La matrice extracellulare

La matrice extracellulare

Distinguiamo due tipi di ECM La matrice interstiziale dei tessuti connettivi La lamina basale Nella matrice interstiziale le molecole dell ECM circondano le cellule riempiendo gli spazi interstiziali intercellulari Nelle lamine basali le molecole di ECM sono deposte solo sulla superficie basale su cui sono si adagiano le cellule Mentre nella matrice interstiziale le molecole tendono a formare un lattice tridimensionale, la membrana basale si organizza invece in un piano Questa differente organizzazione è dovuta principalmente a differenze nell assembling delle molecole di collagene

MATRICE EXTRACELLULARE E un complesso miscuglio di proteine, glicoproteine e proteoglicani strutturali e funzionali, organizzati in un unica ultrastruttura tridimensionale tessuto-specifica. - variazioni della quantità relativa dei vari tipi di macromolecole - modo in cui esse si organizzano Diversità di forme e funzioni, adatte ai requisiti di ciascun tessuto Proteine strutturali e funzionali. (la distinzione non è più così netta)

Funzioni dell ECM Ruolo strutturale: - supporto per le cellule Regolazione divisione cellulare adesione motilità Sviluppo migrazione differenziamento Riserva di fattori di crescita Reciprocità dinamica Trasduzione del segnale molecole dell ECM recettori di superficie espressione genica

ECM come riserva di fattori di crescita Le molecole dell ECM: 1) Presentano questi fattori in maniera efficiente ai recettori della superficie cellulare 2) Proteggono i fattori di crescita dalla degradazione 3) Modulano la loro sintesi In questa maniera l ECM influenza le concentrazioni locali e l attività biologica di fattori di crescita. Questa caratteristica fa dell ECM un ottimo scaffold per il riparo e la ricostruzione di tessuti.

L ECM conferisce le proprietà meccaniche al tessuto Il COMPORTAMENTO MECCANICO di un tessuto è determinato da: STRUTTURA MOLECOLARE (scala nm) - quali molecole della matrice sono presenti - organizzazione delle molecole ACHITETTURA DELLA MATRICE (scala μm) - include la porosità FORMA E DIMENSIONI DEL TESSUTO (mm,cm) -include la struttura composita, costituita da varie unità architettoniche

MOLECOLE DELLA MATRICE EXTRACELLULARE Le principali molecole della matrice sono: 1. MOLECOLE POLISACCARIDICHE: GAG e PROTEOGLICANI 2. PROTEINE FIBROSE: -STRUTTURALI: COLLAGENE ed ELASTINA - ADESIVE: LAMININA e FIBRONECTINA Anche l ACQUA può essere considerata una molecola della matrice che contribuisce al comportamento meccanico del tessuto

PERCENTUALE in PESO O A O A O A A I Acqua Matrice inorganica PERCENTUALE in PESO SECCO I O Matrice organica P E C P C P C C P E Collagene Proteoglicani Elastina CARTILAGINE IALINA CARTILAGINE FIBROSA OSSO G Glicoproteine e altro

MATRICE EXTRACELLULARE proteoglicani acido ialuronico collagene proteoglicani Membrana plasmatica

Cellula Matrice Extracellulare MATRICE EXTRACELLULARE Le cellule sono in grado di. leggere i segnali della matrice Risposta cellulare sentire gradienti di segnali solubili e tradurli in specifiche risposte cellulari

Matrice extracellulare della cartilagine fibrille di collagene Responsabili della resistenza alla trazione e del mantenimento della forma. ~55-60% del peso secco proteine di legame Stabilizzano il legame non covalente dell aggrecano all acido ialuronico Condrociti Producono e mantengono l ECM della cartilagine 5% del volume Matrice extracellulare Denso network spugnoso. L acqua rappresenta il 65-80% Aggrecano Grossa molecola solubile, responsabile della resistenza alla compressione Acido ialuronico GAG. Filamento centrale. Fa da scheletro per l assemblaggio macromolecolare degli aggregati proteoglicanici

