Bioquímica estructural y aplicada a la medicina

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Introduccion

En la historia de la medicina, la bioquímica hace su aparición después de otras disciplinas fundamentales como son la citología, la microbiología, la inmunología, la genética e incluso la farmacología. Muchos fármacos se utilizaron mucho antes de conocer los fundamentos bioquímicos de su acción. Desafortunadamente, la bioquímica hace presencia en la medicina a través de las pruebas de laboratorio, en las que se identifican los componentes de la sangre, la orina v sus variaciones normales y patológicas, de tal suerte que se ha pensado que la bioquímica, como asignatura médica, se limita a los análisis clínicos. Al escudriñar en la causa de las enfermedades se ha pasado desde la etapa de ubicar la enfermedad en un individuo dentro de un grupo; luego, dentro de ese individuo, se localiza el órgano enfermo; con el descubrimiento del microscopio óptico se ha llegado a la localización del tejido afectado dentro de ese órgano. De ahí, con el microscopio electrónico se ha podido identificar el tipo de célula afectada y dentro de la célula, la molécula causante de la enfermedad. Tomando como ejemplo la diabetes, primero se identificó al diabético dentro de otros individuos; el órgano lesionado resultó ser el páncreas; histológicamente se identificaron los islotes de Langerhans v dentro de ese tejido, las células beta; finalmente se identificó la molécula afectada, la insulina. Es decir, se ha identificado desde la causa macroscópica de la enfermedad hasta el nivel molecular de la misma. La genética, que tuvo como genial precursor al fraile Gregor Johann Mendel, dio un paso gigante en los últimos 30 años, cuando se llegó al conocimiento de la base molecular de la vida. En los años anteriores a 1940 se sabía que la herencia radicaba en los cromosomas, pero fue después cuando se reveló el DNA como el constituyente químico de la unidad hereditaria llamada gen. Es decir, cuando W'atson v Crick en 1953 propusieron su modelo de estructura molecular del ácido desoxírribonucleico fue que la genética tuvo el fundamento molecular para explicar el mecanismo de transmisión hereditaria. La bioquímica de los ácidos nucleicos es pues el corazón de la genética. A principios de la década de los 90, el inglés Sir Archibald Garrod introdujo el término "errores congénitos del metabolismo" para designar cuatro entidades patológicas raras: albinismo, alcaptonuria, cistinuria y pentosuria; actualmente se ha hecho extensivo el término a otras en las que se presenta el defecto en una enzima metabólica. Muchos años después Beadle desarrolló el concepto de un gene = una enzima, lo cual establece que las anormalidades genéticas se reflejan ya sea en una proteína estructural, como en las hemoglobinopatías, o en una enzima en las llamadas "enfermedades del metabolismo- como la hípercolesterolemia familiar entre otras La fisiología, estudio de la función corporal, se traslapa casi por completo con bioquímica. La inmunología emplea buena parte de las técnicas bioquímicas par dilucidar la estructura de los anticuerpos y viceversa, muchas técnicas inmunológicas como el radioinmunoensayo han encontrado amplio uso entre los bioquímico La farmacología descansa en un conocimiento sólido de la bioquímica y la fisiologí a Otro importante logro bioquímico fue el descubrimiento del principal mediado: de las respuestas a los estímulos hormonales y nerviosos, el adenosín monofosfato cíclico (AMPc), al que Sutherland, su descubridor, denominó "segundo mensajero lo cual produjo un desarrollo espectacular de la endocrinología y la neuroquímic El papel del sistema nervioso central en la regulación endocrina a través de segui dos mensajeros comunes, ha dado lugar a toda una disciplina consagrada a su estudio, la neuroendocrinología, que ha permitido acercarse cada vez con mayor claridad a la comprensión de la conducta humana desde una perspectiva lindante con el p, coanálisis y la medicina antropológica. Como se mencionó al principio, todas las enfermedades, a excepción de los Página 1

Introduccion traumatismos, son manifestaciones de anormalidades moleculares o de sus reacciono químicas. Las investigaciones bioquímicas en relación con la enfermedad permite r velar sus causas, sugerir tratamientos racionales y eficaces, idear pruebas de labor torio para un diagnóstico temprano y ayudar en la valoración de la respuesta terapéutica. El enorme. avance científico-técníco y sus peligros El positivismo médico ha girado, en todo el siglo XX, alrededor de la búsqueda c la lesión orgánica como fundamento de la medicina objetivadora, aunque hoy se busque a niveles moleculares o bioquímicos, muy diferentes a los sencillos, en cor paración, esquemas celulares investigados por Virchow. Los conocimientos sobre la patología celular gracias al microscopio electrónico, inmunofluorescencia, el microtomo, las técnicas de coloración citoquímicas y la ultracentrifugación, han convertido a la biología molecular en una de las ciencias clave para explicar la causa de las enfermedades. Bioquímica, fisiología, farmacología, microbiología y parasitología se han asociado para lograr una interpretación molecular del daño celular. Con todo, el más espectacular avance de las técnicas diagnósticas en los últimos 60 años ha sido debido a la utilización de aparatos electrónicos y hoy no se puede concebir el saber médico sin la colaboración de tales aparatos, al grado que gran parte de la población ha cambiado su fe religiosa en la curación por una nueva en la capacidad sanadora de dichos ingenios. Los médicos se han visto sometidos en los últimos tiempos a una educación llena de conocimientos científicos, en detrimento de la necesaria y hoy relegada cultura humanística.

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Prefacio

Bioquímica estructural y aplicada a la medicina es un libro de texto. En las nueve unidades de que consta el libro, se intenta introducir al estudiante de medicina por los caminos, aparentemente áridos, de una asignatura poco popular dentro de las que integran el mapa curricular de la carrera de medicina. El primer capítulo o unidad está dedicado a los aspectos bioquímicos de la nutrición. Es decir, cómo adquiere el organismo sus nutrimentos (elementos orgánicos que integran los alimentos), sus valores calóricos y nutritivos, las leyes de la alimentación y cómo elaborar una dieta adecuada. El segundo capítulo aborda el estudio de uno de los nutrimentos esenciales, el agua, así como los electrólitos constituyentes de los líquidos corporales, los mecanismos de control que derivan de la disociación del agua y las sales, el pH y el equilibrio ácido base. Se abordan también en esta unidad las alteraciones más frecuentes del equilibrio hidroelectrolítico y ácido base, explicando las bases bioquímicas de dichas alteraciones. La tercera unidad inicia el estudio de los principios inmediatos con los compuestos más versátiles, las proteínas, y sus constituyentes los aminoácidos. Esta unidad aborda la estructura y funciones de estas moléculas primordiales y prepara el terreno para la siguiente unidad que trata de los compuestos que representan la máxima expresión genética, las enzimas. En la unidad dedicada a las enzimas se estudian estos elementos reguladores que son fundamento esencial de la bioquímica, ya que no podríamos explicar una vía metabólica sin la participación de estos catalizadores biológicos. Como este es un texto con enfoque clínico, se hace particular énfasis en la determinación enzimática como apoyo para el diagnóstico médico y la utilización de las enzimas como reactivos clínicos de laboratorio. La bioenergética, que estudia la manera de utilizar y procesar los nutrimentos energéticos, es abordada de una manera general. Este es un punto de confluencia común del metabolismo de los principios inmediatos. Siguiendo la secuencia expositiva se abordará la estructura, función y metabolismo de carbohidratos, lípidos y aminoácidos, incluyendo los aspectos de digestión, absorción, transporte y distribución, con el fin de explicar los aspectos patológicos que derivan de alteraciones en las vías metabólicas y digestivas de estos compuestos. Finaliza la obra con el estudio de uno de los capítulos más apasionantes de los últimos tiempos, los ácidos nucleicos. En esta unidad se analizan la biosíntesis y degradación de precursores nucleotídicos de ácidos nucleicos y la participación de agentes que bloquean la síntesis y que se utilizan como antineoplásicos. Asimismo, se analizan los mecanismos de excreción de uno de los productos catabólicos, el ácido úrico sus alteraciones y sus alternativas terapéuticas. Se estudian también los mecanismos de acción de algunos antibióticos que actúan sobre la transcripción o sobre la biosíntesis de proteínas. Se termina con la presentación de una de las disciplinas más atractivas de la biología molecular, la ingeniería genética. Esta disciplina basada en tecnología de recombinación del DNA, plantea alternativas para la terapia genética el diagnóstico prenatal y la producción de proteínas homólogas con fines terapéuticos cos y diagnósticos. El nivel de actualización de esta obra permite que pueda ser utilizada como consulta por el médico general o el recién egresado que tenga que prepararse para presentar el Examen Nacional de Residencias Médicas. La principal preocupación durante la preparación del texto de esta edición fue cubrir las necesidades de un curso de bioquímica para estudiantes de medicina. A Página 1

Prefacio los autores se les pidió que los capítulos preparados correspondieran a un libro de texto docente sin pretender que constituyera un compendio de hechos bioquímicos o una revisión de la bibliografía actual. El conocimiento médico crece a un ritmo exponencial; según estudios recientes se publican aproximadamente tres millones y medio de artículos biomédicos anualmente. Además, lo que hoy es verdad, mañana es cuestionable y pasado mañana falso El conocimiento, dicen los chinos, se degrada más fácil que el pescado. El crecimiento de la literatura bioquímica durante los últimos años ha sido superior al de cualquier otra disciplina científica. El problema se agudiza en medicina ya que, de todas 1 ciencias básicas, la bioquímica es la única capaz de ofrecer una explicación completa de la etiología de la mayoría de las enfermedades; a excepción de los traumatismos todas las enfermedades pueden considerarse como moleculares. El enfoque biomédico que se ha dado a esta obra no pretende repetir el esfuerzo realizado por otros, sino conseguir una obra escrita en español. Los alumnos de medicina que estudian bioquímica, se han visto obligados a instruirse en libros escritos en otros idiomas (principalmente en inglés) o utilizar sus versiones traducidas. Además, los casos clínicos que presentan no corresponden con los más frecuentes encontrados en nuestro país. Desafortunadamente el currículum médico disgrega al ser humano en multitud de células que se organizan en tejidos, los cuales integran órganos, los que a su v se estructuran en aparatos y éstos determinan sistemas. Sobre la base de los diferentes aparatos se han estructurado las especialidades médicas. Sin embargo, los procesos metabólicos y bioquímicos de conjunto que rebasan los atributos de u especialidad determinada son la "tierra de nadie", donde se juega con la vida seres humanos. Por ejemplo, se pretende que la "enfermedad coronaria" es un me problema de tubos obstruidos y se desprecian los procesos metabólicos subyacentes. Por esto, se pretende que en la formación del futuro médico, la bioquímica ten el peso específico que le corresponde dentro del currículum y contribuya a darle al clínico el apoyo del conocimiento básico en el abordaje diagnóstico y terapéutico de las enfermedades.

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Contenido Bioquímica Diciembre 2001 Pagina 381 1. PRINCIPIOS BIOQUÍMICOS DE NUTRICIÓN 1.1 Introducción y conceptos generales 1.2 Nutrimentos energéticos 1.3 Nutrimentos no energéticos 1.4 Gasto calórico o energético 1.5 Aporte calórico de nutrimentos energéticos 1.6 Prescripción y realización del régimen alimentario 2.AGUA Y ELECTRÓLITOS EQUILIBRIO HIDROELECTROLÍTICO Y ÁCIDO BASE 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

Propiedades fisicoquímicas y fisiológicas del agua Electrólitos Regulación del equilibrio hidroelectrolítico Desequilibrio hidroelectrolítico. Alteraciones del equilibrio hídrico Regulación del equilibrio ácido base Desequilibrio ácido base

3. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS 3.1 Aminoácidos como constituyentes de las proteínas 3.2 Enlace peptídico 3.3 Péptidos 3.4 Proteínas 3.5 Relación entre estructura y función 3.6 Métodos de separación y análisis 3.7 Proteínas de importancia médica 4. ESTRUCTURA FUNCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS 4.1 Conceptos generales 4.2 Estructuras de las enzimas 4.3 Nomenclatura y clasificación de las enzimas 4.4 Localización y distribución de las enzimas 4.5 Mecanismo de acción 4.6 Regulación enzimática 5. BIOENERGÉTICA 5.1 Conceptos generales 5.2 Reacciones de oxidorreducción 5.3 Cadena respiratoria : 5.4 Fosforilación (formación de ATP) 5.5 Ciclo de Krebs 6. ESTRUCTURA FUNCIÓN Y METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS 6.1 Introducción 6.2 Clasificación general y nomenclatura 6.3 Monosacáridos 6.4 Oligosacáridos 6.5 Polisacáridos 6.6 Digestión y absorción de carbohidratos 6.7 Transporte y distribución de carbohidratos 6.8 Glucólisis 7.LIPIDOS 7.1 Estructura de los lípidos : 7.2 Función de los lípidos 7.3 Clasificación 7.4 Lípidos simples 7.5 Lípidos complejos : Página 1

Contenido 7.6 Digestión y absorción de lípidos 7.7 Transporte y distribución de lípidos 7.8 Metabolismo de lípidos 8. METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS 8.1 Utilización de aminoácidos 8.2 Destino metabólico de los aminoácidos en el organismo 8.3 Alteraciones del metabolismo de los aminoácidos 9.ÁCIDOS NUCLEICOS Y BIOSÍNTESIS DE PROTEÍNAS 9.1 Introducción 9.2 Estructura de los componentes químicos de los ácidos nucleicos 9.3 Metabolismo de bases púricas y pirimidémicas 9.4 Estructura de DNA y RNA 9.5 Replicación transcripción y traducción de la información genética 9.6 Regulación de la expresión genética 9.7 Biología molecular e ingeniería genética Abreviaturas que se utilizan con mayor frecuencia en esta obra Índice alfabético

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ganismo que lo utiliza y no del nutrimento. Esta función se encuentra principalmente a Así, la vitamina C es un nutrimento dispensa- cargo de carbohidratos y lípidos, y en menor ble en la dieta de los rumiantes, pero indis- proporción de las proteínas. La energía así pensable en la dieta de los primates, pues los obtenida se emplea para producir calor en el primeros son capaces de sintetizar ácido as- proceso de termogénesis, o bien para producir córbico, mientras que los segundos han per- trabajo. Los tipos de trabajo más importandido esa habilidad. tes desarrollados por el organismo humano Así, los nutrimentos pueden clasificarse son: mecánico (contracción muscular), elécen esenciales y no esenciales. Los nutrimen- trico (potenciales de acción), químico (síntos esenciales son sustancias que forman tesis de macromoléculas), y osmótico parte de la materia orgánica, cuya ausencia (formación de líquidos hipertónicos). La del régimen alimentario o su disminución energía utilizada para estos procesos debe por debajo de un límite mínimo ocasionan, ser obtenida de las oxidaciones biológicas después de un tiempo variable, una enfer- en forma de energía químicamente útil conmedad carencial. Esto se debe a que el orga- tenida en un compuesto donador universal nismo no los puede sintetizar a partir de de energía, el adenosíntrifosfato (ATP). sustancias que le son propias, siendo por lo Después de su uso, esta energía se transfortanto obligatoria su ingestión a determina- ma en calor. Por lo tanto, toda la energía dos niveles. Dentro de ellos tenemos algu- contenida en los alimentos y utilizada en el nos aminoácidos, ácidos grasos insaturados, organismo va a ser transformada a final de vitaminas, sales minerales y agua. Los nutri- cuentas en calor. Este hecho es de gran utilimentos no esenciales son sustancias consti- dad al abordar el tema del balance energético. tuyentes de la materia orgánica que pueden Reguladora. Consiste en la contribución a ser obtenidas a partir de otras que le son pro- la modulación de las reacciones químicas pias. Dentro de ellos está cualquier sustancia que forman parte del metabolismo celular. no incluida en los nutrimentos menciona- La función se encuentra a cargo de proteídos antes. nas, vitaminas y sales minerales, ya que ésPor lo que respecta al criterio químico, tas son nutrimentos que forman parte de la para clasificar a los nutrimentos, probable- estructura de las enzimas, las cuales son las mente es más adecuado utilizar un criterio moléculas reguladoras por excelencia. Esta bioquímico a partir de la identificación de última función permite que se lleven a cabo las unidades estructurales mínimas que utili- las dos anteriores. za la célula en el metabolismo intermedio. El oxígeno es un caso especial dentro de Desde el punto de vista nutritivo, los nu- los nutrimentos. Su esencialidad es evidente trimentos desempeñan las siguientes funcio- e innegable. El hombre tarda minutos en morir por falta de oxígeno, 2 a 3 días sin nes: Plástica. Consiste en la formación de es- agua y semanas, meses o años por carencia tructuras propias y específicas del organis- del resto de los nutrimentos. mo. Se encuentra fundamentalmente a cargo En los seres aerobios, el oxígeno es una de las proteínas pero también intervienen los molécula indispensable para la vida, funciolípidos y algunos minerales. Esta función nando como un receptor de electrones y propermite el crecimiento, mantenimiento y re- tones dentro de la cadena respiratoria. En los paración de los tejidos. organismos pequeños, la difusión del oxígeEnergética o calórica. Consiste en la ob- no a través de su superficie basta para oxigetención de energía a partir de las oxidacio- nar sus tejidos; en los organismos grandes se nes biológicas de los principios inmediatos. requieren sistemas especiales de transporte

de este gas. Para el hombre este sistema está constituido por el aparato respiratorio que tiene una superficie interior 40 veces más grande que la superficie externa. El oxígeno molecular es el único nutrimento que no se obtiene a través de los alimentos.

aminoácidos, algunos ácidos grasos, las vitaminas, algunos oligoelementos y el agua, se le conoce también como ley de la calidad y se le ha relacionado no sólo con la carencia, sino también con el exceso de algunos nutrimentos, como el colesterol, lo que también provoca la aparición de enfermedades. 3. Ley de la armonía (armónica). Se refiere a que los nutrimentos contenidos en los 1.1.4 Leyes de la alimentación alimentos deben guardar una relación de "Una comida bien equilibrada es proporción tal que respeten el aporte que les como una especie de poema al corresponde a cada uno en 24 horas. Obviadesarrollo de la vida" mente esta ley hace referencia tanto a los nutrimentos energéticos, carbohidratos, lípidos Anthony Burgess y proteínas, los que deben ingerirse en un determinado porcentaje con respeto al total Antes de enunciar estas leyes, conviene in- calórico diario, como a los nutrimentos no sistir en que alimentación normal es la que energéticos, como algunos oligoelementos permite al que la consume mantener las ca- (Ca, P, Cu, Fe, etc.), los que deben ingerirse racterísticas bioquímicas peculiares de la sa- respetando cierta relación entre sí. Tal es el lud y del momento de desarrollo en que caso de la relación Ca/P que debe ser igual o vive; permite perpetuar a través de genera- superior a la unidad y de la relación Cu/Fe ciones los caracteres del individuo y de la que debe ser cercana a 0.10. especie, para lo cual debe mantener la comLey de la adecuación (adecuada). Se reposición normal de tejidos y órganos, permi- fiere a que los nutrimentos ingeridos deben tir el funcionamiento de aparatos y sistemas, estar en relación con la edad y el estado ficapacitar al sujeto a gozar de una sensación siológico de los individuos, resulta obvio de bienestar que lo impulse al trabajo y a la que no va a tener el mismo aporte de nutrialegría, asegurar, en su caso, la posibilidad mentos un adulto que un recién nacido. de la reproducción y favorecer la lactancia. Por otro lado, dicho aporte debe ser adePara lograr todo lo anterior, la alimenta- cuado no sólo a la fisiología del aparato dición debe cubrir los requisitos que se resumen gestivo, sino del organismo en su totalidad, en las siguientes leyes de la alimentación: pues si bien es cierto que para un individuo 1. Ley de la cantidad {suficiente). Se re- sano una dieta normal es la adecuada, para fiere a que los nutrimentos contenidos en los un enfermo una dieta adecuada puede no ser alimentos deben estar en las cantidades ca- la "normal". lóricas mínimas requeridas para satisfacer 5. Ley de la pureza (pura). Los alimentos las exigencias energéticas del organismo y deben estar libres de gérmenes patógenos mantener su equilibrio. y sustancias tóxicas. Hay autores que no 2. Ley de la calidad (completa). Se refie- aceptan esta ley por considerar que está re a que los alimentos deben contener los incluida dentro de la anterior (adecuación). nutrimentos necesarios para evitar la apari- Si bien es cierto que el cumplimiento de esción de enfermedades carenciales. Dicho de tas leyes es la base de una alimentación otro modo, el régimen alimentario debe pro- "equilibrada" o normal, también lo es que su porcionar los requerimientos necesarios de incumplimiento conlleva a la malnutrición. nutrimentos esenciales, como son: algunos Debemos tener en cuenta que debido a la

interrelación de estas leyes, la violación de una de ellas, afecta necesariamente a las demás. 7.2.5

Malnutrición "Cualquiera que haya sido el padre de un padecimiento, la madre fue una dieta pobre" George Herbert (1660)

Es el detrimento de la salud que se presenta como consecuencia de una deficiencia o exceso de nutrimentos. Este término incluye dos grandes grupos de enfermedades nutricionales- metabólicas que Mann ha denominado tipo I y II.

