February 20, 2017 | Author: Sandra Muñoz Zuñiga | Category: N/A
Biología, células, química, elementos de estudio del cuerpo humano...
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA COORDINACIÓN Y DIRECCIÓN CIENTÍFICA Amando Garrido Pertierra Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular. Doctor en Ciencias Químicas y Farmacia. Universidad Complutense de Madrid. Académico de la Real Academia de Doctores y de la Real Academia de Farmacia.
José Mª Teijón Rivera Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular. Catedrático de Física y Química de I.B. Doctor en Ciencias Químicas. Universidad Complutense de Madrid.
AUTORES Amando Garrido Pertierra Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular. Doctor en Ciencias Químicas y Farmacia. Universidad Complutense de Madrid. Académico de la Real Academia de Doctores y de la Real Academia de Farmacia. Carmen Villaverde Gutiérrez Catedrática de Fisiología. Doctora en Medicina y Cirugía. Escuela Universitaria de Ciencias de la Salud. Universidad de Granada. Mª Dolores Blanco Gaitán Profesora Titular de Universidad de Bioquímica y Biología Molecular. Doctora en Ciencias Biológicas. Universidad Complutense de Madrid.
José Mª Teijón Rivera Catedrático de Bioquímica y Biología Molecular. Catedrático de Física y Química de I.B. Doctor en Ciencias Químicas. Universidad Complutense de Madrid. Carlos Mendoza Otras Catedrático de Ciencias Fisiológicas. Doctor en Ciencias Biológicas. Escuela Universitaria de Ciencias de la Salud. Universidad de Granada. Jesús Ramírez Rodrigo Profesor de Bioquímica y Fisiología. Doctor en Ciencias Biológicas. Escuela Universitaria de Enfermería de Ceuta. Universidad de Granada.
COLABORADORES Ramón Bordes González Catedrático de Bioquímica. Doctor en Ciencias Químicas. E.U. de Ciencias de la Salud. Universidad de Granada. Francisco Javier Calderón Montero Profesor Titular de Fisiología. Doctor en Medicina y Cirugía. INEF. Madrid. Fernando de Jesús Franco Profesor Titular de Farmacología. Doctor en Farmacia. Universidad Alfonso X el Sabio. Madrid. Rosa Olmo López Profesora de Bioquímica y Biología Molecular. Escuela Universitaria de Enfermería y Fisioterapia. “San Juan de Dios” integrada en la Universidad Pontificia de Comillas. Doctora en Ciencias Químicas (Bioquímica).
César Teijón López Profesor de Bioquímica y Biología Molecular. Doctor en Medicina y Cirugía. Colaborador Honorífico Dpto. de Bioquímica. Universidad Alfonso X El Sabio. Madrid. Ricardo Ruiz Villaverde Doctor en Medicina y Cirugía. Facultativo Especialista del Complejo Hospitalario de Jaén. Jesús Javier Rojo González Profesor Titular de Anatomía. Doctor en Medicina y Cirugía. INEF. Madrid.
Belén Castel Segui Médico Adjunto del Hospital Universitario San Dureta. Palma de Mallorca.
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Datos de catalogación bibliográfica: FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA 3ª edición Amando Garrido Pertierra José María Teijón Rivera EDITORIAL TÉBAR, S.L., Madrid, año 2006 ISBN digital: 978-84-7360-459-8 Materias: 577, Bioquímica Formato: 165 × 240 mm
Páginas: 422
www.editorialtebar.com
Todos los derechos reservados. Queda prohibida, salvo excepción prevista en la Ley, cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública y transformación de esta obra sin contar con la autorización expresa de Editorial Tébar. La infracción de estos derechos puede ser constitutiva de delito contra la propiedad intelectual (arts. 270 y siguientes del Código Penal). Fundamentos de Bioquímica Metabólica 3ª edición 2009 © 2006 Editorial Tébar, S.L. C/ de las Aguas, 4 28005 Madrid (España) Tel.: 91 550 02 60 Fax: 91 550 02 61
[email protected] www.editorialtebar.com ISBN digital: 978-84-7360-459-8 Depósito legal: Diseño editorial: Rebeca Irazábal Diseño de portada: Omega Estudio Gráfico
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Prólogo La Ciencia avanza, por una parte con nuevos conceptos y teorías y, por otra, con la invención de nuevos métodos e instrumentos. El afán y la curiosidad natural de los hombres por conocer la naturaleza de los seres vivos les llevó, desde los albores de su existencia, a la observación directa de los organismos enteros y sus partes más visibles y, en la mayoría de las ocasiones, se ayudaban de materiales que utilizaban en sus tareas domésticas como cuchillos y tijeras. Siglos después, la invención y el desarrollo del microscopio permitió estudiar los tejidos y establecer el hecho general de que todos los seres están formados por un gran número de unidades vivas denominadas células y surgió la teoría celular. Estas observaciones aunque importantes no proporcionaron respuestas a cuestiones fundamentales como ¿qué sustancias componen los seres vivos? y ¿cómo obtienen los organismos la energía y la utilizan para manifestar las propiedades de la vida? Las respuestas a estas preguntas se encuentran en la Bioquímica. La Bioquímica es una ciencia que estudia los seres vivos a nivel molecular. Uno de sus objetivos es el aislamiento de compuestos de los seres vivos y la determinación de sus estructuras; esto es, un tipo de microanatomía que dilucida la estructura a la diminuta escala molecular. Por ello su desarrollo ha estado muy condicionado a la invención y desarrollo de nuevas técnicas e instrumentos. Éstos han permitido a esta ciencia identificar las moléculas que constituyen los organismos, las reacciones que transforman unas sustancias en otras y los procesos que les permiten desarrollar las actividades vitales. De esta forma, la descripción y el estudio de la inmensa mayoría de los procesos vitales pueden expresarse mediante conceptos, métodos y procedimientos bioquímicos. Se ha comprobado que a nivel molecular no hay grandes diferencias entre los organismos y ello ha dado lugar a la teoría de la unidad bioquímica de la vida. En los últimos años la utilización de refinadas técnicas moleculares ha permitido caracterizar la naturaleza del material hereditario. Los estudios sobre los genomas de los organismos han refrendado la utilización de moléculas para describir los
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procesos de la vida, su evolución y su variedad. El conocimientos de los genes, su descripción y, sobre todo, su comprensión está posibilitando entender los aspectos morfológicos, la evolución de las especies, el comportamiento de sus productos y la función y disfunción de ellos. Además está permitiendo controlar el desarrollo y la diferenciación de los órganos, el metabolismo y proliferación de las células y, lo que es muy importante, descifrar la causa y el origen de muchas enfermedades. Con la idea de facilitar la comprensión de dichos procesos y mecanismos vitales a los estudiantes de las licenciaturas y diplomaturas de Ciencias de la Salud y, basado en la experiencia como profesores de la materia, han surgido estos libros de Bioquímica. El primero se dedica a los aspectos estructurales y en él se describen las sustancias, sus propiedades y las funciones que realizan en el organismo; en el segundo se tratan los aspectos metabólicos, y en él se estudian las transformaciones de las sustancias las cuales sirven para el funcionamiento normal del organismo. Al inicio de cada tema se incluye una pequeña introducción que fija el (o los) objetivo(s) a cumplir y, al final, un resumen que repasa los conceptos más importantes y un apartado dedicado a aplicaciones clínicas en el que se describen algunos casos prácticos relativos al contenido del mismo. Los autores desean expresar su agradecimiento a todos los que han participado en la elaboración de la obra. Las críticas, sugerencias y comentarios acerca de los contenidos de la misma serán bien recibidos y tenidos en cuenta en ediciones posteriores. Queremos agradecer la magnífica labor editorial desarrollada por Beatriz Heras de Editorial Tébar, y la excelente maquetación de Rebeca Irazábal.
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Índice Tema 1:
Metabolismo ...................................................................... Introducción al metabolismo ................................................. Reacciones catabólicas y anabólicas: etapas ......................... El flujo de energía en las células ........................................... La localización de las rutas metabólicas en la célula ............. Regulación del metabolismo ................................................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
13 13 14 16 17 18 19 19
Tema 2:
La ruta glucolítica ............................................................. La ruta glucolítica ................................................................. Las rutas de los átomos de carbono, la de la energía y la de los electrones ............................................................. Rutas afluentes de la glucolítica ............................................. La regulación de la glucólisis ................................................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
21 21 27 28 30 31 31
Tema 3:
El ciclo de Krebs ............................................................... La reacción del complejo piruvato deshidrogenasa ............... El ciclo de Krebs: reacciones y regulación ............................. Reacciones anapleróticas ...................................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
33 33 37 40 42 43
Tema 4:
La ruta de las pentosas fosfato ...................................... La ruta de las pentosas fosfato .............................................. Etapa I .................................................................................. Etapa II ................................................................................. Rendimiento energético ........................................................ Regulación de la ruta ............................................................ Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
45 45 45 46 49 51 51 52
Tema 5:
Gluconeogénesis Glucogénesis-glucogenólisis ............ Gluconeogénesis ................................................................... Regulación de la ruta gluconeogénica ................................... Glucogénesis y glucogenólisis ................................................ Los ciclos de substrato .......................................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
53 53 57 59 65 67 67
Tema 6:
Metabolismo Lipídico ....................................................... Digestión, movilización y transporte de los lípidos ................ E-oxidación de los ácidos grasos ........................................... Rendimiento energético de la oxidación de los ácidos grasos ............................................................................. Control de la oxidación de los ácidos grasos ......................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
71 71 75 81 86 88 89
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Tema 7:
Tema 8:
Formación de cuerpos cetónicos. Cetosis o cetogénesis .................................................................. Formación de cuerpos cetónicos. Cetosis o cetogénesis ........ Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
91 91 96 97
Biosíntesis de ácidos grasos ........................................... Biosíntesis de ácidos grasos .................................................. Biosíntesis de ácidos grasos saturados a partir de Acetil-CoA ...................................................................... El complejo ácido graso sintasa ............................................ Control de la síntesis de ácidos grasos .................................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
100 110 111 113 113
Metabolismo de acilgliceroles y esfingolípidos ........... Metabolismo de triacilgliceroles ............................................. Hidrólisis y movilización de triacilgliceroles ........................... Metabolismo de glicerofosfolípidos ........................................ Metabolismo de esfingolípidos .............................................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
115 115 117 118 123 126 127
Tema 10: Metabolismo del colesterol ............................................. Biosíntesis del colesterol ........................................................ Transporte y excreción de colesterol ...................................... Regulación de la biosíntesis de colesterol .............................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
129 129 132 133 134 135
Tema 11: Metabolismo de los derivados del colesterol ............... Síntesis de hormonas esteroideas .......................................... Síntesis de ácidos biliares ...................................................... Circulación enterohepática de las sales biliares ..................... Síntesis de vitamina D ........................................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
137 137 139 141 141 142 143
Tema 12: Lipoproteínas ..................................................................... Lipoproteínas ........................................................................ Receptores de lipoproteínas .................................................. Metabolismo de las lipoproteínas .......................................... Regulación de los depósitos de colesterol en el organismo .... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
145 145 147 148 153 155 156
Tema 13: Aspectos bioquímicos de la nutrición ........................... Requerimientos proteicos de la dieta ..................................... Digestión de las proteínas. Activación de enzimas proteolíticas .................................................................... Absorción de péptidos y aminoácidos ................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
157 158 160 164 165 166
Tema 14: Degradación de los aminoácidos ................................... Transaminación y degradación oxidativa .............................. Destino de los esqueletos carbonados de los aminoácidos .... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
169 169 173 190 191
Tema 15: Excreción del nitrógeno proteico ................................... Excreción del nitrógeno proteico ........................................... Ciclo de la urea ..................................................................... Conexión entre el ciclo de la urea y el ciclo de Krebs ............
193 193 196 198
Tema 9:
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99 99
Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
198 199
Tema 16: Biosíntesis de aminoácidos ............................................. Biosíntesis de amioácidos no esenciales ................................ Biosíntesis de amioácidos esenciales ..................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
203 203 208 215 216
Tema 17: Biosíntesis de porfirinas .................................................. Biosíntesis de porfirinas y del grupo hemo ............................ Regulación ............................................................................ Formación de pigmentos biliares ........................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
217 217 220 221 223 223
Tema 18: Metabolismo de los nucleótidos: biosíntesis y degradación ........................................................................ Digestión de purinas y pirimidinas: vías de recuperación o salvamento ..................................................................... Biosíntesis de novo de los nucleótidos de purina .................. Biosíntesis de novo de nucleótidos de pirimidina .................. Síntesis de desoxirribonucleótidos ......................................... Biosíntesis de los desoxirribonucleótidos de timina ............... Degradación de purinas: síntesis de ácido úrico .................... Degradación de pirimidinas .................................................. Fármacos anticancerosos que bloquean las vías de biosíntesis de nucleótidos ............................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
225 226 228 234 237 242 243 246 246 249 251
Tema 19: Integración del metabolismo en mamiferos ................. Absorción, transporte y regulación ........................................ Bases bioquímicas de la nutrición ......................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
255 255 261 266 267
Tema 20: Características metabólicas de los principales órganos ............................................................................... Hígado .................................................................................. Cerebro ................................................................................. Corazón ................................................................................ Riñón .................................................................................... Músculo esquelético .............................................................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
269 269 272 273 273 273 276 276
Tema 21: La regulación hormonal del metabolismo .................... La acción de las hormonas ................................................... Hormonas activas en la superficie celular ............................. Receptores ............................................................................ Segundos mensajeros ............................................................ Hormonas activas en el interior de la célula .......................... Efectos biológicos .................................................................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
279 279 280 280 282 282 283 285 286
Tema 22: Estructura de cromosomas y genes ............................... Cromosomas ......................................................................... Genes ................................................................................... ADN: estructura y propiedades ............................................. Mutaciones ............................................................................ Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
289 289 292 293 296 299 300
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Tema 23: Replicación y transcripción del ADN ............................ Replicación del ADN ............................................................. ADN polimerasas .................................................................. Transcripción ......................................................................... Polinucleótido fosforilasa ....................................................... Transcriptasa inversa y replicasas .......................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
301 301 308 311 316 316 317 318
Tema 24: Síntesis de proteínas ........................................................ Ribosomas ............................................................................ Activación de aminoácidos ................................................... Iniciación y ciclo de elongación ............................................. Inhibidores de la síntesis de proteínas ................................... El código genético ................................................................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
321 322 323 325 329 330 333 334
Tema 25: Tecnología de ADN recombinante ................................. Fundamentos de la clonación ............................................... Vectores de clonación ........................................................... Estrategia de la clonación ..................................................... Aplicaciones a las ciencias médicas ....................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
337 337 341 346 350 351 352
Tema 26: Regulación de la expresión génica ................................. El modelo del operón ........................................................... Genomas eucarióticos ........................................................... Proteínas reguladoras de la transcripción .............................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
353 353 357 361 364 365
Tema 27: Introducción a la inmunología molecular ..................... Sistema Inmunitario .............................................................. Inmunoglobulinas: estructura y función ................................. Clases de inmunoglobulinas .................................................. Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
367 367 376 378 380 382
Tema 28: Estructura molecular del músculo ................................. Estructura de la fibra muscular esquelética ............................ Estructura molecular del músculo esquelético ....................... Mecanismo de la contracción muscular ................................. Control de la contracción muscular por calcio ....................... El músculo cardíaco .............................................................. El músculo liso ...................................................................... Fuentes de energía en el músculo ......................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
383 383 384 386 389 392 393 395 396 397
Tema 29: Estructura y función del nervio ...................................... Estructura y función del nervio ............................................. Sinapsis y neurotransmisores ................................................ Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
399 399 405 410 411
Tema 30: Bioquímica de la visión ................................................... Fotorreceptores ..................................................................... Resumen ............................................................................... Aplicaciones clínicas ..............................................................
413 413 419 419
Bibliografía ...........................................................................................
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TEMA 1
Metabolismo
Introducción al metabolismo. Reacciones catabólicas y anabólicas: etapas. El flujo de energía en las células. La localización de las rutas metabólicas en la célula. Regulación del metabolismo.
En la bioquímica estructural hemos examinado las propiedades y estructura de las moléculas que constituyen las células. En esta parte, Bioquímica metabólica, vamos a estudiar cómo interaccionan esas moléculas para originar y mantener la propiedad que denominamos vida. Para ello, las células realizan un conjunto de reacciones catalizadas por enzimas que se denomina metabolismo. Estas reacciones se llevan a cabo de forma constante desde la absorción de nutrientes, su degradación para obtener energía, la utilización de ésta, la síntesis de nuevos componentes y la liberación de productos de deshecho. Todos estos procesos los realiza la célula manteniendo un equilibrio dinámico, autorregulándose y cumpliendo con el principio de máxima economía.
INTRODUCCIÓN AL METABOLISMO El metabolismo se puede definir como el conjunto de reacciones catalizadas enzimáticamente que tienen lugar en la célula viva. En él se pueden distinguir cuatro funciones específicas:
El metabolismo es el conjunto de reacciones que tiene lugar en las células vivas.
1. Obtener la energía química de los nutrientes. 2. Transformar las moléculas de los nutrientes en unidades constitutivas o sillares, precursores de los componentes macromoleculares de las células. 3. Unir o ensamblar los sillares en proteínas, ácidos nucleicos y lípidos, polisacáridos y otros componentes celulares. 4. Sintetizar y degradar las biomoléculas con funciones especializadas.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Estas funciones no se realizan de forma aislada o independiente sino de forma coordinada y organizada. Cada orgánulo o subunidad celular posee funciones específicas para establecer y mantener la vida de la célula. Así, algunas están comprometidas en generar energía para la absorción de sustancias nutritivas, otras en la movilidad celular o en la síntesis de biomoléculas. En los organismos superiores, como el hombre, existen determinadas células o tejidos especializados en funciones como los glóbulos rojos para el transporte de oxígeno, las células musculares para la locomoción, las células glandulares endocrinas para la secreción de hormonas y las células nerviosas (neuronas) para la coordinación intercelular. Las secreciones metabólicas están controladas con precisión por sistemas intrínsecos y extrínsecos, estrechamente interrelacionados. El estado dinámico del metabolismo y sus mecanismos reguladores son las características más excepcionales de la vida, por ello su comprensión es primordial en el entendimiento e interpretación de los procesos vitales.
REACCIONES CATABÓLICAS Y ANABÓLICAS: ETAPAS
El metabolismo comprende el anabolismo o conjunto de reacciones de síntesis y el catabolismo o conjunto de reacciones de degradación.
El metabolismo tiene lugar a través de secuencias de reacciones consecutivas en las que se transforman los intermediarios químicos o metabolitos. El metabolismo se divide en catabolismo y anabolismo. El catabolismo es la fase degradativa del metabolismo en la que los nutrientes (carbohidratos, lípidos, proteínas) provenientes del medio externo o de los depósitos de la misma célula pueden degradarse generalmente por reacciones oxidativas en productos más sencillos como ácido láctico, ácido acético, amoníaco, urea o CO2. El catabolismo va acompañado de liberación de la energía inherente en la estructura compleja de las grandes moléculas orgánicas. La energía es transformada en forma de adenosina trifosfato (ATP). El anabolismo es la fase constructiva o de síntesis del metabolismo. También se denomina biosíntesis. En el anabolismo las pequeñas moléculas precursoras de las células se ensamblan para originar componentes celulares como polisacáridos, ácidos nucleicos, proteínas y lípidos. Puesto que del proceso de biosíntesis resultan moléculas de mayor tamaño y complejidad estructural, requiere energía libre, la cual es proporcionada por la hidrólisis del ATP. El catabolismo y el anabolismo tienen lugar simultáneamente en la célula.
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METABOLISMO
El metabolismo se puede organizar en etapas: tres para el catabolismo y tres para el anabolismo (Fig. 1.1). En la etapa I del catabolismo los nutrientes de la célula (lípidos, carbohidratos y proteínas) son degradados a sus unidades constituyentes: grasas, monosacáridos y aminoácidos. En la etapa II estos productos se convierten en moléculas más sencillas que convergen en su intermediario común: acetil-CoA. En la etapa II el grupo acetilo del acetil-CoA entra en el ciclo de Krebs para ser oxidado a CO2 y H2O, los productos finales del proceso catabólico.
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La etapa III del catabolismo es la misma que la etapa I del anabolismo y se denomina anfibólica.
Figura 1.1.– Las etapas del catabolismo y del anabolismo. La etapa III del catabolismo y I del anabolismo coinciden, por ello se denomina anfibólica.
El anabolismo también transcurre en tres etapas. Comienza con las pequeñas moléculas de la etapa III del catabolismo, como son los intermediarios del ciclo de Krebs, los cuales son aminados o transformados en aminoácidos, áci-
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
dos grasos o monosacáridos. En la etapa III del anabolismo estas moléculas se ensamblan para formar proteínas, lípidos y polisacáridos. Hay que destacar dos hechos: 1º. Cada etapa en el catabolismo o en el anabolismo implica una serie de reacciones catalizadas enzimáticamente. 2º. La etapa III del catabolismo coincide con la etapa I del anabolismo, por eso debido a su función doble se denomina anfibólica.
EL FLUJO DE ENERGÍA EN LAS CÉLULAS
El ATP es la forma universal de transporte de la energía que transfiere al hidrolizarse en ADP y Pi.
El NAD+ es la coenzima de la mayoría de las reacciones de oxidación. El NADPH, la coenzima de la mayoría de las reacciones de reducción.
Cuando una molécula como la glucosa es degradada a CO2 y H2O, proporciona por cada mol 686 kcal; ésta es la misma cantidad de calor que se libera cuando se quema en un calorímetro; y es que las oxidaciones biológicas son en esencia combustiones. El calor no puede ser utilizado como fuente de energía por los organismos vivos, los cuales son esencialmente isotermos, por eso se dice que es energía degradada o degenerada. Como se sabe, el calor sólo puede producir trabajo desde un recipiente a otro con menor temperatura. Por ello, la energía contenida en los nutrientes celulares se conserva en forma de energía química que puede realizar trabajo en condiciones isotermas. La energía química de los combustibles metabólicos se transforma en adenosina trifosfato (ATP), el cual se forma a partir de ADP y fosfato inorgánico mediante reacciones enzimáticas acoplados a reacciones oxidativas específicas durante el catabolismo. El ATP puede difundir a aquellos lugares de la célula en que se requiere. El ATP es en realidad una forma de transporte de energía química que se libera al hidrolizarse el fosfato terminal y es transferido a aceptores específicos los cuales se “energizan” y pueden reaccionar con facilidad y/o unirse a otras moléculas para originar grandes moléculas durante el anabolismo. Hay otra forma de transferir energía química desde las reacciones del catabolismo a aquellas que requieren energía de síntesis y es mediante la forma de átomos de hidrógeno o electrones. Estas moléculas portadoras son coenzimas como el NADH, NADPH o FMNH2 y actúan reduciendo a otras moléculas o, en ocasiones, transformando su capacidad reductora en moléculas de ATP.
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METABOLISMO
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LA LOCALIZACIÓN DE LAS RUTAS METABÓLICAS EN LA CÉLULA En las células de los organismos superiores las rutas metabólicas se realizan en orgánulos o compartimentos, lo que facilita el desarrollo de las mismas y su regulación. Esta conclusión se ha obtenido de trabajos de investigación en los que se han separado los orgánulos o subfracciones y, a partir de ellos, aislado y purificado las enzimas correspondientes. Se ha comprobado, por ejemplo, que las enzimas que catalizan la conversión de glucosa en ácido láctico se encuentran en el citosol, que es la porción soluble del citoplasma, mientras las del ciclo de Krebs se localizan en las mitocondrias. De la misma forma se ha comprobado que las enzimas del transporte electrónico se encuentran en la membrana interna de las mitocondrias y las que intervienen en la síntesis de las proteínas, en los ribosomas. Una visión más amplia de la localización de las enzimas en una célula hepática se puede observar en la figura 1.2.
Las enzimas de glucólisis se encuentran en el citosol y las del ciclo de Krebs, en las mitocondrias.
Figura. 1.2.– Localización de las enzimas de algunas rutas metabólicas en una célula de hígado.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
REGULACIÓN DEL METABOLISMO
Existen tres mecanismos por los que se regula el metabolismo en células de organismos superiores.
Como se ha indicado anteriormente, la célula realiza todos los procesos con la máxima eficacia y utilizando el menor consumo de energía posible. Por ello, el metabolismo celular se encuentra regulado de forma precisa y constante. En realidad y de forma general se puede establecer que el ritmo del metabolismo se controla por las necesidades energéticas de la célula, esto es, las células oxidan las moléculas combustibles a la misma velocidad que requieren energía. La regulación de las rutas metabólicas se puede efectuar mediante tres clases diferentes de mecanismos. La primera y más inmediata respuesta es a través de las enzimas reguladoras. Estas enzimas ejercen su acción próxima a la cabecera de las rutas metabólicas catalizando la reacción limitante de la secuencia. En las rutas catabólicas que conducen a la formación de ATP o NADH estos compuestos son los inhibidores alostéricos, mientras en las rutas anabólicas es el producto final de la ruta el que actúa de inhibidor. Como se ha descrito en el tema 16 de la Parte 1ª, las enzimas alostéricas suelen ser activadas o estimuladas por moduladores positivos específicos como ADP y NAD. El segundo nivel de regulación metabólica se ejerce a través del control de la concentración de una enzima. La concentración de una enzima en cualquier momento es el resultado de un equilibrio entre la velocidad de síntesis y su degradación. La velocidad de la síntesis de las enzimas varía dependiendo de las condiciones. Las enzimas que se encuentran presentes en cantidades constantes en la célula se denominan constitutivas. Las que son sintetizadas en respuesta a la presencia de algunos substratos se denominan inducibles. Los genes que especifican la síntesis de las inducidas están generalmente reprimidas y actúan únicamente solo en respuesta a la presencia de substratos específicos. El control metabólico se ejerce también a un tercer nivel en los organismos superiores. Las hormonas, sintetizadas y secretadas por varias glándulas endocrinas, son mensajeros químicos que estimulan o inhiben actividades metabólicas en otros órganos y tejidos. Por ejemplo, la deficiencia de la secreción de insulina por el páncreas origina un defecto en el transporte de glucosa en las células del músculo y del hígado, lo cual conduce a una serie de efectos metabólicos secundarios como un descenso en la biosíntesis de ácidos grasos a partir de glucosa y una excesiva formación de cuerpos cetónicos por el hígado. La administración de insulina repara estos defectos.
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METABOLISMO
RESUMEN El metabolismo es el conjunto de reacciones catalizadas enzimáticamente que tienen lugar en las células vivas. Cumple con cuatro funciones específicas que se realizan de forma coordinada: obtener energía química de los nutrientes, transformar estos en moléculas sencillas, unir y transformar estos para obtener los componentes celulares y sintetizar y degradar las biomoléculas especializadas. El metabolismo se puede dividir en catabolismo o procesos degradativos y anabolismo o procesos biosintéticos. Tanto el catabolismo como el anabolismo se pueden ordenar en tres etapas que implica cada una, una serie de reacciones enzimáticas. La energía química que se obtiene de los nutrientes se transforma en ATP que es el compuesto portador de energía para los procesos que lo requieren: trabajo mecánico, biosintético y de transporte. En las células animales los procesos bioquímicos se localizan en diferentes orgánulos o compartimentos, lo que facilita la regulación que se realiza a tres niveles; mediante las enzimas alostéricas, la síntesis de enzimas y las hormonas.
APLICACIONES CLÍNICAS Las células animales no pueden llevar a cabo un metabolismo completo como les sucede, por ejemplo, a las células bacterianas, debido a que a lo largo de la evolución han perdido la capacidad de sintetizar todos los compuestos que requieren para la vida. Por ello dependen de otros organismos para el suministro de dichos compuestos. Pero, además, en ocasiones las células humanas sintetizan enzimas defectuosas o defectivas, o bien producen cantidades insuficientes de una enzima que se traduce en un suministro insuficiente de un compuesto metabólico esencial. Por ello, una enfermedad metabólica puede derivar de la incorrecta expresión de una enzima. La determinación de la actividad de una enzima en los líquidos biológicos o tejidos constituye un indicador valioso de una determinada enfermedad metabólica.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Tabla 1.1.– Algunos ensayos enzimáticos que se utilizan en el diagnóstico de enfermedades. Actividad enzimática disminuida
Diagnóstico probable
Amilasa
Enfermedad pancreática
Alanina aminotransferasa
Enfermedad cardíaca
Aspartato aminotransferasa
Enfermedad cardíaca
Glutamato aminotransferasa
Enfermedad cardíaca
Fosfatasa ácida
Carcinoma prostático
Fosfatasa alcalina
Enfermedad ósea
Creatina
Enfermedad cardíaca o muscular
Glucosa 6-fosfato deshidrogenasa
Anemia hemolítica
Lactato deshidrogenasa
Enfermedad cardíaca
Hexosa 1-P uridil transferasa
Galactosemia
Glutatión reductasa
Anemia
Elastasa
Enfermedad del colágeno
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TEMA 2
La ruta glucolítica
La ruta glucolítica. Las rutas de los átomos de carbono, la de la energía y la de los electrones. Rutas afluentes de la glucolítica. La regulación de la glucólisis.
La glucólisis (hidrólisis de azúcar) es el proceso por el que los organismos escinden la glucosa en ácido láctico en ausencia de oxígeno molecular con el propósito de obtener energía. Otros hidratos de carbono utilizan esta ruta para degradarse, por eso se denomina también la ruta central del metabolismo de carbohidratos, la ruta de Embden-Meyerhof o la fermentación glucolítica. Hay otros tipos de fermentación en que el producto final no es el ácido láctico, como las fermentaciones alcohólicas o acética. Los hidratos de carbono constituyen la principal fuente de energía en la dieta humana (aprox. el 47%) y la mayor parte corresponde a polisacáridos como glucógeno y almidón, el resto a la glucosa y disacáridos como lactosa, glucosa y maltosa.
LA RUTA GLUCOLÍTICA Los carbohidratos de la dieta son digeridos y absorbidos en el intestino delgado pasando por vía portal a la sangre. En un período de 30-60 minutos después de la comida se alcanza en sangre, generalmente, un nivel máximo de 130 mg/dl (7,2 mol/L) que disminuye a las dos o dos horas y media a 70-90 mg/dl. Por la sangre la glucosa llega al hígado donde se metaboliza más del 60%. En condiciones normales el hígado contiene poca glucosa libre ya que bien la convierte en glucógeno o la fosforila a glucosa 6-fosfato, que como es impermeable a la membrana plasmática la mantiene retenida en la célula y en el tejido muscular.
La glucólisis anaeróbica (fermentación) y la glucólisis aerobia o r i g i n a n p i r u v a t o. Después el destino de este compuesto es diferente.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
En el hígado y en el tejido muscular la glucosa se degrada mediante una serie de intermediarios fosforilados que se denomina ruta glucolítica o ruta de Embden-Meyerhof. En la ruta glucolítica se pueden considerar dos etapas. La primera sirve de preparación y en ella varias hexoras pueden entrar mediante fosforilación a expensas de ATP. Estos compuestos se convierten en fructosa 1,6-bisfosfato que se excinde para dar dehidoxiacetona fosfato y gliceraldehído 3-fosfato. Fosforilación de la glucosa. Es la primera reacción de la primera etapa y en ella la glucosa se fosforiza a glucosa 6-fosfato a expensas de ATP. Esta reacción que es irreversible en condiciones intracelulares es catalizada por la hexoquinasa: hexoquinasa
*D-glucosa ATP o D-glucosa-6-fosfato ADP m Mg 'G 0c 4,0 kcal/mol 2
La glucoquinasa actúa cuando el nivel de glucosa es alto en la sangre.
La hexoquinasa cataliza también la fosforilación de otras hexosas como fructosa y manosa. La enzima requiere iones Mg2 que se combinan con ATP para formar el verdadero substrato Mg ATP2, es inhibida por su propio producto y algunos reactivos sulfhidrilos. El hígado funciona como un regulador de la glucosa sanguínea: cuando los niveles de glucosa son elevados, ésta se metaboliza a través de la ruta glucolítica o almacenada como glucógeno; cuando los niveles son bajos, se moviliza a partir de * A partir de ahora y mientras no se especifique lo contrario todos los monosacáridos y sus derivados son D.
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LA RUTA GLUCOLÍTICA
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glucógeno. En el hígado hay una segunda enzima que fosforila la glucosa en el hígado, la glucoquinasa, que es específica de la glucosa; esta enzima tiene menor afinidad por la glucosa que la hexoguinasa y actúa únicamente cuando el nivel de glucosa sanguínea es anormalmente alto, como ocurre en la enfermedad diabetes mellitus. Isomerización de la glucosa 6-fosfato. La conversión de glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato es catalizada por la fosfogluco isomerasa: fosfogluco isomerasa glucosa 6-fosfato o m fructosa 6-fosfato Mg2
'G 0c
0,4 kcal/mol
La reacción transcurre rápidamente en ambas direcciones debido a su pequeña variación de energía libre. La enzima requiere para su actividad Mg2 o Mn2. Fosforilación de fructosa 6-P. Es la segunda reacción de fosforilación por otra molécula de ATP y catalizada por la fosfofructoquinasa (Fig. 2.1). fosfofructo quinasa
fructosa 6-fosfato ATP o m fructosa 1,6-bisfosfato ADP 'G 0c 3,40 kcal/mol
Figura 2.1.– La primera etapa de la glucólisis. En ella se utiliza ATP para fosforilar los azúcares.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
La fosforilación de la fructosa 6-P es una reacción esencialmente irreversible como corresponde al valor de 'G 0c y es un punto clave en la ruta glucolítica. La fosfofructoquinasa es una enzima reguladora alostérica, con un peso molecular alto (360.000); es activada por moduladores positivos como ADP, AMP y fructosa 2,6-bisfosfato, e inhibida por moduladores negativos como ATP y citrato. La fructosa 1,6-bisfosfato aumenta la afinidad de la enzima por la fructosa 6-fosfato y disminuye la inhibición por ATP; además, su activación es sinérgica con el AMP. Escisión de fructosa 1,6-bisfosfato. Esta reacción es catalizada por la aldolasa: aldolasa
La aldolasa rompe la fructosa 1,6-bifosfato en condiciones intracelulares a pesar de su DG0' positivo en condiciones estándar.
fructosa 1,6-bisfosfato o dihidroxiacetona fostato m Mg gliceraldehído 3-fosfato 'G 0c 5,73 kcal/mol 2
Aunque esta reacción tiene un 'G 0c muy positivo en condiciones fisiológicas, la reacción transcurre hacia la formación de las triosas fosfato porque el gliceraldehído 3-fosfato desaparece rápidamente al seguir metabolizándose en la ruta glucolítica. Interconversión de las triosas fosfato. Puesto que únicamente el gliceraldehído 3-fosfato es metabolizado en la glucólisis toda la dihidroxiacetona fosfato se transforma en gliceraldehído 3-fosfato mediante la enzima triosa fosfato isomerasa: triosa fosfato isomerasa
dihidroxiacetona fosfato o m gliceraldehído 3-fosfato 'G 0c 1,83 kcal/mol La segunda etapa de la glucólisis. La segunda etapa de la glucólisis incluye las reacciones de oxido-reducción y aquellas de fosforilación en las que se genera ATP. Puesto que, como hemos visto, una molécula de glucosa se escinde en dos de gliceraldehído 3-fosfato que siguen la misma ruta, por lo que se considera sólo una molécula. Oxidación de gliceraldehído 3-fosfato. Esta reacción está catalizada por la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa que requiere como coenzima NAD. La gliceraldehído 3fosfato deshidrogenasa cataliza la reacción de oxidación de la glucólisis.
gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa
gliceraldehído 3-fosfato NAD Pi o o 1,3-bisfosfoglicerato NADH 'G 0c 1,5 kcal/mol
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LA RUTA GLUCOLÍTICA
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Ésta es una de las reacciones más importantes de la secuencia glucolítica puesto que se conserva la energía de oxidación del grupo aldehído del gliceraldehído 3-fosfato en la forma de un compuesto rico en energía como es el 1,3-bisfosfoglicerato. La función de NAD es la de portador de electrones o átomos de hidrógeno. El mecanismo de acción de la enzima es bastante complejo ya que el substrato primeramente se combina con un grupo SH del centro activo de la enzima y ésta reacciona con el NAD. El complejo acil-enzima reacciona posteriormente con el fosfato para producir 1,3-bisfosfoglicerato. Un hecho que apoya este mecanismo es que la enzima es inhibida por aquellos reactivos que bloquean el grupo SH. Transferencia del fosfato de 1,3-bisfosfoglicerato. El 1,3-bisfofoglicerato transfiere el fosfato al ADP mediante la enzima fosfoglicerato quinasa (Fig. 2.2). fosfoglicerato quinasa
1,3-bisfofoglicerato ADP o m 3-fosfoglicerato ATP 'G 0c 4,50 kcal/mol
Figura 2.2.– La etapa segunda de la ruta de la glucólisis. Transformación de gliceraldehído 3-fosfato en lactato y formación de 2 moléculas de ATP.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Ésta es la primera reacción glucolítica en que se forma ATP y, aunque este proceso requiere 7,3 kcal/mol, la reacción global es exergónica porque el 1,3-bisfoglicerato es un componente muy rico en energía y su hidrólisis aporta suficiente energía para la síntesis de ATP: 1,3-bisfosfoglicerato H2O o 3-fosfoglicerato Pi 'G 0c 11,8 kcal/mol ADP Pi o ATP H2O 'G 0c Suma de las dos reacciones: La fosfoglicerato quinasa es la primera reacción de la glucólisis que proporciona ATP.
7,3 kcal/mol
1,3-bisfosfoglicerato ADP o 3-fosfoglicerato ATP 0 c 4,5 kcal/mol 'G total Isomerización del 3-fosfoglicerato. Esta reacción es catalizada por la fosfoglicerato mutasa y requiere Mg2: fosfoglicerato mutasa
3-fosfoglicerato o 2-fosfoglicerato. m Mg 'G 0c 1,06 kcal/mol 2
Deshidratación de 2-fosfoglicerato. Esta es la segunda reacción de la secuencia glucolítica en la que se genera un enlace fosfato rico en energía; la enzima que cataliza la reacción es la enolasa que requiere Mg2 o Mn2 para su actividad: enolasa
2-fosfoglicerato o fosfoenolpirato H2O m Mg 'G 0c 0,44 kcal/mol 2
La piruvato quinasa cataliza la segunda reacción de la ruta glucolítica que proporciona ATP.
Transferencia del fosfato de fosfoenolpirato. El fosfato rico en energía del fosfoenolpirato es transferido al ADP por la piruvato quinasa: piruvato quinasa
fosfoenolpirato ADP o m pirurato ATP 'G 0c 7,5 kcal/mol La enzima requiere Mg2 o Mn2 y K, y es una enzima reguladora alostérica con la que actúa como modulador positivo la fructosa 1,6-bisfosfato y como moduladores negativos el ATP, el Ca2 y la alanina. Reducción del piruvato. En el último paso de la glucólisis el piruvato es reducido a lactato a expensas de los electrones donados por el gliceraldehído 3-fosfato a NAD. Estos elec-
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LA RUTA GLUCOLÍTICA
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trones son transferidos por NADH y las reacciones catalizadas por la lactato deshidrogenasa: lactato deshidrogenasa
piruvato NADH H o m lactato NAD 0 'G c 6,0 kcal/mol
En el organismo humano existen al menos cinco formas diferentes de lactato deshidrogenasa o isoenzimas. El corazón, hígado y riñones son especialmente abundantes en isoenzimas del tipo H, que tienen relativamente baja afinidad por piruvato, mientras el músculo esquelético es rico en isoenzimas del tipo M, que tienen gran afinidad por piruvato y tienden hacia la formación de ácido láctico.
La lactato deshidrogenasa cataliza la reacción de reducción de la glucólisis. En condiciones anaerobias o aerobias insuficientes oxida el NADH para que la glucólisis continue funcionando.
LAS RUTAS DE LOS ÁTOMOS DE CARBONO, LA DE LA ENERGÍA Y LA DE LOS ELECTRONES En la ruta glucolítica existen tres transformaciones químicas que están interconectadas: La transformación por la que el esqueleto carbonado de la glucosa se transforma en el del ácido láctico, esto es, el destino de los átomos de carbono; la de la energía, donde y cómo se utiliza y forma ATP, y la de los electrones, las reacciones de óxido-reducción. 1º. Destino de los átomos de C de glucosa. La molécula de glucosa de seis átomos de carbono en la ruta glucolítica se transforma en dos moléculas de ácido láctico. Si se enumeran los carbonos asignando el nº 1 al del grupo aldehído, al escindirse la fructosa 1,6-bisfosfato, los carbonos 1, 2 y 3 se confunden con los 6, 5 y 4, respectivamente, en el gliceraldehído 3-fosfato y la posición en el ácido láctico será: 1
COH l H 2C OH l o 2 HO 3C H l H 4C OH l H 5C OH l 6 CH2OH glucosa
(6)(3) CH3 COH l l (2) (5) (5)(2) H C OH o 2 H COH l l (3)(6) (1)(4)c CH2OPO32 COOH (1)(4)
gliceraldehído 3-fosfato
En la glucólisis anaerobia no hay un cambio neto del estado de oxidación de la glucosa en comparación con el lactato.
lactato
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
2º. La secuencia de reacciones en las que se utiliza y se forma ATP: glucosa ATP o glucosa 6-P ADP fructosa 6-P ATP o fructosa 1,6-bisfosfato ADP 2 1,3 bisfosfoglicerato 2 ADP o o 2 3-fosfoglicerato 2 ATP 2 fosfoenolpiruvato 2 ADP o 2 piruvato 2 ATP 3º. La secuencia de reacciones de óxido-reducción: 2-gliceraldehído 3-fosfato 2 NAD 2 Pi o o 2 1,3 difosfoglicerato 2 NADH 2 ATP piruvato NADH H o lactato NAD Teniendo en cuenta estos procesos, la ecuación global de la glucólisis es: glucosa 2 ATP 2 NAD 2 Pi 4 ADP 2 NADH 2 H o 2 lactato 2 ADP 2 NADH 2 H 2 NAD 4 ATP 2 H2O cancelando los términos iguales en los dos miembros: glucosa 2 Pi 2 ADP o 2 lactato 2 ATP 2H2O Hay que destacar que, aunque existen dos reacciones de óxido-reducción, no hay un cambio neto en el estado de oxidación.
RUTAS AFLUENTES DE LA GLUCOLÍTICA Además de la glucosa, otros carbohidratos entran en la ruta glucolítica para ser degradados. La glucosa de los polisacáridos glucógeno y almidón entran en la ruta a través de enzimas que degradan las cadenas unitariamente y mediante procesos perfectamente regulados. Los disacáridos maltosa, lactosa y sacarosa no se encuentran en la sangre de los organismos superiores. Cuando se ingieren con la dieta, son hidrolizados enzimáticamente en el intestino delgado en sus componentes hexosas antes de pasar por vía portal al corriente sanguíneo: maltasa
maltosa H2O o glucosa glucosa
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LA RUTA GLUCOLÍTICA
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lactasa
lactosa H2O o galactosa glucosa invertasa
sacarosa H2O o fructosa glucosa Como la glucosa, la manosa es fosforilada en el hígado: hexoquinasa
manosa ATP o manosa 6-fosfato ADP La manosa es isomerizada a fructosa 6-fosfato por la fosfomanosa isomerasa: fosfomanosa isomerasa
manosa 6-fosfato o m fructosa 6-fosfato En el hígado de vertebrados la fructosa entra en la glucólisis por otra ruta. La fructoquinasa cataliza la fosforilación de la fructosa:
Todos los carbohidratos en último término se transforman en fructosa 6-fosfato
fructoquinasa
fructosa ATP o fructosa 1-fosfato ADP La fructosa 1-fosfato se escinde en gliceraldehído y dihidroxiacetona fosfato mediante la fructosa 1-fosfato aldolasa, una enzima semejante a la aldolasa de la ruta glucolítica: fructosa 1-fosfato aldolasa
fructosa 1-fosfato o m o gliceraldehído dihidoxiacetona fosfato La dihidroxiacetona fosfato es un intermediario de la glucólisis y el otro producto el gliceraldehído es fosforilado a gliceraldehído 3-fosfato, otro intermediario de la glucólisis, mediante la reacción: gliceraldehído quinasa gliceraldehído ATP o gliceraldehído 3-fosfato ADP
La galactosa 1-fosfato es convertida en glucosa 1-fosfato a través de las siguientes reacciones: galactosa 1-fosfato uridil transferasa
UTP galactosa 1-fosfato o m UDP-galactosa PP UDP epimerasa
UDP-galactosa o m UDP-glucosa glucosa 1-fosfato-uridil transferasa
UDP-glucosa PP o UTP glucosa 1-P Como se puede observar, el UTP tiene, en estas reacciones, una función muy importante como transferidor de grupos glucosílicos.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
LA REGULACIÓN DE LA GLUCÓLISIS En la ruta glucolítica existen tres puntos importantes de control (Fig. 2.3). El primero es aquel en que la glucosa se fosforila a glucosa 6-fosfato por ATP y la hexoquinasa. Otro importante punto de control es la reacción catalizada por la fosfofructoquinasa. Esta enzima reguladora es activada por AMP y ADP e inhibida por ATP y citrato. El tercer punto de regulación es la reacción catalizada por la piruvato quinasa, que es activada por fructosa 1,6-bisfosfato y AMP. Como se puede observar, las tres enzimas de control están reguladas por un intermediario metabólico, pero de una manera especial por la concentración de AMP, ADP y ATP. De una manera simplificada se puede afirmar que la relación ADP/ATP regula el flujo metabólico de la ruta. Si esta relación es alta porque la concentración de ATP es baja, la glucólisis se activa para formar ATP. Si, por el contrario, la relación ADP/ATP es baja, la célula inhibe la fosfofructoquinasa y se interrumpe la glucólisis para no producir más ATP.
La hexoquinasa, fosfofructoquinasa y piruvato quinasa son los principales centros de control de la glucólisis.
Figura 2.3.– Las tres reacciones de control de la glucólisis y sus efectores positivos y negativos.
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LA RUTA GLUCOLÍTICA
RESUMEN La glucólisis es un proceso para obtener energía de la glucosa en ausencia de oxígeno. Tiene lugar en dos etapas y están implicadas 11 reacciones catalizadas enzimáticamente. En la primera etapa la glucosa es fosforilada por ATP y, posteriormente, escindida en dos moléculas de Dgliceraldehído 3-fosfato. Otras hexosas, pentosas y glicerol entran en la ruta mediante otras reacciones en esta etapa para converger también en D-gliceraldehído 3-fosfato. En la segunda etapa el D-gliceraldehído 3-fosfato es oxidado por NAD para formar un compuesto rico energéticamente, el 1,3-difosfoglicerato, que cede su fosfato al ADP para obtener ATP y 3-fosfoglicerato; este compuesto se isomeriza a 2-fosfoglicerato, el cual se deshidrata a fosfoenolpiruvato, que nuevamente dona su fosfato al ADP para formar ATP y piruvato. El piruvato se reduce a lactato por NADH procedente de la deshidrogeneración de la triosa-fosfato. En la ruta glucolítica entran dos moles de ATP en la primera etapa y se forman cuatro de ATP en la segunda. Existen en la ruta tres puntos de regulación, uno en la entrada y otros dos en la ruta, los cuales sirven de reacciones limitantes de la velocidad glucolítica.
APLICACIONES CLÍNICAS Diabetes mellitus y glucólisis La insulina y el glucagón son dos hormonas esenciales en el control homeostático del nivel de glucosa sanguínea. Normalmente después de cada comida experimentamos un aumento de glucosa en sangre. Las células E de los islotes de Langerhaus del pancreas perciben estos niveles de glucosa circulante y liberan insulina que disminuye el nivel de glucemia principalmente estimulando el transporte activo de la glucosa a través de las membranas celulares de los tejidos muscular y adiposo. Esto es así porque la insulina se fija a una proteína receptora específica de la membrana celular y facilita la entrada de glucosa. En la enfermedad de diabetes mellitus se produce un nivel insuficiente de insulina o una hormona defectuosa con una afinidad disminuida por los centros receptores. Debido a que la glucosa no puede ser captada por las células de los diabéticos, una característica de estos enfermos es que el nivel de glucosa en sangre permanece alta y esto va acompañado
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de una mayor excreción de orina (poliuria) con una constante deshidratación. En la diabetes no hay un control de la lipasa, por lo que se produce una movilización excesiva de ácidos grasos que llegan a acumularse en el hígado. La ausencia de insulina favorece la glucogenólisis y la gluconeogénesis por lo que el estado hiperglucémico se ve exacerbado. El organismo intenta compensar la falta de glucosa intracelular aumentando su disponibilidad mediante la gluconeogénosis, aun cuando haya un suministro adecuado de carbohidratos. Como el organismo es incapaz de utilizar la glucosa para obtener energía, ésta debe ser obtenida de los lipidos. Los ácidos grasos son movilizados y convertidos en acetil-CoA en el hígado, pero este compuesto no puede ser oxidado a CO2 y H2O en el ciclo de Krebs debido al inadecuado suministro de oxalacetato. Por ello, el acetil-CoA es dirigido hacia la conversión de cuerpos cetónicos como ácido acetoacético y E-hidroxibutírico. El tejido muscular puede utilizar los cuerpos cetónicos para su metabolismo energético, pero generalmente su producción es tan excesiva que hay una pérdida de estas sustancias por vía pulmonar y renal. El aceto-acetato se degrada fácilmente a acetona, que es exhalada con el aliento. La excreción urinaria de acetoacetato y E-hidroxibuterato produce pérdida de Na generándose un estado de acidosis. La administración de insulina revierte estos efectos, aunque se requiere un ajuste de la dieta y una dosis de insulina adecuada.
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TEMA 3
El ciclo de Krebs
La reacción del complejo piruvato deshidrogenasa. El ciclo de Krebs: reacciones y regulación. Reacciones anapleróticas.
Las células aerobias obtienen la mayor parte de su energía de la respiración, esto es, de la transferencia de electrones desde las moléculas combustibles hasta el oxígeno molecular. La respiración implica la mayoría de las reacciones de la ruta glicolítica, hasta el piruvato, pero el proceso oxidativo continúa hasta la transformación en dióxido de carbono y agua. En este tema comenzaremos con la descripción de la reacción catalizada por la piruvato deshidrogenasa, un complejo enzimático que transforma el piruvato en acetil-CoA. Éste es el compuesto por el que la mayoría de los átomos de carbono procedentes del catabolismo de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos entran en el ciclo de Krebs. El ciclo tiene como funciones primordiales, el ser la ruta final de la oxidación de las moléculas combustibles y el de proporcionar moléculas precursoras para las rutas biosintéticas. Cuando actúa con este último objetivo, requiere de reacciones denominadas anapleróticas que le proporcionan metabolitos y evitan que deje de funcionar.
LA REACCIÓN DEL COMPLEJO PIRUVATO DESHIDROGENASA En el tema anterior hemos estudiado la vía glicolítica en que la glucosa se convierte en piruvato. Para que este compuesto sea oxidado completamente a dioxido de carbono y agua en el ciclo de Krebs se requiere: a) Que el piruvato pase al interior de la mitocondria. b) Que se transforme en acetil-CoA.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Las enzimas del ciclo de Krebs se localizan de forma ordenada en el interior de la mitocondria. La membrana mitocondrial es impermeable a los compuestos fosforilados y al acetilCoA, por lo que el piruvato de la ruta glicolítica, que se origina en el citosol, es transportado, mediante difusión facilitada, al interior de la mitocondria (Fig. 3.1). Posteriormente, el piruvato, a través de una descarboxilación oxidativa, se transforma en acetil-CoA, según la ecuación global: piruvato NAD CoA-SH o acetil-CoA NADH H CO2 'G0c 8,0 kcal
La oxidación del piruvato es una reacción irreversible en la que intervienen tres enzimas y cinco coenzimas.
Figura 3.1.– El piruvato procedente de la glicólisis atraviesa la membrana mitocondrial para ser oxidado y descarboxilado a acetil-CoA en la matriz mitocondrial.
La reacción transcurre con una gran variación negativa de energía libre estándar, lo que indica que en la célula viva es esencialmente irreversible. La reacción está catalizada por el
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EL CICLO DE KREBS
complejo piruvato deshidrogenasa (PDH) constituido por tres enzimas: piruvato deshidrogenasa, dihidrolipoil transacetilasa y dihidrolipoil deshidrogenasa y cinco coenzimas: pirofosfato de tiamina (TPP), ácido lipoico, coenzima A (CoA-SH), nicotinamina adenina dinucleótido (NAD), y flavinadenina dinucleótido (FAD). Este complejo multienzimático ha sido aislado y purificado de varios organismos. El de la especie humana tiene un peso de 8,5 u 106 daltons y está constituido por 30 moléculas tetraméricas de la piruvato deshidrogenasa, que contiene unida una molécula de TPP, 60 moléculas de dihidrolipoil transacetilasa cada una con una molécula de ácido lipoico y seis de dihidrolipoil deshidrogenasa, cada una de las cuales se encuentra unida a una molécula de FAD. El proceso enzimático se esquematiza en la figura 3.2. Se ha postulado que la cadena lateral del ácido lipoico (lipoil-lisina) actúa como un brazo oscilante para transferir grupos acetilo y átomos de hidrogeno (o los electrones equivalentes), desde una enzima a la siguiente dentro del complejo enzimático.
Figura 3.2.– Descarboxilación oxidativa del piruvato a acetil-CoA por el complejo piruvato deshidrogenasa. Las sustancias que entran y salen del complejo aparecen enmarcadas. Las enzimas que intervienen son: E1 piruvato deshidrogenasa, E2 dihidrolipiol transacetilasa, E3 Dihidrolipoil deshidrogenasa.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
La reacción catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa se encuentra en una posición clave del metabolismo, no sólo porque sirve de conexión entre la ruta glicolítica y el ciclo de Krebs sino porque el piruvato y el acetil-CoA son componentes de varias rutas biosintéticas y degradativas (Fig. 3.3). Así, el piruvato, además de ser el producto final de la ruta glicolítica, se forma en el catabolismo de aminoácidos, en la oxidación del lactato, y es un precursor de la síntesis de aminoácidos, de la glucosa y del lactato. El acetil-CoA se forma en la degradación de los ácidos grasos y de aminoácidos y es un precursor de la síntesis de ácidos grasos, cuerpos cetónicos, colesterol y otros lípidos de gran importancia biológica.
Figura 3.3.– La reacción catalizada por el complejo PDH se encuentra en una posición clave del metabolismo. El piruvato y el acetil-CoA son productos finales de varias rutas catabólicas y precursores de otras anabólicas.
Figura 3.4.– El complejo PDH está regulado de manera rápida por NADH y acetil-CoA que lo hacen como efectores negativos.
No es de extrañar que, dada la posición tan estratégica del complejo piruvato deshidrogenasa en el metabolismo, su actividad se encuentre regulada con precisión. Exiten dos niveles de regulación sobre el complejo: uno rápido, en el que los productos de la reacción (acetil-CoA y NADH) actúan de inhibidores (Fig. 3.4) y otro lento mediante modificación covalente y en el que participan dos enzimas más: la PDH quinasa y la PDH fosfatasa (Fig. 3.5). Estas enzimas, que también constituyen parte integral del complejo PDH, regulan la actividad del mismo a través de un mecanismo de fosforilación y desfosforilación. Va-
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EL CICLO DE KREBS
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Figura 3.5.– El complejo PDH está regulado de manera lenta por un sistema de fosforilación/desfosforilación en el que intervienen la PDH-quinasa y la PDHfosfatasa.
lores elevados de las proporciones NADH/NAD, acetil-CoA/ CoA-SH y/o ATP/ADP actúan como efectores positivos de la PDH quinasa, favoreciendo la formación de la PDH activa, no fosforilada, en PDH fosforilada, poco activa. El resultado neto de este proceso es el descenso del ritmo en la transformación piruvato-acetil-CoA.
EL CICLO DE KREBS: REACCIONES Y REGULACIÓN El ciclo del ácido cítrico, de los ácidos tricarboxílicos, del ácido tricarboxílico o, simplemente, de Krebs, en honor de su descubridor Hans Krebs, fue la consecuencia de propuestas, experimentos y deducciones brillantes que han marcado un hito en la historia y el desarrollo de la Bioquímica. Krebs basó sus estudios en los realizados previamente por Thumberg, Szent Gyorgyi, Martius, Knoop y Ochoa y sus primeros resultados los publicó en 1937 en las revistas Enzymologia y Lanzet. El carácter cíclico se debe a que, después de una serie de reacciones, se regenera el compuesto de partida, el oxalacetato. En cada vuelta del ciclo de Krebs una molécula de acetilo (del acetil-CoA) de dos átomos de carbono se condensa con una molécula de ácido oxalacético de cuatro átomos de carbono para formar ácido cítrico, un compuesto de seis átomos de carbono. Este último se oxida mediante una secuencia de reacciones, de tal modo que se liberan dos moléculas de CO2 y se regenera una molécula de ácido oxalacetato. Este compuesto puede combinarse con otra molécula de acetilo, iniciando el ciclo otra vuelta. En cada vuelta se incorpora una molécula de
El ciclo de Krebs es la ruta de oxidación de todos los combustibles metabólicos en condiciones aeróbicas.
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En el ciclo entran dos átomos de carbono con el acetil-CoA y se pierden dos en las reacciones 4 y 5 .
acetilo y se eliminan dos de CO2. Cuando el ciclo está funcionando con fines energéticos, una molécula de ácido oxalacético sería suficiente para lograr la oxidación de un número infinito de moléculas de acetilo. En estas condiciones, por cada vuelta se liberan cuatro pares de hidrógeno (o sus electrones equivalentes), los cuales pasarán al oxígeno molecular para obtener energía en forma de ATP. El conjunto de reacciones del ciclo se muestra en la figura 3.6. Del funcionamiento del ciclo de Krebs se puede destacar los siguientes hechos: 1. La primera reacción del ciclo es la condensación de una molécula de acetil-CoA con otra de ácido oxalacético por la acción catalítica de la citrato sintasa. La reacción
Figura 3.6.– Reacciones del ciclo de Krebs. Los números corresponden a las siguientas enzimas: (1) Citrato sintasa. (2) Aconitasa. (3) Aconitasa. (4) Isocitrato deshidrogenasa. (5) Complejo D-cetoglutarato deshidrogenasa. (6) D-cetoglutarato deshidrogenasa. (7) Succinil CoA sintetasa. (8) Succinato deshidrogenasa. (9) Fumarasa. (10) Malato deshidrogenasa. Los átomos de carbono del acetil-CoA aparecen en color naranja para que pueda observarse que después de las dos descarboxilaciones permanecen integrados en la molécula de succinato.
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es irreversible porque la hidrólisis del enlace tioéster del acetil-CoA implica la liberación de una gran cantidad de energía ('G0c 7,5 kcal) (Fig. 3.6). Hay cuatro reacciones catalizadas por deshidrogenasas que reducen tres moléculas de NAD y una de FAD: isocitrato deshidrogenasa, complejo D-cetoglutarato deshidrogenasa, succinato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa. En las dos primeras también se producen descarboxilaciones. El complejo D-cetoglutarato deshidrogenasa que cataliza la transfomación del D-cetoglutarato en succinil-CoA tiene una estructura similar al de la piruvato deshidrogenasa; como éste, está constituido por tres enzimas y las mismas coenzimas: TTP, ácido lipoico, CoA-SH, FAD y NAD. La reacción catalizada por la succinil-CoA genera un enlace fosfato de alta energía en forma de GTP (equivalente a ATP). Los átomos de carbono que se liberan en forma de CO2 por cada vuelta del ciclo no son los mismos que los captados como acetilos. Algunas sustancias inhiben el funcionamiento del ciclo de Krebs, generalmente porque compiten con los sustratos por las enzimas del ciclo. Así, el malonato inhibe la succinato deshidrogenasa y el fluoracitrato la aconitasa. Las sales de arsénico inhiben el complejo D-cetoglutarato deshidrogenasa.
La reacción neta del ciclo es: acetil-CoA 3 NAD FAD GDP Pi H2O o o 2CO2 3 NADH FADH2 GTP 2H CoA-SH Las tres moléculas de NADH y la de FADH2 se oxidan en la cadena de transporte electrónico, como hemos visto en el tema 28 de Fundamentos de Bioquímica Estructural. El oxígeno molecular no participa directamente en el ciclo de Krebs, pero éste sólo funciona en condiciones aeróbicas porque el NADH y el FADH2 únicamente transfieren sus electrones al oxígeno molecular en la cadena respiratoria (Fig. 3.7). El ciclo está regulado por la acción de enzimas alostéricas que responden a las concentraciones de metabolitos celulares y que son limitantes en la velocidad metabólica del ciclo. En terminos estrictos, el complejo PDH no forma parte del ciclo, pero su regulación potencia la sensibilidad del sistema de regulación del ciclo al controlar la cantidad de acetil-CoA que se incorpora al mismo. En el ciclo existen tres reacciones que se pueden
Cada vuelta del ciclo de Krebs genera un fosfato de alta energía por una fosforilación a nivel de sustrato, 3 del NADH y 1 del FADH2. Estos últimos se reoxidarán en la cadena respiratoria.
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considerar claves en la regulación y que son catalizadas por las siguientes enzimas (Fig. 3.8): • Citrato sintasa. Cuando aumentan los niveles de NADH y/o ATP por encima de lo normal, actúan disminuyendo la actividad de la enzima y, por tanto, la formación de citrato. • Isocitrato deshidrogenasa. Esta enzima alostérica es, como la anterior, inhibida por el NADH y ATP y estimulada por NAD, ADP y Ca2. • D-Cetoglutarato deshidrogenasa. Este complejo enzimático, como se ha indicado, es análogo en su estructura al del piruvato deshidrogenasa. Como este, es inhibido por los productos finales de la reacción que cataliza, que en el caso del complejo D-cetoglutarato deshidrogenasa, son: el succinilCoA y el NADH. Se puede subrayar que la velocidad metabólica del ciclo está regulada de forma general por el producto final de las reacciones de obtención de energía de la respiración, el ATP, y el producto final de las etapas de deshidrogenación del ciclo, el NADH.
REACCIONES ANAPLERÓTICAS Figura 3.7.– El ciclo de Krebs y la cadena respiratoria están acoplados por los electrones que fluyen desde los intermediarios del ciclo a través de la cadena al oxígeno molecular. El ciclo de Krebs se controla fundamentalmente por tres reacciones y por las concentraciones intramitocondriales de NAD+ y NADH.
Aunque el ciclo de Krebs es la vía degradativa más importante para generar ATP, el ciclo es esencial para la biosíntesis de compuestos celulares. Así, muchos aminoácidos derivan del D-cetoglutarato y del oxalacetato, y la mayoría de los átomos de carbono de las porfirinas proceden del succinil-CoA. Cuando esos metabolitos son extraídos del ciclo de Krebs, éste deja de funcionar, puesto que se interrumpe la formación de oxalacetato.
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Figura 3.8.– Regulación del flujo metabólico a través del ciclo de Krebs. Las tres enzimas alostéricas están controladas por los niveles de varios efectores positivos y negativos.
Para que el ciclo siga actuando a un ritmo normal, existen reacciones denominadas anapleróticas (“de relleno”) que reestablecen los niveles de los intermediarios del ciclo. La más importante es la carboxilación del ácido piruvico para formar ácido oxalacético; catalizada por la piruvato carboxilasa piruvato carboxilasa
piruvato CO2 ATP o oxalacetato ADP Pi 'G0c 0,5 kcal La piruvato carboxilasa, que se encuentra en el hígado y riñón, es una enzima alostérica de peso molecular elevado (alrededor de 650.000 daltons) y un elevado número de subunidades proteicas. Su modulador positivo es el acetil-CoA (Fig. 3.9). Cuando esta sustancia alcanza un nivel por encima de lo normal, activa la reacción favoreciendo la formación de oxalacetatato, el cual se condensa con el acetil-CoA acumulado para formar citrato y de esta forma permitir que el ciclo siga funcionando. En el corazón y en el tejido muscular actúa principalmente la enzima málica (malato deshidrogenasa dependiente de NADP) y que cataliza la reacción:
Los intermediarios del ciclo de Krebs que se utilizan en otras rutas biosintéticas deben reponerse para que el flujo metabólico a través del ciclo no se detenga.
enzima malica
piruvato CO2 NADPH H o m L-malato NADP
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Figura 3.9.– La reacción anaplerótica catalizada por la piruvato carboxilasa permite la reposición de intermediarios del ciclo de Krebs para que éste continúe funcionando. En condiciones biosintéticas, al aumentar el nivel de acetilCoA, este compuesto actúa como un efector positivo de la piruvato
De estas dos reacciones anapleróticas, la que tiene más importancia cuantitativamente es la catalizada por la piruvato deshidrogenasa, cuya actividad aumenta con el ejercicio, el ayuno y la diabetes. Curiosamente la actividad de la enzima málica se encuentra disminuida en diabetes y aumentada tras la administración de insulina.