Collagene 25% delle proteine totali del corpo 3 catene polipeptidiche (α) Struttura a triplice elica, formano fibre Gly X- Y (X=pro, Y= idrossi-pro) Diverse combinazioni delle catene α Più o meno 15 tipi di collagene I, II, III sono fibrillari, flessibili

Collagene Resistenza alla trazione Pelle, tendini, legamenti, cartilagine, ossa, tessuti vascolari

Collagene Circa 25 diverse catene α, ognuna codificata da un diverso gene. - In tessuti diversi sono espresse combinazioni diverse di questi geni. I tipi principali di collagene nei tessuti connettivi sono il tipo I, II, III, V e IX. - Il tipo I è il principale tipo di collagene della pelle e dell osso e di gran lunga il più abbondante in tutto il corpo (rappresenta il 90% di tutto il collagene corporeo). -Il tipo II è il principale tipo di collagene della cartilagine -Il tipo III si trova nella pelle, vasi sanguigni e organi interni. - Il tipo V si trova in ossa, pelle, tendini, legamenti e cornea. - Il tipo IX si trova associato alla superficie delle fibrille nella cartilagine. I tipi IV e VII sono tipi di collagene che formano reti che polimerizzano a formare le membrane basali

Sintesi e fibrillogenesi del collagene Reticolo endoplasmatico rugoso 1.Sintesi della pro-catena α 2. Ossidrilazione della prolina e lisina e glicosilazione dell idrossilisina Membrana cellulare 3.Formazione della tripla elica (procollagene) Conversione del procollagene in collagene Assemblaggio e legame FIBRILLA FIBRA

Struttura del collagene Catena α Tripla elica Molecola di collagene Fibrilla di collagene con la tipica organizzazione sfalsata Fibrilla con tipico bandeggio osservabile al microscopio elettronico

Tipi di collagene Collagene fibrillare Tipo I, II, III, V, XI Queste molecole di collagene si strutturano in polimeri ordinati, le fibrille di collagene (10-300nm), che spesso si aggregano in fasci, le fibre di collagene (μm) Collagene associato a fibrille Tipo IX, XII Queste molecole di collagene legano le fibrille di collagene le une alle altre, e ad altre componenti della ECM Collagene che formano reti multistratificate Tipo IV,VII Le molecole di collagene IV formano reti che polimerizzano a formare le membrane basali,;vii si organizzano in strutture specializzate, fibrille di ancoraggio.

I collageni non strutturali associati alle fibrille (Tipo IX, XII) ne favoriscono l organizzazione Molecole meno flessibili Non subiscono digestione proteolitica Non si aggregano a formare fibrille Si aggregano invece con periodicità regolare alle fibrille di collagene (IX II cartilagine, cornea, corpo vitreo; XII I tendini altri tex)

Patologie del collagene Eccesso di collagene FIBROSI Fibrosi polmonare SOVRAPPRODUZIONE DI COLLAGENE I Fegato (alcoolismo) Arterie (aterosclerosi) Insufficienza di collagene OSTEOGENESI IMPERFETTA (Sindrome delle ossa fragili). Mutazione del collagene tipo I. Non viene assemblata la tripla elica. Il collagene degrada -> ossa fragili CONDRODISPLASIA. Mutazione del collagene tipo II EHLERS-DANLOS SYNDROME (uomo di gomma). Mutazione del collagene di tipo III. -Pelle e vasi molto fragili e tendini si allungano molto facilmente. Contorsionisti.