Malnutrición tipo I. Incluye a las enfermedades nutricionales por exceso de uno o más nutrimentos y generalmente de calorías con respecto a las necesidades fisiológicas del individuo. En la Fig. 1.2, se muestra su complejo mecanismo de producción. Malnutrición tipo II. Incluye las enfermedades nutricionales por "déficit" y se define como la deficiencia de calorías y/o uno o más de los nutrimentos con respecto a las necesidades fisiológicas del individuo. En la Fig. 1.3 se muestra su mecanismo de producción. Aunque una alteración en la absorción de nutrimentos (vgr.: síndrome de mala absorción) o un exceso en la eliminación de los mismos (vgr.: síndrome diarreico) son causas de este tipo de malnutrición como se muestra en la Fig. 1.3, la causa más frecuente es, sin embargo, el déficit en la ingestión

Figura 1.3 Malnutrición tipo II.

de tales nutrimentos. Resulta entonces que, desde el punto de vista médico, la mayor parte de casos de malnutrición tipo I y II son evitables si se da una alimentación equilibrada. Esto significa respetar las leyes de la alimentación, o de otro modo, tener un aporte adecuado en nutrimentos energéticos y nutrimentos no energéticos. MODELO CLÍNICO: Marasmo Niño de 18 meses de edad, de padres con nivel socioeconómico bajo, producto de parto distócico, sin control prenatal y con peso aproximado de 2200 g. Fue alimentado al seno materno hasta los dos meses continuando con dieta hipoproteica e hipoenergética.

El padecimiento actual lo inició hace un año con pérdida de peso, retraso del crecimiento y cuadros repetidos de rinofaringitis. A la exploración física se encontraron los siguientes valores: peso 9 kg, talla 74 cm. FC 110 x min. FR 32 min., temperatura 36.4°C, TA 70/60. A su ingreso, el paciente se encontró consciente, adelgazado, con palidez de tegumentos, pupilas normorrefléxicas, hipotonicidad de globos oculares, mucosa oral regularmente hidratada, faringe congestiva, turgencia de piel disminuida, ruidos cardiorrespiratorios normales, abdomen blando y dolores en marco cólico, peristalsis aumentada, sin edema en las extremidades. El laboratorio reporta = Hb 7g. Ht 2 1 , CPS uncinaria.

MODELO CLÍNICO: Kwashiorkor Niña de 4 años. de edad, de padres con nivel socioeconómico bajo, producto de gestación a término, sin control prenatal, parto eutócico atendido en casa, nació con peso aproximado de 2,300 g. Fue alimentada al seno materno hasta los dos años, ablactación a los 9 meses con alto contenido en almidones y féculas. El padecimiento actual lo inició hace un año, con pérdida de peso y retraso del crecimiento, asociado a infección de vías respiratorias y digestivas. Por exploración física se encontraron los siguientes valores: peso 12 kg., talla 90 cm, FC 100 x min, FR 26 x min, temperatura 36°C, TA 80/60. A su ingreso, la paciente se encontraba con marcado adelgazamiento, palidez de tegumentos y decaída. Se apreciaron lesiones angulares en comisuras palpebrales, pupilas normorrefléxicas, hipotonicidad de globos oculares, narinas con rinorrea hialina, conductos auditivos sin alteraciones, mucosa oral regularmente hidratada, faringe hiperémica, turgencia de piel disminuida, ruidos cardiorrespiratorios normales, hepatomegalia, peristalsis aumentada y edema de extremidades. Los exámenes de laboratorio reportan: Hb 9 g, Ht 27, CPS Giardia lamblia, albúmina 2 g, relación A/G 2/1, urea 14 mg. A fin de aportar al organismo los requerimientos energéticos, un individuo debe consumir macronutrimentos, es decir, carbohidratos, grasas y proteínas. 1.2 NUTRIMENTOS ENERGÉTICOS 1.2.1

Carbohidratos

Los carbohidratos son los compuestos orgánicos más abundantes y ampliamente distribuidos en la naturaleza; por ello son la fuente de alimentación más abundante y accesible para el ser humano. El sol es la fuen-

te primaria de energía para los organismos vivientes. Por un proceso complejo conocido como fotosíntesis los vegetales sintetizan carbohidratos a partir del bióxido de carbono del aire y del agua del suelo; estos carbohidratos se almacenan bajo la forma de almidón o forman parte de la estructura del soporte vegetal como celulosa. El uso de carbohidratos en la alimentación humana representa varias ventajas. El rendimiento de energía por superficie de tierra cultivada es mucho mayor para alimentos vegetales que para alimentos animales porque el animal debe primero convertir la energía de los vegetales que consume en proteínas y grasas. Por estas razones los alimentos ricos en carbohidratos son menos costosos. La estructura química de este importante grupo de nutrimentos se tratará en la VI Unidad. FUENTES. Los carbohidratos se encuentran abundantemente en los siguientes grupos de alimentos: semillas secas de cereales (maíz, trigo y arroz), semillas maduras de leguminosas (frijol, haba, garbanzo, lenteja, alverjón, soya), tejidos vegetales frescos (raíces, tallos, frutas), mieles, azúcar de caña y chocolates. Funciones en la nutrición. La función más importante de los carbohidratos es la energética, pues es bien sabido que las células al oxidar la glucosa obtienen la mayor parte de la energía que necesitan para sus procesos vitales. Además de este glúcido de uso energético inmediato existe el glucógeno, que representa una reserva energética a corto plazo pues es almacenado en los tejidos hepático y muscular, desde los que puede ser movilizado para satisfacer durante algunas horas las necesidades calóricas del organismo. Existen otros carbohidratos cuya función básica es estructural como la desoxirribosa que forma parte del ácido desoxirribonucleico (DNA), la ribosa del ácido ribonucleico

(RNA) y la galactosa que forma parte de la colágena y los galactocerebrósidos, entre otros. Es importante mencionar dentro de los carbohidratos al ácido ascórbico (vitamina C) y al inositol que si bien no dan lugar a energía, cumplen una función imporante; el primero interviene activamente en las reacciones de oxidorreducción, en la síntesis de colágena y como modulador de la transcripción genética, mientras que el segundo interviene en la síntesis de inositolípidos (fosfolípidos). Aquellos nutrimentos no son sintetizados por el hombre. El almidón es un polisacárido que al digerirse libera glucosa y su contribución al contenido de energía de la dieta es muy valiosa. Por sí solo representa el 60% al 65% del peso seco de una dieta; es por lo tanto, el componente más abundante de una dieta normal. En 1975, Burkitt y Trowell introdujeron el término fibras de la dieta para referirse a aquellos componentes de material vegetal que no son digeridos por las enzimas digestivas del hombre, como son la celulosa, los P-glucanos, las hemicelulosas, las pectinas, las gomas y la lignina (aunque esta última no es un carbohidrato). El interés actual por las fibras como un componente importante de la dieta surge de la asociación epidemiológica entre una elevada ingestión de una fibra y la menor incidencia de cáncer de colon, diabetes y enfermedades coronarias. Dentro de las funciones de la fibra se pueden mencionar la modulación de la respuesta glucémica, la disminución de la absorción de colesterol y la regulación de la velocidad del tránsito intestinal, lo que permite dar a las heces su consistencia característica y evitar la aparición de estreñimiento. Actualmente se considera deseable que la dieta contenga entre 20 y 30 g de fibra. Cantidad. Como son los nutrimentos más abundantes en la naturaleza y los más asequibles económicamente, en los países subdesa-

rrollados la alimentación es fundamentalmente glucídica. En los Estados Unidos de Norteamérica proporcionan entre el 40 y 50% de las calorías totales de la alimentación; en tanto que en los países mediterráneos proporcionan entre el 50 y 70% y cuando hay escasez de grasas y proteínas pueden proporcionar hasta el 80%. Consideramos que en México proporcionan el 60% del total calórico. Para un varón adulto, joven, de vida media activa y de 70 kg. de peso, la necesidad de ellos sería de 6.2 g/Kg/día (Tabla 1.5). Calidad. No son nutrimentos esenciales puesto que en el proceso metabólico de la gluconeogénesis se pueden obtener carbohidratos de algunos aminoácidos, así como de la fracción glicerol de las grasas; sin embargo, para este proceso se necesita algo de carbohidrato preformado por lo que se considera que un mínimo de 5 g de carbohidratos por 100 cal. de la dieta total son necesarios para impedir la aparición de cetosis debida fundamentalmente a la movilización orgánica de grasas para las oxidaciones biológicas cuando no hay buena disposición de glúcidos. La tendencia actual incide en una ingestión de carbohidratos que corresponda con un 60% de las calorías totales, de las cuales 50% provenga de azúcares complejos y naturales y 10% de azúcares refinados. Reserva. Se calcula que en un hombre adulto joven de 70 kg de peso existen, según se ilustra en la Tabla 1.6, alrededor de 1500 calorías almacenadas en forma de carbohidratos. Si consideramos, de acuerdo con nuestro caso ejemplo, el gasto diario de energía en alrededor de 3000 calorías, vemos que los carbohidratos almacenados proporcionan energía tan sólo para 12 horas. 1.2.2 Lípidos Los lípidos o grasas son un conjunto heterogéneo de moléculas orgánicas. Su característica común es la de ser insolubles en agua

y solubles en disolventes orgánicos no polares, como cloroformo, éter, benceno y otros. No obstante, a este grupo pertenecen los fosfolípidos y glucolípidos que tienen la característica peculiar de ser parcialmente solubles en agua y en solventes oleosos; es decir, no son ni hidrófobos ni hidrófilos, son antipáticos. Una sustancia anfipática es aquella que posee grupos químicos afines al agua y grupos afines en grasas, en la misma molécula. Es justamente a esta característica que se debe una de las principales funciones de los lípidos, la de formar membranas. La importante separación de las células y de las estructuras subcelulares en compartimientos acuosos separados se consigue mediante el uso de membranas. Por otro lado, los lípidos son moléculas con un número relativamente alto en átomos de carbono, con abundancia de hidrógeno y pobres en átomos de oxígeno. Esta abundancia de hidrógeno los hace ser de alto contenido energético (como los hidrocarburos). Su almacenamiento en forma de triacilgliceroles triglicéridos) es más eficiente y cuantitativa-

mente importante que el almacenamiento de los glúcidos en forma de glucógeno. Un gramo de lípido proporciona 9 kcal; compárese con las 4 kcal por gramo de los carbohidratos. Fuentes. Los grupos de alimentos que más lípidos contienen son las oleaginosas, grasas y aceites, y lacticíneos. El huevo de gallina contiene grasas y proteínas, además de algunas vitaminas y hierro; es una fuente habitual de colesterol, por lo que se debe evitar el abuso en su consumo. Funciones en la nutrición. Las grasas utilizadas para preparar los alimentos les confieren apetibilidad y buen sabor con lo que facilitan la digestión de los nutrimentos al aumentar las secreciones digestivas. Las grasas dietéticas son el vehículo utilizado por las vitaminas liposolubles para su absorción y transporte. Los fosfolípidos y otras grasas desempeñan una importante función estructural, pues son componentes indispensables de la unidad de membrana, por lo que debido a las características propias del tejido nervioso, intervienen significativamente en la estructura de tal sistema.

Desde el punto de vista energético los triglicéridos son la principal reserva calórica del organismo, pues al ser movilizados desde el tejido adiposo tanto el glicerol como los ácidos grasos que los constituyen, pueden ser utilizados como fuentes de energía por las células de la economía. El glicerol puede ingresar a la gluconeogénesis y ser convertido a glucosa. Un riesgo inherente a la amplia movilización de grasas es la gran producción de Acetil-CoA, con la subsecuente derivación a cuerpos cetónicos que originan cetonemia y acidosis metabólica, lo que no ocurre cuando se movilizan carbohidratos o proteínas. A pesar de ello, el organismo prefiere almacenar lípidos y degradarlos cuando sea necesario, pues además de que por gramo de peso son los que contienen más calorías, debido a su carácter apolar rechazan el agua, por lo que se pueden acumular en un menor espacio que el que les correspondería a carbohidratos y proteínas pues ambos son polares y al almacenarse llenarían mucho espacio con el agua que atraen. Cantidad. Las cantidades lipidíeos ingeridas en la dieta de los diversos países son muy variadas. Así, por ejemplo, en los países industriales de Occidente, las grasas proporcionan alrededor de 40% del total de

calorías en 24 horas, en tanto que en los países de Oriente la grasa suministra solamente 8-10% del total calórico. La American Heart Association recomienda que la energía derivada de las grasas no exceda de 35% del consumo diario total, considerándose como promedio aceptable el 25 %. Aunque el contenido de grasas tiende a aumentar con las necesidades energéticas, pues los individuos que realizan trabajo físico intenso seleccionan espontáneamente dietas más ricas en grasa, es preferible respetar las recomendaciones anteriores. Esto significa que para un varón adulto joven, de 70 kg de peso y de vida media activa, se requiere la ingesta de 1.2 g/kg/día de lípidos (Tabla 1.5). Calidad. Algunos ácidos grasos poliinsaturados son considerados como nutrimentos esenciales para el hombre. Estos tienen influencia sobre los niveles séricos de colesterol (y subsecuentemente sobre la incidencia de enfermedades cardiovasculares), los que disminuyen cuando el contenido dietético de grasas insaturadas prevalece sobre el de grasas saturadas. Los requerimientos en cuanto a la calidad de los lípidos dietéticos serán satisfechos si del total de ácidos grasos ingeridos 1/3 son saturados totales, 1/3 monoinsaturados y 1/3 poliinsaturados; o bien si del total de calorías ingeridas, el 1 % le corresponde a

los ácidos grasos esenciales. Una guía para seleccionar una dieta lipídica que se ajuste a estos requerimientos se proporciona en la Tabla 1.7.

Reserva. Como ya se dijo, el tejido adiposo es una importante reserva energética para el organismo. Tomando en cuenta que los lípidos constituyen alrededor del 12% del mismo,

cada kilogramo de peso corporal contiene 1,116 Cal en forma de grasa por lo que un hombre de 70 kg tiene en su tejido adiposo una reserva de 78,120 kcal. Sin embargo, según Cahill, en este individuo hay una cantidad de grasa total (15 kg) que equivale a 139,000 kcal. Atendiendo a este último dato y suponiendo que el consumo energético fuera de 3,000 kcal, la energía almacenada en forma de grasa constituye una reserva para 46.5 días. 1.2.3