RESUMEN La reacción catalizada por el complejo piruvato deshidrogenasa conecta las rutas glicolítica y el ciclo de Krebs, ya que transforma el ácido pirúvico en acetil-Co. El complejo está formado por tres enzimas y cinco coenzimas, y está regulado por modificación covalente. El ciclo cumple con dos funciones importantes: 1) Es la ruta degradativa final para la oxidación de moléculas combustibles.
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2) Es fuente de moléculas precursoras para las rutas biosintéticas. El ciclo está constituido por una serie de reacciones que comienzan con la condensación del grupo acetilo del acetil-CoA con el ácido oxalacético, de cuatro átomos de carbono, para formar ácido cítrico de seis átomos de carbono. En cada vuelta del ciclo, después de una secuencia de reacciones que generan nuevamente ácido oxalacetato, se liberan dos átomos de carbono en forma de CO2 y se originan tres moléculas de NADH, una de FADH2 y otra de GTP. El ritmo del ciclo está controlado, principalmente, por ATP y NADH, que actúan como moduladores negativos sobre tres enzimas alostéricas: citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y D-cetoglutarato deshidrogenasa. Cuando el ciclo funciona con fines biosintéticos, la reposición de los intermediarios se realiza mediante reacciones anapleróticas. Las más importantes son las catalizadas por la piruvato carboxilasa y la enzima málica.
APLICACIONES CLÍNICAS Los casos clínicos derivados de una disfunción del complejo piruvato deshidrogenasa, ciclo de Krebs y de las reacciones anapleróticas son consecuencia de una insuficiente actividad enzimática debido a una deficiencia en una coenzima o a un defecto estructural de la proteína. Entre los primeros, el caso más conocido es el de la deficiencia en vitamina B1, y entre los segundos, la reducida actividad de las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa, de la fumarasa y de la citrato sintasa.
Deficiencia vitamínica B1 La deficiencia vitamínica B1 ocasiona una enfermedad neurológica y cardiovascular descrita en 1630 por J. Bonitus que la denominó “beriberi” (cordero), porque las personas que padecian esa enfermedad andaban como los corderos. El problema continúa siendo grave en el Extremo Oriente, donde el arroz que es el alimento básico, contiene niveles muy bajos de tiamina y practicamente nulos cuando el arroz se descascarilla. Los pacientes con esta enfermedad suelen tener niveles altos de piruvato, lactato y alanina en sangre, y baja actividad de los complejos piruvato deshidrogenasa y de D-cetoglutarato deshidrogenasa.
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Los síntomas de esta enfermedad se originan como consecuencia de una hipoavitaminosis B1 o tiamina. La tiamina en el organismo se fosforila a pirofosfato de tiamina (TPP), que es una de las coenzimas del complejo piruvato deshidrogenasa, y del D-cetoglutarato deshidrogenasa, por eso las actividades de estas enzimas en sangre están disminuidas en el beriberi. Una terapia lógica es una dieta baja en carbohidratos y la administración de tiamina. La administración de TPP no es más eficaz que la de la tiamina, dado que la coenzima, al ser un compuesto fosforilado, no atraviesa las membranas. En ocasiones la terapia no es tan sencilla ya que la baja actividad del PDH puede tener un origen genético. Una deficiencia en piruvato carboxilasa produce tambien un aumento de piruvato y alanina en sangre, ya que el piruvato no puede convertirse en oxalacetato, que es el aceptor de grupos acetilo en el ciclo de Krebs.
Deficiencia en la actividad fumarasa Las deficiencias en la actividad fumarasa del tejido cerebral y del musculo esqueletico ocasionan miopatia mitocondrial. Los pacientes con encefalomiopatía mitocondrial mueren a los pocos meses de edad. Presentan cantidades anormalmente altas de fumarato en sangre. Las mitocondrias de músculo esquelético y de hígado, obtenidas mediante biopsias, muestran una actividad en fumarasa prácticante nula. Sin embargo, mientras las primeras oxidan lentamente el glutamato y el succinato, las de hígado oxidan ambos sustratos a velocidad normal. La administración de sustratos gluconeogénicos, como el lactato o la alanina, alivian los efectos de la enfermedad.
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TEMA 4
La ruta de las pentosas fosfato
La ruta de las pentosas fosfato. Etapa I. Etapa II. Rendimiento energético. Regulación de la ruta.
La ruta de las pentosas fosfato es una ruta alternativa a la glucolítica, cuyas funciones son obtener poder reductor para las reacciones de biosíntesis y D-ribosa para la síntesis de nucleósidos. La ruta consiste en dos etapas de naturaleza química diferente, la primera implica reacciones de óxido-reducción, y la segunda reacciones en equilibrio de isomerización y reagrupamiento molecular. La primera reacción de la primera etapa regula el flujo del metabolismo a través de la ruta.
LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO La ruta de las pentosas fosfato, también denominada ruta de los hexosas fosfato o ruta del fosfogluconato, es otra vía de degradación de la glucosa con dos funciones primordiales: originar poder reductor en forma de NADPH y obtener pentosas, concretamente D-ribosa. La primera función es especialmente importante en tejidos que realizan la síntesis de ácidos grasos y esteroides, como son el hígado, las glándulas mamarias, los tejidos grasos y la corteza adrenal. En el músculo esquelético esta vía no es activa. En la ruta se pueden considerar dos etapas: una primera que implica reacciones de óxido-reducción y una segunda que comprende reacciones de condensación e isomerizaciones moleculares.
La ruta de las pentosas fosfato genera NADPH para las biosíntesis reductoras y ribosa 5-P para la biosíntesis de nucleótidos.
ETAPA I La primera reacción es la deshidrogenación enzimática de la glucosa 6-fosfato por la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa
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para dar 6-fosfoglucolactona. En condiciones fisiológicas esta reacción es reversible, pero el producto de la reacción rápidamente se hidroliza mediante la 6-fosfogluconolactonasa a 6fosfogluconato con una variación alta de energía libre, por lo que el conjunto de las dos reacciones está desplazado claramente hacia la derecha:
Las tres reacciones de la fase oxidativa (etapa I) incluyen dos oxidaciones que producen NADPH.
En la siguiente reacción el 6-fosfogluconato sufre una descarboxilación oxidativa por la 6-fosfogluconato deshidrogenasa que requiere NADP para dar ribulosa 5-fosfato y CO2:
ETAPA II Esta etapa comprende una serie de condensaciones, isonomerizaciones y reagrupamientos catalizados enzimáticamente.
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LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO
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El producto final de los procesos oxidativos de la etapa I, la ribulosa 5-fosfato, es convertido en ribosa 5-fosfato por acción de la ribulosa 5-fosfato epimerasa. En esta reacción el carbono 3 de la ribulosa es invertido para dar xilulosa 5-fosfato. Alternativamente, la ribulosa 5-fosfato puede ser convertida en la aldolasa correspondiente, la ribosa 5c-fosfato por la ribosa 5-fosfatoisomerasa, una reacción similar a la conversión de glucosa 6-fosfato en fructosa 6-fosfato. Estas reacciones son:
Posteriormente aparecen reacciones de reordenamiento de átomos mediante la acción de dos clases de enzimas: transaldolasas y transectolasas, en las cuales se lleva a cabo la transferencia de unidades de dos y tres átomos de carbono:
Las reacciones de la etapa II son todas reversibles.
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La sedoheptulosa 7-fosfato y el gliceraldehído 3-fosfato son obtenidos de la reacción entre la xilulosa 5-fosfato y la ribosa 5-fosfato catalizada por la transcetolasa:
CH2OH l La transcetolasa transfiere el grupo C O de una molél cula a otra y requiere para su actividad pirofosfato de tiamina TPP, la coenzima que requieren los complejos enzimáticos piruvato deshidrogenasa y a-cetoglutanato deshidrogenasa. La transcetolasa cataliza dos reacciones en las que interviene la xilulosa 5-fosfato, una es la transformación de xilulosa 5-fosfato y ribosa 5-fosfato en sedoheptulosa 7-fosfato y gliceraldehído 3-fosfato y la otra la transformación de xilulasa 5-fosfato y eritrosa 4-fosfato en fructosa 6-fosfato y gliceraldehído 3-fosfato. La sedoheptulosa 7-fosfato es un azúcar inusual de siete átomos de carbono que también se encuentra en las reacciones del ciclo de Calvín en la fase de la fotosíntesis que no depende de la luz.
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LA RUTA DE LAS PENTOSAS FOSFATO
La transaldolasa cataliza la reacción entre la sedoheptulosa 7-fosfato y el gliceraldehído 3-fosfato para producir fructosa 6fosfato y una tetrosa, la eritrosa 4-fosfato. La transferencia imCH2OH l C O l plica el fragmento de tres átomos de carbono HO C H y l no requiere coenzima. En la figura 4.1 se muestra una panorámica de la ruta de las pentosas fosfato en la que se puede apreciar que los productos de la ruta son el gliceraldehído 3-fosfato y la fructosa 6fosfato, dos intermediarios de la ruta glucolítica.
RENDIMIENTO ENERGÉTICO Para conocer el rendimiento energético de la ruta de las pentosas fosfato es necesario considerar tres moléculas de glucosa 6-fosfato, ya que en la etapa II (Fig. 4.1) se requieren una molécula de ribosa 5-fosfato y dos de xilulosa 5-fosfato. La ri-
Figura 4.1.– La ruta de las pentosas fosfato. Obsérvese que las reacciones de la etapa I son irreversibles y las de la II, reversibles. Este hecho permite que si la célula requiere ribosa 5-fosfato y no NADPH se pueda obtener a través de las reacciones de la etapa II, mediante los intermediarios de la glucólisis.
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bosa 5-fosfato y una de las dos moléculas de xilulosa 5-fosfato sirven como precursores para la formación de una fructosa 6fosfato; la segunda, xilulosa 5-fosfato, más la eritrosa 4-fosfato forman otra molécula de fructosa 6-fosfato y una de gliceraldehído 3-fostato. De forma resumida: 3 glucosa 6-fosfato ¯ o
o
3 CO2
2 fructosa 6-fosfato 1 gliceraldehído 3-fosfato La degradación completa de una molécula de glucosa requiere, para entender fácilmente el proceso, considerar seis moléculas de glucosa 6-fosfato que originarán 6 CO2, esto es, tantas moléculas de anhídrido carbónico como átomos de carbono tiene la molécula de glucosa (C6H12O6): 6 glucosa 6-fosfato 12 NADP o o 5 glucosa 6-fosfato 6 CO2 12 NADP Pi Dos características importantes de esta ruta es que no requiere ATP una vez formada la glucosa 6-fosfato y que puede funcionar en condiciones anaeróbicas. Ello es fácil de comprender ya que el NADP se puede regenerar en procesos de biosíntesis, no requiere la cadena respiratoria, y, por tanto, la ruta permite la producción anaerobia de pentosas. En condiciones aeróbicas, para que el NADPH se reoxide a NADP debe reaccionar con NAD, ya que el NADPH es impermeable a la membrana mitocondrial. La transferencia de hidrógenos del NADPH al NAD se produce por un proceso de transhidrogenación. Por consiguiente, cada mol de NADPH produciría un mol de NADH y éste, en presencia de oxígeno, 3 moles de ATP. De esta forma la oxidación completa de 1 mol de glucosa por la ruta de las pentosas fosfato produciría 12 u 3 36 ATP. A este número hay que descontarle un ATP que se utilizaría en la fosforilación de la glucosa por la hexoquinasa, luego en total serían 35 ATP.
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REGULACIÓN DE LA RUTA Las reacciones de la ruta de las pentosas fosfato tienen lugar como las de la glucolítica, en el citosol, y la regulación se produce en la primera enzima de la misma, la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa. La enzima se sintetiza en gran cantidad cuando se ingieren dietas ricas en hidratos de carbono. Cuando una persona pasa de un estado de inanición a otro en exceso de hidratos de carbono, la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa hepática puede aumentar más de 10 veces la concentración. La regulación de la síntesis coexiste con un control fino de la actividad enzimática mediante el NADPH como inhibidor competitivo con una constante de inhibición muy baja (Ki 7 PM). La inhibición es superior al 90% cuando el cociente de la concentración NADPH/NADP es mayor de 10. La concentración celular de la glucosa 6-fosfato es aproximadamente 1 PM; esto limita en cierta medida la actividad de la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa, que tiene una Km en el rango micromolecular. Dependiendo de las demandas celulares, una combinación del flujo de intermediarios de las rutas glucolítica y de las pentosas fosfato puede estar regulada para producir proporciones adecuadas de NADPH, ribosa 5-fosfato y gliceraldehído 3-fosfato.
La regulación del flujo de la ruta de las pentosas fosfato se realiza, fundamentalmente, a nivel de glucosa 6-P deshidrogenasa.
RESUMEN La glucosa 6-fosfato puede ser oxidada a través de la ruta de las pentosas fosfato por un conjunto de enzimas que se encuentra en el citosol de, principalmente, células hepáticas, glándulas mamarias, tejido adiposo y corteza adrenal. Se distinguen dos etapas en función de la naturaleza de las reacciones. En la I existen dos reacciones que requieren como aceptor electrónico NADP, que pasa a NADPH y es el principal compuesto reductor en la síntesis de biomoléculas como ácidos grasos y colesterol. La oxidación completa de una molécula de glucosa origina 12 NADPH y 6 CO2. Aunque la ruta puede actuar en condiciones anaeróbicas, cuando actúa en presencia de oxígeno puede producir 35 ATP. La primera enzima de la ruta la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa, controla el flujo a través de la misma; la actividad y la síntesis de la enzima se encuentran perfectamente reguladas.
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APLICACIONES CLÍNICAS Deficiencias de la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa Se han identificado varios tipos de deficiencia hereditaria de glucosa 6-fosfato, los cuales producen hipersensibilidad a ciertos fármacos, lo que conduce a una anemia hemolítica. Aunque los primeros casos se descubrieron al tratar enfermos de paludismo con la droga antimalaria primaquina, posteriormente se han descrito acciones similares en otros fármacos. Las células deficientes en glucosa 6-fosfato deshidrogenasa tienen una baja producción de NADPH, el cual es imprescindible para mantener el glutation en forma reducida (GSH). Este compuesto es esencial para mantener la integridad de la membrana de los eritrocitos o glóbulos rojos. Cuando el glutation no se encuentra en forma reducida, las membranas no conservan la estructura adecuada y pueden ser destruidas por los fármacos, y esto sucede con mayor facilidad cuando más viejos son los eritrocitos. Ello explica el alto porcentaje de eritrocitos jóvenes circulantes concentrados en las personas con deficiencia en glucosa 6-fosfato deshidrogenasa. Curiosamente esta deficiencia grave en el caso de tratamiento con fármacos ofrece una ventaja a los pacientes que la presentan y es que tienen menor probabilidad de contraer la malaria. El parásito de la malaria, Plasmodium falciparum, requiere esencialmente para su crecimiento y desarrollo NADPH. Las personas con deficiencia enzimática no aportan suficiente coenzima reducido para el desarrollo del parásito. Esta “ventaja” ha provocado una selección natural de los deficientes en la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa que la padecen, más de 400 millones de personas en el planeta, concentrandose en aquellos países en que la malaria es una enfermedad endémica.
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TEMA 5
Gluconeogénesis Glucogénesisglucogenólisis
Gluconeogénesis. Regulación de la ruta gluconeogénica. Glucogénesis y glucogenólisis. Los ciclos de substrato.
La gluconeogénesis es la biosíntesis de glucosa y otros hidratos de carbono a partir de moléculas precursoras sencillas. Es uno de los procesos más importantes de los organismos vivos ya que las células requieren glucosa para el normal metabolismo y algunas, como las del cerebro, de manera esencial. La gluconeogénesis difiere de la glucólisis en unas pocas reacciones. La concentración de glucosa en sangre debe permanecer dentro de un intervalo adecuado y el control se consigue mediante la regulación precisa del metabolismo del glucógeno, un modelo de regulación de dos rutas inversas. La diferente regulación de las reacciones inversas conduce a la formación de ciclos de substrato, de gran importancia biológica en la regulación de la velocidad del flujo metabólico.
La mayoria de las reacciones de la ruta glucolítica y glucogénica son las mismas.
GLUCONEOGÉNESIS Hemos estudiado que la conversión de glucosa 6-fosfato en piruvato es la ruta central del catabolismo de hidratos de carbono en la mayoría de los organismos, tanto en condiciones aeróbicas como anaeróbicas. De manera similar, el proceso inverso, la conversión de piruvato en glucosa 6-fosfato es una ruta esencial en la biosíntesis de monosacáridos y polisacáridos en todas las células. Esta ruta se denomina gluconeogénesis (Fig. 5.1). Las fuentes de carbono para la gluconeogénesis las constituyen varios precursores obtenidos principalmente a partir de L-aminoácidos, del ácido pirúvico o del ácido láctico. Por ejem-
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Figura 5.1.– La gluconeogénesis es la biosíntesis de la glucosa y otros hidratos de carbono.
La gluconeogénesis es esencial para el mantenimiento de las concentraciones normales de glucosa en sangre.
plo, la síntesis de glucosa en el hígado a partir del ácido láctico de la sangre que aparece durante una intensa actividad muscular y en la que la glucosa es degradada a ácido láctico por el músculo esquelético. La mayoría de las reacciones en la ruta gluconeogénica desde el piruvato a la glucosa son catalizadas por las mismas enzimas de la ruta glucolítica y proceden a la inversa de los pasos utilizados en la glucólisis (Fig. 5.2). Sin embargo, hay tres pasos irreversibles en dirección glucolítica que no pueden utilizarse en dirección gluconeogénica. En esta dirección las reacciones deben ser sobrepasadas por reacciones alternativas que son más favorables para la síntesis. Estas reacciones son: la formación de fosfoenolpiruvato, la formación de fructosa 6-fosfato y la formación de glucosa.
Formación de fosfenolpiruvato La primera de estas reacciones es la conversión de piruvato en fosfenolpiruvato, la cual no puede llevarse a cabo en dirección inversa a la reacción catalizada por la piruvato quinasa debida a un elevado valor negativo de energía libre ('G 0c 7,5 kcal/mol). En vez de esta reacción, la fosforilación de piruvato es conseguida a través de una secuencia de reacciones que requiere la cooperación de enzimas del citoplasma y de la mitocondria. La primera reacción de esta secuencia está catalizada por la piruvato carboxilasa mitocondrial:
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GLUCONEOGÉNESIS GLUCOGÉNESIS-GLUCOGENÓLISIS
piruvato carboxilasa
piruvato CO2 ATP o oxalacetato ADP Pi Acetil-CoA () La piruvato carboxilasa es una enzima reguladora que sólo es activa en presencia de su modulador positivo, acetil-CoA, y requiere como coenzima biotina, a la que se une covalentemente.
Figura 5.2.– La gluconeogénesis y la glucólisis y las etapas en que divergen.
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El oxalacetato formado es reducido a malato en la mitocondria a expensas de NADH y mediante la malato deshidrogenasa: malato deshidrogenasa
oxalacetato NADH H o m malato NAD
El malato difunde fuera de la mitocondria al citoplasma, donde es reoxidado por la malato deshidrogenasa citosólica: malato deshidrogenasa
malato NAD o m oxalacetato NADH H
El oxalato es fosforilado a fosfoenolpiruvato por el GTP (guanosina trifosfato) mediante la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa: fosfoenolpiruvato carboxiquinasa oxalacetato GTP o o fosfoenolpiruvato CO2 GDP La enzima se ha encontrado en el citoplasma de células hepáticas y requiere Mg2 para su actividad. La ecuación global de este compuesto de reacciones necesarias para la formación de fosfoenolpiruvato en piruvato es: o piruvato ATP GTP m o fosfoenolpiruvato ADP GDP Pi m Se requiere, por tanto, dos enlaces fosfatos ricos en energía, uno procedente del ATP y otro del GTP, esto es 2 u (7,3 kcal/mol)
14,6 kcal/mol
Hidrólisis de fructosa 1,6-bisfosfato La gluconeogénesis utiliza enzimas específicas para evitar tres reacciones irreversibles de la glucólisis.
La segunda reacción en que las rutas glucolítica y gluconeogénica divergen es la fosforilación de la fructosa 6-fosfato por la fosfofructoquinasa. Esta reacción irreversible es sobrepasada gluconeogénicamente por la fructosa 1,6-bisfosfatasa fructosa 1,6bifosfatasa
fructosa 1,6-bisfosfato H2O o fructosa 6-fosfato Pi 'G 0c 3,9 kcal/mol La fructosa 1,6 bisfosfatosa es una enzima reguladora cuya actividad es inhibida por AMP y ADP.
Hidrólisis de glucosa 6-fosfato La glucosa 6-fosfato es hidrolizada a glucosa por la glucosa 6-fosfatasa:
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glucosa 6-fosfatasa
glucosa 6-fosfato H2O o glucosa Pi 'G 0c 3,3 kcal/mol La enzima se encuentra presente en el hígado pero no en músculo ni cerebro. La ecuación global de la gluconeogénesis que implica la suma de las reacciones biosintéticas es: 2 piruvato 4 ATP 2 GTP 2 NADH 2 H 6 H2O o o glucosa 2 NAD 4 ADP 2 GDT 6P Por cada molécula de glucosa que se forma se requieren seis enlaces fosfatos ricos en energía y dos moléculas de NADH. La gluconeogénesis también puede tener lugar a partir de algunos aminoácidos e intermediarios del ciclo de Krebs. Los compuestos como citrato, isocitrato, D-cetoglutarato, succinato y fumarato pueden convertirse en malato, el cual puede pasar al citosol, convertirse en fosfoenolpiruvato mediante la PEP carboxiquinasa citoplásmica e incorporarse a la ruta gluconeogénica. El esqueleto carbonado de algunos aminoácidos como alanina, glutámico o aspartico pueden convertirse en intermediarios del ciclo de Krebs o en PEP, por ello se les denomina glucogénicos, y de esta forma entran en la ruta gluconeogénica (Fig. 5.3).
Los precursores gluconeogénicos más importantes son el lactato, la alamina, el glicerol y el propionato.
REGULACIÓN DE LA RUTA GLUCONEOGÉNICA La gluconeogénesis está regulada en los tres puntos específicos de la ruta: la piruvato carboxilasa, la fructosa 1,6-bisfosfatasa y la glucosa 6-fosfatasa. La primera está activada por acetil-CoA e inhibida por ADP; la fructosa 1,6-bifosfatasa es activada por ATP e inhibida por ADP y AMP, mientras que la glucosa 6-fosfatasa está sujeta a la inhibición por los dos productos: glucosa y fosfato inorgánico (Pi ). Algunas hormonas juegan un papel clave en la regulación de la ruta gluconeogénica y, en ocasiones, en la ruta glucolítica simultáneamente. Así, el glucagón estimula la gluconeogénesis aumentando la actividad de las enzimas como la fosfenolpiruvato carboxiquinasa, al mismo tiempo que inhibe la ruta glucolítica. Este hecho se realiza por una disminución de la fructosa 2,6bisfosfato, que es un potente activador de la fosfofructoquinasa. La síntesis de las enzimas claves de la gluconeogénesis está también controlada por la acción de las hormonas insulina y cortisol. La insulina reprime la síntesis de las enzimas mientras el cortisol la induce. Esto es fácilmente entendible; así, en una
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Figura 5.3.– Puntos de control en la ruta gluconeogénica.
dieta rica en grasas y pobre en glucosa, ésta tiene que ser sintetizada a partir de lactato o glicerol (procedente de la hidrólisis de trigliceridos), o de los aminoácidos glucogénicos. Todos estos procesos son estimulados por el cortisol. Por otra parte, en la ruta gluconeogénica existen reacciones del óxido-reducción que son controladas por la disponibilidad celular de coenzimas oxidadas y reducidas que se producen en el proceso de oxidación de los ácidos grasos y en el ciclo de Krebs. De forma resumida podemos decir que el control fino de la ruta gluconeogénica se lleva a cabo por las relaciones NAD , NADH
NADP , NADPH
ATP ADP
el acetil-CoA y algunos intermediarios del ciclo de Krebs, mientras el control de la síntesis depende de señales hormonales.
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GLUCOGÉNESIS Y GLUCOGENÓLISIS El anabolismo y el catabolismo del glucógeno se producen a través de diferentes rutas que están controladas con precisión y relacionadas entre sí, con el fin de mantener los niveles de glucosa sanguínea adecuados y disponer de glucosa 6-fosfato para la producción de ATP. Prácticamente todas las células de animales superiores contienen glucógeno pero las fuentes más ricas son el tejido muscular y el hígado. En un hombre de 70 kg de peso, el peso del tejido muscular es aproximadamente la mitad y el del glucógeno 245 g (0,7%), mientras el hígado pesa aproximadamente 1.800 g y el glucógeno que contiene 110 g (6,1%). El hígado es, pues, el principal reservorio de carbohidratos que se almacena como glucógeno; este proceso anabólico se denomina glucogénesis. El glucógeno es una fuente de glucosa mediante un proceso catabólico que se conoce como glucogenólisis. Ambos procesos siguen rutas diferentes y están regulados independientemente. Como se ha estudiado anteriormente, el glucógeno es un homopolisacárido de unidades de glucosa unidas mediante enlaces D (1 o 4) glucosídicos con ramificaciones D (1 o 6) cada 7-12 unidades. La glucógeno fosforilasa hidroliza los enlaces D (1 o 4) glucosídicos del extremo no reductor de la cadena utilizando fosfato inorgánico:
Los polisacáridos de la dieta se metabolizan mediante hidrólisis a monosacáridos.
El almidón y el glucógeno se movilizan mediante fosforilación.
(glucosa)n HPO42 o (glucosa)(n 1) glucosa 1-fosfato 'G 0c 0,73 kcal/mol Aunque la reacción, de acuerdo con el valor de 'G 0c, es reversible, en condiciones intracelulares procede en la dirección de hidrólisis. La glucógeno fosforilasa actúa repetidamente hasta encontrar una ramificación con enlaces D (1 o 6), entonces entra en acción la enzima D (1 o 6) glucosidasa, una enzima desramificante, que hidroliza la unión D (1 o 6). La glucógeno fosforilasa está situada en un punto estratégico entre el glucógeno almacenado como combustible y el sistema enzimático para la utilización del mismo. La actividad, como veremos, está regulada con precisión por una serie de controles bioquímicos y fisiológicos interconectados. La fosforilasa del músculo esquelético, un dímero o un tetrámero de 97 kcal, puede existir en dos formas interconvertibles: una fosforilasa a y una fosforilasa b; cada una de ellas, según el modelo alostérico concertado, se puede encontrar en
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dos formas: activa (R) e inactiva (T). La fosforilasa b se convierte en a mediante fosforilación, un proceso catalizado por la fosforilasa quinasa (Fig. 5.4). La fosforilasa a se desactiva por hidrólisis del fosfato, una reacción catalizada por la proteína fosfatasa 1, una fosfatasa que se encuentra en la célula abundantemente.
Figura 5.4.– La fosforilasa puede adoptar en cualquiera de sus formas, a y b, una conformación T (tensa, inactiva) o R (relajada, activa). La forma b está casi siempre en el estado T y la forma a, en estado R.
En la regulación de la degradación del glucógeno intervienen tres factores o señales: metabólicas, hormonales y neuromusculares.
La fosforilasa b muscular sólo se activa en presencia de elevadas concentraciones de AMP, que actúa alostéricamente, uniéndose al centro activo de la enzima y alterándo la conformación de la fosforilasa b. El ATP y la glucosa 6-fosfato actúan como efectores negativos. Cuando el músculo requiere energía (AMP concentración alta), la fosforilasa b se activa. Por el contrario, la fosforilasa a es totalmente activa independientemente de los niveles de AMP, ATP y glucosa 6-fosfato. En la mayoría de las condiciones fisiológicas, la proporción de enzima activa es determinada por las velocidades de fosforilación y desfosforilación. La regulación alostérica de la fosforilasa hepática difiere de la muscular en dos aspectos importantes: 1. El AMP no activa la fosforilasa b hepática. 2. La fosforilasa a del hígado se desactiva por la unión de glucosa. Esto es, la glucosa desplaza el equilibrio de la forma a de R a T. El hecho principal de la degradación del glucógeno hepático es liberar glucosa cuando el nivel de esta sustancia en sangre es bajo. La fosforilasa existe también en dos formas: fosforilada, que es activa y desfosforilada, inactiva. Esta enzima es calciodependiente, en su estado no fosforilado, posee una Km elevada gracias a la presencia del ión Ca2; a concentraciones citosólicas normales, la enzima es prácticamente inactiva. La
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fosforilación de la enzima por una proteína quinasa de AMPcíclico aumenta la afinidad de la enzima Ca2 reduciendo el valor de la Km. Todas estas etapas de la glucogenólisis se relacionan de una forma continua mediante factores en que la señal de regulación inicial se va ampliando mediante un proceso en cascada (Fig. 5.5). Una molécula de AMP-c activa varias de las proteína quinasas las cuales actúan transformando muchas de fosforilasa b en a, y así sucesivamente.
Figura 5.5.– Reacciones en cascada. Sirven de control y para amplificar la señal inicial hasta miles de veces.
De forma resumida se puede indicar que en la regulación de la glucogenólisis intervienen tres factores: a) Las señales metabólicas intracelulares como la relación ATP/ADP; un valor alto de la misma inhibe la ruta glucogenolítica. b) Señales hormonales. La epinefrina activa la adenil ciclasa, que a su vez activa la cascada glucogenolítica. c) Estimulación renal. Los impulsos neuromusculares provocan la liberación de Ca2, el cual activa simultáneamente la contracción muscular y la fosforilasa quinasa que inicia la activación de la glucogenólisis.
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Las reacciones en cascada controlan y amplifican la señal hormonal en la degradación del glucógeno.
El proceso inverso, la glucogénesis, comienza con el intermediario central del metabolismo de carbohidratos: la glucosa 6-fosfato. La primera reacción es la conversión de glucosa 6fosfato en glucosa 1-fosfato por la fosfoglucomutasa: fosfoglucomutasa
glucosa 6-fosfato o glucosa 1-fosfato 'G 0c 1,74 kcal/mol Posteriormente, la glucosa 1-fosfato se convierte en UDPglucosa. Esta reacción, catalizada por la UDP-pirofosforilasa, requiere UTP y es esencialmente irreversible porque el pirofosfato formado se hidroliza rápidamente por una pirofosfatasa a dos moléculas de fosfato: UDP-pirosforilasa
glucosa 1-fosfato UTP o pirosfosfatasa o UDP-glucosa PP o 2Pi La UDP-glucosa es la forma de glucosa activada para la síntesis de glucógeno.
En el segundo paso en la formación de glucógeno la UDPglucosa es transferido al extremo no reductor de la glucosa terminal formando enlaces D (1 o 4) entre el átomo 1 del residuo glucosílico añadido y el 4-hidróxilo del residuo glucosa de la cadena. La reacción es catalizada por la glucógeno sintasa: glucogeno sintasa
UDP-glucosa (glucosa)n o UDP (glucosa)n 1 La glucógeno sintasa existe en dos formas: una de ellas es poco activa en ausencia de glucosa 6-fosfato. Cuando la concentración celular de glucosa 6-fosfato aumenta, actúa como modulador positivo de la glucógeno sintasa elevando su actividad por encima de 40 veces la inicial, favoreciendo la síntesis de glucógeno. La glucógeno sintasa no es capaz de originar enlaces D (1 o 6) en los puntos de ramificación. Sin embargo, hay una enzima ramificante, la oligo (1,4 o 1,6) glucosil transferasa, que transfiere segmentos de cadena de seis a siete unidades desde el extremo en crecimiento hasta otro punto de la misma cadena o hasta una cadena vecina. La ramificación se fija mediante un enlace D-1,6-glucosílico. Cada ramificación puede ser alargada por adición de más unidades de glucosa hasta que haya suficientes para transferir otras secuencias de seis a 10 unidades. El crecimiento arboriforme continúa, hasta un determinado tamaño sin que se conozca, hasta ahora, el mecanismo que limita su tamaño final (Fig. 5.6). La regulación de la biosíntesis de glucógeno está relacionada coordinadamente con la de la degradación y cuando esta ruta se encuentra activa, como en el ejercicio, la biosíntesis se halla inhibida.
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Figura 5.6.– La degradación y la síntesis de glucógeno están relacionadas y reguladas indistintamente.
Cuando la epinefrina desencadena la producción de AMP-c, se activa la proteína quinasa dependiente de AMP-c. Esta enzima ejerce dos efectos simultáneos: estimula la glucogenólisis aumentando la conversión de fosforilasa b en a, y al mismo tiempo inhibe la síntesis de glucógeno favoreciendo la conversión de glucógeno sintasa forma I en la forma D, que es virtualmente inactiva en ausencia de suficiente glucosa 6-fosfato. Si el ATP se utiliza en la extracción muscular, la acumulación de AMP activa alostéricamente la fosforilasa b a fin de activar el proceso glucogenolítico. Cuando desciende la actividad muscular se reduce la utilización de glucosa 6-fosfato, aumentando su concentración y activando alostéricamente la glucógeno sintasa D y favoreciendo la glucogénesis. Al mismo tiempo, la glucosa 6-fosfato inhibe la fosforilasa quinasa AMP-dependiente. En el músculo en reposo, la mayor parte de la glucógeno sintasa se encuentra en la forma I (activa), mientras la fosforilasa se encuentra en la forma b (inactiva). En estas condiciones, el estado metabólico del músculo es de síntesis de glucógeno. Cuando se acumula el glucógeno, éste actúa como un regulador activando la fosforilasa quinasa y por consiguiente la glucogenólisis, e inhibiendo la glucógeno sintasa y con ello la síntesis de glucógeno. En la figura 5.7 se muestra el control de la glucogénesis y la glucogenólisis en el músculo. La proteína quinasa AMP-c dependiente, la fructosa 6-fosfato y el propio glucógeno intervienen en la regulación de la degradación y biosíntesis del glucógeno. Cuando éste se encuentra en exceso, activa la proteína quinasa para favorecer la glucogenólisis e inhibe la fosfatasa para que la glucógeno sintasa permanezca en la forma inactiva y no tenga lugar la síntesis de glucógeno. Un efecto similar apa-
Las condiciones que activan la síntesis de glucógeno inhiben su degradación y viceversa.
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Figura 5.7.– El control de la glucogénesis y la glucogenólisis en el músculo.
rece cuando la célula requiere energía iniciado por la epinefrina. Por otra parte, un exceso de glucosa 6-fosfato activa el paso de la forma D a la I favoreciendo la glucogénesis e inhibe la fosfarilasa quinasa para impedir la glucogenólisis. El control de los procesos glucogénico y glucogenolítico en el hígado es muy similar al que tiene lugar en el músculo, aunque existen algunas diferencias estructurales. La hormona que inicia los procesos de movilización de la glucosa del glucógeno hepático es el glucagón. Esta hormona es liberada por las células D del páncreas en respuesta a un nivel bajo de glucosa sanguínea y funciona a través del sistema proteína quinasa AMP-c
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dependiente. Como en las células musculares, esta enzima activa la glucogenólisis e inhibe la glucogénesis, aunque la epinefrina también provoca estos efectos en el hígado. En el hígado la glucosa libre actúa como una sustancia reguladora y, cuando alcanza niveles superiores a los normales, inhibe la degradación de glucógeno y favorece la síntesis del mismo. Así, un aumento de la concentración de glucosa activa la fosforilasa a fosfatasa aumentando la fosforilasa b, que es la forma poco activa en la ruta glucogenolítica, y, al mismo tiempo, activa la fosfoproteína fosfatasa para favorecer la forma I, activa, de la glucógeno sintasa.
LOS CICLOS DE SUBSTRATO Un par de reacciones en que el substrato de una enzima es el producto de otra y viceversa constituye un ciclo de substrato. Un claro ejemplo es la fosforilación de la fructosa 6-fosfato en dirección glucolítica a fructosa 1,6-bisfosfato y la hidrólisis de ésta nuevamente a fructosa 6-fosfato. Antes a estos procesos se les denominaba ciclos fútiles o inútiles, porque se creía que en este reciclado no se producía una ganancia neta de ninguno de los compuestos implicados para poder seguir siendo metabolizados. Sin embargo, en condiciones normales, al estar dichas reacciones catalizadas por enzimas distintas, no son activas al mismo tiempo, ya que ambas suelen estar controladas por efectos alostéricos inversos. Así en las reacciones anteriores se ha demostrado que, durante la gluconeogénesis, se produce fosforilación de la fructosa 6fosfato a fructosa 1,6-bisfosfato. Este proceso cíclico se ha observado en otros pares de reacciones opuestas irreversibles. Este hecho, que se entendió como un fallo o error en el control metabólico, se considera ahora una ventaja metabólica desde el punto de vista biológico. Así, una posibilidad es que los ciclos de substrato amplifiquen señales metabólicas (Fig. 5.8).
Figura 5.8.– El ciclo de sustrato fructosa 6-fosfato-fructosa 1,6-bisfosfato
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Supongamos que la velocidad de conversión de fructosa 6-fosfato (F6P) en fructosa 1,6-bisfosfato (F1,6BP) sea 90 y la de F1,6BP en GGP, 80, originando un flujo neto en dirección glucolítica de 90 80 10. Imaginemos que un efector alostérico, como puede ser el AMP, incrementa la velocidad FGP o F1,6BP en 20% siendo, por tanto, ésta 90 80 u 20 100
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y reduce inversamente la dirección F1,6BP FGP otro 20% en 80 80 u 20 100
64
El nuevo flujo será 64 10 54, de tal manera que se habría producido un incremento en el flujo neto de 54 u 100 10
540%
Otra posible función de los ciclos de substrato es la generación de calor producido por la hidrólisis del ATP. Esto es, la hidrólisis de ATP origina calor que sirve para mantener el entorno celular a una temperatura adecuada para que las enzimas desarrollen una actividad óptima (Fig. 5.9).
o F1,6BP operando para producir caFigura 5.9.– El ciclo de substrato FGP m lor por hidrólisis del ATP, ya que la reacción neta es ATP o ADP Pi ('G0c 7,3 kcal/mol).
Este hecho es de gran importancia en algunas especies de insectos que pueden volar aunque la temperatura ambiental esté muy por debajo de la corporal.
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RESUMEN La gluconeogénesis es la ruta central para la biosíntesis de carbohidratos a partir de precursores no hidrocarbonados sencillos como lactato, piruvato o algunos aminoácidos. Esta ruta es común a la glucolítica salvo en las tres reacciones irreversibles glucolíticamente y que son sobrepasadas en reacciones energéticamente favorables en dirección gluconeogénica. Así el piruvato es convertido en fosfoenolpiruvato mediante la secuencia mitocondrial piruvato-oxalacetato-malato, seguida de la secuencia citosólica malato-oxalacetato-fosfoenolpiruvato. El segundo paso es la hidrólisis de fructosa 1,6-bisfosfato a fructosa 6-fosfato y el tercero es la hidrólisis de glucosa 6-fosfato por la glucosa 6-fosfatosa para originar glucosa. La ruta requiere seis enlaces fosfato ricos en energía y es regulada, principalmente, por la primera enzima, la piruvato carboxilasa. La gluconeogénesis también se puede lograr a partir de algunos aminoácidos o intermediarios del ciclo de Krebs. Los procesos de degradación y síntesis del glucógeno en células musculares y hepáticas están regulados con precisión y mediante señales metabólicas y hormonales. Los ciclos de substrato sirven para amplificar señales metabólicas y pueden generar calor muscular local.
APLICACIONES CLÍNICAS Se conocen hasta ocho enfermedades en el almacenamiento del glucógeno (Tabla 5.1). La enfermedad de Cori o de tipo III se origina como consecuencia de una deficiencia en la enzima desramificante y, por ello, la degradación del glucógeno está limitada quedando moléculas mayores que las normales. Esto es, las moléculas son mayores debido a que las regiones internas del glucógeno no pueden ser degradadas por la glucógeno fosforilasa. Después de una alimentación normal, el glucógeno hepático muestra una estructura normal, pero, a medida que el organismo requiere glucosa, produce glucosa 1-fosfato que la convierte en glucosa 6-fosfato y que, por hidrólisis, libera glucosa a la sangre. Las cadenas externas del glucógeno van disminuyendo progresivamente hasta que no se puede producir más glu-
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Enfermedad
Defecto enzimático
Tejido u órgano afectado
Glucógeno en el órgano afectado
Características clínicas
I
Enfermedad de von Gierke
Glucosa-6-fosfatasa
Hígado y riñón
Cantidad aumentada; estructura normal
Alargamiento masivo del hígado. Falla para desarrollarse. Hipoglucemia intensa, cetosis, hiperlipemia
II
Enfermedad de Pompe
α-1,4-Glucosidasa (lisosómica)
Todos los órganos
Aumento masivo en cantidad; estructura normal
Insuficiencia cardiorrespiratoria que causa la muerte normalmente antes de los dos años edad.
III Enfermedad de Cori
Amilo-1,6-Glucosidasa (enzima desramificante)
Músculos e hígado
Cantidad aumentada; ramas externas cortas
Parecidas a los del tipo I pero más leves
IV Enfermedad de Anderson
Enzima ramificante (α-1,4 → α-1,6)
Hígado y bazo
Cantidad normal; ramas externas muy largas
Cirrosis hepática progresiva. Insuficiencia hepática.
V
Enfermedad de Mc Ardle
Fosforilasa
Músculo
Cantidad moderadamente aumentada; estructura normal
Capacidad limitada para realizar ejercicios intensos debido a calambres musculares dolorosos
VI Enfermedad de Hers
Fosforilasa
Hígado
Cantidad aumentada
Parecidas a los del tipo I pero más leves
VII Enfermedad de Tauri
Fosfofructoquinasa
Músculo
Cantidad aumentada; estructura normal
Parecidas a los del tipo V
VIII
Fosforilasa quinasa
Hígado
Cantidad aumentada; estructura normal
Agrandamiento ligero del hígado. Hipoglucemia leve
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Tabla 1.1– Algunas enfermedades por almacenamiento de glucógeno.
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cosa 1-fosfato porque las unidades de glucosa están unidas por enlaces D (1 o 6). En este punto la hipoglucemia estimula la secreción de glucagón y otras hormonas que estimulan la gluconeogénesis, se produce más glucosa y la liberación de ácidos grasos de las células adiposas. Se origina cetonemia, ya que el hígado capta una gran cantidad de ácidos grasos y los convierte en cuerpos cetónicos. A los pacientes con esta enfermedad se debe suministrar alimentos ricos en carbohidratos en pequeñas y frecuentes tomas.
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TEMA 6
Metabolismo lipídico
Digestión, movilización y transporte de los lípidos. b-oxidación de los ácidos grasos. Rendimiento energético de la oxidación de los ácidos grasos. Control de la oxidación de los ácidos grasos.
Los lípidos, como grupo heterogéneo de sustancias, desempeñan funciones muy diversas en el organismo, ya que actúan como vitaminas, hormonas, componentes de membranas biológicas o reserva energética, almacenándose principalmente en el tejido adiposo en forma de triacilglicéridos. En el caso de los mamíferos, el metabolismo lipídico comienza con la digestión de las grasas ingeridas en la dieta, su transporte a través de las lipoproteínas, su posterior almacenamiento y su movilización cuando son necesarios para la obtención de energía. En este sentido, los ácidos grasos representan la principal fuente de almacenamiento de energía en muchos organismos, ya que suponen una ventaja con relación a los polisacáridos, puesto que en los ácidos grasos el carbono está casi completamente reducido y, por lo tanto, su oxidación genera más energía, en forma de ATP, que la de otros compuestos de carbono como los glúcidos.
DIGESTIÓN, MOVILIZACIÓN Y TRANSPORTE DE LOS LÍPIDOS Digestión de los lípidos La digestión de los lípidos comienza en el estómago mediante una lipasa estable frente a ácidos. La velocidad de hidrólisis es muy lenta, los triacilglicéridos son apenas digeridos a nivel gástrico, debido a que el pH del estómago es muy ácido y no puede actuar la lipasa gástrica. En la región inferior del estómago los triacilglicéridos se mezclan con proteínas, hi-
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La hidrólisis de los triacilglicéridos se produce fundamentalmente en el intestino delgado por acción de la lipasa pancreática.
dratos de carbono, jugo gástrico y otras sustancias; la degradación de esta mezcla, junto con la acción motriz del estómago, origina una sustancia denominada quimo. Al mismo tiempo que el quimo pasa al duodeno, se mezcla con el jugo pancreático, el cual contiene sales biliares, lipasa pancreática y estearasas, así como iones bicarbonato, que neutralizan la actividad del quimo. La hidrólisis de los triacilglicéridos se produce fundamentalmente en el intestino delgado por acción de la lipasa pancreática, esta enzima se sintetiza en el páncreas en forma de zimógeno siendo secretada al duodeno a través del conducto linfático. El zimógeno es activado al ser hidrolizado de forma específica por la tripsina, requiriendo para su actividad la presencia de sales biliares e iones Ca2. La lipasa pancreática es específica para ésteres en la posición D del glicerol, de manera que se escinden ácidos grasos de las posiciones C-1 y C-3, dando como resultado ácidos libres y E-monoacilgliceroles. La forma purificada de la enzima es fuertemente inhibida por los ácidos biliares, normalmente presentes en el intestino delgado durante la digestión de los lípidos, esta inhibición se supera mediante la acción de la colipasa, una proteína de 12 kDa que se une tanto a la interfase lípido-agua como a la lipasa, anclándose y activando a la enzima. Los fosfolípidos son degradados mediante fosfolipasas específicas, que se sintetizan en el páncreas en forma de zimógenos, y son activadas como las lipasas por proteolísis mediada por tripsina, y de igual modo que ellas requieren la presencia de ácidos biliares e iones calcio para su actividad y son inhibidas por los ácidos biliares. Las estearasas son una familia de enzimas menos específicas, que catalizan la hidrólisis de otro tipo de lípidos tales como ésteres de colesterol, monoacilgliceroles u otros ésteres como la vitamina A con ácidos carboxílicos. A diferencia de las anteriores, estas enzimas requieren la presencia de los ácidos biliares para su actividad. Las sales biliares emulsionan los triacilglicéridos y ésteres de los ácidos grasos de cadena larga, haciéndolos accesibles a la acción hidrolítica de las lipasas y estearasas intestinales. Este proceso de emulsión es posible gracias a la naturaleza anfipática de las sales biliares, que pueden formar micelas y éstas solubilizar otros lípidos, tales como fosfolípidos y ácidos grasos. Las micelas son transportadas desde el lumen del intestino delgado hasta las microvellosidades de las células epiteliales del mismo, localización en la cual los ácidos grasos de cadena larga se disocian de las micelas y difunden a través de la membrana
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METABOLISMO LIPÍDICO
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hasta el citoplasma celular. Las sales biliares son reabsorbidas en el íleon y transportadas vía vena mesentérica superior a la porta y de ésta al hígado, donde entran de nuevo a formar parte de la bilis. Los ácidos grasos que llegan a la superficie de las células son captados y utilizados para la producción de energía principalmente en las mitocondrias.
Transporte de los lípidos: Lipoproteínas Las lipoproteínas son el sistema se transporte de lípidos por el organismo; ayudan a mantener en forma solubilizada unos 500 mg de lípidos por cada 100 mL de sangre. Los quilomicrones, que son las lipoproteínas que transportan a los triacilglicéridos exógenos, llevan la grasa del alimento desde el intestino a los tejidos periféricos, especialmente al corazón, el músculo y el tejido adiposo (Fig. 6.1). Las VLDL (lipoproteínas de muy baja densidad) desempeñan un papel muy parecido pero para los triacilglicéridos endógenos (sintetizados en el hígado) (Fig. 6.2). Los triacilglicéridos de ambas lipoproteínas
Los ácidos grasos que llegan a la superficie de las células son captados y utilizados para la producción de energía principalmente en las mitocondrias.
Figura 6.1.– Destino metabólico de los quilomicrones
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Figura 6.2.– Destino metabólico de las VLDL. Formación de las LDL.
Las lipoproteínas son el sistema se transporte de lípidos por el organismo.
Las HDL desempeñan el papel de eliminar el exceso de colesterol de los tejidos y devolverlo al hígado para su metabolismo o excreción.
se hidrolizan a glicerol y ácidos grasos en las superficies internas de los capilares de los tejidos periféricos. Esta hidrólisis comporta una activación de la enzima extracelular lipoproteína lipasa por la apoproteína C-II. Algunos de estos ácidos grasos liberados son absorbidos por las células próximas, mientras que otros, debido a que son bastante insolubles, forman complejos con la albúmina sérica para ser transportados a células más distantes. Tras la absorción en la célula, el glicerol y los ácidos grasos pueden ser utilizados para obtener energía o, en las células adiposas, utilizarse para volver a sintetizar triacilglicéridos. A partir de la VLDL se obtienen las IDL, y los quilomicrones se transforman en restos de quilomicrones; ambos tipos de restos son captados por el hígado a través de receptores específicos y degradados posteriormente en los lisosomas hepáticos. La apoproteína B-100 se utiliza para la síntesis de las LDL (a partir de las IDL), siendo éstas las lipoproteínas que transportan el colesterol a los tejidos (Fig. 6.2). Las HDL desempeñan el papel de eliminar el exceso de colesterol de los tejidos y devolverlo al hígado para su metabolismo o excreción.
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Movilización de los lípidos almacenados El transporte de la grasa de la dieta a los lugares de reserva, generalmente, no está regulado. La falta de control en este proceso es evidente, como lo demuestra la existencia de la obesidad en el ser humano, en la que la grasa se almacena en exceso respecto a la necesidad de aporte energético. Sin embargo, la liberación de la grasa de los depósitos de almacenamiento del tejido adiposo se controla hormonalmente, para satisfacer las necesidades del organismo en la generación de energía. La liberación de la energía metabólica almacenada en los triacilglicéridos es comparable con la movilización de la energía de los hidratos de carbono almacenada en el glucógeno de los animales. El primer paso de la degradación de la grasa, su hidrólisis a glicerol y ácidos grasos, se regula hormonalmente. La primera reacción, que estudiaremos más adelante, se regula mediante una cascada enzimática en la que interviene el AMP cíclico (AMPc); según cuál sea el estado fisiológico del individuo, intervienen distintas hormonas que activan la proteína quinasa, que a su vez activa a una enzima sensible a las hormonas, denominada triacilglicerol lipasa, que actúa sobre los triacilglicéridos. Los productos de hidrólisis de los triacilglicéridos salen del adipocito por difusión pasiva y llegan al plasma sanguíneo, donde los ácidos grasos se unen a la albúmina. Posteriormente, los ácidos grasos se liberan de la albúmina y son captados por los tejidos. Esta captación de ácidos grasos al interior de las células está dirigida fundamentalmente por un gradiente de concentración. La mayor parte del glicerol liberado al torrente sanguíneo se capta por las células hepáticas, donde se utiliza como precursor gluconeogénico de la glucosa.
b-OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS Una vez hidrolizados los triacilglicéridos, los ácidos grasos son oxidados por un mecanismo que Knoop (1905) denominó E-oxidación. La E-oxidación consiste en la liberación de dos átomos de carbono a la vez (en forma de acetil-CoA) del extremo carboxílico de la molécula, oxidándose para ello el carbono E del ácido graso original. Es el principal proceso por el cual los ácidos grasos generan energía. Varias enzimas, conocidas como oxidasas de los ácidos grasos, se encuentran en las mitocondrias, íntimamente asociadas a las enzimas de la cadena respiratoria. Estas enzimas catalizan la oxidación de los ácidos grasos con el consiguiente desprendimiento sucesivo de moléculas de acetil-CoA.
La b-oxidación consiste en la liberación de dos átomos de carbono a la vez (en forma de acetil-CoA) del extremo carboxílico de la molécula, oxidándose para ello el carbono b del ácido graso original.
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Secuencia de reacciones de la b-Oxidación La secuencia de reacciones de la E-oxidación es la siguiente: 1ª reacción: Activación de los ácidos grasos mediante su unión con el CoA. Es una reacción doble que requiere la energía del ATP. Éste es el único paso en la degradación de los ácidos grasos que precisa la energía de dicho compuesto: a)
E
D
Mg2
R C H2 C H2 COOH ATP o tioquinasa ácido graso o R CH2 CH2 CO AMP PPi acil-AMP el PPi es hidrolizado por una fosfatasa. PPi H2O o 2 Pi
b)
R CH2 CH2 CO AMP CoA a SH o acil-AMP o R CH2 CH2 CO S CoA AMP acil-CoA o 2 ADP AMP ATP m El acil-CoA obtenido es el ácido graso activado.
La carnitina no sólo es el transportador de ácidos grasos de cadena larga al interior mitocondrial, sino que, además, cumple la función de mantener separados el “almacén” de coenzima A citoplasmático del mitocondrial.
Las enzimas acil-CoA sintetasas convierten a los ácidos grasos libres en tioésteres de coenzima A, ricos en energía. La formación de una molécula de acil-CoA de cadena larga tiene lugar a través de un intermedio, el acil-adenilato unido a la enzima, en esta reacción se requiere ATP, liberándose pirofosfato en el proceso. Posteriormente, el anión tiolato de la coenzima A reacciona con el átomo de carbono carbonílico del intermediario para generar el tioéster acil-CoA. Por último, el acil-CoA y el AMP se liberan de la enzima, mientras que el pirofosfato resulta hidrolizado en dos moléculas de fosfato (Fig. 6.3). Este proceso de activación tiene lugar en el citoplasma celular.
Transporte de los Acil-CoA al interior mitocondrial: Transferencia a la carnitina Los acil-CoA generados en el citoplasma celular no pueden atravesar la membrana interna mitocondrial, ya que es imper-
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Figura 6.3.– Esquema de la activación de un ácido graso. Ade
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Adenosina.
meable a estos compuestos. Sin embargo, las siguientes etapas de la E-oxidación tienen lugar en la matriz mitocondrial. Los ácidos grasos de cadena corta (2-10 átomos de C) pueden atravesar libremente las membranas mitocondriales, mientras que los ácidos grasos de cadena larga tienen que ser transportados a la matriz mitocondrial para ser oxidados. El transportador de los grupos acilo es la L-carnitina (4-trimetilamino-3-hidroxibutirato). La carnitina aciltransferasa I, localizada en la cara externa de la membrana mitocondrial interna, cataliza la transferencia del grupo acilo de cadena larga desde la molécula de acil-CoA al grupo hidroxilo de la carnitina, formándose el respectivo éster O-acilcarnitina; esta molécula es transportada al interior de la mitocondria por la proteína carnitina-acilcarnitina translocasa. La carnitina aciltransferasa II, localizada en la cara interna de la membrana mitocondrial interna, cataliza la transferencia del grupo acilo graso de la Oacilcarnitina a la coenzima A procedente del interior mitocondrial, regenerándose así la molécula de acil-CoA de cadena larga en el interior mitocondrial (Fig. 6.4), con lo que ya puede comenzar la siguiente reacción de la E-oxidación.
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Figura 6.4.– Transporte de los acil-CoA de cadena larga al interior de la mitocondria. (A) Esquema del transporte. (B) Reacciones que se producen.
La carnitina aciltransferasa I es inhibida por el malonil-CoA, metabolito intermedio de la lipogénesis, que actúa de elemento de control para la E-oxidación. Este mecanismo de lanzadera requiere la existencia de reservas de coenzima A citosólicas e intramitocondriales. La car-
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nitina no sólo es el transportador de ácidos grasos de cadena larga al interior mitocondrial, sino que además cumple la función de mantener separados el “almacén” de coenzima A citoplasmático del mitocondrial. Una vez que un ácido graso ha sido activado y transportado a la matriz mitocondrial (lo que constituye la primera reacción del proceso), cada ciclo de oxidación de un acil-CoA sigue la siguiente secuencia: 2ª reacción: Oxidación (deshidrogenación) para dar un derivado enólico, el acil, D-E-insaturado-CoA; 3ª reacción: Hidratación del doble enlace resultante, dando un E-hidroxiacil-CoA; 4ª reacción: Oxidación del E-hidroxiacil-CoA por deshidrogenación, formándose un cetoacil-CoA; 5ª reacción: Liberación o escisión de una molécula de acetil-CoA mediante entrada de otra molécula de CoA a SH, y quedando formado un acil-CoA con dos átomos de carbono menos que el ácido graso original. El acetil-CoA formado en la matriz mitocondrial procedente de la E-oxidación de los ácidos grasos, al igual que el acetil-CoA procedente del piruvato, entra en el ciclo de Krebs, donde se oxida a CO2. Por lo tanto, la E-oxidación también genera transportadores electrónicos reducidos, que, al reoxidarse en las mitocondrias, producen ATP a través de la fosforilación oxidativa del ADP. 2ª reacción: Oxidación (deshidrogenación). La acil-CoA deshidrogenasa, que lleva como cofactor el FAD, cataliza la deshidrogenación del acil-CoA entre los carbonos D y E.
3ª reacción: Hidratación del doble enlace. Es una reacción catalizada por la enoil-hidrasa o enoil-CoA hidrasa, en la que la aparición de un OH en el producto final dará lugar a que exista una forma D y otra L.
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enoil-hidrasa
R CH CH CO S CoA H2O o acil-D-E-insaturado-CoA OH l o R CH CH2 CO S CoA L-E-hidroxiacil-CoA ó L-3-hidroxiacil-CoA Los ácidos grasos se oxidan mediante ciclos repetidos de oxidación, hidratación, oxidación y liberación o escisión de una molécula de acetil-CoA
4ª reacción: Oxidación del hidroxiacil-CoA. La deshidrogenación, catalizada por la E-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa con cofactor NAD, da lugar a la formación de un cetoacilCoA. Existen dos formas de la enzima, específicas para las formas D y L del hidroxiacil-CoA.
5ª reacción: Liberación o escisión de una molécula de acetil-CoA. Se produce por entrada de una molécula de coenzima A, lo que ocasiona la liberación de acetil-CoA, y se forma un acil-CoA con dos átomos de carbono menos que el acil-CoA original. tiolasa
R CO CH2 CO S CoA CoA a SH o E-cetoacil-CoA o CH3 CO S CoA R CO S CoA acetil-CoA acil-CoA El acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs, mientras que el acil-CoA formado vuelve a pasar otra vez por el ciclo de la b-oxidación a partir de la 2ª reacción.
El acetil-CoA se incorpora al ciclo de Krebs, mientras que el acil-CoA formado vuelve a pasar otra vez por el ciclo de la Eoxidación a partir de la 2ª reacción. De esta forma, un ácido graso de cadena larga (y número par de átomos de carbono) puede ser degradado completamente a acetil-CoA tras sucesivas “vueltas” para seguir después el ciclo de Krebs.
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RENDIMIENTO ENERGÉTICO DE LA OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS Para determinar el rendimiento energético de esta ruta metabólica hay que tener en cuenta que cada conjunto de oxidaciones que da lugar a una molécula de acetil-CoA produce también una molécula de FADH2 (flavoproteína reducida) y un NADH. Cada una de las flavoproteínas reducidas puede originar 2 ATP, y cada uno de los NADH puede producir 3 ATP, cuando son procesados por la cadena de transporte de electrones. Si consideramos, por ejemplo, la oxidación del palmitoilCoA, en donde se dan siete vueltas al ciclo, ya que en la última se forman dos moléculas de acetil-CoA, el rendimiento total de la E-oxidación sería de 129 ATP. Se obtienen ocho moléculas de acetil-CoA, que, al incorporarse al ciclo de Krebs, generaran 96 ATP, siete moléculas de FADH2 que dan 14 ATP, y siete moléculas de NADH que generan 21 ATP. La suma total de moléculas de ATP sería 131, pero hay que tener en cuenta que para la activación del ácido palmítico a palmitoil-CoA se requiere la hidrólisis de una molécula de ATP para dar AMP y PPi; la molécula de AMP se transforma en ADP mediante hidrólisis de otra molécula de ATP, por tanto, a los 131 ATP obtenidos hay que restarles 2 ATP de la activación del ácido graso. La reacción para la degradación global del palmitoil-CoA a ocho unidades de acetil-CoA es la siguiente: palmitoil-CoA 7 CoA a SH 7 FAD 7 NAD+ 7 H2O o 8 acetil-CoA 7 FADH2 7 NADH 7 H
La reacción para la degradación global del palmitoil-CoA a ocho unidades de acetil-CoA es la siguiente: PalmitoilCoA + 7 CoA ~ SH + 7 FAD + 7 NAD+ + 7 H2O o 8 Acetil-CoA + 7 FA D H 2 + 7 NADH + 7 H+.
Y el esquema del proceso energético de la E-oxidación del palmitil–CoA es: Reacción
ATPs producidos
Oxidación de 7 FADH2 Oxidación de 7 NADH Oxidación de 8 acetil-CoA Activación del ac. palmítico
o 7u 2 o 7u 3 o 8 u 12 o
Palmítico + 23 O2
o 16 CO2 + 16 H2O + 129 ATP
14 21 96 2
Hemos supuesto el proceso en condiciones ideales, es decir, consideramos que la oxidación de acetil-CoA en una vuelta del ciclo de Krebs rinde 12 ATP, y que las relaciones P/O para la oxidación de FADH2 y NADH son 2 y 3, respectivamente. NOTA: Otros autores consideran que cada FADH2 oxidado en la cadena respiratoria genera 1,5 ATP, mientras que por cada NADH se forman 2,5 ATP, la oxidación del acetil-CoA a partir del ciclo
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de los ácidos tricarboxílicos produce 10 ATP; de esta manera la oxidación del palmítico produciría 106 ATP.
Otra forma de obtener el rendimiento energético es la siguiente: • Cada vuelta produce 5 ATP, como son siete vueltas: 7u5
35 ATP
Hay que restar los 2 ATP consumidos en la activación del ácido graso (1ª reacción) 35 2
33 ATP
• Cada acetil-CoA produce 12 ATP a partir del ciclo de Krebs. Como en el caso del palmítico se producen ocho moléculas de acetil-CoA, tenemos 12 u 8
96
Luego, la oxidación del palmítico produce: E-oxidación o ciclo de Krebs o
33 ATP 96 ATP ———— 129 ATP
Si consideramos que cada ATP encierra una energía de 7,3 8 kcal, la energía total almacenada será: 7,3 ó 8 u 129 | 940 a 1.000 kcal
Oxidación de ácidos grasos de número impar de átomos de carbono Cuando se trata de un ácido graso de número impar de átomos de carbono, la oxidación se realiza de forma análoga, pero la última vuelta producirá una molécula de propionil-CoA y otra de acetil-CoA en lugar de las dos de acetil-CoA. El propionil-CoA se transforma en succinil-CoA, que ingresa directamente en el ciclo de Krebs, mediante tres reacciones catalizadas enzimáticamente (Fig. 6.5): Los ácidos grasos de número impar de C son poco frecuentes y generalmente tienen origen vegetal. El rendimiento energético de la oxidación de un ácido graso de número impar de átomos de carbono, como por ejemplo el pentadecanoato (15 C), es: de la oxidación de las 6 moléculas de acetil-CoA obtenidas se generan 6 u 12 72 ATP, otras 12 moléculas de ATP se obtienen de la oxidación de suc-
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Figura 6.5.– Conversión del propionil-CoA en succinil-CoA.
cinil-CoA en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Como en la activación se consumen 2 ATP, y la propionil-CoA carboxilasa utiliza 1 ATP, nos proporcionan 84 3 81 ATP. Cada vuelta al ciclo produce 5 ATP, como son 6 vueltas, 5 u 6 30 ATP. El rendimiento global es de 81 30 111 ATP.
Oxidación de ácidos grasos insaturados Los ácidos grasos insaturados, como el oleico o el linoleico, son oxidados por las mismas vías que los ácidos grasos saturados, pero se presentan dos dificultades especiales. a) En primer lugar, los dobles enlaces de los ácidos grasos insaturados naturales se encuentran en posición cis, mientras que los intermediarios de la E-oxidación que llamamos genéricamente acil-D-E-insaturado-CoA han de encontrarse en posición trans. b) En segundo lugar, la mayoría de los ácidos grasos insaturados tienen colocados los dobles enlaces de forma que la sucesiva eliminación de restos de acetil-CoA a partir del extremo carboxílico acaba por producir un compuesto acil-E-J-insaturado-CoA, en lugar de un acilD-E-insaturado-CoA, y la enzima enoil-hidrasa solamente actúa sobre estos últimos. Estos problemas se resolvieron con el descubrimiento de una enzima, la 'E- J-cis- 'D-E-trans-enoil-CoA isomerasa, que ca-
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taliza el desplazamiento del doble enlace desde la configuración 'E-J-cis a la 'D-E-trans (Fig. 6.6). El producto resultante es ya un acil-D-E-insaturado-CoA sobre el que puede actuar la enoil-hidrasa, continuando el proceso de la E-oxidación.