ELASTINA Molti tessuti, come cute, vasi sanguigni e polmoni, hanno bisogno di elasticità, oltrechè di resistenza alla trazione. Le FIBRE ELASTICHE assicurano la capacità di riprendere le loro dimensioni dopo un momentaneo allungamento. La componente principale delle fibre elastiche è l ELASTINA. Le molecole di elastina stabiliscono un gran numero di legami trasversali, formando una rete piuttosto estesa di fibre e di fogli. Le fibre elastiche sono composte da un nucleo centrale di elastina coperto da una guaina di MICROFIBRILLE. Le microfibrille sono costituite da diverse glicoproteine, tra cui la FIBRILLINA. SINDROME di MARFAN: causata da una mutazione nel gene della fibrillina. Colpisce i tessuti ricchi in elastina. L aorta, la cui parete è normalmente ricca di elastina, è suscettible di rottura

Glicosamminoglicani (GAG) 10% in peso, ma riempie molti spazi dell organismo Catena polisaccaridica non ramificata Unità disaccaridiche amminozucchero 4 gruppi ialuronato condroitin solfato, dermatan solfato eparan solfato, eparina cheratan solfato

Glicosamminoglicani (GAG) Acido ialuronico o ialuronato - Durante lo sviluppo serve a creare una spazio cell-free che consenta alle cellule di proliferare e di migrare al suo interno Nell adulto è presente in zone soggette a compressione Favorisce la migrazione di cellule durante la morfogenesi e durante i processi di riparazione dei tessuti Prodotto in grandi quantità nei processi di riparazione delle ferite Lubrificante nelle articolazioni

Disaccaride ripetuto Acido ialuronico Acido glucuronico + N-acetilglucosammina Condroitin solfato Acido δ-glucuronico + N-acetil δ galattosammina Eparan solfato δ-glucosammina (acido L- irudonico) + N-acetil δ galattosammina Cheratan solfato Acido δ-galattosio + N-acetil δ glucosammina

Proteoglicani I proteoglicani sono composti da catene di GAG legati covalentemente ad una proteina centrale H-C-CH 2 -O- H-N C=O Serina xilosio galattosio galattosio Acido glucuronico Tetrasaccaride di connessione A GAG B n Proteina centrale La proteina centrale varia notevolmente in peso molecolare (da 10.000 a più di 600.000 D) e varia per il numero e il tipo di catene GAG ad esso legate.

Proteoglicani Il proteoglicano AGGRECANO è il maggior componente della cartilagine L AGGRECANO presenta + di 100 catene di GAG, circa 1 ogni 20 aa Nell AGGREGANO, le catene di GAG sono principalmente costitute da condroitin solfato, e in minima parte da cheratan solfato unite ad una proteina di circa 3000 aa. Altri proteoglicani sono molto piccoli; la DECORINA, ad esempio presenta solo una catena di GAG.

Oltre ad associarsi tra di loro, GAG e proteoglicani si associano a proteine fibrose della matrice quali il collagene

Funzione dei proteoglicani Intrappolamento dell acqua Resistenza alla compressione Ritorno alla forma originale Creazione di spazi Legame alle fibre di collagene Formano una rete Nell osso, si combinano con l idrossiapatite di calcio e carbonato di calcio. Adesione cellulare Migrazione cellulare durante lo sviluppo embrionale Possono regolare l attività di fattori di crescita (quali FGF)

Proteoglicano Pm proteina Tipo di GAG N catene GAG Sede Funzione AGGRECANO 210000 CS+KS 130 Cartilagine Supporto meccanico DECORINA 40000 CS+DS 1 Sparso in tessuti connettivi Si lega alle fibrille di collagene I PERLECANO 600000 ES 2-15 Lamina basale Funzione strutturale e filtro nella lamina basale nel glomerulo renale SERGLICINA 20000 CS+DS 10-15 Vescicole secretorie globuli bianchi SINDECANO 32000 CS +ES 1-3 Fibroblasti e superficie delle cellule epiteliali BETAGLICANO 36000 CS+DS 1 Supeficie cellulare Contribuisce al compattamento delle molecole secretorie Recettori per il collagene, FN, etc; Adesione cellulare lega FGF Lega il TGF-beta

Patologie dei proteoglicani Nello sviluppo del cancro, vengono alterati sia il tipo e che la quantità di proteoglicani prodotti dalle cellule

Fibronectina Dimero Domini rigidi e flessibili segmento di legame alla cellula, RGDS arg-gly-asp-ser lega recettori di membrana α5β1,αvβ3 domini che legano eparan solfato, collagene, acido ialuronico