Proteínas y aminoácidos

Las proteínas constituyen, sin duda, uno de los nutrimentos de mayor trascendencia en los seres vivos. Desempeñan una amplia variedad de funciones que determinan en gran parte la actividad metabólica y morfología de los seres vivos. No en vano Berzelius sugirió que a la sustancia compleja que describiera Mulder en 1838 se le llamara proteína, palabra griega que significa "primordial" o "primer lugar". El químico holandés Mulder al describir el material orgánico en cuya composición intervenía el nitrógeno mencionó que era "sin duda la más importante de todas las sustancias conocidas en el reino orgánico, sin la cual no parece posible la vida sobre nuestro planeta". Actualmente se conserva el nombre de proteína para designar un grupo de sustancias que son los principales constituyentes nitrogenados de todos los organismos animales y vegetales. Decir que las proteínas son más importantes que cualquier nutrimento no es apropiado, ya que, en el estudio de la nutrición, cualquier suministro dietético inadecuado o que interfiera en la utilización de cualquier nutrimento es de graves consecuencias. En este siglo se han discutido y debatido constantemente las necesidades y aportes de proteínas. Ningún otro nutrimento ha estado sujeto a semejante inspección minuciosa. La

valoración más completa sobre este punto se encuentra en el informe de 1985 sobre Energía y Necesidades Proteicas preparado por la Organización de Alimentación y Agricultura (FAO), la Organización Mundial de la Salud (OMS) y la Universidad de las Naciones Unidas (ÜNU). No obstante, el "Kwashiorkor" y el "marasmo" así como estados más benignos de estas enfermedades siguen siendo el principal problema nutricional de los países en desarrollo del mundo. Literalmente, millones de niños son víctimas de estas enfermedades en Asia, África, América Central, Las Indias Occidentales y Sudamérica. Muchas personas no consumen las suficientes proteínas, ya sea por ignorancia en la selección de una buena dieta o por falta de dinero para comprar alimentos que contengan proteínas, que generalmente son los nutrimentos más caros de la dieta. Fuentes. Las proteínas se encuentran fundamentalmente en huevos, leche y derivados lácteos, y algunas carnes (hígado y riñon), que contienen proteínas de excelente calidad; otras carnes (tejido muscular) de aves y pescados, y algunas leguminosas (como el frijol de soya), contienen proteínas de buena calidad; los cereales, las harinas, la mayor parte de los tubérculos y raíces vegetales, contienen proteínas de mediana calidad y la mayor parte de frutas y vegetales son alimentos de bajo contenido proteico. Funciones en la nutrición. Las proteínas desempeñan una amplia variedad de funciones dinámicas dentro de la nutrición. La más importante es la función catalítica que se lleva a cabo a través de enzimas, todas ellas de naturaleza proteica y que participan en la mayor parte de las reacciones químicas celulares. La hidrólisis a la que son sometidos los nutrimentos en el proceso de digestión es función enzimática. La absorción de moléculas simples hacia el citoplasma de la célula como es el caso de la glucosa, se lleva a cabo por proteínas que se encuentran en la membrana de las células epiteliales del in-

testino. Otra función dinámica de las proteínas en la nutrición es el transporte. Ejemplo de ello es la hemoglobina que lleva a cabo funciones de primordial importancia en el transporte de oxígeno a los tejidos y en el equilibrio ácido base. Otras proteínas plasmáticas participan en el transporte de numerosas sustancias como los lípidos que se encuentran en el torrente circulatorio en forma de lipoproteínas. Igualmente algunos oligoelementos como el cobre, el hierro y otras moléculas, son trasladados unidos a proteínas debido a su carácter polar que las hace fácilmente solubles en el plasma. En general las proteínas de los alimentos proveen de aminoácidos para la formación de proteínas corporales con lo que se pueden resintetizar los tejidos que constantemente están en degradación. Las proteínas tienen otras múltiples funciones en el metabolismo como es la de regulación a través de hormonas de naturaleza proteica. Las proteínas plasmáticas son fundamentales en la regulación de la presión osmótica y en el mantenimiento del equilibrio hidroelectrolítico como es el caso de la albúmina que por su poder hidrofílico retiene líquido dentro de los capilares evitando que el agua pase al espacio intersticial con lo que se produciría edema. El carácter anfotero de las proteínas se refiere a la capacidad que éstas tienen para captar y/o liberar hidrogeniones del medio que los contiene, regulando así el equilibrio ácido básico de los líquidos corporales. Existen además proteínas con función protectora como las inmunoglobulinas en las cuales radica la llamada respuesta inmune, es decir, todas las acciones en respuesta al material extraño. Otras participan en los mecanismos de reconocimiento como es el caso de los receptores membranales o citosólicos. Algunas otras tienen función estructural, tal es el caso, entre otras, de la colágena que interviene en la estructura del tejido conectivo y la queratina que forma

parte de la piel y sus anexos. Finalmente no debe olvidarse el papel energético de las proteínas, pues algunos aminoácidos pueden ingresar a las vías oxidativas proporcionando así energía para las funciones celulares. Cantidad. Una cantidad mínima de proteínas es indispensable en la dieta para asegurar la renovación de proteínas de los tejidos, que constantemente experimentan destrucción y resíntesis. A menudo se hace referencia a esto como la cuota de desgaste. Sin embargo, el requerimiento de proteínas aumenta considerablemente con las demandas del crecimiento, cuando se incrementa el metabolismo (como sucede en los síndromes febriles), en las quemaduras, después de traumatismos, en el embarazo y la lactancia. Se acepta que las proteínas deben cubrir entre el 10 y el 15% del total de calorías diarias ingeridas. Esto significa que para mantener el balance nitrogenado en equilibrio correspondiente a un hombre adulto joven de 70 kg de peso, se requiere un mínimo proteico de 0.56 g/kg. Sin embargo, considerando que no toda la proteína ingerida se absorbe y no toda la absorbida se retiene, se acepta que la ingesta proteica promedio sea de 1 g/kg/día. (Tabla 1.5.). En el niño y en el adolescente se recomienda, en cambio, una ingesta de 1.5 a 2 g/kg/día. Aminoácidos esenciales y no esenciales. Osborne y Mendel en 1915 demostraron la importancia de la composición de aminoácidos de las proteínas al observar que las ratas no crecían o incluso morían al omitir en sus dietas algunos aminoácidos. Posteriormente, el Dr. William C. Rose estableció que esto también es cierto en los seres humanos. Por consiguiente, desde el punto de vista nutritivo, se clasificaron los aminoácidos en esenciales, aquellos que el organismo no puede sintetizar a partir de moléculas propias, y no esenciales, los que puede sintetizar y cuya presencia no se hace obligatoria en la dieta. Estrictamente hablando, todos los aminoáci-

dos son unidades esenciales para la síntesis de una proteína. No debe permitirse que la clasificación nutricional, basada en las necesidades dietéticas, oscurezca la importancia de los aminoácidos no esenciales; la alanina, por ejemplo, es un importante transportador no tóxico de nitrógeno liberado durante la degradación de los aminoácidos en los tejidos periféricos, desde donde lo transporta al hígado para ser transformado en urea. La glutamina es esencial para el mantenimiento del equilibrio ácido-base en el riñon, además de ser un amortiguador importante de amoniaco. Aminoácidos como la tirosina y la cistina, que habitualmente son sintetizados en cantidades adecuadas por el organismo a partir de sus precursores, fenilalanina y cisteína respectivamente, suelen designarse a menudo como semiesenciales, término contradictorio en sí mismo. Recientemente Chipponi y Cois. (1982) propusieron el concepto de condicionalmente indispensable para sustancias que no son esenciales en circunstancias normales, pero que por una alteración metabólica o por el estado fisiológico del organismo pueden no sintetizarse en cantidades suficientes para satisfacer las necesidades orgánicas. Por ejemplo, arginina e histidina, a pesar de ser sintetizados por el organismo, durante el crecimiento no tienen una tasa de

formación suficiente para satisfacer las necesidades fisiológicas. Podría aplicarse también a la cistina y a la tirosina en lactantes prematuros, probablemente a la taurina, y posiblemente a la carnitina. El adulto humano requiere de ocho aminoácidos esenciales (Tabla 1.8) y los niños en crecimiento necesitan hasta diez. Además de ser las unidades estructurales de todas las proteínas, los aminoácidos también tienen funciones específicas en el organismo. El triptófano sirve como precursor de la niacina, una de las vitaminas del complejo B, y de la hormona serotonina; la metionina proporciona grupos metilo para la síntesis de colina, compuesto que ayuda a prevenir el almacenamiento de grasa en el hígado y constituyente de un tipo de fosfolípidos. La glicina contribuye a la formación del anillo porfirínico de la molécula de hemoglobina y constituyente también importante de las purinas y pirimidinas, necesarias para la síntesis de ácidos nucleicos. La fenilalanina y tirosina son precursores de las hormonas (y neurotransmisores) adrenalina, noradrenalina, dopamina y tiroxina; y la histidina de la cual se forma la histamina. Las proteínas son también fuente potencial de energía, igual que lo son carbohidratos y grasas; cada gramo de proteína produce un

promedio de 4 kcal. La energía que necesita el cuerpo tiene prioridad sobre otras necesidades y si la dieta no proporciona suficientes calorías de grasas y carbohidratos, las proteínas de la dieta y las de los tejidos serán catabolizadas para obtener energía. Sin embargo, cuando los aminoácidos se utilizan para obtener energía, se pierden para propósitos de síntesis; inversamente, cuando los aminoácidos son incorporados a la molécula de proteína, no proporcionan energía hasta que las proteínas de los tejidos son nuevamente catabolizadas. Calidad. La calidad nutricional de una proteína, es decir, la cantidad que se requiere para cubrir las necesidades de aminoácidos esenciales en comparación con una que sea muy fácil de digerir y que proporcione aminoácidos en las cantidades requeridas, depende de su composición de aminoácidos y la facilidad con que se digiere. Hace algunos años la Organización de Alimentos y Agricultura (FAO) a través de su Comité de Nutrición describió el requerimiento de proteínas en término de un patrón de referencia de aminoácidos. La proteína de referencia sería aquella que produzca un gramo de tejido por cada gramo consumido; o sea, tendría un valor biológico de 100. Después de una serie de investigaciones, se encontró que los patrones de aminoácidos en la leche humana y en el huevo entero corresponden a los patrones requeridos por los humanos. Así en 1965 un Comité conjunto FAO/OMS recomendó que estas proteínas se utilizaran como patrones de referencia. En 1985, un informe FAO/OMS/UNU da a las necesidades de aminoácidos, valores que son prácticamente idénticos a los propuestos con anterioridad. Sin embargo, el comité propuso distintos patrones de puntuación de los aminoácidos para lactantes, niños y adultos, lo cual no ha sido aceptado en su totalidad, ya que no hay necesidad de ajustar los aportes proteicos de los adultos según la calidad de las proteínas. Por tanto,

sería preferible usar un solo patrón, basado en las necesidades del grupo más vulnerable, los niños pequeños. Con relación a los adultos, se reconoce que sus necesidades de aminoácidos son extremadamente bajas y que requieren más bien de proteínas desequilibradas, como las de la harina de trigo, que de las procedentes de la leche o ios huevos para conseguir un balance nitrogenado. Desde el punto de vista de la calidad de una proteína, es importante considerar la digestibilidad, el valor biológico y la utilización neta de las proteínas. Digestibilidad (D). Se refiere a la proporción en que se absorbe una cierta cantidad de proteína con respecto a la ingerida. A mayor absorción mayor digestibilidad de la proteína, de tal manera que si se absorbe toda, su digestibilidad será del 100%. Este valor se determina investigando la excreción fecal de nitrógeno en relación con el nitrógeno ingerido en forma de proteína. Considerar que 1 g de nitrógeno representa 6.25 g de proteínas. Digestibilidad = N ingerido-Nfecal N ingerido

x lQQ

Valor biológico (VB). Se refiere a la proporción de nitrógeno proteico retenido en el organismo con respecto al absorbido. Se determina considerando la ingestión y la pérdida de nitrógeno bajo condiciones controladas. ., , ,. ,. . N ingerido - (Nfecal+Nurinario)L .__ Valor biológico = &——-—i—f ——; x 100 TV ingerido - N fecal

A mayor valor biológico de la proteína, mayor será la cantidad de nitrógeno proteico retenido en el organismo y, por lo tanto, mayor será su valor nutritivo. En la Tabla 1.9 se da una lista de varias proteínas con su respectivo valor biológico. Se puede observar que, en general este valor es más alto en las proteínas de origen animal que en las de origen vegetal, en virtud de que las primeras

contienen todos los aminoácidos esenciales. Las proteínas vegetales carecen de uno o más aminoácidos esenciales y son más difíciles de digerir, lo cual se refleja en valores biológicos bajos.

Utilización neta de proteína (UNP). Este valor se refiere a la proporción que hay entre el nitrógeno proteico retenido en el organismo con respecto al nitrógeno proteico ingerido. . r^rr. _ N ingerido - N eliminado (heces y orina) N ingerido N retenido x 100 N ingerido

El valor de UNP constituye una medida del grado en que se digiere una proteína y cómo se utilizan los aminoácidos una vez absorbidos, es directamente proporcional a la digestibilidad y al valor biológico, y es lo que determina el valor nutritivo de las proteínas. Esto depende en última instancia de la cantidad de aminoácidos esenciales presentes en la proteína. Generalmente, la mayoría de las proteínas animales tienen todos los aminoácidos esenciales y por lo tanto va-

lores elevados de UNP (Tabla 1.10). También es posible expresar el valor nutritivo de una proteína en función del llamado valor químico, obtenido de la concentración de cada aminoácido esencial comparada con la que se encuentra presente en la proteína de huevo entero. Los valores químicos son comparables a los valores biológicos derivados de estudios de balance nitrogenado o de crecimiento en ratas jóvenes.

Tomada de la OMS Technical Report No. 522, Pág. 67.

Un problema importante en las dietas vegetarianas (sobre todo las estrictas) es que tienden a ser tan grandes en volumen, que no se alcanzan a cubrir las necesidades energéticas. Por otro lado, los aminoácidos esenciales escasean en los alimentos de origen vegetal (Tabla 1.11). Aún así, las dietas vegetarianas pueden utilizarse si se combinan, por ejemplo, el maíz (cereal deficiente en lisina) con leguminosas como el frijol (deficientes en metionina pero ricas en Usina). Los platillos que se forman mediante estas combinaciones pueden aumentar la UNP con respecto a la que tiene cada alimento por separado. En la Tabla 1.12 se observan los tres aminoácidos esenciales que escasean con mayor frecuencia en las proteínas de origen vegetal. Cuando el frijol (leguminosa

y el maíz (cereal) se toman por separado, se presentan grandes lagunas en el contenido de aminoácidos si se les compara con la albúmina (proteína del huevo). Sin embargo,

si se consumen juntos, las lagunas desaparecen. Hardinge y asociados encontraron en un grupo de vegetarianos estrictos que las leguminosas, los granos enteros, las nueces

y los vegetales proporcionan una combinación satisfactoria de aminoácidos. Cuando se proporciona una cantidad apreciable de proteínas vegetales junto con una pequeña cantidad de proteínas animales, la calidad de la mezcla es tan efectiva como la de las proteínas animales solas. Por ejemplo, los alimentos a base de cereales son generalmente bajos en lisina, pero la leche proporciona suficientes cantidades de la lisina faltante. Para utilizar mejor los alimentos proteicos, se sugiere incluir alguna proteína completa en cada una de las comidas del día, como la del huevo o la leche. Las necesidades proteicas cualitativas quedan satisfechas si del total calórico que les corresponde en 24 horas, dos terceras partes son proporcionadas por proteínas de origen vegetal (Tabla 1.5). Si bien esto no deja de ser sólo una recomendación, ya que el consumo de proteínas de origen animal está, por otro lado, relacionado con un aumento en la incidencia de enfermedades cardiacas y de diversas formas de cáncer. Se podría suponer que probablemente no es la proteína animal por sí misma sino la grasa y el colesterol asociados a la misma. Por otro lado, una dieta vegetariana estricta no está exenta de riesgos, a no ser que el individuo esté muy bien informado dietéticamente. Aminoácido limitante. Todos los aminoácidos que se necesitan para la síntesis de una proteína dada deben estar simultáneamente presentes en cantidades suficientes. Si falta un solo aminoácido, la proteína no puede construirse. Si uno de los aminoácidos está presente en cantidad limitada, la proteína podrá formarse hasta que la provisión de este aminoácido se termine. El aminoácido que se encuentra en déficit se conoce como aminoácido limitante. Si uno o más de los aminoácidos faltan en la poza, los aminoácidos restantes no están disponibles para la síntesis proteica y por tanto serán catabolizados para producir energía.

1.3 NUTRIMENTOS NO ENERGÉTICOS 1.3.1

Vitaminas "Nada es veneno, todo es veneno: la diferencia está en la dosis" Theophrastus Bombart Von Hohemhein (Paracelso)

A comienzos de este siglo se presentaban ciertos padecimientos misteriosos y a menudo fatales que, en la época en que Pasteur divulgaba la idea de que todas las enfermedades eran causadas por microorganismos, era difícil imaginar otra causa y tener elementos para combatir estos padecimientos. Era común que los marinos que realizaban viajes prolongados por mar fueran las víctimas y algunos observadores empezaron a reconocer que la dieta estaba carente de algo. En el Oriente, la enfermedad "beriberi" mató a millones con extraños efectos paralíticos (polineuritis). Por generaciones, los chinos sabían que un té, hecho de cascara de arroz, curaba el beriberi pero el conocimiento no tuvo amplia divulgación o no se creyó en él. En 1883, Eijkman, médico alemán, produjo parálisis en pollos alimentándolos con el arroz blanco que consumía la población de Java. Además, demostró que esta parálisis curaba pronto con extractos de cascara de arroz. Al principio pensó que alguna toxina del arroz blanco era neutralizada por la cascara, pero luego concluyó correctamente que la cascara contenía un nutrimento esencial. En 1912, el bioquímico polaco, Casimiro Funk, formuló la teoría de la vitamina según la cual las enfermedades beriberi, pelagra, raquitismo y escorbuto eran producidas por carencia en la dieta de cuatro diferentes nutrimentos vitales. Funk imaginó que todos ellos eran aminas, de donde nació el término vitamina. En el mismo año, el inglés Hopkins anunció que un factor aislado de la leche era

necesario para el crecimiento normal de las fue designado vitamina D (calciferol). En ratas. En 1915, Me. Collum y Da vis, de Wis- 1922, se reconoció otro factor liposoluble consin, reconocieron que eran dos los facto- llamado vitamina E (tocoferol), esencial para res. Al primero, soluble en grasas, se le llamó llevar a término el embarazo en ratas. En A y el otro soluble en agua, fue denominado 1930, se agregaron a la lista la vitamina K factor B (que curaba el beriberi en pollos). (del alemán Koagulation) y los ácidos graAunque años después se supo que el factor sos esenciales (entonces conocidos como viA no era amina, el término vitamina ya ha- tamina F, de fatty). bía sido acuñado para designar este tipo de El estudio de los trastornos sanguíneos en cofactores. el hombre, anemia perniciosa y anemia maAsí fue como en los años de la primera crocítica, condujo al reconocimiento de dos guerra mundial, los hombres ya contaban vitaminas hidrosolubles, el ácido fólico (de con tres vitaminas para combatir males mi- folio = hoja) y la vitamina B 12 , esta última lenarios. En los balcanes y Dinamarca la aislada por Funk y Hopkins, quienes reci"enfermedad de los ojos" era curada con vi- bieron el premio Nobel en 1929 por sus destamina A. En las zonas devastadas por la cubrimientos. acción bélica, la vitamina C derrotaba al esEn 1983, al modo de un símbolo, el viejo corbuto. En Alemania, Polonia y otros paí- laboratorio de Batavia fue rebautizado. Teses, el beriberi retrocedía ante la vitamina B. nía hasta entonces un nombre extenso y algo El progreso en el aislamiento de las vita- pomposo. Se le llamó Instituto Eijkman, en minas fue lento. Cuando Williams empezó a honor al pionero de las vitaminas. aislar el factor antiberiberi en 1910, la gente creyó que su esfuerzo sería infructuoso debido a las ideas de Pasteur de la causa bacte- Clasificación y nomenclatura riana de las enfermedades. Sin embargo, en 1926, Jansen aisló pocas cantidades de tiaLas vitaminas se encuentran en dos granmina. Pronto se observó que la nueva vita- des grupos de alimentos: los grasos, que mina sola (Bi) era insuficiente para contienen las vitaminas liposolubles, y los satisfacer los requerimientos dietéticos de la alimentos no grasos, en los que existen las rata de factor B y se encontró que se reque- vitaminas hidrosolubles. De aquí ha surgido ría un segundo factor (B2) además de tiami- la clasificación de las vitaminas, que hasta la na, muy lábil y fácilmente destruido por el fecha se utiliza, en dos grandes categorías en calor. En seguida se observó que eran más base a su solubilidad en los llamados sollos componentes de este factor y a la mezcla ventes de grasas o en agua. Las vitaminas lise le llamó complejo B de la cual se comen- posolubles reconocidas como esenciales zaron a aislar cada uno de sus miembros: la para la nutrición humana son: A,D,E y K. riboflavina (B2) responsable de la estimula- Las vitaminas hidrosolubles esenciales para ción del crecimiento; el piridoxal (Bg) que el ser humano incluyen la vitamina C (ácido prevenía la dermatitis facial o "pelagra"; el ascórbico) y las del complejo B: Bl (tiamiácido pantoténico que curaba la dermatitis na), B2 (riboflavina), B6 (piridoxina), foladel pollo; la nicotinamida que curaba la pe- cina (ácido tetrahidrofólico o THF), B12 lagra humana; y la biotina, necesaria para el (cobalamina), ácido pantoténico, biotina y crecimiento de las levaduras. posiblemente ácido lipoico. Algunas vitaminas hidrosolubles se comSiguiendo el orden, el factor antiescorbuto fue llamado vitamina C (ácido ascórbico), el portan como coenzimas, por ejemplo la biotina factor liposoluble que prevenía el raquitismo que participa en reacciones de carboxila-