Figura 6.6.– Enzimas accesorias para la E-oxidación de los ácidos grasos insaturados.
Veamos como ejemplo la oxidación del ácido oleico: El ácido oleico tiene 18 átomos de carbono y un doble enlace en posición 9 (18: 1'9). El oleico comienza el ciclo de la E-oxida-
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ción, y en las tres primeras vueltas se producen tres moléculas de acetil-CoA y un acil-E-J-insaturado-CoA, también denominado acil-'3-cis-enoil-CoA
La 'E-J-cis-'D-E-trans-enoil-CoA isomerasa transforma este E-J-insaturado-cis en un D-E-insaturado-trans
La enoil-hidrasa transforma el D-E-insaturado-trans en el correspondiente L-E-hidroxiacil-CoA, continuando el proceso de la E-oxidación sin modificaciones. Hay que tener presente que el D-E-insaturado-CoA formado comienza su vuelta en el proceso a partir de la 3ª reacción, con lo cual los 2 ATP que se forman normalmente a partir del FADH2 de la 2ª reacción, no se forman en esta ocasión. Por lo tanto, para calcular el balance energético de la oxidación de un ácido graso insaturado, se calcula primero el balance energético de su homólogo saturado y se le restan 2 ATP por cada doble enlace que tenga el ácido graso insaturado. Cuando se trata de la oxidación de un ácido graso poliinsaturado se necesita una segunda enzima auxiliar para com-
Para calcular el balance energético de la oxidación de un ácido graso insaturado, se calcula primero el balance energético de su homólogo saturado y se le restan 2 ATP por cada doble enlace que tenga el ácido graso insaturado.
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Mediante estas dos enzimas auxiliares (D b-g -cis- D a-b -transenoil-CoA isomerasa y b-hidroxiacil-CoA epimerasa) pueden ser degradados todos los ácidos grasos de la naturaleza.
pletar la degradación. Veamos como ejemplo el ácido linoleico (18: '9,12). Las tres primeras vueltas del ciclo desprenden tres moléculas de acetil-CoA, llegándose a un doble enlace 'E-J-cis o '3-cis, como en el caso del oleil-CoA. Por acción de la 'E-J-cis- 'D-E-trans-enoil-CoA isomerasa se forma el isómero 'D-E-trans, que se hidrata a continuación al correspondiente L-E-hidroxiacil-CoA, continuando el proceso de la E-oxidación para desprenderse una nueva molécula de acetil-CoA. Llegamos así a la formación de un acil-D-E-insaturado, pero cuyo doble enlace está en posición cis. La enoil-hidrasa actúa sobre él igualmente pero el resultado de la hidratación es un '-hidroxiacil-CoA en lugar del L-hidroxiacil-CoA correspondiente. Esta irregularidad se solventa con la actuación de una segunda enzima auxiliar, la E-hidroxiacil-CoA epimerasa, que cataliza la epimerización del carbono E. El compuesto resultante se oxida por la deshidrogenasa correspondiente, y continúa el proceso normal de la E-oxidación (Fig. 6.7). Mediante estas dos enzimas auxiliares ('E-J-cis- 'D-E-transenoil-CoA isomerasa la E-hidroxiacil-CoA epimerasa) pueden ser degradados todos los ácidos grasos de la naturaleza.
CONTROL DE LA OXIDACIÓN DE LOS ÁCIDOS GRASOS En la mayoría de las células, la oxidación de los ácidos grasos se controla por la disponibilidad de los propios ácidos grasos para la oxidación.
En la mayoría de las células, la oxidación de los ácidos grasos se controla por la disponibilidad de los propios ácidos grasos para la oxidación. En los animales, esta disponibilidad se regula mediante el control hormonal de la movilización de las grasas en los adipocitos, ya que la función del tejido adiposos consiste en almacenar la grasa para que sea utilizada en otras células, luego tiene sentido, desde el punto de vista metabólico, que la liberación y la degradación de esta grasa almacenada se regule por hormonas, que son mensajeros extracelulares. En el hígado, la concentración de malonil-CoA constituye otro mecanismo regulador que controla la captación de acilCoA desde el citosol a las mitocondrias. En este tejido, el malonil-CoA es un inhibidor de la carnitina aciltrasferasa I, luego inhibe la oxidación de los ácidos grasos, al impedir el transporte de éstos a las mitocondrias.
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Figura 6.7.– E oxidación del ácido linoleico (C18, '9,12).
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RESUMEN La movilización de las grasas en las células adiposas tiene lugar mediante la hidrólisis enzimática de los triacilgliceroles a ácidos grasos y glicerol, el proceso se controla hormonalmente, a través de la fosforilación de la lipasa dependiente de AMPc. Una vez hidrolizados los triacilglicéridos, los ácidos grasos son oxidados por un mecanismo denominados Eoxidación, que es un proceso mitocondrial que comporta la oxidación escalonada y la liberación de dos átomos de carbono simultáneamente en forma de acetilCoA. Los ácidos grasos se activan mediante su unión a CoA ~ SH en una reacción doble que requiere la energía del ATP. Esta reacción tiene lugar en la membrana mitocondrial externa. Los acil-CoA son transportados a través de la membrana interna mitocondrial por la carnitina, y son oxidados en la matriz mitocondrial por una secuencia repetida de cuatro reacciones: oxidación (deshidratación) ligada al FAD, hidratación, oxidación (deshidrogenación) ligada al NAD, y liberación o fragmentación tiólica por CoA ~ SH, de tal manera que cada ciclo produce una molécula de acetil-CoA. El FADH2 y el NADH formados en las etapas de oxidación transfieren sus electrones al O2 por medio de la cadena respiratoria, mientras que el acetil-CoA formado en la reacción de liberación o tiólisis, entra, generalmente, en el ciclo de Krebs por condensación con oxalacetato, y el acil-CoA formado con dos átomos de carbono menos que el ácido graso original, repite ciclo en la primera reacción de oxidación. Varias enzimas, conocidas como “oxidasas de los ácidos grasos”, que se encuentran en las mitocondrias íntimamente asociadas a las enzimas de la cadena respiratoria, catalizan la oxidación de los ácidos grasos. En la oxidación de las cadenas de ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono se produce una molécula de propionil-CoA. En la oxidación de los ácidos grasos insaturados se necesitan dos enzimas auxiliares para transformar los dobles enlaces de la forma cis a la trans y de la posición 'E-J a 'D-E, estas enzimas son la E-hidroxiacil-CoA epimerasa (enoil-CoA isomerasa) y la 'E-J-cis- 'D-E-trans-enoil-CoA isomerasa ('2-trans- '4-cis dienol-CoA-reductasa).
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APLICACIONES CLÍNICAS Enfermedad de Refsum La ruta de la D-oxidación se descubrió mediante el análisis de un trastorno neurológico congénito grave y poco frecuente, denominado enfermedad de Refsum. El uso de la D-oxidación es secundario en lo referente a producción de energía, pero sí es significativo en el metabolismo de los ácidos grasos metilados de la dieta, uno de los más importantes es el ácido fitánico, que es un derivado del fitol, que forma parte de la clorofila. CH3 CH (CH2)3 CH (CH2)3 CH (CH2)3 CH CH2 COOH l l l l CH3 CH3 CH3 CH3 El ácido fitánico es un constituyente de los lípidos lácteos y de las grasas animales, se metaboliza generalmente mediante una D-hidroxilación inicial, seguida de deshidrogenación y decarboxilación, ya que el carbono D puede oxidarse para dar el ácido pristánico, que puede degradarse siguiendo el proceso de la E-oxidación. En la enfermedad de Refsum, la D-oxidación es defectuosa, y el ácido fitánico no puede convertirse en un sustrato que pueda degradarse debido al grupo 3 metilo de su molécula. Es ésta una enfermedad genética poco común, los enfermos que padecen este trastorno carecen de la enzima Dhidroxilante, por lo que acumulan grandes cantidades de ácido fitánico en los tejidos y en el suero. Este hecho origina problemas neurológicos graves, tales como la retinitis pigmentosa, la neuropatía periférica, la ataxia cerebelosa y la sordera de tipo nervioso. El tratamiento consiste en seguir una alimentación que contenga poca o ninguna clorofila; es un tratamiento difícil ya que descarta todos los vegetales de hoja verde, la carne y el consumo de productos lácteos, sobre todo la leche procedente de animales herbívoros, ya que estos alimentos contienen grandes cantidades de ácido fitánico. La reducción en el consumo de estos productos tiene como resultado la disminución del ácido fitánico del plasma, así como la regresión de los síntomas neurológicos.
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TEMA 7
Formación de cuerpos cetónicos. Cetosis o cetogénesis
Formación de cuerpos cetónicos. Cetosis o cetogénesis.
En los mamíferos se producen adaptaciones metabólicas en situación de ayuno con el fin de mantener niveles adecuados de glucosa en sangre, ya que este compuesto es el sustrato energético principal del cerebro, y es imprescindible para otros tejidos como la médula adrenal o los eritrocitos. Cuando la situación de ayuno está avanzada, la lipolisis del tejido adiposo proporciona gran cantidad de ácidos grasos, parte de los cuales son utilizados por el higado para su tranformación en actilCoA, gran parte del cual es convertido en cuerpos cetónicos. Los cuerpos cetónicos sintetizados por el hígado son vertidos a la sangre para ser utilizados como fuente de energía por diferentes tejidos, como el músculo y el cerebro, con lo que disminuyen las necesidades de glucosa del organismo.
FORMACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS. CETOSIS O CETOGÉNESIS Si el metabolismo de glúcidos y lípidos está equilibrado, el destino del acetil-CoA que proviene de la b-oxidación, será su oxidación final a CO2 y H2O mediante el ciclo del ácido cítrico o bien a la biosíntesis de ácidos grasos. Existen circunstancias especiales como el ayuno, la diabetes o cualquier situación de incapacidad de obtener glucosa, en las que el organismo utiliza una ruta biosintética que garantice la formación necesaria de glúcidos, de manera que el oxalacetato, que es la molécula inicial del ciclo del ácido cítrico, se utilice para la formación de glucosa. De esta forma la molécula de oxalacetato no es accesible para su condensación con el acetil-CoA obtenido a partir de la E-oxidación, ya que su oxi-
Los cuerpos cetónicos son acetoacetato o ácido-acetoacético, D-3-hidroxibutirato o ácido b-hidroxibutírico y acetona.
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dación está limitada. En estas condiciones metabólicas, asociadas a una tasa elevada de oxidación de ácidos grasos, la molécula de acetil-CoA se utiliza para la obtención de considerables cantidades de sustancias denominadas en general cuerpos cetónicos. Cantidades más altas de las normales presentes en sangre o en orina constituyen la cetonemia o cetonuria, el estado metabólico general, en estas condiciones, se denomina cetosis o cetogénesis, proceso que tiene lugar en las mitocondrias, siendo el hígado el principal centro de producción de estos compuestos. Los cuerpos cetónicos son fundamentalmente el acetoacetato o ácido acetoacético y su producto de reducción el D-3-hidroxibutirato o ácido b-hidroxibutírico que tiene caracter ácido, solubles en agua, se sintetizan, como hemos dicho anteriormente, en el hígado. La acetona que procede de la decarboxilación espontanea del acetoacetato, también se considera cuerpo cetónico. Cuando las concentraciones de acetil-CoA son elevadas, dos moles de acetil-CoA se condensan para formar acetoacetil-CoA.
El acetoacetil-CoA puede reaccionar con otra molécula de acetil-CoA para dar E-hidroxi-E-metilglutaril-CoA (HMG-CoA), compuesto intermedio tanto en la biosíntesis del colesterol en el citosol, como en la formación de cuerpos cetónicos, reacción catalizada por la E-hidroxi-E-metilglutaril-CoA-sintasa, enzima condensante.
En la mitocondria el HMG-CoA produce acetoacetato y acetil-CoA a través de la HMG-CoA liasa, enzima desdoblante.
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FORMACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS. CETOSIS O CETOGÉNESIS
El acetoacetato experimenta una reducción dependiente de NADH para dar lugar a otro cuerpo cetónico, el E-hidroxibutirato o ácido-E-hidroxibutírico, o bien en cantidades pequeñas, se produce una decarboxilación espontánea formándose acetona.
La acetona puede seguir metabolizándose de dos formas: Transformándose en acético y fórmico por oxidación: O ll [OH] CH3 C CH3 o CH3 COOH H COOH o en piruvato e ingresar en el ciclo de Krebs.
Como hemos indicado anteriormente, la cetogénesis se produce fundamentalmente en el hígado, debido a las elevadas concentraciones de HMG-sintasa de ese tejido. Los cuerpos cetónicos difunden de la mitocondria hepática a la sangre y ésta los transporta a los tejidos periféricos, siendo utilizados como
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La cetogénesis se produce fundamentalmente en el hígado, debido a las elevadas concentraciones de HMG-Sintasa de ese tejido.
Los cuerpos cetónicos son combustibles normales en el metabolismo aeróbico y son importantes como fuentes de energía.
La cetogénesis es el resultado de una deficiencia de los hidratos de carbono disponibles.
combustibles alternativos a la glucosa y los ácidos grasos, lo que es importante pues prolongan el período que un mamífero puede sobrevivir ayunando, ya que los animales son incapaces de convertir los ácidos grasos en glucosa. El acetil-CoA no puede transformarse en piruvato u oxalacetato, reservando la glucosa para el tejido que más la necesita, que es el cerebro, que normalmente (en personas bien alimentadas con una dieta equilibrada) utiliza glucosa como su principal combustible, sin embargo, en ayuno o diabetes, sufre una adaptación metabólica para utilizar la energía que genera el catabolismo de los cuerpos cetónicos, sobre todo en períodos prolongados de ayuno, los cuerpos cetónicos aportan aproximadamente el 75% de las necesidades energéticas del cerebro (Fig. 7.1). No obstante, existen tejidos que utilizan el acetoacetato con preferencia a la glucosa incluso en situaciones metabólicamente normales, estos tejidos son el músculo cardíaco y la corteza renal. Los cuerpos cetónicos son combustibles normales en el metabolismo aeróbico y son importantes como fuentes de energía. El acetoacetato puede considerarse como una forma, transportable e hidrosoluble, de unidades de acetilo. Tiene también el acetoacetato una función reguladora, ya que niveles altos de acetoacetato en sangre indican gran cantidad de unidades de acetilo, y causan una disminución en la velocidad de lipólisis del tejido adiposo. Hemos visto anteriormente que, en condiciones normales, la formación de acetona es mínima, pero cuando se producen acumulaciones patológicas de acetoacetato, como por ejemplo en la cetoacidosis diabética grave, puede ser suficiente para hacer que sea detectable en el aliento de un enfermo. Luego, si el acúmulo de estos compuestos es muy elevado, se produce un aumento de los niveles de los cuerpos cetónicos en sangre, lo que, debido a un carácter ácido, produce desequilibrios más o menos graves, conocidos genéricamente con el nombre de cetosis o cetoacidosis, siendo la cetoacidosis diabética la más conocida, que lógicamente se caracteriza por una acumulación excesiva de cuerpos cetónicos en sangre. El organismo reacciona aumentando la excreción de cuerpos cetónicos en la orina, lo que implica la necesidad de la eliminación simultánea de cationes, para mantener el equilibrio electrónico y de agua (hídrico y de electrolitos) en los tejidos, para mantener la osmolaridad, de no conseguirlo, pueden producirse deshidrataciones y pérdidas electrolíticas que, en casos extremos, pueden llegar a producir colapsos. Podemos concluir que la cetogénesis es el resultado de una deficiencia de los hidratos de carbono disponibles, esta deficiencia tiene dos consecuencias:
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FORMACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS. CETOSIS O CETOGÉNESIS
Figura 7.1.– Esquema de la formación de cuerpos cetónicos
Causa un desequilibrio entre la esterificación y la lipólisis en el tejido adiposo con la consiguiente liberación de ácidos grasos libres a la circulación y elevación de la tasa de E-oxidación. La carencia de glúcidos, que proveen D-glicerofosfato, produce una falta de esterificación en los ácidos grasos libres, los que quedan sin esterificar se oxidan a CO2 y cuerpos cetónicos.
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RESUMEN Existen circunstancias como el ayuno, la diabetes o cualquier situación de incapacidad de obtener glucosa, en las que el organismo utiliza una ruta biosintética que garantice la formación necesaria de glúcidos, de manera que el oxalacetato, que es la molécula inicial del ciclo del ácido cítrico, se utilice para la formación de glucosa, de esta forma la molécula de oxalacetato no es accesible para su condensación con el acetil-CoA obtenido a partir de la E-oxidación. En estas condiciones, dicha molécula de acetil-CoA se utiliza para formar cuerpos cetónicos. Este estado metabólico se denomina cetosis o cetogénesis. Los cuerpos cetónicos, compuestos de carácter ácido, solubles en agua, son el acetoacetato y el E-hidroxibutirato, se sintetizan fundamentalmente en el hígado, debido a las elevados concentraciones de la HMG-sintasa de ese tejido. El tercer cuerpo cetónico es la acetona que se forma en cantidades bajas por descarboxilación del acetoacetato. Son sustratos energéticos excelentes para algunos órganos. Los cuerpos cetónicos difunden desde la mitocondria hepática a la sangre y ésta los transporta a los tejidos periféricos. Son combustibles normales en el metabolismo aeróbico y son importantes como forma de energía en otros tejidos, en especial el músculo cardíaco y la corteza renal. La glucosa en condiciones normales es el combustible principal del cerebro. No obstante, el cerebro sufre una adaptación metabólica para utilizar cuerpos cetónicos durante el ayuno y la diabetes. Si el acúmulo de estos compuestos es muy elevado, se produce un aumento excesivo de los niveles de los cuerpos cetónicos en sangre, y producen desequilibrios más o menos graves, conocidos genéricamente con el nombre de cetosis o cetoacidosis, siendo la cetoacidosis diabética la más importante. La cetogénesis es el resultado de una deficiencia de los hidratos de carbono disponibles causando un desequilibrio entre la esterificación y la lipólisis en el tejido adiposo, los ácidos grasos que quedan sin esterificar se oxidan a CO2 y cuerpos cetónicos.
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FORMACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS. CETOSIS O CETOGÉNESIS
APLICACIONES CLÍNICAS Cetoacidosis diabética Cuando la alimentación es normal, la producción hepática de acetoacetato y E-hidroxibutirato es mínima, de tal forma que la concentración sanguínea de estos compuestos es muy baja 0,2 mM. Sin embargo, la falta de alimentación acelera en gran medida la síntesis de estos compuestos, hasta una concentración del orden de 3 a 5 mM. Ésta constituye la respuesta normal del organismo a la escasez de glúcidos y desempeña una serie de misiones fundamentales. En las primeras fases del ayuno, la utilización de los cuerpos cetónicos por parte del músculo cardíaco y esquelético reserva la glucosa para el mantenimiento del sistema nervioso central. Cuando el ayuno se prolonga, la concentración de cuerpos cetónicos en sangre aumenta para ser utilizados por el cerebro, permitiendo un ahorro de glucosa. Determinadas condiciones patológicas, de las que la cetoacidosis diabética es la más importante, se caracterizan por la producción y acumulación excesiva de cuerpos cetónicos en sangre; no es extraño que se llegue a unos niveles sanguíneos de los ácidos acetoacético y E-hidroxibutirato de 20 mM. Al ser ambos ácidos relativamente fuertes (pKa 3,5-4), esta situación produce una peligrosa acidosis metabólica. La acumulación excesiva de cuerpos cetónicos en la sangre en la cetoacidosis diabética, enfermedad muy general entre los pacientes afectados por la diabetes mellitus dependiente de insulina, proviene de su elevada tasa de producción hepática, por lo que supera a la capacidad de otros tejidos para utilizarlos. La cetoacidosis diabética es causada por una deficiencia grande de insulina, junto con un exceso de glucagón, y viene acompañada frecuentemente por aumento de otras hormonas relacionadas con el estrés. Los principales transtornos metabólicas son hiperglucemia, cetonemia excesiva y cetonuria. Aunque la tasa de mortalidad ha disminuido, el porcentaje oscila entre el 6 y 10%. Al contrario que la cetosis fisiológica, producida por inanición, en la cual la secrección de insulina por las células E del pancreas limita la disponibilidad de ácidos grasos libres para el hígado, esta restricción está ausente en los individuos diabéticos y, como consecuencia de ello, la concentración de ácidos grasos libres en el plasma llega a niveles muy elevados como 4 mM, lo cual impulsa la producción hepática de cuerpos cetónicos a la máxima velocidad. El tratamiento de la cetoacidosis diabética depende de la gravedad de las anomalías metabólicas y del equilibrio hídrico y de electrolitos en los tejidos. La insulina es básica, disminuye
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los niveles plasmáticos de glucagón, se opone a los efectos catabólicos de éste en el hígado, inhibe el aporte de sustratos cetogénicos y glucogénicos (ácidos grasos libres y aminoácidos) provenientes de la periferia, y en los tejidos diana estimula la captación de glucosa.
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TEMA 8
Biosíntesis de ácidos grasos
Biosíntesis de ácidos grasos. Biosíntesis de ácidos grasos saturados a partir de acetil-CoA. El complejo ácido graso sintasa. Control de la síntesis de ácidos grasos.
Cuando se ingiere un exceso de hidratos de carbono, que supera la cantidad que puede ser catabolizada y almacenada como glucógeno por el organismo, se convierten fácilmente en grasa, que está constituida mayoritariamente por triacilgliceroles. El exceso de glucosa se cataboliza hasta acetil-CoA mitocondrial, que es transportado al citoplasma mediante la formación de citrato; una vez en el citoplasma celular, el acetil-CoA es utilizado para la biosíntesis de ácidos grasos no esenciales, que posteriormente pueden esterificarse con glicerol-3P para formar triacilgliceroles, que se almacenan en el tejido adiposo. De esta forma el exceso de hidratos de carbono es utilizado por el organismo para incrementar sus reservas energéticas en forma de depósitos de grasa en los adipocitos del tejido adiposo.
BIOSÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS En el organismo pueden ser sintetizados todos los ácidos grasos considerados como ácidos grasos no esenciales; los esenciales tienen que ser ingeridos necesariamente en la dieta ya que el organismo no puede generarlos. La biosíntesis comienza con el acetil-CoA proveniente del catabolismo de aminoácidos cetogénicos o de los hidratos de carbono, la obtención de estos precursores tiene lugar en la mitocondria, mientras que la biosíntesis de ácidos grasos tiene lugar extramitocondrialmente, por lo que es necesario la existencia de un sistema de lanzadera. Aprovechando la abundancia que existe en las mitocondrias de acetil-CoA, este compuesto se condensa con el oxalacetato
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para formar citrato, el cual es transportado por el transportador de ácidos tricarboxilicos al citosol; el citrato vuelve a escindirse en acetil-CoA y oxalacetato. En la figura 8.1 se muestra un esquema de cómo funciona este sistema de lanzadera. El proceso global de la síntesis de ácidos grasos tiene en general tres etapas catalizadas por sistemas enzimáticos distintos: 1) Biosíntesis de palmitato a partir de acetil-CoA. 2) Elongación de la cadena a partir de palmitato. 3) Desaturación.
Figura 8.1.– Sistema de transporte de los precursores para la biosíntesis de ácidos grasos desde la mitocondria al citosol, y acetil-CoA como intermediario entre el metabolismo de hidratos de carbono y grasas.
BIOSÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS SATURADOS A PARTIR DE ACETIL-COA La biosíntesis de los ácidos grasos tiene lugar en el citosol, mientras que la oxidación de los ácidos grasos se efectúa en las mitocondrias.
La biosíntesis de los ácidos grasos saturados a partir de su precursor principal el acetil-CoA tiene lugar en todos los organismos, pero es especialmente importante en el hígado, en los tejidos adiposos y en las glándulas mamarias de los animales superiores. La biosíntesis de los ácidos grasos tiene lugar en el citosol, mientras que la oxidación de los ácidos grasos se efectúa en las mitocondrias. La síntesis de ácidos grasos a partir del acetil-CoA se realiza gracias a un grupo de enzimas completamen-
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te diferente del que interviene en la oxidación de los ácidos grasos. En la reacción global de la síntesis de ácidos grasos, que es catalizada por un agregado de siete proteínas en el citosol (seis enzimas y una proteína portadora de ácidos), el complejo ácido graso-sintasa, el acetil-CoA procedente de hidratos de carbono o de aminoácidos es el precursor primordial de todos los átomos de carbono de la cadena del ácido graso. De las ocho unidades de acetilo requeridas para la biosíntesis del ácido palmítico, solamente una es aportada por el acetil-CoA, mientras que las otras siete llegan en forma de malonil-CoA, formado a partir de acetil-CoA y HCO3 mediante una reacción de carboxilación. Un resto de acetilo y siete de malonilo experimentan pasos sucesivos de condensación, con liberación de 7 CO2 para formar ácido palmítico, el poder reductor viene proporcionado por el NADPH:
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De las ocho unidades de acetilo requeridas para la biosíntesis del ácido palmítico, solamente una es aportada por el acetil-CoA, mientras que las otras siete llegan en forma de malonilCoA, formado a partir de acetil-CoA y CO3H– mediante una reacción de carboxilación.
acetil-CoA 7 malonil-CoA 14 NADPH 14 H+ o o palmitato 7 CO2 14 NADP 8 CoA a SH 6 H2O Al calcular la energía necesaria para la conversión global de acetil-CoA a palmitato, debemos considerar el ATP utilizado en la formación del malonil-CoA: 7 acetil-CoA 7 CO2 7 ATP o o 7 malonil-CoA 7 ADP 7 Pi 7 H La estequiometría global para la biosíntesis de palmitato (conversión del acetil-CoA en palmitato) es: 8 acetil-CoA 7 ATP 14 NADPH 14 H o o palmitato 8 CoA a SH 7 ADP 7 Pi 14 NADP 6 H2O La única molécula de acetil-CoA requerida en el proceso sirve como iniciador, los demás átomos de carbono de su grupo acetilo se convierten en los átomos de carbono terminales (15 y 16) del ácido palmítico formado. Por ello, el crecimiento de la cadena durante la síntesis de ácidos grasos comienza en el grupo carboxilo del acetil-CoA y continúa con la adición sucesiva de restos de acetilo al extremo carboxilo de la cadena en crecimiento. Cada resto acetilo sucesivo procede de dos de los tres átomos de carbono de un resto de ácido malónico que penetra en el sistema en forma de malonil-CoA, el tercer carbono del ácido malónico, el del carboxilo no esterificado, se pierde como CO2. El producto final es una molécula de ácido palmítico.
La estequiometría global para la biosíntesis de palmitato (conversión del acetil-CoA en palmitato) es: 8 Acetil-CoA + 7 ATP + 14 NADPH + 14 H+ o Palmitato + 8 CoA~SH + 7 ADP + 7 Pi + 14 NADP+ 6 H 2O
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Una característica que distingue al mecanismo de la biosíntesis del ácido graso consiste en que los productos intermedios del proceso de alargamiento de la cadena son tioésteres, pero no del CoA, como en la oxidación del ácido graso, sino de una proteína conjugada, de bajo peso molecular, denominada proteína portadora de acilos (ACP, Fig. 8.2). En la mayoría de las células eucarióticas, las siete proteínas del complejo ácido graso-sintetasa o sintasa, se encuentran asociadas formando un agregado multienzimático. En la mayoría de los organismos, el producto final es el ácido palmítico, precursor de todos los demás ácidos grasos superiores saturados y de todos los ácidos grasos no saturados.
Figura 8.2.– Fosfopanteteina como unidad reactiva en el ACP y el CoA.
Fuente de carbono y NADPH para la síntesis del ácido graso La fuente primordial de todos los átomos de carbono de los ácidos grasos es el acetil-CoA, formado en las mitocondrias. Éste no puede pasar desde las mitocondrias al citosol, pero sí lo hace en forma de citrato gracias al sistema transportador de tricarboxilatos. En el citosol, el acetil-CoA se regenera a partir del citrato por la ATP-citrato-liasa, también denominada enzima citrato-escisor, que cataliza la reacción. ATP-citrato-liasa
citrato ATP CoA a SH o o acetil-CoA ADP Pi oxalacetato Por una segunda ruta, el grupo acetilo del acetil-CoA es transferido enzimáticamente a la carnitina. La acetilcarnitina pasa de la matriz mitocondrial y a través de la membrana de la
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mitocondria, al citosol; entonces se regenera el acetil-CoA por transferencia del grupo acetilo de la acetilcarnitina al CoA del citosol. Por otra, parte el oxalacetato, formado en la transferencia de grupos acetilo al citosol, debe retornar a la mitocondria. La membrana mitocondrial es impermeable al oxalacetato, ya que carece de transportador para este compuesto. Por ello, son necesarias una serie de reacciones para superar esa barrera (Fig. 8.3). Estas reacciones generan la mayor parte del NADPH necesario para la síntesis de ácidos grasos.
Figura 8.3.– Transporte de Acetil-CoA y generación de NADPH.
En la primera, el oxalacetato es reducido a malato por el NADH, reacción catalizada por la malato deshidrogenasa citosólica. o malato NAD oxalacetato NADH H m Seguidamente, el malato es descarboxilado oxidativamente por la enzima málica dependiente de NADP+. malato NADP o piruvato CO2 NADPH H El piruvato obtenido se difunde de nuevo a las mitocondrias donde es carboxilado y se reconvierte en oxalacetato por la piruvato carboxilasa. piruvato CO2 ATP H2O o o oxalacetato ADP Pi H La reacción global es:
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NADP NADH ATP H2O o o NADPH NAD ADP Pi H Se genera un NADPH por cada acetil-CoA transferido desde la mitocondria al citosol. Por lo tanto, se forman 8 NADPH, al ser ocho moléculas de acetil-CoA las transferidas al citosol para la síntesis de palmitato. Las seis moléculas restantes que se requieren para este proceso se generan en el citosol a través de las primeras reacciones de vía de las pentosas fosfato. Pasamos a estudiar a continuación las reacciones enzimáticas responsables de la biosíntesis de los ácidos grasos.
1. Formación de malonil-CoA: Acetil-CoA-carboxilasa En el citosol, el malonil-CoA se forma a partir del acetilCoA y el bicarbonato por acción de la acetil-CoA-carboxilasa, complejo enzimático que cataliza la siguiente reacción: O ll acetil-CoA-carboxilasa CH3 C S CoA ATP HCO3 o O ll o OOC CH2 C S CoA ADP Pi H
La acetil-CoA-carboxilasa contiene biotina como grupo prostético; la biotina sirve como portador intermedio de una molécula de CO2, según un ciclo de dos etapas:
La reacción catalizada por la acetil-CoAcarboxilasa, que es una enzima alostérica, es la etapa reguladora primaria o limitadora de la velocidad de la biosíntesis de ácidos grasos.
La reacción catalizada por la acetil-CoA-carboxilasa, que es una enzima alostérica, es la etapa reguladora primaria o limitadora de la velocidad de la biosíntesis de ácidos grasos.
Reacciones del sistema de la ácidograso-sintasa Una vez formado el malonil-CoA a partir del acetil-CoA, por la reacción bastante compleja de la acetil-CoA-carboxilasa, las reacciones siguientes de la síntesis del ácido graso se realizan por una secuencia de seis etapas sucesivas, catalizadas por las seis enzimas del sistema de la ácido graso-sintasa. La séptima proteína de este sistema, que por sí misma no posee activi-
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dad catalítica alguna, es la proteína portadora de acilo (ACP) a la cual está unida covalentemente la cadena de ácido graso en crecimiento. La función de la proteína portadora del acilo (ACP) en la síntesis de ácidos grasos es análoga a la del CoA en la oxidación de los mismos; sirve como ancla, a la cual están esterificados los acilos intermedios. Las reacciones implicadas en la síntesis del ácido graso son las siguientes:
2. Reacción cebadora o iniciadora
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La función de la proteína portadora del acilo (ACP) en la síntesis de ácidos grasos es análoga a la del CoA en la oxidación de los mismos; sirve como ancla, a la cual están esterificados los acilos intermedios.
En primer lugar el acetil-CoA reacciona con el grupo sulfhidrilo de la (ACP) por acción de una de las seis enzimas del sistema sintasa, la acetil-CoA-ACP-transacilasa que cataliza la siguiente reacción: o acetil-ACP CoA a SH acetil-CoA ACP a SH m Este grupo acetilo no permanece unido a la ACP, sino que es transferido a un resto de cisteína específico perteneciente a otra de las enzimas del complejo ácido graso-sintasa, la E-cetoacil-ACP-sintasa, según la reacción: o ACP a SH acetil-sintasa acetil-ACP sintasa a SH m en la que, la E-cetoacil-sintasa se designa simplemente por sintasa. Con esta reacción, el complejo de la ácido grasosintasa queda activado (iniciado) y dispuesto para llevar a cabo la secuencia de reacciones requeridas para unir una unidad de dos carbonos en el proceso de prolongación de la cadena.
3. Etapa de la transferencia de malonilo En la reacción siguiente, catalizada por la malonil-CoAACP-transacilasa, el malonil-S-CoA formado en la reacción de la acetil-CoA-carboxilasa, reacciona con el grupo -SH de la ACP, para formar malonil-S-ACP: o malonil-ACP CoA SH malonil-CoA ACP SH m Como resultado de esta etapa y de la reacción de cebado, un grupo malonilo queda ahora esterificado a la ACP y un grupo acetilo lo está a un grupo-SH de la molécula de la E-cetoacil-ACP-sintasa (Fig. 8.4).
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Figura 8.4.– Las tres primeras reacciones de cada ciclo de adicción a la síntesis de los ácidos grasos.
4. Reacción de condensación Es la siguiente reacción de la secuencia, catalizada por la E-cetoacil-ACP-sintasa, el grupo acetilo esterificado al resto de cisteína de esta enzima es transferido al carbono 2 del grupo malonilo de la ACP, con la liberación del grupo carboxilo libre del resto del malonilo, en forma de CO2. La molécula de CO2 así liberada contiene el mismo átomo de carbono que fue introducido como HCO3, en la reacción de la acetil-CoA-carboxilasa. En esencia, el HCO3 desempeña un papel catalítico en la síntesis del ácido graso, puesto que se regenera en forma de CO2, a medida que cada unidad de dos carbonos se inserta en la cadena de crecimiento del ácido graso.
5. Primera reacción de reducción El Acetoacetil-ACP experimenta su reducción por el NADPH, para formar E-hidroxibutiril-ACP. Esta reacción está catalizada por la E-cetoacil-ACP-reductasa:
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O O ll ll reducción H3C C CH2 C S ACP NADPH H o m acetoacetil-ACP OH O l ll o m H3C CH CH2 C S ACP NADP D-b-hidroxibutiril-ACP
6. Etapa de deshidratación El D-E-hidroxibutiril-ACP es deshidratado al correspondiente trans-'2-enoil-ACP, esto es, el crotonil-ACP, por acción de la enoil-ACP-deshidratasa:
7. Segunda etapa de reducción Después, el crotonil-ACP es reducido a butiril-ACP por la enoil-ACP-reductasa NADPH, (en E.colí y en los tejidos animales, el donador de electrones es el NADPH). H O l ll H3C C C C S ACP NADPH o l H crotonil-ACP O ll o H3C CH2 CH2 C S ACP NADP butiril-ACP Esta reacción se diferencia también de la correspondiente de oxidación del ácido graso en las mitocondrias que implica a un nucleótido pirimídico en vez de una flavoproteína. La formación de butiril-ACP completa el primero de los siete ciclos que conducen al palmitoil-ACP. Para iniciar el ci-
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clo siguiente, el grupo butirilo es transferido desde el ACP al grupo SH de la molécula de la E-cetoacil-ACP-sintasa, permitiendo así a la ACP que acepte un grupo malonilo de otra molécula de malonil-CoA. Entonces se repite el ciclo y la etapa siguiente consiste en la condensación del malonil-ACP con la butiril-S-E-cetoacil-ACP-sintasa, rindiendo E-cetohexanoil-ACP y CO2. • Después de siete ciclos completos, el producto final es el palmitoil-ACP. • Este grupo pamitoilo puede separarse para formar ácido palmítico libre por la acción de una tiosterasa o ser transferido del ACP al CoA, o bien ser directamente incorporado en el ácido fosfatídico, en la ruta que conduce a los fosfolípidos y triacilglicéridos. En la mayoría de los organismos, el sistema de la ácido graso-sintasa se detiene en la producción de ácido palmítico y no produce ácido esteárico, que tiene sólamente dos átomos de carbono más. • Esta especifidad de longitud catenaria se la confiere al sistema la E-cetoacil-ACP-sintasa, que se muestra muy efectiva en aceptar el grupo tetradecanoilo (14C) de la ACP, pero que no acepta el grupo hexadecanoilo (16C). Además, el Palmitoil-CoA funciona como retroinhibidor del sistema de la ácido graso-sintasa (Fig. 8.5). Los ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono se forman también por el complejo de la ácido graso-sintasa. En este caso, la síntesis es cebada por una molécula iniciadora de propionil-ACP (en vez de acetil-ACP), a la cual se adicionan sucesivas unidades de dos carbonos, por medio de condensaciones con el malonil-ACP. Las etapas enzimáticas que conducen a la biosíntesis del ácido palmítico difieren de las implicadas en la oxidación del palmítico en los siguientes aspectos fundamentales. • La síntesis se produce en el citosol, la degradación en la matriz mitocondrial. • Los intermediarios en la síntesis de los ácidos grasos están ligados a los grupos sulfihidrilos de una proteína portadora de grupos acilo (ACP), mientras que los intermediarios de la degradación de los ácidos grasos están ligados a la coenzima A. • En los organismos superiores muchas de las enzimas de la síntesis de ácidos grasos están organizadas en un complejo multienzimático llamado ácido graso-sintasa. Las enzimas degradativas no parecen estar asociadas entre sí.
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Los ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono se forman también por el complejo de la ácido graso-sintetasa. En este caso, la síntesis es cebada por una molécula iniciadora de propionil-S-ACP (en vez de acetil-SACP), a la cual se adicionan sucesivas unidades de dos carbonos, por medio de condensaciones con el malonil-S-ACP.
Figura 8.5.– Esquema de reacciones para la obtención de palmitato.
• La cadena de crecimiento del ácido graso se alarga por la adición secuencial de unidades de dos carbonos derivados del acetil-CoA. El donador activado de las unidades de dos carbonos en la etapa de elongación es el malonil-ACP.
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En las mitocondrias, el ácido palmítico y otros ácidos grasos saturados son prolongados mediante adiciones sucesivas al extremo carboxilo terminal de unidades acetilo en forma de acetil-CoA. El malon i l -AC P n o p u e d e sustituir al acetilCoA.
• La reacción de elongación es empujada o está dirigida por la eliminación de CO2. • El reductor de la síntesis de ácido graso es el NADPH, mientras que los oxidantes en la degradación de los ácidos grasos son el NAD y el FAD. • La elongación por el complejo de la ácido graso-sintasa se detiene en la formación del Palmitato (C16), la elongación posterior y la inserción de dobles enlaces adicionales se lleva a cabo por otros sistemas enzimáticos.
EL COMPLEJO ÁCIDO GRASO SINTASA Como se ha comentado anteriormente, las enzimas que catalizan la síntesis de ácidos grasos constituyen un complejo multienzimático, estrechamente acoplado en células eucarióticas, denominado ácido graso sintasa (Fig. 8.6). Este complejo contiene seis moléculas, cada una de ellas tiene dos cadenas polipeptídicas, denominadas subunidades A y B. La subunidad A contiene a la proteína transportadora de acilo (ACP), la enzima condensante y la E-cetotioéster reductasa, y la subuni-
Figura 8.6.– Mecanismo del complejo ácido graso sintasa.
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dad B contiene las cuatro actividades restantes: la aciltransacilasa, la maloniltransacilasa, la E-hidroxiacildeshidratasa y la enoilreductasa, se trata de una proteína o enzima multifuncional. En los tejidos de los vertebrados el complejo es más pequeño, con dos subunidades idénticas, cada subunidad contiene una región ACP, además de todas las actividades enzimáticas implicadas, así como una actividad que cataliza la liberación final del palmitato. El complejo de levaduras carece de esta última actividad, ya que el producto final de la actividad de la ácido graso-sintasa en las levaduras es el palmitoilCoA. En los complejos eucarióticos, la ACP no es una proteína pequeña, como en el caso de las bacterias. Parece que la fosofopanteteína unida actúa como brazo de oscilación para poner en contacto la porción acilo con los distintos lugares activos de la síntesis de los ácidos grasos. Actualmente se cree que cada cadena está plegada formando tres dominios unidos por regiones flexibles, el dominio 1 es el de entrada del sustrato y de la unidad de condensación. El dominio 2, la unidad de reducción, contiene la proteína portadora de acilos (ACP). El dominio 3, la unidad de liberación del palmitato. Al tener siete enzimas diferentes podemos concluir que una cadena polipeptídica contiene siete centros catalíticos diferentes. La síntesis catalizada por las diferentes enzimas se realiza de forma coordinada, y las distintas enzimas que forman estos complejos están unidos coovalentemente, quedando protegidos de reacciones competitivas. El dominio 1 de cada una de las cadenas del dímero interacciona con los dominios 2 y 3 de la otra cadena, de esta manera, cada una de las unidades funcionales de la ácido graso-sintasa consta de dominios formados por diferentes cadenas, el lugar de acción catalítica es la interfase entre los dominios de las cadenas opuestas. Resultan de gran importancia para el funcionamiento de este complejo multienzimático, la flexibilidad y la longitud máxima, unos 20 Å, del fosfopanteteinilo, brazo del ACP, el sustrato de esta manera se encuentra en el extremo de un brazo largo y flexible que puede llegar a cada uno de los diversos centros activos.
CONTROL DE LA SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS La biosíntesis de ácidos grasos se controla en gran medida por mecanismos hormonales. La insulina actúa de diversas formas, uno de sus efectos consiste en estimular la entrada de glucosa en las células, este efecto aumenta el flujo a través de la glucólisis y la reacción con la piruvato deshidrogenasa, que
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proporciona acetil-CoA para la síntesis de ácidos grasos. Por otro lado activa al complejo piruvato deshidrogenasa, mediante su desfosforilación a la forma activa. Otro punto de regulación es la transferencia de unidades acetilo desde la matriz mitocondrial al citosol, de manera que la actividad de la citrato liasa se controla por la fosforilación y desfosforilación de la enzima, aunque no se conocen los mecanismos que intervienen en ello. También está regulada la acetil-CoA carboxilasa; la regulación es de dos tipos: a) Regulación alostérica, realizada por distintos moduladores que actúan de forma muy puntual, así metabolitos como el citrato activan la enzima y otros como el palmitoil-CoA o el AMP la inhiben. b) Modificación covalente, existen dos formas de la enzima, una activa y otra sin activar, el paso de una a otras está regulado hormonalmente, la insulina la activa y el glucagón y la adrenalina la inactivan. La acetil-CoA carboxilasa juega un papel importante en la regulación del metabolismo de los ácidos grasos (Fig. 8.7), ya que esta enzima, como hemos dicho anteriormente, cataliza la etapa limitante de la síntesis de los ácidos grasos. Se inactiva por fosforilación, la modificación de un residuo de serina por una proteína quinasa activada por AMP transforma a la carboxilasa en una forma inactiva. El AMP cíclico no tiene efecto sobre esta quinasa, que es distinta a la proteína quinasa A. Esta quinasa es estimulada por el AMP e inhibida por el ATP. El grupo fosforilo en la carboxilasa inhibida es eliminado por la proteína fosfatasa 2A, una de las cuatro fosfatasas importantes que actúan sobre las proteínas.
Figura 8.7.– La acetil-CoA carboxilasa se inactiva por fosforilación y se activa por unión al citrato.
Por último, también se regula la síntesis a partir de la disponibilidad de equivalentes reductores (NADPH), de los que una gran parte provienen de la ruta de las pentosasfosfato.
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BIOSÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS
RESUMEN Los ácidos grasos se sintetizan en el citosol por una vía diferente a la E-oxidación. La reacción basada en la formación y ruptura del citrato transporta grupos acetilo desde la mitocondria al citosol para la biosíntesis. Se inicia la síntesis con la carboxilación del acetil-CoA hasta malonilCoA, etapa limitante, catalizada por la acetil-CoA carboxilasa, principal punto de control y regulación de la biosíntesis de los ácidos grasos. Los intermediarios de la síntesis de ácidos grasos están unidos a una proteína portadora de acilos (ACP). El acetil-ACP y el malonil-ACP se condensan para formar acetoacetil-ACP. A continuación sigue una reducción, una deshidratación y una segunda reducción. El reductor en estas etapas es el NADPH. Se forma de esta manera el butiril-ACP, que inicia un segundo ciclo de elongación, comenzando con la adición de una unidad de dos carbonos procedentes del malonil-ACP. Siete ciclos de elongación producen palmitil-ACP, el cual se hidroliza hasta palmitato. La síntesis de palmitato requiere ocho moléculas de acetil-CoA, 14 de NADPH y siete de ATP. Otras siete moléculas de HCO3, que realizan un papel catalítico, intervienen en la formación de malonil-CoA y se recuperan en forma de CO2 en la reacción de condensación. En organismos superiores, las enzimas que realizan la síntesis de los ácidos grasos, están unidas covalentemente formando un complejo enzimático multifuncional, la acido graso sintasa. La acetil-CoA carboxilasa, enzima limitante de la velocidad del proceso, es regulada a través de las formas desfosforilada activa y fosforilada inactiva de la carboxilasa, el citrato la activa alostéricamente.
APLICACIONES CLÍNICAS Aplicaciones clínicas de los inhibidores de la ácido graso sintasa Muchos de los cánceres habituales del ser humano, como los carcinomas de colon, próstata, ovario, mama y endometrio, expresan elevados niveles de ácido graso sintasa, la primera enzima de la síntesis de ácidos grasos. Así, la distinta expresión de esta enzima en los tejidos normales y los neoplási-
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cos ha llevado a pensar que la ácido graso sintasa es una diana importante en la terapia anticancerígena. Estudios realizados en pacientes con carcinoma de mama indican que los niveles de la ácido graso sintasa se elevan en las células neoplásicas, y este incremento de concentración es proporcional al estadio clínico del tumor, por lo que se relaciona con la virulencia del mismo. Uno de los inhibidores de la ácido graso sintasa, que actualmente se encuentra en fase de estudio, es el denominado C75, una pequeña molécula sintética que presenta una actividad antitumoral significativa, paralela a la inhibición de la síntesis de ácidos grasos en los tejidos tumorales, así como en los normales. Este inhibidor no produce efectos adversos en la prolilferación celular normal de médula ósea, el tracto gastrointestinal, la piel o los tejidos linfoides. Ello hace pensar en la utilidad de C75 como agente antitumoral. Por otra parte, recientes estudios realizados con ratones, han puesto de manifiesto el efecto de los inhibidores de la ácido graso sintasa, concretamente de C75 y de cerulenín, en la inhibición de la alimentación y en una dramática pérdida de peso. Parece que C75 inhibe la expresión de un neuropéptido hipotalámico decisivo en la señal profágica. Por lo tanto, la ácido graso sintasa puede jugar un papel importante en la regulación de la alimentación, y así ser una diana terapeútica decisiva en el control de la obesidad.
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TEMA 9
Metabolismo de acilgliceroles y esfingolípidos
Metabolismo de triacilgliceroles. Hidrólisis y movilización de triacilgliceroles. Metabolismo de glicerofosfolípidos. Metabolismo de esfingolípidos.
Los acilgliceroles son los lípidos más abundantes en el ser humano, ya que dentro de ellos se encuadran dos de los principales grupos lipídicos. Así, son acilgliceroles los triacilgliceroles, principales depósitos grasos del ser humano, almacenándose principalmente en el tejido adiposo. También forman parte de los acilgliceroles los glicerofosfolípidos, componentes esenciales de las membranas biológicas. Por su parte, el grupo de los esfingolípidos, componentes de la membrana plasmática y caracterizados por la presencia de esfingosina en su estructura, incluye los cerebrósidos y los gangliósidos, cuyas moléculas incorporan ácidos grasos, así como diferentes residuos de monosacáridos u oligosacáridos complejos.
METABOLISMO DE TRIACILGLICEROLES Biosíntesis de triacilgliceroles Los acil-CoA, junto con el glicerol-3-fosfato, son los principales precursores de los triacilglicéridos. La primera ruta predomina en el tejido adiposo, el glicerol-3-fosfato sufre dos esterificaciones sucesivas con acil-CoA, para producir diacilglicerol-3fosfato (ácido fosfatídico), que es el precursor tanto de los triacilglicéridos como de los fosfoglicéridos. La ruta hacia los triacilgliceroles implica la eliminación hidrolítica del fosfato, seguida de una transferencia de otro grupo acilo procedente de un acil-CoA. El producto de partida es el glicerol-3-fosfato, formado principalmente por reducción de la hidroxiacetona fosfato y en menores proporciones por la fosforilación del glicerol. Puede
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también formarse a partir de la glicerina procedente de la degradación de los triacilglicéridos por la acción de la glicerolquinasa.
La primera etapa en la formación de triacilgliceroles es la esterificación de los carbonos D y E de la glicerina (glicerol) con dos ácidos grasos, lo que da lugar a un ácido fosfatídico o fosfadiato. Estas acilaciones están catalizadas por la glicerofosfato aciltransferasa. A continuación, mediante una fosfatasa específica, el ácido fosfatídico se transforma en el diacilglicérido o diacilglicerol.
Este último reacciona con una tercera molécula de acil-CoA para formar un triacilglicérido, reacción catalizada por la diglicérido aciltransferasa. Estas enzimas están asociadas a un complejo triacilglicerol sintetasa ligado a una membrana del retículo endoplasmático (Fig. 9.1). En las células intestinales, las grasas neutras (triacilglicéridos) se absorben como ácidos grasos libres y monoglicéridos. Una vez dentro de la célula, los triacilglicéridos son resintetizados a partir de los monoglicéridos, sin que tengan que pasar por la fase de ácido fosfatídico (Fig. 9.2).
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METABOLISMO DE ACILGLICEROLES Y ESFINGOLÍPIDOS
Figura 9.1.– Principales rutas en la biosíntesis de triacilgliceroles en tejidos de mamífero. MAG: Monoacilglicerol; 1,2 DAG: 1,2-Dialglicerol
HIDRÓLISIS Y MOVILIZACIÓN DE TRIACILGLICEROLES El primer paso en la recuperación de los ácidos grasos almacenados para la producción de energía es la hidrólisis de los triacilgliceroles, la cual es catalizada por una serie de lipasas del tejido adiposo. La lipasa que libera el primer ácido graso está sometida a control por una serie de hormonas. Este control de la hidrólisis de los triacilgliceroles debe guardar un equilibrio
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Figura 9.2.– Síntesis de triacilglicéridos en las células intestinales.
con el proceso de la síntesis de triacilgliceroles, para así poder asegurar unos depósitos energéticos adecuados y evitar la obesidad. Los ácidos grasos y el glicerol producidos por las lipasas del tejido adiposo se liberan a la sangre circulante, en donde los ácidos grasos se unen a la albúmina sérica y son transportados a los tejidos para su uso. El glicerol regresa al hígado, en donde se transforma en dihidroxiacetona fosfato y entra en la vía glucolítica o gluconeogénica.
METABOLISMO DE GLICEROFOSFOLÍPIDOS Degradación de fosfoglicéridos La degradación de los fosfolípidos corre a cargo de las fosfolipasas, enzimas que liberan los ácidos grasos componentes de estos compuestos. Tiene lugar de forma continua, en todos los tejidos del organismo. Estas fosfolipasas se clasifican según
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METABOLISMO DE ACILGLICEROLES Y ESFINGOLÍPIDOS
la posición en la molécula del ácido graso que liberen, en fosfolipasas A1, A2, C y D. Las fosfolipasas están ampliamente distribuidas en la naturaleza: se localizan tanto en el jugo intestinal como en las secreciones bacterianas o en los venenos actuando como enzimas digestivas; por ejemplo, al fosfolipasa A2 es muy abundante en el veneno de ciertas especies de serpientes. Estas enzimas también actúan en la síntesis de lípidos importantes para el organismo, por ejemplo la fosfolipasa A2, que libera ácido araquidónico, precursor de las prostaglandinas. Los fosfoglicéridos, mediante la acción conjunta de varias fosfolipasas, pueden ser catabolizados hasta la formación de glicerol-3-fosfato. Los ácidos grasos libres, como los demás productos que se van liberando en esta degradación, pueden ser reutilizados para la síntesis de nuevos fosfolípidos o dirigirse hacia otras rutas metabólicas.
Síntesis de fosfoglicéridos Las dos clases principales de glicerolípidos son los triacilglicéridos, ya estudiados, y los glicerofosfolípidos, y dentro de estos nos centraremos en la síntesis de los fosfoglicéridos y los esfingolípidos. Como metabolito intermediario utilizan la molécula de ácido fosfatídico al igual que los triacilgliceroles. Para la síntesis de los fosfoglicéridos se une un nucleótido activado CTP (citidina trifosfato), formando un intermediario CDP-diacilglicerol. La porción fosfatidilo reacciona con alcoholes de naturaleza polar, obteniéndose los fosfoglicéridos como la fosfatidilserina o el fosfatidil inositol; a partir de la fosfatidilserina se obtienen la fosfatidil etanolamina o la fosfatidilcolina. La síntesis de estos dos últimos puede también realizarse por otra vía: la colina o la etanolamina son activadas mediante su unión a CTP y en una reacción posterior se unen al fosfatidato para formar los dos fosfoglicéridos.
Síntesis de fosfoglicéridos: Reacciones Existen varias vías para la síntesis de fosfoglicéridos, una de las rutas de síntesis de novo comienza con la formación de citidina difosfato diacilglicerol (CDP-diacil-glicerol) a partir de fosfotidato o ácido fosfatídico y de un nucleótido activado, citidina trifosfato (CTP). Esta reacción está favorecida por la hidrólisis del pirofosfato (PPi).
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La porción fosfatídico activado reacciona con el grupo hidroxilo de un alcohol polar, cuando el alcohol es serina se obtiene la fosfatidilserina. Igualmente, el fosfatidil inositol se forma por transferencia del fragmento diacilglicerolfosfato desde el CDP-diacilglicerol al inositol.
En las bacterias, a partir de la fosfatidilserina se obtienen la fosfatidil etanolamina o la fosfatidilcolina. La descarboxilación de la fosfatidilserina por una enzima que tiene como coenzima el piridoxol fosfato produce la fosfatidiletanolamina, posteriormente el grupo amino de la fosfatidil-
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etanolamina sufre tres metilaciones consecutivas para formar fosfatidilcolina. Siendo la S-adenosilmetionina, el dador de metilo en estas metilaciones.
La síntesis de estos dos últimos compuestos puede también realizarse por otra vía; la colina o la etanolamina son activadas mediante su unión a CTP, y en una reacción posterior se unen al fosfatidato para formar los dos fosfoglicéridos. En los mamíferos, la fosfatidilcolina se sintetiza a partir de la colina, la colina es fosforilada por el ATP hasta fosforilcolina, que reacciona con el CTP para formar CDP-colina. La fosforilcolina de la CDP-colina se transfiere de un diacilglicerol.
Igualmente, la fosfatidiletanolamina, puede obtenerse a partir de etanolamina, que origina un intermediario CDP-etanolamina, por una serie de reacciones similares (Fig. 9.3). Algunos fosfolípidos tiene en el C1 un radical éter en lugar de un radical acilo, se denominan glicerileterfosfolípidos, su síntesis comienza con la hidroxicetona fosfato que es acilada con
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Figura 9.3.– Esquema de las rutas de biosíntesis de los glicerofosfolípidos.
un acil-CoA, donde un derivado 1-acilo se intercambia con un alcohol de cadena larga para formar un éter. El grupo ceto del C2 se reduce con NADPH y el alcohol resultante se acila con un acil-CoA de cadena larga, se elimina el grupo fosfato del C3 dando lugar a 1-aquil-2-acilglicerol, que con la CDP-colina formará un análogo de la fosfatidilcolina, el 1-alquil-2-acil-fosfatidilcolina (éter-fosfolípido) (Fig. 9.4).
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METABOLISMO DE ACILGLICEROLES Y ESFINGOLÍPIDOS
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Figura 9.4.– Formación de éter fosfolípido.
METABOLISMO DE ESFINGOLÍPIDOS Degradación El catabolismo de los esfingolípidos se produce en los lisosomas, por la acción de una familia de enzimas hidrolíticas. Estas rutas tienen un gran interés a nivel médico dada su relación con un grupo de enfermedades congénitas denominadas esfingolipidosis, cada una de las enfermedades se caracteriza por el déficit de una de las enzimas de la degradación (Tabla 9.1). Tabla 9.1.– Esfingolípidos Enfermedad
Enzima deficitaria
Intermedio acumulado
Gangliosidosis GM1
β-Galactosidasa
Gangliósido GM1
Tay-Sachs
β-N-acetilhexosaminidasa
Gangliósido GM1
Fabry
β-Galactosidasa A
Trihexosilceramida
Gaucher
β-Glucosidasa
Glucosilceramida
Niemann-Pick
Esfingomielinasa
Esfingomielina
Lipogranulomatosis de Farber
Ceramidasa
Ceramida
Leucodistrofia de células globoides
β-Galactosidasa
Galactosilceramida
Leucodistrofia metacromática
Arilsulfatasa A
3-sulfogalactosil-ceramida
Sandhoff
N-acetilhexosaminidasas A y B
Gangliósido GM1 y Globósido
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Los esfingolípidos, y especialmente la esfingomielina, son componentes abundantes de la vaina de mielina que protege y aísla a las células del sistema nervioso central. Las esfingolipidosis o enfermedades de almacenamiento de lípidos se caracterizan por déficit de una de las enzimas de degradación, con la acumulación dentro del lisosoma del sustrato de la enzima deficitaria. La mayoría de estas enfermedades son autosómicas recesivas. Debido a la gran cantidad de esfingolípidos existente en el tejido nervioso, la mayoría de las esfingolípidosis comportan un deterioro grave de la función del sistema nervioso central. Una de las más conocidas esfingolipidosis es la denominada enfermedad de Tay-Sachs, en la que existe un déficit de la N-acetilhexosaminidasa A liposómica; fue una de las primeras enfermedades genéticas que se diagnosticó con éxito mediante amniocentesis.
Síntesis de esfingosina La síntesis de esfingosina, un componente común de los esfingolípidos, se realiza mediante la condensanción del palmitoil-CoA y serina, formando una amina de 18 átomos de carbono denominada esfingonina. A través de una decarboxilación y dos reducciones posteriores se obtiene la esfingosina (Fig. 9.5). La incorporación de un acil-CoA da origen a la
Figura 9.5.– Síntesis de esfingosina.
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molécula de ceramida (N-acil-esfingosina). Las esfingomielinas (N-acilesfingosina fosforilcolina) se obtienen por adición de un grupo fosforilo esterificado con colina, procedente de la fosfatidilcolina. Si en lugar del grupo fosfato y la colina, se produce la incorporación secuencial de monosacáridos, se forman los distintos glucoesfingolípidos. La incorporación de los monosacáridos se realiza a través de intermediarios activados mediante unión a CTP o UTP, y está catalizado por las glucosil-transferasas que forman enlaces glucosídicos para producir gangliósidos y cerebrósidos. La ceramida actúa como precursor tanto de la estingomielina como de los glucoesfingolípidos (Fig. 9.6).
Figura 9.6.– Estructura general de un esfingolípido (A). Estructura de la molécula de ceramida (X H) y de sus distintos derivados (B).
En los cerebrósidos, la glucosa o la galactosa están unidos al grupo hidroxilo terminal de las ceramidas. Las UDP-glucosa o UDP-galactosa son los dadores de azúcar en la síntesis de los cerebrósidos. En los gangliósidos, un oligosacárido está unido a la ceramida por un residuo de glucosa, son los esfingolípidos más complejos, el azúcar ácido N-acetilneuramínico (NAN) o el N-glicolinneuramínico. Estos azúcares ácidos se denominan ácidos siálicos. Se sintetizan a partir de fosfoenol piruvato y
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N-acetilmanosamina-6-fosfato. Los gangliósidos se sintetizan mediante la adición paso a paso de residuos de azúcares al cerámido. La UDP-glucosa, UDP-galactosa, UDP-N-acetilgalactosamina y el CMP-N-acetilneuraminato son los dadores activados de estos residuos de azúcares. Las enzimas que intervienen en el proceso son las glucosiltransferasas de la célula. Se han identificado más de 15 gangliósidos diferentes. Los gangliósidos son receptores de agentes específicos, como la toxina del cólera, que se une al gangliósido GM1, o el virus de la gripe que reconoce la porción de ácido siálico de ciertos gangliósidos. Se desconocen las funciones bioquímicas de estos esfingolípidos, se cree que los gangliósidos podrían jugar un papel informador en las interacciones intercelulares, proporcionando determinantes de reconocimiento específicos en la superficie de las células.
RESUMEN Los triacilgliceroles se sintetizan mediante rutas sencillas en las que los grupos acilo de los acil-CoA se transfieren a los grupos hidroxilo del glicerol-3-fosfato, que sufre dos esterificaciones sucesivas para formar diacilglicerol-3fosfato, también denominado ácido fosfatídico, que es precursor tanto de los fosfolípidos como de los triacilglicéridos. La posterior formación de los triacilglicéridos implica la eliminación hidrolítica del fosfato seguida de una nueva esterificación con un acil-CoA. Los glicerofosfolípidos, lípidos predominantes en las membranas, se sintetizan mediante vías que parten del fosfatidato y activan intermediarios mediante la reacción con la citidina trifosfato (CTP). La S-adenosilmetionina es el donador de grupos metilo para la síntesis de la fosfatidilcolina a partir de fosfatidiletanolamina. Los esfingolípidos (glucoesfingolípidos) se sintetizan a partir de ceramida, es decir, del ceramido, que se forma por acilación de esfingosina, y la adición sucesiva de azúcares mediante la acción sucesiva de glucosiltransferasas, que actúan sobre los azúcares ligados a nucleótidos. Los gangliósidos son esfingolípidos que contienen un oligosacárido con al menos un residuo de N-acetilneuraminato o un ácido siálico derivado de él. Las esfingolipidosis, también conocidas como enfermedades de almacenamiento de lípidos, son mayoritariamente enfermedades autosómicas recesivas, que se caracteri-
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zan por el déficit de una de las enzimas de degradación de estos compuestos, los principales síntomas son retraso en el desarrollo psicomotor, retraso mental, ceguera y en muchos casos la muerte antes de los 3 ó 4 años de edad.
APLICACIONES CLÍNICAS Enfermedad de Tay-Sachs Es la mejor conocida de las esfingolipidosis, se caracteriza porque hay un déficit o ausencia de la N-acetilhexosaminidasa A liposómica. Las irregularidades o anomalías en la degradación de los gangliósidos pueden tener serias consecuencias clínicas. El déficit enzimático causa una elevada concentración de gangliósidos, concretamente el denominado GM2, fundamentalmente en el cerebro. Esta concentración de gangliósidos GM2 es mucho más alta de lo normal porque un residuo N-acetilgalactosamina terminal se elimina muy lentamente o no se elimina. Los cambios patológicos más sorprendentes tienen lugar en el sistema nervioso, ya que las neuronas se hinchan enormemente y los lisosomas aparecen repletos de lípidos. En la enfermedad de Tay-Sachs los síntomas, por lo general, son evidentes antes de que los niños tengan un año, la enfermedad causa por lo general degeneración del sistema nervioso central, debilidad y retraso del desarrollo psicomotor, lo que conlleva retraso mental, ceguera y la muerte entre el segundo y tercer año. Se produce en esta enfermedad una desaparición de las células ganglionares y la proliferación de las células gliales, y la desmielinización de los nervios periféricos. El hallazgo patognómico es una mancha rojo cereza en la mácula causada por el hinchamiento y la necrosis de las células ganglionares del ojo. Esta enfermedad, como la mayoría de almacenamiento de lípidos, se transmite en forma de anormalidades genéticas recesivas, la anormalidad se encuentra en un cromosoma autosómico. Por lo general, los síntomas son evidentes antes de que los niños afectados tengan un año, a la edad de 2 años, el niño está demente y ciego, la muerte generalmente se produce antes de los 3 años de edad, como indicamos anteriormente. Dado que no hay ninguna forma de curación conocida de esta enfermedad, se ha centrado la atención en la detección prenatal, ésta fue una de las primeras enfermedades genéticas que se diagnosticó con éxito durante el desarrollo del feto. Se obtiene el líquido amniotico por amniocentesis y se analiza para ver la
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actividad de la N-acetilhexosaminidasa A. La única forma conocida de abordar la enfermedad cuando se detecta es la interrupción del embarazo. Aunque la enfermedad de Tay-Sachs es rara en la población general, es relativamente frecuente en los judíos americanos procedentes del centro y del este de Europa, aproximadamente 1 de cada 30 individuos es portador del gen defectuoso y 1 de cada 300 en los americanos no judíos.