Funzioni della fibronectina adesione cellulare (α 5 β 1, α v β 3 ) Traccia per la migrazione - bloccando la fibronectina si vengono bloccati dei processi di migrazione che avvengono durante l embriogenesi - traccia per assoni e dendriti differenziamento lamina basale Sotto la pelle e tra gli organi nel sangue Per la coagulazione, legata alla fibrina

La morfogenesi negli animali avviene come risultato di migrazione direzionale di cellule La direzionalità implica l esistenza di meccanismi che dirigono la cellula alla loro destinazione finale Presenza di gradienti di concentrazione di molecole diffusibili (CHEMOTASSI) o di molecole di adesione della ECM (APTOTASSI) APTOTASSI È la migrazione delle cellule lungo un gradiente di adesione sul substrato.

Laminina Glicoproteina a forma di croce 3 polpeptidi α, β1, β2 carboidrati (13% del peso) domini di legame separati collagene IV eparina eparan solfato legame alla cellula legame a specifici tipi cellulari (fegato, nervi) Recettori sulla superficie cellulare α1β1,α1β2,α1β3,αvβ3

LAMININA Distribuzone della laminina durante lo sviluppo embrionale

FUNZIONI DELLA LAMININA Adesione cellulare Traccia per la migrazione Stimola la crescita degli assoni Sviluppo e rigenerazione differenziamento Lamina basale È la glicoproteina di legame più abbondante La laminina interagisce con altre molecole per costituire la lamina basale. Può avere composizione diversa in tessuti differenti.

Proteine di rimodellamento La matrice è soggetta a dinamici rimodellamenti sotto l influenza delle cellule che sono in contatto con essa. 2 classi di enzimi proteolitici METALLOPROTEASI dipendono dal legame di Ca 2+ o Zn 2+ per la loro attività (es. collagenasi) Inibitori tissutali delle metalloproteinasi (TIMP) SERIN-PROTEASI che possiedono una serina particolarmente reattiva nel loro sito catalitico (es. attivatore del plasminogeno di tipo urochinasi (U-PA) Inibitori delle serina proteasi, serpine

Organizzazione delle cellule in strutture superiori: i tessuti

Che cos è un tessuto? Generalmente, per TESSUTO si intende un insieme di cellule aventi la stessa forma, la stessa funzione e la stessa derivazione embrionale.

Nel corpo umano esistono più di 200 tipi di cellule Queste sono assemblate in una varietà di tipi di TESSUTI che vengono raggruppati in 4 grandi classi Tessuto connettivo Continuo di cellule e matrice Tessuto epiteliale Tessuto muscolare Tessuto nervoso Continuo di cellule Cellule adese a membrana basale

I tessuti si associano tra loro per formare ORGANI Gli organi si associano a loro volta per formare SISTEMI e APPARATI

TESSUTO CONNETTIVO: sintetizza l'ecm e ne mantiene la struttura comprese le strutture che collegano o fanno da supporto per altri tessuti. TESSUTO EPITELIALE: cellule allineate. Cellule secretorie. Continuum di cellule. Presenza di membrana basale. TESSUTO MUSCOLARE : contrazione. Continuum di cellule. Presenza di membrana basale TESSUTO NERVOSO : trasmissione di segnali elettrici. Continuum cellulare, membrana basale.

TESSUTO EPITELIALE E costituito quasi esclusivamente da cellule strettamente unite tra di loro, con l interposizione di una scarsissima sostanza intercellulare amorfa.

epiteli di rivestimento costituiti da cellule che formano una barriera che separa cavità interne o ambiente esterno all organismo dal tessuto connettivo