ción, descarboxilación y transcarboxilación. Otras en cambio son constituyentes de coenzimas, por ejemplo, la nicotinamida que forma parte de dos coenzimas que intervienen en reacciones de oxidorreducción: NAD+ y FAD. Así pues, en general, las vitaminas hidrosolubles tienen una función reguladora en el metabolismo. Fuentes. Las principales fuentes de vitaminas son: carne, leche y lacticíneos, huevos, frutas y legumbres. A pesar de que los alimentos contengan considerables cantidades de vitaminas, es necesario hacer notar que la manipulación de muchos de ellos antes de su ingestión puede afectar seriamente su aporte vitamínico. Por ejemplo, la cocción prolongada de las frutas y/o verduras que contienen vitamina C puede ocasionar la pérdida de una buena cantidad de ella, pues es muy termolábil. Funciones. Dependiendo de la solubilidad que presentan las vitaminas se clasifican en hidrosolubles (Tabla 1.13) y liposoiubles (Tabla 1.14) según sean solubles en agua o grasa, respectivamente. Desempeñan diversas funciones en los animales, las que son descritas con más detalle en las tablas antes mencionadas. Algunas vitaminas hidrosolubles se comportan como coenzimas, por ejemplo la biotina que participa en reacciones de carboxilación y transcarboxilación, uniéndose a enzimas como la piruvato carboxilasa. Otras en cambio son constituyentes de coenzimas, por ejemplo, la nicotinamida que forma parte de dos coenzimas que intervienen en reacciones de óxido-reducción: NAD+ y FAD. Así pues, en general, las vitaminas hidrosolubles tienen una función reguladora en el metabolismo, al comportarse como coenzimáticas. El caso del complejo B se ilustra en la Tabla 1.15. Las vitaminas liposoiubles tienen funciones más específicas, por ejemplo, la K interviene en la formación de protrombina activa y factores VII, IX y X y es, por lo tanto, importante en la coagulación de la sangre.

Cantidad y calidad. Las vitaminas son moléculas que se requieren en cantidades muy pequeñas en la dieta de los animales superiores. No pueden ser sintetizadas por los mismos o lo hacen en cantidades insuficientes de tal forma que, aunque el requerimiento es bajo, su ingestión resulta obligatoria. Las necesidades de ellas varían de acuerdo a la edad, sexo, peso, talla y estado fisiológico (embarazo y lactancia) por lo que estos factores deben ser considerados en los requerimientos fisiológicos y las raciones recomendadas. Por requerimientos se entiende la cantidad de nutrimentos que necesita cada individuo para asegurar un correcto funcionamiento orgánico. Son por lo tanto muy variables de persona a persona y su determinación representa cierto grado de dificultad. Por recomendación se entiende la cantidad de nutrimento que cubre adecuadamente las necesidades nutritivas de una comunidad sana. Se determinan tomando en cuenta el promedio de los requerimientos fisiológicos de los integrantes de la misma más dos desviaciones estándar. Con ello resultan obligadamente superiores a los requerimientos de cada individuo en particular y sólo un 2.28% no se ajustan a ellas. Tienen la ventaja de que una vez determinadas se constituyen en tablas de uso general, que deben ser revisadas periódicamente. En el caso de las vitaminas K, ácido pantoténico y biotina no se dispone de los suficientes estudios que permitan determinar sus raciones dietéticas recomendadas (RDA), por lo que en las Tablas 1.13 y 1.14 se mencionan sus intervalos de ingestión aconsejados. Si estos no se satisfacen se da lugar, como en el caso de los aminoácidos y de los ácidos grasos esenciales, a cuadros carenciales específicos que son descritos en las mismas tablas. Sin embargo, tan grave es el déficit como el exceso sobre todo de las vitaminas liposoiubles para las cuales se han descrito severos cuadros de hipervitaminosis. Esto tiene interés por la moda tan

Tabla 1.15 Formas coenzimáticas del complejo B. Vitamina

Forma coenzimática

Tiamina(Bi) Riboflavina (B2)

Pirofosfato de tiamina (TPP) Mononucleótido de flavina y adenina (FMN) y dinucleótido de flavina y adenina (FAD). Fosfato de piridoxal (PPAL) Fosfato de piridoxamina (PPAM) 5' -desoxi-adenosilcobalamina Dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD ) Dinucleótido de nicotinamida y adenina-fosfato (NADP + ). Acido tetrahidrofólico (THF) Coenzima A Proteína portadora de acilo (ACP) Biotina-adenosin-pirofosfato.

Pindoxina (B6 Cobalamina (B12 Niacina Folacina Ac. pantoténico Biotina

actual de adicionar vitaminas a los alimentos preparados. Como una guía para evitar estos excesos se han clasificado aquéllos en tres grupos: Alimentos ordinarios. Aquellos productos complementados que contienen hasta el 50% de la ración dietética recomendada (RDA). Complementos dietéticos. Aquellos productos complementados que contengan 50150% de RDA. Las vitaminas A y D y el ácido fólico son excepciones a esto, puesto que su límite superior es fijado en 100% del RDA. Medicamentos. Aquellos preparados con más del 150% de la ración dietética recomendada (RDA), la cual excede en mucho las necesidades fisiológicas, por lo que deben ser usados únicamente para tratamiento de cuadros carenciales. 1.3.2.

Sales minerales

Fuentes. Casi todos los alimentos proporcionan cantidades importantes de alguno de los elementos minerales. Sin embargo, las grasas y azúcares prácticamente no las contienen y las harinas y cereales altamente refinados los contienen en cantidades muy bajas. Existen alimentos que son especial-

mente notables en lo que respecta al suministro de algunos minerales. Tal es el caso de los productos lácteos en relación al calcio y al fósforo, por ejemplo. Funciones. Las sales minerales desempeñan tres funciones generales: estructural, reguladora y otras específicas. Función estructural. Algunos minerales como el cobre, cinc y magnesio, intervienen en la composición del tejido conectivo, que constituye la sustancia intercelular, por lo que se encuentra ampliamente distribuido en el organismo. Es de especial importancia en huesos, dientes, cartílagos, piel y vasos sanguíneos, estructuras que resultan afectadas poruña deficiencia de aquellos minerales. En los tejidos duros (huesos y dientes) el tejido conectivo sirve como matriz para el depósito de fósforo, calcio y floruro, responsables de la dureza de esos tejidos. Calcio y fósforo mineralizan huesos y dientes al formar cristales de hidroxiapatita, en tanto que el fluoruro lo hace al formar cristales de fluroapatita. El fósforo, por otro lado, forma parte de los fosfolípidos, los que conjuntamente con proteínas constituyen la unidad de membrana, por lo que no sería posible integrar la estructura celular sin la intervención de aquél. El azufre, igualmente, entra en la composi-

ción de cisteína y metionina, aminoácidos indispensables para la síntesis de proteínas estructurales, tal como la queratina, responsable fundamental de la estructura de la piel y sus anexos. Función reguladora. Además de regular el metabolismo energético, los minerales regulan el equilibrio hidroelectrolítico y el ácido básico. La regulación del metabolismo la ejercen interviniendo en la función de enzimas. El hierro es parte del grupo hemo de los citocromos, enzimas de la cadena respiratoria, que intervienen en la oxidación de carbohidratos, lípidos y proteínas. El fósforo es parte de coenzimas tales como NAD + , NADP* y FAD, necesarias para la actividad de oxidorreductasas implicadas en el metabolismo de los principios inmediatos. Otros minerales no intervienen directamente en la estructura de enzimas pero sí son cofactores de las mismas, tal es el caso de: magnesio, manganeso, calcio, cinc, cobre, selenio y molibdeno. El magnesio en particular tiene un papel importante en el funcionamiento de las cinasas, enzimas que catalizan reacciones en donde se transfieren grupos fosfatos, implicando la síntesis o degradación de ATP. El yodo y el cinc intervienen en el funcionamiento hormonal. El primero forma parte de las hormonas tiroideas, que aceleran la utilización periférica de los carbohidratos y con ello incrementan el metabolismo basal. Por otro lado el cinc es necesario para la actividad biológica de la insulina que regula el metabolismo de las cadenas hidrocarbonadas al activar o inhibir enzimas implicadas en esas vías. En general se trata de una hormona anabólica en relación con las proteínas, las grasas y el glucógeno, que acelera además, el consumo de glucosa. Así pues, los elementos minerales no son nutrimentos energéticos pero, tal como ha quedado claro en su función reguladora, son esenciales para la obtención de energía. La regulación del equilibrio hidroelectrolítico corre a cargo sobre todo del cloro y el

sodio. Ambos modifican el volumen de los diferentes compartimientos orgánicos al variar su tonicidad, propiedad que tiene que ver con la presión osmótica ejercida por estos minerales. En la regulación del equilibrio ácidobase intervienen: fósforo, sodio, cloro y potasio. Los dos primeros porque entran en la composición de sistema amortiguador de fosfatos (Na 2 HP0 4 / NaH 2 P0 4 ). El cloro y el potasio por su capacidad para intercambiarse por bicarbonato e hidrogeniones respectivamente. A pesar de todo, la regulación ácidobase está fundamentalmente a cargo de sustancias que no son consideradas dentro de los elementos minerales como son los iones hidrógeno y bicarbonato. Funciones específicas. Podemos mencionar al papel que juegan los minerales en la eritropoyesis y la coagulación de la sangre, el crecimiento y la reproducción, la actividad de nervios y músculos y el transporte de gases a través de membranas. En la eritropoyesis intervienen el hierro, el cobre y el cobalto. El hierro por ser indispensable para la biosíntesis de hemogrlobina, pues forma parte estructural del grupo hemo. El cobre por intervenir en la absorción intestinal del hierro así como en su movilización a partir de los depósitos orgánicos del hígado, y el cobalto por formar parte de las vitamina B12 que participa en la síntesis de ácidos nucleicos y por lo tanto en la formación de los eritrocitos en la médula osea. El calcio interviene en la coagulación de la sangre al participar en la conversión de protrombina a trombina y de fibrina laxa a fibrina compacta. El cinc y el yodo participan en el crecimiento y la reproducción, este último por formar parte de las hormonas tiroideas. Los minerales que tienen que ver con la actividad de fibras nerviosas y musculares son: sodio, potasio, calcio, magnesio y cobre. Los dos primeros intervienen en la depolarización y repolarización de la membrana ce-

hilar al variar sus concentraciones a uno y otro lado de la misma. El calcio interviene en la transmisión de impulsos eléctricos y en la contracción muscular por la propiedad que tiene de modificar la permeabilidad de la membrana celular. El cobre participa en la actividad nerviosa porque es componente de los fosfolípidos que oonstituyen las vainas de mielina que rodean los axones. El sodio y el calcio participan en el transporte a través de las membranas. El primero es necesario para el paso de glucosa y aminoácidos a través de las células epiteliales del intestino delgado y el segundo lo es igualmente para la absorción de la vitamina B

12-

Cantidad y calidad. Al igual que las vitaminas, los elementos minerales se requieren en cantidades muy pequeñas para el funcionamiento orgánico. Se pueden almacenar, pero no sintetizar en el organismo, por lo que su ingesta resulta obligatoria en la dieta a fin de evitar cuadros carenciales. Se trata pues de nutrimentos esenciales. Su cantidad corporal es muy variable y se utiliza como parámetro para establecer una línea de demarcación entre ellos, pues los que se encuentran en cantidad mayor al 0.005% del peso corporal se denominan macronutrimentos. Por abajo de esa cantidad son llamados micronutrimentos, elementos vestigio o elementos traza. Las RDA de los elementos minerales se calculan generalmente tomando en cuenta la cantidad perdida por el organismo. Las RDA son sin embargo superiores a las pérdidas porque debemos tener en cuenta que no todo lo ingerido se absorbe y es utilizado por el cuerpo. Es más, la absorción de ellos rara vez está por arriba del 25%. De este modo la Junta de alimentación y nutrición (FNB) ha determinado raciones dietéticas diarias recomendadas para calcio, fósforo, magnesio, hierro, cinc y yodo. Para el resto de los minerales existen sólo aportes diarios considerados adecuados y seguros por care-

cer de suficiente información para determinar sus RDA. En general los macronutrimentos se ingieren en cantidades diarias por arriba de 100 mg y los micronutrimentos por abajo de esta cifra. En la Tabla 1.16 se ofrece una síntesis de la información más importante acerca de los minerales del organismo. 1.3.3

Agua

Fuentes. Las necesidades orgánicas de agua se satisfacen a partir de tres funciones: Agua contenida en los alimentos líquidos (leche, vinos, zumos de frutas, etc.), incluyendo la que se ingiere como tal. Agua contenida en los alimentos sólidos, la mayor parte de los cuales no son tan "sólidos", pues contienen agua en un alto porcentaje (ver Tabla 1.17) por lo que sin exageración más que comerlos, los "bebemos". Agua que se produce en el organismo como resultado de la oxidación de los alimentos ingeridos (Tabla 1.18). En este sentido podemos especificar las cantidades de ella que se obtienen a partir de 100 g de cada uno de los principios inmediatos. Las diferentes cantidades hídricas aportadas dependen del estado de oxidación del nutrimento. Ambos se relacionan en razón inversa. Funciones. Se comporta como lubricante al entrar en la composición de secreciones diversas como la saliva y las secreciones mucosas de los tractos gastrointestinales, respiratorio y genitourinario. Como componente de la saliva permite la deglución y como componente de las secreciones mucosas gastrointestinales facilita el movimiento de los nutrimentos digeridos a lo largo de tal tracto. Interviene en reacciones de hidrólisis enzimáticas incluidas las de digestión química de los nutrimentos. Interviene en la absorción de los nutrimentos digeridos al disolverlos, sirviendo

de vehículo para su paso de la luz intestinal a la circulación mesentérica. Por la misma razón, interviene en el transporte de los nutrimentos absorbidos hasta las células y en el de los desechos metabólicos de éstas hasta los órganos excretores. Cómo es el principal componente de los fluidos corporales y disuelve la mayor parte de las sustancias del organismo, proporciona el medio ideal para que se lleven a cabo las reacciones metabólicas que permiten las funciones vitales de las células. Debido a que pequeños volúmenes de agua pueden absorber grandes cantidades de calor y a su elevada conductividad térmica es el líquido ideal para distribuir uniformemente en todo el organismo el calor resultante de las oxidaciones biológicas, con lo que evita sobrecalentamiento de los tejidos más activos metabólicamente. Asimismo participa en la eliminación de calor corporal, pues gran parte del que pierde el organismo en 24

horas se elimina por medio de los pulmones y la piel a través de las denominadas pérdidas insensibles de agua. Cantidad y calidad. Desde un punto de vista cuantitativo el agua es el componente más importante del organismo humano. En el feto constituye más del 90% de su peso corporal y en el adulto oscila entre 50-60% según sexo y complexión. Se pierde ordinariamente por riñon (orina), pulmón y piel (evaporación) y tubo digestivo (heces) (Tabla 1.19). Tales pérdidas deben ser repuestas, en promedio, proporcionado en la dieta 1 mi de agua por caloría ingerida, para el adulto y 1.5 ml/Cal para el niño.