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TEMA 10
Metabolismo del colesterol
Biosíntesis del colesterol. Transporte y excreción del colesterol. Regulación de la biosíntesis del colesterol.
El colesterol forma parte de las membranas plasmáticas de las células eucariotas, siendo un componente esencial para su estabilidad estructural y funcional. Es el precursor de otros esteroides que cumplen importantes funciones fisiológicas, tales como ácidos biliares, hormonas esteriodeas, vitamina D, etc. Sin embargo, el aumento de los niveles de colesterol en plasma es causa de morbilidad y de mortalidad por enfermedad cardiovascular. El deposito de colesterol en la pared arterial es el responsable de la formación de las placas de ateroma. Resulta pues evidente la necesidad de una regulación cuidadosa que garantice todos los destinos metabólicos del colesterol, sin generar patología.
BIOSÍNTESIS DEL COLESTEROL Junto al colesterol exógeno procedente de la dieta que se absorbe en el tubo digestivo, las células del organismo forman una cantidad incluso superior de colesterol endógeno. Casi todo el colesterol endógeno que circula unido a las lipoproteínas del plasma se forma en el hígado. Todas las células del cuerpo pueden sintetizar algo de colesterol, lo que estaría justificado por el hecho de ser un componente estructural de todas las membranas. La síntesis de colesterol se realiza a partir del acetil-CoA. Las células de la mucosa intestinal, glándulas suprarrenales y gónadas pueden sintetizarlo a partir del acetil-CoA, aunque fundamentalmente lo obtienen del plasma unido a las LDL. En el hígado, principal centro de síntesis de colesterol, el acetil CoA pasa a 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA),
Casi todo el colesterol endógeno se sintetiza en el hígado.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
que puede reducirse a mevalonato por una reductasa que necesita NADPH. Esta reacción es limitante y constituye la clave para regular la velocidad de síntesis del colesterol. El HMGCoA se encuentra tanto en el citoplasma como en la mitocondria del hepatocito, aunque en esta última constituye fundamentalmente un precursor de los cuerpos cetónicos (Fig. 10.1).
Figura 10.1.– Formación del mevalonato.
El mevalonato sufre dos fosforilaciones catalizadas por quinasas para producir pirofosfomevalonato, que es descarboxilado mientras que se produce la hidrólisis de ATP para producir isopentenilpirofosfato (Fig. 10.2). Este compuesto es
Figura 10.2.– Síntesis de isopentenil-pirofosfato.
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METABOLISMO DEL COLESTEROL
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un intermediario importante para la síntesis de vitamina D, la cual requiere de la acción de la luz ultravioleta en uno de los pasos. A partir de este compuesto se sintetiza el escualeno mediante una serie de reacciones que comienzan con la isomerización del isopentenil-pirofosfato hasta dimetil-alil-pirofosfato (Fig. 10.3).
Figura 10.3.– Síntesis del escualeno.
A continuación, ambas molécuIas se ensamblan de forma característica con perdida del resto pirofosfato de ésta última para dar lugar al geranil-pirofosfato. Este compuesto reacciona de nuevo con otra molécula de isopentenil-pirofosfato, para producir farnesil-pirofosfato. A partir de aquí, por condensación reductora de dos moléculas de farnesil-pirofosfato, mediante el concurso de NADPH se llega a la formación del escualeno con pérdida de pirofosfato. La etapa final de la síntesis de colesterol se inicia con la ciclación del escualeno en presencia de oxígeno molecular y NADPH, para dar lanosterol por medio de una ciclasa. En esta etapa se producen además reajustes de electrones, cambios en los dobles enlaces, eliminación de grupos metilo, etc. de gran complejidad (Fig. 10.4).
El isopentenil pirofosfato (IPP) es también un intermediario en la síntesis de vitamina D.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Figura 10.4.– Síntesis de colesterol a partir de escualeno.
TRANSPORTE Y EXCRECIÓN DE COLESTEROL
La incorporación del colesterol a las células hepáticas depende de receptores específicos.
El colesterol, junto con los triglicéridos y fosfolípidos, altamente hidrofóbicos, es transportado en los líquidos corporales unido a proteínas, en forma de agregados macromoleculares o lipoproteínas (ver tema 12). El colesterol hepático de origen exógeno, procedente de la dieta, llega hasta el hepatocito vehiculizado en los remanentes de los quilomicrones. El colesterol endógeno, por su parte, es sintetizado en la célula hepática a partir del acetil-CoA procedente de azúcares, ácidos grasos y aminoácidos. Una parte de este colesterol endógeno sale del hígado en forma de LDL, para regresar formando parte de diferentes lipoproteínas y remanentes de las mismas. Su incorporación está mediada por receptores específicos. El colesterol de los tejidos llega al higado a través de las LDL, IDL y HDL. Finalmente el exceso de colesterol hepático actúa como mecanismo de autorregulación y es excretado en la bilis como tal o en forma de ácidos biliares (Fig. 10.5).
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METABOLISMO DEL COLESTEROL
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VLDL, LDL, HDL e IDL son lipoproteínas de densidad muy baja, de densidad baja, de densidad elevada y de densidad intermedia respectivamente.
Figura 10.5.– Esquema del transporte de grasas.
REGULACIÓN DE LA BIOSÍNTESIS DE COLESTEROL El acetil CoA es un metabolito intermediario tanto de azúcares como de ácidos grasos y de algunos aminoácidos, por lo que su disponibilidad está asegurada, lo que por otra parte es comprensible dada la importancia fisiológica del colesterol. La regulación de la biosíntesis es compleja y, aunque no está totalmente dilucidada, parece depender tanto del propio colesterol, como de sus metabolitos intermediarios que actuarían sobre las enzimas reguladoras del proceso. El órgano donde se regula fundamentalmente la síntesis del colesterol es el hígado. Los niveles de colesterol en plasma pueden modificarse por efecto de la dieta. El colesterol de la dieta disminuye la síntesis y actividad de la 3-hidroxi-3-metilglutarilCoA reductasa, como hemos visto, enzima clave en la primera etapa de la síntesis, que cataliza la formación de mevalonato a partir del acetil CoA. El control de la reductasa es bastante complejo y puede hacerse a distintos niveles que incluyen la transcripción de la información del DNA, la traducción del RNA o síntesis de la enzima y la degradación o pérdida de su actividad biológica. A estos niveles actúan metabolitos derivados del ácido mevalónico o del colesterol, a través de enzimas específicas que pueden reconocerlos y actuar en consecuencia. El exceso de grasas en la dieta tiene efecto sobre los niveles plasmáticos de colesterol. Mientras que las grasas saturadas lo elevan de forma importante al aumentar los niveles de acetilCoA en el hepatocito, las grasas poliinsaturadas lo disminuyen moderadamente. Estas observaciones son la base de muchas de las estrategias dietéticas actuales. Por otra parte, el aumento
La síntesis del colesterol se regula en el hígado.
El exceso de grasas en la dieta influye sobre los niveles de colesterol en sangre.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
de colesterol en el hepatocito, aumenta la actividad de la enzima acil-colesterol-acil-transferasa (ACAT), que se encarga de esterificar el colesterol libre. Las LDL son las principales transportadoras del colesterol en plasma, regulando la síntesis “de novo” de colesterol en los tejidos. Estas lipoproteínas son captadas por el hígado a través de receptores específicos, regulables por la propia concentración intracelular de colesterol. Cuando ésta es elevada, no sólo se impide la entrada de LDLcolesterol, sino que se bloquea la síntesis de colesterol endógeno por inhibición enzimática. Una buena parte de los fármacos utilizados en el control de los niveles plasmáticos de colesterol, las estatinas, actúan como inhibidores específicos de la HMG CoA. Una de las teorías más aceptadas sobre la patogenia de la aterosclerosis es la hipótesis de la reacción de la lesión, según la cual, el endotelio vascular estaría sometido a lesiones de repetición que pondrían en peligro su integridad. Entre las causas de lesión endotelial, se encuentran las de tipo químico, siendo la hipercolesterolemia crónica la más importante. Cuando se pierde la integridad funcional del endotelio de revestimiento, el tejido subendotelial queda expuesto a una serie de factores, entre otros, factores plaquetarios, lipoproteínas del plasma, hormonas, que estimulan la migración de células del músculo liso desde la túnica media arterial hacia la íntima, proliferando en los focos de lesión donde constituyen un núcleo de tejido conectivo con acumulación de lípidos. Es probable que el trastorno celular inicial sea la adhesión al foco aterogénico de los monocitos circulantes capaces de almacenar lípidos y su transformación posterior en macrófagos tisulares. Los principales focos aterogénicos se localizan en los puntos más débiles del árbol circulatorio, sus bifurcaciones. Esto es debido a que en dichas zonas el riesgo de lesión de la célula endotelial es mayor.
RESUMEN La regulación de la biosíntesis del colesterol se ejerce fundamentalmente en el hígado. El aumento de colesterol en la dieta produce una inhibición de la síntesis hepática, que se lleva a cabo en la primera etapa de formación de mevalonato, por inhibición de la HMG-CoA reductasa, que actúa como enzima limitante. Por otra parte, la síntesis de colesterol también se ve inhibida como consecuencia del efecto que ejercen sus niveles intracelulares sobre la síntesis y expresión del receptor
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METABOLISMO DEL COLESTEROL
celular para LDL, que bloquea la incorporación de colesterol desde dichas lipoproteínas plasmáticas.
APLICACIONES CLÍNICAS 1. Hipercolesterolemia primaria Es una patología que se produce como consecuencia de un defecto en el receptor de las LDL (proteína codificada por un gen localizado en el brazo corto del cromosoma 19). Es la enfermedad monogénica más frecuente: 1/1500 de herencia autosómico dominante. Cursa con elevación de LDL-Colesterol. En la clínica se caracteriza por presentar ateroesclerosis coronaria precoz, xantomas tendinosos, tuberosos, xantelasmas y arco corneal. Las manifestaciones cutáneas, como en otras enfermedades, están en relación con el tiempo de evolución de la enfermedad. Requiere tratamiento dietético (dieta pobre en colesterol y grasas saturadas y rica en grasas poliinsaturadas). Cuando este tratamiento fracase se empleará un tratamiento combinado de colestiramina (de primera elección en niños y en mujeres en edad fértil que no usen anticonceptivos) e inhibidores de la HMG-CoA reductasa.
2. Aterosclerosis Es un proceso patológico conocido ya en la antigüedad, habiéndose descrito cambios compatibles con la aterosclerosis en las momias de la XI dinastía de los faraones. Crawford la define como una lesión arterial muy prevalente, caracterizada por un engrosamiento focal de la íntima constituido por acúmulos de grasas y capas de fibras finas semejantes a colágeno en proporciones variables. Mediante esta definición puso de manifiesto sus tres aspectos fundamentales: • La distribución focal de las lesiones, determinada por factores hemodinámicos. • La afección predominante de la íntima. • La naturaleza compleja de los elementos que forman las lesiones ateroescleróticas consistentes en lípido, tejido conectivo necrótico y tejido fibromuscular fibroproliferado, formando este último un recubrimiento que separa los demás constituyentes del flujo sanguíneo en la luz arterial.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
La hiperlipidemia, y en especial la hipercolesterolemia, es un importante factor de riesgo para el desarrollo de cardiopatía coronaria y accidente cerebrovascular. El colesterol y sus diversas fracciones son importantes factores predictores de estas enfermedades y la mortalidad que se deriva de ellas. Su capacidad predictiva depende en gran medida de la edad. En cualquier caso, el tratamiento de estas entidades comienza por la prevención y control de los factores de riesgo asociados.
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TEMA 11
Metabolismo de los derivados del colesterol
Síntesis de hormonas esteroideas. Síntesis de ácidos biliares. Circulación enterohepática de las sales biliares. Síntesis de Vitamina D.
El destino metabólico del colesterol, además de formar parte de las membranas celulares, es servir de precursor para la síntesis de hormonas esteroideas, ácidos biliares y vitamina D. Las hormonas esteroideas tienen efectos significativos sobre el metabolismo de los glúcidos y de las proteínas de muchos tejidos. Los ácidos biliares, que se sintetizan en el hígado y se almacenan y concentran en la vesícula biliar, solubilizan los lípidos de la dieta y pueden ser reabsorbidos por el hígado o eliminados por el intestino delgado. La vitamina D, que actúa sobre la calcificación de los huesos, se almacena en el hígado y se excreta por el mismo camino que los ácidos biliares.
SÍNTESIS DE HORMONAS ESTEROIDEAS Todas las hormonas esteroideas proceden del colesterol. La importancia de estos compuestos se debe a su actividad biológica como hormonas, más que a la utilización de colesterol para su síntesis, que ocurre en cantidades pequeñas. Los principales tejidos implicados en la síntesis hormonal son los ovarios, los testículos y la corteza adrenal. El colesterol para la síntesis procede del plasma de donde es captado en forma de LDL-colesterol, o bien se obtiene a partir del colesterol esterificado que almacenan las células. En ausencia de estas dos fuentes, se produce la síntesis "de novo” a partir de acetil-CoA. El primer paso es la escisión de la cadena lateral para formar pregnenolona. La hidroxilación previa en C-20 y C-22 requiere de la intervención de una monooxigenasa dependiente
Las hormonas esteroideas, los ácidos biliares y la vitamina D proceden del colesterol.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
La pregnenolona es precursora de varias hormonas con gran significado biológico.
del citocromo P450. La ruptura entre ambos carbonos hidroxilados se produce por una desmolasa. Las tres reacciones necesitan NADPH y O2. La reacción ocurre en la mitocondria, hasta donde es conducido el colesterol por medio de un transportador específico. La corticotropina o ACTH secretada por la adenohipófisis estimula la síntesis de pregnenolona a partir de colesterol. La pregnenolona es el precursor de las demás hormonas esteroideas mediante una serie de transformaciones químicas sencillas. La progesterona se sintetiza a partir de pregnenolona en dos etapas, en la primera el grupo hidroxilo del C-3 se transforma en 3-ceto y en la segunda, el doble enlace de C-5 pasa a C-4 (Fig. 11.1). El cortisol se obtiene a partir de la progesterona por hidroxilación en C-17, C-21 y C-11 (Fig. 11.2). Las enzimas que catalizan estas reacciones son muy específicas. La hidroxilación en C-21 de la progesterona inicia la síntesis de aldosterona mientras que la hidroxilación en C-17 inicia la síntesis de andrógenos (Fig. 11.3).
Figura 11.1.– Síntesis de progesterona y de los corticoides.
En la eliminación de las hormonas esteroideas intervienen los ácidos biliares.
La cadena lateral formada por C-20 y C-21 se escinde para proporcionar androstendiona, y la testosterona se obtiene por reducción del grupo 17-ceto de la androstendiona. Los estrógenos se obtienen a partir de los andrógenos por aromatización del anillo A y pérdida del grupo metilo C-19. Los productos terminales del metabolismo de las hormonas esteroideas pueden determinarse en orina y constituyen indicadores importantes del nivel hormonal. La inactivación y eliminación de estas hormonas requiere de su solubilidad en hígado y riñón, donde son conjugadas con ácido glucurónico o sulfatos para su excreción final. Los productos terminales difieren según la hormona de que se trate. En algunos casos existen varios metabolitos terminales procedentes de una misma hormona. Su determinación analítica es importante en clínica.
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METABOLISMO DE LOS DERIVADOS DEL COLESTEROL
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Figura 11.2.– Síntesis de progesterona y corticoides.
SÍNTESIS DE ÁCIDOS BILIARES Con diferencia, el destino más importante del colesterol no membranoso es la formación de ácidos biliares (Fig. 11.4). Estos se obtienen a partir del colesterol por escisión de la cadena lateral. Como en el caso de las hormonas esteroideas, las hidroxilaciónes juegan un papel fundamental. El proceso se lleva a cabo en hígado y en una primera etapa el colesterol es convertido en 7-hidroxicolesterol por acción de una hidroxilasa específica sobre la que actúan los productos terminales que regulan la síntesis por inhibición. A partir de este compuesto, por sucesivas hidroxilaciones, se obtiene colil-CoA, intermedio de los démas ácidos biliares. El grupo carboxílico terminal de la cadena lateral activado, reacciona con el grupo amino de la gli-
Los ácidos biliares se almacenan en la vesícula biliar, donde se encuentran en forma de sales.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Figura 11.3.– Síntesis de andrógenos y estrógenos.
Figura 11.4.– Síntesis de ácidos biliares.
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METABOLISMO DE LOS DERIVADOS DEL COLESTEROL
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cina o de la taurina para formar ácido glicocólico o taurocólico respectivamente. Los ácidos biliares se almacenan en la vesícula biliar formando parte de la bilis; dado el pH alcalino de la misma, se encuentran en forma de sales biliares. Otros componentes de la bilis son la bilirrubina, producto final de la destrucción de los hematies, y el exceso de colesterol sintetizado en el hígado, que utilizan este medio de transporte para su eliminación. Lo mismo ocurre con otra serie de productos de desecho procedentes de la sangre. Pero, además, la bilis participa en la digestión y absorción de las grasas por su contenido en sales biliares que facilitan el transporte de los lípidos en el intestino y los emulsionan facilitando la acción de las lipasas. La bilis se sintetiza de forma continua y se almacena en la vesícula biliar hasta su secreción al duodeno por estimulación hormonal cuando se requiere su acción por la presencia de grasas en el quimo.
CIRCULACIÓN ENTEROHEPÁTICA DE LAS SALES BILIARES El 90% aproximadamente de las sales biliares que llegan al intestino delgado durante la digestión son recuperadas en el mismo, en parte por difusión y en parte por transporte activo. Una vez absorbidas pasan a la sangre y vuelven por la vena aorta al hígado, donde son captadas de nuevo por el hepatocito para su almacenamiento en la vesícula biliar. La recuperación de las sales biliares permite su reutiIización al menos 18 veces antes de su eliminación definitiva por las heces. Esta recirculación de las sales biliares desde el intestino al higado, recibe el nombre de circulación enterohepática y es el proceso más importante para la formación de bilis.
Más del 90% de las sales biliares vuelven al hígado.
SÍNTESIS DE VITAMINA D La vitamina D se obtiene a partir del 7-dehidrocolesterol por acción de la luz ultravioleta (Fig. 11.5). En el hígado es hidroxilada pasando a 25-hidroxicolecalciferol y posteriormente en el riñón, bajo la acción de la parathormona (PTH), es convertida en la forma biológicamente activa, la 1,25 dihidroxicolecalciferol, considerada una hormona esteroidea con funciones sinérgicas a la PTH de gran importancia en la homeostasis de calcio y fosfato.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Figura 11.5.– Síntesis y conversiones químicas de la vitamina D.
RESUMEN Además de formar parte de las membranas celulares, el colesterol es el precursor de las hormonas esteroideas, vit. D y ácidos biliares. Estos compuestos desempeñan funciones importantes en el organismo. Las hormonas esteroide-
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METABOLISMO DE LOS DERIVADOS DEL COLESTEROL
as y la vit. D, que tras su hidroxilación hepática y renal se convierte también en una hormona esteroidea, desempeñan funciones reguladoras de gran transcendencia para el desarrollo normal del organismo, Esta es sin duda su gran importancia, más que el destino metabólico del colesterol, que apenas supone una mínima proporción del mismo. No ocurre lo mismo para los ácidos biliares, que sí representan una importante fuente de utilización metabólica del colesterol y su destino final como forma de excreción. Los ácidos biliares desempeñan, además, importantes funciones a través de su incorporación a la bilis, participando en la digestión y absorción de los lípidos y autorregulando la producción y secreción biliar a través de la circulación enterohepática.
APLICACIONES CLÍNICAS 1. Colelitiasis biliar En determinadas condiciones el colesterol de la bilis puede precipitar formando cálculos. Una de las causas más frecuentes es la secreción excesiva de colesterol en la bilis, determinada en parte por el exceso de colesterol en la dieta, ya que las células hepáticas lo sintetizan como parte del metabolismo orgánico de las grasas. Otras veces se trata de inflamación e infección crónica del epitelio vesicular, que altera sus características permitiendo una absorción excesiva de agua y sales biliares necesarias para mantener disuelto el colesterol. El tratamiento farmacológico se basa en la administración exógena de ácido quenodesoxicólico, uno de los ácidos biliares naturales cuyo efecto consiste en aumentar la formación de bilis y reducir la concentración de colesterol, ayudando a su disolución y disminuyendo la formación de ácidos biliares por el hígado, lo que reduce simultáneamente la secreción hepática de colesterol a la bilis. Es importante la disminución de grasas en la dieta. En muchas ocasiones el tratamiento debe ser quirúrgico.
2. Déficit de 21-hidroxilasa La anomalía congénita más frecuente de la producción de hormonas esteroideas es la deficiencia de la 21-hidroxilasa, necesaria para la síntesis de glucocorticoides y mineralcorticoides. La disminución en la síntesis de estos esteroides aumenta
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la secreción de ACTH hipofisaria al disminuir el freno que realizan habitualmente las hormonas periféricas por retrocontrol. La consecuencia es un aumento en la síntesis de progesterona que deriva hacia la síntesis de andrógenos, produciendo virilización en la niña. En los niños se producen signos de madurez sexual prematura y en ambos sexos aceleración del crecimiento y calcificación temprana de los nucleos de osificación con tallas finales pequeñas. El tratamiento se basa en la administración de glucocorticoides como terapia de sustitución, entre cuyas acciones se produce la disminución de ACTH por inhibición negativa.
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TEMA 12
Lipoproteínas
Lipoproteínas. Receptores de lipoproteínas. Metabolismo de las lipoproteínas. Regulación de los depósitos de colesterol en el organismo.
Las lipoproteínas están constituidas por proteínas y lípidos. Se sintetizan en el hígado y su función principal es la de transportar lípidos por la sangre. Las lipoproteínas se clasifican en cinco tipos atendiendo a su densidad. Las células las reconocen mediante receptores específicos de membrana. Su metabolismo es bastante complejo ya que sufren numerosas transformaciones en los tejidos, incluida la sangre, y su eliminación o reutilización depende del tipo de lipoproteína.
LIPOPROTEÍNAS Representan la única forma reconocida de transporte de los lípidos circulantes, desde su aislamiento e identificación por Macheboeuf.
La función principal de las lipoproteínas es la de transportar lípidos.
Formación y funciones. Son proteínas conjugadas, con una parte proteica o apoproteína y un grupo prostético de naturaleza lipídica. Se forman en el hígado mayoritariamente, que es donde se sintetizan fundamentalmente el colesterol, los fosfolípidos y los triglicéridos, a excepción de los quilomicrones de origen intestinal que contienen los lípidos exógenos obtenidos a través de la dieta mediante la digestión. Una de sus principales funciones es el transporte de lípidos en sangre, dado su caracter hidrófobo, que les impide circular de forma libre. Las lipoproteínas de muy baja densidad transportan triglicéridos sintetizados en el hígado fundamentalmente, hasta el tejido adiposo, mientras que las demás lipoproteínas intervienen en el transporte de colesterol y fosfolípidos desde el hí-
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Hay cinco tipos de lipoproteínas: Quilomicrones, VLDL, LDL, IDL y HDL.
gado a los tejidos periféricos o desde estos al hígado Las lipoproteínas se encuentran formadas por un núcleo esférico integrado por los componentes más apolares, triglicéridos y colesterol esterificado, envueltos por una capa de fosfolípidos y colesterol libre, de forma que las porciones más polares se orientan hacia fuera, mientras que el núcleo hidrófobo es totalmente inaccesible a las enzimas plasmáticas y será necesario que las lipoproteínas penetren en las células para que el colesterol y los triglicéridos puedan ser utilizados. Envolviendo este complejo se sitúan las apoproteínas. Los lípidos y las proteínas no están unidos covalentemente, sino que mantienen estable su estructura gracias a interacciones hidrofóbicas entre las porciones apolares de ambos, que de esta forma quedan protegidas del contacto con el agua, pero que también les permiten intercambiar sus componentes entre sí y con las membranas celulares. Estos intercambios son la base del metabolismo de las lipoproteínas. Existen una gran variedad de apoproteínas con diferentes funciones, además de vehiculizar los lípidos, como servir de cofactores a enzimas plasmáticas que intervienen en el metabolismo de las lipoproteínas, o contener señales para las células diana de los tejidos que han de captarlos mediante receptores específicos. Se han aislado y caracterizado distintos tipos de apoproteínas formadas por polipéptidos monocatenarios sintetizadas y secretadas todas ellas en el hígado y en el intestino. Apo-A: I ,II y III Apo-B: B-48 y B-100 Apo-C: I, II, III Apo-D Apo-E Apo-F Apo-G En las lipoproteínas, varias apoproteínas primarias se asocian para dar lugar a apoproteínas secundarias.
Tipos de lipoproteínas La separación por ultracentrifugación nos permite diferenciar las lipoproteínas en cinco tipos diferentes según la densidad, que depende de la relación lípido/proteína. De menor a mayor densidad son las siguientes: 1. Quilomicrones: Compuestos fundamentalmente por triglicéridos. Contienen colesterol y fosfolípidos en pe-
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LIPOPROTEÍNAS
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queña proporción. Se originan tras la digestión y absorción de las grasas. Lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL): Contienen concentraciones elevadas de triglicéridos y moderadas de colesterol y fosfolípidos. El origen de los glicéridos es fundamentalmente endógeno, asegurando su transporte desde el hígado hacia los tejidos periféricos. Lipoproteínas de baja densidad (LDL): Son lipoproteínas de baja densidad de las que se han extraído todos los triglicéridos, dejando una concentración elevada de colesterol y fosfolípidos. Lipoproteínas de densidad intermedia (IDL): Son lipoproteínas de densidad intermedia de las que se han extraído gran parte de los triglicéridos, de forma que las concentraciones de colesterol y fosfolípidos están aumentadas. Lipoproteínas de alta densidad (HDL): Contienen una alta proporción de proteínas y menor concentración de colesterol y fosfolípidos. Depuran parcialmente el colesterol de los tejidos periféricos, transportándolo al hígado para su eliminación.
Los quilomicrones y las VLDL son ricos en triglícéridos, mientras que las LDL y IDL lo son en colesterol. Aunque las distintas lipoproteínas difieren por la naturaleza y proporción de sus componentes lipídico y proteico, se establece entre ellas un continuo intercambio que es la base del transporte y metabolismo lipídico.
RECEPTORES DE LIPOPROTEÍNAS Se encuentran en la membrana de las células implicadas en el metabolismo de las lipoproteínas. Su presencia permite identificar de forma específica la porción proteica de las lipoproteínas y desencadenar los mecanismos que en cada caso permitan la incorporación de los lípidos a la célula diana.
Los receptores de membrana de las lipoproteínas son de tres clases E/B-100, E y de HDL.
Receptores E/B-100. Se encuentran en la membrana del hepatocito y de la mayoría de los tejidos periféricos. Su mecanismo de acción es el mejor conocido. Reconocen las apoproteínas B-100 y E. La unión apoproteína-receptor provoca la invaginación de la membrana plasmática y la incorporación del complejo recién formado al interior celular por endocitosis. Ya en el citoplasma se produce la fusión de la vesícula neoformada con un lisosoma para la degradación de su contenido. Los produc-
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tos resultantes pasan al citoplasma, donde el colesterol, cuando es elevado, ejerce un mecanismo de autocontrol, disminuyendo la síntesis y expresión de los receptores en la membrana, con lo que se impide la entrada de nuevas lipoproteínas cargadas de colesterol. En el hepatocito los niveles intracelulares elevados de colesterol provocan además la inhibición del sistema enzimático que cataliza la síntesis endógena de nuevo colesterol. Receptores E. Se encuentran exclusivamente en el hígado y reconocen las apo-E de las VLDL e IDL y remanentes de los quilomicrones. Estos receptores no están sometidos a ningún tipo de regulación, por lo que el hepatocito puede captar las lipoproteínas mencionadas sin limitación alguna. Receptores para HDL. Son los receptores menos conocidos. Se encuentran en el hígado, macrófagos, fibroblastos y músculo liso de la pared arterial. Al parecer, reconocen las apoproteínas A-I de las HDL. Receptores scavenger. Denominados también basureros por recoger las partículas alteradas, como p.e. las LDL oxidadas que permanecen un tiempo excesivo en la circulación. Se les relaciona con el reconocimiento y captación de radicales libres. No reconocen lipoproteínas funcionantes y no son regulables por los niveles de colesterol. Se localizan fundamentalmente en los macrófagos tisulares.
METABOLISMO DE LAS LIPOPROTEÍNAS Los quilomicrones son las lipoproteínas de mayor tamaño; el 90% son triglicéridos que proceden de la dieta.
Las lipoproteínas sufren numerosos cambios y transformaciones tanto en la circulación, como en los tejidos. Metabolismo de los quilomicrones. Se trata de los complejos lipoproteicos circulantes de mayor tamaño. Transportan lípidos de la dieta desde el intestino. Alrededor del 90% de su contenido son triglicéridos y el resto se trata de fosfolípidos y algo de colesterol libre y esterificado, con proteínas de tipo apo-B. Su origen es exclusivamente intestinal. Después de la ingesta de grasas en la dieta, se produce su hidrólisis a nivel intestinal con el concurso de las lipasas pacreáticas. Las sales biliares contribuyen a la digestión emulsionando las grasas y facilitando la acción de las enzimas. Concluida la hidrólisis se produce la absorción en forma de colesterol libre, ácidos grasos libres, glicerol y monoglicéridos, que pasan al interior del enterocito, donde se produce nuevamente su esterificación para
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LIPOPROTEÍNAS
formar triglicéridos y ésteres de colesterol. En el retículo endoplásmico de éstas células, son envueltos en apoproteínas A y B para hacerlos hidrosolubles. El paso a través de la membrana basal del enterocito requiere de las apoproteínas, sin las cuales se acumularían en su interior. Desde aquí, en forma de quilomicrones nacientes, son recogidos por el sistema linfático y conducidos a través del conducto torácico hasta la vena cava superior sin sufrir el filtro hepático. Una vez en la circulación se produce la interacción con las HDL realizándose un intercambio entre ambas. Las HDL les ceden colesterol esterificado y las apo-C-III, C-II y E, de gran importancia para su degradación, mientras que los quilomicrones ceden a éstas triglicéridos, fosfolípidos y colesterol libre. Los triglicéridos de los quilomicrones proceden exclusivamente de la dieta. A nivel capilar, fundamentalmente en el tejido adiposo, músculo, glándula mamaria y pulmón se produce la hidrólisis de los triglicéridos, ya que de esta forma no pueden pasar al interior de ninguna célula. La enzima responsable es la lipoproteína lipasa extrahepática, situada en la cara externa del endotelio vascular y activada por la apo-C-Il. Esta enzima se libera por la heparina activada por la insulina. Los ácidos grasos liberados son captados por las células de los tejidos circundantes, mientras que el glicerol es transportado por la sangre hasta el hígado para su metabolismo. La vida media de los quilomicrones en la circulación es muy corta, menos de una hora en el hombre, aunque desde la ingesta de grasas en la dieta hasta su presentación en el plasma pueden pasar varias horas. Como producto final del metabolismo de los quilomicrones, se forman unas partículas denominadas remanentes de quilomicrones, que apenas contienen triglicéridos y sí una proporción elevada de colesterol esterificado y apo-E que recibieron de las HDL. Las apo C-II y C-III son ahora devueltas a las HDL de origen. Los remanentes de los quilomicrones son captados por el hígado gracias a la presencia de apo-E, a través de receptores específicos para dicha apo-proteína. Ya en el interior del hepatocito se produce la hidrólisis para liberar el colesterol y los ácidos grasos, que serán utilizados en la síntesis de nuevas lipoproteínas y de ácidos biliares. Cuando los remanentes de los quilomicrones exceden su concentración fisiológica en plasma, o permanecen más tiempo del acostumbrado, son fagocitados por macrófagos del sistema reticuloendotelial.
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En el hepatocito los remanentes de los quilomicrones se hidrolizan y liberan colesterol y ácidos grasos.
Metabolismo de las VLDL. Además de la dieta, otra fuente importante de triglicéridos en el hombre es la síntesis hepática por esterificación de ácidos grasos con glicerol. Otros tejidos además del hígado pueden sintetizar triglicéridos, pero
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Los ácidos grasos del hígado proceden de la sangre y de la síntesis a partir de acetil-CoA por la acilCoA sintasa.
Las LDL son las principales lipoproteínas transportadoras de colesterol en la sangre.
no contribuyen a su liberación a la sangre, a excepción de los enterocitos. Los ácidos grasos que utiliza el hígado son captados de la circulación, o bien proceden de los remanentes de los quilomicrones. En su defecto son sintetizados “de novo” a partir de acetil-CoA y liberados a la circulación en forma de VLDL, cuyas principales apoproteínas acompañantes son la apo-B-100, apoE y apo-C-II. Estos complejos lipoproteicos son de menor tamaño que los quilomicrones y contienen también menor proporción de triglicéridos (60%) colesterol y fosfolípidos. En la circulación se produce la activación de la lipoproteína lipasa de superficie de los capilares bajo la estimulación de la apo C-II, que hidroliza los triglicéridos. El resultado es similar al descrito para los quilomicrones. Tras la hidrólisis de los triglicéridos se producen cambios en la configuración de las VLDL, que ceden colesterol no esterificado, apoproteínas y fosfolípidos a las HDL, recibiendo de ellas ésteres de colesterol. Las partículas residuales son más pequeñas, apenas contienen triglicéridos y son ricas en ésteres de colesterol. Se denominan remanentes de VLDL y lipoproteínas de densidad intermedia o IDL. Estos remanentes son captados por el hígado a través de las apo-E y metabolizados. Las IDL son hidrolizadas por la lipasa hepática, enzima similar a la lipoproteína lipasa extrahepática, pero localizada en el endotelio de los capilares del hígado. Tras la hidrólisis, las IDL son convertidas finalmente en LDL, cuyo contenido básico está integrado por colesterol esterificado y escasa proporción de colesterol libre y de triglicéridos. Como apoproteínas para su reconocimiento, sólo contienen apo B-100 (Fig. 12.1).
Figura 12.1.– Formación de quilomicrones en la mucosa intestinal.
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Metabolismo de las LDL. Su formación resulta de la degradación intravascular de las VLDL. Son los principales transportadores de colesterol en la sangre. Su función consiste en regular la síntesis de colesterol “de novo” en los tejidos periféricos. La mayor parte de las LDL van a ser captadas por el hígado a través de receptores específicos en la membrana del hepatocito. El receptor de LDL reconoce la apo-B-100 de su estructura interaccionando entre sí para formar el complejo lipoproteína-receptor que a continuación se internaliza en la membrana tras la formación de una vesícula que pasa al citoplasma celular por endocitosis. Las vesículas que contienen LDL se fusionan en el interior celular con lisosomas para su degradación. La porción proteica produce aminoácidos libres. Los ésteres de colesterol son hidrolizados para producir colesterol libre y el receptor suele reciclarse volviendo a la superficie celular, para repetir el transporte de nuevas moléculas. El colesterol no esterificado es utilizado para la renovación de la membrana, o reesterificado y almacenado en la célula. Estos ésteres contienen ácidos grasos monoinsaturados, a diferencia de los ésteres de colesterol en las LDL, que son poliinsaturados. Por su parte, la síntesis y expresión del receptor para la LDL están sometidos a un mecanismo de retroalimentación según el cual, cuando aumenta el colesterol dentro de la célula, se produce la inhibición de la transcripción y traducción de la información necesaria para la síntesis del receptor y en consecuencia se bloquea la incorporación de más colesterol desde las LDL plasmáticas. El aumento de colesterol en la célula inhibe la síntesis y expresión del receptor para LDL, con lo que se evita la captación de más colesterol circulante. También se inhibe la síntesis de la reductasa de hidroximetilglutaril-CoA, enzima clave en la formación de colesterol. Por otra parte se estimula la actividad de la enzima acil-colesterol-acil-transferasa, encargada de reesteriflcar el colesterol dentro del hepatocito. El resultado de estas acciones es disminuir la síntesis y aumentar el colesterol esterificado, que es utilizado por el hígado para la formación de ácidos biliares y nuevas lipoproteínas (Fig. 12.2). La interacción de las LDL en los tejidos periféricos es similar a lo descrito para el hepatocito, ya que está mediada por el mismo tipo de receptores, regulables por los niveles de colesterol intracelular. Esta posibilidad de captación tisular nos da idea de su capacidad aterogénica en potencia, ya que pueden ceder en determinadas circunstancias una gran cantidad de lípidos en la pared vascular. Una pequeña proporción de las LDL es captada por las suprarrenales y las gónadas que también disponen de receptores específicos y utilizada en la síntesis de hormonas esteroideas. El resto de las LDL es aclarado en otros tejidos perifé-
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El aumento de colesterol inhibe su síntesis porque actúa a nivel de la hidroximetilglutaril-CoA y del receptor para las LDL.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Figura 12.2.– Estructura de una lipoproteína de baja densidad (LDL).
ricos por mecanismos independientes de receptor. Se trata de células endoteliales y macrófagos que no reconocen las LDL normales, pero sí cuando estas se alteran por oxidación. Las LDL que permanecen en sangre pierden triglicéridos y aumentan el colesterol.
Metabolismo de las HDL. Se trata de lipoproteínas de alta densidad que contienen fundamentalmente fosfolípidos y poco colesterol, como si se tratase de una fracción de la membrana plasmática. Su función consiste en captar el colesterol liberado en el plasma por las células que mueren y por el recambio de las membranas. Se generan tanto a nivel intestinal como hepático en forma de HDL nacientes. La forma intestinal contiene apo-A y la hepática apo-E. Su función se relaciona con un efecto protector frente a la enfermedad coronaria, de tal forma que el riesgo es menor con niveles elevados de HDL. Las HDL nacientes del intestino delgado se denominan HDL3, tienen forma esférica y están formadas por fosfolípidos, apo A-I, A-II y A-IV, encargadas de captar y esterificar el colesterol libre de los tejidos periféricos mediante la acción de la enzima lecitín-colesterol-acil-transferasa (LCAT) presente en el plasma, que se encuentra unida a las HDL. El colesterol esterificado es almacenado en el interior de las apoproteínas dando lugar a una forma madura o HDL2. Por otra parte, las HDL intercambian colesterol esterificado y apoproteínas por triglicéridos, colesterol libre y fosfolípidos que les ceden las lipoproteínas ricas en triglicéridos, es decir, los quilomicro-
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nes, VLDL, IDL y remanentes, mediante la acción de una proteína de transferencia de ésteres de colesterol (CETP). Las HDL enriquecidas con triglicéridos llegan hasta el hígado, en donde van a ser degradadas por la lipasa hepática que las convierte en HDL3, y finalmente son catabolizadas. Cuando el contenido en triglicéridos de las HDL es bajo, se extraen los fosfolípidos y se liberan de nuevo a la circulación para seguir desempeñando su función.
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Las HDL incorporan la mayor parte del colesterol que transportan al hígado, reduciendo el riesgo aterogénico.
REGULACIÓN DE LOS DEPÓSITOS DE COLESTEROL EN EL ORGANISMO El factor más importante para el desarrollo de aterosclerosis es una concentración elevada de colesterol en plasma en forma de LDL. La concentración de éstas lipoproteínas aumenta en relación con la ingesta de grasas saturadas y, en menor proporción, con la ingesta de grasas insaturadas. Las LDL, junto con las IDL y VLDL, transportan colesterol a los lugares de depósito en los tejidos, actuando como un sistema integrado. De ellas sólo las VLDL se originan en el hígado y contienen básicamente triglicéridos, pero a medida que circulan en plasma los liberan en los tejidos periféricos (especialmente en el tejido adiposo) para su almacenamiento o consumo energético, bajo la acción de la lipoproteína lipasa. Tras la liberación de los triglicéridos su densidad aumenta, transformándose en IDL. Al menos la mitad de las lDL son captadas por el hígado (receptores apo-B-100). Las que permanecen en sangre continúan perdiendo triglicéridos, aumentando su densidad y la concentración de colesterol y fosfolípidos para convertirse en LDL (Fig. 12.3). La composición mayoritaria de las LDL es colesterol esterificado, fosfolípidos y colesterol libre; además contienen apo-B100 para su reconocimiento por receptores presentes en las membranas de la mayoría de las células del organismo. La captación y el metabolismo de las LDL en los tejidos no sólo produce su degradación, sino también el aporte de colesterol necesario para la síntesis y renovación de la membrana celular. Sin embargo, cuando la velocidad de producción de colesterol libre por este proceso supera la velocidad de utilización, su concentración en el citoplasma aumenta. Se produce en estos casos la esterificación y almacenamiento para otros destinos. Además, dentro de la célula existen dos mecanismos reguladores para evitar la síntesis de nuevo colesterol y la entrada de más LDL, que actúan en estas situaciones conforme ya se ha descrito.
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Figura 12.3.– Esquema de la configuración de las HDL.
Por su parte el hígado capta LDL, como cualquier otra célula del organismo, además de las IDL, con lo que se elevan los niveles de colesterol en el hepatocito. El exceso de coleslerol intracelular inhibe el sistema enzimático para la síntesis de nuevo colesterol. Éste es el mecanismo hepático que funciona cuando a nivel periférico no se consume colesterol. El papel de las HDL se conoce bastante menos. Su síntesis ocurre en el hígado y en menor proporción en el intestino durante la absorción intestinal de las grasas. Contienen apo-A-I y II y no contienen apo-B, lo que las diferencia respecto a las LDL. Son reconocidas por receptores distintos y el mecanismo de acción también es diferente. Recogen colesterol y apoproteínas de las lipoproteínas degradadas y de los tejidos, además de intercambiar coleslerol esterificado con las VLDL y quilomicrones durante su metabolismo. Las HDL incorporan la mayor parte del colesterol, probablemente desde las membranas de muchos tejidos y paredes arteriales, esterificándolo por la LCAT. Este transporte inverso de colesterol desde los tejidos hasta el hígado, al contrario del que realizan las LDL, le confiere su carácter de lipoproteína antiaterogénica. La relación HDL/LDL es por tanto un indicador inportante de riesgo aterogénico.
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RESUMEN Las lipoproteínas son complejos macromoleculares constituidos por lípidos y proteínas que representan la única forma de transporte de los lípidos circulantes. La porción lipídica está integrada por fosfolípidos, colesterol libre y esterificado, triglicéridos y ácidos grasos no esterificados. La parte proteica, denominada apoproteína, está compuesta por cadenas peptídicas designadas con las primeras letras del alfabeto en mayúsculas. Las lipoproteínas se diferencian entre sí por la naturaleza y proporción de su contenido en lípidos y proteínas, que les proporcionan distinta densidad y nos permiten clasificarlas en: Quilomicrones, de origen intestinal, ricos en triglicéridos procedentes de la dieta. VLDL, de origen hepático, ricas en glicéridos de origen endógeno. IDL y LDL son lipoproteínas ricas en colesterol procedente de la degradación de las anteriores. Pueden entrar en las células hepáticas y en los tejidos periféricos gracias a receptores específicos, lo que las hace especialmente patógenas en caso de alteración metabólica. Los triglicéridos de los quilomicrones y de las VLDL son catabolizados en los capilares de los tejidos por la lipoproteínlipasa extrahepática para suministrar ácidos grasos para su consumo o almacenamiento. Los quilomicrones remanentes son reciclados en otras lipoproteínas o captados por el hígado. Las IDL y LDL resultantes de la degradación periférica de las VLDL transportan colesterol al hígado o a los tejidos que disponen de receptores para ellas. Los niveles de colesterol intracelulares regulan estos receptores, así como la síntesis hepática de nuevo colesterol cuando los niveles intracelulares son altos. Las HDL se sintetizan a nivel hepático e intestinal. Su función es captar colesterol de los tejidos, esterificarlo y transportarlo hasta el hígado para su utilización o degradación. El metabolismo de las lipoproteínas se produce a base de intercambios y transformaciones que aseguran el transporte de los lípidos.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
APLICACIONES CLÍNICAS Deficiencia familiar de lipoproteína lipasa Es una enfermedad de herencia autosómica recesiva (el gen alterado está situado en el cromosoma 8) cuya prevalencia es 1/1.000.000. Los quilomicrones están elevados en sangre periférica. Se inicia en la infancia presentando crisis de dolor abdominal recidivante (pancreatitis aguda). Asimismo se observa la presencia de xantomas eruptivos, lipemia retinalis y hepatoesplenomeglia. El suero extraído es de aspecto pálido y cremoso (suero lipémico), pero sin embargo no existe riesgo de aterosclerosis precoz. El tratamiento consiste en una reducción drástica de las grasas de la dieta (triglicéridos de cadena media) y aportar suplementos de vitaminas liposolubles.
Hiperlipoproteinemia familiar tipo 3 o Disbetali-poproteinemia familiar Enfermedad de herencia autosómica recesiva en la que el paciente muestra xantomas palmares y tuberoeruptivos, así como xantelasmas, arco corneal y ateroesclerosis precoz. En estos individuos es pertinente descartar un hipotiroidismo oculto y/o diabetes. En sangre periférica estarán elevados lDL y partículas residuales de quilomicrones. El tratamiento se fundamenta en la toma de Gemfibrozilo pautado o Ácido nicotínico en personas que no respondan al primero.
Hiperlipidemia familiar combinada o Hiperlipidemia múltiple Enfermedad de herencia autosómica dominante de prevalencia 1/100 que se constituye como la causa metabólica más importante de ateroesclerosis prematura. El defecto bioquímico primario es desconocido y determina la elevación de VLDL y LDL. En este caso los xantomas y xantelasmas son menos frecuentes que en otras hiperlipidemias.
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TEMA 13
Aspectos bioquímicos de la nutrición
Requerimientos proteicos de la dieta. Digestión de las proteínas. Activación de las enzimas proteolíticas. Absorción de péptidos y aminoácidos.
Para el crecimiento y desarrollo del cuerpo, así como para el mantenimiento de la vida, el ser humano ha de ingerir nutrientes, cuya digestión, absorción y metabolismo le permitan la obtención de energía y le provean de los sillares de construcción necesarios. Estos nutrientes son sustancias químicas que se encuentran en los alimentos, y algunos de ellos son considerados nutrientes esenciales, ya que el organismo no puede sintetizarlos. Entre estos están algunos aminoácidos y ácidos grasos, así como minerales y vitaminas, que han de ingerirse con la dieta en cantidades adecuadas. Los nutrientes se clasifican en dos grandes grupos: macronutrientes y micronutrientes. Los macronutrientes se requieren diariamente en grandes cantidades, y están constituidos por macronutrientes orgánicos, que son proteínas, lípidos y glúcidos, así como por algunos minerales como el calcio. Los macronutrientes orgánicos son los compuestos que utiliza el organismo para la obtención de energía y la formación de tejidos. Todos ellos son digeridos en el tracto gastrointestinal para generar unidades básicas: aminoácidos, monosacáridos, ácidos grasos y glicerol, que son absorbidos y utilizados para la biosíntesis de macromoléculas y la obtención de energía. El catabolismo de monosacáridos y aminoácidos proporciona 4 kcal/g, y el de ácidos grasos 9 kcal/g. Las necesidades energéticas de un ser humano varían entre 1.000 y 4.000 kcal/día dependiendo de su edad, sexo y actividad. Si la dieta proporciona más energía que la que se consume, el exceso se almacena en forma de grasas. Sin embargo, una dieta que no proporciona suficiente energía conduce a la pérdida de peso como consecuencia de la movilización de las grasas y la destrucción de las pro-
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teínas musculares. Por otra parte, los macronutrientes inorgánicos son el calcio, fósforo, sódio, cloro, potasio y magnesio, así como el agua. Todos ellos han de ingerirse diariamente en grandes cantidades, es decir, de uno a dos gramos diarios de minerales, y unos 2,5 litros de agua. El grupo de micronutrientes está constituido por vitaminas y oligoelementos, que han de ingerirse en pequeñas cantidades, pero que son esenciales en el mantenimiento de la actividad bioquímica, ya que participan en un gran número de reacciones catalizadas enzimáticamente, las cuales no se producirían en su ausencia y por tanto no se podrían metabolizar los macronutrientes. Las vitaminas son imprescindibles, y pueden ser de dos tipos: vitaminas hidrosolubles, que incluyen la vitamina C y ocho del complejo vitamínico B; y las vitaminas liposolubles: A, D, E y K. En cuanto a los oligoelementos esenciales, se encuentran el hierro, zinc, cobre, manganeso, molibdeno, selenio, yodo y flúor, que en su mayoría son imprescindibles para que muchas enzimas sean activas. Una correcta nutrición se basa en una dieta apropiada, que aporte los nutrientes necesarios para que el ser humano mantenga su composición corporal y obtenga energía para desarrollar su actividad física. Una disminución en la ingestión o un aporte excesivo de nutrientes conduce a la malnutrición, como consecuencia de un desequilibrio entre las necesidades corporales y el consumo de nutrientes.
REQUERIMIENTOS PROTEICOS DE LA DIETA
Si las fuentes energéticas de un individuo son suficientes, las proteínas de la dieta se utilizan para el mantenimiento, reposición o crecimiento de los tejidos.
Las proteínas son uno de los principales macronutrientes de la dieta y, junto con los hidratos de carbono y las grasas principalmente, constituyen una fuente de energía y de nutrientes esenciales. Desde un punto de vista energético, las proteínas proporcionan 4 kcal/g cuando son completamente oxidadas. Las proteínas sólo se emplean como fuente energética cuando faltan las grasas o los hidratos de carbono exógenos o endógenos; si estos son suficientes, las proteínas se utilizan para el mantenimiento, reposición o crecimiento de los tejidos, así como para mantener un balance positivo de nitrógeno. Algunos de los aminoácidos que constituyen las proteínas de la dieta son esenciales para los seres humanos, concretamente nueve aminoácidos no pueden ser sintetizados por el hombre: Fenilalanina, Histidina, Isoleucina, Leucina, Lisina, Metionina, Treonina, Triptófano y Valina. La Histidina puede ser sintetizada por los adultos pero no por lactantes. Esta imposibilidad hace que sea necesario ingerir proteínas. La cantidad
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ASPECTOS BIOQUÍMICOS DE LA NUTRICIÓN
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de proteínas que, desde un punto de vista dietético, se recomienda ingerir varía con la edad; mientras que para los lactantes se recomienda 2,2 g/kg, ya que comienzan su etapa de crecimiento, para los adultos sólo es de 0,8 g/kg. Estas cantidades lógicamente están directamente relacionadas con la cantidad de aminoácidos esenciales que necesita un individuo en crecimiento que ha de sintetizar una gran cantidad de proteínas para sus tejidos, y un adulto que esencialmente sólo ha de mantener sus tejidos. El Food and Nutrition Board (FNB) de la National Academy of Sciences/National Research Council de Estados Unidos de América ha estimado que la cantidad total de aminoácidos esenciales necesaria para un lactante es de unos 715 mg /kg diarios, mientras que la de un adulto es de unos 86 mg /kg diarios (Tabla 13.1). En este sentido, no todas las proteínas que se ingieren tienen el mismo valor biológico, lo que está relacionado con su coincidencia en aminoácidos con los tejidos humanos; así una coincidencia total (100%) es la de la ovoalbúmina, mientras que esta similitud es menor para las proteínas de la leche o la carne (90%), disminuyendo notablemente en el caso de cereales y verduras (40%). Tabla 13.1.– Cantidad de aminoácidos esenciales (mg/kg peso corporal/día) en función de la edad. Lactante (4-6 meses)
Niño (10-12 años)
Adulto
Phe y Tyr
120
24
14
His
020
–
–
Ile
088
28
10
Leu
150
44
14
Lys
099
49
12
Met y Cys
072
24
13
Tre
074
30
07
Trp
019
04
03
Val
093
28
13
Para el ser humano hay nueve aminoácidos esenciales que ha de ingerir con la dieta: Phe, His, Ile, Leu, Lys, Met, Tre, Trp y Val.
Food and Nutrition Board, National Academy of Sciences/National Research Council 1989.
La cantidad diaria de proteínas dietéticamente recomendada que ha de ingerirse varía con la edad, el sexo, la estatura, peso corporal y actividad metabólica y física de los individuos; según el FNB en su informe de 1989, los lactantes necesitan 13-14 g, los niños 16-28 g, los hombres 45-63 g y las mujeres 46-50 g (Tabla 13.2).
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Tabla 13.2.– Cantidades dietéticas recomendadas de proteínas (g/día) en función de la edad y el sexo. Edad (años)
Peso (kg)
Proteínas (g/día)
Lactantes
0,0-0,5 0,5-1,0
6 9
13 14
Niños
0,1-3,0 0,4-6,0 0,7-10,
13 20 28
16 24 28
Hombres
11-14 15-18 19-24 25-50 > 51
45 66 72 79 77
45 59 58 63 63
Mujeres
11-14 15-18 19-24 25-50 > 50
46 55 58 63 65
46 44 46 50 50
Food and Nutrition Board, National Academy of Sciences/National Research Council 1989.
Si se consumen más proteínas de las necesarias, el exceso de proteínas se emplea como fuente de energía, convirtiéndose los aminoácidos en glucosa o ácidos grasos y cetoácidos
Si se consumen más proteínas de las necesarias, el exceso de proteínas se emplea como fuente de energía, convirtiéndose los aminoácidos en glucosa o ácidos grasos y cetoácidos, que finalmente generan triacilgliceroles en el tejido adiposo si el organismo tiene suficiente grasa y glúcidos para cubrir sus necesidades energéticas. De esta forma, un exceso de proteínas puede transformarse en un incremento del tejido adiposo. En una situación de ayuno, las proteínas corporales de almacenamiento se degradan, y sus aminoácidos se emplean para la producción de glucosa, la síntesis de compuestos nitrogenados no proteicos y para la síntesis de proteínas secretoras, como las enzimas digestivas o las hormonas peptídicas, así como proteínas plasmáticas esenciales, incluyendo las de la defensa inmunitaria. Aunque el estado nutricional de un individuo sea el adecuado, parte de las proteínas de algunos tejidos experimentan un recambio proteico normal, es decir, son degradadas y los aminoácidos se emplean, entre otros destinos, para la nueva síntesis de proteínas.
DIGESTIÓN DE LAS PROTEÍNAS. ACTIVACIÓN DE ENZIMAS PROTEOLÍTICAS Las proteínas de la dieta no pueden ser absorbidas, por ello han de ser hidrolizadas hasta aminoácidos libres y pequeños
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péptidos (di y tripéptidos), los cuales pueden ser absorbidos en el intestino y, de esta forma, pasar a la sangre. En el proceso digestivo participan diferentes peptidasas, algunas de las cuales actúan como endopeptidasas, hidrolizando enlaces peptídicos internos y generando fragmentos peptídicos grandes, y otras de estas enzimas como exopeptidasas, hidrolizando los péptidos desde su extremo carboxiterminal (carboxipeptidasas) o desde el amino-terminal (aminopeptidasas). La gran mayoría de estas enzimas se producen como zimógenos, y han de ser activadas hidrolíticamente antes de ejercer su acción. La digestión de las proteínas comienza en el estómago, donde el jugo gástrico origina un pH inferior a 2 debido a la presencia de HCl. El HCl desnaturaliza la proteínas, desestabilizando su estructura terciaria y haciéndolas, de esta forma, más accesibles a los ataques enzimáticos. La pepsina A es la principal proteasa del estómago, es activa a pH ácido y se inactiva a pH neutro. Es una endopeptidasa que hidroliza los enlaces peptídicos en los que el grupo amino es aportado por Phe, Tyr o Leu. Esta enzima es una aspartato proteasa que contiene dos residuos de aspartato en su centro catalítico, los grupos carboxílicos de ambos son decisivos en el mecanismo catalítico. La pepsina A se produce en el estómago en forma de zimógeno, el pepsinógeno, que tiene un péptido adicional de 44 residuos en el extremo amino-terminal, que se elimina espontáneamente a pH ácido por hidrólisis del enlace entre Leu e Ile, generándose pepsina; la pepsina a su vez puede activar otras moléculas de pepsinógeno por autocatálisis. El proceso digestivo continúa con el paso del contenido del estómago (quimo) al duodeno, donde se vierten la secreción pancreática y la biliar. Ambas tienen pH alcalino (7,1-7,3 la bilis y 7,5-8 la secreción pancreática), lo cual modifica el pH del quimo y favorece la acción de las enzimas de la secreción pancreática. En esta secreción hay numerosas enzimas, algunas de las cuales actúan sobre proteínas y polipéptidos: tripsina, quimotripsina, elastasa y carboxipeptidasas A y B. Las enzimas y zimógenos se sintetizan en las células acinares del páncreas y se almacenan en el interior de gránulos unidos a membranas, los cuales se acumulan en el ápice de la célula acinar. El contenido de los gránulos se libera en el conducto colédoco que lleva al duodeno como respuesta a una señal hormonal o nerviosa. Tripsina, quimotripsina y elastasa son endopeptidasas que se secretan como zimógenos, pertenecen a la familia de las serina proteasas, esto es, enzimas que tienen en el centro activo un residuo de serina activado que toma parte en la catálisis, hidrolizando enlaces peptídicos. La activación del tripsinógeno genera tripsina (Fig. 13.1), y está catalizada por la enteropep-
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Las proteínas de la dieta no pueden ser absorbidas y por ello han de ser digeridas hasta aminoácidos libres y pequeños péptidos (di y tripéptidos), los cuales pueden ser absorbidos en el intestino y, de esta forma, pasar a la sangre.
Las enzimas digestivas se sintetizan en forma de precursores inactivos o zimógenos, que se activan por hidrólisis de enlaces peptídicos.
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Figura 13.1.– Activación del tripsinógeno por la enteropeptidasa en el duodeno.
Tripsina, quimotripsina y elastasa hidrolizan enlaces peptídicos en el lado carboxilo de residuos de aminoácidos específicos.
tidasa (o enteroquinasa), producida por las células epiteliales del duodeno, que hidroliza un único enlace peptídico Leu-Ile del tripsinógeno cuando éste entra en el duodeno procedente del páncreas, liberando un hexapéptido amino-terminal y transformándolo en tripsina. La tripsina activa a otras moléculas de tripsinógeno, así como a otros zimógenos de la secreción pancreática: quimotripsinógeno, proelastasa y procarboxipeptidasa; generándose de esta forma quimotripsina, elastasa y carboxipeptidasa. La activación del quimotripsinógeno (Fig. 13.2), proteína formada por una única cadena polipeptídica de 245 residuos de aminoácidos, se produce por hidrólisis del enlace Arg15Ile16 por la tripsina, formándose p-quimotripsina, enzima activa que actúa sobre otras moléculas de S-quimotripsina liberando dos dipéptidos (14-15 y 147-148) y generando la forma estable de la enzima, denominada a-quimotripsina, constituida por tres cadenas peptídicas unidas entre ellas por dos puentes disulfuro intercatenarios.
Figura 13.2.– Activación del quimotripsinógeno por la tripsina en el intestino delgado.
La tripsina hidroliza enlaces peptídicos de aminoácidos básicos (Arg, Lys), la quimotripsina hidroliza aquellos en los
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que participan aminoácidos sin carga (Tyr, Trp, Phe, Met, Leu) y la elastasa hidroliza los enlaces en lo que intervienen aminoácidos pequeños (Gly, Ala, Ser). Estas enzimas actúan sobre las proteínas y polipéptidos liberados del estómago al intestino y generan polipéptidos y péptidos de menor tamaño. Por su parte, las carboxipeptidasas A y B son exopeptidasas que actúan sobre el extremo carboxi-terminal de los péptidos generados por las endopeptidasas pancreáticas, liberando aminoácidos simples. Se trata de metalo proteasas, concretamente de zinc. El resultado final de la acción de estas enzimas es la formación de aminoácidos libres y péptidos pequeños de 2-8 residuos. Puesto que el proceso de activación de zimógenos es irreversible, la regulación de la actividad enzimática se realiza mediante inhibidores específicos. El inhibidor de tripsina, que se encuentra en la secreción pancreática, es una proteína pequeña de 6 kDa, que se une fuertemente al centro activo de la tripsina, dada su analogía con el sustrato, fomándose un complejo muy estable. El proceso digestivo se completa con las enzimas presentes en las secreciones intestinales (Fig. 13.3), producidas por las glándulas de Brunner y de Lieberkühn. Estas enzimas son aminopeptidasas, exopeptidasas que hidrolizan los enlaces peptídicos próximos al extremo amino-terminal de los oligopéptidos; entre ellas están la aminopeptidasa A, que hidroliza oligopéptidos con residuo amino-terminal ácido, y aminopeptidasa N que actúa cuando el citado residuo es neutro. También existen
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El proceso digestivo se completa con las aminopeptidasas de las secreciones intestinales
Figura 13.3.– Etapas de la digestión de las proteínas de la dieta.
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dipeptidasas de diversas especificidades; algunas de estas enzimas se encuentran en el citoplasma de las células del epitelio intestinal, donde pueden pasar los dipéptidos vía sistemas de transporte específicos, y es en el citoplasma donde son hidrolizados hasta aminoácidos libres.
ABSORCIÓN DE PÉPTIDOS Y AMINOÁCIDOS
El transporte de Laminoácidos a través de la membrana luminal de las células en cepillo del intestino delgado es un transporte facilitado por un transportador.
Las proteínas de la dieta, a la vista de lo expuesto, se transforman finalmente en aminoácidos libres y algunos dipéptidos en el intestino delgado, donde son absorbidos, pasando al sistema portal hepático que conduce al hígado. El transporte de L-aminoácidos (Fig. 13.4), a través de la membrana luminal de las células en cepillo del intestino delgado, es un transporte facilitado por un transportador, que se produce a favor de gradiente de concentración, y en muchos de los casos es dependiente de Na+, con un mecanismo semejante al de transporte de glucosa, esto es, se genera un gradiente electroquímico de Na, que es mantenido por la Na/K ATPasa con hidrólisis de ATP. Se han descubierto distintos tipos de transportadores específicos para L-aminoácidos y dipéptidos: a) para aminoácidos neutros con cadenas laterales polares o cortas (Ala, Ser, Thr);
Figura 13.4.– Transporte de aminoácidos y dipéptidos a través del epitelio intestinal.
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b) para aminoácidos neutros con cadenas laterales aromáticas o hidrófobas (Phe, Tyr, Met, Ile, Leu, Val); c) para iminoácidos (Pro, Hyp); d) para E-aminoácidos (E-Ala, taurina); e) para aminoácidos básicos y cistina (Arg, Lys, Cys-Cys); f) para aminoácidos ácidos (Asp, Glu); g) para dipéptidos. Los dipéptidos neutros son cotransportados con un ión H a través de la membrana luminal, y ya en el interior celular hidrolizados por dipeptidasas. Una vez en el interior citoplasmático, los aminoácidos son transportados fuera de la célula intestinal a través de la membrana contraluminal, mediante transporte facilitado por transportador, que en muchos casos es independiente de Na+. De esta forma los aminoácidos se incorporan a la sangre por la vena porta.
Una vez en el interior citoplasmático, los aminoácidos son transportados fuera de la célula intestinal a través de la membrana contraluminal, mediante un transporte facilitado por transportador.
