenção de plaquetas para promover a coagulação do sangue em caso de dano ao tecido que envolva sangramento.

Laminin

A laminina e seus vários tipos podem ser encontrados na lâmina basal de praticamente todos os animais. A laminina adota uma estrutura de rede, ao contrário do colágeno, que adota uma estrutura fibrilar.

A laminina está envolvida na adesão celular e na adesão de outros componentes da matriz extracelular, por exemplo, na ligação de colágeno e nidógenos , outras proteínas da lâmina basal.

Colágeno, laminina e nidógenos na estrutura da membrana basal

3. Nanovesículas extracelulares

Na matriz extracelular podem ser encontradas nanovesículas anteriormente descritas como exossomos, cujo conteúdo é muito diverso: proteínas, lipídios ou fragmentos de DNA e RNA .

Nanovesículas são atualmente consideradas componentes-chave da matriz extracelular. Entre suas funções, regulam o estado de ativação de macrófagos e regulam a proliferação e migração celular, embora seu mecanismo de ação não seja totalmente conhecido.

Funções gerais

A natureza e a composição da matriz extracelular conferem a ela muitas funções que geralmente podem ser descritas em:

  1. Médio
  2. Segregação de tecido
  3. Regulação da comunicação intercelular

Os fatores de crescimento podem ser retidos na matriz extracelular. Diante de certas alterações fisiológicas, as células da área liberam proteases que rompem a estrutura da matriz extracelular, liberando esses fatores de crescimento.

Isso permite uma ativação rápida e local de processos mediados por fatores de crescimento sem a necessidade de nova síntese desses mediadores químicos. Assim, a matriz extracelular intervém na regulação de todo o ciclo celular .

A formação da matriz extracelular é em si um processo essencial no crescimento, desenvolvimento e reparo do tecido , incluindo a cicatrização de feridas, e também está envolvida na fibrose e na invasão e metástase do câncer.

Esses processos não são exatamente conhecidos, mas sabe-se que as células estão aderidas à matriz extracelular e podem se mover por ela em um processo conhecido como durotaxia . A rigidez e elasticidade da matriz extracelular são essenciais na durotaxia.

A rigidez e elasticidade da matriz extracelular também afetam a expressão gênica , o que tem impacto nos processos de diferenciação e proliferação celular, não apenas em processos normais, mas também em processos neoplásicos e carcinogênicos.

Adesão celular à matriz extracelular

A adesão celular à matriz extracelular ocorre por meio dos chamados complexos de adesão , que podem ser de duas maneiras:

  • Adesão focal : as células são conectadas à matriz extracelular por meio de filamentos de actina.
  • Hemidesmossomos : as células estão conectadas à matriz extracelular por meio de filamentos de queratina intermediários. Eles são especialmente numerosos na fixação das células à membrana basal e são muito semelhantes aos desmossomos que ocorrem na fixação célula-célula.

Integrinas na adesão celular à matriz extracelular

A adesão célula-matriz é regulada pela expressão de integrinas na membrana celular. As integrinas podem se ligar a proteínas da matriz, como fibronectinas e lamininas, mas também a integrinas de superfície de outras células.

A união das células à matriz é um processo elementar em qualquer organismo multicelular. As integrinas não são simples âncoras mecânicas da matriz, mas são capazes de transmitir sinais para o interior da célula, por exemplo, de fatores de crescimento e citocinas.

O papel da rigidez e elasticidade

A matriz extracelular pode ter rigidez e elasticidade extremamente variáveis, desde o tecido mole do cérebro até o tecido duro do osso, e também pode mudar dentro do mesmo tecido dependendo do estado fisiológico.

O grau de rigidez está intimamente relacionado à concentração de colágeno e elastina , e é uma propriedade que regula inúmeras funções celulares envolvidas na migração, diferenciação, proliferação e morte celular .

  • Efeito na expressão do gene : não se sabe como ele é produzido, mas as propriedades mecânicas da matriz extracelular afetam o comportamento e a expressão do gene. As mudanças na rigidez e elasticidade da matriz extracelular são percebidas por meio dos complexos de adesão. Por meio das integrinas, as forças contráteis são transmitidas às fibras de actina-miosina do citoesqueleto. Este campo da biologia celular ainda é muito desconhecido.
  • Efeito na diferenciação celular : a diferenciação celular , um processo no qual um tipo de célula é transformado em outro tipo, é um processo muito complexo regulado por vários fatores. Em algumas circunstâncias, foi constatado que a rigidez e a elasticidade do tecido são fatores fundamentais; por exemplo, na diferenciação de células-tronco mesenquimais.
  • Durotaxis : Durotaxis é um processo de migração celular guiado por um gradiente na rigidez e elasticidade da matriz extracelular. Cada célula individual de um tecido tende a se mover em direção às áreas de maior rigidez. Complexos de adesão, incluindo integrinas e proteínas de sinalização, como PTK2, talína, vinculina ou várias GTPases, intervêm no mecanismo molecular, causando alterações na contratilidade da actomiosina no citoesqueleto.