1.4 GASTO CALÓRICO O ENERGÉTICO Las calorías que un individuo necesita en 24 horas, dependen del gasto energético en

el mismo periodo de tiempo, de tal manera que se da lugar a un equilibrio dinámico entre el gasto y el aporte de energía en un lapso temporal dado. Como el primero determina al segundo, veremos los factores que ocasionan el gasto de calorías. El gasto energético de un individuo depende de varios factores: metabolismo basal, actividad física y efecto térmico de los alimentos. Los valores son expresados en kilocalorías (1 kcal = cantidad de calor necesario para aumentar de 15 a 16°C la temperatura de un Kg de agua). En nutrición se acostumbra representarla como Cal = 1,000 cal. 1.4.1

Metabolismo

basal

Se refiere como el nivel mínimo de gasto de energía para el mantenimiento de la vida estando el organismo en condiciones básales. Esta energía mantiene los signos vitales, tono muscular, funciones renal y glandular y Tabla 1.20 Valor calórico de los nutrimentos

otras más que son necesarias para conservar la vida. La tasa metabólica basal (TMB) se expresa en Cal/m 2 de superficie corporal/hr y depende en general de la masa corporal metabólicamente activa del individuo. Como ésta puede variar por una serie de factores, el metabolismo basal será diferente de persona a persona. Dentro de los factores que influyen sobre el metabolismo basal tenemos: Superficie corporal. Depende del peso y la talla del individuo y es directamente proporcional al metabolismo basal, lo cual quiere decir que éste es más elevado en individuos pequeños y es menor en sujetos de mayor tamaño, en términos relativos. Edad. El metabolismo basal varía en razón inversa a la edad. Desde el nacimiento se incrementa hasta la edad de 2 años, a partir de la cual disminuye hasta la vejez, con un ligero aumento en la etapa de la adolescencia. Sexo. Las mujeres tienen un metabolismo basal menor que el de los hombres, hecho que se observa claramente a partir de la adolescencia edad en que el metabolismo basal de las mujeres empieza a disminuir mucho más rápidamente que el de los hombres. Se debe a que las mujeres presentan más tejido adiposo (con baja actividad metabólica) y menos tejido muscular (metabólicamente más activo) que los hombres (ver Tabla 1.21). Temperatura corporal. Es directamente proporcional al metabolismo basal. Esto

Tabla 1.21. Tasa metabólica basal, según edad y sexo

quiere decir que en la hipertermias el metabolismo basal es alto y en las hipotermias bajo. Lo anterior tiene que ver con la capacidad que tiene la temperatura para modificar la velocidad de las reacciones químicas. Estado de nutrición. En los estados de malnutrición tipo II el metabolismo basal se encuentra bajo. La razón es la pérdida de masa corporal metabólicamente activa propia de estos estados. Enfermedades. Aquellas enfermedades que aumentan la actividad celular incremen-

tan el metabolismo basal. Dentro de ellas tenemos como ejemplo los síndromes febriles. Cada grado centígrado de aumento en la temperatura corporal con respecto a lo normal representa un incremento del 12% del metabolismo basal. Efectos hormonales. Las hormonas afectan el metabolismo basal en la medida en que intervienen en la regulación del metabolismo en general y por lo tanto en la tasa de producción de calor. A este respecto existe una hormona con efectos muy marcados: la

tiroxina que eleva el metabolismo basal, por lo que éste se encuentra alto en el hipertiroidismo y bajo en el hipotiroidismo. Para determinarlo es necesario que el individuo cumpla con ciertas condiciones: El paciente no deberá haber ingerido alimento alguno durante las 12 horas anteriores a la prueba, esto se hace con el fin de evitar el gasto de energía debido a la absorción de nutrimentos por lo que el sujeto debe estar en un estado de pos-absorción. Reposo físico y mental inmediatamente antes de practicar la prueba. Habitualmente se hace que el sujeto permanezca acostado media hora antes de realizar la prueba, con el fin de evitar gasto de energía atribuible a actividades físicas y mentales. Decúbito dorsal durante la prueba. Se prefiere esta posición porque es en la que la mayor parte de los músculos permanecen relajados, evitando así gasto de energía atribuible a contracciones musculares presentes en otro tipo de posiciones. El sujeto debe haber dormido un periodo normal antes de efectuar la prueba. Se hace con el fin de garantizar el reposo físico y mental anterior a la determinación. El paciente debe estar despierto durante la prueba, con el fin de evitar movimientos y sueños que se presentan durante el dormir y que representan un gasto de energía extra. La temperatura del medio debe ser entre 20-25°C. Es bien sabido que la temperatura del exterior afecta la producción y por lo tanto el gasto de energía en el organismo. En clima frío el organismo se ve precisado a producir mayores cantidades de energía porque ésta se pierde más fácilmente por irradiación. Como ya fue mencionado al hablar de la función energética de los nutrimentos, toda la energía que el organismo produce y utiliza a partir de las oxidaciones biológicas en 24 horas, es finalmente transformada en calor. Entonces, al medir la producción de éste en un individuo en las condiciones básales enumera-

das anteriormente, se determina el metabolismo basal. Sin embargo, tal medida ya no se efectúa directamente (calorimetría directa), sino a través de la cuantificación del oxígeno consumido en las mencionadas oxidaciones biológicas (calorimetría indirecta). En la actualidad está claramente establecido que cada litro de oxígeno consumido por el organismo representa una producción de calor de 4.825 Cal. A partir de esta premisa ya es posible investigar el metabolismo basal, para lo cual se siguen los siguientes pasos: Se mide el consumo de oxígeno durante 2 periodos de 6 minutos en condiciones básales. Los datos obtenidos se corrigen para expresarlo en condiciones estándar de presión y temperatura pues es bien sabido que ambos factores afectan el volumen de los gases. Se promedian los datos ya corregidos y el resultado se multiplica por 10 con el fin de obtener el consumo de oxígeno correspondiente en una hora. El resultado se multiplica por 4.825 que es como ya se dijo, la cantidad de calorías producidas en el organismo al consumir un litro de O2. Con esto se obtiene la producción de calor en Cal/hora. El resultado se multiplica por 24 para obtener las Cal/24 horas. Ejemplo: Un hombre de 40 años de edad, con una estatura de 1.70 m y un peso de 70 kg consume un promedio (en dos periodos de 6 minutos cada uno) de 1.4 litros de oxígeno (corregido a presión y temperatura estándar). Su metabolismo basal será: lo.- 1.4 1 de 02 en 6 minutos x 10 = 141 O2/6O minutos. 2o.- l l d e 0 2 : 4 . 8 2 5 C a l : 1 4 l 0 2 x C a l R = 67.55 Cal/h x 24 = 1621.2 Cal/día. En la actualidad las pruebas de funcionamiento tiroideo han sustituido a la calorimetría indirecta, por ejemplo la determinación de yodo ligado a proteínas (PBI) y de Tj que indican la cantidad de tiroxina circulante. Aunque estos métodos no cuantifican el meta-

bolismo basal, sí lo revelan como un índice normal o anormal. Sin embargo, tanto la calorimetría indirecta como las pruebas de funcionamiento tiroideo, aunque son métodos exactos, exigen la participación de personal especializado. Para fines prácticos existen métodos para determinar el metabolismo basal basados en información existente en la literatura. Describiremos a continuación uno de ellos. Mediante el uso de nomograma de la Fig. 1.4. se traza una línea que una el peso y la talla del individuo problema y por extrapolación se obtiene su superficie corporal. En el ejemplo que dimos anteriormente la superficie corporal es de 1.80 m2. Determinada la superficie corporal, se calcula la tasa metabólica basal para lo cual se consulta la Tabla 1.21, en donde es posible obtener el dato en kcal/m2/min, a partir de la edad y el sexo del individuo. En nuestro ejemplo el resultado es de 0.6083. Al multiplicarlo por 60 obtenemos 36.49 Kcal/m2/h y al multiplicarlo por 24, obtenemos 875.76 Kcal/m2/día. 3o. Si se multiplica este resultado por la superficie corporal total (1.80 m 2 ), se obtienen 1,576.36 Kcal/día, que es el gasto de energía atribuido al metabolismo basal. 1.4.2. Actividad física Comprende los gastos energéticos debidos al trabajo muscular que el individuo realiza para efectuar actividades diarias. Estos gastos incrementan los debidos al metabolismo basal hasta en un 600-800% dependiendo de la intensidad y duración del esfuerzo físico. De aquí que la actividad física vaya desde muy ligera hasta muy pesada, de acuerdo con la energía que se consuma al efectuarla, (ver Tabla 1.22). Para calcular el gasto de la energía por actividad física se pueden utilizar tablas que indican el gasto energético en Kcal/kg/min.

Figura 1.4 Nomograma para calcular la superficie corporal a partir del peso y la talla.

y luego multiplicar este factor por el peso del individuo y el tiempo en que se realizó determinada actividad. Sin embargo, una

manera más práctica y sencilla sería considerar un incremento del 30% sobre el requerimiento basal para una actividad leve (sedentario), 40% para una actividad moderada y 50% para actividad intensa como se anota en Tabla 1.22. 1.4.3 Efecto térmico de los alimentos Después de ingerir alimentos se observa un aumento en la producción de calor por parte del organismo que alcanza un máximo en aproximadamente una hora y desaparece en aproximadamente cuatro horas. Esto se conoce como efecto térmico o calorígeno de los alimentos o termogénesis inducida por la dieta (antes acción dinámica específica).

Cada nutrimento energético tiene un efecto térmico específico cuando se ingiere en estado puro (proteínas 30%, lípidos 13% y carbohidratos 5 %). Sin embargo, en una dieta normal no se ingieren nutrimentos en estado puro sino mezclas de ellos. El efecto calorígeno de las proteínas disminuye considerablemente cuando éstas son ingeridas combinadas con carbohidratos y lípidos. En general, mientras mayor sea la cantidad de grasas presentes en la dieta, más disminuirá el efecto térmico. Se acepta comúnmente que la dieta mixta tiene una acción calorigénicadel 10%. El sabor juega un importante papel en el número de calorías "quemadas" por termogénesis. Una comida apetitosa produce más termogénesis que una insípida. Especias co-

Tabla 1.22 Ejemplos de actividades físicas según el grupo que les corresponde Leve (1.2-4.9)

Moderada (5.0-7.4)

Intensa (7.5-18)'

Estar acostado despierto Estar sentado Manejar Mecanografiar Coser Planchar Tocar piano Caminata ligera Ir de compras Sastrería Trabajo de laboratorio Trabajo de restorán Jardinería Zapatero Lavar ropa Trabajo doméstico Golf Billar

Caminata moderada Boliche Voleibol Bailar Fregar pisos Enjalbegar Escarbar Azadonar Cargar bultos Mecánico Minería Peón Ciclismo Patinaje Tenis

Caminar cuesta arriba Correr Talar árboles Trabajar con pico y pala Basquetbol Natación Montañismo Fútbol Atletismo Remar Equitación Lucha Esquí Subir escaleras Carrera de medio fondo

* Los valores entre paréntesis se dan en Kcal/min. Tabla modificada de: L.W. Scheider, Nutrición, Conceptos básicos y Aplicaciones pág. 517, Me GrawHill de México, 1985, con la gentil autorización del editor.

mo mostaza y chile pueden incrementar la termogénesis hasta un 25 %. Ejemplo: Si consideramos los tres factores que influyen en el gasto energético diario: Requerimiento basal Actividad leve Actividad moderada Actividad intensa Termogénesis

: : : : :

24 kcal/kg/día +30% del basal + 40% del basal +50% del basal + 10% del Total

Para un individuo de 70 kg de peso con una actividad moderada, su requerimiento energético diario será: Requerimiento basal : 1,680 kcal Actividad física : 672 kcal Termogénesis : 235.2 kcal 2,587.2 kcal El embarazo y la lactancia imponen requerimientos energéticos adicionales. Durante el segundo y tercer trimestre del embarazo se requieren 300 kcal/día adicionales. Durante la lactancia se requieren 500 Kcal/día adicionales. Así, para que un individuo adulto normal conserve su equilibrio calórico, la energía gastada debe ser repuesta en igual proporción por aquella contenida en los nutrimentos energéticos.

1.5 APORTE CALÓRICO DE NUTRIMENTOS ENERGÉTICOS Los carbohidratos, los lípidos y las proteínas, en ese orden, son los nutrimentos que proporcionan el aporte calórico necesario en 24 horas. Sin embargo, su contribución al mismo varía de país a país, de acuerdo con el nivel de vida, las costumbres y los hábitos alimenticios. Por ejemplo, en Norteamérica los carbohidratos proporcionan el 46% de la ingestión calórica total por día, los lípidos el

36% y las proteínas el 18%. En Argentina, las cifras son 50%, 35% y 15%, para carbohidratos, lípidos y proteínas respectivamente, y en España es de 60%, 25% y 15% en el mismo orden. En México, la recomendación sería utilizar valores de 60%, 25% y 15%, respectivam e n t e , aunque en la realidad nuestra población consume menos de 15% en proteínas. (Figura 1.5). Las calorías suministradas por carbohidratos, lípidos y proteínas pueden ser transformadas a gramos por medio de sencillas operaciones si consideramos los factores proporcionados en la Tabla 1.20. Una vez que se tienen las cantidades (en gramos) de nutrimentos de una dieta adecuada es necesario ver en qué alimentos están contenidos, para lo cual hay que consultar tablas que indiquen el valor calórico y nutritivo de los alimentos, con el fin de indicar las cantidades necesarias de ellos, en tal dieta.

1.6 PRESCRIPCIÓN Y REALIZACIÓN DEL RÉGIMEN ALIMENTARIO Alimentación equilibrada es la ingestión en proporciones adecuadas de los nutrimentos necesarios para conservar la salud. Hem o s indicado que la ingestión de los nutrimentos (incluidos los energéticos y por lo tanto las calorías) depende del gasto que de ellos realicen los individuos. Igualmente ya se han discutido los gastos de nutrimentos en 24 horas, así como las raciones dietéticas recomendadas de los mismos para recuperar tales gastos en ese periodo de tiempo. Como los nutrimentos se encuentran contenidos en los alimentos y es así como se ingieren, será necesario expresar aquéllos en términos de estos últimos a fin de recomendar una alimentación equilibrada. Aquí se darán algunas indicaciones en ese sentido.

1.6.1 Prescripción del régimen Consiste en expresar cuantitativamente las necesidades de nutrimentos energéticos y no energéticos, lo que el médico lleva a cabo utilizando la "fórmula sintética de la alimentación", que consta de cuatro fases: expresar el valor calórico y plástico, el valor vitamínico, el valor mineral e hídrico y los caracteres del régimen. Valor calórico y plástico. Se indica la cantidad de calorías y por lo tanto de carbohidratos, lípidos y proteínas, poniendo especial énfasis en estas últimas. Las calorías necesarias constituyen el valor calórico total (VCT) y éste se determina a partir de los factores que ocasionan gasto de energía en el individuo: metabolismo basal, actividad física y efecto térmico de los alimentos como ya quedó estipulado en el

punto 1.4. Una vez determinado el VCT (3,000 calorías en nuestro ejemplo) se procede, a partir de ello, a calcular las cantidades necesarias (en gramos) de carbohidratos, lípidos y proteínas, para lo cual hay que indicar las calorías que deben aportar tales nutrimentos en base al porcentaje del VCT que les corresponde satisfacer, por ejemplo, 60,25 y 15 respectivamente. VCT - 3,000 Cal. Carbohidratos: 60% del VCT = 1,800 Cal. Lípidos: 25% del VCT = 750 Cal. Proteínas: 15 % del VCT - 450 Cal. Para llevar a gramos las calorías correspondientes a cada nutrimento basta recordar que el organismo obtiene, en números enteros, 9, 4 y 4 calorías al oxidar 1 gramo de lí-

pidos, carbohidratos y proteínas, respectivamente. Esto se lleva a cabo entonces de la siguiente forma: „ . ... 1,800 Cal. Carbohidratos: = 450 g. 750 Cal. r i ., Lípidos: = 83 g. _, , 450 Cal. Proteínas: = 112g. Con respecto a la cantidad de proteínas es necesario observar que esta manera de calcularla puede conducir en ocasiones a errores de magnitud considerables, sobre todo cuando el valor calórico total se indica para dietas reductivas. Si por ejemplo, el VCT prescrito es de 1,300 Cal. (frecuentemente en el tratamiento de obesidad) y a las proteínas les corresponde el 15% (195 Cal.) la ingesta de las mismas sería tan solo de 48.7 g/día, cantidad del todo insuficiente. Debido a ello se recomienda en estos casos, calcular el aporte proteico a razón de 1 g/kg/día para el adulto y el resto del VCT proporcionarlo con carbohidratos y lípidos. Valor vitamínico. En caso de que no sea necesario un aporte extra o una limitación en la ingesta de una o varias vitaminas este rubro sólo se indicará como normal, con lo cual se asume que con los alimentos que seleccionará la dietista se cubrirán las raciones dietéticas recomendadas de estos nutrimentos. Valor mineral e hídrico. Se procede de la misma manera que en el caso anterior. Si no se indica este valor como normal, el médico deberá especificar el aporte extra del mineral (hierro, por ejemplo, en el caso de mujeres embarazadas) o bien la limitación de la ingesta (sodio, por ejemplo, en el caso de personas con edema). Caracteres del régimen. Tiene que ver con los aspectos cualitativos de ia dieta como son: consistencia (líquida, blanda, etc.),

cantidad de residuos y distribución de las comidas (número y horario de las tomas. Así pues, el régimen prescrito por el médico podría quedar de la siguiente forma: VCT = 3,000 Cal Carbohidratos = 450 g. Lípidos = 83 g. Proteínas = 112g. Vitaminas = cantidad normal Minerales y agua = cantidad normal Distribución - 3 comidas

2.6.2

Realización

del

régimen

Consiste en transformar en alimentos los nutrimentos prescritos por el médico. Se lleva a cabo en tres fases: elección de los alimentos, elaboración de la lista diaria de alimentos y sus cantidades y elección de las formas de preparación. Elección de los alimentos. La dietista selecciona los alimentos en base a la fórmula sintética elaborada por el médico y teniendo además en cuenta factores personales (gustos), familiares (costumbres), culturales (cultura alimentaria), sociales (disponibilidad de alimentos) y económico (poder adquisitivo). Elección de la lista diaria de alimentos y sus cantidades. Una vez seleccionados los alimentos se enlistan y se especifican las cantidades de los mismos que van a ser ingeridos diariamente, tomando en consideración su composición de nutrimentos. Para ello es necesario consultar tablas de análisis bromatológicos de los alimentos de mayor consumo en el país. En el caso de México se recomiendan las elaboradas en el Instituto Nacional de la Nutrición. Las cantidades pueden expresarse por el sistema de "pesada" usando instrumentos de medida tales como balanzas o recipientes de capacidad conocida o bien por el sistema de "raciones", en cuyo caso se indican los volúmenes

y tamaños bien definidos, como platos, tazas, rebanadas, etc. (Ver Tabla 1.23). Formas de preparación. Se refieren al proceso a que deben ser sometidos los alimentos antes de ser ingeridos (prediges-

tión). Tienen como objetivo ablandar tejidos, desnaturalizar proteínas y mejorar el sabor de los alimentos, e incluye, entre otros procedimientos: hervido, frituras, calor seco, calor húmedo, papillas, etc.

Tabla 1.23 Ejemplo de contenido en gramos de proteínas, carbohidratos y lípidos de un menú* Desayuno Café con leche: 1 taza (240 mi leche, 2 cuch. azúcar y café) Bolillo (70 g) Plátano (100 g) Subtotal:

Proteína

Carbohidratos

Lípidos

8.4 5.9 1.4

18 43 22

9.5 2.2 0.3

15.7

83

12.0

15 4

9.7 10.2

142 18 30

5.4 0.3 0.0

35.6

209

25.6

11.3

49

38.8

8.4 3.2

18 21

9.5

22.9 74.2

88 380

52.1 89.7

Comida Sopa de pasta: 1 plato (300 mi) (20 g pasta, 10 g aceite, 20 g jitomate 2.0 Guisado de carne 10.0 (50 g carne, 50 g verduras) Tortillas =10 piezas medianas (30 g) 17.7 Frijoles de la olla = 1 plato (30 g) 5.8 Agua de limón = 3 vasos 0.1 (10 g azúcar por vaso) Subtotal: Cena: Quesadillas con rajas fritas = 3 pzas. (3 tortillas, 10 g cebolla, 50 g chile poblano, 30 g aceite, 30 g queso) Café con leche = 1 taza Pan dulce = 1 pieza (35 g) Subtotal: TOTAL:

Fuente: Morales de León, Josefina C. Las proteínas. Cuadernos de Nutrición, Oct. Dic. Pág. 13-16, México, 1981. Bourges, H. Los hidratos de carbono. Cuadernos de Nutrición, Abr. Jun. pág. 33-38, México, 1982. Bourges, H. Los lípidos. Cuadernos de Nutrición. Ene-Marzo, pág. 33-39, México 1982. * Menú preparado y calculado por la Lie. Patricia Calderón. Este menú representa un aporte de energía de 2 624.1 kcal., corresponde a 57.9% de carbohidratos, 30.7% de lípidos y 11.3% de proteínas. El mismo menú con leche descremada en lugar de leche entera aporta 2,456.7 kcal. (62% carbohidratos, 26% de lípidos y 12% de proteínas).