RESUMEN Uno de los principales macronutrientes de la dieta son las proteínas, que constituyen una fuente tanto de energía, proporcionando 4 kcal/g cuando se oxidan completamente, como de nutrientes esenciales. En este sentido, las proteínas de la dieta aportan los nueve aminoácidos esenciales para el hombre: Phe, His, Ile, Leu, Lys, Met, Tre, Trp y Val. La cantidad de proteínas que, desde un punto de vista dietético, se recomienda ingerir varían con la edad, ya que se relaciona con la cantidad de aminoácidos esenciales que necesita un individuo para sintetizar las proteínas para sus tejidos. Si se consumen más proteínas de las necesarias, el exceso se transforma en glucosa o ácidos grasos y cetoácidos, que finalmente pueden producir triacilgliceroles. En situación de ayuno, algunas proteínas se degradan y sus aminoácidos se emplean para producir compuestos esenciales para el organismo como glucosa, algunas enzimas y hormonas. Las proteínas de la dieta han de ser digeridas hasta aminoácidos y pequeños péptidos, que pueden ser absorbidos en el intestino, y de esta forma pasar a la sangre. En el proceso digestivo participan diferentes peptidasas, la gran mayoría de las cuales se producen como zimógenos. La digestión comienza en el estómago por acción del carácter ácido del jugo gástrico y de la pepsina A, que se produce en el estómago en forma de zimógeno, el pep-
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sinógeno. El proceso continúa en el duodeno, donde se vierten la secreción pancreática y la biliar, que alcalinizan el pH del quimo para favorecer la acción de las enzimas de la secreción pancreática, de ellas tripsina, quimotripsina, elastasa y carboxipeptidasas A y B hidrolizan proteínas y polipéptidos. Todas estas enzimas se secretan como zimógenos; la activación del tripsinógeno por la enteropeptidasa duodenal genera tripsina, la cual activa a otras moléculas de tripsinógeno y a los otros zimógenos de la secreción pancreática: quimotripsinógeno, proelastasa y procarboxipeptidasa. El resultado de la acción de las enzimas de la secreción pancreática es la formación de aminoácidos libres y péptidos pequeños de 2-8 residuos. La actividad de las enzimas pancreáticas está regulada por inhibidores específicos. El proceso digestivo se completa con las enzimas de las secreciones intestinales: aminopeptidasas y dipeptidasas; algunas dipeptidasas están en el citoplasma de las células del epitelio intestinal. Por lo tanto, las proteínas de la dieta se transforman finalmente en aminoácidos libres y algunos dipéptidos en el intestino delgado, donde son absorbidos, pasando al sistema portal hepático que conduce al hígado. El transporte de L-aminoácidos a través de la membrana luminal de las células en cepillo del intestino delgado es un transporte facilitado por un transportador, en muchos casos, dependiente de Na; el gradiente electroquímico de Na necesario para el sistema se mantiene por acción de la Na/K ATPasa con hidrólisis de ATP. Los dipéptidos neutros son cotransportados con un protón, y en el interior celular son hidrolizados por dipeptidasas. Ya en el interior citoplasmático, los aminoácidos son transportados fuera de la célula intestinal a través de la membrana contraluminal mediante transporte facilitado por transportador, generalmente, independiente de Na. Así los aminoácidos se incorporan a la sangre de la vena porta.
APLICACIONES CLÍNICAS Malnutrición proteicoenergética La malnutrición proteicoenergética (MPE) o proteicocalórica se debe a una deficiencia no sólo de todos los macronutrientes, sino también de muchos micronutrientes. Existen va-
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ASPECTOS BIOQUÍMICOS DE LA NUTRICIÓN
rios niveles de este síndrome, según sea la insuficiencia proteica, desde la inanición a la alimentación insuficiente. Puede producirse en personas de cualquier edad y procedencia, aunque los más afectados son los lactantes y niños de países en vías de desarrollo. Existen tres formas clínicas de MPE: a) la forma seca, deshidratada o marasmo; b) la forma húmeda, edematosa o kwashiorkor; y c) una forma combinada o kwashiorkor marásmico. La forma clínica depende del equilibrio de la ingesta no proteica y proteica. A su vez, dentro de cada forma, existen diversos grados: leve, moderado y grave. El marasmo o forma seca se produce por ingesta casi nula de nutrientes proteicos y no proteicos; los niños que la padecen están muy delgados debido a la pérdida de músculo y grasa corporal, y tienen hambre. La ingesta energética es insuficiente para las necesidades corporales y el organismo las cubre con sus propias reservas. El glucógeno hepático se agota rápidamente, y las proteínas del músculo esquelético se utilizan vía gluconeogénesis para mantener el nivel de glucosa plasmática. Simultáneamente, los triacilglicéridos del tejido adiposo se degradan a ácidos grasos para proporcionar energía a algunos tejidos, pudiendo transformarse en cuerpos cetónicos para que los utilice el cerebro. El kwashiorkor o forma húmeda se produce al destetar al niño antes de lo necesario, generalmente por el nacimiento de un segundo hijo, y alimentarlo con nutrientes de baja calidad, como gachas diluidas, por lo que frena su desarrollo; en este caso, más que una deficiencia energética, se produce un deficiencia proteica importante, lo que origina el edema. Dado que estos niños ingieren hidratos de carbono y pocas proteínas, disminuye la síntesis de proteínas por las vísceras, lo que provoca hipoalbuminemia, que es la causante del edema. Este síndrome se caracteriza por edema generalizado, dermatosis escamosa, adelgazamiento, decoloración y enrojecimiento del pelo; hígado graso agrandado, y apatía irritable además de retraso del crecimiento. Los niños que padecen el kwashiorkor marásmico tienen algo más de edema y de grasa corporal que los que padecen marasmo. En todas las formas de MPE se presentan infecciones, con diversas bacterias productoras de neumonía, otitis media, diarrea, enfermedad genitourinaria y sepsis. La infección se presenta a causa de una inmunidad deprimida. Asimismo, en la MPE leve o moderadamente grave, hay una deplección de los electrólitos, en especial potasio y magnesio, y una disminución
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de la urea sanguínea; existe anemia por falta de hierro, y acidosis metabólica. En cuanto al tratamiento de niños y adultos con MPE grave, inicialmente se corrigen las anomalías de líquidos y electrólitos y se tratan las infecciones con antibióticos; posteriormente, se proporcionan macronutrientes como tratamiento dietético, generalmente se utilizan fórmulas basadas en la leche y, finalmente, tras una semana, se puede administrar la dieta completa.
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TEMA 14
Degradación de los aminoácidos
Transaminación y degradación oxidativa. Destino de los esqueletos carbonados de los aminoácidos.
La mayor parte de la energía la obtiene el ser humano del catabolismo de carbohidratos y grasas, pero hay un 10% que proviene de la oxidación del esqueleto carbonado de los aminoácidos. Si la cantidad de proteínas que se ingieren en la dieta o la cantidad de aminoácidos provenientes del recambio proteico normal del organismo, exceden al de aminoácidos necesarios para la síntesis proteica, entonces este exceso de aminoácidos ha de ser catabolizado, ya que los aminoácidos no pueden almacenarse, a diferencia de los glúcidos o las grasas. Por otra parte, las proteínas del organismo también pueden utilizarse como combustible cuando la ingesta de hidratos de carbono es insuficiente, o hay alguna patología que impide su utilización, como la diabetes mellitus. La degradación de aminoácidos en los mamíferos se produce esencialmente en el hígado. Inicialmente se produce la eliminación del grupo D-amino de los aminoácidos, y entonces el esqueleto carbonado resultante es catabolizado, transformándose en intermediarios metabólicos importantes, los cuales pueden generar ácidos grasos, cuerpos cetónicos y glucosa. En cuanto a los grupos D-amino, se transforman mayoritariamente en urea, que es excretada.
Los aminoácidos que exceden las necesidades de la síntesis proteica no pueden almacenarse y han de ser catabolizados.
La degradación de aminoácidos comienza con la eliminación de su grupo a-amino, quedando el esqueleto carbonado, que es catabolizado hasta intermediarios metabólicos importantes.
TRANSAMINACIÓN Y DEGRADACIÓN OXIDATIVA La transaminasas o aminotransferasas son enzimas que catalizan la transferencia de un grupo D-amino desde un D-aminoácido a un D-cetoácido. En muchos casos el D-cetoácido es el D-cetoglutarato (DKG), que se transforma en glutamato
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simultáneamente a la formación del D-cetoácido del D-aminoácido dador del grupo D-amino. De esta forma, mediante la formación de glutamato a partir de D-cetoglutarato, se elimina el grupo D-amino de muchos aminoácidos. O NH ll l H C COO O H C COO l l ll l o C COO H3N C COO CH2 m CH2 l l l l CH2 R R CH 2 l l aminoácido D-cetoácido COO COO D-cetoglutarato glutamato Una de las formas de eliminar el grupo aamino de los aminoácidos está catalizada por aminotransferasas que transfieren un gr upo a-amino desde un aminoácido a un a-cetoácido.
En muchas reacciones de transaminación se forma glutamato.
Entre las transaminasas, una de las más importantes es la aspartato aminotransferasa (AST), que cataliza la transferencia del grupo D-amino del aspartato al D-cetoglutarato: o oxalacetato glutamato aspartato D-cetoglutarato m Otra transaminasa importante es la alanina aminotransferasa (ALT), que cataliza la transferencia del grupo D-amino de la alanina al D-cetoglutarato: o piruvato glutamato alanina D-cetoglutarato m En general, una reacción de transaminación sigue el siguiente esquema: O NH NH O ll l l ll H C COO C COO m o C COO H C COO l l l l R2 R1 R2 R1 aminoácido-1
D-cetoácido-2
D-cetoácido-1
aminoácido-2
El mecanismo catalítico de las transaminasas incluye la formación de bases de Schiff intermediarias debido a la participación del grupo prostético de estas enzimas, el piridoxal fosfato (PLP). El piridoxal fosfato procede de la Vitamina B6 o piridoxina, y en el curso de la reacción se transforma en piridoxamina fosfato:
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El PLP, a través de su grupo aldehído, está unido en forma de base de Schiff inicialmente a la transaminasa a través del grupo H-amino de una Lys específica del centro activo (aldimina interna). En presencia de un aminoácido, que es el sustrato de la enzima, el grupo D-amino del mismo desplaza al H-amino de la Lys, formándose una unión por base de Schiff con el aminoácido (aldimina externa), que permanece unida a la enzima por enlaces no covalentes. Esta aldimina externa, tras una desprotonación, seguida de una reprotonación y posterior hidrólisis, genera un D-cetoácido y piridoxamina fosfato:
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La segunda etapa de la reacción es justo el proceso contrario al descrito. Un segundo D-cetoácido reacciona con la piridoxamina fosfato unida a la transaminasa, liberándose un segundo aminoácido y regenerándose el complejo transaminasa-PLP: o aminoácido2 E-PLP D-cetoácido2 E-PMP m El glutamato producido en las reacciones de transaminación puede sufrir una desaminación oxidativa, catalizada por la glutamato deshidrogenasa, formándose ión amonio (NH4+).
La reacción catalizada por las transaminasas es completamente reversible. El glutamato producido en las reacciones de transaminación puede sufrir una desaminación oxidativa, catalizada por la glutamato deshidrogenasa, formándose ión amonio (NH4):
Esta reacción se produce en ambos sentidos. En la reacción de degradación, en la que se libera amonio, se utiliza NAD, mientras que en la de síntesis participa NADP. Lo más probable es que in vivo la reacción se produzca en la dirección de producción de amonio. La glutamato deshidrogenasa, que en los vertebrados está constituida por seis subunidades idénticas, está regulada alostéricamente por nucleótidos purínicos. La degradación del glutamato para formar amonio se favorece por ADP y GDP, indicadores de una carga energética celular baja, y por tanto de una necesidad de obtener energía por oxidación de aminoácidos. Por el contrario, cuando la carga energética es alta, y abundan ATP y GTP, éstos actúan como activadores alostéricos para la síntesis de glutamato. Si se consideran conjuntamente las reacciones catalizadas por las transaminasas y por la glutamato deshidrogenasa, se observa la producción de amonio libre, que en la mayoría de los vertebrados terrestres se convierte en urea en el hígado, y es excretada por el riñón.
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Los D-cetoácidos resultantes de la transaminación son degradados hasta intermediarios metabólicos, los cuales pueden utilizarse en la biosíntesis de ácidos grasos, cuerpos cetónicos y glucosa.
DESTINO DE LOS ESQUELETOS CARBONADOS DE LOS AMINOÁCIDOS El esqueleto carbonado de los aminoácidos obtenido tras la transaminación, es decir, el D-cetoácido correspondiente, se degrada, transformándose en intermediarios metabólicos. Los esqueletos carbonados de los 20 aminoácidos se transforman en una o varias de las siguientes moléculas: piruvato, acetil-CoA, acetoacetil-CoA, D-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y oxalacetato. Los aminoácidos que al degradarse producen acetilCoA o acetoacetil-CoA se denominan cetogénicos, ya que estos compuestos generan cuerpos cetónicos. Por su parte, aquellos aminoácidos que se transforman en piruvato, D-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato u oxalacetato, se denominan glucogénicos, ya que estos compuestos pueden transformarse en glucosa por la vía gluconeogénica. Los aminoácidos puramente cetogénicos son leucina y lisina. Otros aminoácidos como isoleucina, fenilalanina, triptófano y tirosina son tanto cetogénicos como glucogénicos (Fig. 14.1).
Figura 14.1.– Degradación de asparagina y aspartato. D-KG
Los esqueletos carbonados de los 20 aminoácidos se transforman en una o varias de las siguientes moléculas: piruvato, acetil-CoA, acetoacetil-CoA, a-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y oxalacetato.
D-cetoglutarato
1. Aminoácidos que se convierten en oxacelato: asparagina y aspartato La asparagina se transforma en aspartato por acción de la asparaginasa. El aspartato se transamina hasta oxalacetato, el cual puede transformarse en glucosa vía gluconeogénesis o ser oxidado en el ciclo del ácido cítrico para obtener energía (Fig. 14.2).
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Figura 14.2.– Esquema general del destino metabólico de los esqueletos carbonados de los aminoácidos.
2. Aminoácidos que se convierten en piruvato: alanina, treonina, cisteína, serina y glicina La alanina se transforma en piruvato en un único paso catalizado por la alanina transaminasa. La reacción es reversible (Fig. 14.3). El piruvato puede seguir la vía gluconeogénica, ge-
Figura 14.3.– Transformación de alanina en piruvato.
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nerando glucosa; o bien puede transformarse en acetil-CoA e incorporarse al ciclo del ácido cítrico. La treonina se degrada por tres rutas diferentes (Fig. 14.4). Una de estas rutas conduce a la formación de propionil-CoA, el cual puede transformarse en succinil-CoA, que es un intermediario del ciclo del ácido cítrico. Las otras dos vías degradativas conducen a la formación de piruvato; una de ellas consiste en la oxidación y descarboxilación de treonina, que se transforma en aminoacetato, el cual finalmente produce piruvato. La tercera ruta degradativa se inicia con la hidrólisis del aminoácido en acetaldehído y glicina; el acetaldehído se transforma en acetil-CoA, el cual puede utilizarse para la síntesis de
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El piruvato formado en la degradación de Ala, Tre, Cys, Ser y Gly, puede transformarse en glucosa por la vía gluconeogénica, transformarse en acetil-CoA e incorporarse al ciclo de Krebs.
Figura 14.4.– Rutas degradativas de treonina, glicina y serina.
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cuerpos cetónicos, lo que hace de la treonina un aminoácido con cierto carácter cetogénico; por su parte la glicina se transforma en serina en una reacción de transaminación reversible en la que participa el tetrahidrofolato. La serina finalmente se desamina transformándose en piruvato. La cisteína puede degradarse por dos rutas (Fig. 14.5). Una de ellas conduce a la formación de cisteinsulfinato, compuesto a partir del que se forma taurina con destino a la síntesis de ácidos biliares. El cisteinsulfinato se transamina a E-sulfinilpiruvato, que por desulfuración no enzimática genera piruvato y dióxido de azufre (SO2). El dióxido de azufre se transforma en sulfito (SO3 ), y por acción de la oxidasa de sulfitos, con cofactor de Mo, se forma sulfato (SO4 ). La deficiencia de oxidasa de sulfitos o del cofactor de Mo, produce en los niños vómitos, convulsiones y retraso mental grave a las pocas semanas del nacimiento, y fallecen en los dos primeros años. Estos niños excretan gran cantidad de sulfitos, tiosulfatos, 5-sulfocisteína, xantina e hipoxantina por la orina. La otra ruta de degradación de cisteína consta de una transaminación y posterior desulfuración, formándose piruvato.
Figura 14.5.– Degradación de la cisteína hasta piruvato.
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3. Aminoácidos que se convierten en a-cetoglutarato: prolina, arginina, glutamina, histidina y glutamato Prolina, arginina, glutamina e histidina se transforman en glutamato, el cual es convertido en D-cetoglutarato bien por transaminación o bien por desaminación oxidativa (Fig. 14.6). La degradación de la prolina comienza con una oxidación catalizada por la prolina oxidasa. Una patología relacionada con esta ruta es la hiperprolinemia, que se caracteriza por un aumento de L-prolina en los fluidos corporales, y se transmite con carácter autosómico recesivo. La hiperprolinemia puede ser de dos tipos: a) Tipo I, producida por un déficit de prolina oxidasa, y cursa con crisis convulsivas y retraso mental; b) Tipo II, debida a una deficiencia en la deshidrogenasa, se observa una excreción urinaria de pirrolina-carboxilato, y la hiperprolinemia es más elevada en este caso.
Pro, Arg, Gln e His se metabolizan a glutamato, el cual se transamina a a-cetoglutarato, que es un intermediario del ciclo del ácido cítrico.
Figura 14.6.– Degradación de prolina, arginina, glutamina, histidina y glutamato hasta D-cetoglutarato.
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Se produce hiperaminoaciduria específica que comprende Pro, Hyp y Gly, y su grado es directamente proporcional a la concentración de Pro en sangre. El tratamiento no es eficaz porque no se puede hacer una verdadera restricción dietética. Sobre la arginina actúa la arginasa, transformándola en ornitina y urea; la ornitina sufre una transaminación y genera J-semialdehído glutámico, convergiendo así con la ruta degradativa de la Pro. La deficiencia en arginasa produce argininemia, que se hereda con carácter autosómico recesivo. Hay dos arginasas genéticamente distintas en el hombre, una es citosólica y se expresa en hígado y hematíes, y la otra se localiza en mitocondrias renales. La arginasa citosólica es la deficiente en los enfermos con argininemia. Los lactantes suelen carecer de síntomas los primeros meses o años de vida, después aparecen progresivamente diplejia espástica con postura de tijeras de los miembros inferiores, retraso mental progresivo, frecuentes convulsiones e incluso hepatomegalia. Todo esto es consecuencia de una elevación de Arg en plasma y líquido cefalorraquídeo. La transformación de glutamina en glutamato se produce por desaminación catalizada por la glutaminasa. La primera etapa de la degradación de la histidina está catalizada por la histidasa o histidina aminio liasa, fomándose urocanato. La deficiencia en histidasa produce histidinemia, que se transmite con carácter autosómico recesivo, y cuyas manifestaciones clínicas son transtornos en el lenguaje, retraso del crecimiento o retraso mental. Sin embargo, existen individuos con histidinemia que son asintomáticos. Los niveles de His en plasma y líquido cefalorraquídeo están muy elevados, y en la orina hay gran cantidad de His y ácido imidazolpirúvico, producto de la transaminación de la His. Una dieta baja en His es lo más adecuado para estos individuos, aunque no mejora a los enfermos con síntomas. Otra patología asociada con esta ruta degradativa es la acidemia urocánica, debida a deficiencia de urocanasa, y que provoca retraso mental y del crecimiento así como aciduria urocánica masiva.
4. Aminoácidos que se convierten en succinil-Co-A: metionina, valina e isoleucina El esqueleto carbonado de Met y de dos de los aminoácidos ramificados (Val e Ile) se transforma en succinil-CoA, un intermediario del ciclo de Krebs.
La degradación de la metionina (Fig. 14.7) comienza con la reacción catalizada por la metionina adenosiltrasferasa, que conduce a la formación de S-adenosilmetionina, compuesto dador de metilos que se utiliza para la metilación de diversos compuestos del organismo. La homocisteína se condensa con una serina para formar cistationina, reacción catalizada por la
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Figura 14.7.– Ruta degradativa de metionina.
cistationina E-sintasa; la cistationina es el sustrato de la cistationina J-liasa que la desamina formando cisteína y D-cetobutirato. Se genera propionil-CoA, que finalmente se transforma en succinil-CoA, que se incorpora al ciclo del ácido cítrico. La deficiencia en metionina adenosiltransferasa produce hipermetioninemia, una patología benigna ya que no se han detectado pacientes con ausencia completa de la enzima. La deficiencia en cistationina E-sintasa produce homocistinuria clásica o tipo I, y es el error congénito más frecuente del metabolismo de la metionina, que se transmite como autosó-
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mico recesivo. Se produce una elevación de homocisteína, y, como consecuencia de ello, también de metionina en los líquidos corporales. Las manifestaciones clínicas son numerosas, a partir de los 3 años se produce desprendimiento del cristalino y otras anomalias oculares, es frecuente un retraso mental progresivo, y también trastornos psiquiátricos y convulsiones en algunos pacientes. También se producen alteraciones esqueléticas como escoliosis, así como una osteoporosis generalizada. Se presenta tromboembolia de vasos grandes y pequeños, especialmente cerebrales. En cuanto al tratamiento, pasa por la restricción en la ingesta de metionina, y en algunos casos hay una mejoría con la ingesta de vitamina B6 (piridoxal fosfato). La valina constituye, junto con la isoleucina y la leucina, el grupo de los aminoácidos de cadena ramificada, cuyas primeras etapas de degradación son equivalentes, y la deficiencia de alguna de sus enzimas produce patologías comunes. El catabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada tienen lugar en hígado, riñón, músculo, corazón y tejido adiposo, y se inicia con la entrada de estos aminoácidos a la célula a través de un transportador de membrana celular. Después de la transaminación reversible, catalizada por una única transaminasa, los D-cetoácidos resultantes entran en las mitocondrias, donde sufren una descarboxilación oxidativa catalizada por una única D-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada, que es un complejo multienzimático, semejante al complejo piruvato deshidrogenasa, formado por una D-cetoácido descarboxilasa, una transacilasa y una dihidrolipoil deshidrogenasa. Los tioésteres de cadena ramificada resultantes de la descarboxilación oxidativa se catabolizan por diferentes vías. La valina (Fig. 14.8) sufre una transaminación y se forma el D-cetoácido, D-cetoisovalerato, que sufre la descarboxilación oxidativa generándose isobutiril-CoA, el cual experimenta una oxidación catalizada por una deshidrogenasa dependiente de FAD, formándose metilacrilil-CoA, compuesto que, tras una serie de pasos metabólicos catalizados enzimáticamente, se transforma en metilmalonil-CoA, el cual por acción de una mutasa se convierte en succinil-CoA. La isoleucina (Fig. 14.8) es otro de los aminoácidos de cadena ramificada, su catabolismo comienza con una transaminación para producir el correspondiente D-cetoácido, el Dceto-E-metilvalerato, que experimenta la descarboxilación oxidativa, transformándose en D-metilbutiril-CoA, que por acción de la deshidrogenasa dependiente de FAD se transforma en tiglil-CoA, compuesto que, tras una serie de transfor-
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Figura 14.8.– Rutas degradativas de los aminoácidos de cadena ramificada: valina, isoleucina y leucina.
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maciones catalizadas enzimáticamente, produce D-metilacetoacetil-CoA, compuesto que sufre una tiolisis y se escinde en acetil-CoA y propionil-CoA, el cual finalmente genera succinil-CoA.
5. Aminoácidos que se convierten en acetil-CoA: leucina, lisina y triptófano La leucina (Fig. 14.8) es la tercera de los aminoácidos de cadena ramificada, y su catabolismo conduce a la formación de acetil-CoA y acetoacetato.
Errores congénitos del metabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada 1. Enfermedad de la orina con olor a jarabe de arce: EOJA La valina constituye, junto con la isoleucina y la leucina, el grupo de los aminoácidos de cadena ramificada, cuyas primeras etapas de degradación son equivalentes, y la deficiencia de alguna de sus enzimas produce patologías comunes.
Esencialmente, se produce por una deficiencia en el complejo deshidrogenasa de D-cetoácidos de aminoácidos ramificados (Val, Ile y Leu), que puede implicar a uno o a todos sus componentes (D-cetoácido descarboxilasa, transacilasa y dihidrolipoil deshidrogenasa), o bien puede afectar al pirofosfato de tiamina (TPP), que es el cofactor de la enzima. Esta patología se denomina EOJA por el olor dulzón propio del jarabe de arce que exhalan los líquidos corporales, sobre todo la orina. Existen viarios tipos de EOJA: a) EOJA clásica: Es la más grave. Los lactantes son normales al nacer pero presentan vómitos y poca tendencia a alimentarse, y a los pocos días letargia y coma, junto con rigidez muscular, convulsiones, hipoglucemia y acidosis metabólica. Si no se tratan, los pacientes fallecen a las pocas semanas o meses de vida. La orina, el sudor y el cerumen exhalan olor a jarabe de arce, lo cual es indicativo de la patología, que cursa con elevados niveles plasmáticos de Leu, Ile y Val y descenso de los niveles de Ala. En orina se detectan elevados niveles de Leu, Ile y Val, así como de sus correspondientes D-cetoácidos. El tratamiento de la fase aguda consiste en eliminar los aminoácidos de cadena ramificada y sus metabolitos de los líquidos corporales y de los tejidos mediante diálisis peritoneal; una vez superada esta fase, ha de ingerirse una dieta pobre en aminoácidos de cadena ramificada, para lo cual existen preparados comerciales carentes de estos aminoácidos, sin embargo, puesto que Val, Leu e
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Ile son aminoácidos esenciales para el ser humano hay que añadir pequeñas cantidades controladas a la dieta, la cual ha de mantenerse toda la vida del paciente. Estos individuos frecuentemente presentan daños neurológicos y retraso mental. b) EOJA intermitente: En estos pacientes la actividad del complejo deshidrogenasa es del 8 al 16% de la normal. Los niños son aparentemente normales, pero en situaciones de estrés (infecciones u operaciones quirurgicas, por ejemplo) presentan vómitos, letargia, coma y olor a jarabe de arce, llegando a una situación equivalente a la de la EOJA clásica. c) EOJA leve: La actividad del complejo deshidrogenasa es 2-8% de la normal, por lo que el cuadro clínico es más leve que el de la forma clásica, sin embargo los niveles plasmáticos de Val, Leu e Ile son elevados, y eliminan por orina los D-cetoácidos correspondientes, por lo que tienen olor a jarabe de arce. Su retraso es ligero o moderado. d) EOJA con respuesta a tiamina: Algunas formas de EOJA leves o intermedias mejoran notablemente con dosis altas de tiamina (10 a 200 mg/24 h).
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La EOJA se produce, esencialmente, por una deficiencia en el complejo deshidrogenasa de a-cetoácidos de aminoacidos ramificados (Val, Lev, Ile), o por carencia de TPP.
Todas las formas de EOJA se transmiten con carácter autosómico recesivo. La existencia de numerosas variedades es debido a la deficiencia en las diversas subunidades del complejo de la deshidrogenasa. 2. Acidemias orgánicas Todos los metabolitos intermediarios del catabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada son ácidos orgánicos, y el deficit de cualquiera de las enzimas de estas vías metabólicas, excepto de las transaminasas, origina acidosis; los ácidos orgánicos que preceden al bloqueo enzimático se acumulan en los líquidos corporales y se eliminan por la orina, ocasionándose una acidosis metabólica intensa en los primeros días de vida. Así, existen algunas enfermedades asociadas con el catabolismo de la leucina:
Todos los metabolitos inter mediarios del catabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada son ácidos orgánicos y, el deficit de cualquiera de las enzimas de estas vías metabólicas, excepto de las transaminasas, origina acidosis
a) Acidemia isovalérica: se produce por deficiencia de isovaleril-CoA deshidrogenasa, por lo que se acumula isovaleril-CoA, que da lugar a isovalerato, que es excretado en la orina y el sudor, produciendo un olor a queso o a sudor de pies en el aliento y los líquidos corporales. Se transmite como un carácter autosómico recesivo. Los pacientes presentan vómitos, acidosis metabólica,
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letargia, convulsiones, coma, y puede sobrevenir la muerte. b) Aciduria 3-metilglutacónica: Se produce por una deficiencia en la hidratasa, eliminándose por orina ácido metilglutacónico; los síntomas pueden ser leves con un ligero retraso motor hasta graves deficiencias neurológicas. c) Acidemia 3-hidroxi-metilglutárica (HMG): Hay un deficit de liasa de hidroximetilglutaril-CoA que origina, desde los primeros días o meses de vida, vómitos, hipoglucemia, acidosis metabólica, deshidratación, letargia y coma; hay una excreción urinaria de ácido 3-hidroximetilglutárico y otros metabolistos intermedios.
El catabolismo de Lem produce acetoacetato y acetil-CoA, y el de Lys genera acetil-CoA, por lo que ambos aminoácidos son estrictamente cetogénicos.
También se producen acidosis por deficiencias enzimáticas en el metabolismo de la isoleucina, tal es el caso del deficit de b-cetotiolosa, es decir de la enzima que hidroliza el metilacetoacetil-CoA, que puede llegar a ocasionar una acidosis grave en el primer año de vida. La lisina se degrada hasta acetil-CoA por diversas rutas metabólicas (Fig. 14.9). La ruta mayoritaria en el hígado comienza con la formación de '-semialdehído D-aminoadípico en dos etapas a traves de sacaropina. La primera, catalizada por una reductasa, consiste en la condensación de la lisina con D-cetoglutarato para formar sacaropina, sobre la que actúa una deshidrogenasa y libera glutamato, con lo cual se ha producido la desaminación del grupo H-amino de la Lys y la transformación en aldehído. El '-semialdehído D-aminoadípico experimenta una oxidación y una transaminación dando lugar a Dcetoadipato, que por descarboxilación oxidativa catalizada por una deshidrogenasa genera glutaril-CoA, que se descarboxila para formar crotonil-CoA, compuesto que se incorpora a la ruta de la E-oxidación de ácidos grasos para formar dos moléculas de acetil-CoA. Otra de las rutas degradativas comienza con la desaminación de la lisina, catalizada por la aminoácido oxidasa, y confluye con la anterior en la formación de '-semialdehído D-aminoadípico; esta ruta degradativa se produce en el cerebro. Entre los errores congénitos del metabolismo de la lisina está la hiperlisinemia persistente, debida a una deficiencia de la enzima reductasa de D-cetoglutarato-deshidrogenasa de sacaropina, que se cree están controlados por un único gen, y que se transmite con carácter autosómico recesivo; los síntomas van desde retraso mental y físico grave con convulsiones, hasta la normalidad completa de los niños. La mayoría de los enfermos presentan hiperlisinemia, sacaropinemia, lisinuria y saca-
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DEGRADACIÓN DE LOS AMINOÁCIDOS
Figura 14.9.– Ruta degradativa de lisina.
ropinuria. Otra patología es la acidemia a-cetoadípica, debida a una deficiencia en la descarboxilación del D-cetoadipato, que produce niveles elevados de D-cetoadípico en plasma y orina del recien nacido, causando convulsiones, acidosis metabólica leve e intenso retraso mental. La degradación del triptófano se produce mayoritariamente en el hígado hasta acetil-CoA. En esta ruta en la reacción catalizada por la quinureninasa se forma alanina, que puede transformarse en piruvato y 3-hidroxiantranilato, que es un precursor de la biosíntesis de NAD y NADP. Se genera D-cetoadipato, metabolito común con la ruta degradativa de lisina, y desde este punto ambas vías presentan los mismos pasos metabólicos hasta acetil-CoA.
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6. Aminoácidos que se convierten en fumarato y acetoacetato: fenilalanina y tirosina
En la degradación de Trp se produce acetilCoA y Ala, la cual puede transformarse en piruvato.
La fenilalanina es un aminoácido esencial, y el exceso de este aminoácido ingerido en la dieta que no se utilice para la síntesis de proteínas se degrada mediante su transformación en tirosina (Fig. 14.11), cuyo catabolismo desemboca en la formación de fumarato y acetoacetato. La primera reacción está catalizada por la fenilalanina 4-monooxigenasa o fenilalanina hidroxilasa, que utiliza como cofactor tetrahidrobiopterina, y transforma fenilalanina en tirosina, la cual se transamina por la tirosina transaminasa para formar 4-hidroxifenilpiruvato, que se transforma en homogentisato, que por acción de la homogentisato 1,2-dioxigenasa produce 4-maleilacetoacetato, compuesto que en último término genera fumarato y acetoacetato. La deficiencia de fenilalanina 4-monooxigenasa (fenilalanina hidroxilasa) origina uno de los errores congénitos del metabolismo más conocido e importante, la fenilcetonuria clásica. Esta patología se caracteriza por una hiperfenilalaninemia plasmática, con valores de Phe en sangre superiores a 20 mg/dL; el exceso de Phe se transforma en ácido fenilpirúvico por desaminación o en feniletilamina por descarboxilación, a su vez el ácido fenilpirúvico puede transformarse en ácido fenilacético o en ácido fenil-láctico, y todos estos metabolitos aparecen elevados en sangre, orina y, en general, en los fluidos corporales. El aumento de los niveles de Phe produce efectos tóxicos sobre el transporte y metabolismo de otros aminoácidos aromáticos en cerebro, lo cual junto con los metabolistos secundarios que se originan provocan la lesión cerebral. El lactante es normal al nacer, y, si no se somete a tratamiento, el retraso mental se produce lentamente. Se presentan síntomas neurológicos graves, y los individuos afectados tienen una coloración clara de piel, ojos y tejidos internos por la falta de melanina, cuyo nivel desciende por la falta de tirosina, ya que la proveniente de la dieta no es suficiente; esta deficiencia de tirosina ejerce un efecto nocivo sobre la síntesis proteica, imposibilitando el desarrollo cerebral. La determinación de los niveles de Phe en sangre es una prueba que se realiza a todos los recien nacidos, ya que la deficiencia genética de esta enzima es elevada, y la detección a tiempo permite prevenir el retraso mental con que cursa esta enfermedad mediante el control de la cantidad de Phe de la dieta; el tratamiento consiste en alimentar a los niños con una dieta sintética baja en Phe durante los primeros cinco años aproximadamente, y después continuar con restricciones en la cantidad de proteínas de la dieta.
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Figura 14.10.– Degradación del triptófano.
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Figura 14.11.– Ruta degradativa de fenilalanina y tirosina.
Esta deficiencia enzimática se transmite con carácter autosómico recesivo. Algunos de los lactantes con niveles elevados de fenilalanina en plasma no tienen deficiencia en la hidroxilasa, sino un
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deficit de una de las enzimas que sintetiza o reduce el cofactor tetrahidrobiopterina (BH4). Este cofactor tambien participa en la reacción catalizada por las hidroxilasas de triptófano y de tirosina, que son esenciales para la biosíntesis de los neurotransmisores dopamina y serotonina, por lo que la deficiencia en BH4 afecta gravemente a las funciones del sistema nervioso central. Las manifestaciones clínicas son indistinguibles de las de la fenilcetonuria clásica, pero, aunque se aplique una dieta adecuada, los lactantes desarrollan manifestaciones neurológicas. El tratamiento consiste en la administración de precursores de los neurotransmisores, como L-dopa y 5-dihidroxitriptófano.
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La deficiencia de fenilalanina 4-monooxigenasa (fenilalanina hidroxilasa) origina uno de los errores congénitos del metabolismo más conocido e importante, la fenilcetonuria clásica.
La tirosina se utiliza no sólo para la síntesis de proteínas, sino como precursor de dopamina, noradrenalina, adrenalina, melanina y tiroxina, y sólo aquella en exceso se metaboliza por la ruta degradativa hasta fumarato y acetoacetato; el fumarato se incorpora al ciclo de los ácidos tricarboxílicos y el acetoacetato se transforma finalmente en acetil-CoA. Entre los errores congénitos del metabolismo de la tirosina están las tirosinemias, caracterizadas por niveles elevados de Tyr en los líquidos corporales, y que pueden ser de dos tipos: a) Tirosinemia oculocutánea o tipo II: hay una deficiencia de tirosina transaminasa citosólica hepática, que se transmite con carácter autosómico recesivo, y provoca un aumento de los niveles de Tyr en plasma (2050 mg/dL) y en orina, así como de metabolitos secundarios N-acetiltirosina, p-hidroxifenilpirúvico y p-hidroxifenilacético, que producen retraso mental leve a moderado y lesiones cutáneas y oculares. El tratamiento consiste en una dieta pobre en tirosina y fenilalanina. b) Tirosinemia hepatorrenal o tipo I: es un proceso autosómico recesivo, causado por una deficiencia en fumaril acetoacetasa que ocasiona la acumulación y excreción de Tyr y de metabolitos intermedios, ya que se acumula fumarilacetoacetato, que conduce a la de maleilacetoacetato, compuesto químicamente reactivo que se une a compuestos sulfhidrilos; también se produce succinilacetona, a partir de fumarilacetato, que es responsable, probablemente, de las alteraciones bioquímicas. Se origina una afectación grave del hígado, riñones y sistema nervioso central. La forma aguda de la enfermedad se manifiesta en los seis primeros meses de vida, y puede conducir a la muerte por fallo hepático en los primeros dos años. La forma crónica se manifiesta después del primer año de vida, y la muerte suele producir-
La tirosina se utiliza no sólo para la síntesis de proteínas, sino como precursor de dopamina, noradrenalina, adrenalina, melanina y tiroxina.
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se a los diez años de edad por fallo hepático. El tratamiento con dieta baja en Tyr, Phe y Met no suele ser efectivo, y el único recurso es el transplante hepático. La alcaptonuria se debe a una deficiencia de homogentisato 1,2-dioxigenasa, que provoca que los pacientes excreten prácticamente toda la Tyr que ingieren en exceso en forma de ácido homogentísico por la orina. Se transmite con carácter autosómico recesivo. El ácido homogentísico es incoloro, pero con el tiempo se oxida generando un compuesto que polimeriza adquiriendo un intenso color oscuro. Inicialmente sólo se produce una orina de color oscuro, pero con el tiempo los pigmentos procedentes de la oxidación del ácido homogentísico se depositan en los huesos, tejido conjuntivo y diveros órganos produciendo en ellos una pigmentación generalizada denominada ocronosis, pudiéndose producir artritis.
RESUMEN Los aminoácidos que exceden las necesidades de la síntesis proteica no pueden almacenarse, y han de ser catabolizados, al igual que aquellos procedentes de las proteínas del organismo que se utilizan como combustible en algunas circustancias metabólicas. La degradación de aminoácidos se produce mayoritaritamente en el hígado. Comienza con la eliminación del grupo D-amino de los aminoácidos, quedando el esqueleto carbonado de los mismos, que es catabolizado hasta formar intermediarios metabólicos importantes. La eliminación del grupo D-amino se puede producir por transaminación, llevada a cabo por transaminasas o aminotransferasas que catalizan la transferencia de un grupo D-amino desde un D-aminoácido a un D-cetoácido. El mecanismo catalítico de las transaminansas incluye la formación de bases de Schiff intermediarias. El glutamato producido en las reacciones de transaminación puede sufrir una desaminación oxidativa, catalizada por la glutamato deshidrogenasa, formándose ión amonio (NH4), el cual, en la mayoría de los vertebrados terrestres, se convierte en urea en el hígado, y es excretada por el riñón. Los D-cetoácidos resultantes de la transaminación son degradados hasta intermediarios metabólicos, los cuales pueden utilizarse en la biosíntesis de ácidos grasos, cuerpos cetónicos y glucosa. Los esqueletos carbonados de los
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20 aminoácidos se transforman en una o varias de las siguientes moléculas: piruvato, acetil-CoA, acetoacetil-CoA, D-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y oxalacetato. Los aminoácidos que al degradarse producen acetil-CoA o acetoacetil-CoA se denominan cetogénicos; mientras que los que se transforman en cualquiera de los otros intermediarios son glucogénicos. Los aminoácidos puramente cetogénicos son leucina y lisina. Otros aminoácidos como isoleucina, fenilalanina, triptófano y tirosina son tanto cetogénicos como glucogénicos. Se han descubierto numerosos errores congénitos del metabolismos en las rutas catabólicas de los aminoácidos, que traen consigo deficiencias en determinadas enzimas. Estas deficiencias enzimáticas pueden producir patologias de diversa gravedad.
APLICACIONES CLÍNICAS Por el gran número de trastornos metabólicos que se aplican a lo largo de este tema, y por su especial importancia, los casos clínicos se han integrado en los apartados correspondientes a este capítulo.
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TEMA 15
Excreción del nitrógeno proteico
Excreción del nitrógeno proteico. Ciclo de la urea. Conexión entre el ciclo de la urea y el ciclo de Krebs.
En la especie humana el nitrógeno que se excreta procede de las proteínas de la dieta y del recambio proteico normal. La principal forma de excreción del nitrógeno es la urea, que se produce en el hígado como consecuencia de un conjunto de reacciones estructuradas cíclicamente, que se denomina ciclo de la urea. Este ciclo esta conectado con el de Krebs a través del fumarato y del aspartato que procede del oxalacetato por transaminación.
EXCRECIÓN DEL NITRÓGENO PROTEICO En los individuos sanos correctamente alimentados, el nitrógeno que se excreta proviene de la digestión del exceso de proteínas ingeridas en la dieta y del recambio proteico normal, puesto que la proteínas del organismo sufren un recambio regular, ya que la vida media de las proteínas del organismo varía de unas horas a varios días, y además se produce una degradación proteica procedente de la apoptosis celular normal del organismo. Por otra parte, en determinadas situaciones metabólicas como la inanición, se produce degradación de las proteínas del organismo, principalmente de las musculares, con el fin de obtener energía mediante la incorporación de las cadenas carbonadas de los aminoácidos a la gluconeogénesis, y los grupos amino de los aminoácidos son transferidos a la glutamina y a la alanina. La glutamina y la alanina formadas en el músculo pasan a sangre y son transportadas principalmente al hígado, pero también al riñón (Fig. 15.1). En el músculo esquelético y en el cardiaco se sintetiza creatina-fosfato, como fuente de fosfato de alta energía para la con-
En condiciones de inanimación se degradan las proteínas musculares.
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Figura 15.1.– Transporte del nitrógeno producido en el músculo por degradación de proteínas al hígado y al riñón.
tracción muscular, a partir de glicina y arginina, y ATP como dador de fosfato y de energía. La creatina-fostato posee dos grupos amino en su estructura. La cantidad de creatina en el organismo depende de la masa muscular, y diariamente se renueva un porcentaje concreto. Alrededor del 1-2% de la creatina-fosfato se cicla de forma no enzimática dando creatinina, que pasa a la sangre y es excretada por el riñón, con lo cual se elimina nitrógeno (Fig. 15.2). En el hígado, la alanina por acción de la alanina aminotransferasa genera glutamato, y la glutamina por acción de la glutaminasa libera NH4 y produce glutamato. El glutamato es catalizado por la glutamato deshidrogenasa, transformándose
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Figura 15.2.– Síntesis de creatina y formación de creatinina.
en D-cetoglutarato y liberando NH4. El NH4 producido en el hígado es transformado en urea, mediante el ciclo de la urea, que es excretada por el riñón.
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Una parte de la alanina y la glutamina producidas en el músculo, llega vía sanguinea al riñón y, mediante los mismos sistemas enzimáticos descritos en el hígado, generan amoniaco, que es protonado a ion amonio (NH4) y excretado.
CICLO DE LA UREA La urea es la principal forma de excreción de nitrógeno en los vertebrados terrestres.
La urea se sintetiza en el hígado a través de una ruta metabólica cíclica. La formación de carbamoil fosfato por la carbamoilfosfato sintetasa I, y la de citrulina, catalizada por la ornitina transcarbamoilasa, se producen en el interior mitocondrial.
La arginasa, que cataliza la escisión de arginina para formar urea en el citosol, es una enzima exclusivamente hepática.
La urea es la principal forma de excreción de nitrógeno en los vertebrados terrestres, y su síntesis se produce a través de una vía metabólica denominada ciclo de la urea, que tiene lugar en el hígado, y fue la primera ruta cíclica que se descubrió. Los científicos que la propusieron fueron Hans Krebs y Kurt Henseleit en 1932, cinco años antes del descubrimiento del ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo de Krebs. La molécula de urea posee dos átomos de nitrógeno (CO(NH2)2), uno de ellos procede del aspartato, y el otro se incorpora en forma de NH4; a su vez, el átomo de carbono de la molécula es aportado por una molécula de bicarbonato (HCO3). En el ciclo de la urea (Fig. 15.3) participan cinco sistemas enzimáticos, los dos primeros catalizan reacciones en la mitocondria, y los tres restantes en el citosol. El ciclo de la urea inicia y finaliza en ornitina. La primera reacción consiste en la condensación del amonio con el bicarbonato en la mitocondria, catalizada por la carbamoil o carbomil fosfato sintetasa I (CPSI), para formar carbamoil o carbomil fosfato, un aldehído mixto de alta energía. Esta reacción, estrictamente, no forma parte del ciclo de la urea, pero es esencial para la síntesis de este compuesto, ya que el carbamoil fosfato es la molécula que va a incorporar uno de los nitrógenos de la molécula de urea. La reacción catalizada por esta enzima necesita de dos moléculas de ATP, uno para activar el bicarbonato y otro como dador del fosfato, así como de la presencia de N-acetilglutamato como activador alostérico. Existe otra isoenzima citosólica, denominada carbamoil fosfato sintetasa II, que participa en la biosíntesis de pirimidinas. La primera reacción del ciclo consiste en la formación de citrulina por la ornitina transcarbamoilasa, que cataliza la transferencia del grupo carbamoilo del carbamoil fosfato a la ornitina, en la matriz mitocondrial. La ornitina que participa en la reacción se produce en el citosol, y es transportada al interior mitocondrial mediante un transportador de intercambio citrulina/ornitina situado en la membrana interna mitocondrial. Así mismo, la citrulina formada en la mitocondria pasa al citosol mediante el citado transportador.
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Figura 15.3.– Ciclo de la urea.
En el citosol, la citrulina se condensa con aspartato formando argininosuccinato, reacción catalizada por la argininosuccinato sintetasa, con hidrólisis de ATP a AMP y PPi, el cual es enzimáticamente hidrolizado a 2Pi. El argininosuccinato se hidroliza, por acción de la argininosuccinato liasa, en arginina y fumarato. El fumarato es el punto de conexión entre el ciclo de la urea y el ciclo de los ácidos tricarboxílicos. La arginina es escindida en ornitina y urea por la arginasa, una enzima exclusivamente hepática. La ornitina producida en el citosol vuelve a entrar en la mitocondria mediante su transportador, y así se incorpora nuevamente al ciclo. La urea es transportada al riñón para su excreción por la orina. Para la biosíntesis de una molécula de urea es necesaria la hidrólisis de cuatro enlaces fosfato de alta energía: tres ATP y un PPi:
La urea sintetizada en el hígado es transportada al riñón para su excreción por la orina.
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HCO3 NH4 Asp 2 H2O 3 ATP o urea 2 ADP 2 Pi AMP PPi fumarato
El ciclo de la urea está regulado a través de la carbamoil fosfato sintetasa I mediante N-acetilglutamato, que actúa como activador alostérico de la enzima. En el riñon y en la mucosa intestinal existen las enzimas que permiten la síntesis de arginina.
Las cuatro primeras reacciones enzimáticas de esta vía, que conducen a la síntesis de arginina, también se producen en riñón y mucosa intestinal, por lo que en estos tejidos la arginina formada se utiliza para la biosíntesis de proteínas. El ciclo de la urea está regulado a través de la carbamoil fosfato sintetasa I mediante N-acetilglutamato, que actúa como activador alostérico de la enzima. La síntesis de N-acetilglutamato por la N-acetilglutamato sintetasa a partir de acetil-CoA y glutamato, está regulada por arginina; de forma que la presencia de N-acetilglutamato indica la existencia de intermediarios y energía disponibles para el ciclo de la urea. Además, el ciclo se regula mediante la inducción de las enzimas que participan en él, lo cual se produce al aumentar los niveles de amoniaco o de aminoácidos en el hígado, lo que se origina al ingerir una dieta rica en proteínas o en situaciones de inanición.
CONEXIÓN ENTRE EL CICLO DE LA UREA Y EL CICLO DE KREBS El fumarato formado en el ciclo de la urea en el citosol puede entrar en la mitocondria, donde finalmente se transforma en oxalacetato, que puede incorporarse al ciclo de Krebs.
El fumarato formado en el ciclo de la urea en el citosol, y cuyos átomos de carbono provienen del aspartato, puede entrar en la mitocondria, donde por acción de la fumarasa se transforma en malato, que por la malato deshidrogenasa forma oxalacetato. El oxalacetato puede tener varios destinos: A) por una parte puede transaminarse hasta aspartato, que se incorporaría nuevamente al ciclo de la urea; B) también puede incorporarse a la gluconeogénesis mediante su transformación en fosfoenolpiruvato por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa, y dar lugar a glucosa; C) puede continuar en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, oxidándose completamente vía cadena de transporte electrónico, para producir ATP.
RESUMEN La excreción del amoniaco que se produce en el proceso de degradación proteica es esencial para el organismo, ya que las deficiencias en su eliminación provocan hiperamonemia, con elevación de los niveles plasmáticos y en lí-
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EXCRECIÓN DEL NITRÓGENO PROTEICO
quido cefalorraquideo del amonio, y las graves consecuencias neurológicas que puede ocasionar. La degradación de proteínas, procedentes del exceso ingerido en la dieta, del recambio proteico y la apoptosis normales del organismo, así como de la degradación de proteínas musculares en situaciones de inanición, conduce a la formación de alanina y glutamina, que en el hígado originan finalmente NH4, que es transformado en urea, la cual es excretada por el riñón. También en el riñón se produce NH4, procedente de alanina y glutamina, que es excretado. Otra forma de excreción de nitrógeno es la formación de creatinina en el músculo, este compuesto pasa a la sangre y es excretado por el riñón. La formación de urea en el hígado a partir de NH4 se produce mediante una ruta metabólica cíclica denominada ciclo de la urea, parte del cual se desarrolla en la matriz mitocondrial, y que comienza y termina en ornitina. Participan cinco sistemas enzimáticos, el primero de los cuales, que conduce a la formación de carbamoil fosfato, no es estrictamente parte de ciclo, pero introduce en el mismo, a través de esta molécula, el nitrógeno procedente del NH4. El otro nitrógeno se incorpora a través del grupo amino del aspartato mediante la formación de argininosuccinato, compuesto que se escinde para formar arginina y fumarato. La arginasa, que escinde la arginina en urea y ornitina, es específica del hígado. La regulación del ciclo se produce por un activador alostérico, el N-acetilglutamato, de la carbamoil fosfato sintetasa I, así como por inducción enzimática por incremento de los niveles de amoniaco o aminoácidos en el hígado. El fumarato producido en el ciclo es el nexo de unión con el ciclo de Krebs, ya que este compuesto puede pasar al interior mitocondrial y transformarse en oxalacetato, el cual puede utilizarse para la síntesis de glucosa por gluconeogénesis, transaminarse a aspartato y con ello incorporarse nuevamente al ciclo de la urea, o degradarse en el ciclo de Krebs para producir finalmente ATP.
APLICACIONES CLÍNICAS Hiperamonemia La hiperamonemia es la elevación de los niveles de amonio en sangre por encima de 30-60 PM, y conduce a pérdida de
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conciencia, lesiones cerebrales, anoxia y, en último término, puede provocar un estado de coma, ya que el amonio atraviesa la barrera hematoencefálica. Lo más probable es que la elevación de los niveles de amonio modifiquen el equilibrio de la reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa, ocasionando una síntesis elevada de glutamato, con el consiguiente descenso de los niveles de D-cetoglutarato, lo que provocaría un mal funcionamiento del ciclo de Krebs, que sería incapaz de suministrar suficientes electrones para mantener la producción normal de ATP mediante fosforilación oxidativa, produciéndose un daño celular irreparable y la muerte de las células nerviosas. Además, el aumento de glutamato conduce a la formación de glutamina, produciéndose una deplección de glutamato, que es necesario en el tejido nervioso, ya que el glutamato es tanto un neurotransmisor como un precursor de la síntesis de J-aminobutirato (GABA), otro neurotransmisor. Por lo tanto, la disminución de los niveles de glutamato en el cerebro afectan tanto a la producción de energía como a la neurotransmisión. La hiperamonemia se produce por una incapacidad para formar urea, lo que motiva la elevación de los niveles de amonio, y puede tener diversas causas: • Deficiencia hereditaria de alguna de la enzimas del ciclo de la urea. Se conocen casos de deficiencia en cada una de las enzimas del ciclo, lo que afecta de diversas formas al metabolismo del nitrógeno, ya que algunos de los intermediarios que se acumulan pueden difundir de los hepatocitos a la sangre y pasar a la orina. En general son enfermedades graves y provocan una elevada incidencia de retraso mental y muerte prematura. A) La deficiencia en carbamoilfosfato sintetasa I, cuya actividad puede ser de 0-50% de la normal, se transmite como autosómica recesiva, y produce hiperamonemia de tipo I, que conduce a los neonatos a un estado letárgico con incapacidad para alimentarse, vómitos, hipotermia e hiperventilación; sin tratamiento para disminuir el nivel de amonio plasmático se produce la muerte. El tratamiento, mediante diálisis y administración de benzoato y fenilacetato como fórmula general, incluye administración de suplementos de arginina con el fin de que active la N-acetilglutamato sintetasa y de esta forma el activador alostérico producido actúe sobre la carbamoilfosfato sintetasa I residual. B) La deficiencia en N-acetilglutamato sintetasa produce de moderada a severa hiperamonemia, con estado de coma, acidosis, hiperglicemia e hiperornitinemia. El
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tratamiento incluye la administración de carbamoil glutamato, un análogo de N-acetilglutamato, que activa la carbamoilfosfato sintetasa I. La deficiencia en ornitina transcarbamoilasa es la más frecuente, y puesto que el gen de esta enzima está en el cromosoma X, la deficiencia afecta más a los varones. Cursa con retraso mental y muerte, aunque puede evitarse si se reducen a tiempo los niveles de amoniaco. La deficiencia enzimática hace que se acumulen glicina y glutamina, que pueden eliminarse mediante una dieta pobre en proteínas suplementada con benzoato y fenilacetato. El benzoato reacciona con la glicina para formar hipurato, y el fenilacetato reacciona con la glutamina para formar fenilacetilglutamina; tanto el hipurato como la fenilacetilglutamina pueden ser excretados por la orina, y con ello se elimina el nitrógeno. La deficiencia en argininosuccinato sintetasa o citrulinemia se hereda con carácter autosómico recesivo, y conduce a la elevación de los niveles de citrulina en sangre y a su excreción por la orina. Las manifestaciones clínicas varian desde las formas graves (con los síntomas descritos para la deficiencia en ornitina transcarbamoilasa) a la ausencia de síntomas, aunque el retraso mental ligero a moderado es una secuela frecuente. La deficiencia en argininosuccinato liasa se hereda con carácter autosómico recesivo. En la forma grave se produce intensa hiperamonemia neonatal que puede llevar a la muerte; en la forma subaguda se produce retraso mental, vómitos y hepatomegalia. Todos los síntomas son consecuencia de la elevación de los niveles de argininosuccinato en plasma y líquido cefalorraquídeo, también está elevado en orina; asimismo hay niveles plasmáticos altos de glutamina y alanina. Una forma de tratamiento de esta deficiencia, y de la deficiencia en argininosuccinato sintetasa, es la restricción de las proteínas de la dieta junto con la administración de suplementos de arginina, cuya función es formar citrulina o argininosuccinato, que puede ser excretado por la orina, y con ello se elimina nitrógeno; y además la arginina se utiliza para la síntesis de proteínas y de creatina. La deficiencia en arginasa produce hiperargininemia, una patología muy poco frecuente, que se hereda con carácter autosómico recesivo, en la que se produce
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una progresiva cuatriplejia espástica y retraso mental. Los niveles de arginina están elevados en plasma y liquido cefalorraquídeo, así mismo los niveles de arginina, lisina y ornitina están elevados en orina, pero no suele haber episodios de hiperamonemia intensa. El tratamiento incluye una dieta baja en proteínas que excluya la arginina. • En los neonatos puede desarrollarse un estado de hiperamonemia temporal si se retrasa la aparición de las enzimas del ciclo. Gran parte de los prematuros con bajo peso al nacer tienen hiperamonemia transitoria leve (amonio 40-50 PM) durante seis a ocho semanas, son asintomáticos y no presentan deficiencias neurológicas. En los casos de hiperamonemia transitoria grave se alcanzan niveles de amonio en plasma de 400 PM, se puede conseguir una recuperación sin secuelas si se inicia rápidamente el tratamiento para la eliminación del amoniaco, que incluye hemodiálisis y diálisis peritoneal.
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TEMA 16
Biosíntesis de aminoácidos
Biosíntesis de aminoácidos no esenciales. Biosíntesis de aminoácidos esenciales.
Para un organismo, los aminoácidos no esenciales son aquellos que puede sintetizar a partir de precursores fácilmente accesibles, mientras que los aminoácidos esenciales son los que ha de tomar en la dieta, ya que es incapaz de sintetizarlos. Para los seres humanos existen nueve aminoácidos esenciales: histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina. Los compuestos precursores de los aminoácidos, a partir de los que se sintetizan sus cadenas carbonadas, son intermediarios de la glucólisis, de la vía de las pentosas fosfato o del ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Los aminoácidos se pueden agrupar en seis familias según el intermediario metabólico que actúa de precursor: familia del D-cetoglutarato, familia del 3-fosfoglicerato, familia del oxalacetato, familia del piruvato, familia de fosfoenolpiruvato y eritrosa-4-fosfato, familia de la ribosa-5-fosfato (Fig. 16.1).
Los aminoacidos esenciales para el ser humano son His, Ile, Lem, Lys, Met, Phe, Tre, Trp y Val, y han de ingerirse con la dieta.
BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS NO ESENCIALES En los siguientes epígrafes se describen las rutas biosintéticas de los aminoácidos no esenciales para los seres humanos.
A) Familia del a-cetoglutorato Los aminoácidos que derivan del D-cetoglutarato, que es un intermediario del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, son: glutamato (Glu), glutamina (Gln), prolina (Pro) y arginina (Arg).
El a-cetoglutarato es el precusor de la biosintesis de Glu, Gln, Pro y Arg.
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Figura 16.1.– Agrupamiento de los aminoácidos en familias según el intermediario metabólico que actúa de precursor en la biosíntesis.
La glutamina actúa como dadora de nitrógeno en numerosas biosíntesis.
El glutamato se sintetiza a partir de NH4 y D-cetoglutarato por acción de la glutamato deshidrogenasa, con NADPH como reductor. La síntesis de glutamato es una forma de incorporación directa de amonio y con ello contribuye a su eliminación. La glutamato deshidrogenasa se localiza en las mitocondrias del hígado, y está regulada alostéricamente; el GTP y el ATP son activadores alostéricos de la síntesis de glutamato, mientras que el ADP y el GDP activan la degradación de glutamato. La glutamina se sintetiza a partir de glutamato y NH4, en una reacción catalizada por la glutamina sintetasa (Fig. 16.2);
Figura 16.2.– Síntesis de glutamina a partir de glutamato y NH4 catalizada por la glutamina sintetasa.
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también en este caso se incorpora amonio directamente a la glutamina, lo cual hace de este aminoácido un compuesto dador de nitrógeno en numerosas biosíntesis, como la de bases púricas o de citosina. La glutamina sintetasa se encuentra en el hígado. La biosíntesis de prolina (Fig. 16.3) parte de glutamato y tiene lugar mediante varios pasos metabólicos, con consumo de ATP y de NADPH. La regulación de la ruta se produce por retroinhibición de la primera enzima de la vía, la J-glutamil quinasa, por el producto final, la prolina.
Figura 16.3.– Biosíntesis de prolina.
La síntesis de arginina (Fig. 16.4), necesaria para la síntesis de proteínas, se produce en el riñón (que carece de arginasa), pero la primera etapa de la ruta biosintética hasta la formación de citrulina desde glutamato tiene lugar en la mucosa intestinal; la citrulina es transportada al riñón para producir arginina. La biosíntesis se produce con consumo de ATP y de NADPH. El control de la vía es mediante retroinhibición por arginina sobre la primera enzima de la ruta, la N-acetilglutamato sintasa.
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Figura 16.4.– Biosíntesis de arginina.
B) Familia del 3-fosfoglicerato La ruta biosintética de arginina se produce en mucosa intestinal hasta citrulina y después en riñón.
El 3-fosfoglicerato es un intermediario de la glicolisis que aporta el esqueleto carbonado de la serina, cuyo grupo amino proviene del glutamato por transaminación (Fig. 16.5). La re-
Figura 16.5.– Ruta biosintética de la serina.
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gulación de la vía es por el producto final, la serina, que es un inhibidor alostérico tanto de la primera enzima de la vía, la 3fosfoglicerato deshidrogenasa, como de la última, la 3-fosfoserina fosfatasa, ya que la 3-fosfoserina se utiliza en otros procesos biosintéticos. La glicina se forma a partir de serina en una reacción reversible (Fig. 16.6), catalizada por la serina hidroximetiltransferasa, dependiente de piridoxal fosfato (PLP), y que requiere tetrahidrofolato (THF) como coenzima.
Figura 16.6.– Biosíntesis de glicina a partir de serina.
La serina y la glicina son precursores de numerosos compuestos. Etanolamina y colina, ambas componentes de los lípidos, son derivados de la serina. La glicina participa en la biosíntesis de purinas, así como en la de los sistemas cíclicos porfirínicos de la clorofila, el grupo hemo y la vitamina B12; igualmente, está implicada en la biosíntesis de glioxilato, el cual puede oxidarse a oxalato, y en la de ácidos biliares, creatina y glutation. La biosíntesis de cisteína a partir de serina es una vía metabólica que consta de dos etapas (Fig. 16.7). La vía se regula por producto final, ya que la cisteína ejerce retroinhibición sobre la serina acetil transferasa, además de inhibir, junto con el sulfuro, la síntesis de esta enzima. También se forma cisteína en la ruta degradativa de metionina (Fig. 16.7).
Figura 16.7.– Biosíntesis de cisteína a partir de serina.
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C) Familia del oxalacetato El oxalacetato es un intermediario del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, y a partir de él se sintetizan dos aminoácidos no esenciales, el aspartato y la asparagina (Fig. 16.8). El aspartato se produce por transaminación con el par glutamato/D-cetoglutarato, y a partir de él se sintetiza asparagina en una reacción catalizada por la asparagina sintetasa, con gasto de ATP y con glutamina como dador de grupo amino. La asparagina se sintetiza en la mayoría de las células, una excepción son algunas células leucémicas, que carecen de asparagina sintetasa.
Figura 16.8.– Biosíntesis de aspartato y asparagina a partir de oxalacetato.
D) Familia del piruvato El aminoácido no esencial que se sintetiza a partir de piruvato es la alanina mediante una transaminación reversible dependiente del par glutamato/Dcetoglutarato, catalizada por la alanina transaminasa (Fig. 16.9). En el músculo, el piruvato proveniente de la glucólisis Figura 16.9.– Biosíntesis de alanina a partir de piruvato. se transforma en alanina, que es transportada hasta el hígado, donde es transformada en piruvato, que se incorpora a la gluconeogénesis para generar glucosa, necesaria para los tejidos periféricos; estas transformaciones constituyen el ciclo de la alanina.
BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS ESENCIALES Los aminoácidos esenciales para el ser humano, los cuales ha de ingerir en la dieta, pueden ser sintetizados por otros or-
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ganismos, entre ellos las bacterias y las plantas, a partir de los precursores comentados anteriormente (Fig. 16.1).
A) Familia del oxalacetato Las plantas superiores y las bacterias poseen una ruta de síntesis que parte de aspartato, el cual proviene del oxalacetato, y que se ramifica para conducir a la síntesis de lisina, treonina y metionina. La isoleucina se sintetiza a partir de treonina. El aspartato se transforma, por acción de una quinasa y una deshidrogenasa, en E-semialdehído aspártico, que por acción de la homoserina deshidrogenasa produce homoserina (Fig. 16.10). En la bacteria E. coli existen tres aspartato quinasas y dos homoserina deshidrogenasas. La aspartato quinasa I-homoserina deshidrogenasa I es, en realidad, una sola enzima bifuncional que cataliza la primera etapa de la biosíntesis de treonina e isoleucina, así como la formación de homoserina a partir de E-semialdehído aspártico; la aspartato quinasa II-homoserina deshidrogenasa II también es una enzima bifuncional, que cataliza las dos reacciones descritas, en el metabolismo de la metionina; la aspartato quinasa III cataliza la primera etapa de la biosíntesis de lisina. La biosíntesis de lisina parte de E-semialdehído aspártico, que reacciona con piruvato para formar 2,3-dihidrodipicolinato por acción de la dihidrodipicolinato sintasa, a partir de este punto se suceden otros siete pasos metabólicos que conducen a la formación de lisina. La lisina inhibe alostericamente a la aspartato quinasa III y además reprime su biosíntesis; igualmente, la lisina también inhibe alostericamente la primera etapa de la ramificación que conduce a su biosíntesis, es decir, la catalizada por la dihidrodipicolinato sintasa. La biosíntesis específica de metionina comienza en homoserina, que reacciona con succinil-CoA por acción de la homoserina succiniltransferasa para formar O-succinilhomoserina, cuyo grupo succinilo es desplazado por la cisteína, formándose cistationina por acción de la cistationina J-sintasa, a continuación se forma homocisteína por liberación de piruvato, y se incorpora un grupo metilo, donado por el N5-metiltetrahidrofolato, formándose metionina. La metionina inhibe la síntesis de la aspartato quinasa II-homoserina deshidrogenasa II, y además inhibe alostéricamente a la homoserina succiniltransferasa. La homoserina también es el precursor de la treonina. La homoserina sufre una fosforilación dependiente de ATP catalizada por la homoserina quinasa, y se forma O-fosfohomoserina, cuyo fosfato es eliminado por acción de la treonina sintasa
Serina y glicina son precursores de numerosos compuestos.