Principali funzioni dei tessuti epiteliali Protezione e isolamento Scambio di sostanze fra ambiente e tessuti Produzione di secrezioni specializzate (cellule ghiandolari)

caratteristiche generali dei rivestimenti epiteliali sono costituiti da uno o più strati di cellule che formano una barriera con proprietà specifiche hanno sempre una superficie libera esposta verso l ambiente esterno o verso una cavità o un condotto sono costituiti da cellule fittamente stipate e da scarso materiale extracellulare sono privi di vascolarizzazione poggiano sempre su una membrana basale che li separa dal tessuto connettivo

negli epiteli, le cellule hanno un preciso orientamento; è pertanto possibile indicare con un nome preciso le loro varie parti lato apicale lume dell organo superfici laterali lato basale lamina basale

Polarità delle cellule epiteliali Di solito, queste cellule mostrano una polarità lungo l asse che si estende dalla membrana basale alla superficie libera La polarità consiste nella distribuzione asimmetrica di organelli e di specializzazioni di membrana

le cellule epiteliali spesso possiedono una polarizzazione funzionale, rivelata dalla distribuzione asimmetrica di organelli Superficie apicale libera provvista di microvilli o ciglia apicale laterale nucleo dislocato in sede basale basale Golgi in posizione intermedia e vescicole di secrezione accumulate all apice della cellula laterale lamina basale RER e mitocondri in sede basolaterale

classificazione degli epiteli in base alla stratificazione Semplici o monostratificati Composti o pluristratificati Pseudostratificati

EPITELIO SEMPLICE o MONOSTRATIFICATO Endotelio dei vasi, cavità del corpo Dotti e ghiandole Rivestimento tubo digerente

EPITELIO PSEUDOSTRATIFICATO Vie respiratorie

TESSUTO EPITELIALE COMPOSTO o PLURISTRATIFICATO Costituito da più strati di cellule Rivestimento apparato urinario Esofago Epidermide

classificazione degli epiteli in base alla morfologia delle cellule pavimentosi o squamosi cubici o isoprismatici cilindrici o colonnari o batiprismatici

Epitelio pavimentoso semplice Cellula epiteliale Membrana basale Connettivo

EPITELIO PAVIMENTISO SEMPLICE o SQUAMOSO Strato sottile di cellule. Regola la filtrazione e la diffusione attraverso la parete. Riveste le cavità del corpo e costituisce la parete dei vasi (endotelio) e gli alveoli dei polmoni.

LOCALIZZAZIONE Epitelio ghiandolare Epitelio cubico semplice Pancreas, tiroide, salivari Dotti ghiandolari Tratti delle vie urinarie

EPITELIO CUBICO Non permette la diffusione passiva, ma può avere attività secretoria. Lo troviamo in alcuni tratti dell apparato escretore, tiroide, ovaio.

questo schema mostra come le cellule non siano, in realtà, cilindriche ; il termine prismatico è forse più corretto. epitelio cilindrico semplice

EPITELIO CILINDRICO Le cellule, molto alte, non consentono la diffusione passiva. Queste cellule, che rivestono l'intestino, trasportano attivamente nutrienti dall'intestino al sangue. Questo processo viene chiamato "assorbimento ". A tal fine, esse sono dotate di microvilli che ne aumentano l area di superficie per un maggior assorbimento.

Epitelio pavimentoso pluristratificato è la morfologia degli strati più superficiali che fa definire questo epitelio pavimentoso

Epitelio pavimentoso pluristratificato caratteristiche Robusto: si trova dove le sollecitazioni meccaniche sono severe Gli strati superficiali vengono eliminati con l accrescimento degli strati profondi

Epitelio pavimentoso stratificato Epidermide (cheratinizzato) Mucose (non cheratinizzato) Bocca Faringe Esofago Vagina Retto localizzazione E. cheratinizzato (pelle). Nelle regione esposte all aria le cellule superficiali perdono i nuclei e si trasformano in squame corneificate di cellule morte. E. non cheratinizzato (mucose). Nelle regioni bagnate le cellule superficiali non perdono in nuclei e sono vive

EPITELIO PAVIMENTOSO STRATIFICATO: ESOFAGO Le cellule più esterne conservano i nuclei, al contrario delle cellule esterne dell epidermide.