PRINCIPIOS BIOQUÍMICOS DE NUTRICIÓN "El hombre es lo que come" "Der mensch is was er isst" Ludwing Feverbach (18041872) «

1.1 INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS GENERALES Los términos nutrición, alimentos y alimentación se remontan al origen de los primeros organismos biológicos. Las teorías actuales plantean que las biomoléculas que integraron a los primeros seres vivos se sintetizaron afuera de ellos y previamente a su existencia. Es decir, hubo una época de síntesis "exterior" de las primeras proteínas, algunas con propiedades enzimáticas, y moléculas de ATP capaces de acumular energía química potencial; esto quizá continuó hacia la síntesis de nucleótidos. Bajo la acción del ATP y las enzimas, los primeros nucleótidos integraron las primeras moléculas de DNA y RNA. La lucha por el alimento, o sea, la incorporación de energía química potencial acumulada en moléculas, se inició hace 3,200 millones de años con la existencia de la primera célula, la cual necesitaba alimento para subsistir. En aquel entonces el alimento se sintetizaba en el medio que rodeaba la célula. Se trataba de una situación ideal, quizás el "paraíso bíblico", puesto que las primeras células no dependían de otros organismos para obtener la energía química necesaria para subsistir.

Sin embargo, llegó el momento en que las células se reprodujeron demasiado aprisa y acabaron con las moléculas alimenticias puesto que las digerían más aprisa que la capacidad del medio para sintetizarlas. Sólo quedaban en el medio bióxido de carbono, agua, oxígeno y nitrógeno, que no podían servir de alimento puesto que no poseen energía química potencial. Las células tuvieron que arreglárselas para incorporar energía a estas moléculas y sintetizar en el "interior" aquellas grandes moléculas que antes les ofrecía el medio. Para ello recurrieron al proceso de fotosíntesis hace 1,700 millones de años. Antes de que existieran las células fotosintéticas la atmósfera terrestre estaba casi desprovista de oxígeno; éste se fue acumulando al incrementarse el número de células fotosintéticas. Al no haber ya grandes biomoléculas en el océano primitivo algunas células resolvieron su problema de alimentación por medio del parasitismo; otras optaron por alimentarse de los restos de los cadáveres de otras células y se constituyeron en saprofitas. Algunas, más agresivas, decidieron comerse vivas a otras células y aparecieron las primeras formas de canibalismo celular, que persisten hasta la fecha.

Como puede verse, la nutrición de un sistema biológico después de la fotosíntesis constituye un proceso de transferencia de energía, de orden molecular, de entropía negativa. Desde este punto de vista existen tres tipos de células: las productoras, las consumidoras y las desintegradoras. Las células productoras, son aquellas que sintetizan compuestos complejos de carbono a partir de energía solar, bióxido de carbono y agua, son también llamadas células autotróficas porque pueden alimentarse a sí mismas. Entre estas células se encuentran muchas bacterias, algas y plantas. Las células consumidoras son las que obtienen energía de las células productoras; son también llamadas células heterotróficas. Así, las células consumidoras se alimentan de las células productoras o de sus productos y, desde el punto de vista biológico, son parásitas. Todas las células que integran a los animales, incluyendo al hombre, son células consumidoras parásitas. Las células desintegradoras corresponden a aquellos hongos y bacterias que se alimentan de los cadáveres de las células consumidoras, son también consideradas células heterotróficas. La supervivencia de los animales depende de la existencia previa de células capaces de sintetizar materia orgánica a partir de materia inorgánica y células capaces de transformar energía radiante en energía química. Los seres humanos quizá por haber sido los últimos en aparecer durante el proceso de la evolución, al llegar a la tierra nos encontramos por así decirlo, con la "mesa puesta". Sin embargo, al mismo tiempo nos llegaron las condenas bíblicas: "ganarás el pan con el sudor de tu frente" y "polvo eres y en polvo te convertirás". Ambas significan que todo organismo vivo, incluyendo el humano, tienden al desorden termodinámico (entropía"), al equilibrio, al caos, a la muerte. La segunda de las condenas bíblicas mencionadas está contenida en la segunda ley de la termodinámica:

"todo proceso en el universo tiende a la máxima entropía", esta ley constituye la primera fuerza motora de los procesos energéticos. Los alimentos ingeridos representan sustancias con alto contenido de energía libre y baja entropía. El organismo vivo, para mantenerse como tal, necesita un aporte constante de alimentos (primera condena) que se oponen a la tendencia al desorden y que permiten a la célula mantenerse en un estado estacionario (vivo). Para mantener el estado estacionario, un sistema orgánico debe tener la capacidad de utilizar la energía potencial del alimento para llevar a cabo dos funciones: al mismo tiempo producir trabajo y autorrepararse. Ahora bien, los sistemas biológicos no incorporan cualquier forma de energía para mantener el estado estacionario. No pueden alimentarse de energía radiante, ni gravitacional, ni de energía eléctrica como el monstruo de Frankenstein sino de energía química (orden, entropía negativa) contenida en los alimentos. Según esto, los vegetales capturan el orden, los animales se lo apropian. La mayor parte de las especies animales trabaja para obtener alimento. Sólo el hombre trabaja para adquirir lo superfluo. Si bien es cierto que unos pocos viven para comer, la totalidad tiene por fuerza que comer para vivir. El hambre en las sociedades que la padecen significa aumento de entropía, caos y equilibrio. Para algunos seres humanos privilegiados comer es satisfacer el apetito, pero la mayoría busca en la comida simplemente espantar el hambre.* / . / . / Nutrición El proceso de la nutrición definido como la utilización de los alimentos por los orga* Los conceptos vertidos en esta introducción fueron autorizados por editor y autor de "Orden y Caos", Eduardo Césarman, Editorial Diana, S.A., págs. 2814, México, 1982.

nismos vivos, es un proceso claramente bioquímico. No obstante, la nutrición es un tema controvertido; en parte porque la bioquímica tiene tendencia a estudiar rutas metabólicas como si fuesen universales y se olvidan de la variabilidad humana: "no hay dos personas que utilicen los nutrimentos de la misma manera". Hay que estar conscientes de que los conocimientos sobre nutrición provienen de estudios en animales. La utilización de presos "voluntarios" para la experimentación nutricional ha quedado atrás. La nutrición es un concepto que puede definirse desde dos puntos de vista: como ciencia y como proceso. El consejo de Alimentación y Nutrición de la Asociación Médica Americana en 1966 se encargó de definir la nutrición de la siguiente manera: "Es la ciencia de los ali-

mentos, de los nutrimentos y de otras sustancias que éstos contienen; su acción, interacción y equilibrio en relación con la salud y la enfermedad; los procesos por los cuales el organismo ingiere, digiere, absorbe, transporta y utiliza las sustancias alimenticias y elimina sus productos finales. Además, la nutrición está estrechamente relacionada con los aspectos sociales, económicos, culturales y psicológicos de las formas de alimentación". El estado nutricional es la condición de salud de un individuo influido por la utilización de los nutrimentos. Definida como proceso, la nutrición incluye un conjunto de funciones cuya finalidad primaria es proveer al organismo la energía y los nutrimentos necesarios para el mantenimiento, reparación y crecimiento de los tejidos. Tal proceso se esquematiza en la Figura 1.1.

Figura 1.1 El proceso de la nutrición

La nutrición es un proceso muy complejo que va de lo social a lo celular y en términos generales se puede definir como el conjunto de fenómenos mediante los cuales se obtienen, utilizan y excretan las sustancias nutritivas. En esta definición está implícito el concepto de nutrimento que se refiere a la unidad estructural mínima que la célula utiliza para el metabolismo intermedio. Como se ve, el proceso de la nutrición tiene su punto de partida fisiológica en la ingestión de los alimentos disponibles en el medio ambiente por lo que es necesario definir lo que son éstos. 1.1.2

Alimentos

Según el Código Alimentario Argentino, alimento es "toda sustancia o mezcla de sustancias naturales o elaboradas, que ingeridas por el hombre aportan a su organismo los materiales y la energía necesarios para el desarrollo de sus procesos biológicos". No existe un criterio uniforme para clasificar los alimentos; como muestra basta observar las diferencias existentes entre la clasificación de alimentos contenida en los Códigos Alimentarios de Argentina y España (Tablas 1.1. y 1.2.) y las consideradas por el Instituto Nacional de la Nutrición de México y el Departamento de Nutrición de la Secretaría de Salud (Tablas 1.3 y 1.4). 1.1.3

Nutrimentos

Los nutrimentos son las sustancias químicas contenidas en los alimentos y como se dijo antes son la unidad estructural mínima que la célula requiere para el metabolismo orgánico. Clásicamente los nutrimentos se clasifican en carbohidratos, lípidos, proteínas, vitaminas, minerales y agua. Sin embargo, desde el punto de vista conceptual

Tabla 1.1 Clasificación de los alimentos según el Código Alimentario Argentino. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Alimentos lácticos Alimentos cárneos y afines Alimentos farináceos Alimentos vegetales Alimentos azucarados Alimentos grasos Bebidas Productos estimulantes y fruitivos Correctivos y coadyuvantes.

Tabla 1.2. Clasificación de los alimentos según el Código Alimentario Español. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Carnes y derivados Aves y caza Pescado y derivados Mariscos (crustáceos y molucos) y derivados Huevos y derivados Leches y derivados Grasas comestibles Cereales Leguminosas Tubérculos y derivados Harinas y derivados Hortalizas y verduras Frutas y derivados Edulcorantes naturales y derivados Condimentos y especias Café y derivados Té y derivados Helados Bebidas no alcohólicas Bebidas alcohólicas

Tabla reproducida de: A. Coraminas y J. Gandarias, Elementos de Nutrición, pág. 60. Editorial Universitaria de Barcelona, España. 1979, con la gentil autorización del editor

Tabla 1.3. Clasificación de los alimentos según el Instituto Nacional de la Nutrición (INN, México) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Cereales Leguminosas y oleaginosas Verduras Frutas Carnes Leches y lacticíneos Huevos Grasas y aceites Azúcares y mieles Alcohol Otros

Tabla 1.4 Clasificación de los alimentos según el Departamento de Nutrición de la Secretaría de Salud, México. 1. Alimentos ricos en Proteínas: Leche. Carnes, huevo, pescado, queso. 2. Frutas y Verduras: Ricos en vitaminas. 3. Cereales: Ricos en energía, vitaminas y minerales. esta clasificación es inadecuada por las siguientes razones. A) No utiliza la unidad estructural mínima; ya que por ejemplo, las proteínas en realidad son polímeros de nutrimentos y no nutrimentos. B) No está basada en un sistema lógico de ordenación, debido a que confiere el mismo nivel de organización química a las diferentes clases de nutrim e n t o s . En este sentido sería necesario iniciar distinguiendo 2 grandes clases de nutrimentos: los

inorgánicos (mal llamados minerales) y los orgánicos y después subdividir a cada una de ellas en los subconjuntos necesarios. C) Las categorías no se basan en el mismo criterio. Así, por ejemplo, mient r a s q u e para unas categorías la agrupación se basa en la estructura química (vgr, hidratos de carbono), para otras la clase responde a razones históricas (ej. vitaminas). D) Por último tampoco posee categorías mutuamente excluyentes; ya que por ejemplo algunas vitaminas son lípidos y por lo tanto pueden ser agrupadas en 2 clases: lípidos y vitaminas, dependiendo del criterio del clasificador. Evidentemente es necesario entonces ensayar una nueva clasificación de nutrimentos. Hipotéticamente existen tantas clasificaciones como criterios; sin embargo, si se trata de buscar una clasificación sistemática, únicamente se cuenta con dos criterios para clasificar a los nutrimentos: el químico y el funcional. El funcional no permite construir categorías mutuamente excluyentes, ya que con frecuencia los nutrimentos cumplen una o más funciones en el organismo. De esta manera el calcio podría ser clasificado como catalítico y como estructural, los aminoácidos tendrían tanto funciones estructurales como energéticas y catalíticas y así sucesivamente. Cabe mencionar que con frecuencia se utiliza un tercer criterio para clasificar a los nutrimentos. Este criterio es el de la esencialidad y se refiere a la capacidad de un organismo determinado para sintetizar o no un nutrimento. Si bien este criterio es muy importante pues en gran medida determina la autosuficiencia o la dependencia de ese organismo del aporte exterior de nutrimentos, no es un criterio utilizable para clasificar a los nutrimentos ya que el atributo en que se basa (dispensabilidad) es una característica del or-

AGUA Y ELECTROLITOS, EQUILIBRIO HIDROELECTROLÍTICO Y ÁCIDO BASE "Antes de fundar a México, los aztecas peregrinaron durante muchos años en el valle de Anáhuac. Una mañana encontraron dos misteriosos envoltorios: uno escondía un trozo de jade; el otro, dos maderos. El jade significa agua y, por extensión, vegetación y abundancia; los dos maderos, al frotarse producen el fuego. La fusión de fuego y agua se convirtió en el emblema de la nación azteca". Octavio Paz

Todas las teorías acerca del origen de la vida coinciden en que ésta se desarrolló en un medio acuoso; por lo tanto, las reacciones enzimáticas, los procesos celulares y subcelulares han evolucionado en dicho medio. Las formas primitivas de vida aparecieron en medio acuoso y la evolución de los organismos dependió de su capacidad para conservar este líquido de manera constante. El protoplasma es una estructura compleja formada por agua, sales inorgánicas y compuestos orgánicos. La composición del ambiente externo varía de modo significativo y las células poseen mecanismos para adecuarse a estas variaciones. Además, los compartimientos intracelulares también tienen diferentes composiciones químicas. La única característica común de los diferentes ambientes es la presencia de agua. El agua constituye el 75 a 85 % del peso de la mayoría de las células.

De todos los componentes de un organismo, el agua es el más abundante. Constituye aproximadamente el 70% del peso total del cuerpo. En general, los tejidos y organismos más jóvenes tienen más agua. En el embrión de rnamífero la proporción de agua es superior a cualquier fase más avanzada de desarrollo, y en el anciano la proporción de agua es mínima (ver Tabla 2.1). El contenido de agua varía en los diferentes tejidos. Los tejidos de vitalidad más intensa son más ricos en agua que los inertes. No obstante que la vida se desarrolló en este planeta gracias a que el agua es abundante y que los organismos la contienen en gran porcentaje, el estudio de ésta se descuidó durante muchos años por considerarla un compuesto inerte. Sin embargo, en los últimos años ha sido objeto de investigaciones y se han logrado correlacionar las propiedades fisicoquímicas del agua con sus propiedades fisiológicas.

Tabla 2.3 Contenido de agua en los diferentes órganos del cuerpo humano Tejido

% de agua en relación al peso de tejido

% de agua en relación al peso corporal

Litros de agua en un individuo de70kg

72.0 75.7 31.0 74.8 68.3 79.2 79.0 82.0 75.8 83.0 74.5 10.0

18.0 41.7 16.0 2.0 2.3 0.5 0.7 0.4 0.2 7.7 1.8 9.0

9.07 22.10 3.45 1.05 1.10 0.28 0.39 0.23 0.11 4.47 0.94 0.63

Piel Músculo Esqueleto Cerebro Hígado Corazón Pulmones Ríñones Bazo Sangre Intestino Tej. adiposo

por hiperventilación, y en climas cálidos. El agua secretada por el intestino es disolvente de los productos de desecho y es necesaria para asegurar la consistencia adecuada de las heces. La eliminación diaria por esta vía es de 200 mi pero puede aumentar en casos de vómito o diarrea. Cuando esto ocurre, se pierde además de agua, K+, Na+, Cl" y HCO . La excreción renal es muy flexible. Se se ingiere gran cantidad de agua, el riñon excreta el exceso. Normalmente se eliminan 1,200 a 1,500 mi por día. Diariamente se fil-

tran alrededor de 170 litros de agua. De este volumen se excretan menos de dos litros, o sea 1% del filtrado. Cerca de dos terceras partes del agua filtrada es reabsorbida isosmóticamente en el túbulo proximal, íntimamente relacionada con la reabsorción de sodio. Después del túbulo proximal, la reabsorción de agua es independiente de la reabsorción de soluto por lo que se le llama reabsorción de agua libre. Ingresos diarios. Las reservas de agua del organismo pueden reponerse de varias maneras: a) agua ingerida como tal o en otras be-

Tabla 2.4 Ingresos y pérdidas normales de agua por día Ingresos normales Agua metabólica Agua pura Agua de las bebidas Agua en alimentos sólidos

TOTAL:

300 mi 200 mi 800 mi 1,000 mi

2,300 mi

Pérdidas normales Vía pulmonar Vía cutánea Vía renal Vía digestiva

700 mi 200 mi 1,200 mi 200 mi

2,300 mi

bidas; b) agua de los alimentos y c) agua metabólica, o sea la que se produce durante la oxidación. C6H1206 + 60 2

6C0 2 + 6H 2 0

Se calcula que al oxidarse 100 g de carbohidratos se producen 55 mi de agua; 100 g de grasa producen 107 mi y 100 g de proteínas, 41 mi de agua. El volumen de agua metabólica varía dependiendo del metabolismo de cada individuo. Los requerimientos diarios de agua están relacionados con factores exógenos, como actividad corporal, clima y hábitos dietéticos, y factores endógenos, como actividad secretora, oxidaciones internas y osmolalidad de los líquidos orgánicos. El requerimiento promedio sería de 1 mi por caloría de alimento. Para el recién nacido es de 150 mi por kg de peso corporal, lactantes (6 meses), 125 mi por kg de peso, y niños de un año, 100 mi por kg de peso corporal, ya que el porcentaje de agua, en cada uno, es diferente. Dinámica del agua A diferencia de los iones, el agua no se secreta activamente. Su movimiento a través de las membranas se realiza por osmosis y filtración. El mecanismo de filtración se debe a la presión hidrostática de los tejidos y a la presión cardiaca de la sangre arterial que expulsa agua y solutos no proteicos a través de membranas especiales (por ejemplo, el glomérulo) para dar un filtrado libre de proteínas. A este movimiento se opone la presión osmótica (oncótica o coloidosmótica) de las proteínas y otros solutos presentes en el plasma. Debido a esto, existe un movimiento continuo de un compartimiento a otro. Tanto la retención como la distribución de agua entre los distintos compartimientos se deben a las sustancias disueltas en los líquidos corpora-

les. El balance entre líquido intersticial y líquido intracelular está gobernado por su equilibrio osmótico, en tanto que la transferencia de líquido entre el compartimiento vascular y el intersticial a nivel de capilares está regido por el balance entre presión hidrostática y cardiaca y los gradientes de presión oncótica plasmática. 2.2 ELECTRÓLITOS Los solutos se clasifican en tres categorías según las conductividades eléctricas de sus soluciones acuosas: electrólitos fuertes, débiles y no electrólitos. Electrólito es toda sustancia que en solución o sal fundida conduce la corriente eléctrica. Electrólitos fuertes. Son aquellos que se disocian en gran proporción, existen casi exclusivamente en forma de iones en solución acuosa y son buenos conductores de la corriente eléctrica. En este grupo se encuentran los ácidos y bases fuertes así como sus sales. Por ejemplo, HC1, H 2 S0 4 , NaOH, NaCl, etc. Electrólitos débiles. Son aquellos que se ionizan en menor proporción, existen como una mezcla en equilibrio de iones y moléculas y conducen menos que los anteriores la corriente eléctrica. En este grupo se encuentran los ácidos y bases débiles, así como sus sales. Por ejemplo, CH3-COOH, NaHCO3, CH3-COONa, NaH 2 P0 4 , lactato de sodio, etc. Ño electrólitos. Son aquellos que no se ionizan, solamente se disuelven como moléculas y, por ende, dan soluciones que no conducen la corriente eléctrica. En este grupo se encuentran sustancias como glucosa, sacarosa y solventes orgánicos no polares. De acuerdo a esta clasificación el agua es un mal conductor de la electricidad, cuando está destilada o desionizada. El agua de uso normal es un electrólito débil.