Tanto glicina como cisteína se sintetizan a partir de serina.
La biosíntesis de lisina parte de b-semialdehído aspártico, que procede de aspartato.
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Figura 16.10.– Transformación del aspartato en homoserina, y ramificaciones que conducen a la síntesis de lisina, treonina y metionina. Biosíntesis de isoleucina.
para formar treonina. Tanto la treonina como la homoserina inhiben alostéricamente la actividad quinasa de la aspartato quinasa I-homoserina deshidrogenasa I, y la treonina también produce represión génica sobre esta enzima, además de inhibir alostéricamente la homoserina quinasa. La isoleucina se biosintetiza a partir de treonina, cuya desaminación, catalizada por la treonina desaminasa, genera D-cetobutirato, al cual se transfiere un grupo hidroxietilo proveniente del pirofosfato de hidroxietiltiamina, catalizada por la acetohidroxiácido sintasa, para formar D-ceto-D-hidroxibutira-
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to, que, tras una reducción, seguida de deshidratación y transaminación, genera isoleucina. La regulación se produce por retroinhibición de la primera etapa específica, así, la isoleucina inhibe a la treonina desaminasa.
B) Familia del piruvato El piruvato es el precursor de la biosíntesis de valina y leucina en plantas y bacterias en una ruta que es común hasta la formación de D-cetoisovalerato (Fig. 16.11). La ruta comienza con la transferencia de un grupo hidroxietilo del pirofosfato de hidroxietiltiamina al piruvato, catalizada por la acetohidroxiácido sintasa, para formar D-acetolactato, que se reduce en presencia de NADPH, y posteriormente se deshidrata para formar D-cetoisovaletato. La biosíntesis de valina se produce a partir de D-cetoisovaletato por transaminación con glutamato. En cuanto a la biosíntesis de leucina, el D-cetoisovaletato se acetila, reacción catalizada por la D-isopropilmalato sintasa, para formar D-isopropilmalato, que, tras una isomerización y una descarboxilación oxidativa, sufre una transaminación dependiente de glutamato para formar leucina. La regulación se produce por retroinhibición, la leucina inhibe a la D-isopropilmalato sintasa.
C) Familia de fosfoenolpiruvato y eritrosa 4-fosfato Los aminoácidos aromáticos (fenilalanina, tirosina y triptófano) se sintetizan a partir de fosfoenolpiruvato (PEP) y eritrosa 4-fosfato, en una ruta que conduce a la formación de corismato, compuesto a partir del que se ramifican las rutas que conducen a fenilalanina, tirosina y triptófano (Fig. 16.12). La síntesis de corismato comienza con la condensación de fosfoenolpiruvato (un intermediario de la glicolisis) y eritrosa 4-fosfato (intermediario de la ruta de las pentosas fosfato), catalizada por la 2-ceto-3-desoxi-D-arabino-heptulosonato 7-fosfato sintasa (DHAP sintasa), para formar 2-ceto-3-desoxi-D-arabinoheptulosonato 7-fosfato (DHAP), que se cicla en una reacción dependiente de NAD, catalizada por la deshidroquinato sintasa, para formar 3-deshidroquinato, compuesto que, tras varios pasos metabólicos, se transforma finalmente en corismato. Las bacterias como E. coli poseen tres deshidroquinato sintasas distintas, una se inhibe por Phe, otra por Tyr y otra por Trp. La síntesis de fenilalanina y tirosina pasa por la transformación del corismato en prefenato, catalizada por la corismato
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Figura 16.11.– Biosíntesis de valina y leucina.
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Figura 16.12.– Ruta biosintética de fenilalanina, tirosina y triptófano.
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mutasa. El prefenato puede sufrir una deshidratación y descarboxilación, catalizada por la prefenato deshidratasa, que conduce a fenilpiruvato, el cual por transaminación genera fenilalanina; pero si el prefenato experimenta una descarboxilación oxidativa dependiente de NAD, catalizada por la prefenato deshidrogenasa, se transforma en 4-hidroxifenilpirúvico, el cual se transamina para formar tirosina. La biosíntesis bacteriana de triptófano parte de corismato, que se transforma en antranilato por acción de la antranilato sintasa, con glutamina como dador de nitrógeno. El antranilato reacciona con el 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP), formándose N-(5c-fosforribosil)-antranilato por acción de la antranilato fosforribosil-transferasa, que tras isomerización, descarboxilación y eliminación de gliceraldehído 3-fosfato, da lugar a triptófano. En cuanto a la regulación de estas biosíntesis, el corismato inhibe alostéricamente a la DHAP sintasa; en E. coli hay tres isoenzimas de la DHAP sintasa, cada una de las cuales se inhibe por cada uno de los tres aminoácidos aromáticos. El prefenato inhibe a la corismato mutasa. La fenilalanina y la tirosina inhiben también el primer paso de sus biosíntesis específicas: la Phe inhibe a la prefenato deshidratasa, y la Tyr inhibe a la prefenato deshidrogenasa. Igualmente, el triptófano inhibe a la antranilato sintasa.
D) Familia de la ribosa 5-fosfato. La histidina puede ser sintetizada por la mayoría de los microorganismos, en una ruta compleja que parte de ribosa 5-fosfato (Fig. 16.13) y tienen 11 pasos metabólicos. La vía comienza con la formación de 5-fosforribosil-1-pirofosfato
Figura 16.13.– Biosíntesis de histidina.
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(PRPP) a partir de ribosa 5-fosfato y ATP, catalizada por la PRPP sintetasa. El siguiente paso está catalizado por la fosforribosil transferasa, con incorporación de ATP, para formar N1(5c-fosforribosil)-ATP; compuesto que experimenta la pérdida del pirofosfato, una deshidratación y una isomerización para formar N1-(5c-fosforribosilformimino)-5-aminoimidazol-4-carboxamida-1-ribonucleótido, que, por eliminación de 5-aminoimidazol- 4-carboxamida-1-ribonucleótido y entrada de nitrógeno procedente de la glutamina, da lugar a imidazol glicerol fosfato, que, tras diversos pasos metabólicos, que incluyen transaminación y oxidación, origina histidina. La histidina es un retroinhibidor alostérico de la fosforribosiltransferasa, que cataliza la primera etapa específica de su biosíntesis.
RESUMEN De los 20 aminoácidos que constituyen las proteínas, nueve de ellos son esenciales para el ser humano, estos son histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina. Los seres humanos deben ingerir estos aminoácidos esenciales en la dieta. Sin embargo, el hombre es capaz de sintetizar los otros 11 aminoácidos (alanina, arginina, aspártico, asparagina, cisteína, glutámico, glutamina, glicina, prolina, serina y tirosina, éste último a partir de fenilalanina) a partir de intermediarios de la glucólisis y del ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Los precursores de los aminoácidos no esenciales para el hombre son: A) el D-cetoglutarato, del cual procede el esqueleto carbonado de glutamato, glutamina, prolina y arginina; B) el 3-fosfoglicerato, intermediario glicolítico a partir del que se sintetizan la serina, la glicina y la císteina; C) del oxalacetato proceden el aspartato y la asparagina; D) y a partir de piruvato se sintetiza la alanina. La regulación de estas vías biosínteticas suele ser mediante retroinhibición de la primera enzima de la ruta por el producto final. Los aminoácidos esenciales para el ser humano pueden ser sintetizados por otros organismos, entre ellos las
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bacterias y las plantas, a partir de precursores que son compuestos intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, de la glucólisis o de la vía de las pentosas fosfato. Así, a partir de oxalacetato se sintetiza aspartato, a partir del cual se producen lisina, metionina y treonina, y a partir de ésta se sintetiza isoleucina. El piruvato es el precursor de la síntesis de valina y leucina. Los aminoácidos aromáticos, fenilalanina, tirosina y triptófano, se sintetizan a partir de fosfoenolpiruvato y eritrosa 4-fosfato, en una ruta que conduce a corismato, punto de ramificación para la síntesis de estos aminoácidos. La histidina se sintetiza mediante una ruta compleja que parte de ribosa 5-fosfato. La regulación de estas vías es compleja, en general se produce mediante inhibición de las enzimas clave de las rutas por el producto final.
APLICACIONES CLÍNICAS Hiperglicinemia no cetósica La glicina es un aminoácido no esencial para el ser humano que se sintetiza a partir de serina, y también en la ruta degradativa de treonina. El catabolismo de la glicina consiste en su escisión en CO2 y en un grupo monocarbonado que es transferido al tetrahidrofolato para formar N5,N10-metilentetrahidrofolato, compuesto que actúa como dador de grupos metilo en diversas reacciones; esta reacción de degradación de la glicina está catalizada por el sistema enzimático de degradación de glicina, cuya deficiencia causa la hiperglicinemia no cetósica. Este sistema enzimático consta de cuatro subunidades polipeptídicas, en tres de las cuales se han detectado deficiencias. En esta patología, que se hereda como autosómica recesiva, se produce una elevación de los niveles de glicina en los líquidos corporales, es decir, hay hiperglicinemia e hiperglicinuria moderadas a intensas, y un aumento de la concentración de glicina en el líquido cefalorraquídeo. Puesto que la glicina es uno de los neurotransmisores inhibidores, su incremento en líquido cefalorraquídeo puede ser una de las causas de las alteraciones neurológicas que se observan, que incluyen retraso mental y convulsiones. No se conoce ningún tratamiento eficaz, la reducción de los niveles de glicina mediante transfusiones sanguíneas, y la restricción del aminoácido de la dieta, así como la administración de folato, no modifican las alteraciones neurológicas. En los casos más graves, la enfermedad es mortal.
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TEMA 17
Biosíntesis de porfirinas
Biosíntesis de porfirinas y del grupo hemo. Regulación. Formación de pigmentos biliares.
La principal función de los glóbulos rojos o hematíes consiste en servir de transportadores de hemoglobina, la cual es responsable a su vez del transporte de oxígeno desde los pulmones a los tejidos. En algunos animales inferiores la hemoglobina circula como una proteína libre en el plasma, pero en los animales superiores y en el hombre debe viajar dentro de los hematíes o eritrocitos, para evitar su filtración a través de los capilares tisulares y renales. Los eritrocitos poseen la capacidad de concentrar la hemoglobina en el líquido intracelular hasta unos 34 g/dL. Cuando la formación de hemoglobina es deficiente, el transporte de oxígeno disminuye y el tamaño de los hematíes puede verse reducido, alterando el valor hematocrito (porcentaje de la sangre que corresponde a las células, normalmente entre el 40-45%).
BIOSÍNTESIS DE PORFIRINAS Y DEL GRUPO HEMO Los anillos porfirínicos o grupos hemo, son grupos prostéticos de proteínas conjugadas, hemoproteínas como hemoglobina, mioglobina y citocromos de la cadena de transferencia de electrones y de enzimas como catalasas y peroxidasas. La estructura de los grupos hemo consiste en un anillo porfirínico plano constituido por cuatro anillos pirrol que rodean un átomo de hierro, el cual puede establecer seis enlaces de coordinación con atomos diferentes. Cuatro de ellos son atomos de nitrógeno de los anillos pirrol, cuya unión permite mantener el hierro en el plano del anillo de porfirina. Los otros dos enlaces pueden establecerse con distintos ligandos dependiendo
Los anillos porfirínicos o grupos hemo son grupos prostéticos de proteínas conjugadas.
El grupo hemo consta de un anillo porfirínico plano, formado por cuatro anillos pirrol que rodean un átomo de hierro.
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del tipo de hemoproteína. En la cadena de transporte de electrones existen distintos tipos de citocromos, por su estructura proteica y por la naturaleza de los grupos sustituyentes en el hemo. Los enlaces se producen con atomos de los aminoácidos de la cadena peptídica del citocromo. En las hemoproteínas fijadoras de oxígeno, sólo uno de estos dos enlaces se establece con la porción apoproteica, ya que el otro es ocupado por la molécula de oxígeno (Fig. 17.1).
Figura 17.1.– Estructura del grupo hemo. Los sustituyentes son: H3C , Metil o metilo (M); CH CH2, vinil o vinilo (V); CH2 CH2COO ó CH2 CH2 COOH, propionilo o propionato (P) La biosíntesis del anillo porfirínico comienza por condensación del aminoácido glicina y succinilCoA, que rinden delta-aminolevulinato.
La biosíntesis del anillo porfirínico comienza por condensación del aminoácido glicina y succinil-CoA, intermediario del ciclo de Krebs, para formar delta-aminolevulinato (Fig. 17.2).
Figura 17.2.– Comienzo de la biosíntesis del anillo porfirínico.
La reacción es catalizada a nivel mitocondrial por una sintasa, limitante de la velocidad de reacción. El grupo hemo inhibe la síntesis de la enzima y bloquea su transporte hasta la mitocondria, donde se produce la catálisis.
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BIOSÍNTESIS DE PORFIRINAS
Figura 17.3.– Síntesis de porfobilinógeno.
La segunda etapa se produce por condensación de dos moléculas de delta-aminolevulinato para proporcionar porfobilinógeno, reacción de deshidratación con liberación de dos moléculas de agua. Esta reacción ocurre en el citoplasma celular. Cuatro moléculas de porfobilinógeno se unen para rendir un tetrapirrol lineal con pérdida de cuatro grupos amonio. A continuación, por acción de otra sintasa, se produce la formación del anillo o uroporfirinógeno III. Cuando esta reacción es catalizada por una sintasa simple se produce en su lugar uroporfirinógeno I, isómero de carácter no fisiológico. La etapa siguiente es catalizada por una descarboxilasa para proporcionar coproporfirinógeno III, que vuelve a la mitocondria para ser oxidado hasta protoporfirina IX, por transformación de dos restos de propionato en vinilo e instauración del anillo porfirínico. La incorporación del hierro se produce en forma ferrosa por acción de una ferroquelatasa, lo que produce finalmente el grupo hemo, al que confiere las características de coloración que presentan las hemoproteínas (Fig. 17.4).
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Figura 17.4.– Formación del grupo hemo. Los sustituyentes son: A: acetilo o acetato, CH2 COOH; P: propionilo o propionato, CH3 CH2 COOH; V: vinilo, CH CH2; M: metil o metilo, CH3.
REGULACIÓN La incorporación del hierro se produce en forma ferrosa
Se realizada fundamentalmente por inhibición de la enzima d-aminolevulínico-sintasa (Fig. 17.2), que lleva a cabo el propio grupo hemo. Este mecanismo opera de igual forma en to-
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dos los tejidos que sintetizan hemoproteínas. En los eritrocitos o glóbulos rojos, la enzima es inducida por la eritropoyetina, hormona responsable de la regulación de la eritropoyEsis o formación de los hematíes en la médula ósea. La enzima estimula también la síntesis de la apoproteína por parte de los ribosomas, que se unirá al grupo hemo en el citoplasma. En el hígado es el hierro el que lleva a cabo la inducción enzimática, aunque puede producirse por algunos esteroides e incluso en situaciones de ayuno.
FORMACIÓN DE PIGMENTOS BILIARES Los eritrocitos son células anucleadas, por lo que no pueden reproducirse, ni renovar las enzimas necesarias para la obtención de energía. Tras su formación en la medula ósea, pasan a la circulación, donde permanecen aproximadamente 120 días antes de su destrucción, que se produce como consecuencia de su propio desgaste y envejecimiento. La fragilidad de la membrana celular facilita la ruptura al pasar por capilares sinusoidales como los del bazo, lugar preferente de la destrucción o eritrocatéresis. También es frecuente su ruptura en hígado y médula ósea. La hemoglobina es captada por los macrófagos y desdoblada en sus dos componentes. La porción proteica es hidrolizada hasta aminoácidos para su utilización metabólica, mientras que el grupo hemo es degradado inicialmente a biliverdina por acción de una hemooxigenasa dependiente del citocromo P450. La reacción requiere oxígeno y NADPH, el cual también es necesario para la reducción de biliverdina a bilirrubina (Fig. 17.5). La bilirrubina es insoluble en el plasma sanguíneo, por lo que necesita de la albúmina para su transporte hasta el hígado, donde es solubilizada por unión al ácido glucurónico, derivado de la glucosa. La bilirrubina conjugada recibe el nombre de diglucurónido de bilirrubina y es almacenada en la vesícula biliar formando parte de la bilis (Fig. 17.6). El hierro liberado, pasa al plasma donde es captado por una proteína específica para su trasporte, la transferrina, capaz de fijar dos atomos de hierro en estado férrico y conducirlos hasta los lugares de utilización, fundamentalmente médula ósea e hígado, o bien será captado por la apoferritina para su almacenamiento en forma de ferritina como hierro de depósito. Cuando la cantidad total de hierro en el organismo supera la capacidad de almacenamiento por parte de la apoferritina, la ferritina se condensa formando hemosiderina, compuesto muy poco soluble que carece casi por completo de intercam-
La regulación de la síntesis del hemo se produce por inhibición de la enzima delta-aminolevulínico-sintetasa.
La bilirrubina insoluble requiere de la albúmina para su transporte hasta el hígado.
La bilirrubina soluble o conjugada forma parte de la bilis.
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La vida media de los eritrocitos en la circulación es aproximadamente de 120 días.
La fragilidad de la membrana celular facilita la eritrocatéresis o rotura de los eritrocitos a su paso por los capilares sinusoidales.
Figura 17.5.– Formación de la bilirrubina.
Figura 17.6.– Solubilización de la bilirrubina
bio metabólico. Las pérdidas fisiológicas de hierro son mínimas y su regulación se produce a nivel de la absorción digestiva. Sólo se absorbe el hierro necesario para equilibrar las pérdidas. La disminución de los depósitos de hierro favorecen la absorción de la vit. C, aminoácidos y citratos, mientras que la saturación de los depósitos inhibe la absorción junto con los tanatos, fitatos y fosfatos que se comportan como antinutrientes de tipo mineral.
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RESUMEN
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La regulación del hierro se produce a nivel de su absorción digestiva.
Las porfirinas se sintetizan a partir de glicina y succinil CoA por condensación dando delta-aminolevulinato. La condensación de dos moléculas de dicho compuesto, rinden porfobilinógeno y cuatro moléculas de este último compuesto, se acoplan para formar un tetrapirrol lineal, que se cicla para formar uroporfirinógeno III. La oxidación y modificación de las cadenas laterales producen protoporfirina IX, la cual adquiere un átomo de hierro por quelación para formar el grupo hemo. La regulación se lleva a cabo por inhibición de la síntesis de la enzima delta-aminolevulinato sintetasa, limitante de esta vía, inhibición que realiza el propio grupo hemo. La destrucción de los hematíes viejos produce la liberación del grupo hemo y su degradación a biliverdina, que será reducida para formar bilirrubina soluble a nivel hepático y facilitar su excreción a través de la secreción biliar.
APLICACIONES CLÍNICAS Porfirias Incluyen un grupo de enfermedades adquiridas o congénitas, de carácter autosómico dominante o recesivo, causadas por el déficit de una enzima que interviene en la síntesis del grupo hemo. La Porfiria eritropoyética congénita o Enfermedad de Günther es una enfermedad de carácter autosómico recesivo, caracterizada por un defecto en la síntesis de la enzima uroporfirinógeno III cosintetasa, necesaria para la formación de uroporfirinógeno III. La enfermedad cursa con aumento del isómero uroporfirinógeno I afuncional y de sus derivados. La destrucción prematura de los eritrocitos y la excreción renal del uroporfirinógeno I colorea la orina de forma importante al nacimiento. El deposito en los dientes ocurre tardiamente, provocando fluorescencia rojiza o eritrodoncia por acción de la luz ultravioleta. Existe fotosensibilidad muy grave. El tratamiento consiste en evitar la exposición solar y administración de derivados hémicos que inhiben la síntesis de la enzima delta-aminosintasa y el acúmulo de intermediarios no fisiológicos. A veces es necesario la extirpación quirúrgica del bazo para evitar la hemolísis exagerada.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Ictericias hereditarias Incluyen un grupo de enfermedades congenitas de tipo autosómico dominante. La más frecuente es el síndrome de Gilbert, que se caracteriza por un déficit parcial de glucuronil transferasa, necesario para la conjugación y consiguiente solubilización hepática de la bilirrubina. El aumento de bilirrubina no conjugada o indirecta en plasma, es moderado y suele ser intermitente, aumentando con el ayuno, ejercicio físico, fiebre, infecciones, etc. El fenobarbital disminuye los niveles plasmáticos de bilirrubina por inducción enzimática, aunque no se requiere tratamiento.
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TEMA 18
Metabolismo de los nucleótidos: biosíntesis y degradación
Digestión de purinas y pirimidinas: vías de recuperación o salvamento. Biosíntesis de novo de los nucleótidos de purina. Biosíntesis de novo de nucleótidos de pirimidina. Síntesis de desoxirribonucleótidos. Biosíntesis de los desoxirribonucleótidos de timina. Degradación de purinas: síntesis de ácido úrico. Degradación de pirimidinas. Fármacos anticancerosos que bloquean las vías de biosíntesis de nucleótidos.
La biosíntesis de los nucleótidos constituye un proceso muy importante en todas las células, puesto que son los precursores del ADN y ARN, el ATP y en gran medida del GTP; son los principales transmisores de la energía química, e igualmente componentes de cofactores como NAD, FAD, coenzima A, así como de intermedios biosintéticos activados como UDP-glucosa o CDP-diacilglicerol. Algunos nucleótidos, tales como el cAMP y el cGMP, actúan también como segundos mensajeros. Las rutas metabólicas que conducen a la formación de nucleótidos son: las vías de novo y las vías de recuperación. La síntesis de novo de los nucleótidos empieza a partir de sus precursores metabólicos, aminoácidos, ribosa-5-fosfato, CO2 y NH3. Las rutas de recuperación reciclan las bases libres y los nucleósidos liberados a partir de la ruptura de los ácidos nucleicos. El anillo de purina se forma a partir de la ribosa-5-fosfato, sobre el que se forma paso a paso un núcleo purínico, lo que conduce a la formación de un nucleótido. El de pirimidina se sintetiza como ácido orótico u orotato, unido a ribosa-5-fosfato, y se transforma en los nucleótidos de pirimidina. Muchas células disponen de mecanismos de recuperación o salvamento para recuperar las bases libres que resultan de la
Las rutas metabólicas que conducen a la formación de nucleótidos son: las vías de novo y las vías de recuperación. La síntesis de novo de los nucleótidos empieza a partir de sus precursores metabólicos, aminoácidos, ribosa-5-fosfato, CO2 y NH3. Las rutas de recuperación reciclan las bases libres y los nucleósidos liberados a partir de la ruptura de los ácidos nucleicos.
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degradación hidrolítica de los nucleótidos. Tanto las purinas como las pirimidinas comparten varios precursores importantes en las vías de síntesis de novo. El 5-fosfo-D-D-ribosa-1-pirofosfato (PRPP), resulta esencial para ambos tipos de bases; en ambas vías hay un aminoácido como precursor importante: la glicina en el caso de las purinas y el aspartato en el caso de las pirimidinas, siendo la glutamina y el aspartato o aspártico la fuente más importante de grupos amino. Las concentraciones intracelulares de nucleótidos están reguladas mediante una serie de enzimas controladas alostéricamente. Los 2-desoxirribonucleótidos se generan directamente a partir de los ribonucleótidos.
DIGESTIÓN DE PURINAS Y PIRIMIDINAS: VÍAS DE RECUPERACIÓN O SALVAMENTO
En las vías de recuperación o rutas de salvamento utilizan los compuestos de purinas y pirimidinas preformadas para de nuevo sintetizar nucleótidos que, de lo contrario, se perderían como bases libres mediante la biodegradación.
La mayoría de los organismos pueden sintetizar los nucleótidos a partir de los nucleósidos o las bases de las que disponen por haberlas ingerido con los alimentos o por haberlas obtenido mediante la degradación enzimática de los ácidos nucleicos. Estos procesos se denominan vías de recuperación o rutas de salvamento, ya que en estas vías se utilizan los compuestos de purinas y pirimidinas preformadas para de nuevo sintetizar nucleótidos que, de lo contrario, se perderían como bases libres mediante la biodegradación. La degradación de los ácidos nucleicos puede producirse intracelularmente, como consecuencia de la muerte celular o, en los animales, por la digestión de los ácidos nucleicos ingeridos en los alimentos. En los animales, la hidrólisis extracelular de los ácidos nucleicos ingeridos constituye la principal vía de obtención de bases y nucleósidos. Los procesos de degradación son similares a los que intervienen en la digestión proteica. La fragmentación se inicia en los enlaces fosfodiéster internos, catalizada por endonucleasas, como la ribonucleasa o la desoxirribonucleasa pancreática, que actúan digiriendo los ácidos nucleicos en el intestino delgado; así se generan oligonucleótidos, que se fragmentan de forma exonucleotídica por acción de las enzimas denominadas fosfodiesterasas, generándose mononucleótidos. Los nucleótidos pueden fragmentarse de forma hidrolítica mediante un grupo de fosfomonoesterasas denominadas nucleotidasas, dando ortofosfato y el correspondiente nucleósido, que sufre ruptura para dar la base por acción de la nucleósido fosforilasa.
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METABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS: BIOSÍNTESIS Y DEGRADACIÓN
Estas reacciones son reversibles, de manera que una nucleósido fosforilasa puede catalizar también el primer paso de síntesis de salvamento o recuperación de nucleótidos a partir de bases libres. Cuando esto ocurre, el nucleósido producido puede fosforilarse por el ATP, por la acción de una nucleósido quinasa. Si las bases o los nucleósidos no se reutilizan para la síntesis de ácidos nucleicos a través de las rutas de salvamento, las bases púricas y pirimidínicas continúan degradándose, hasta ácido úrico o E-ureido propionato. Otra ruta de salvamento o recuperación es la que sintetiza nucleósidos 5c-fosfato directamente a partir de las bases libres. En esta ruta interviene una clase de enzimas denominadas fosforribosiltransferasas y un azúcar fosfato activado, el 5-fosfo-DD-ribosil-1-pirofosfato (PRPP). El PRPP es un intermediario clave en la síntesis de novo de los nucleótidos púricos y pirimidínicos. Se forma por acción de la PRPP sintetasa que activa el C1 de la ribosa-5-fosfato mediante la transferencia al mismo del grupo pirofosfato del ATP (Fig. 18.1).
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El PRPP es un intermediario clave en la síntesis de novo de los nucleótidos púricos y pirimidínicos.
Figura 18.1.– Síntesis de 5-fosfo-D-D-ribosil-1-pirofosfato (PRPP).
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La fosforribosiltransferasa cataliza la transferencia reversible de una base libre a la ribosa del PRPP, dando lugar a un nucleósido monofosfato y pirofosfato.
El pirofosfato se transforma en fósforo inorgánico por acción de la pirofosfatasa. Ello hace que las fosforribosil transferasas actúen la mayor parte de las veces en la dirección de la biosíntesis de nucleótidos. pirofosfatasa
PPi o 2 Pi Igualmente adenosina fosforribosil transferasa
PRPP adenina o AMP PPi
BIOSÍNTESIS DE NOVO DE LOS NUCLEÓTIDOS DE PURINA
Figura 18.2.– Origen de los átomos de las purinas.
Los dos precursores de los nucleótidos purínicos de los ácidos nucleicos son la adenosina 5c-monofosfato (AMP) y la guanosina-5c-monofosfato (GMP). Estos nucleótidos contienen respectivamente las bases púricas adenina y guanina. El anillo purínico se sintetiza de novo en las células de los mamíferos utilizando aminoácidos como dadores de C y N, y CO2 como dador de C (Fig. 18.2). La vía de biosíntesis de las purinas, que conduce a la síntesis de inosina
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METABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS: BIOSÍNTESIS Y DEGRADACIÓN
5c-monofosfato (IMP) o ácido inosínico, fue descrita por J. Buchanan y G. Robert Greenberg en la década de los cincuenta consiste en diez pasos metabólicos. Varias de las reacciones requieren la hidrólisis de ATP, por lo cual es un proceso caro energéticamente. Todas las enzimas implicadas en la síntesis de los nucleótidos purínicos se encuentran en el citosol de la célula. No obstante, no todas las células (por ejemplo, los eritrocitos) son capaces de realizar esta síntesis. La ruta biosintética parte del 5fosfo-D-D-ribosil-1-pirofosfato (PRPP) (Fig. 18.3). El paso limitante en la síntesis de novo de los nucleótidos de purina es la formación de 5-fosforribosilamina (PRA) a partir de PRPP y glutamina (reacción 1). El grupo amina, procedente de la cadena lateral de la glutamina, desplaza al grupo pirofosfato unido al C1 del PRPP. En esta reacción la configuración del C1 se invierte de D a E. El enlace C-N-glicosídico resultante tiene la configuración E, característica de los nucleótidos que tienen lugar en la naturaleza. Esta reacción se ve favorecida por la hidrólisis del pirofosfato por la pirofosfatasa para formar ortofosfórico.
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El anillo purínico se sintetiza de novo en las células de los mamíferos utilizando aminoácidos como dadores de C y N, y CO2 como dador de C.
El paso limitante en la síntesis de novo de los nucleótidos de purina es la formación de 5-fosforribosilamina (PRA) a partir de PRPP y glutamina.
pirofosfatasa
PPi o 2 Pi En contra de lo que parece lógico, esto es, que el anillo purínico se formaba en primer lugar y que después se le unía la cadena lateral de la D-ribosa-fosfato, se ha descubierto que el material de partida es una forma activada de la ribosa-5-fosfato, sobre el que se forma, paso a paso, un núcleo purínico, lo que conduce directamente a la producción de un nucleótido. Para la formación del ácido inosínico (IMP) a partir de la D-ribosa-5-fosfato se han utilizado 5 ATP y en conjunto seis grupos fosfato de alta energía, teniendo en consideración que el grupo pirofosfato desplazado del 5-fosforribosil-1-pirofosfato resulta finalmente hidrolizado a ortofosfato por una pirofosfatasa. En la vía de síntesis del IMP, existen tres etapas que son inhibidas por agentes antibacterianos específicos. El antibiótico azaserina bloquea las dos transferencias enzimáticas del grupo amino de la glutamina y compite con ella, reacciones 1 y 4. Las sulfonamidas que inhiben el crecimiento de muchas bacterias, impiden la formación de ácido fólico, reacciones 3 y 9, así, al inhibir indirectamente la última etapa, impiden la biosíntesis purínica. Las células de los vertebrados contienen las actividades enzimáticas que catalizan varios de los pasos de esta ruta en dominios separados de enzimas multifuncionales. Así en las reac-
Para la formación del ácido inosínico (IMP) a partir de la D-ribosa-5-fosfato se han utilizado 5 ATP y en conjunto seis grupos fosfato de alta energía.
Las células de los vertebrados contienen las actividades enzimáticas que catalizan varios de los pasos de esta ruta en dominios separados de enzimas multifuncionales.
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Figura 18.3.– Síntesis del IMP (ácido inosínico). R 5 P representa el grupo 5-fosfo-D-ribosilo.
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Figura 18.3.– (Continuación).
ciones 2, 3 y 5 las actividades enzimáticas forman parte de una enzima o proteína trifuncional. Las actividades de las reacciones 6 y 7 y las de los pasos 9 y 10 están presentes en otras proteínas bifuncionales.
Síntesis de AMP Y GMP El ácido inosínico (IMP) es el primer ribonucleótido formado en la ruta de novo, es el precursor común de la síntesis de los ácidos adenílico (AMP) y guanílico (GMP). La conversión de IMP en AMP precisa la incorporación de un grupo amino procedente del aspartato. Una diferencia importante consiste en la utilización de GTP, en lugar de ATP, como fuente de energía en la síntesis del adenil succinato. El GMP se forma por oxidación del IMP utilizando NAD e incorporando a continuación un grupo amino procedente de la glutamina, necesitando ATP que se hidroliza a AMP PPi (Fig. 18.4).
El ácido inosínico (IMP) es el primer ribonucleótido formado en la ruta de novo, es el precursor común de la síntesis de los ácidos adenílico (AMP) y guanílico (GMP).
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Figura 18.4.– Síntesis de AMP y GMP a partir de IMP. Las enzimas son: (1) adenilsuccinato sintetasa; (2) adenilsuccinato liasa; (3) IMP deshidrogenasa; (4) XMP-glutamina amidotransferasa o GMPsintetasa. R 5 P es ribosa-5fostato. La formación de GMP a partir de IMP req u i e r e AT P c o m o fuente de energía, mientras que la formación de AMP a partir de IMP requiere GTP.
Hemos visto que la formación de GMP a partir de IMP requiere ATP como fuente de energía, mientras que la formación de AMP a partir de IMP requiere GTP. Esto puede interpretarse como una relación recíproca, es decir, cuando hay suficiente ATP en la célula, se sintetizará GMP y viceversa, cuando hay suficiente GTP se sintetizará AMP. En el metabolismo, los nucleótidos son activos, principalmente, en forma de nucleósidos trifosfato. El GMP y el AMP se convierten en sus correspondientes trifosfatos a través de dos reacciones de fosforilación sucesivas. La conversión en los difosfatos comporta la acción de quinasas específicas dependientes de ATP:
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guanilato quinasa
GMP ATP o m DGP ADP adenilato quinasa
AMP ATP o m 2 ADP La fosforilación del ADP a ATP se produce a través del metabolismo energético o a partir de ADP por acción de la adenilato quinasa. El ATP es el donador de fosfato para la conversión del GDP y otros nucleótidos difosfato al nivel de trifosfatos, mediante la acción de la nucleósido difosfoquinasa: nucleósido difosfoquinasa
GDP ATP o m GTP ADP
El ATP es el donador de fosfato para la conversión del GDP y otros nucleótidos difosfato al nivel de trifosfatos, mediante la acción de la nucleósido difosfoquinasa.
Regulación de la síntesis de nucleótidos purínicos Tres mecanismos importantes de retroinhibición cooperan en la regulación de la velocidad de la síntesis de novo de nucleótidos purínicos. El punto clave de regulación es la formación de 5-fosforribosilamina a partir de 5-fosforribosil-1-pirofosfato, reacción catalizada por la glutamina-PRPP amidotransferasa, que está regulada alostéricamente por los productos finales de la ruta IMP, GMP y AMP, estos nucleótidos actúan como efectores negativos. El PRPP es un efector positivo. La glutamina-PRPP-amidotransferasa, enzima alostérica, es un monómero de 135 Kda enzimáticamente activo. En presencia de IMP, AMP o GMP, la enzima forma un dímero mucho menos activo. La presencia de PRPP favorece la forma monomérica activa de la enzima. La enzima de tejidos humanos tiene dos centros de fijación de nucleótidos. Uno de ellos fija específicamente los nucleótidos oxopurínicos (IMP y GMP), y el otro fija nucleótidos aminopurínicos (AMP). La fijación simultánea de AMP y GMP o IMP produce una inhibición sinérgica de la enzima. El segundo mecanismo de control en la síntesis del GMP a partir del IMP es la IMP deshidrogenasa, enzima limitante de la velocidad y regulada por el GMP, que actúa como un inhibidor competitivo e inhibe la formación de XMP. De la misma forma, una acumulación de AMP inhibe la formación de adenilsuccinato por la adenilsuccinato sintetasa, que es la enzima limitante de la velocidad, actuando el AMP como inhibidor competitivo. El tercer mecanismo consiste en que se precisa GTP para la conversión de IMP en AMP, y se precisa ATP para la conversión de IMP en GMP, un control recíproco que tiende a mante-
El punto clave de regulación es la formación de 5-fosforribosilamina a partir de 5-fosforribosil-1-pirofosfato, reacción catalizada por la glutamina-PRPP amidotransferasa, que está regulada alostéricamente por los productos finales de la ruta IMP, GMP y AMP.
Tanto el AMP como el GMP son inhibidores de su propia síntesis.
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ner un balance entre la síntesis de los dos ribonucleótidos. Tanto el AMP como el GMP son inhibidores de su propia síntesis (Fig. 18.5).
Figura 18.5.– Regulación de la síntesis de las bases púricas.
La síntesis de novo conduce a UMP en seis pasos metabólicos, se necesita la presencia de carbamoil fosfato, aspartato y PRPP, tiene lugar de forma distinta a la síntesis de purinas, puesto que el anillo de pirimidina se forma en primer lugar y a continuación se engancha la ribosa-5fosfato procedente del PRPP.
BIOSÍNTESIS DE NOVO DE NUCLEÓTIDOS DE PIRIMIDINA Los ribonucleótidos de pirimidina son la uridina 5c-monofosfato (UMP) o uridilato y la citidina 5c-monofosfato (CMP) o citidilato, que contienen las pirimidinas uracilo y citosina, respectivamente. La síntesis de novo conduce a UMP en seis pasos metabólicos, se necesita la presencia de carbamoil fosfato, aspartato y PRPP, tiene lugar de forma distinta a la síntesis de purinas, puesto que el anillo de pirimidina se forma en primer lugar y a continuación se engancha la ribosa-5-fosfato procedente del PRPP (Fig. 18.6).
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Figura 18.6.– Biosíntesis de UMP.
La carbamoil fosfato sintetasa II es citosólica, y diferente de la carbamoil fosfato sintetasa I mitocondrial del ciclo de la urea. El carbamoil fosfato reacciona con el aspartato para dar N-carbamoilaspartato en el primer paso de la síntesis de pirimidinas. Esta reacción está catalizada por la aspartato carbamoil transferasa o aspartato transcarbamoilasa, y constituye la etapa determinante de la biosíntesis de pirimidinas. La formación de orotato a partir de dihidroorotato está catalizada por una enzima mitocondrial, dihidroorotato deshidrogenasa. Las otras enzimas de la ruta se encuentran en el citosol
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El carbamoil fosfato reacciona con el aspartato para dar Ncarbamoilaspartato en el primer paso de la síntesis de pirimidinas. Esta reacción está catalizada por la aspartato carbamoil transferasa o aspartato transcarbamoilasa, y constituye la etapa determinante de la biosíntesis de pirimidinas.
El UTP es también un sustrato para la síntesis de CTP, por lo cual la célula tiene UTP y CTP suficientes para la síntesis de ácidos nucleicos.
formando parte de proteínas multifuncionales. Así, las actividades de la carbamoil fosfato sintetasa II, la aspartato carbamoil transferasa y la dihidrooratasa están presentes en una única proteína trifuncional (CAD), que está formada por tres cadenas polipeptídicas idénticas, de manera que cada una de ellas contiene los centros activos para las tres reacciones. Por otra parte, las actividades de la orotato fosforribosil transferasa y OMP descarboxilasa se encuentran en una proteína bifuncional, definida como UMP sintasa; un defecto en esta proteína bifuncional conduce a un raro trastorno clínico conocido como aciduria orótica hereditaria; se caracteriza por fuerte anemia, retraso en el crecimiento y elevados niveles de excreción del ácido orótico. A los pacientes se les suministra uridina, que disminuye la formación de ácido orótico. La uridina es captada por las células y transformada en UMP por la uridina fosfotransferasa, y ésta en UDP y posteriormente en UTP. El UTP inhibe la carbamoil fosfato sintetasa II, con lo cual la formación de ácido orótico disminuye a niveles prácticamente normales. El UTP es también un sustrato para la síntesis de CTP, por lo cual la célula tiene UTP y CTP suficientes para la síntesis de ácidos nucleicos.
La CTP sintetasa cataliza la formación de CTP a partir de UTP y la glutamina como dador del grupo amino (Fig. 18.7).
Regulación de la síntesis de nucleótidos pirimidínicos En las células de los mamíferos la regulación de la síntesis se produce a nivel de la carbamoil fosfato sintetasa II, que es inhibida por UTP, un producto final de la vía, y activada por el PRPP.
En las células de los mamíferos la regulación de la síntesis se produce a nivel de la carbamoil fosfato sintetasa II, que es inhibida por UTP, un producto final de la vía, y activada por el PRPP. El UMP no inhibe la carbamoil fosfato sintetasa II pero sí compite con el OMP, inhibiendo la OMP descarboxilasa. La conversión de UTP en CTP está regulada, ya que éste último inhibe la enzima (CTP sintetasa), de forma que las células pueden mantener un equilibrio entre nucleótidos de uridina y citidina. La regulación de la velocidad de la síntesis en las bacterias tiene lugar a través de la enzima aspartato transcarbamoilasa, o aspartato carbamoil transferasa, que cataliza la primera reacción de la secuencia, la formación de N-carbamoil aspartato. Esta enzima resulta inhibida por el CTP, que es el producto
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Figura 18.7.– Biosíntesis de CTP.
final de esta secuencia de reacciones. La aspartato transcarbamoilasa bacteriana consta de seis subunidades catalíticas y seis subunidades reguladoras. Las moléculas de sustrato se unen a las subunidades catalíticas, mientras que el inhibidor alostérico CTP se une a las subunidades alostéricas. La enzima existe en dos conformaciones, una activa y otra inactiva. Cuando las subunidades reguladoras están vacías, la actividad enzimática resulta máxima. Cuando aumentan las concentraciones de CTP, que se une a las subunidades reguladoras, se origina un cambio en su conformación, y como consecuencia de este cambio se produce una conformación inactiva de la enzima (Fig. 18.8). La presencia de ATP previene los cambios inducidos por el CTP y por ello evita la inhibición (Fig. 18.9).
La regulación de la velocidad de la síntesis en las bacterias tiene lugar a través de la enzima aspartato transcarbamoilasa, o aspartato carbamoil transferasa, que cataliza la primera reacción de la secuencia, la formación de N-carbamoil aspartato. Esta enzima resulta inhibida por el CTP, que es el producto final de esta secuencia de reacciones.
SÍNTESIS DE DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS Los desoxirribonucleótidos, las piezas de construcción del ADN, contienen 2c-desoxirribosa en vez de ribosa como pentosa, no se sintetizan a partir de la desoxirribosa como elemento de construcción, derivan de los correspondientes ribonucleótidos a través de unas reacciones en que el átomo de carbono en posición 2c de la D-ribosa del ribonucleótido se reduce di-
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Figura 18.8.– Regulación de la síntesis de las bases pirimidínicas.
Los desoxirribonucleótidos contienen 2'-desoxirribosa en vez de ribosa, no se sintetizan a partir de la desoxirribosa, derivan de los correspondientes ribonucleótidos a través de unas reacciones en que el átomo de carbono en posición 2' de la D-ribosa del ribonucleótido se reduce directamente para dar lugar al derivado 2'-desoxi.
Figura 18.9.– Efecto de los moduladores alostéricos CTP y ATP en la velocidad de transformación del aspartato en N-carbamoilaspartado por la aspartato transcarbamoilasa.
rectamente para dar lugar al derivado 2c-desoxi. Los sustratos para esta reacción, catalizada por la enzima ribonucleótido reductasa (NDP-reductasa), son ribonucleótidos difosfato (ADP, GDP, UDP y CDP). Éstos son reducidos directamente a los correspondientes desoxi-análogos (dADP, dGDP, dUDP y dCDP) por un sistema enzimático múltiple (Fig. 18.10). La reducción de la D-ribosa de los ribonucleósidos difosfato a 2c-desoxi-D-ribosa precisa un par de átomos de hidrógeno que, en último término, proporciona el NADP, pero son trasladados a la NDP-reductasa a través de un intermedio proteico que actúa como transportador de hidrógenos, la tiorredoxina. La tiorredoxina es una pequeña proteína termoestable, contiene 108 restos de aminoácidos, de masa molecular 12000, tiene dos grupos tioles en la secuencia Cys-Gly-Pro-Cys. Estos tioles experimentan una oxidación reversible a disulfuro, con lo que reducen los azufres del sitio activo de la NDP-reductasa, es decir, los grupos SH transportan átomos de hidrógeno desde el NADPH hasta el ribonucleósido difosfato. La tiorredoxina oxidada o disulfuro se reduce por el NADPH por acción de la tio-
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Figura 18.10.– Reducción de los ribonucleótidos a desoxirribonucleótidos.
rredoxina reductasa (M 68000), que contiene dos moléculas de FAD como cofactor. La tiorredoxina reducida es utilizada a continuación por la NDP reductasa para reducir los nucleósidos difosfato (NDP) a desoxirribonucleósidos difosfato (Fig. 18.11A). Otra fuente de equivalentes de reducción para la NDP-reductasa es el glutatión (GSH), que actúa como reductor de una proteína relacionada con la tiorredoxina, denominada glutarredoxina. La glutarredoxina reducida transfiere a continuación el poder reductor del glutatión a la NDP-reductasa (Fig. 18.11B). Sea cual sea el transportador que actúe como cofactor principal para la NDP reductasa, el origen último de los electrones es el NADPH. El mecanismo de reacción de la NDP reductasa es el ejemplo mejor caracterizado de la implicación de radicales libres en transformaciones bioquímicas. La enzima presente en E. coli y en la mayor parte de los eucariotas está formada por dos subunidades (R1 y R2). La subunidad R1 está formada por dos cadenas polipeptídicas D
La reducción de la Dribosa de los ribonucleósidos difosfato a 2 ' - d e s o x i -D -r i b o s a precisa un par de átomos de hidrógeno que, en último término, proporciona el NADP+, pero son trasladados a la NDP-reductasa a través de un intermedio proteico que actúa como transportador de hidrógenos, la tiorredoxina.
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Figura 18.11.– Reducción de los ribonucleótidos por la ribonucleótido reductasa (NDP reductasa).
(M 87000), y la subunidad R2 por dos cadenas E (M 43000) (Fig. 18.12). • Cada una de las cadenas D de la subunidad R1 tiene los siguientes sitios de unión: A) Sitio catalítico, en el que existen tres Cys, dos de las cuales participan en reacciones redox. Es el sitio donde se unen los sustratos: ADP, CDP, GDP y UDP. B) Sitio de actividad: es uno de los centros reguladores de la enzima; en este sitio se unen ATP o dATP. C) Sitio de especificidad: es el segundo de los centros reguladores de la enzima, en el que se unen ATP, dATP, dGTP o dTTP. D) Sitio redox: donde se une glutarredoxina o tiorredoxina. • En cada una de las cadenas E de la subunidad R2 hay un radical libre de Tyr, que participa en la catálisis, y un centro de hierro dinuclear, constituido por un átomo de oxígeno que forma un puente entre dos iones férricos. La regulación se realiza mediante la unión de efectores nucleósido trifosfato a dos clases de sitios reguladores en la subunidad R1. Los sitios de actividad unen ATP o dATP con una afinidad relativamente baja, mientras que los sitios de especificidad unen ATP, dATP, dGTP o dTTP con una alta afinidad para todos ellos.
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METABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS: BIOSÍNTESIS Y DEGRADACIÓN
Figura 18.12.– Esquema de la ribonucleótido difosfato reductasa (NDPreductasa).
La unión de ATP a los sitios de actividad tienden a aumentar la eficiencia catalítica de la NDP reductasa para todos los sustratos; mientras que el dATP actúa como inhibidor general de las cuatro reacciones. La unión de los nucleótidos a los sitios de especificidad modula las actividades de la enzima respecto a diferentes sustratos, de manera que se mantiene un equilibrio en la producción de los cuatro dNTP. Así, por ejemplo, la unión de dTTP (con ATP unido en el sitio de actividad)
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activa la enzima para la producción de GDP, pero reduce su capacidad de reducir UDP o CDP (Tabla 18.1). Tabla 18.1.– Regulación de las actividades de la ribonucleótido reductasa de los mamíferos. Nucleótido unido en
Activa la reducción de
Inhibe la reducción de
Lugar de actividad
Lugar de especificidad
ATP
ATP o dATP
CDP, UDP
ATP
dTTP
GDP
CDP, UDP
ATP
dGTP
ADP
CDP, UDP*
dATP
Cualquier efector
ADP, GDP, CDP, UDP
* la unión de dGTP inhibe la reducción de los nucleótidos de pirimidina por la enzima de mamíferos pero no por la enzima de E. coli.
BIOSÍNTESIS DE LOS DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS DE TIMINA
La biosíntesis de desoxitimidina trifosfato (dTTP) se produce, en parte, a partir del dUDP producido mediante la NDP reductasa, y en parte, a partir de los nucleótidos de desoxicitidina.
La primera reacción metabólica destinada específicamente a la síntesis de ADN es la formación de los desoxirribonucleótidos difosfato catalizada por la NDP reductasa. Una vez formados, tres de los difosfatos (dADP, dGDP y dCDP) se convierten directamente en los correspondientes trifosfatos por acción de la nucleósido difosfatoquinasa. La biosíntesis de desoxitimidina trifosfato (dTTP) se produce, en parte, a partir del dUDP producido mediante la NDP reductasa, y en parte, a partir de los nucleótidos de desoxicitidina; la proporción varía en distintas células y organismos. Las dos rutas de novo conducen a desoxiuridín monofosfato (dUMP), que es el sustrato para la síntesis de nucleótidos de timina: 1) El dUDP se fosforila a dUTP, que se rompe por una difosfohidrolasa muy activa, la dUTPasa. 2) El dCDP se defosforila a dCMP, que sufre entonces una desaminación a dUMP por una aminohidrolasa denominada dCMP desaminasa. Esta última reacción constituye un punto de ramificación para la síntesis de los dNTP pirimidínicos; la enzima requiere dCTP como activador alostérico y se inhibe por dTTP. E. coli y algunas otras bacterias utilizan una ruta diferente hasta dUMP: la desaminación se realiza a nivel del trifosfato por la dCTP desaminasa, y el dUTP resultante se rompe por la dUTPasa a dUMP y PPi (Fig. 18.13).
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Figura 18.13.– Formación del timidilato (dTMP).
El dUMP actúa como sustrato para la formación de desoxitimina monofosfato (dTMP) catalizada por la timidilato sintasa. Esta enzima transfiere una unidad de un carbono, al nivel de oxidación de metileno, y lo reduce a nivel de metilo. El donador del carbono es el N 5, N 10-metilentetrahidrofolato, que en esta reacción poco habitual actúa también como cofactor redox, para dar dihidrofolato, como el otro producto de la reacción. El cofactor debe reducirse luego, por la dihidrofolato reductasa, y ha de captar otro grupo metileno, la mayor parte de las veces a través de la serina transhidroximetilasa o serina hidroximetil transferasa. La interrupción de cualquiera de estos pasos del ciclo interfiere con la formación de nucleótidos de timina. El dTMP, una vez formado, se convierte en dTTP mediante dos fosforilaciones sucesivas (Fig. 18.14).
El dUMP actúa como sustrato para la formación de desoxitimina monofosfato (dTMP) catalizada por la timidilato sintasa. El dTMP, una vez formado se convierte en dTTP mediante dos fosforilaciones sucesivas.
DEGRADACIÓN DE PURINAS: SÍNTESIS DE ÁCIDO ÚRICO El catabolismo de los nucleótidos de purina da lugar a ácido úrico a través de las siguientes rutas (Fig. 18.15): Las rutas específicas utilizadas varían en los diversos organismos y en distintos tejidos del mismo organismo. Así, por ejemplo, el AMP o bien se desamina para producir ácido inosínico (IMP) o se hidroliza para transformarse en adenosina. La desaminación es activa en el músculo, mientras que la hidrólisis predomina en la mayor parte de los demás tejidos animales. En las rutas de degradación, la adenosina se desamina por la adenosina desaminada (ADA) para dar inosina. Sobre la inosina y la guanosina actúa la nucleósido de purina fosforilasa para formar hipoxantina y guanina, respectivamente.
El catabolismo de los nucleótidos de purina da lugar a ácido úrico.
La guanina se desamina a xantina por la guanina desaminasa. La hipoxantina se oxida a xantina, y la xantina a ácido úrico, por acción de la xantina oxidasa.
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Figura 18.14.– Transformación del dUMP en dTMP por la timidilato sintasa y la dihidrofolato reductasa.
La guanina se desamina a xantina por la guanina desaminasa, una enzima abundante en el cerebro y el hígado de los mamíferos. La hipoxantina se oxida a xantina, y la xantina a ácido úrico, por acción de la xantina oxidasa, una flavoenzima que contiene FAD, un átomo de molibdeno y cuatro centros Fe-S. Los electrones obtenidos de la oxidación de los sustratos se transfieren a cada uno de estos transportadores, que finalmente reducen el O2 a H2O2, sobre la que actúa una catalasa que la des-
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Figura 18.15.– Degradación de nucleótidos de purina. Formación de ácido úrico.
compone en H2O y O2, luego es el oxígeno molecular el aceptor de electrones en esta reacción. La forma ceto del ácido úrico está en equilibrio con la forma enólica, la cual a pH 7 pierde un protón para formar urato. El urato es el producto final de la degradación de las purinas y se excreta como tal por la orina.
El ácido úrico es el producto final de excreción del catabolismo de purinas en los primates, aves, reptiles e insectos. Pero en muchos otros vertebrados el ácido úrico se degrada dando alantoina y finalmente urea. Una sobreproducción de ácido úrico es la causa de la gota (ver aplicación clínica). La gota es una enfermedad que afecta a las articulaciones y a los riñones, provocada por una concentración elevada de ácido úrico en la sangre y en los tejidos.
La degradación de los nucleótidos de pirimidina se produce por diversas rutas, que conducen a la producción de uracilo y timina.
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DEGRADACIÓN DE PIRIMIDINAS
El uracilo y la timina continúan degradándose mediante reacciones análogas, aunque los productos finales son diferentes.
Las células cancerosas suelen ser más sensibles que las células normales a inhibidores de la biosíntesis de nucleótidos. Existe un gran número de agentes quimioterapeúticos que actúan por inhibición de una o más enzimas de las rutas de biosíntesis de nucleótidos.
El recambio de los ácidos nucleicos da lugar a la liberación de nucleótidos de pirimidina y purina. La degradación de los nucleótidos de pirimidina se produce por diversas rutas (Fig. 18.16-A), que conducen a la producción de uracilo y timina. El uracilo y la timina continúan degradándose mediante reacciones análogas, aunque los productos finales son diferentes (Fig. 18.16-B). La citosina y el uracilo se degradan finalmente hasta E-alanina, NH4 y CO2. La E-alanina se utiliza en la biosíntesis del coenzima-A. La degradación de timina conduce a E-aminoisobutirato, NH4 y CO2. El E-aminoisobutirato es excretado en la orina humana, y se origina exclusivamente a partir de la degradación de timina. Se puede, por tanto, estimar el recambio de ADN o de los nucleótidos de timina midiendo la excreción de E-aminoisobutirato. Pacientes de cáncer sometidos a quimioterapia o radioterapia, procesos en los que se produce una elevada muerte celular y se degrada ADN, excretan niveles aumentados de E-aminoisobutirato.
FÁRMACOS ANTICANCEROSOS QUE BLOQUEAN LAS VÍAS DE BIOSÍNTESIS DE NUCLEÓTIDOS Las células cancerígenas se multiplican más rápidamente que las células de los tejidos normales y por ello requieren ma-
Figura 18.16.– (A) Rutas catabólicas en el metabolismo de los nucleótidos de pirimidina.
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Figura 18.16.– (B) Degradación de pirimidinas. (Continuación).
yor suministro de nucleótidos para la síntesis de ADN y ARN. Es por ello que las células cancerosas suelen ser más sensibles que las células normales a inhibidores de la biosíntesis de nu-
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Enzimas que resultan útiles para la acción de agentes farmacológicos son la timidilato sintasa y la dihidrofolato reductasa.
Analogos estructurales del dihidrofolato, como el metotrexato (ameptoterina) y la aminopterina son potentes inhibidores competitivos de la dihidrofolato reductasa.
La utilización en medicina de los inhibidores de la biosíntesis de nucleótidos no se limita al tratamiento del cáncer.
cleótidos. Existe un gran número de agentes quimioterapeúticos que actúan por inhibición de una o más enzimas de las rutas de biosíntesis de nucleótidos. Estudiaremos algunos ejemplos de estos agentes que representan a la vez una posibilidad de tratamiento del cáncer y una opción para la mejor comprensión del mecanismo de acción de estas enzimas. La primera serie de ejemplos se refiere a los compuestos que inhiben las glutamina amidotransferasas. La glutamina actúa como dador de nitrógeno en distintas reacciones de la biosíntesis de nucleótidos. Los centros de unión de la glutamina son parecidos en muchas de estas enzimas, y la mayoría resultan fuertemente inhibidas por análogos de la glutamina como la azaserina y la acivicina. Ambos son ejemplos de inhibidores suicidas, y parecen ser buenos agentes anticancerígenos. Otras enzimas que resultan útiles para la acción de agentes farmacológicos son la timidilato sintasa y la dihidrofolato reductasa (Figs. 18.17-A y 18.17-B). Estas enzimas representan la única vía celular para la síntesis de timina. Un inhibidor que actúa sobre la timidilato sintasa es el 5-fluorouracilo (5-FU) (Fig. 18.17-B), un importante agente quimioterápico. En la célula, a través de las vías de recuperación, el 5-FU se convierte en 5-fluorodesoxiuridilato (desoxinucleósido monofosfato) (F-dUMP). Este análogo de dUMP inhibe irreversiblemente a la timidilato sintasa después de actuar como sustrato normal durante una parte del ciclo catalítico. Durante la catálisis se forma un complejo covalente entre F-dUMP, metilentetrahidrifolato y el grupo sulfhidrilo de la enzima, que inhibe la timidilato sintasa. Es un ejemplo de inhibición suicida, en la que una enzima transforma un sustrato en inhibidor reactivo, que inmediatamente inactiva su propia actividad catalítica. La síntesis de dTMP también puede bloquearse inhibiendo la regeneración del tetrahidrofolato. Analogos estructurales del dihidrofolato, como el metotrexato (ameptoterina) y la aminopterina son potentes inhibidores competitivos de la dihidrofolato reductasa (Fig. 18.17-B). El metotrexato es un fármaco valioso en el tratamiento de muchos tumores de crecimiento rápido, tales como leucemia aguda y coriocarcinoma. Sin embargo, es muy tóxico, mata rápidamente células en reproducción, tanto si son malignas como si no lo son. Las células de la médula ósea, las epiteliales del tubo digestivo y los folículos pilosos son especialmente vulnerables a la acción de este antagonista del folato. La utilización en medicina de los inhibidores de la biosíntesis de nucleótidos no se limita al tratamiento del cáncer. Existen otro tipo de inhibidores de la hidrofolato reductasa, como por ejemplo la trimetoprima, que es un análogo del folato con una
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Figura 18.17.– Síntesis del timidilato y metabolismo del folato como dianas de acción quimioterápica. FdUMP nucleótido derivado del Fluorouracilo.
potente actividad antibacteriana y antiprotista (protozoos fundamentalmente). La combinación de trimetoprima y sulfametoxazol (inhibidor de la síntesis de folato) se utiliza ampliamente para tratar procesos infecciosos.
RESUMEN Las rutas metabólicas que conducen a la formación de nucleótidos son: las vías de novo y las vías de recuperación. La síntesis de novo de los nucleóticos empieza a partir de sus precursores metabólicos, aminoácidos, ribosa-5fosfato, CO2 y NH3. Las rutas de recuperación reciclan las
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bases libres y los nucleósidos liberados a partir de la ruptura de los ácidos nucleicos. El PRPP es un intermedio clave en la síntesis de novo de los nucleótidos purínicos y pirimidínicos. El anillo de purina se forma a partir de la ribosa-5-fosfato, sobre el que se genera paso a paso un núcleo purínico, lo que conduce a la formación de un nucleótido. El de pirimidina se sintetiza como ácido orótico unido a ribosa-5-fosfato y se transforma en los nucleótidos de pirimidina. El ácido inosínico (IMP) es el primer ribonucleótido formado en la ruta de novo, es el precursor común en la síntesis de los ácidos adenílico (AMP) y guanílico (GMP); la formación de GMP requiere ATP como fuente de energía, mientras que la formación de AMP requiere GTP. El punto clave en la regulación de los nucleótidos purínicos es la formación de 5-fosforribosilamina a partir de 5fosforribolsil-1-pirofosfato, reacción catalizada por la glutamina-PRPP amidotransferasa, que está regulada alostéricamente por los productos finales de la ruta, IMP, GMP y AMP. Tanto el AMP como el GMP son inhibidores de su propia síntesis. La síntesis de novo de nucleótidos de pirimidina conduce a UMP, se necesita la presencia de carbamoil fosfato, aspartato y PRPP, tiene lugar de forma distinta a la síntesis de purinas, el anillo de pirimidina se forma en primer lugar y a continuación se engancha la ribosa-5 fosfato procedente del PRPP. El primer paso de la síntesis de pirimidinas es la reacción entre el carbamoil fosfato y el aspartato para dar N-carbamoil-aspartato, esta reacción está catalizada por la aspartato carbamoil transferasa y constituye la etapa determinante de esta biosíntesis. Esta enzima resulta inhibida por CTP, que es el producto final de esta sucesión de reacciones. Los desoxirribonucleótidos contienen 2c-desoxirribosa en vez de ribosa, no se sintetizan a partir de 2c-desoxirribosa, sino de los correspondientes ribonucleótidos a través de unas reacciones en que el átomo de carbono en posición 2c de la D-ribosa del ribonucleótido se reduce directamente para dar lugar al derivado 2c-desoxi, para ello se necesitan un par de átomos de hidrógeno que, en último término, proporciona el NADP, pero son transportados a la NDP-reductasa a través de un intermedio proteico que actúa como transportador de hidrógenos, la tiorredoxina. La biosíntesis de la desoxitimidina trifosfato (dTTP) se pro-
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duce, en parte, a partir de dUDP producida mediante la NDP-reductasa, y en parte a partir de los nucleótidos de la desoxicitidina. La degradación de los nucleótidos de purina da lugar a ácido úrico. Una sobreproducción de ácido úrico es la causa de la gota. La gota es una enfermedad que afecta a las articulaciones y a los riñones. La degradación de los nucleótidos de pirimidina se produce por diversas rutas, que conducen a la formación de uracilo y timina, los cuales continúan degradándose mediante reacciones análogas dando productos finales diferentes.
APLICACIONES CLÍNICAS La gota La hiperuricemia puede producir la gota, que es una enfermedad provocada por una elevada concentración de ácido úrico en la sangre y en los tejidos, y que afecta a las articulaciones y a los riñones, sobre todo en los varones. Las articulaciones se inflaman debido a la precipitación de cristales de urato sódico en el líquido sinovial de las mismas, lo que produce dolor y conduce al desarrollo de artritis. Los riñones también resultan afectados ya que los cristales de urato precipitan en los túbulos renales. La gota se debe, o bien a una sobreproducción de nucleótidos de purina, que como sabemos da lugar a una síntesis excesiva de ácido úrico, o bien a un deterioro de la excreción de ácido úrico a través de los riñones como consecuencia de una enfermedad renal, o incluso por una muerte celular excesiva que conduce a un incremento de la degradación de ácidos nucleicos, como sucede en los tratamientos de tumores malignos. La sobreproducción de ácido úrico como consecuencia de un exceso de síntesis de purinas puede producirse por diversas deficiencias enzimáticas como actividad elevada de PRPP sintetasa, pérdida de retroinhibición de PRPP amidotransferasa y por déficit en la enzima de recuperación hipoxantina guanina fosforribosiltransferasa (HGPRT). En cuanto al desarrollo de la gota por causas no relacionadas con deficiencias enzimáticas, puede citarse el deterioro de la excreción de ácido úrico. Un ejemplo es el de los pacientes que sufren algunas formas de enfermedad de almacenamiento de glucógeno, los cuales son generalmente gotosos. Una hipoglucemia prolongada produce la acumulación de ácidos orgá-
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nicos (lactato y similares), lo cual interfiere con la excreción tubular del ácido úrico en el riñón. También la gota es una consecuencia de la quimioterapia y la radioterapia del cáncer, debido a una sobrecarga de purinas causada por la degradación de los ácidos nucleicos tras la muerte celular. La gota puede tratarse de manera eficaz por medio de una combinación de terapia nutricional (restricción de la ingesta de alimentos ricos en purinas; hígado, productos glandulares, anchoas, vino, etc.) y farmacológica. Se consigue una mejoría importante tras la utilización del fármaco alopurinol, un análogo de la hipoxantina, que inhibe la xantina oxidasa. Esta inhibición produce la acumulación de hipoxantina y xantina, sustancias más solubles en agua que el ácido úrico, y por tanto más fáciles de excretar que dicho ácido. Se produce por ello una mejoría de la artritis
Síndrome de Lesch-Nyhan: deficit grave de HGPRT La ausencia total de la enzima hipoxantina-guanina fosforribosil transferasa (HGPRT) tiene consecuencias devastadoras para el ser humano. Este trastorno fue descrito por primera vez en 1964 por el estudiante de medicina Michael Lesch y su tutor en la Facultad, William Nyhan. El síndrome de Lesch-Nyhan es un rasgo ligado al sexo, ya que el gen estructural de la HGPRT está situado en el cromosoma Y, por lo que la deficiencia prácticamente sólo se presenta en varones. Los pacientes con este trastorno presentan una artritis gotosa grave, pero también sufren una disfunción aguda del sistema nervioso, que se manifiesta en trastornos de conducta, discapacidad para el aprendizaje y comportamientos hostiles o agresivos, a menudo contra sí mismos. En los casos en los que la deficiencia de la actividad enzimática de HGPRT es casi completa, los pacientes se muerden las puntas de los dedos o los labios, causándose automutilaciones. Existen diferentes grados de gravedad en esta enfermedad debido al gran número de mutaciones distintas que afectan al gen de la HGPRT. La hiperuricemia que se observa en este síndrome como consecuencia de una elevada síntesis de ácido úrico es claramente debida a la deficiencia de la enzima HGPRT, que impide la recuperación de hipoxantina y guanina, lo que trae como consecuencia un incremento de los niveles intracelulares de PRPP y la disminución de IMP o GMP, lo que se traduce en una mayor síntesis de novo de nucleótidos puríni-
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METABOLISMO DE LOS NUCLEÓTIDOS: BIOSÍNTESIS Y DEGRADACIÓN
cos. Lo que todavía está por dilucidar es la causa de los problemas neurológicos asociados a esta deficiencia enzimática. Se piensa en la posibilidad de que los productos de degradación de las purinas, hipoxantina, xantina y ácido úrico, que no son tóxicos para el sistema nervioso central de un adulto, sí podrían resultar tóxicos para dicho sistema nervioso en el caso de un individuo en desarrollo. Otra posibilidad es que el descenso de la actividad HGPRT junto con un descenso de la actividad IMP deshidrogenasa condujesen a una caída de los niveles intracelulares de GTP, lo que afectaría a la transducción de señales vía proteínas G, a los niveles de tetrahidrobiopterina, necesaria para la síntesis de neurotransmisores, y a la síntesis proteica. Todo ello podría tener como resultado los trastornos neurológicos que acompañan a este síndrome.