Le cellule dello strato basale (più vicine al derma) sono cuboidali o cilindriche. Queste cellule si dividono attivamente, producendo nuove cellule che passano negli strati superiori. Man mano che vengono spinte negli strati superiori, diventano più appiattite e lunghe, assumendo la tipica forma delle squame. Quando le cellule raggiongono la superficie, vengono rimosse e sostituite da cellule degli strati sottostanti. epitelio cheratinizzato (epidermide) strato germinativo strato spinoso strato dei granuli strato corneo

Rigenerazione a partire dallo strato germinativo Questa cellula è stata sorpresa nell atto di dividersi. Sono visibili i cromosomi in via di allontanamento dalla piastra equatoriale (anafase)

Strato germinativo Cellule germinative, adese alla membrana basale, provvedono al ricambio degli epiteli

epitelio di transizione Il numero di strati varia in relazione allo stato funzionale dell organo per esempio, lo spessore dell epitelio della vescica urinaria diminuisce con il riempimento di quest ultima

Epitelio cubico stratificato Raro: protezione, secrezione, assorbimento Dotto di ghiandola sudoripara

Ciglia e microvilli

epitelio ciliato

cilia in sezione trasversale

Tratto espanso Piastra basale Corpo basale Radichette ciliari ciglio le ciglia sono estroflessioni citoplasmatiche dotate di motilità propria; il battito sincrono delle ciglia provoca lo scorrimento di fluidi lungo la superficie epiteliale

un esempio di epitelio: il rivestimento dell intestino tenue i microvilli intestinali sono costituiti da un asse connettivale rivestito da epitelio

microvilli

microvilli in sezione trasversale

microvilli i microvilli sono immobili; il loro scopo è di aumentare la superficie di assorbimento dell epitelio

Per lo sviluppo di tessuti epiteliali È neccessario: - un supporto LAMINA BASALE - la possibilità di connettersi e comunicare con le cellule adiacenti Adesione alla lamina basale GIUNZIONI desmosomi (adesione meccanica) gap-junctions (canali: stesso livello di informazione metabolica)

Le cellule epiteliali sono tenute insieme da una serie di giunzioni situate vicino la loro superficie apicale e da altre strutture tra le superfici laterali. Le giunzioni danno al foglietto la forza meccanica e lo rendono impermeabile alle piccole molecole. FUNZIONE Sigilla gli interstizi tra cellule contigue e impedisce il passaggio di molecole tra l una e l altra Unisce i fasci di actina di una cellula a fasci analoghi di un altra (CADERINE) Salda a bottone ancorando i robusti filamenti di una cellula a quelli della cellula adiacente (CADERINE) Stabilisce comunicazioni cellulacellula lasciando passare ioni e piccole molecole (CONNESSINE) Ancora i filamenti intermedi di una cellula alla lamina basale (INTEGRINE)

LA MEMBRANA BASALE DEGLI EPITELI Il microscopio elettronico ha dimostrato che le MEMBRANE BASALI si trovano in quei punti dove le cellule epiteliali vengono in contatto con il tessuto connettivo sottostante. Tra epidermide e derma Al di sotto degli endoteli dei capillari Alla base degli epiteli che tappezzano il lume degli apparati digerente, respiratorio, riproduttivo e urinario

LA MEMBRANA o LAMINA BASALE funzioni -Separa cellule e foglietti epiteliali dal connettivo sottostante -Determina la polarità delle cellule -Influenza il metabolismo cellulare -Organizza le proteine presenti nella membrana plasmatica -Induce differenziamento cellulare -Serve come via preferenziale per la migrazione cellulare -Viene sintetizzata in gran parte dalle cellule che vi si appoggiano

LA MEMBRANA BASALE nella rigenerazione tessutale Gioca un ruolo importante nella rigenerazione dei tessuti dopo un danno. Fornisce un impalcatura lungo la quale le cellule in rigenerazione possono migrare. L architettura del tessuto originale è rapidamente ricostituita. La sua composizione chimica si modifica dopo un danno; per es. aggiunta di fibronectina che induce la migrazione cellulare necessaria per la riparazione della ferita