Funciones orgánicas En disolución, los iones migran hacia los electrodos de acuerdo con sus cargas, los iones positivos migran al cátodo (polo negativo) y reciben el nombre de cationes, y los iones negativos, migran al ánodo (polo positivo) y reciben el nombre de aniones. La fuente de corriente (batería o pila), provoca el transporte de electrones por el filamento desde el ánodo hacia el cátodo. Los cationes más abundantes en los líquidos biológicos son: Na + , K + , Ca ++ y Mg ++ y los aniones más abundantes son: Cl", H C O " HPO~ SO~ proteinatos y ácidos orgánicos (lactato, piruvato,etc). La composición iónica del líquido intracelular difiere notablemente de la del líquido extraceiular. El medio interno es rico en K + y Mg + + , y fosfato como anión principal, en tanto que el líquido extraceiular contiene principalmente Na + y Ca ++ , y Cl" como anión principal. Se piensa que esta diferencia se debe a que el mar primitivo donde se originó la vida era rico en K + y Mg + + , por lo que las reacciones enzimáticas y otros procesos biológicos evoluacionaron a partir de ese medio. Posteriormente, cuando el mar cambió gradualmente a una composición rica en Na + y Ca + + , las células se enfrentaron con una fuerte presión de selección y conservaron la concentración intracelular original a expensas de desarrollar membranas y "bombas" para mantener su microambiente interno. Sodio (Na+). Es el principal catión extracelular; se encuentra asociado al cloruro y al bicarbonato. Tiene como función regular el equilibrio ácido base, mantener la presión osmótica de los líquidos y preservar la excitabilidad y permeabilidad celular. Potasio (K+). Es el principal catión intracelular; tiene gran influencia sobre la actividad muscular, especialmente sobre el miocardio. Al igual que el sodio, participa

en la regulación del equilibrio ácido base y la presión osmótica intracelular. Cloruro (Cl~). En combinación con el sodio es esencial en el equilibrio ácido base y acuoso; en el jugo gástrico participa en la formación de ácido clorhídrico. Fosfato y amonio (HPÓ. y NH ). Tienen importancia en el equilibrio ácido base, así como en los mecanismos compensadores que se verán más adelante. Propiedades coligativas. La presencia de solutos disueltos provoca cambios en la estructura y propiedades del agua líquida. El efecto de un soluto se manifiesta por un conjunto de propiedades, llamadas coligativas. De las propiedades físicas de una solución (aditivas, constitutivas y coligativas), las coligativas son las más importantes; sólo se presentan en soluciones y no en solventes puros. Estas propiedades dependen del número de moléculas o partículas presentes y no de su naturaleza y son: descenso de la presión de vapor, descenso del punto de congelación o descenso crioscópico, elevación del punto de ebullición o incremento ebulloscópico y elevación de la presión osmótica (Fig. 2.9). Hasta la fecha no existe una teoría que explique las propiedades coligativas. Estas propiedades, en particular la presión osmótica, determinan la dinámica de los líquidos biológicos en los diferentes compartimientos, en la que participan los elementos iónicos y moleculares ya revisados. Para comprender estos mecanismos se explicará el fenómeno osmótico. Osmosis. Presión osmótica (PO) es la fuerza que debe aplicarse a la solución de mayor concentración a fin de impedir el flujo de solvente a través de una membrana sem i p e r m e a b l e . Osmosis es el paso de solvente de la solución menos concentrada a la más concentrada. Cuando se habla de presión osmótica de una solución, se refiere al valor relativo contra agua pura.

Teb 100*C 100.56 Figura 2.9 Propiedades coligativas de las soluciones. Toda solución acuosa presenta cambios en sus propiedades fisicoquímicas con respecto al solvente puro. Tales cambios dependen del número de partículas (iones o moléculas) y son: a) b) c) d)

Descenso del punto de congelación (Te). Descenso de la presión de vapor (Pv). Aumento del punto de ebullición (Teb). Presencia de una nueva propiedad: la presión osmótica (PO).

La magnitud del cambio en el punto de congelación (A Te) por mol de partículas se conoce como constante crioscópica (Kc = 1.86) y la del punto de ebullición se conoce como constante ebulloscópica (Keb = 0.56). Estos cambios se interrelacionan con la presión osmótica. Un mol de partículas en solución (1M) ejercerá una presión osmótica de 22.4 atm. Para cuantificar la presión osmótica se usa un aparato llamado osmómetro que, en realidad, mide el cambio en el punto de congelación. Como ambas propiedades dependen del número de partículas, conociendo el cambio en el punto de congelación de la solución problema (orina, líquido cefalorraquídeo) se puede calcular su presión osmótica y de aquí su osmolaridad. Los osmómetros directamente dan el resultado en miliosmoles.

Un mol de un gas en condiciones normales ocupa un volumen de 22.4 litros. Si se reduce este volumen a 1 litro se tiene que aplicar una presión de 22.4 atmósferas. Una solución 1M de cualquier soluto no ionizable, tendrá 1 mol del soluto en un litro de solución. Si se aplican a las soluciones diluidas las mismas leyes que a los gases ideales, se puede decir que una solución 1M de cualquier soluto no ionizable tendrá una presión osmótica de 22.4 atmósferas. Si se conoce la concentración de una solución se puede calcular la PO y viceversa. En terminología osmótica se entiende por partícula, una molécula o un ion, independientemente de su tamaño. Como la glucosa no se ioniza, un mol de esta sustancia en 1 kg de agua (solución 1 molal) produce 1 mol de partículas (igual al número de avogadro, 1.023 x 1023) y tiene una osmolalidad de uno. El NaCl produce 2 partículas (iones) por molécula al ionizarse y, por tanto, una solución 1 molal es equivalente a 2 osmolal. Una solución 1 molal de Na2SC>4 o de CaCl2, que producen 3 partículas por molécula, serán 3 osmolal, y así sucesivamente. El número de moles de una sustancia en 1 kg de agua que produce una solución 1 osmolal, equivale a 1 osmol. Un osmol de glucosa equivale a 1 mol, pero un osmol de NaCl son 0.5 moles y un osmol de Na2SÜ4 son 0.33 moles. En virtud de que la concentración molar y electrolítica de los líquidos biológicos es muy baja, en la práctica clínica, en reportes de laboratorio se maneja la milésima parte del mol, equivalente y osmol, es decir, milimol, miliequivalente y miliosmol respectivamente. La concentración de moléculas de soluto en solución puede expresarse de dos maneras: a) en molaridad, número de moles por litro de solución; b) en molalidad, numero de moles por kilogramo de solvente. Si las moléculas existen a concentraciones muy bajas como las encontradas en los

líquidos biológicos, molaridad y molalidad difieren muy poco. En la misma forma, la presión osmótica de una solución también puede expresarse como: a) osmolaridad, en mOsm/litro de solución; b) osmolalidad, en mOsm/lkg de solvente. En el laboratorio clínico, para medir la presión osmótica del plasma, se determina la disminución del punto de congelación que depende de la osmolalidad.

En cambio, la presión osmótica calculada en base a la cantidad de iones y moléculas disueltas, se basa en la osmolaridad. Esta última puede calcularse con cierta exactitud, para propósitos clínicos, si se conocen las concentraciones plasmáticas de Na+, K+, urea y glucosa en moles/litro. mOsm = 2 [Na+ ] + 2 [K+ ] + [urea ] + [glucosa ]

El factor 2 que multiplica a Na+ y K+ se debe a que se tienen que considerar los aniones asociados, que se comportan como partículas, suponiendo ionización completa. Considerando también Ca++ y Mg++ se obtiene una mOsm/kg de 295 que corresponde a una PO de 6.8-7.3 atm y un descenso en el punto de congelación de 0.5-0.54°C. Como las moléculas del plasma interactúan unas con otras, la osmolaridad efectiva es menor que la calculada por la simple adición de la concentración de todos los iones y moléculas (Tabla 2.5). Soluciones de igual concentración en moles/litro son isosmóticas (la misma presión osmótica) si la membrana que separa ambas soluciones es perfectamente semipermeable. Si la membrana es de permeabilidad selectiva, la solución exhibe sólo la fracción de presión osmótica debida a los solutos para los que la membrana es impermeable. Esta fracción es la que se conoce como su tonici-

Tabla 2.5 Concentración y miliosmolalidad del plasma Miliosmolalidad (mOsm/kg)

Concentración (mmoiyí) Sodio Aniones asociados Potasio Aniones asociados Urea Glucosa Proteína

135 135 3.5 3.5 5(30mg/dl) 5(90mg/dl) (70g/litro)

270 7 5 5 1 TOTAL

dad. Por tanto, la tonicidad de una solución no se puede predecir conociendo su concentración (como ocurre con la presión osmótica) ya que intervienen las propiedades de la membrana limitante (Fig. 2.10). Es importante distinguir entre potencial osmótico y tonicidad de una solución, ya que la membrana celular es selectivamente permeable a los solutos intracelulares. Si un soluto es tan permeable como el agua, dará una solución que se comportará como si fuera agua pura. Por ejemplo, una solución isosmótica de urea, será hipotónica y provocará turgencia o hinchazón de los eritrocitos. En la práctica clínica, cualquier solución que tenga la misma osmolaridad que el plasma, se dice que es isotónica. Las soluciones empleadas en el tratamiento de reposición de líquidos y electrólitos son soluciones isotónicas. Por ejemplo, la llamada solución salina isotónica (antes mal llamado "suero fisiológico") contiene 0.9 gramos de NaCl por 100 mi que equivalen a 320 miliosmoles. Otras soluciones empleadas son las de glucosa al 5%, de Ringer, de Locke, etc. Si glóbulos rojos se colocan en agua o en soluciones salinas con menos de 0.9 g/100 mi (hipotónicas), se hincharán por la diferencia de solutos dentro y fuera de la célula que condiciona entrada de agua al espacio más concentrado; las proteínas no pueden salir

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del eritrocito, la pared del glóbulo rojo no resiste la presión y se rompe. El fenómeno de ruptura de glóbulos rojos se denomina hemolisis. A la inversa, cuando los eritrocitos se colocan en soluciones con más de 320 mOsm (hipertónicas), los glóbulos pierden agua, se encogen y arrugan. El fenómeno se denomina plasmólisis. Cualquier alteración en la isotonicidad que exista en las células y compartimientos, requiere su corrección inmediata para regresar al equilibrio. Por ejemplo, si se ingiere mucha agua, la sangre se diluye, la presión osmótica de la sangre baja y pasa agua de la sangre a los tejidos; el organismo restablece el equilibrio eliminando agua por vía renal hasta que la concentración tisular vuelva a su estado normal. El comportamiento del experimento de la figura 2.10 es válido para sustancias no ionizables. Cuando participan sustancias ionizab l e s , se presenta un c o m p o r t a m i e n t o denominado equilibrio de Gibbs-Donnan (Fig. 2.11). Equilibrio de Gibbs-Donnan. En un sistema constituido por dos soluciones separadas por una membrana, una de las cuales tiene elementos iónicos no difusibles mientras que existen iones difusibles en ambos lados de la membrana, la distribución de los iones difusibles deberá cumplir los siguientes requerimientos:

a) En cada una de las dos soluciones el número de aniones es igual al número de cationes. b) En la solución que contiene iones no difusibles Pr" la concentración de iones del mismo signo Cl" es menor y la concentración de iones de carga contraria Na + será mayor que en la solución opuesta. c) La presión osmótica de la solución que contiene los iones no difusibles es ligeramente mayor que la de la otra solución. En la célula y los compartimientos se presenta esta tendencia al equilibrio que condenaría a la célula a su destrucción al establecerse el equilibrio de Gibbs-Donnan. Los iones no difusibles son las proteínas o la hemoglobina (también proteína) de los glóbulos rojos. Los iones difusibles son Na + , K + , Ca + + , Mg + + , y aniones asociados. En los mamíferos, los principales iones extracelulares son distintos de los intracelulares: el Na +

domina como catión extracelular y el K + como intracelular. Esta situación es lo que determina que la célula se defienda del equilibrio termodinámico que la condena a la muerte. Para ello tiene que eliminar constantemente al Na+, lo que implica gasto de energía y acumulación de K + intracelular. El proceso activo de expulsión de Na + (bomba de sodio) dependiente de energía (ATP) consume aproximadamente el 25 % del gasto energético basal de un individuo; cuando la célula no dispone de energía, penetra un exceso de iones extracelulares, se establece el equilibrio de Gibbs-Donnan, y un desequilibrio osmótico hace que la célula se hinche y muera (necrosis celular). Además, este comportamiento de bombeo iónico rige las propiedades electroquímicas de los líquidos corporales. La bomba de NaK no sólo genera los gradientes iónicos más importantes sino que también favorece el

desarrollo de diferencias de potencial a través de la membrana celular; electronegativo en el interior de la célula y electropositivo afuera. Esta polaridad eléctrica determina los procesos de conducción nerviosa a través de fenómenos alternos de despolarización y repolarización. 2.2.1 Balance electrolítico En el análisis del equilibrio electrolítico se usan valores expresados en miliequivalentes (meq), así como la milésima parte del mol y del osmol para valores de concentración y presión osmótica respectivamente. El concepto de equivalente o equivalente químico se basa en la capacidad de combinación de cualquier compuesto con la unidad de referencia, un átomo gramo de carbono12; en la práctica esto "equivale" a un átomo gramo de hidrógeno, a un átomo gramo de sodio-23, o a un átomo de cualquier ion monovalente. Si quisiéramos preparar NaCl ne-

cesitaríamos saber qué cantidad en gramos de cloro y de sodio se tienen que usar. Para ello hemos considerado arbitrariamente que el peso de un átomo gramo de hidrógeno es un gramo. Si un átomo gramo de cloro tiene un peso de 35 veces y media más que el hidrógeno, o sea, 35 g; un átomo gramo de sodio serían 23 g y la molécula gramo de NaCl, 58.5 g. Así, un miliequivalente de sodio (23 mg de sodio), se combina totalmente con un miliequivalente de cloro (35.5 mg), para formar exactamente 58.5 mg de cloruro de sodio. El concepto de equivalente se extiende a las sustancias más complejas, polivalentes; para ellas, el equivalente se considera como el peso molecular en gramos del ion o compuesto dividido por su electrovalencia o por el número de electrones intercambiados en la formación del compuesto. En el caso de compuestos divalentes como el Na 2 S0 4 o el CaC^, el peso molecular en gramos debe dividirse entre 2 para dar el equivalente y la misma situación debe hacerse para iones trivalentes como el H3PO4 o el AICI3, que deben dividirse entre 3, para dar el equivalente. Si en un análisis, resultan 100 mg de calcio por litro de suero sanguíneo, dividiendo entre 20 se tendrá la cifra de 5 meq, que es la cantidad normal de calcio en suero; si se reportan 195 mg de potasio por litro de suero, basta dividir entre 39 para obtener 5 meq, cifra normal de K+ por litro. Obsérvese que los valores en mg de calcio y potasio son distintos, pero expresados en meq resultan ser idénticos. Gamble demostró que en un litro de plasma la cantidad de cationes (expresada en miliequivalentes) es idéntica a la de aniones; esta cantidad resulta ser de 155 meq de aniones y 155 meq de cationes por litro de plasma normal. La representación esquemática de los valores de aniones y cationes en meq/litro de cada líquido biológico se denomina gamblegrama o ionograma (Figura 2.12). Cada compartimiento celular contiene un líquido o matriz en el que están disueltos diferentes iones, moléculas orgánicas de bajo

Figura 2.12 Distribución electrolítica en los diferentes compartimientos. (Modificada de Gamble). Medical Physiology, la Edición pág. 307,1961.

peso molecular y proteínas, generalmente con carga negativa. En la Figura 2.12 se representa, en la forma ideada por Gamble, la composición iónica del plasma sanguíneo, líquido intersticial y líquido intracelular general. Las necesidades de agua y electrólitos para el manteriimiento del equilibrio hidroelectrolítico se pueden calcular en base a las pérdidas por orina, transpiración o perspiración insensible y secreciones (pérdidas patológicas sobre todo gastrointestinales). Durante el ejercicio o esfuerzos corporales intensos, así como en estados febriles, se pueden perder de 1.5 a 2 litros por día e incluso más. En la insuficiencia renal aguda, la pérdida de electrólitos se puede calcular por medio del análisis de electrólitos del suero por fotometría de flama. Para calcular las pérdidas electrolíticas por secreciones gastrointestinales se puede recurrir a la tabla 2.6. Así, las necesidades de mantenimiento electrolítico se obtienen del balance de entradas y salidas (aporte y eliminación), tomando en cuenta el volumen del líquido, así como la concentración electrolítica.