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TEMA 19
Integración del metabolismo en mamíferos
Absorción, transporte y regulación. Las bases bioquímicas de la nutrición.
Todas y cada una de las células de un organismo llevan una dotación genética completa, sin embargo, sólo se expresa una parte de ella y, por ello, aparecen células y tejidos especializados. No obstante los diferentes tejidos y órganos se encuentran interconectados entre sí a través de sustancias o mensajeros químicos que permiten al organismo funcionar como un conjunto coordinado. En los organismos superiores existen cuatro sistemas de regulación a diferentes niveles. Los nutrientes son sustancias químicas que se encuentran en los alimentos, muchos pueden ser sintetizados en el organismo, mientras otros no pueden serlo y se denominan esenciales. Entre estos últimos se encuentran los oligoelementos y algunos aminoácidos y vitaminas. Los organismos también requieren la oxidación de los nutrientes para obtener energía para sus funciones vitales. Las necesidades energéticas se distribuyen en tres bloques que juntos representan los requerimientos totales en condiciones fisiológicas.
ABSORCIÓN, TRANSPORTE Y REGULACIÓN La absorción de nutrientes se produce fundamentalmente en la mitad proximal del intestino delgado, aunque las porciones más distales también son aptas para la absorción (Fig. 19.1). Los mecanismos implicados en este importante proceso son difusión pasiva y difusión facilitada, aunque para algunos nutrientes es necesario el transporte activo acoplado al Na como ocurre p.e. con la glucosa y los aminoácidos. Las grasas se absorben en el intestino delgado previa separación de las sales biliares que las transportan en el medio
La absorción de iones Na+ y Ca2+ por el intestino delgado se produce por transporte activo. Los iones K+, Cl– y HCO3– por difusión facilitada.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Figura 19.1.– Mecanismos implicados en la absorción de nutrientes.
acuoso en forma de micelas. Su difusión se ve facilitada por su solubilidad en la bicapa lipídica de la membrana del enterocito. Una pequeña proporción de péptidos se absorben como tales sin sufrir hidrólisis, y los disacáridos son hidrolizados a monosacáridos, aunque la digestión se completa por disacaridasas en el borde en cepillo de los enterocitos. La absorción del agua se produce de forma pasiva siguiendo a los solutos a nivel del intestino delgado. Su procedencia es de origen alimentario (unos 2 L) y del gran volumen de secreciones digestivas vertidas a la luz de los distintos tramos en los que se produce la digestión (7-10 L). La absorción de iones se produce por transporte activo para el Na, lo que ocurre fundamentalmente en intestino delgado. Los iones de potasio, cloruro y bicarbonato se absorben por difusión en el duodeno y el yeyuno. El cloro puede intercambiarse de forma activa por ión bicarbonato en el colon, para neutralizar el exceso de ácido producido en las fermentaciones bacterianas. La absorción de calcio se produce por transporte activo mediado por la vitamina D, mientras que el hierro se absorbe también a nivel del intestino delgado, pero sólo consume energía su paso desde el enterocito a la sangre, donde es ligado a la transferrina para su transporte. La vitamina C y el HCl del jugo gástrico facilitan la absorción intestinal de hierro al pasar la forma férrica Fe3 a ferrosa Fe2. Las vitaminas liposolubles se absorben como las grasas. La vitamina C dispone de un transportador específico y se absorbe en el íleon terminal. Las vitaminas del complejo B, a excepción de la B12, se absorben en el intestino delgado mediante cotransporte acoplado al Na. El complejo vitamina B12 factor intrínseco se absorbe a nivel del colon por endocitosis. El tránsito intestinal a nivel del colon es bastante más lento que en los tramos prece-
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INTEGRACIÓN DEL METABOLISMO EN MAMÍFEROS
dentes del intestino delgado. Aquí se produce la recuperación del exceso de agua presente en el quimo, lo que representa aproximadamente un volumen de 500-1.000 mL. En este segmento del intestino existen diferentes grupos de bacterias intestinales que en conjunto determinan la flora bacteriana intestinal con importantes funciones fisiológicas, entre otras la producción de vitamina K y la transformación final de los ácidos biliares, bilirrubina etc. El uso indiscriminado de los antibióticos establece auténticos desequilibrios en la flora intestinal con repercusiones clínicas de interés. En líneas generales el proceso de absorción se produce en dos etapas bien diferenciadas, la primera de ellas incluye el paso de los nutrientes hasta el interior del enterocito, y la segunda que determina su paso desde el enterocito a través del espacio intersticial hasta la circulación sanguínea. Esta segunda etapa es la que puede regularse en relación con las necesidades del individuo. Los depositos de sustancias a nivel de las células intestinales pueden perderse al cabo de varios días si no pasan a la sangre, ya que estas células están sometidas a un proceso de renovación cíclico, cuya vida media es de unos 4-5 días. La descamación de las células de pared puede acarrear la perdida de elementos nutricionales esenciales y, en consecuencia, generar enfermedades carenciales (Fig. 19.2).
Figura 19.2.– Lugares de absorción de los principales nutrientes.
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Las grasas pasan al sistema linfático primero y después a la sangre, salvando el filtro hepático.
La mayoría de los nutrientes absorbidos pasan de la mucosa intestinal a la circulación sanguínea, a través de la vena porta que los conduce en primer lugar al hígado. El filtro hepático se constituye como un paso esencial para la transformación de la mayoría de los nutrientes, transformación que permite la adaptación de los mismos a las necesidades del organismo, y que inicia un proceso fisiológico clave para la supervivencia del organismo, el mantenimiento de la homeostasis. El hígado es pues un órgano metabólico de gran trascendencia, localizado estratégicamente entre el intestino y la circulación sanguínea. No obstante algunos nutrientes, como la mayoría de las grasas, eluden el filtro hepático al pasar del enterocito directamente a la linfa, que finalmente alcanza el torrente circulatorio a través del conducto torácico. Los nutrientes así absorbidos van a ser utilizados por el organismo, sometidos previamente a pequeñas o grandes transformaciones metabólicas, que van a permitir su utilización para obtener energía, monómeros para la síntesis de moléculas propias, o simplemente su almacenamiento. El metabolismo de los nutrientes es un conjunto de reacciones químicas íntimamente relacionadas, de forma que cada una de las vías metabólicas está cuidadosamente regulada y todas ellas en conjunto están íntimamente relacionadas e integradas en el denominado metabolismo corporal. El metabolismo se ha modificado a lo largo de la evolución, de forma que se han ido seleccionando las especies que disponían de la mayor eficacia metabólica, al disponer de mecanismos adecuados para sintetizar en cada momento las biomoléculas necesarias, tanto desde el punto de vista cualitativo como cuantitativo, y con el menor coste energético. El resultado producido es una mayor adaptación al medio. Existen distintos niveles de regulación: 1. 2. 3. 4.
Nivel Nivel Nivel Nivel
somático. de órganos. celular. molecular.
1. Nivel somático: En los mamíferos, las funciones del organismo están reguladas por dos importantes sistemas de comunicación intercelular o sistemas de control: el sistema nervioso (SN) y el sistema endocrino (SE), y entre ambos existen importantes interacciones. En el SN, cada neurona va a transmitir información a un conjunto de neuronas a través de la sinapsis, liberando un neurotransmisor que causa efectos eléctricos inmediatos en la
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INTEGRACIÓN DEL METABOLISMO EN MAMÍFEROS
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membrana post-sináptica. Por su parte, las glándulas del sistema endocrino, van a liberar sustancias muy activas, las hormonas. Estas sustancias de composición química muy variada se van a distribuir por todo el organismo a través de la sangre, produciendo cambios metabólicos en las células efectoras, las cuales se sitúan lejos del punto de liberación de la hormona, siendo sus efectos de lenta aparición y larga duración en comparación con los producidos en la comunicación sináptica. De esta forma el sistema endocrino cumple una función reguladora e integradora del metabolismo de los diferentes órganos, modificando armónicamente la velocidad de los procesos en los diferentes tejidos, para que de su actividad multifuncional resulte una mejor adaptación al medio que permita la supervivencia del organismo. El conocimiento del control que ejerce el Sistema Nervioso Central (S.N.C.) sobre la secreción endocrina ha experimentado profundos cambios en los últimos años. Todas las hormonas hipofisarias son susceptibles de ser reguladas por el hipotálamo. Esto implica que la actividad de otras estructuras cerebrales, incluyendo la corteza, pueden modificar el equilibrio endocrino. Además y por otra parte los datos publicados acerca de la importancia de los estímulos psicofisiológicos sobre la secreción hormonal, son aún escasos y los conocimientos sobre estos aspectos van avanzando muy lentamente en relación a los avances sobre la descripción de importantes vías y conexiones cerebrales. No obstante, el gran impulso actual de la investigación sobre la bioquímica y fisiología de los péptidos ha permitido clarificar procesos endocrinos poco conocidos, y ha obligado a replantearnos las bases de la regulación neuroendocrina.
Las hormonas se sintetizan en un órgano y ejercen su acción en otro órgano o tejido diana.
2. Nivel de órganos: La regulación va a depender también de las especializaciones metabólicas de algunos órganos. En los humanos la regulación metabólica varía según el órgano del que se trate. Durante el proceso de diferenciación se producen cambios acentuados en la estructura y en la función celular, que se acompañan de marcados cambios en el contenido enzimático. Cada célula, a excepción de las células sexuales maduras (haploides) y células muy especializadas como los eritrocitos, posee la información genética necesaria para la síntesis de todas las enzimas presentes en el organismo y con ello la posibilidad de llevar a cabo las diferentes rutas metabólicas, sin embargo, sólo una proporción de los genes se expresa, y lo hace en forma diferente según el tipo de célula del que se trate. Esto implica la existencia de mecanismos precisos de control de la ex-
En las células somáticas sólo se expresa una parte de la información genética que poseen.
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presión génica. El mecanismo de control se encuentra bajo la influencia de algunas hormonas. Así las células susceptibles de estimulación hormonal son capaces de aumentar notablemente y de forma especifica el contenido celular de ciertas enzimas, recibiendo este fenómeno el nombre de inducción hormonal. Aunque todas las células del organismo humano son capaces de llevar a cabo las rutas principales del metabolismo, los distintos tejidos y órganos muestran características metabólicas relativas a su grado de especialización que les hace muy eficaces. La presencia de diferentes compartimentos en la célula eucariótica es otra forma de regulación.
La compartimentación celular permite que rutas inversas, como glucólisis y gluconeogenesis, actúen simultáneamente.
La regulación enzimática se realiza a nivel de actividad y a nivel de síntesis.
3. Nivel celular: La presencia de compartimentos en la célula eucariótica permite la realización de diferentes rutas metabólicas en los diferentes compartimentos. A modo de ejemplo, la glicólisis anaerobia, la vía de las pentosas fosfato y la síntesis de ácidos grasos tienen lugar en el citoplasma celular, mientras que la oxidación de los ácidos grasos, el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la fosforilación oxidatíva se llevan a cabo en la mitocondria. Sin embargo, otros procesos, como ocurre con la gluconeogénesis, se van a llevar a cabo en ambos compartimentos. De esta forma, el destino final de una biomolécula va a depender de dónde esté ubicada, es decir, si se encuentra en el citoplasma celular o en la matriz mitocondrial. En efecto, los ácidos grasos que se encuentren en el interior de la mitocondria serán degradados rápidamente, mientras que los que se encuentren en el citoplasma serán esterificados. De esta forma, la compartimentación celular produce un ahorro energético importante en lo que se refiere a la síntesis proteica. Así, un conjunto de enzimas podrá ser utilizado en diferentes procesos metabólicos al situarse en diferentes compartimentos celulares, dando lugar a productos finales diferentes según el compartimento considerado. Para lograrlo, los procesos metabólicos tendrán una regulación diferente, salvando de esta forma el inconveniente que supondría la activación o la inhibición simultaneas. 4. Nivel molecular: Las moléculas susceptibles de regulación son las enzimas. La regulación a este nivel va a ser ejercida por interacciones alostéricas y modificaciones covalentes. La concentración de enzimas disponible por las células en un momento determinado depende de la velocidad con que son sintetizadas, pudiendo ser modificada por mecanismos de inducción y/o represión. Todo el laborioso proceso de regulación e integración del metabolismo carece de sentido sino existe un aporte de nu-
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trientes adecuado a las necesidades del organismo. Es preciso por lo tanto introducir los aspectos bioquímicos de la nutrición.
BASES BIOQUÍMICAS DE LA NUTRICIÓN El organismo humano precisa el aporte de alimentos desde el nacimiento para su crecimiento, desarrollo y mantenimiento de las funciones corporales y mentales, lo que requiere a su vez el control de la homeostasia o mantenimiento de las condiciones vitales del medio interno. La ingesta nutricional de un individuo debe aportar los elementos necesarios para un adecuado balance calórico, proteico, hídrico, mineral y vitamínico. Los alimentos cumplen tres funciones básicas: 1. Aporte de la energía necesaria, proporcionando los sustratos oxidables. 2. Formación y mantenimiento de la estructura corporal, aportando los monómeros necesarios para la síntesis de moléculas propias. 3. Regulación de la actividad metabólica, aportando los elementos necesarios para la catálisis enzimática. Un mismo alimento puede cumplir las tres, dos o sólo una de dichas funciones, por lo que se aconseja el consumo variado de alimentos y en las cantidades adecuadas según su composición, para hacer frente a las demandas individuales, las cuales varían con la edad, sexo, peso, talla, nivel de actividad física, circunstancias personales como embarazo y lactancia, así como circunstancias medioambientales como humedad, temperatura, altitud, etc. Composición química de los alimentos: Desde un punto de vista nutricional los alimentos contienen una serie de elementos nutritivos o nutrientes, que son utilizados por el organismo para sus procesos vitales. Incluyen los azucares, lípidos, proteínas, agua, vitaminas y minerales. Sólo los tres primeros aportan la energía química necesaria para los distintos tipos de trabajo celular, mientras que todos ellos contribuyen a la formación y renovación de las estructuras corporales y a la regulación de la compleja actividad metabólica que tiene lugar en todas las células del organismo. Las vitaminas y minerales se requieren en cantidades muy pequeñas, por lo que se denominan micronutrientes en contraposición a los demás elementos que se requieren en cantidades muy superiores y que se denominan macronutrientes.
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Los nutrientes pueden ser de dos clases: esenciales y no esenciales. Los esenciales no son sintetizados por el organismo y su falta en la dieta puede originar carencias o deficiencias.
Aunque todos los nutrientes deben ser aportados en una alimentación equilibrada, es preciso distinguir entre elementos esenciales y no esenciales. Son nutrientes esenciales aquellos que necesariamente hay que ingerir para no generar carencias, ya que no pueden sintetizarse en el organismo. Se consideran no esenciales aquellos nutrientes que pueden sintetizarse de forma endógena. Los requerimientos energéticos constituyen uno de los objetivos de la nutrición con el fin de proporcionar energía al organismo para su actividad vital. Para ello se requiere la oxidación de los nutrientes por parte de las células (Fig. 19.3).
Figura 19.3.– Esquema general de las vías catabólicas de los nutrientes de la dieta.
El valor calórico de los nutrientes y de los alimentos que los aportan se expresa en kilocalorías (kcal). Una kcal es la cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado centígrado la temperatura de un kg de agua que esté a 14,5 ºC. Actualmente también se emplea el kilojulio, que es una unidad de trabajo (1 kcal 4,18 kJul). El valor energético de los componentes de la dieta se determina midiendo la energía liberada tras la combustión completa de los mismos en presencia de oxígeno y en una bomba calorimétrica. Con este procedimiento se demuestra que todos los nutrientes no poseen el mismo valor energético, así: 1 g de azucares proporciona 4 kcal, 1 g de grasas 9 kcal y 1 g de proteínas 5,3 kcal, de las que sólo se aprovechan 4 por
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el organismo, ya que durante el metabolismo se produce urea que aún conserva cierto contenido energético, además de por el efecto térmico de las proteínas, que es bastante elevado. También se puede determinar el gasto energético de una persona por calorimetría directa midiendo en una cámara aislada el calor generado por el organismo, o bien calculando el calor producido a partir del oxigeno consumido y del anhídrido carbónico producido, esto es por calorimetría indirecta. Las necesidades diarias de energía del organismo se distribuyen en tres grandes bloques, cuya suma representa los requerimientos totales en condiciones fisiológicas: a) Metabolismo basal. b) Actividad física. c) Acción dinamico-específica de los alimentos. Metabolismo basal (MB) es la energía que necesita el organismo para mantener las funciones vitales en condiciones de reposo físico y mental y en ayunas, en un medio de temperatura confortable. Se calcula a partir del oxígeno consumido, considerando que un litro de oxígeno equivale a 4.825 kcal por metro cuadrado de superficie corporal y por hora. En la clínica se suele utilizar la variación en porcentaje sobre un valor medio de referencia. Las variaciones entre 15 y 15 se consideran normales para un valor estándar de 40 kcal/m2 · h, calculado como promedio para varones jóvenes. El MB varía con la edad, sexo, equilibrio hormonal, etc., por ser factores que inciden en la composición corporal individual, alcanzando los valores máximos en períodos de crecimiento. Aumentan el metabolismo basal las dietas hipercalóricas e hiperproteicas, el hipertiroidismo, la acromegalia, el S. de Cushing, la fiebre, los fármacos como la adrenalina, la cafeína, las anfetaminas y la hormona del crecimiento. Disminuyen el MB la desnutrición, el hipotiroidismo, la insuficiencia hipofisaria, el E. de Addison y ciertos fármacos (hipnóticos, anestésicos, hipotiroideos y sedantes).
Metabolismo basal es la energía utilizada por el organismo en unas condiciones determinadas.
Actividad física: El gasto energético que genera la actividad física, para un mismo individuo, es variable y puede controlarse voluntariamente, a diferencia de lo que ocurre con la energía del MB. Existen numerosos cálculos generalmente aceptados que tratan de orientar acerca de las necesidades de energía para los distintos tipos de trabajo físico en adultos normales de ambos sexos. De forma sencilla se resumen los distintos tipos de trabajo físico en tres grupos, teniendo en cuenta las necesidades de energía (kcal) con relación al peso corporal (kg) y tiempo de duración del trabajo (horas):
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• Trabajo ligero (oficina, comercio, estudiantes): 3,24 kcal/kg/hora. • Trabajo moderado (agricultura, industria ligera): 5,70 kcal/kg/hora. • Trabajo pesado (leñador, metalúrgico, atleta): 8,04 kcal/kg/hora. De los 20 aminoácidos protéicos nueve son esenciales, y deben ser propocionados por la dieta.
Además del tiempo empleado en la actividad laboral, es preciso contabilizar el tiempo dedicado a aquellas actividades de ocio y tiempo libre que implican también un extra de energía y que, del mismo modo, han sido calculadas y recogidas en tablas para su conocimiento y control. En valores medios, las mujeres presentan una menor demanda de energía que los hombres debido a su composición corporal y, en líneas generales, a una menor tasa de trabajo físico, que suele ser menos intenso que el del varón con todas las reservas que suponen las excepciones. El gasto energético medio para mujeres adultas sanas es de 2.000-2.300 kcal, de las cuales unas 1.200 se requieren para el metabolismo basal y el resto para el trabajo físico. En el hombre las necesidades medias de energía se calculan en torno a 2.100-2.400, siendo la mitad aproximadamente para el MB y la otra mitad para el trabajo físico. Acción dinamico-específica de los alimentos, también denominada termogénesis inducida por la dieta, incluye las necesidades de energía planteadas por la ingesta, digestión, absorción y metabolismo de los alimentos. Este efecto se encuentra corregido en los cálculos dietéticos normales por lo que no es necesario tenerlos en cuenta a la hora de calcular las necesidades de energía individuales. Además de los requerimientos energéticos diarios, el organismo necesita un aporte mínimo de proteínas para mantener el balance nitrogenado. Este concepto se basa en la idea de que las proteínas son los únicos macronutrientes que poseen nitrógeno en su estructura y por lo tanto es posible establecer el balance entre el aporte y la eliminación de nitrógeno, el cual será positivo cuando la ingesta supere la eliminación y negativo cuando las pérdidas superen la ingesta, siendo deseable un balance cero, es decir, que la ingesta y las pérdidas estén en equilibrio. Los requerimientos de proteínas obedecen fundamentalmente a la necesidad de aminoácidos para la síntesis proteica, por lo que es fácilmente comprensible que en determinadas etapas del crecimiento y desarrollo (infancia, adolescencia, embarazo, lactancia), la demanda de los mismos esté aumentada, mientras que en los adultos que ya han completado las etapas
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de crecimiento, las necesidades de mantenimiento y renovación van a ser menores. A este respecto es preciso recordar que aproximadamente el 50% de los aminoácidos proteicos son esenciales, por lo que en caso de suministrar proteínas que no los aporten en cantidad suficiente, será preciso suplementarlas adecuadamente. También es importante considerar que las proteínas pueden ser utilizadas para abastecer las necesidades de energía en ausencia de otros sustratos energéticos, por lo que la función plástica en estos casos aumenta los requerimientos proteicos. Para poder establecer un aporte nutricional equilibrado que no genere ni carencias ni excedentes y que contemple los requerimientos individuales para los distintos nutrientes, es preciso tener en cuenta a modo de conclusión general lo siguiente: Determinar el aporte energético diario, lo que puede hacerse de forma sencilla calculando el MB y el tipo de actividad laboral y de ocio que el sujeto lleva a cabo a lo largo del día. Una vez establecidas las Kcal/día, se distribuyen entre los macronutrientes, teniendo en cuenta las necesidades proteicas para mantener el balance nitrogenado. Aunque en nuestro país no se han establecido objetivos nutricionales, se recogen los porcentajes que en opinión de los expertos están ampliamente aceptados, así: azúcares ............................ 57% grasas ............................... 30% proteínas ........................... 13% (Fig. 19.4)
Figura 19.4.– Porcentaje de aporte de kcal por las distintas biomoléculas.
Los azúcares deben aportar la mayor parte de la energía en cualquier tipo de dieta, administrados mayoritariamente en forma de almidones, y pequeñas cantidades en forma de azucares sencillos de absorción rápida. El aporte de fibra debe asegurarse a través del consumo de pan integral y legumbres, así como de frutas y verduras crudas, que también van a aportar vitaminas y minerales esenciales y por tanto su consumo resulta imprescindible en una alimentación equilibrada.
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Del 30% de grasas debe reservarse un 14-15% para el ácido monoinsaturado oleico y sólo un 7-8% para los ácidos grasos poliinsaturados y grasas saturadas respectivamente. La ingesta de colesterol debe reducirse por debajo de los 300 mg. La ingesta de proteínas para hacer frente al balance nitrogenado, supone alrededor del 14% de las necesidades totales de energía, la mitad de las cuales deben aportarse como alimentos de origen animal y la otra mitad de origen vegetal, debiendo reducirse de forma especial el consumo de carnes rojas y huevos. Existen múltiples combinaciones para satisfacer estas necesidades y numerosas tablas sobre la composición de los alimentos que recogen además las necesidades mínimas diarias de estos nutrientes y los alimentos que los contienen. Una recomendación general, respetando la distribución porcentual descrita, sería la de consumir alimentos variados, e incluir de manera abundante alimentos crudos del grupo de las frutas y verduras, ya que la cocción destruye muchas vitaminas.
RESUMEN La absorción de nutrientes se produce fundamentalmente en la mitad proximal del intestino delgado, aunque en tramos inferiores también se produce absorción, fundamentalmente de iones y del excedente de agua presente en el quimo. La mayoría de los nutrientes absorbidos pasan de la mucosa intestinal por la vena porta hasta el hígado, donde son inicialmente transformados según las necesidades del organismo. Los lípidos sin embargo eluden mayoritariamente el filtro hepático, alcanzando la circulación sanguínea a través de la linfa. Los nutrientes absorbidos son utilizados por los tejidos para la obtención de energía, la síntesis de moléculas propias o para su almacenamiento y posterior utilización. Todos los procesos metabólicos están íntimamente relacionados, integrados y cuidadosamente regulados a diferentes niveles. El sistema endocrino a través de la secreción hormonal controla el metabolismo celular especializado según el tipo de tejido, órgano, y hasta compartimento celular donde tienen lugar las reacciones químicas, controlando fundamentalmente la síntesis de determinadas enzimas que juegan un papel clave en la producción de las diferentes vías metabólicas.
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APLICACIONES CLÍNICAS Enfermedad de Hirschsprung Se trata de un trastorno congénito que se manifiesta en la lactancia. Cursa con distensión abdominal, ausencia de movimientos intestinales y alteraciones nutricionales como consecuencia de la obstrucción crónica del colon. La ampolla rectal se presenta vacía a la exploración, siendo normal el esfínter del ano. La información que se obtiene tras la exploración con enema opaco, pone de manifiesto un segmento estrechado, normalmente a nivel de recto o sigma, con dilatación por encima del mismo. El tratamiento para restaurar la defecación normal debe ser quirúrgico.
Abetalipoproteinemia La enfermedad, de carácter autosómico recesiva, se caracteriza por la falta de síntesis de apoproteína B, necesaria para la formación de quilomicrones VLDL y LDL, que se presentan muy disminuidas en el plasma. Los triglicéridos exógenos se acumulan en las células intestinales epiteliales al no poder pasar a la linfa, lo que provoca un cuadro de mala absorción exclusiva de las grasas, con el consiguiente déficit en el desarrollo del paciente. Se manifiesta en el primer año de vida con una clínica de diarreas, distensión abdominal, anorexia y desarrollo anormal. Más tarde se presentan alteraciones neurológicas con ataxia y en la adolescencia suele aparecer retinitis pigmentaria. La clínica responde a alteraciones en las membranas celulares por hipo y dislipemia. El análisis bioquímico muestra niveles reducidos de colesterol y triglicéridos. La biopsia intestinal confirma el depósito de lípidos en los enterocitos. El tratamiento consiste en reducir las grasas de la dieta, aportando triglicéridos de mediana cadena y vitaminas liposolubles.
Obesidad infantil El progresivo aumento de la obesidad infantil es actualmente uno de los problemas más importantes de salud pública. La inactividad creciente y el consumo excesivo de alimentos de naturaleza grasa son las principales causas. La intervención en estos niños debe hacerse lo más pronto posible y deben tenerse presentes las necesidades nutricionales que im-
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plica el propio proceso de crecimiento y desarrollo a estas edades. El éxito del tratamiento rádica en la educación y compromiso de la familia en la modificación de los hábitos nutricionales y de ejercicio.
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TEMA 20
Características metabólicas de los principales órganos
Hígado. Cerebro. Corazón. Riñón. Músculo esquelético.
Todas las células del cuerpo humano son capaces de llevar a cabo las rutas principales del metabolismo, si bien los distintos tejidos y órganos están especializados en determinadas funciones, participando de esta forma en un reparto del trabajo metabólico, cuya finalidad es mantener la máxima economía y regulación. Una característica esencial de los organismos pluricelulares es la diferenciación celular que les proporciona estructuras propias, con una actividad metabólica singular. No obstante todas las células del cuerpo humano son capaces de llevar a cabo las rutas principales del metabolismo, si bien, y como resultado de la diferenciación, los distintos tejidos y órganos están especializados en determinadas funciones y presentan requerimientos energéticos y patrones metabólicos característicos. La especialización, por tanto, confiere a las células diferencias en su capacidad metabólica que constituyen un aspecto esencial de la regulación metabólica de los diferentes órganos en el hombre. Estas diferencias permiten una cooperación entre tejidos y órganos participando de esta forma en el reparto del trabajo metabólico, que a su vez exige la existencia de mecanismos de comunicación intercelular, los cuales, a través de mensajeros químicos que interaccionan con receptores celulares adecuados, modifican e integran el funcionamiento metabólico cuya finalidad es la de conseguir la máxima eficacia y economía. En el presente tema se describen brevemente las características metabólicas principales de los tejidos y órganos.
HÍGADO Una vez absorbidos del tracto intestinal, los diferentes nutrientes son conducidos hasta las células hepáticas. En el híga-
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El hígado desempeña muchas funciones vitales, desde sintetizar proteínas, regular la producción de compuestos y transformar o eliminar sustancias tóxicas.
do, los azúcares, aminoácidos y lípidos serán sometidos a diferentes procesos para ser posteriormente distribuidos a través de la sangre a los diferentes órganos.
El hígado tiene un papel central debido al procesamiento y distribución de sustancias, y es por ello que los demás órganos y tejidos se refieren como “extrahepáticos” o “periféricos”.
1. Parte de esta biomolécula puede ser desfosforilada por medio de la enzima glucosa 6-fosfatasa, y la glucosa libre resultante pasará a la circulación periférica manteniendo así la normoglucemia, cuyos niveles resultan del equilibrio entre el consumo de glucosa por los diferentes órganos y su producción por el hígado. De esta manera, el hígado es el principal responsable del mantenimiento de un nivel constante de glucosa en sangre. 2. Otra fracción será degradada mediante glicólisis anaerobia, ciclo de los ácidos tricarboxílicos y fosforilación oxidativa, proporcionando energía a la célula hepática. 3. Otra parte será utilizada para la obtención de equivalentes de reducción (NADPH) por medio de la vía de las pentosas fosfato. 4. Otra fracción se transformará, en caso de no existir necesidades energéticas, en glucógeno, polisacárido de reserva, mediante la acción catalítica de la glucógeno-sintetasa. 5. Finalmente y cuando exista excedente de glucosa-6-fosfato, ésta será inicialmente degradada hasta acetil-CoA y posteriormente, a partir de este metabolito intermediario, serán sintetizados ácidos grasos para su almacenamiento en el tejido celular subcutáneo o en la cavidad abdominal previo transporte.
Azúcares: La mezcla de azúcares libres que llegan al hígado van a ser transformados en glucosa 6-fosfato. Tal es el caso de las hexosas fructosa, manosa y galactosa. La glucosa 6-fosfato puede seguir, al menos, cinco destinos metabólicos:
Lípidos: La grasa en forma de quilomicrones pasa desde los enterocitos a la linfa para ser vertida en el torrente circulatorio. Una parte de los lípidos que alcanzan el hígado van a ser utilizados: 1. En la síntesis de lipoproteínas, que viajarán por la sangre hasta los tejidos periféricos. 2. Una parte de los triglicéridos será degradada hasta ácidos grasos, los cuales unidos a la albúmina plasmática serán transportados mayoritariamente hasta el corazón y músculo esquelético para su utilización. 3. Otra parte de los ácidos grasos producidos en el hígado serán oxidados aeróbicamente para la obtención de energía en el hepatocito.
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CARACTERÍSTICAS METABÓLICAS DE LOS PRINCIPALES ÓRGANOS
4. Una pequeña parte del acetil CoA formado en la degradación de los ácidos grasos va a rendir cuerpos cetónicos: ácido acetoacético y ácido beta-hidroxibutírico. Estos ácidos pasarán desde la célula hepática a la circulación para alcanzar los tejidos periféricos, donde serán oxidados a través del ciclo del ácido cítrico. 5. Finalmente otra fracción del acetil CoA, que se obtiene de la degradación de los ácidos grasos en la célula hepática, será utilizada en la síntesis de colesterol, precursor de otros esteroides. Aminoácidos: Tras su absorción en el tracto intestinal, los aminoácidos alcanzan el hígado, donde van a ser utilizados con diferentes fines: 1. Parte de los mismos abandonarán la célula hepática alcanzando otros órganos a través de la circulación periférica. Una vez en ellos serán utilizados en la síntesis de nuevas proteínas. 2. Otra fracción será utilizada por el propio hígado para la síntesis de proteínas intrínsecas y extrínsecas, que abandonarán la célula hepática para formar parte de las proteínas plasmáticas. 3. El exceso de aminoácidos, si lo hubiere, podrá ser utilizado en la producción de glucosa mediante la gluconeogénesis, si se trata de aminoácios glucogénicos o mixtos. Cuando las necesidades energéticas están cubiertas, la glucosa sintetizada de esta forma se emplea en la síntesis de glucógeno hepático para su almacenamiento. Otros aminoácidos, fundamentalmente los cetogénicos, serán transformados en acetil CoA, que
Figura 20.1.– Destinos metabólicos del piruvato.
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podrá ser degradado a través del ciclo de los ácidos tricarboxílicos y la fosforilación oxidativa rindiendo CO2, H2O y ATP. El acetil CoA también podrá ser utilizado como precursor en la biosíntesis de lípidos. Estos diferentes fines dependen de las necesidades energéticas del organismo en cada momento. El amoniaco liberado en la degradación de los aminoácidos podrá ser reutilizado en procesos de biosíntesis de moléculas nitrogenadas o bien será eliminado como urea a través del proceso de urogénesis. Algunos de los aminoácidos pueden transformarse en el propio hígado en otras biomoléculas tales como porfirinas.
CEREBRO
En el ayuno prolongado el cerebro consume 2/3 de la glucosa que produce el hígado.
El combustible preferente de las células nerviosas es la glucosa. El cerebro posee un metabolismo aerobio muy activo, de tal forma que una persona adulta normal utiliza en estado de reposo alrededor del 20% del consumo total de oxígeno. Las neuronas apenas almacena glucógeno, lo que las hace dependientes casi segundo a segundo de la glucosa que reciben desde el torrente circulatorio. Esta glucosa procede del hígado. En el ayuno prolongado el cerebro consume 2/3 de la glucosa que el hígado produce, alcanzando este consumo 100 g de glucosa al día. Si el nivel de glucosa desciende por debajo de un nivel crítico, aun siendo este descenso poco duradero, pueden aparecer síntomas de alteraciones cerebrales que resulten graves e incluso lleguen a ser en ocasiones irreversibles. La glucosa es utilizada por el cerebro de forma aeróbica. El ATP producido va a ser utilizado para generar impulsos nerviosos y para la síntesis de proteínas, ambos procesos son frecuentes en este órgano. El cerebro posee una concentración muy elevada de aminoácidos, algunos de los cuales son sintetizados in situ. Son especialmente abundantes el ácido glutámico, la glutamina, el ácido aspártico, la glicina y el ácido aminobutírico, utilizados como neurotransmisores en la sinápsis química. El cerebro no tiene capacidad para metabolizar los ácidos grasos libres, sin embargo en periodos de inanición en los que escasea la glucosa, puede metabolizar cuerpos cetónicos y más concretamente ácido E-hidroxibutírico. Este ácido se va a producir a nivel hepático cuando exista degradación masiva de ácidos grasos libres procedentes de la movilización de las reservas de triglicéridos del tejido adiposo. El ácido E-hidroxibutírico se oxida en las células nerviosas a través del ciclo de Krebs y posterior fosforilación oxidativa.
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CARACTERÍSTICAS METABÓLICAS DE LOS PRINCIPALES ÓRGANOS
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CORAZÓN El músculo cardíaco presenta una intensa actividad metabólica de forma permanente, la cual es de tipo aerobio. El combustible que utiliza la célula cardíaca puede ser glucosa, ácidos grasos libres y cuerpos cetónicos. Todos ellos van a ser oxidados a través del ciclo de Krebs y de la fosforilación oxidativa. Debido a la permanente exigencia metabólica por parte del corazón, las células cardíacas contienen un gran número de mitocondrias. La célula muscular miocárdica puede almacenar pequeñas cantidades de fosfato de creatina, aunque no almacena glucógeno y tampoco grasa.
El corazón tiene una intensa actividad metabólica y sus combustibles son la glucosa, los ácidos grasos y los cuerpos cetónicos.
RIÑÓN Este órgano posee un metabolismo aerobio muy activo y dispone de una importante flexibilidad metabólica, pudiendo utilizar como combustible: glucosa, ácidos grasos, cuerpos cetónicos y aminoácidos. Todos ellos van a ser degradados por el ciclo de los ácidos tricarboxílicos y fosforilación oxidativa para la obtención de energía. La mayor parte de la misma será utilizada en la producción de orina. Efectivamente, más de las 3/4 partes del ATP generado por el metabolismo aerobio renal serán utilizadas para la formación de orina, mediante la acción de mecanismos de transporte activo (Fig. 20.2).
El riñón posee un metabolismo aerobio muy activo, pudiendo emplear como combustible: glucosa, ácidos grasos, cuerpos cetónicos y aminoácidos.
Figura 20.2.– Interrelaciones metabólicas durante el ayuno.
MÚSCULO ESQUELÉTICO En condiciones de reposo el tejido muscular representa más del 50% de la capacidad metabólica del cuerpo humano. Dicha
Los músculos almacenan cantidades importantes de fosfato de creatina.
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El tejido muscular almacena grandes cantidades de fosfato de creatina, una sustancia de alto contenido energético.
proporción aumenta considerablemente durante el desempeño de actividad física intensa. El metabolismo de la fibra muscular esquelética se ha especializado en la producción de ATP, para satisfacer las demandas de energía durante la contracción muscular. El músculo esquelético puede emplear como combustible: glucosa, ácidos grasos libres y cuerpos cetónicos. Durante el reposo, el combustible preferente son los ácidos grasos y en menor proporción los cuerpos cetónicos, ambos son transformados en acetil-CoA ingresando así en el ciclo del ácido cítrico donde serán totalmente degradados. Cuando el músculo equelético se contrae activamente, como p.e durante una carrera veloz (100 m), la cooperación entre los distintos órganos del cuerpo es muy limitada. De esta forma el músculo depende de sus propias reservas de glucógeno, ATP preformado y fosfocreatina. La glucosa será degradada hasta piruvato mediante glicólisis anaerobia. Una pequeña parte del piruvato producido (dependiendo del grado de oxigenación del músculo que se contrae) se transformará en acetil-CoA, siendo utilizado para la obtención de energía a través del ciclo de Krebs y fosforilación oxidativa, anque la mayor parte del ácido pirúvico producido rendirá acido láctico en los músculos que se contraen con gran intensidad. Posteriormente y en situación de reposo o tras la disminución de la intensidad del esfuerzo, el ácido láctico producido difundirá al torrente circulatorio para alcanzar el hígado, donde a través de la gluconeogénesis rendirá de nuevo glucosa que será recirculada hasta el músculo. Este ciclo se denomina ciclo de Cori, cuyas relaciones se muestran en la figura 20.3. El nivel de ácido láctico alcanzado está directamente relacionado con la intensidad y duración del ejercicio físico, así como con el grado de entrenamiento previo. El músculo esquelético contiene una cantidad variable de glucógeno que depende del grado de entrenamiento previo y de la dieta seguida, sobre todo cuando ésta es rica en azúcares. La cantidad de glucógeno muscular es menor que la de glucógeno hepático proporcionalmente, si bien el glucógeno muscular se emplea sólo para proporcionar energía al músculo que se contrae de forma rápida e intensa. Esta utilización exclusiva es debida a que la célula muscular a diferencia de la hepática no contiene glucosa-6-fosfatasa, lo que significa que el glucógeno muscular no puede ser transformado en glucosa libre, no contribuyendo por tanto al mantenimiento de la glucemia. Los músculos almacenan también cantidades importantes de fosfato de creatina. Esta biomolécula actúa como un importante tampón del nivel de ATP muscular, si bien las concentraciones de ATP-preformado junto con las de fosfato de creatina sólo pueden mantener la contracción muscular durante unos
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Figura 20.3.– El ciclo de Cori.
pocos segundos, marcando el inicio de las contracciones que se producen de manera rápida e intensa. Por otra parte, durante el ejercicio aeróbico prolongado, como p.e. una carrera de maratón, el cuerpo no dispone de un almacen suficiente de glucógeno para proporcionar la energía necesaria para este tipo de esfuerzo. Se sabe que el cociente respiratorio (proporción entre CO2 exalado y O2 consumido) muestra una disminución durante ejercicios físicos prolongados. Esto indica que, durante la actividad física sostenida, existe un relevo progresivo de la utilización de glucosa hacia la utilización de ácidos grasos libres. La lipolísis va aumentando a medida que las reservas de glucosa disminuyen, hasta que probablemente se produce un descenso de la glucemia, a partir del cual el músculo oxida ácidos grasos libres preferentemente, situación similar a la que se observa en el estado de ayuno, aunque en esta ultima situación la concentración de cuerpos cetónicos en sangre aumenta considerablemente en contraposición a lo que ocurre durante el ejercicio físico sostenido, lo que podría reflejar un equilibrio entre la producción hepática y el consumo muscular de cuerpos cetónicos.
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RESUMEN Una característica esencial de los organismos pluricelulares consiste en el reparto del trabajo metabólico entre los distintos órganos y tejidos, lo que les confiere un relativo grado de especialización. De esta forma el hígado desempeña un papel central en lo que se refiere al procesamiento y distribución de los nutrientes. Por su parte el cerebro utiliza como sustrato preferente glucosa, pudiendo metabolizar en situaciones fisiopatológicas cuerpos cetónicos. La energía que obtiene en forma de ATP la emplea en generar y transmitir impulsos nerviosos. El músculo cardíaco presenta un metabolismo aeróbico en todo momento, igual que el observado para el riñón. Éste a su vez exhibe una importante flexibilidad metabólica al servicio de la formación de orina fundamentalmente. Por último el músculo esquelético está especializado en producir ATP para la contracción muscular, pudiendo ser su metabolismo aerobio y/o anaerobio, dependiendo de la duración, intensidad y grado de entrenamiento previo. De todo ello se desprende que el cerebro, corazón, riñón y músculo esquelético poseen esquemas metabólicos característicos y están interrelacionados metabólicamente con el hígado.
APLICACIONES CLÍNICAS Adaptaciones metabólicas al ayuno Las reservas de glucosa en forma de glucógeno hepático y muscular comienzan a disminuir a las 24 horas de no ingerir alimento. Esta situación provoca un descenso en la secreción de insulina concomitante a un aumento en la secreción de glucagón. De esta forma las reservas grasas son movilizadas para proporcionar energía al hígado y al músculo. Debido a la falta de glucosa, la célula hepática degrada aquellas proteínas que presentan menor utilidad. Tras la hidrólisis proteica, se utilizan los aminoácidos glucogénicos y mixtos para la síntesis de glucosa a través de la gluconeogénesis. La glucosa obtenida “de novo” es utilizada preferentemente por las neuronas. Por otra parte, el agotamiento de los intermediarios metabólicos del ciclo de Krebs que se utilizan en la producción de glucosa, provoca la falta de degradación del acetil-CoA, metabolito que procede de la E-oxidación de los ácidos grasos. El incremento
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CARACTERÍSTICAS METABÓLICAS DE LOS PRINCIPALES ÓRGANOS
en la concentración de acetil-CoA en la célula hepática fuerza la síntesis de cuerpos cetónicos que son exportados a la sangre y utilizados como combustible por el músculo cardíaco, cerebro y demás tejidos periféricos. La degradación de las reservas grasas en un adulto normal puede proveer de energía durante un periodo de tiempo aproximado de unos tres meses. Cuando las reservas grasas se agotan se produce la degradación de proteínas esenciales, lo que provoca la disfuncionalidad de corazón e hígado y conduce finalmente a la muerte.
Diabetes Mellitus Se trata de un síndrome crónico multifactorial, cuya principal manifestación es la hiperglucemia, la cual es responsable de la sintomatología y de las complicaciones agudas y a largo plazo que durante el transcurso de la enfermedad se van a ir produciendo. Las causas de hiperglucemia se pueden resumir en una falta de producción de insulina o en un defecto periférico de la misma. Aunque se pueden diferenciar distintos tipos de diabetes según la etiología, la diabetes propiamente dicha puede ser de dos clases: D.M. tipo I, también denominada juvenil o insulina dependiente, en la cual la secreción de insulina es inexistente debido a susceptibilidad genética (HLA), etiología viral o autoinmune. La presentación suele ser brusca con evolución hacia el coma cetoacidótico, debido a la oxidación incompleta de ácidos grasos hasta cuerpos cetónicos, responsables de la cetosis. La segunda clase de diabetes es la D.M. tipo II del adulto o no insulina dependiente, con una importante carga hereditaria (alta incidencia en gemelos) y resistencia tisular a la insulina por exceso de peso. Presentación insidiosa cuya evolución tardía puede conducir al coma hiperosmolar. El estilo de vida juega un importante papel en la prevención de la enfermedad. La determinación de los niveles de glucemia basales y tras sobrecarga oral con glucosa son particularmente importantes para el diagnóstico, tratamiento y control de la enfermedad. En la diabetes tipo I la administración parenteral de la hormona es imprescindible para mantener la normoglucemia y evitar o retrasar en la medida de lo posible las complicaciones. La diabetes tipo II se controla fundamentalmente con la dieta, y antidiabéticos orales, excepcionalmente es necesaria la administración de insulina.
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TEMA 21
La regulación hormonal del metabolismo
La acción de las hormonas. Hormonas activas en la superficie celular. Receptores. Segundos mensajeros. Hormonas activas en el interior de la célula. Efectos biológicos.
Las hormonas son mensajeros químicos sintetizados por las glándulas endocrinas y liberados a la circulación sanguínea para producir respuestas específicas. Sólo aquellos tejidos que disponen de receptores específicos para su reconocimiento pueden responder al mensaje hormonal. Las hormonas juegan un papel esencial en la regulación e integración del metabolismo, como puede comprobarse en los capítulos precedentes. Aunque muchas hormonas modifican el metabolismo, aquellas que actúan sobre la síntesis proteica ejercen importantes efectos reguladores del mismo, a través de modificaciones en la síntesis y concentración de proteínas clave, p.e. determinadas enzimas. Las hormonas de naturaleza peptídica y proteica no penetran en la célula y se unen a receptores específicos presentes en la membrana. Las de naturaleza lipídica atraviesan la membrana plasmática y ejercen su acción junto al receptor sobre el ADN.
LA ACCIÓN DE LAS HORMONAS El mecanismo de acción de las hormonas se produce por fijación a receptores celulares específicos, los cuales pueden encontrarse en la superficie celular o en su interior, bien en el núcleo o en el citoplasma. Con independencia de la localización de los receptores, su unión con la hormona específica es responsable de la puesta en marcha de una serie de reacciones metabólicas que constituyen la expresión biológica de la acción hormonal. Esta unión hormona-receptor, además de específica, es reversible y depende tanto de la concentración plasmática
La acción de las hormonas se realiza por unión a receptores específicos que se encuentran en la superficie o en el interior de la célula.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
de la hormona como del número de receptores disponibles. Las concentraciones hormonales en plasma suelen ser muy bajas y dependen del equilibrio entre la velocidad de síntesis y eliminación de la hormona, y de su unión a transportadores específicos. Por otra parte, la concentración celular de receptores también es variable, dependiendo de la concentración plasmática de la hormona específica, de forma que, cuando ésta disminuye, se produce un aumento en el número de receptores y viceversa. Las modificaciones en las concentraciones plasmáticas de algúnas hormonas ejercen un importante efecto regulador de su secreción por este mecanismo. Dependiendo de la naturaleza química y, por tanto, de las posibilidades de difusión a través de la membrana celular, las hormonas interaccionan con receptores intracelulares o receptores de membrana.
HORMONAS ACTIVAS EN LA SUPERFICIE CELULAR
En la transmisión de la información hormonal participan tres elementos: un receptor, una proteína de membrana y un segundo mensajero.
Muchas hormonas son de naturaleza peptídica y proteica (hormonas hipofisarias y grandes péptidos no hipofisarios como insulina, glucagón, PTH, calcitonina) lo que dificulta su paso a través de la membrana plasmática. Para cumplir su función hormonal de comunicación y control se unen a receptores específicos presentes en la membrana de las células diana. La unión hormona-receptor es la señal para que se produzcan una serie de cambios en la propia membrana que permiten la transmisión de información hasta el interior celular. Este mecanismo que se conoce hoy detalladamente consta de los siguientes elementos: 1. Un receptor específico de naturaleza proteica capaz de cambiar su configuración al unirse con la hormona y desencadenar su acción. 2. Una proteína intrínseca de la membrana o proteína G, denominada así por su capacidad para fijar nucleótidos de guanina. 3. Segundos mensajeros capaces de transmitir la señal hormonal a la célula. Entre los mejor conocidos se encuentran los nucleótidos cíclicos como el AMP cíclico (AMPc).
RECEPTORES Los receptores de la superficie celular son de naturaleza proteica y presentan al menos dos dominios diferentes, uno ex-
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LA REGULACIÓN HORMONAL DEL METABOLISMO
tracelular para fijación a la hormona y otro transmembrana para las proteínas G, encargadas de conectar los receptores con proteínas efectoras responsables de una serie de reacciones en cadena que culminan con modificaciones en la actividad metabólica de la célula, objetivo final del mensaje hormonal. Las proteínas efectoras suelen ser enzimas que catalizan la formación de segundos mensajeros, los cuales difunden al interior celular, o bien se trata de canales de paso para iones que también alcanzan el citoplasma celular. Las proteínas G están formadas por tres subunidades distintas, una de ellas se encuentra unida a un nucleótido de guanina, de donde deriva su nombre. Dicho nucleótido puede estar en forma difosfato (GDP) o trifosfato (GTP). La unión hormona-receptor provoca un cambio de conformación en el receptor que desencadena la interacción con la proteína G y el intercambio del nucleótido GDP por GTP, con la consiguiente activación de la proteína. El complejo activo proteína G-GTP puede modular positiva o negativamente la proteína efectora. La duración del complejo activo es muy reducida (segundos) debido a la actividad GTPasa del propio complejo que produce la transformación de GTP en GDP y la consiguiente inactivación. Una de las proteínas efectoras más importante es la enzima de membrana adenilato-ciclasa responsable del aumento intracelular de AMPc que actúa como segundo mensajero.
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Los receptores son proteínas con, al menos, dos dominios funcionales diferentes.
El AMPc se sintetiza a partir del ATP por la adenilato ciclasa.
Figura 21.1.– Mecanismo de acción de las hormonas peptídicas.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
SEGUNDOS MENSAJEROS Existen distintas clases de segundos mensajeros: AMPc, GMPc, Ca2+, etc.
Existen distintas clases de segundos mensajeros, pero los mejor estudiados son los nucleótidos cíclicos. Otros segundos mensajeros son los iones calcio o determinados intermediarios metabólicos producidos en la respuesta hormonal, que modifican la permeabilidad al calcio como ocurre con el inositol-trifosfato, formado a partir de fosfatidil-inositol por acción de la fosfolipasa C. La entrada de calcio en la célula desde el líquido extracelular o desde el retículo endoplásmico donde se almacena, ejerce diversas funciones, p.e. es responsable de la contracción muscular, secreción hormonal, liberación de neurotransmisores, etc. El calcio también puede activar una proteína intracelular, la calmodulina, provocándole un cambio de conformación necesario para su acción sobre determinadas enzimas celulares. Los nucleótidos por sí solos no son capaces de inducir una respuesta celular, por lo que han de interaccionar con enzimas proteína-quinasas específicas con subunidades reguladoras para la unión al nucleótido cíclico y subunidades catalíticas que quedan libres tras la unión y sirven para fosforilar enzimas celulares. Tras la fosforilación, las enzimas pueden ser activadas o inhibidas y, como consecuencia, se modificará la actividad celular. En general las enzimas catabólicas se activan y las anabólicas se inhiben. Los principales nucleótidos que actúan como segundos mensajeros son el AMPc y el GMPc, y las enzimas catalíticas en cada caso son la adenilato ciclasa y guanilato ciclasa respectivamente. Cuando cesa la acción hormonal, estas enzimas se inactivan y los nucleótidos cíclicos son hidrolizados hasta AMP y GMP por fosfodiesterasas específicas, las cuales pueden ser moduladas por diversas sustancias, tales como prostaglandinas, cafeina, calcio, etc.
HORMONAS ACTIVAS EN EL INTERIOR DE LA CÉLULA Las hormonas esteroideas y los derivados de la tirosina se unen al receptor específico en el interior de la célula y no requieren segundos mensajeros.
Las hormonas de naturaleza lipídica y las derivadas del aminoácido tirosina (catecolaminas y hormonas tiroideas), pueden atravesar fácilmente la membrana plasmática, dadas sus características de liposolubilidad. En el interior celular se ligan a receptores específicos intracitoplasmáticos o intranucleares. El complejo hormona-receptor se une al ADN para modificar la expresión genética. La activación de determinados genes (rara vez la inactivación) se traduce en la síntesis de proteínas específicas.
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LA REGULACIÓN HORMONAL DEL METABOLISMO
Una diferencia importante entre los receptores de membrana y los receptores intracelulares es que estos últimos no precisan de segundos mensajeros, si bien la interacción hormona-receptor tiene caracteristicas similares a las descritas para las hormonas peptídicas. Por último es preciso señalar que el complejo hormona-receptor puede tener efectos directos en el citoplasma, los cuales son independientes de los efectos producidos sobre el nucleo celular, donde también puede haber receptores para las hormonas esteroideas, como se han demostrado para las tiroideas.
Figura 21.2.– Mecanismo general de activación de las células diana.
EFECTOS BIOLÓGICOS Las hormonas peptídicas se sintetizan en forma de precursores pre-prohormonales, en el retículo endoplásmico de las células endocrinas y antes de abandonarlo se suelen fragmentar dando lugar a la prohormona, que es transferida al aparato de Golgi donde será de nuevo fragmentada y almacenada en gránulos de secreción que contienen el péptido de conexión y la hormona totalmente aislada. El estímulo o señal específica pone en marcha el proceso de secreción por exocitosis. Para las hormonas derivadas del aminoácido tirosina, la síntesis ocurre en el citoplasma celular, mediante una serie de reacciones catalizadas por enzimas, que como en el caso anterior culminan con el almacenamiento de la hormona hasta el momento de su secreción.
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Figura 21.3.– Esquema de la secreción hormonal.
El principal mecanismo de control de la secreción de una hormona es el de retroinhibición.
Las hormonas esteroideas, por el contrario, no se encuentran almacenadas en cantidades suficientes, si bien las células endocrinas responsables de su secreción contienen las enzimas y precursores necesarios para la síntesis y liberación casi inmediata de dichas hormonas ante la llegada de la señal específica. El periodo de almacenamiento previo a la secreción hormonal, el inicio de la actividad biológica tras la estimulación específica y la duración de la misma, son factores característicos de cada una de las hormonas y existen en consecuencia grandes diferencias de unas a otras. Las hormonas peptídicas y las catecolaminas (adrenalina y noradrenalina) circulan en sangre libremente por ser solubles en el plasma sanguíneo, mientras que las hormonas tiroideas y esteroideas, por su escasa solubilidad, necesitan de transportadores proteicos, los cuales se comportan como almacenes circulantes de la hormona, estableciéndose un equilibrio dinámico entre la hormona ligada al transportador y una pequeña concentración de hormona libre que representa la fracción biológicamente activa, por ser la única que puede unirse de forma específica a los receptores hormonales celulares. El metabolismo hormonal podría definirse como la desaparición irreversible de la hormona de la circulación sanguínea tras su captación específica por la célula diana, o como la modificación de su estructura a nivel hepático y/o renal para su total eliminación. Las concentraciones hormonales en plasma suelen ser muy pequeñas y se encuentran sometidas a un riguroso control. El sistema endocrino funciona como un todo, existiendo múltiples conexiones entre las distintas glándulas endocrinas y el otro gran sistema de coordinación y control de nuestro organismo, el sistema nervioso. El principal mecanismo de control de la secreción hormonal es sin duda la retroinhibición o feed-back. Prácticamente todas las hormonas se encuentran sometidas a este mecanismo de control que se establece a través de diferentes interme-
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diarios, como por ejemplo, el ión calcio para la secreción de PTH; la glucosa para la secreción de insulina y glucagón pancreáticos, así como para otras hormonas que también participan en el control de la glucemia, tales como catecolaminas, hormona del crecimiento y glucocorticoides; la concentración y el volumen de los líquidos extracelulares para la secreción de ADH, etc. Sin embargo, el ejemplo más característico de interacción de diferentes mecanismos de control lo constituye el eje hipotálamo-hipófisis-glándulas periféricas, en el que las hormonas producidas por las gládulas periféricas establecen una retroinhibición sobre las estructuras del eje neuroendocrino, controlando la producción de las hormonas tróficas que actúan sobre dichas glándulas periféricas (tiroides, suprarrenales y gónadas). Además de estos sistemas de control, la secreción hormonal ocurre de forma rítmica. Los patrones rítmicos de secreción para las distintas hormonas son variables y están relacionados con fenómenos de naturaleza cíclica, como son el día y la noche, el sueño y la vigilia, las estaciones del año, etc., pudiendo establecerse modificaciones en la frecuencia de los pulsos de secreción, en relación con las diferentes etapas del crecimiento y desarrollo del individuo. Aunque los efectos biológicos producidos por las hormonas son de distinta naturaleza, los podemos agrupar básicamente en tres tipos:
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Los efectos biológicos de las hormonas se pueden agrupar en tres tipos.
1. Modifican la permeabilidad de la membrana celular y facilitan la entrada de sustancias para su utilización como precursores biosintéticos o como compuestos energéticos. 2. Activan enzimas de membrana que desencadenan una cascada de reacciones metabólicas. 3. Activan el mecanismo de transcripción de la información genética desde el núcleo al citoplasma a partir de la síntesis de ARN mensajero y su traducción en la síntesis de proteínas celulares con actividad enzimática.
RESUMEN La gran complejidad de las reacciones químicas que tienen lugar en nuestro organismo, muchas de ellas en sentidos opuestos, y que en conjunto determinan el metabolismo corporal, necesitan un control riguroso. Las reacciones químicas se encuentran catalizadas por proteínas
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enzimáticas, muchas de ellas con una función clave en el desarrollo de una determinada secuencia metabólica. La regulación de estas enzimas clave permite controlar la velocidad de los diferentes procesos metabólicos. El sistema endocrino a través de mensajeros químicos denominados hormonas ejerce parte del control del metabolismo. Las hormonas actúan a nivel de receptores celulares presentes en las células diana. La localización del receptor es periférica si se trata de hormonas hidrosolubles, o intracelular para las hormonas lipídicas y derivadas del aminoácido tirosina. Con independencia de la localización del receptor, los efectos hormonales finales se traducen en la modificación de la actividad metabólica celular. Las hormonas que actúan a nivel de membrana producen cambios de configuración en el receptor que activa determinados mecanismos de membrana en los que están implicados una proteína denominada G, la cual es responsable de la activación de una enzima de membrana cuya actividad final se traduce en el aumento de nucleótidos cíclicos en el interior celular con una gran importancia en el control de enzimas clave del metabolismo celular. Los nucleótidos cíclicos se comportan como segundos mensajeros, siendo la hormona el primer mensajero. Existen otros segundos mensajeros como el calcio o ciertos metabolitos que modifican la permeabilidad iónica de la membrana. Las hormonas que pueden atravesar la membrana celular son las hormonas lipídicas y las hormonas tiroideas que se ligan a receptores intracelulares. El complejo hormona-receptor se fija al ADN, dando lugar a la transcripción de genes específicos (síntesis proteica).
APLICACIONES CLÍNICAS Síndrome de resistencia a la insulina Se caracteriza por una falta de respuesta periférica a la insulina debido a mutaciones múltiples en el receptor, y cursa con hiperinsulinismo. Es posible diferenciar entre el tipo A, de presentación en mujeres jovenes de talla alta con tendencia al hirsutismo facial y alteraciones del aparato reproductor, fundamentalmente del tipo ovarios poliquísticos; y el tipo B, que corresponde a mujeres mayores y se acompaña de enfermedades del sistema inmune. Clínicamente cursa con dolores articulares,
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alopecia, leucopenia, proteinuria y presencia de anticuerpos antinucleares y anti-ADN. La acantosis nígricans constituye un signo de resistencia a la insulina. Se trata de una hiperpigmentación de la piel localizada en pliegues laterales del cuello, axilas e ingles.
Cólera Se trata de una infección producida por el vibrión colérico cuyo vehículo de transmisión es el agua y algunos alimentos de origen marino. No existen reservorios animales y son muy raros los portadores humanos crónicos. El periodo de incubación es de cinco días, al cabo de los cuales se presenta un cuadro de diarrea acuosa con pérdida de moco y electrolitos que conduce a deshidratación, acidosis, calambres, hipotensión, shock y muerte si no se actúa con prontitud. En caso de toxiinfección alimentaria el comienzo suele ser con dolor abdominal y vómitos que preceden a la diarrea. La tóxina proteica presenta dos componentes, uno que permite su fijación a la mucosa intestinal, y otro que actúa sobre la proteína G de la membrana disminuyendo su actividad GTPasa, responsable de la activación permanente de la enzima adenilato-ciclasa, la cual produce un aumento extraordinario de AMPc que altera el transporte de iones a través de la mucosa intestinal, provocando el escape masivo de electrolitos acompañado de grandes volúmenes de agua hacia la luz intestinal.
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TEMA 22
Estructura de cromosomas y genes
Cromosomas. Genes. ADN: Estructura y propiedades. Mutaciones.
La complejidad estructural y funcional de una célula implica el uso de una enorme cantidad de información, presente a lo largo de su ciclo vital y repetida con absoluta identidad en todas y cada una de las células de un organismo pluricelular. Se comprende pues la importante presencia celular de ADN, como portador de información genética, constituyendo cadenas extraordinariamente largas, que superan con mucho la propia dimensión de la célula que lo contiene. Ello plantea un importante problema de ubicación, resuelto mediante un empaquetamiento terciario del ADN que produce como resultado la estructura cromosómica.
CROMOSOMAS En las células eucarióticas, el ADN se encuentra asociado a proteínas básicas, las histonas, formando nucleoproteínas que se organizan de forma característica para dar lugar a la cromatina nuclear. Durante la fase de división, la cromatina alcanza un mayor grado de compactación formando los cromosomas, que están constituidos por una única molécula lineal de ADN, unida a histonas en cantidades prácticamente iguales, con un altísimo grado de empaquetamiento, cuya unidad estructural sería el nucleosoma. Resulta sorprendente la capacidad de empaquetamiento que manifiesta el ADN. Por ejemplo, los 46 cromosomas de una célula humana contienen, en conjunto, alrededor de 7.800 Mpb en moléculas de ADN que extendidas llegarían a alcanzar algo más de 2,5 metros de longitud. La microscopía electrónica muestra que la cromatina nuclear es una organización basada en cadenas de forma esférica,
Durante la división celular, la cromatina alcanza un mayor grado de compactación formando los cromosomas.
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Los cromosomas están constituidos por una única molécula lineal de ADN unida a histonas, cuya unidad estructural es el nucleosoma.
unidas entre sí por filamentos finos de ADN. Cada una de las esferas corresponde a un nucleosoma, formado por una secuencia de ADN de unas 200 pb, enrollados alrededor de una estructura proteica constituida por un octámero de histonas en el que entran a formar parte dos de cada uno de los tipos H2A, H2B, H3 y H4 (Fig. 22.1). Las histonas son proteínas caracterizadas por la presencia muy elevada de aminoácidos como lisina y arginina, que le confieren un carácter básico, de las cuales se distinguen cinco tipos distintos (Tabla 22.1), cuatro que entran a formar parte del nucleo central del nucleosoma y un quinto, H1, que juega un papel importante en la conexión de nucleosomas adyacentes.
