Esquema general de la estructura molecular
Los proteoglicanos se diferencian radicalmente de la mayoría de las glicoproteínas convencionales por su composición química: la parte proteica representa alrededor del 5% de la masa, mientras que el 95% restante corresponde a largas cadenas de carbohidratos: los glucosaminoglicanos (GAG).
El elemento central de la molécula es la proteína central («core protein»), que consiste en una sola cadena polipeptídica (cuyo peso molecular puede variar considerablemente). Los glucosaminoglicanos se unen covalentemente a este núcleo proteico. Excepción importante: el ácido hialurónico nunca se une covalentemente a una proteína.
La unión de las cadenas de carbohidratos a la proteína ocurre en sitios estrictamente definidos:
- A través del grupo OH de los aminoácidos serina o treonina (se forma un enlace O-glucosídico).
- A través del grupo $NH_2$ de la asparagina (enlace N-glucosídico).
Un área de unión típica (usando la serina como ejemplo) incluye un trisacárido de enlace específico: Xilosa — Galactosa — Galactosa. A este ya se le adosa la larga cadena polisacárida, formada por unidades de disacáridos repetitivos (ácido hexurónico y aminoazúcar).
Agrecano: la base de la matriz cartilaginosa
El representante más conocido de los proteoglicanos es el agrecano. Es una molécula gigante que sirve como el principal componente estructural de la matriz del tejido cartilaginoso.
La proteína central del agrecano tiene una masa de aproximadamente 220 kDa y está dividida estructuralmente en tres dominios globulares: G1, G2 (en el extremo N-terminal) y G3 (en el extremo C-terminal). Las cadenas de carbohidratos se unen principalmente en la región entre los dominios G2 y G3. Una cantidad impresionante de GAG se une a dicha proteína:
- Alrededor de 100 cadenas de condroitín sulfato largo (constituyen la masa principal).
- Alrededor de 30 cadenas de queratán sulfato (ubicadas más cerca del extremo N-terminal, entre el dominio G2 y la zona de condroitín sulfatos).
Agregados supramoleculares
En la sustancia intercelular, los monómeros de agrecano no flotan solos. Se combinan en complejos supramoleculares colosales.
El eje central de dicho complejo es una larga fibra de ácido hialurónico. Alrededor de 100 moléculas de agrecano se unen a ella de forma no covalente (la interacción se realiza a través del dominio G1). Para evitar que esta construcción masiva se desintegre, se estabiliza adicionalmente con unas 100 moléculas de una pequeña proteína de enlace (link protein), que fija el agrecano al ácido hialurónico.
Como resultado, se forma un complejo gigante con un peso molecular superior a $200 \cdot 10^6$ Daltons, que se asemeja a un cepillo para lavar platos, donde el alambre es el ácido hialurónico y las cerdas son los monómeros de agrecano.
Funciones y papel fisiológico
La principal localización de los proteoglicanos es la sustancia intercelular de los tejidos que se someten constantemente a deformaciones mecánicas y cargas elevadas. Estos son los cartílagos articulares, discos intervertebrales, meniscos, ligamentos, tendones y la piel.
Debido a la gran cantidad de grupos cargados negativamente (sulfatos y carboxilos), los glucosaminoglicanos poseen una hidrofilia altísima: atraen y retienen firmemente el agua. Esto proporciona la función de amortiguación. Bajo presión mecánica, los proteoglicanos se comprimen, liberando parte del agua, y al eliminarse la carga, la recuperan instantáneamente, absorbiendo los impactos.
Proteoglicanos de las membranas basales
Un grupo importante aparte lo constituyen los proteoglicanos que contienen heparán sulfato (HSPG), los cuales son un elemento clave de las membranas basales.
Por su estructura, se dividen en dos variedades:
- HSPG de baja densidad (tienen un núcleo proteico grande multidominio y tres cadenas muy largas de heparán sulfato).
- HSPG de alta densidad (se distinguen por un núcleo pequeño y cuatro cadenas cortas de carbohidratos).
Las moléculas de HSPG son polianiones fuertes (tienen una carga negativa pronunciada). Debido a esto, crean una potente barrera de filtración electrostática en los glomérulos renales, la cual repela otras moléculas plasmáticas cargadas negativamente, impidiendo que penetren en la orina primaria.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué patologías están asociadas con defectos genéticos en la degradación de los glucosaminoglicanos?
Las enzimopatías hereditarias con alteración del metabolismo en el tejido conjuntivo incluyen las mucopolisacaridosis. Para las enzimopatías hereditarias se ha descrito el mecanismo: el defecto de una de las enzimas de la vía metabólica conduce a la acumulación de productos intermedios y a la deficiencia de los productos finales. En la lista de nosologías según la Resolución N.° 1416 se mencionan las mucopolisacaridosis de tipos I, II y IV.
Para recordar fácilmente el trisacárido en la región de unión de los GAG a la proteína, utilice la frase: «Xilófono de Gala y Gala» (Xilosa — Galactosa — Galactosa).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué la estatura de una persona es un par de centímetros mayor por la mañana que por la noche?
Durante el día, bajo la acción de la gravedad y al caminar, el agua es expulsada mecánicamente de los discos intervertebrales, estos se aplanan y la estatura disminuye. Por la noche, en posición horizontal, la carga desaparece y, debido a la alta hidrofilia de los proteoglicanos, el agua regresa a los discos, restableciendo su altura.
¿Qué aminoácido de la proteína central no participa en la unión de los GAG: serina, treonina, asparagina o alanina?
Alanina. Los glucosaminoglicanos se unen covalentemente solo a través de los grupos hidroxilo de la serina y la treonina (enlace O-glucosídico) o a través del grupo amino de la asparagina (enlace N-glucosídico).
¿Cuál es el significado funcional principal de los HSPG en los riñones?
Los proteoglicanos con heparán sulfato de la membrana basal glomerular actúan como un filtro electrostático. Al ser polianiones, previenen la pérdida de proteínas plasmáticas (las cuales también están cargadas negativamente) a través de la orina.
Qué más repasar sobre el tema
- Organización estructural de los dominios globulares G1, G2 y G3 de la proteína central del agrecano.
- Mecanismo bioquímico de interacción del dominio G1 con la proteína de enlace y el ácido hialurónico.
- Diferencias en la estructura de los proteoglicanos con heparán sulfato de alta y baja densidad.
- Estructura de las unidades disacarídicas repetitivas (ácido hexurónico + aminoazúcar) de varios GAG.
- El papel de los proteoglicanos en asegurar la interacción celular con la matriz extracelular.
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