Figura 22.1.– Nucleosoma. Núcleo central. Tabla 22.1.– Tipos de Histonas. Tipo
Aminoácidos
Relación Lys/arg
Localización
H1
215
20,00
Conexión
H2A
129
01,25
Núcleo
H2B
125
02,50
Núcleo
H3
135
00,72
Núcleo
H4
102
00,79
Núcleo
Las distintas especies difieren en la cantidad de ADN que contiene el nucleosoma, oscilando entre 160 y 240 pares de bases, pero, independientemente de esa cantidad, aparece una
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ESTRUCTURA DE CROMOSOMAS Y GENES
secuencia de longitud igual para todos ellos de 140 pb, que, junto al octámero de histonas, constituye el núcleo central del nucleosoma (Fig. 22.1). Esta secuencia de 140 pb organizada como superhélice levógira de ADN ejecuta una vuelta y 3/4 sobre los cuatro pares de histonas, de tal forma que resulta unido por su cara interior, sin que las proteínas sobresalgan ni rodeen la cadena de ADN. Cuando la secuencia de nucleótidos es algo mayor, entre 160 y 240 pb, se alcanza un nivel estructural distinto, el cromatosoma (Fig. 22.2), que difiere del anterior en que la cadena desarrolla dos vueltas sobre las histonas incorporando, además, un monómero de histona H1, por su parte externa, responsable de la unión con nucleosomas adyacentes. La asociación de varios nucleosomas unidos de esta manera constituye el polinucleosoma, que representa un nivel de organización más complejo.
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Las distintas especies difieren en la cantidad de ADN que contiene el nucleosoma.
Figura 22.2.– Cromatosoma.
En relación con la estructura de los cromosomas, en las células eucarióticas, durante la fase de división, una vez duplicado el contenido del ADN, se produce una condensación del mismo, dando lugar a los diferentes cromosomas. En la organización del ADN cromosómico los nucleosomas constituyen la estructura básica, los cuales se asocian para constituir fibras de 100 denominadas nucleofilamentos, y éstos, a su vez, se empaquetan en fibras más gruesas o solenoide de 300 o incluso
La asociación de varios nucleosomas constituye el polinucleosoma, el cual representa un nivel de organización más complejo.
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de 600, donde las histonas H1 interaccionan fuertemente entre sí, para que permanezcan unidos los nucleofilamentos (Fig. 22.3). Los cromosomas muestran un armazón proteico central, de naturaleza distinta de las histonas, conocido como proteínas andamio, al que se unen las distintas fibras para que resulte una máxima estabilización del conjunto.
Figura 22.3.– Nucleo filamento y empaquetamiento en solenoide.
En procariotas, el cromosoma bacteriano es generalmente circular y se muestra unido a la cara interna de la membrana. La asociación con proteínas similares a las histonas es responsable de una organización en forma de cadena de cuentas que recuerda a la de la cromatina, aunque su estabilidad es pasajera, uniéndose y disociándose en periodos de tiempo reducido.
GENES Un gen es una secuencia de ADN que se expresa de manera específica codificando una cadena polipeptídica, o produciendo formas estables de RNA.
Algunos genes participan en procesos de regulación de la expresión génica, por lo que se denominan secuencias reguladoras.
Un gen es una secuencia de ADN que se expresa de manera específica, codificando una cadena polipeptídica a traves del ARN mensajero o produciendo formas estables de ARN distintos del mensajero o participando en procesos de regulación de la expresión génica. A los primeros se les denomina genes estructurales y a los segundos genes reguladores. Por regla general, los genes ocupan posiciones constantes en la cadena de ADN y, en consecuencia, se corresponderán con segmentos determinados en los cromosomas. En los virus, el material genético es reducido y puede estar en forma de ADN o ARN (ver tema 19 de la primera parte). En los ARN-virus el genoma es muy reducido, siendo más variable el tamaño en los de ADN. En las bacterias, existe normalmente un sólo cromosoma circular que contiene, en la mayoría de los casos, una única copia de cada gen; disponen, además, de ADN extracromosómico circular que constituye los denominados plásmidos que permanecen siempre aislados aunque, en determinadas ocasiones pueden integrarse en el cromosoma circular, de forma tempo-
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ral. En conjunto, su contenido genético es casi doscientas veces mayor que en el caso de los virus, y su regulación es, por lo general, a nivel de transcripción, dependiente de una organización funcional denominada operón, que consiste en una secuencia reguladora con centros de control que ejercen su acción sobre un conjunto de genes estructurales. En el caso de las células eucarióticas la complejidad es mucho mayor, en gran medida porque el número de genes es del orden de 20 veces superior al de las bacterias. En éstos, es frecuente que existan regiones codificantes o exones, separadas por fragmentos no codificantes o intrones (Fig. 22.4), cuya expresión en el ARN es posteriormente eliminada del transcrito primario mediante cortes y empalmes durante la fase de maduración. En el ADN de las eucariotas pueden distinguirse tres tipos de secuencias, las de elevada reiteración, las moderadamente repetidas y las de copia única o muy escasa, relacionadas unas con la codificación y otras con el control, las cuales se tratarán en el apartado siguiente.
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En las células eucariotas el número de genes es 20 veces superior al de las bacterias.
Figura 22.4.– Estructura del gen de la ovoalbúmina. Los intrones (regiones no codificantes) se representan en azul claro.
ADN: ESTRUCTURA Y PROPIEDADES La naturaleza química y configuración del ADN ya han sido tratadas. En este apartado se discutirán aquellos aspectos estructurales que tienen especial repercusión en la conservación y expresión de la información genética, por una parte, la superhelicidad del ADN y, por otra, las características distintivas de las secuencias específicas de control y codificación que se muestran en él. Superenrollamiento del ADN: La mayor parte de las moléculas de ADN, tanto procariotas como eucariotas, presentan, como una característica estructural, la existencia de giros en la dirección del eje longitudinal de la cadena que se conocen como superenrollamientos, tanto en las moléculas circulares como longitudinales, siempre que, en estas últimas, los extremos permanezcan sujetos. Dos posibles caminos llevan a esta situación (Fig. 22.5):
Las moléculas de ADN presentan como característica estructural la presencia de giros en la dirección del eje longitudinal, llamados superenrrollamientos.
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Figura 22.5.– Superenrollamiento del ADN. La mayoría de las moléculas de DNA que se encuentran en la naturaleza están superenrrolladas negativamente.
La importancia de los superenrrollamientos guarda relación con la compactación del ADN y con la separación transitoria de sus filamentos para la replica o transcripción.
a) Si un filamento trenzado que constituye un sistema estable enrollado en hélice, es girado por uno de sus extremos en el sentido que reduce el número de vueltas iniciales mientras permanece el otro fijo, se introduce una tensión que, cuando se unan posteriormente los extremos para formar un círculo, se liberará provocando un enrollamiento añadido o superenrollamiento que se conoce como superhélice negativa. b) De manera similar, si el giro al que se somete el filamento provoca un exceso de vueltas, cuando se unan los extremos para formar un círculo, la liberación de la tensión provocará un superenrollamiento, en este caso conocido como superhélice positiva. La forma habitual de superenrollamiento en la naturaleza es la superhélice negativa, pero experimentalmente pueden ser obtenidas superhélices positivas de ADN, conformación que, en determinadas situaciones, también aparece de forma transitoria in vivo. Tanto una como otra no son formas privativas de cadenas circulares de ADN, sino que éstas pueden producirse en moléculas lineales siempre que sus extremos permanezcan anclados. En la formación de superhélices actúan un tipo de
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ESTRUCTURA DE CROMOSOMAS Y GENES
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enzimas denominadas topoisomerasas, que, mediante corte en puntos determinados de la hebra y posterior unión, modifican el grado de helicidad. En procariotas, las topoisomerasas I y III (de tipo 1) ejercen su acción sobre una de las hebras, provocando una relajación del ADN, disminuyendo así el número de superenrollamientos negativos; las topoisomerasas II (de tipo 2), dependientes de ATP, por su parte provocan cortes que afectan a las dos hebras de la cadena, añadiendo dos superenrollamientos negativos por cada intervención de la enzima. Una topoisomerasa II bien conocida es la denominada girasa de E. coli. En eucariotas, existen topoisomerasas de los tipos 1 y 2, sin embargo, las del tipo 2 no pueden introducir superenrollamientos negativos, pero sí relajar los positivos, lo que, en definitiva, tiene como efecto la consolidación de los superenrollamientos negativos producidos en la formación de los nucleosomas. En efecto, la conformación del nucleosoma exige la aparición de un superenrollamiento negativo, cuando la cadena de ADN gira alrededor del octeto de histonas, y para compensarlo surge otro positivo deslocalizado. La eliminación de este último por acción de topoisomerasas tipo 2 hace aumentar la superhelicidad negativa. La importancia del superenrollamiento del ADN no se relaciona sólo con la necesidad de compactación del ADN en la célula, sino también con procesos esenciales que requieren la separación transitoria de los filamentos de ADN, como la replicación o transcripción, o la estabilización de determinadas estructuras, como las cruciformes o secuencias de ADN-Z levógiro. Secuencias específicas: En relación con secuencias específicas del ADN en eucariotas, a diferencia de lo que sucede en procariotas, pueden distinguirse tres clases según su frecuencia de repetición: las de alta reiteración, las moderadamente reiteradas y las de copia única. Un porcentaje importante del genoma humano está constituido por secuencias que se repiten de forma reiterada. Una de ellas de 300 pb, conocida como Alu, se encuentra repetida cerca de un millón de veces. Otras más pequeñas, denominadas ADN satélite, se encuentran repetidas unas diez mil veces, especialmente agrupadas alrededor del centrómero del cromosoma, por lo que se ha sugerido una función relacionada con la actividad de éste. Otros genes aparecen reiterados de una forma más moderada. En el caso de los que codifican ARN ribosómico, la mayoría de los eucariotas poseen 100 copias o más, que aparecen agrupadas en tándem, en lugares específicos del cromosoma, relacionados con los nucleolos. Otro ejem-
Un porcentaje importante del genoma humano está formado por secuencias que se repiten de forma reiterada.
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plo de reiteración moderada se encuentra en los genes que codifican determinadas proteínas, como los de las histonas, que aparecen repetidos de forma variable, según la especie, entre algunos pares y 1.000 veces. Los genes de los cinco tipos de histona, aparecen en una secuencia, separados por otros tantos segmentos espaciadores, repetidos en tándem. Son características muy particulares de los genes de histonas el hecho de carecer de intrones y de secuencias finalizadoras de poliadenina (Fig. 22.6).
Figura 22.6.– Genes de histonas en el erizo de mar y en la mosca de la fruta.
Muchas proteínas vienen codifcadas por genes de una sola copia.
Por último, muchas proteínas vienen codificadas por genes de una sola o muy escasas copias. Diferentes ejemplos han sido constatados, como el gen de la fibroína de la seda, el de la ovoalbúmina o los que codifican subunidades de hemoglobina, en los reticulocitos. Un aspecto particular en estos genes que, a la vez, pone de manifiesto el carácter adaptable del genoma, es el hecho de que bajo presión selectiva aumentan el número de copias, amplificando así su capacidad de expresión.
MUTACIONES Una mutación es la alteración permanente de una secuencia del ADN capaz de modificar la información genética previa.
Una mutación es una alteración permanente en una secuencia de ADN, capaz de modificar la información genética previa, lo que repercute en el producto final de su expresión, codificando proteínas diferentes, si es que el fenómeno afecta a genes estructurales, o interfiriendo en procesos de control si se trata de secuencias de regulación de la expresión genética. Pero lo más importante es su trascendencia, porque puede transmitirse a generaciones futuras a través de procesos normales de replicación. El ADN genómico que contiene la información genética de la célula resulta irreemplazable, al no disponerse
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ESTRUCTURA DE CROMOSOMAS Y GENES
más que de una o dos copias completas, según sea su condición de célula haploide o diploide, por lo que, ante la perspectiva de producción de errores, existen diferentes mecanismos de reparación para prevenir los efectos de modificaciones espontáneas inducidas por mutágenos o los fallos que tienen lugar en procesos normales de replicación. Los tipos de mutaciones más frecuentes son, la sustitución de pares de bases por otros, la eliminación de pares de bases, la inserción de uno o más pares de bases y la introducción de modificaciones que afectan a la disposición de los nucleótidos. La más común de ellas, la sustitución de bases, puede ser de dos tipos: transiciones, cuando se sustituye una purina con otra purina o una pirimidina con otra pirimidina, y transversiones, cuando se sustituye una purina con una pirimidina o viceversa. Existen sustancias que tienen el carácter de mutágenos químicos, unas por ser análogas de bases como el 5-bromo-uracilo o la 2-amino-purina, causantes de transiciones AT GC; y otras por provocar modificaciones químicas en las bases, por ejemplo, la hidroxilamina, que afecta específicamente a la citosina provocando su transformación en un derivado que se aparea con adenina para dar lugar a una transición CG AT. También el ácido nitroso es otro agente modificador capaz de provocar desaminaciones que transforman la adenina en hipoxantina, la citosina en uracilo y la guanina en xantina, originando transiciones AT GC. Otros agentes tienen naturaleza física, como las radiaciones ionizantes y luz ultravioleta. La luz UV provoca la aparición de enlaces covalentes entre timinas contiguas, dando lugar a dímeros que alteran la estructura del ADN e impiden cualquier proceso de expresión genética o replicación a partir de ellos. Las células tienen a su disposición diferentes mecanismos de corrección de errores que son bien conocidos en E. coli (Tabla 22.2): 1. Reparación de apareamientos incorrectos: Una enzima denominada Dam metilasa produce metilación en las adeninas de secuencias (5')GATC, antes de la replicación. Una vez que se produce ésta, durante un corto periodo de tiempo pueden ser discriminadas las hebras molde de las hijas, hasta que finalmente actúe la enzima metilasa. Un sistema enzimático repara los errores de apareamiento en regiones próximas a la secuencia GATC. 2. Reparación por eliminación de base: Cuando la alteración corresponde a una base modificada, como
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Los tipos de mutaciones más frecuentes son: la sustitución, eliminación e inserción de uno o más pares de bases.
Los agentes mutágenos pueden ser tanto de naturaleza física como química.
Los mecanismos celulares de corrección de errores son: 1. reparación de apareamientos incorrectos. 2. reparación por eliminación de bases o de nucleótidos y 3. reparación directa del ADN.
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Tabla 22.2.– Mecanismos de corrección de ADN en E.coli. Alteración
Enzimas/proteínas
Sistema reparador
Apareamientos incorrectos
Dam metilasa ADN helicasa SSB ADN polimerasa III Exonucleasa I ADN ligasa Proteínas MutH, MutL, MutS
Reparación de apareamientos incorrectos
Bases modificadas
ADN glucosilasas AP endonucleasas ADN polimerasa I ADN ligasa
Reparación por eliminación de base
Alteraciones estructurales en el ADN
ABC escinucleasa ADN polimerasa I ADN ligasa
Reparación por eliminación de nucleótido
Dímeros de pirimidina, O6-metilguanina
ADN fotoliasas O6-metilguanina-ADN metiltransferasa
Reparación directa del ADN
desaminaciones o formación de dímeros de pirimidina, enzimas del tipo ADN glucosilasas provocan la eliminación de la base afectada quedando, en ese lugar, un sitio apurínico o apirimidínico (sitios AP). Posteriormente otras enzimas AP endonucleasas eliminan el resto desprovisto de base, que es reemplazado por el nucleótido correcto por medio de ADN polimerasa I y, finalmente, se restablece la unión de la cadena mediante ADN ligasa. 3. Reparación por eliminación de nucleótidos: Cuando tienen lugar importantes alteraciones en la estructura del ADN, como por ejemplo, en la formación de dímeros de pirimidina, actúa un tipo de endonucleasa específica que provoca la eliminación del fragmento dañado. En E. coli interviene una enzima denominada ABC escinucleasa capaz de provocar dos cortes, uno a cada lado del fragmento dañado. La regeneración de la secuencia corre a cargo de enzimas ADN polimerasa I y ADN ligasa. 4. Reparación directa del ADN: Enzimas ADN fotoliasas, en el caso de dímeros de pirimidina producidos por la exposición a luz UV y O6-metilguanina-ADN metiltransferasa, en la formación de O6-metilguanina por alquilación de la guanina, reparan directamente los nucleótidos alterados, sin necesidad de provocar cortes ni eliminaciones en la cadena.
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ESTRUCTURA DE CROMOSOMAS Y GENES
RESUMEN Estructura de cromosomas y genes. En las células eucarióticas, el ADN se encuentra asociado a proteínas básicas, las histonas, formando nucleoproteínas, para dar lugar a la cromatina nuclear. Durante la fase de división, la cromatina alcanza un mayor grado de compactación formando los cromosomas. La unidad estructural sería el nucleosoma, formado por una secuencia de ADN de unas 200 pb, enrollados alrededor de un octámero de histonas en el que entran a formar parte dos de cada uno de los tipos H2A, H2B,H3 y H4. Las histonas son proteínas con un carácter básico, de las cuales se distinguen cinco tipos distintos, cuatro entran a formar parte del nucleo central del nucleosoma y un quinto tipo, H1, juega un papel importante en la conexión de nucleosomas adyacentes. Un nivel estructural distinto es el cromatosoma, en el que se incorpora un monómero H1. La asociación de varios nucleosomas unidos constituye el polinucleosoma. En los cromosomas eucarióticos los nucleosomas constituyen la estructura básica que se asocian para constituir fibras de 100 denominadas nucleofilamentos y éstos, a su vez, empaquetarse en fibras más gruesas o solenoide de 300 o incluso de 600. Los cromosomas muestran un armazón proteico central conocido como proteínas andamio al que se unen las distintas fibras. En procariotas, el cromosoma bacteriano es generalmente circular y se muestra unido a la cara interna de la membrana. Un gen es una secuencia de ADN que se expresa de manera específica, codificando una cadena polipeptídica o produciendo formas estables de ARN distintos del mensajero, genes estructurales, o participa en procesos de regulación, genes reguladores. En los virus, el material genético es reducido y puede estar en forma de ADN o ARN. En las bacterias existe normalmente un sólo cromosoma circular con una única copia de cada gen. En el caso de las células eucarióticas la complejidad es mucho mayor. En sus genes existen regiones codificantes o exones, separados por fragmentos no codificantes o intrones. El ADN tanto en procariotas como eucariotas presenta giros en la dirección del eje longitudinal de la cadena que se conocen como superenrollamientos, cuya forma habitual en la naturaleza es la superhélice negativa. En su formación actúan un tipo de enzimas denominadas topoisomerasas. En relación con secuencias específicas
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del ADN en eucariotas, a diferencia de lo que sucede en procariotas, pueden distinguirse tres clases según su frecuencia de repetición: las de alta reiteración, las moderadamente reiteradas y las de copia única. Una mutación es una alteración permanente en una secuencia de ADN. Las más frecuentes son la sustitución de pares de bases por otros, la eliminación de pares de bases, la inserción de uno o más pares de bases y la introducción de modificaciones que afectan a la disposición de los nucleótidos. Las células tienen a su disposición diferentes mecanismos de corrección de errores.
APLICACIONES CLÍNICAS Las alteraciones en genes que intervienen en los sistemas de reparación de ADN conducen a diferentes enfermedades que frecuentemente desembocan en cáncer. El Xeroderma pigmentosum es una enfermedad genética autosómica recesiva que provoca una extremada sensibilidad a la luz solar y a la radiación UV. Hace su aparición en la infancia, con sequedad de la piel, cicatrices y queratosis, acompañado de un desarrollo atrofico de la dermis. El proceso finalmente suele conducir a la aparición de cáncer de piel. En estudios sobre fibroblastos de la piel se ha puesto de manifiesto, en los afectados por esta enfermedad, una manifiesta incapacidad para reparar los dímeros de pirimidina producidos por efecto de la luz solar. En concreto se ha sugerido un defecto en la escinucleasa que corta el fragmento dañado. Otras enfermedades degenerativas como el cáncer colorrectal sin pólipos hereditario (Síndrome de Lynch) se relacionan con alteraciones en los sistemas de reparación de apareamientos incorrectos de ADN. La mayoría de los sujetos con predisposición a esta enfermedad muestran mutaciones en dos genes identificados como hMLH1 y hMSH2, cuyos equivalentes en E. coli son las proteínas MutS y MutL, que junto con MutH intervienen en procesos de reparación de ADN. Probablemente, la imposibilidad de codificar de forma correcta proteínas dependientes de hMLH1 y hMSH2 permita la acumulación de mutaciones que pueden afectar a genes que controlan la proliferación celular, y con ello, la aparición de la neoplasia.
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TEMA 23
Replicación y transcripción del ADN
Replicación del ADN. ADN polimerasas. Transcripción. Polinucleótido fosforilasa. Transcriptasa inversa y replicasas.
La conservación y expresión de la información genética exige, por una parte, la existencia de un mecanismo de copia capaz de reproducir la totalidad del contenido genético de una célula, y por otra, un dispositivo adecuado que traslade parte de la información del ADN a moléculas de ARN, para su expresión activa. Tales mecanismos son los procesos de Replicación y Transcripción del ADN que constituyen pilares centrales del flujo de información genética en los seres vivos, procesos complejos que incluyen, además, mecanismos de control y corrección, que garantizan la integridad de la información que en cada momento se está transfiriendo. Ambos procesos se basan en un ensamblaje ordenado de nucleótidos siguiendo un modelo que actúa de molde, y una estricta ley de correspondencias bajo la cual una secuencia determina invariablemente otra complementaria.
REPLICACIÓN DEL ADN En esencia, la replicación es un proceso de síntesis de ADN que permite obtener una copia exacta de otra previa que actúa como molde. Su desarrollo sigue unos principios que se mantienen en todos los seres vivos, procariotas y eucariotas: 1. Es semiconservativa. Las nuevas cadenas de ADN sintetizadas a partir de una inicial contienen una de las hebras nueva y la otra vieja. Messelson y Stahl, en 1957, pusieron de manifiesto este hecho (Fig. 23.1), siguiendo la duplicación del ADN de células de E. coli previamente cultivadas en un medio con isótopo pesado del nitróge-
La replicación y transcripción del ADN constituyen los pilares centrales del flujo de información genética en los seres vivos.
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Figura 23.1.– Experimento de Messelson y Stahl que pone de manifiesto la replicación semiconservativa del ADN. La replicación del ADN es un proceso de síntesis que permite obtener una copia exacta de otra previa que actúa como molde.
En las células eucariotas la réplica se establece a partir de varios puntos de iniciación en cada uno de los cromosomas.
no N15, lo que les permitía separar el ADN pesado frente al normal. Trasladadas a un medio normal, se obtuvo ADN después de la primera duplicación que, centrifugado en gradiente de densidad, formaba una única banda de cadenas híbridas ligeras y pesadas. En la segunda generación, tras nueva duplicación, el ADN centrifugado mostraba dos bandas, una de menor densidad con ADN ligero, y otra pesada que correspondía a ADN híbrido. Se demostraba, pues, que la duplicación se producía sintetizando una nueva hebra sobre otra antecesora que hacía de molde. 2. Se desarrolla en ambos sentidos, a partir de un punto origen en procariotas o varios en eucariotas. El ADN circular de organismos procariotas se replica a partir de un punto específico, que en E. coli se conoce como lugar oriC, a partir del cual, la maquinaria de re-
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REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN DEL ADN
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plicación actúa de forma bidireccional, constituyendo sendas horquillas de replicación, hasta encontrarse en el extremo opuesto al punto de origen (Fig. 23.2).
Figura 23.2.– Replicación del ADN en E-coli, a partir de un punto de origen.
En eucariotas, la replicación se produce a partir de varios puntos de iniciación en cada uno de los cromosomas, lo que resulta lógico si se considera la mayor complejidad del ADN eucariótico, tanto en longitud como en estructura. 3. La síntesis de ADN tiene lugar en dirección 5c o 3c, a cargo de ADN polimerasas, y para su inicio se requiere una pequeña molécula cebadora, habitualmente ARN. En la horquilla de replicación, las cadenas del ADN que se va a copiar permanecen abiertas, actuando de moldes para la inserción de desoxinucleótidos trifosfato (d-NTP), por parte de la ADN polimerasa que, de esta forma, irá generando las dos cadenas hijas. Pero una característica de estas enzimas es que
La síntesis de ADN ocurre en dirección 5' o 3' y corre a cargo de ADN polimerasas.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
incorporan los nucleótidos en dirección 5c o 3c, de manera exclusiva. Esto hace que una de las cadenas, la que coincide con dicha dirección, denominada hebra conductora o guía, se sintetice de forma continua, en tanto que la otra, la hebra rezagada, lo hace en secuencias cortas, conocidas como fragmentos de Okazaki, que posteriormente son unidos (Fig. 23.3). Por otra parte, la acción de las ADN polimerasas requiere la existencia previa de una cadena de polinucleótido sobre la cual comienza a adicionar d-NTP en su extremo 3c-OH. Puesto que ninguna enzima puede sintetizar directamente ADN, se utiliza un pequeño fragmento cebador de ARN, sintetizado por ARN polimerasas, que forman parte del complejo de replicación, conocidas como primasas, siendo posteriormente eliminado por acción exonucleasa de la ADN polimerasa I.
Figura 23.3.– Síntesis de ADN en dirección 5c-3c por la ADN-polimerasa. La replicación del ADN se desarrolla en varias fases: iniciación, elongación y terminación, siendo necesaria la intervención de una topoisomerasa para la separación de las cadenas hijas.
Replicación en procariotas: En E. coli, un complejo equipo enzimático que incluye polimerasas, helicasas, topoisomerasas, ligasas y primasas, entre otras, constituye una entidad de control que se conoce como replisoma, encargada de llevar a cabo la replicación del ADN, proceso que se desarrolla en varias fases: Iniciación: El segmento oriC es una secuencia de 245 pb que tiene características específicas (Fig. 23.4): muestra un tándem formado por tres segmentos de 13 nucleótidos ricos en pares AT y, próximas a éstos, cuatro puntos de unión para la proteína adnA (Tabla 23.1), constituidos por secuencias de
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REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN DEL ADN
Figura 23.4.– Segmento oriC de E. coli. Tabla 23.1.– Proteínas que participan en el inicio de la replicación en E. coli. Proteínas del inicio de la replicación en E. coli Proteína
Acción
AdnA
Separa las cadenas en el punto de inicio de la replicación
AdnB
Acción helicasa. Desenrolla el ADN
AdnC
Colabora en la fijación de la AdnB en el punto de inicio
HU
Proteína estimuladora del inicio (tipo histona)
Primasas
Síntesis de cebadores de ARN
SSB
Estabiliza los filamentos sencillos una vez separados
ADN girasa
Disminuye la tensión de la cadena provocada por apertura
9 pb. La fijación de esta proteína inicia el proceso de separación de las hebras de ADN, permitiendo la actuación de adnB, enzima helicasa que cataliza el desenrollamiento de la cadena, y adnC, que es necesaria para la correcta fijación de la anterior. Una vez separadas, las hebras sencillas han de ser estabilizadas, lo que se logra con la fijación de una proteína SSB. La apertura de la cadena provoca un aumento de superhelicidad positiva que es eliminada por la acción de una topoisomerasa, la ADN girasa, que introduce superenrollamientos negativos. Queda así todo preparado para que se comience la síntesis de las nuevas cadenas, en la siguiente fase de elongación. Un aspecto esencial es el estricto control que la célula tiene que ejercer sobre la replicación de su ADN, que debe producirse una sóla vez en cada ciclo. Se conocen al menos dos mecanismos que participan en el control del inicio de la replicación, por una parte, la formación de un complejo inactivo adnA-ADP, por hidrólisis del ATP, que puede ser nuevamente reactivado por acción de fosfolípidos ácidos de la membrana; y por otra, se han identificado proteínas inhibidoras de la iniciación cromosómica, IciA, que se fijan a los segmentos de 13 pb de la secuencia iniciadora, impidiendo la acción de la proteína adnA.
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Elongación: En esta fase participan diferentes enzimas que se encuentran en la horquilla de replicación: ADN helicasas que desenrollan el ADN parental, ADN girasas que relajan la tensión provocada en la cadena, proteínas SSB que fijan las hebras simples, primasas que sintetizan el ARN cebador y ADN polimerasa III encargada de la inserción de desoxirribonucleótidos trifosfato. Como se ha indicado anteriormente, la síntesis de las cadenas de ADN se desarrolla de forma diferente, según sea la hebra conductora o la rezagada. En el caso de la conductora, la síntesis tiene lugar en la misma dirección de avance de la ADN polimerasa III, por coincidir con la orientación 5c-3c del filamento. Una vez separados los filamentos por acción de la ADN helicasa e intervención de la ADN girasa, la hebra se estabiliza por fijación de la proteína SSB. A continuación, se sintetiza un ARN cebador por las enzimas primasas, generalmente de algunas decenas de nucleótidos, momento a partir del cual la ADN polimerasa puede insertar desoxirribonucleótidos, siguiendo la complementaridad de la hebra parental. La síntesis de la hebra rezagada muestra un procedimiento diferente al anterior. Un conjunto de proteínas que forman el complejo regulador denominado primosoma, que contiene adnB, adnC y primasas, entre otras; es el encargado de controlar el proceso. Puesto que su orientación 3c-5c es contraria a la de síntesis, el filamento molde tiene que formar un bucle alrededor de uno de los dímeros de la ADN polimerasa III (Fig. 23.5), con lo que la dirección de avance coincide ahora con la dirección 5c-3c de la cadena a sintetizar, lo que permite que se vayan insertando nucleótidos. Cuando se ha sintetizado un fragmento de unos 1.000 nucleótidos, se desprende de la hebra molde, para formar un nuevo bucle más adelante y repetir así el proceso. Esto hace que la síntesis se lleve a cabo de forma intermitente, produciendo los fragmentos de Okazaki. Cada uno de ellos requiere, previo al comienzo de su síntesis, un cebador que es fabricado por enzimas primasas que forman parte del primosoma. Posteriormente son eliminados por la acción 5c-3c exonucleasa de la ADN polimerasa I y sustituidos, por esta misma enzima, con nucleótidos de desoxirribosa, restableciendo así la continuidad de la cadena. La unión entre fragmentos se lleva a cabo por una ADN ligasa (Fig. 23.6). Terminación: Corresponde a la finalización del proceso de copiado y a la separación en dos cadenas hijas. Es poco conocido, pero se sabe que es necesaria la intervención de una ADN topoisomerasa IV para la separación de las cadenas sintetizadas.
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Figura 23.5.– Síntesis de la hebra rezagada. Formación de un bucle alrededor del dímero de ADN polimerasa III.
Replicación en células eucarióticas: esencialmente se produce de manera parecida a la de los procariotas, con algunas diferencias. En relación con la iniciación, se han identificado, en levaduras, secuencias específicas denominadas ARS, con longitudes de alrededor de 300 pb. En los cromosomas humanos, los puntos de iniciación se encuentran separados entre sí por distancias no superiores a 300 kb, a partir de los cuales tiene lugar el proceso, de forma bidireccional, desde numerosos puntos, lo que asegura una adecuada velocidad de duplicación, teniendo en cuenta que el avance de la horquilla de replicación es sólo de unos 50 nucleótidos por segundo. Se desconoce, sin embargo, la estructura de las secuencias iniciadoras. También en el equipo enzimático se pueden señalar aspectos
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Figura 23.6.– Unión de fragmentos de Okazaki por ADN ligasa.
particulares, como ha quedado explicado anteriormente. Otros factores de la replicación en eucariotas lo constituyen las proteínas RFA que se fijan a las hebras simples del ADN desenrolladas con una función similar a la de SSB en E. coli; y RFC que colabora en la estabilidad de los complejos de replicación.
ADN POLIMERASAS Como ya se ha indicado, son las enzimas responsables de la inserción específica de d-NTP que muestran, además, capacidad de corrección y reparación. Se han estudiado con detalle las ADN polimerasas de E. coli, desde el aislamiento de la primera por Kornberg, en 1955, lo que ha facilitado el conoci-
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miento de las características propias de las que actúan en otros organismos procariotas y eucariotas. La enzima aislada por Kornberg, denominada ADN polimerasa I, se trata de un monómero de 103 Kd, capaz de adicionar d-NTP, de forma específica, a un extremo 3c-hidroxilo de una cadena de ADN previa, según la reacción:
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La ADN polimerasa I es capaz de adicionar d-NTP de forma específica a un extremo 3'-hidroxilo de una cadena previa de ADN.
(ADN)n restos d-NTP o (ADN)n 1 restos PPi Requiere, por tanto, la existencia de una cadena cebadora que ofrezca un 3c-OH libre, sobre el que actuar, provocando un ataque nucleofílico del grupo hidroxilo sobre el átomo de fósforo más interno de un d-NTP (Fig. 23.7), que da lugar a un puente fosfodiéster, con eliminación de pirofosfato, el cual es hidrolizado posteriormente por una pirofosfatasa. Un aspecto esencial de su funcionamiento es el hecho de estar dirigido por un molde, es decir, un mismo centro activo es capaz de catalizar la inserción de cualquiera de los cuatro d-NTP, pero la ubicación simultánea de la hebra molde condiciona el proceso para que la posibilidad de incorporación de un desoxinucleótido sea mínima si no puede aparearse con el de la otra hebra, según la correspondencia de Watson y Crick, por lo que el nuevo filamento sintetizado es una copia fiel del original, dependiente en todo momento de la hebra que actúa como molde. Pero no es ésta la única actividad que realiza esta enzima. Por digestión con proteasas se obtienen dos fragmentos del mismo, uno pequeño que manifiesta actividad 5c-3c exonucleasa, y otro grande, denominado fragmento de Klenow, que conserva
Figura 23.7.– Unión de nucleotidos por la ADN polimerasa I.
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La ADN polimerasas II está involucrada en los procesos de reparación del ADN.
las propiedades de ADN polimerasa y de 3c-5c exonucleasa. Son, pues, tres las actividades a su cargo: ADN polimerasa, 3c-5c exonucleasa y 5c-3c exonucleasa, correspondiente, cada una de ellas, a otros tantos centros activos que ocupan posiciones diferentes en la molécula (Fig. 23.8). La actividad 3c-5c exonucleasa cataliza la hidrólisis de la cadenas de ADN en el extremo 3c donde exista un nucleótido no apareado, lo que constituye un mecanismo reparador de errores de inserción, durante la polimerización. Por su parte, la actividad 5c-3c exonucleasa escinde la cadena tanto en el extremo 5c terminal como en puntos próximos a éste, jugando un papel importante en la corrección de errores que alteran la estructura normal del ADN y en la eliminación del ARN cebador durante el proceso de replicación.
Figura 23.8.– Fragmentos obtenidos por digestión de la ADN polimerasa I.
La ADN polimerasas III es 100 veces más activa para la inserción de nucleótidos que la I, siendo el componente principal del complejo multienzimático responsable de la síntesis de ADN.
Además, se han aislado otras dos enzimas, ADN polimerasa II y ADN polimerasa III, que participan en el proceso de replicación de ADN. Ambas incorporan desoxinucleótidos 5c-trifosfato en el extremo 3c-OH de una cadena preexistente, manteniendo la dirección de síntesis 5c-3c y tienen, además, actividad 3c-5c exonucleasa. Las evidencias han puesto de manifiesto que la ADN polimerasa II está involucrada en los procesos de reparación del ADN, mientras que la ADN polimerasa III es el componente principal de un complejo multienzimático responsable de la mayor parte de la síntesis de ADN, del que forma parte también la ADN polimerasa I, que se encarga de eliminar el cebador y completa los huecos con nuevo ADN, ademas de ejercer la misión correctora que le es propia. La ADN polimerasa III es un holoenzima compuesto de 10 subunidades con una eficacia para la inserción de nucleótidos del orden de cien veces mayor que la de ADN polimerasa I. El conjunto se organiza en forma de dímero asimétrico que abraza a la cadena de ADN, formando un anillo, de manera que ejerce su función deslizándose a lo largo de la cadena. En eucariotas, también existen diferentes ADN polimerasas. Se ha identificado una ADN polimerasa a, con cuatro subuni-
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dades, una de ellas con acción primasa y otra, la mayor, donde reside la capacidad polimerasa de la enzima. Otra enzima identificada es la ADN polimerasa d, con dos subunidades, que se asocia a una proteína nuclear denominada PCNA para constituir un complejo de síntesis que rodea a la cadena de ADN. Las evidencias parecen apuntar a que la ADN polimerasa D tiene como misión la síntesis de la cadena rezagada, mientras que la G podría estar dedicada a la síntesis de la cadena conductora. También se conoce una ADN polimerasa e, que participa en la reparación del ADN.
TRANSCRIPCIÓN Es el proceso por el que se sintetiza ARN, a partir de un fragmento de ADN, iniciando así un flujo de información que culmina con la síntesis de ARNm y, finalmente, de proteínas; o con la de formas estables de ARN (ARNt, ARNr, ARNnp), con fines de regulación o catalítico. Las secuencias de ADN utilizadas corresponden a genes o grupos de genes que constituyen una unidad de transcripción, precedidos de secuencias específicas de control. Un aspecto importante del proceso es, precisamente, que el inicio de la síntesis de ARN no se produce en puntos cualesquiera de la cadena de ADN, sino en lugares determinados denominados promotores, que generalmente anteceden a los genes, es decir, se localizan arriba del nucleótido que inicia la síntesis, el cual es designado como nucleótido 1. Es en estos puntos donde se fijan las ARN polimerasas, para comenzar la transcripción. De la doble cadena del ADN, una es la que actúa como molde o cadena (), que sirve de soporte y modelo para la inserción de ribonucleótidos, y la otra es la hebra codificante o cadena (), que contiene la información a transferir al ARN, comenzando desde el nucleótido 1 hasta el punto de finalización, abajo, en dirección 5c-3c. La síntesis de ARN está dirigida por ARN polimerasas dependientes de ADN que, a diferencia de las ADN polimerasas, no requieren una cadena cebadora previa. La enzima inserta nucleótidos trifosfato de ribosa (NTP) siguiendo la complementaridad con las bases de una hebra molde de ADN, con la salvedad de que el complementario de la Adenina, en el molde, es el uracilo, en la nueva cadena. El mecanismo de reacción es similar al de las polimerasas de ADN, manteniéndose por tanto la dirección de síntesis 5c-3c; y una cuestión importante es que carecen de actividad nucleasa, por lo que no están capacitadas para la corrección de errores.
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El ARN se sintetiza a partir de un fragmento de ADN mediante el proceso de transcripción.
Transcripción en procariotas: En las bacterias, los promotores están situados siempre aguas arriba, constituidos por dos secuencias que, aunque varían en los diferentes promotores, muestran nucleótidos que se repiten en todos ellos, lo que permite definir las denominadas secuencias de consenso. En E. coli, se sitúan en torno a las posiciones 10 y 35 y las secuencias de consenso son, para el primero, TATAAT, que es conocida como TATA o caja de Pribnow, y, para el segundo, TTGAC (Fig. 23.9).
Figura 23.9.– Secuencias de consenso en promotores de procariotas.
El inicio de la síntesis de ARN se produce en lugares determinados de la cadena de ADN, denominados promotores.
Las ARN polimerasas se fijan en los puntos promotores para comenzar la transcripción.
Un solo tipo de ARN polimerasa dependiente de ADN se encarga de la transcripción en procariotas. Se trata de una holoenzima compuesta de varias subunidades (D, E, Ec, Y y V). La subunidad V es la responsable del reconocimiento de los lugares específicos para el inicio de la síntesis, al comienzo de la unidad de transcripción. El proceso se desarrolla con una fase de inicio, donde la ARN polimerasa se une al promotor provocando la separación parcial de la cadena de ADN y la incorporación de los dos primeros nucleótidos que se aparean con sus complementarios en la cadena molde, en el punto de comienzo (posición 1), y posteriormente resultan unidos por enlace fosfodiéster. Por lo general la síntesis comienza con la inserción de un nucleótido de adenina o guanina que conserva su carácter de trifosfato durante todo el proceso. A partir de aquí comienza la fase de elongación en la que van insertándose los NTP a medida que se desplaza la ARN polimerasa. La cadena naciente se mantiene unida, en un tramo de unos 12 nucleótidos, al ADN molde, formando un híbrido ADN-ARN que va escindiéndose a medida que se insertan nuevos nucleótidos (Fig. 23.10), lo que permite que la cadena de ADN vaya recuperando su estructura original. El proceso de transcripción determina la aparición de tensiones en el ADN, por modificación del superenrollamiento, lo que exige la participación de enzimas topoisomerasas. La síntesis continúa hasta que determinadas secuencias en el ADN molde y la participación de factores protéicos terminadores provocan la disociación de la ARN polimerasa, y con ello, la finalización de la transcripción. El ARN formado constituye el transcrito primario, que tiene carácter policistrónico al
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Figura 23.10.– Desplazamiento de la ARN polimerasa.
proceder de unidades de transcripción compuestas por más de un gen. Transcripción en eucariotas: Aunque, sustancialmente, el proceso tiene lugar de forma similar al de procariotas, existen diferencias importantes en cuanto a estructura de la unidad de transcripción, promotores y enzimas que participan; y en cuanto a transformaciones del ARN transcrito primario en la etapa de maduración. En el núcleo de las células eucarióticas se distinguen tres ARN polimerasas diferentes, encargadas de la síntesis de los distintos tipos de ARN, la de Tipo I, que se encuentra en el nucleolo, preside la síntesis de ARNr de cadena grande (28s, 18s y 5,8s), la de Tipo II, situada en el nucleoplasma, sintetiza ARNm y ARN de pequeño tamaño. Finalmente, la de Tipo III, que también se encuentra en el nucleoplasma, se encarga de la síntesis de ARNt y ARNr 5s. Todas ellas catalizan la formación del enlace fosfodiéster de la misma manera que las procarióticas, mediante ataque nucleofílico del resto 3c-OH de la cadena naciente sobre el fosfato más interno del NTP, no requieren una cadena cebadora, la dirección de síntesis es 5c-3c y carecen de actividad nucleasa. También existe una ARN polimerasa dependiente de ADN en las mitocondrias. Ademas de los promotores, en las células eucarióticas son necesarias determinadas proteínas que colaboran en la identificación de los puntos de unión para las ARN polimerasas, la propia fijación de éstas y el inicio de la transcripción. Tales proteínas constituyen los denominados factores de transcrip-
La síntesis de ARN es dirigida por ARN polimerasas dependientes de ADN.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
Se distinguen tres ARN polimerasas diferentes en el núcleo de las células eucarióticas que se encargan de la síntesis de los distintos tipos de ARN.
ción (TF), de los cuales existen tipos específicos para cada ARN polimerasa (TFI, TFII y TFIII, respectivamente). La ARN polimerasa II reconoce un número muy elevado de promotores diferentes que se localizan aguas arriba, en dirección 5c del punto de iniciación de la transcripción (1). La secuencia más cercana, en eucariotas superiores, se localiza alrededor del nucleótido -25 y corresponde a un compartimento TATA (caja de Hogness), en cuyo reconocimiento participa el factor de transcripción TFIID (Fig. 23.11). Este compartimento no es suficiente para mantener una actividad transcripcional elevada del promotor y es necesaria la intervención de otros compartimentos que se sitúan por arriba, entre los nucleótidos 40 y 110 (secuencias CAAT, CG y otras). La iniciación comienza con la fijación de TFIID al compartimento TATA y seguidamente los restantes, TFIIA y TFIIB. A continuación se incorpora la ARN polimerasa II y TFIIE, constituyendo el denominado aparato básico de transcripción, que sintetiza ARNm a baja velocidad. Para un mayor rendimiento se requiere la participación de otros factores transcripcionales que actúen sobre sus respectivos centros de control. La actividad de un número elevado de promotores eucarióticos, relacionados con genes de tipo II, se incrementa de manera notable por intervención de las denominadas secuencias intensificadoras (enhancers), que se encuentran en posiciones diversas, hacia arriba, hacia abajo o en medio de un gen. Una propiedad de éstos es que sólo son activos en tipos concretos de células que dispongan de proteínas estimuladoras del intensificador. Por ejemplo la
Figura 23.11.– (A) Localización de promotores en eucariotas. (B) Localización de los factores TFII-A, TFII-B, TFII-D y TFII-E. La ARN-pol. II y TFII-E se unen al complejo después de que lo hayan hecho los factores TFII-A, D y E.
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REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN DEL ADN
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unión hormona-receptor, en el caso de hormonas esteroideas, constituye un compuesto activador del intensificador capaz de potenciar la transcripción de un determinado grupo de genes. El hecho de que la proteína receptora aparezca sólo en tejidos específicos restringe la actividad del intensificador y el ámbito de intervención de la propia hormona, a las células de éste. Una situación parecida sucede con los intensificadores virales que, en gran medida, son la causa de la especificidad de las infecciones víricas, en lo que se refiere tanto a hospedadores como a tipos de tejidos susceptibles.
Procesos de maduración del ARN transcrito primario Una parte del ARN transcrito de células procarióticas y, prácticamente, de todas las eucarióticas sufre un proceso de transformación postranscripcional conocido como maduración, que puede corresponder a: cortes específicos en la cadena, adición de secuencias nucleotídicas en ambos extremos de la cadena o transformación de nucleótidos existentes. Los ARN ribosómicos tanto de procariotas como de eucariotas se sintetizan a partir de un precursor largo o ARN prerribosómico. También los ARNt proceden de precursores más largos que son recortados en sus extremos 5c y 3c. En ocasiones el precursor contiene varios ARNt que han de ser separados mediante cortes específicos en la cadena dirigidos por enzimas RNasas integradas por un componente protéico, acompañado en algunos casos de ARN catalítico, como en el caso de la RNasa-P. Otras transformaciones propias de los ARNt son la incorporación de secuencias CCA en el extremo 3c por la nucleotidil transferasa y la modificación de bases que ocupan posiciones características, por metilación, reducción o desaminación. Los ARNm de eucariotas, a diferencia de los procariotas, son sintetizados en moléculas precursoras grandes que son sometidas a un proceso de corte y empalme hasta acabar dando ARNm más pequeños, aptos para la codificación de un polipéptido. La razón de esto es que los genes eucarióticos contienen secuencias intercaladas no codificantes (intrones) que separan a las codificantes (exones), situación que queda reflejada en el transcrito primario, el cual, asimismo, contiene intrones y exones. La eliminación de los intrones se hace mediante cortes y empalmes (splicing), llevado a cabo, en la mayoría de los casos, por un complejo enzimático nuclear que contiene proteínas y ARN nuclear pequeño denominado espliceosoma. En otras ocasiones se ha podido comprobar la capacidad, en de-
El ARN transcrito sufre un proceso de transformación postranscripcional denominado maduración.
Los ARN ribosómicos se sintetizan a partir de un precursor largo o ARN prerribosómico.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
terminados ARN, de auto-corte de intrones. Además de los procesos de eliminación de secuencias no codificantes, en los ARNm eucarióticos se producen otras transformaciones, como son: la incorporación de un casquete en el extremo 5c de la cadena, formado por un resto de 7-metil-guanosina que se une al nucleótido 5c-terminal mediante un enlace poco frecuente 5c,5c-trifosfato; y, también, la unión por el extremo 3c-OH de una secuencia de 20 a 250 nucleótidos de adenina que constituye la cola poli(A).
POLINUCLEÓTIDO FOSFORILASA La polinucleótido fosforilasa es una enzima no dependiente de ADN que polimeriza ARN de forma aleatoria incorporando nucleótidos de ribosa para formar un polinucleótido.
Es una enzima no dependiente de ADN que polimeriza ARN de forma aleatoria, incorporando nucleótidos para formar un polinucleótido de ribosa. Fue aislada en 1955 por M. Grunberg-Manago y S. Ochoa, en bacterias. La reacción requiere nucleótidos-5c-difosfatos, sin que puedan ser incorporados los trifosfatos. Los nucleótidos son unidos por enlace 3c,5c-fosfodiéster. Un aspecto característico de la reacción y que, probablemente, delata el papel de esta enzima, es su carácter fácilmente reversible, por lo que puede dirigirse en el sentido de la hidrólisis de la cadena. Es posible que su papel en la célula sea, en realidad, la degradación de ARN para dar los correspondientes NDP libres.
TRANSCRIPTASA INVERSA Y REPLICASAS
En células eucarióticas se ha identificado una enzima similar a la transcriptasa inversa, produciendo ADN a partir de ARN en los telómeros de los cromosomas.
La biología de los virus ha incorporado al dogma fundamental del flujo de información genética nuevas posibilidades como son la síntesis de ADN y ARN dependientes de ARN. Como se trató en el tema 20 de la primera parte, los retrovirus son virus con ARN como material genético, que desarrollan su ciclo de infección incorporándose al genoma del huesped, para lo que necesitan transcribir la información desde ARN a ADN, esto es, en sentido inverso. Tal acción es llevada a cabo por una enzima vírica denominada transcriptasa inversa o retrotranscriptasa. Durante el proceso de infección, el virus introduce su genoma codificado en un ARN monohebra junto con la enzima, que cataliza la formación de una cadena complementaria de ADN, formando un híbrido ADN-ARN, y posteriormente degrada la cadena de ARN sustituyéndola por ADN complementario del primero, con lo que queda ultimado el duplex. Al igual que las ADN y ARN polimerasas, la transcriptasa inversa contiene Zn2 en su molécula y, para iniciar el proceso
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REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN DEL ADN
requiere un cebador, para lo que utiliza un ARNt que es introducido por el virus en el proceso de internalización. El ARNt se aparea con su secuencia complementaria en el extremo 3c de la cadena de ARN viral, permitiendo la acción de la transcriptasa inversa que incorpora nucleótidos en dirección 5c-3c al igual que las demás polimerasas. Esta enzima carece de actividad 3c-5c correctora, por lo que su tasa de error es relativamente elevada (1/20.000). En células eucarióticas se ha identificado una enzima que utiliza un mecanismo similar a la transcripción inversa, produciendo ADN a partir de ARN, en los telómeros de los cromosomas. El ADN telomérico plantea un problema especial, porque al ser el ADN del cromosoma una estructura lineal, no es posible, con las enzimas habituales, situar un cebador en los extremos y, posteriormente, sustituirlo por ADN. Para evitar el acortamiento paulatino del cromosoma, por pérdida de nucleótidos de los extremos, en cada ciclo de replicación, existe una enzima, la telomerasa, constituida por proteína y ARN que contiene copias de los fragmentos teloméricos. Mediante una retrotranscripción, la telomerasa incorpora ADN telomérico obtenido a partir del ARN. Finalmente, existe otra enzima vírica capaz de sintetizar ARN complementario a partir del ARN del virus, conocida como ARN polimerasa dependiente de ARN o ARN replicasa. La enzima cataliza la síntesis de ARN en dirección 5c-3c, requiriendo como molde ARN. Tienen una alta especificidad, lo que hace que sólo actúen con ARN del virus.
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La ARN replicasa o ARN polimerasa dependiente de ARN es capaz de sintetizar ARN complementario a partir de ARN viral.
RESUMEN Replicación del ADN: Es un proceso de síntesis de ADN que permite obtener una copia exacta de otra previa que actúa como molde. Es semiconservativa; se desarrolla en ambos sentidos, a partir de un punto de origen en procariotas, o varios en eucariotas; La síntesis de ADN tiene lugar en dirección 5c-3c, a cargo de ADN polimerasas, y para su inicio se requiere una pequeña molécula cebadora, habitualmente ARN. Una de las cadenas, la que coincide con la dirección 5c-3c, denominada hebra conductora o guía, se sintetiza de forma continua, en tanto que la otra, la hebra rezagada, lo hace en secuencias cortas, conocidas como fragmentos de Okazaki, que posteriormente son unidas. Como cebador se utiliza un pe-
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queño fragmento de ARN, sintetizado por primasas, siendo posteriormente eliminado por acción exonucleasa de la ADN polimerasa I. ADN polimerasas: Son las enzimas responsables de la inserción específica de d-NTP que muestran, además, capacidad de corrección y reparación. La transcripción es el proceso por el que se sintetiza ARN a partir de un fragmento de ADN, partiendo de lugares específicos de la cadena de ADN denominados promotores, que generalmente anteceden a los genes, y está dirigida por ARN polimerasas dependientes de ADN. Ademas de los promotores, en las células eucarióticas son necesarios factores de transcripción (TF). Maduración del ARN: Una parte del ARN procariótico y, prácticamente, todos los eucarióticos sufren un proceso de transformación postranscripcional conocido como maduración, que puede corresponder a cortes específicos en la cadena, adición de secuencias nucleotídicas en ambos extremos de la cadena o transformación de nucleótidos existentes. Polinucleótido fosforilasa: Es una enzima no dependiente de ADN que polimeriza ARN de forma aleatoria. Transcriptasa inversa y replicasas: Los retrovirus introducen su genoma codificado en un ARN monohebra junto con una enzima transcriptasa inversa que cataliza la formación de una cadena complementaria de ADN, formando un híbrido ADN-ARN, y posteriormente degrada la cadena de ARN sustituyéndola por ADN complementario del primero, con lo se obtiene un dúplex completo de ADN. En células eucarióticas se ha identificado una enzima, la telomerasa, que utiliza un mecanismo similar a la transcripción inversa, produciendo ADN a partir de ARN, en los telómeros de los cromosomas. La ARN polimerasa dependiente de ARN o ARN replicasa es otra enzima vírica capaz de sintetizar ARN complementario a partir del ARN del virus.
APLICACIONES CLÍNICAS Desde hace algún tiempo se ha tratado de establecer una relación directa entre el acortamiento de los telómeros cromosómicos y procesos de envejecimiento celular que conducen a la pérdida de vitalidad y capacidad de división en los tejidos. En 1986 Howard Cooke, examinando regiones teloméricas de cromosomas sexuales humanos, observó que éstas eran más
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REPLICACIÓN Y TRANSCRIPCIÓN DEL ADN
cortas en células somáticas que en las líneas germinales, sugiriendo que la paulatina pérdida de la secuencia telomérica protectora podría limitar la capacidad de proliferación en estos tejidos. Desde entonces se ha suscitado una controversia que poco a poco se va despejando con trabajos que aportan una relación causal entre acortamiento de los telómeros y senescencia celular, comprobada tanto en envejecimiento de cultivos celulares como en tejidos humanos, in vivo. La identificación de la telomerasa, una nucleoproteína capaz de restaurar las secuencias teloméricas, mediante transcripción inversa, a partir del ARN que la integra, es un mecanismo esencial para el mantenimiento de la integridad de los telómeros, que abre perspectivas insospechadas. Si el acortamiento de los telómeros constituye, de alguna manera, un reloj celular que delimita la expectativa de vida en una célula, los sistemas que lo previenen deben apuntar hacia una inmortalización de ésta. La mayor parte de las células somáticas humanas no expresan una subunidad de la telomerasa conocida como hTRT (transcriptasa inversa de la telomerasa humana), con lo que, a pesar de disponer del resto de unidades de la enzima, ésta no resulta activa. Bodnar y colaboradores han comprobado que la activación de la telomerasa en cultivos celulares humanos a los que se había incorporado genes hTRT, provocaba una elongación artificial en los cromosomas, por adición de secuencias repetidas TTAGGG, que constituyen las terminaciones normales en las regiones teloméricas, acompañada de una espectacular alteración en la capacidad de crecimiento de las células. Se sabe que los telómeros humanos pierden alrededor de 100 pb en cada ciclo de división y, cuando han sido eliminadas algunas pocas kilobases, la célula detiene su división y envejece. Sin embargo, se desconoce qué mecanismo está implicado en la detección del acortamiento telomérico y de qué forma interviene en el funcionamiento celular. Lo que pocos dudan es de que este proceso tiene que jugar un papel importante como sistema supresor tumoral en células que hayan alterado el patrón normal de crecimiento. El avance en este campo de investigación abre nuevas perspectivas en el control de las enfermedades tumorales, pero también en otros campos en los que sea un aspecto clave el mantenimiento de la vitalidad celular, como en el caso de enfermedades crónicas degenerativas o en las alteraciones patológicas del envejecimiento.
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TEMA 24
Síntesis de proteínas
Ribosomas. Activación de aminoácidos. Iniciación y ciclo de elongación. Inhibidores de la síntesis de proteínas. El código genético.
En el esquema del flujo de la información genética, la traducción constituye el último paso que materializa la información contenida en el ADN, mediante la descodificación de órdenes que determinan finalmente la secuencia de cadenas polipetídicas concretas. Unas moléculas del tipo ARN transferente actúan como adaptadores encargados de hacer corresponder las distintas órdenes genéticas, transcritas desde el ADN a ARNm, y dirigir la inserción de aminoácidos de forma específica, de tal manera que se establece una correspondencia entre la secuencia de nucleótidos y la cadena de aminoácidos sintetizada, correspondencia que sustenta el concepto de código genético. El orden en el que aparecen los distintos nucleótidos en el ADN es, pues, determinante de la composición del polipéptido que se sintetiza, concretamente, se sabe que cada grupo de tres constituye una orden genética elemental que dirige la inserción de un aminoácido determinado y es conocido como codón. El conjunto de codones responsables de la síntesis de una cadena polipeptídica completa se ordena a lo largo de una secuencia de ADN constituyendo un gen. La síntesis de proteínas tiene lugar en fases. Tres son comunes a otros procesos de síntesis de cadenas complejas: Iniciación, elongación y finalización. En ésta han de considerarse, además, otras fases adicionales: una previa de carácter preparatorio, con la activación de aminoácidos, y otra, posterior a la finalización, que consiste en la maduración y plegamiento del polipéptido formado. En el proceso participan más de un centenar de moléculas distintas, lo que pone de manifiesto su complejidad. Un grupo de ellas se estructuran formando los ribosomas, verdaderas maquinarias de montaje en la síntesis de proteínas en las que
La traducción constituye el último paso para materializar la información contenida en el ADN.
La síntesis de proteínas tiene lugar en tres fases: iniciación, elongación y finalización.
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FUNDAMENTOS DE BIOQUÍMICA METABÓLICA
los diferentes tipos de ARNr desempeñan un papel activo junto a proteínas.
RIBOSOMAS Los ribosomas son orgánulos celulares desprovistos de membrana, constituidos por diferentes tipos de ARN ribosómico (ARNr) y proteínas que dirigen el proceso de síntesis proteica.
Son orgánulos celulares desprovistos de membrana, constituidos en su mayor parte por diferentes tipos de ARN ribosómico (ARNr) y proteínas que actúan, en realidad, como un sistema multienzimático que dirige el proceso de síntesis de proteínas. En las células procarióticas tiene un coeficiente de sedimentación de 70S y está formado por dos subunidades, una grande y otra pequeña, de 30S y 50S, respectivamente (Fig. 24.1). La subunidad pequeña está consituida por un ARNr 16S y 21 proteínas que se identifican de la S-1 a S-21. La subunidad grande la forman dos tipos de ARNr, 5S y 23S, y 34 proteínas que se conocen como L-1 a L-34. En cada una de ellas se localizan puntos críticos donde tienen lugar los diferentes pasos de la síntesis de proteínas. En la porción pequeña, se localiza el punto de unión del ARNm, próximo al extremo 3c de la cadena de ARNr 16S. En esta misma subunidad, en una hendi-
Figura 24.1.– Estructura y composición de los ribosomas.
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SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
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dura se sitúa el punto de unión de los ARNt. La subunidad 50S muestra tres protuberancias. Entre dos de ellas se localiza la actividad peptidiltransferasa, que se encarga de la formación del enlace peptídico entre los aminoácidos, y en la tercera, de aspecto más estilizado, se sitúa el centro GTPasa, que se encarga de dirigir los desplazamientos de ARNm y de transferentes. Ambas subunidades tienen, por tanto, forma irregular, de modo que, cuando se acoplan, dejan entre ellas una hendidura en la que se inserta el ARNm durante la traducción, el cual es leído en dirección 5c-3c. En el ribosoma se delimitan dos regiones en las que participan ambas subunidades, el lugar aminoacilo o locus A, donde se produce la incorporación de los diferentes aminoacil-ARNt durante la síntesis de la cadena polipeptídica, y el peptidilo o locus P, en el que se encuentra el ARNt inmediato anterior unido a la cadena polipetídica en formación, a la espera de la incorporación de un nuevo transferente. En eucariotas, los ribosomas son mayores, con un coeficiente de sedimentación 80S, exceptuando los de las mitocondrias y cloroplastos que mantienen características similares a los de procariotas. Poseen también dos subunidades, la menor de 40S contiene ARNr 18S, y la mayor, 60S, con ARNr 5S, 5,8S y 28S, y en ellos también se delimitan regiones A y P, con funciones específicas durante la síntesis de proteínas.
ACTIVACIÓN DE AMINOÁCIDOS Es una fase preparatoria que tiene un objetivo doble, por una parte, capacitar a los distintos aminoácidos para que puedan ser incorporados a la cadena naciente que se va a sintetizar, mediante su unión a un transportador que es el ARNt; y, por otra, establecer un sistema de correspondencias mediado por el por el propio ARNt, al que se unen de forma específica, a través del cual puede ser interpretado el código genético. Además de los 20 aminoácidos y otros tantos, o más, ARNt, participan en esta fase enzimas aminoacil-ARNt sintetasas, cada una de ellas es específica de la unión de un aminoácido a su ARNt correspondiente, como establecieron Paul Zamecnik y Mahlon Hoagland en 1957. Son enzimas dependientes de ATP y Mg2 que catalizan la reacción:
La activación de aminoácidos permite su incorporación a la cadena peptídica naciente gracias a la unión específica a sus ARNt a través de los cuales puede ser interpretado el código genético.
aminoácido ARNt ATP o aminoacil-ARNt AMP PPi En la que el pirofosfato liberado es hidrolizado a fosfato inorgánico, lo que hace que el conjunto del proceso tenga un
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Tanto el tamaño de los aminoácidos como sus propiedades, juegan un papel preponderante en la unión con el ARNt adecuado.
balance energético favorable. Por lo general existe una sola Aa-ARNt sintetasa para cada aminoácido y, cuando existen varios ARNt para un mismo aminoácido, es una Aa-ARNt sintetasa común la que los une. La reacción tiene lugar en dos pasos, primero se forma un aminoacil-AMP derivado por reacción, en el centro activo, entre el grupo D-carboxilo del aminoácido y el resto fosfato en 5c del AMP con liberación de pirofosfato, procedente del ATP. En el segundo paso, se transfiere el resto aminoacilo desde el aminoacil-AMP a la adenina que constituye el extremo 3c del ARNt correspondiente. Pueden distinguirse dos clases de enzimas, según el curso de esta segunda reacción: en las de clase I, la unión se hace en el hidroxilo 2c-OH del nucleótido 3c terminal del ARNt, y posteriormente es trasladado al 3c por transesterificación. En las de clase II, la esterificación se produce directamente sobre el 3c-OH del ARNt. Cada aminoacil-ARNt sintetasa resulta doblemente específica. Por un lado, lo es de uno de los 20 aminoácidos y, por otro, de un tipo concreto de ARNt. Este hecho es de vital importancia porque permite establecer una línea de correspondencia unívoca entre un aminoácido determinado y una secuencia anticodón, característica del ARNt al que se une; y es en base a esta relación como cada uno de los codones del ARNm, dirige la inserción de un aminoácido específico, a través de la secuencia anticodón del ARNt, a la cual se acoplan. El reconocimiento del ARNt por la aminoacil-ARN sintetasa específica, depende de nucleótidos situados en posiciones críticas (Fig. 24.2), que difieren de un ARNt a otro, localizándose preferentemente en los brazos anticodón y del aminoácido; y se ha demostrado que la alteración de tales nucleótidos modifica la capacidad de reconocimiento específico por parte de la enzima. Otro factor que también influye en el reconocimiento es la configuración adoptada por el ARNt y, en algunos casos, la enzima reconoce la propia secuencia anticodón del transferente. También el tamaño del aminoácido y sus propiedades juegan un papel preponderante en la unión con el ARNt adecuado. La fidelidad con la que tenga lugar el proceso de activación de aminoácidos es esencial para el resultado final de la síntesis, puesto que a partir de entonces no existe comprobación ulterior en la fase ribosómica. Muchas aminoacil-ARNt sintetasas disponen de un segundo centro específico para corrección de pruebas, que hidroliza la unión de aquellos aminoácidos que no sean correctos, sin embargo otras obtienen niveles de precisión elevados con la propia capacidad de discriminación que dispone el centro activo de la enzima.
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SÍNTESIS DE PROTEÍNAS
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Cada aminoacil ARNt sintetasa es doblemente específica, tanto de aminoácido como de ARNt.
Figura 24.2.– Puntos críticos en el reconocimiento del ARNt(Ala) de levadura. (DHU: dihidrouridina; I: inosina; mI: metilinosina; mG: metilguanosina;