2.2.1.1 Vías de ingreso ordinarias y extraordinarias Sodio. La principal fuente de sodio es el cloruro de sodio, sal común utilizada en los alimentos, aparte del que contienen los alimentos. La ingestión promedio es de 69 a 208 meq de sodio por día, que se cubren con 5 a 15 g de cloruro de sodio. Aunque su aporte óptimo se desconoce, al parecer 5 g de sal por día son suficientes. Cuando hay necesidad de compensar alguna pérdida, se recurre casi invariablemente a la administración endovenosa. Potasio. El potasio está presente en la mayoría de los alimentos. Su distribución es tan amplia que es poco probable que en condiciones normales pueda producirse una deficiencia. Sus requerimientos diarios en un adulto oscilan entre 1.87 a 5.62 g. La ingestión de potasio promedio es de unos 4 g (100 meq) diarios y se absorben casi totalmente en el tubo digestivo. Cloruro. El cloruro está presente en la sal de mesa, carne, leche y huevo. Los cloruros existen en su mayoría en forma de cloruro de sodio, de tal manera que su aporte es satisfactorio mientras el aporte de sodio sea

2.1 PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Y FISIOLÓGICAS DEL AGUA Las propiedades fisicoquímicas del agua que hacen posible la vida se explican en base a su estructura molecular. La molécula del agua, aparentemente sencilla, tiene una serie de propiedades insólitas. Dos átomos

de hidrógeno comparten sus electrones con un átomo de oxígeno. Sin embargo, los hidrógenos no están situados en forma simétrica en virtud de que los orbitales híbridos sp3 tienen un ángulo de 104.5° determinado por análisis espectroscópico y el núcleo del oxígeno ejerce mayor atracción por los electrones de los hidrógenos lo cual crea una carga parcial negativa (5-) en el oxígeno y una carga parcial positiva (5+) en los hidrógenos (Figura 2.1.) creando un dipolo eléctrico, aunque la molécula no posee una carga neta. No obstante, estas cargas parciales permiten que cada molécula de agua atraiga otras cuatro, que se orientan en los vértices de un tetraedro regular (Fig, 2.2)

adecuado. Los requerimientos diarios del adulto son de 1.7 a 5.1 g. Calcio. El calcio está presente en la leche y derivados, como el queso; yema de huevo, aguas duras y vegetales. Los requerimientos diarios son de alrededor de 800 mg en adultos y se incrementan durante el crecimiento (0.8-1.2 g) embarazo y lactación (1.2 g). En promedio la dieta consumida al día por un adulto contiene de 400 a 800 mg de calcio, de los cuales se absorben de 30 a 40%. Esta absorción depende de una proteína intestinal fijadora de calcio, cuya síntesis está regulada por un metabolito de la vitamina D, el 1,25 dihidroxicolecalciferol, sintetizado en el riñon, en respuesta a las bajas concentraciones de Ca ++ en el plasma. Así, la absorción de calcio se adapta a las necesidades corporales. La absorción de calcio disminuye con la edad. Magnesio. Se encuentra fundamentalmente en cereales, nueces, carne, mariscos y leche. La leche humana contiene cerca de 4 mg de Mg ++ por 100 mi y la de vaca alrededor de 12 mg por 100 mi. Se consideran requerimientos de 200 a 300 mg diarios. La ración diaria recomendada es de 300 a 400 mg al día. El magnesio se absorbe poco en el intestino pero, una vez absorbido se utiliza para la formación de tejido (24 meq por kg de tejido). Fósforo. Se encuentra en casi todos los alimentos. La distribución de calcio y fósforo en los alimentos es muy semejante; de aquí que una ingestión adecuada de calcio asegura un aporte también adecuado de fósforo. Se recomienda una ingesta de 1 a 1.5 g diarios. La relación Ca: P en la dieta afecta tanto la absorción como excreción de estos elementos. La relación óptima es de 1:1 cuando el aporte de vitamina D es adecuado. 2.2.1.2 Vías de egreso ordinarias y extraordinarias Sodio. Alrededor del 95% del sodio es excretado por el organismo a través de la orina.

Esta eliminación equivale a la cantidad ingerida menos la que se pierde por sudor (100-140 meq/día). Cuando la dieta no contiene sodio, la eliminación renal puede bajar hasta 10 meq/día. Asimismo, cuando su concentración desciende en el plasma, su excreción urinaria baja de modo proporcional. El sodio, una vez filtrado por el glomérulo, se reabsorbe a nivel tubular; dicha reabsorción está regida por las hormonas suprarrenales. La pérdida de sodio a través del sudor es la más variable. El sudor contiene de 20 a 50 meq de sodio por litro, alcanzándose pérdidas hasta de 350 meq/día en el ejercicio intenso, calor ambiental o fiebre alta. En heces se pierden pequeñas cantidades (10 meq/litro). Potasio. Del potasio ingerido, el 90% es eliminado por riñon y 10% por sudor y heces. El potasio filtrado por el glomérulo es reabsorbido casi por completo en los túbulos renales. La concentración plasmática de potasio se sostiene eficientemente por medio de la excreción urinaria de cualquier cantidad que excede los 5 meq/litro. Así, el riñon se constituye en el principal órgano de excreción de potasio. La administración de potasio por vía endovenosa debe efectuarse con suma precaución cuando hay problemas renales pues si su concentración plasmática rebasa los 5 meq por litro hay riesgo de paro cardíaco en sístole. Cloruro. El cloruro es excretado principalmente por orina y también por sudor (45 meq/litro), jugo gástrico (90-155 meq/litro) en la bilis y jugos pancreático e intestinal (100 meq/litro). Es inseparable del sodio. Calcio. El calcio es excretado a través de las heces (70-90%), orina (filtración glomerular y reabsorción tubular) y sudor (20-350 mg/día). Calcio y sodio parecen compartir una vía de transporte común en el túbulo proximal y la excreción de calcio se incrementa en la diuresis salina; además por dietas ricas en carbohidratos, proteínas o magnesio, deprivación de fosfato, acidosis metabólica,

glucocorticoides sintéticos, hormonas tiroidea y del crecimiento. La reabsorción tubular de calcio es incrementada por la hormona paratiroidea, hipocalcemia, alcalosis metabólica y diuréticos benzotiazídicos. Magnesio. La excreción de magnesio se lleva a cabo por la bilis y poco por la orina. Al filtrado glomerular (2 g/día) le sigue una reabsorción tubular del 95 % o sea, la excreción urinaria es de 100 mg por día (un tercio de su excreción). La excreción urinaria se incrementa por el etanol y por muchos diuréticos. La excreción en heces del magnesio no absorbido representa dos tercios de su excreción total. Fósforo. La cantidad de fosfato excretado por orina depende del absorbido en el tracto intestinal. Normalmente hay un incremento matutino en el fósfoto urinario. Una mínima cantidad de fosfato es excretado por las heces. 2.2.2 Dinámica hidroelectrolítica en el lecho vascular Ley de Starling. Esta ley nos habla sobre la distribución de los líquidos en los espacios vascular e intersticial; dicha distribución está influida por la presión arterial y la presión osmótica tisular, que conducen hacia la filtración y sus oponentes que son la presión hidrostática tisular y la presión oncótica del plasma. Estas presiones dan como resultado una presión neta de filtración en el extremo arterial del capilar (Fig. 2.13). Si esta presión predominara todo el tiempo habría una entrada de agua hacia los tejidos con edema tisular; por lo tanto, esta presión debe estar en equilibrio con la presión neta de absorción en el extremo venoso del capilar. 2.2.2.1 Edema Edema significa hinchazón y se caracteriza por aumento de líquido en los espacios

intersticial e intracelular. Se puede observar macroscópicamente en el tejido subcutáneo. El mecanismo básico está relacionado con alteraciones en la permeabilidad de los vasos sanguíneos y cambios en la presión hidrostática y osmótica de la sangre y líquidos extravasculares. Según la hipótesis de Starling existe intercambio de líquidos entre la sangre y espacios extravasculares por diferencias entre presión arterial y presión osmótica. En base a la Figura 2.13 se reconocen 4 tipos de edema: Edema por disminución de la presión oncótica intravascular. Un descenso anormal de las proteínas plasmáticas (especialmente albúmina) determina una disminución marcada de la presión oncótica plasmática; cuando ésta es menor de 23 mm Hg, la presión neta de filtración aumenta por predominio relativo de la presión hidrostática capilar y el agua se moviliza al espacio extravascular. A este tipo de edema se le llama también tipo nefrótico por presentarse en el síndrome nefrótico, en la nefrosis lipoide, en la etapa nefrótica de la glomerulonefritis y en la nefrosis amiloidea, situaciones que se acompañan de albuminuria. También se presenta en la cirrosis hepática y en la inanición proteica del Kwashiorkor (llamado por esto "edema del hambre"). Edema por aumento de la presión hidrostática intravascular. Un obstáculo al retorno venoso que aumente la presión venosa, puede elevar muchas veces la presión hidrostática capilar por encima de la presión oncótica plasmática, determinando de esta manera un escape de líquido hacia el espacio intersticial. Esta situación puede ocurrir en la insuficiencia cardiaca congestiva, por lo que se conoce también como edema tipo cardiaco. En la insuficiencia cardiaca congestiva hay retención de sodio por riñon que contribuye al edema. Es el edema que se presenta también por torniquetes muy apretados, venas varicosas, etc.

Fig. 2.13 Dinámica electrolítica en el lecho vascular. P.A. Presión arterial; P.V. Presión venosa; P.O. Presión osmótica; P.H. Presión hidráulica. Reproducción modificada con permiso de Martin, D.W. Jr. y Cois., Harper's Review of Biochemistry, 20a edición, pág. 635, Lange Medical Publications, Los Altos, California, 1985.

Edema por aumento de la permeabilidad capilar. Si el endotelio capilar se daña a tal grado que pasen proteínas al espacio inters-

ticial, espacio que normalmente no contiene proteínas, disminuye la osmolaridad sérica en relación con la intersticial y hay paso de

líquido a este espacio. Se le conoce también como edema tipo nefrítico por presentarse en la etapa aguda de la glomerulonefritis. Estas pérdidas plasmáticas se producen por quemaduras o por ciertas toxinas bacterianas, así como en manifestaciones alérgicas localizadas (urticaria, edema angioneurótico) o la inflamación provocada por un golpe o exposición al frío. Edema por aumento de la presión oncótica del líquido intersticial. Las proteínas liberadas en el medio intersticial no pueden volver a la circulación a través de la membrana capilar y sólo lo pueden hacer por vía linfática. La oclusión de vasos linfáticos provoca acumulación de proteínas en el espacio intersticial, lo cual determina atracción de agua suplementaria. La cirugía de los cánceres metastáticos produce con frecuencia trastornos de la circulación linfática. Las cicatrices inflamatorias y la oclusión debida a filarías provocan edemas importantes como en la elefantiasis (hipertrofia cutánea y subcutánea de piernas y genitales). En el mixedema del hipotiroidismo, aumentan las mucoproteínas en los vasos linfáticos; los vasos linfáticos no pueden eliminar proteína intersticial, sobre todo mucoproteínas, tan pronto como entran.

23 REGULACIÓN DEL EQUILIBRIO HIDROELECTROLÍTICO 2.3.1

Control del metabolismo del agua

La ingestión de agua está controlada por la sed. El centro hipotalámico de la sed responde a un aumento de la osmolaridad en sangre. Las pérdidas de agua también son controladas por vía hipotalámica en respuesta al aumento de osmolaridad en plasma; este estímulo es mediado por osmorreceptores localizados en el hipotálamo y por barorreceptores localizados en el corazón y otras re-

giones del sistema vascular lo cual determina la secreción de hormona antidiurética (ADH) o vasopresina (Figura 2.14). La hormona antidiurética (ADH) es un nonapéptido producido por el hipotálamo y secretado por la hipófisis posterior. Las células blanco más importantes de la ADH, son las de los túbulos contorneados distales y los colectores del riñon. Aumenta la permeabilidad del túbulo distal y con ello la resorción pasiva del agua a lo largo del gradiente osmótico producido por el mecanismo de contracorriente. En la membrana mucosa de las células epiteliales de los túbulos existen receptores para la ADH. Estos receptores se encuentran integrados a la adenilatociclasa y se considera que el adenosín monofosfato cíclico (AMPc) media los efectos de la hormona sobre el túbulo renal; el AMPc y los inhibidores de la fosfodiesterasa imitan las acciones de la ADH. La ADH incrementa la permeabilidad de las células tubulares al agua, lo cual permite que

la orina se concentre y se excrete en cantidades de 0.5 a 1 litro al día. En ausencia de ADH, la orina no se concentra y puede excretarse en cantidades que exceden de 20 litros al día. La adrenalina y los expansores del plasma inhiben la secreción de ADH, como lo hace también el etanol, y aumentan por ello la diuresis. Existen sustancias osmóticamente activas que no son reabsorbidas a su paso por los túbulos proximales y el asa de Henle; esto inhibe la resorción de agua, y en menor grado, de sodio y por lo tanto, un gran volumen de agua llega al túbulo distal. Esta es la base de la acción de los diuréticos osmóticos como el manitol y en menor grado la urea y glucosa hipertónica. Los aminoácidos provenientes de proteínas al metabolizarse producen urea; pacientes alimentados con aminoácidos por vía endovenosa o pacientes que por daño tisular degradan proteínas, llegan a deshidratarse aun en presencia de cantidades adecuadas de ADH. Cambios de osmolaridad del orden del 2% o más, son detectados por osmorrecep-

tores hipotalámicos sólo sensibles a glucosa y sodio, pero no a urea (Figura 2.15). Un aumento de osmolalidad plasmática provoca sed y restricción de agua en orina (orina hipertónica). La orina pasa de 190-390 mOsm/kg a valores de 800-1200 mOsm/kg, que representa tres a cuatro veces los niveles de osmolalidad en plasma (270-290 mOsm/kg). La disminución de osmolalidad plasmática provoca la excreción de una orina muy diluida (hipotónica) con valores de 40-50 mOsm/kg. El agua de piel y pulmones no tiene este tipo de control; el sudor no puede ser hiper o hipotónico, su concentración es constante. Sin embargo, existen mecanismos de adaptación, y por ejemplo, en un individuo aclimatado a medios cálidos, la pérdida de sal en el sudor es mínima (Fig. 2.15). 2.3.1.1 Diabetes insípida Las anormalidades de la secreción o de la acción de la ADH conducen a la diabetes insí-

Figura 2.15 Homeostasis de sodio y agua. Reproducida con autorización del editor de: Zilva, J.F. y Pannall, P. R. Clinical Chemistry in Diagnosis and treatment, 2a. edición, pág. 40, Lloyd-Luke (Medical Books) Ltd, 1975.

pida, las que pueden deberse a procesos patológicos en los núcleos supraópticos, en el fascículo hipotalamohipofisiario o en el lóbulo posterior de la glándula pituitaria; la destrucción de la vía hipotalámica-hipofisiaria puede ocurrir por fractura de la base del cráneo, por tumor o por infección (diabetes insípida primaria). En cualquier caso, se excretan grandes volúmenes de orina diluida (poliuria) y, como consecuencia, la necesidad de ingerir también grandes cantidades de líquido (polidipsia). Si el mecanismo de control de la sed está dañado, se puede producir deshidratación al no poderse reponer la cantidad de líquido que se pierde. Por lo tanto, es la polidipsia la que protege a estos enfermos. En la diabetes insípida nefrogénica hereditaria, la ADH se secreta en cantidades normales pero la célula tubular es incapaz de responder por un defecto de los receptores, a diferencia de la adquirida, la que se debe a la administración farmacológica de litio utilizado en el tratamiento de padecimientos maniacodepresivos. Tal parece que dicho mineral inhibe la capacidad de la hormona antidiurética para aumentar los niveles de AMP cíclico. 2.3.1.2 Secreción inadecuada de hormona antidiurética En algunos casos puede llegar a aumentar la liberación de ADH aun con una sobrecarga de agua o disminución de sodio plasmático (hipoosmolalidad), causando una hiponatremia por dilución persistente y progresiva con excreción de orina hipertónica. Este síndrome puede ser ocasionado por la producción ectópica de diversos tumores (generalmente de pulmón), por trastornos cerebrales, infecciones pulmonares, hipotiroidismo, dolor, estrés, ejercicio, o por drogas como morfina, barbitúricos o nicotina.

2.3.2 Control del metabolismo de agua y sodio La ingestión de sodio no está activamente controlada. En el control de las pérdidas, el factor más importante es la secreción de aldosterona. La aldosterona es un mineralocorticoide, cuya producción es regulada por el sistema renina-angiotensina y por el potasio primariamente; también participan el sodio, la ACTH y mecanismos neuronales.

Este mineralocorticoide afecta el intercambio sodio-potasio (y probablemente sodio-hidrógeno) a través de todas las membranas celulares. Se hace hincapié en su efecto sobre las células del túbulo renal, pero se debe tener en mente que también afecta las pérdidas fecales de sodio y la distribución de electrólitos en el organismo. Normalmente en el túbulo distal se lleva a cabo una resorción de sodio en intercambio por potasio o hidrógeno. El resultado neto de la acción de la aldosterona consiste en la retención de sodio en plasma con eliminación de potasio y sodio urinario bajo. El sistema renina angiotensina. El mecanismo que desencadena este sistema se inicia con la liberación de renina, enzima producida por las células yuxtaglomerulares

de la arteriola aferente renal en respuesta a una disminución de la presión arterial, a través de los barorreceptores renales, a disminución en los niveles de Na + y Cl" en el líquido de los túbulos renales, o cualquier combinación de factores que reduzca el volumen de líquido o sangre (hipovolemia) como son la deshidratación, hipotensión, pérdidas sanguíneas, hiponatremia, etc. La renina actúa sobre el sustrato angiotensinógeno, globulina OC. sintetizada en el hígado, para producir el decapéptido angiotensina I. Este decapéptido es luego transformado en angiotensina II por una enzima convertidora de angiotensina (ECA), peptidasa producida por pulmón, células endoteliales y plasma, que elimina dos aminoácidos del extremo carboxilo terminal del decapéptido angiotensina I para formar el octapéptido angiotensina II (ver Figura 2.16), la cual posee dos acciones: 1. Aumenta la presión arterial por vasoconstricción arteriolar. Es la sustancia vasoactiva más potente conocida.

2. Estimula la zona glomerular externa de las suprarrenales para la secreción de aldosterona. Al parecer éste es un defecto no mediado por AMPc sino por las prostaglandinas Ei y E2. La indometacina que reprime la biosíntesis de prostaglandinas, inhibe la secreción de aldosterona basal y también la estimulada por angiotensina II. Varios péptidos análogos a la angiotensina I inhiben a la enzima que convierte a la angiotensina I en II (ECA) y se utilizan para tratar la hipertensión dependiente de renina. La enzima convertidora también degrada a la bradicinina, un vasodilatador potente, con lo cual también se incrementa la presión arterial. Además de la aldosterona, la velocidad de filtración glomerular (VFG) afecta la excreción de sodio. Una baja VFG disminuye la excreción; su elevación causa natriuresis. Se ha postulado un tercer factor, además de la aldosterona y la VFG, en el control del metabolismo del sodio. Este tercer factor consiste en la llamada hormona natriurética

o atriopeptina la cual es secretada por los cardiocitos auriculares como respuesta a una expansión de volumen plasmático. Su acción consiste en inhibir la resorción de sodio en el túbulo proximal, por lo que es antagónica a la aldosterona.

ya que esta sustancia es antagonista de la aldosterona. La estenosis de la arteria renal, provoca una elevación refleja de renina y angiotensina II. Esto conduce a un aldosteronismo secundario, que se asemeja a la forma primaria en sus síntomas, excepto en las altas concentraciones de renina y angiotensina II.

2.3.2.1 Hipoaldosteronismo Este trastorno consiste en una secreción insuficiente de aldosterona y posiblemente de algún otro mineralocorticoide. Como esta hormona actúa resorbiendo sodio en intercambio por potasio o hidrógeno, disminuye el sodio plasmático, mientras que aumentan potasio e hidrógeno. Se pierden grandes cantidades de NaCl por orina, cuyos iones hidratados arrastran volúmenes de agua con disminución del volumen sanguíneo. La poliuria con alto contenido de sal hace que este síndrome se conozca como diabetes salada, el cual se acompaña de debilidad, anorexia, pérdida de peso, náusea, vómito, hipotensión y, en ocasiones, crisis de hipoglucemia. 2.3.2.3 Hiperaldosteronismo El hiperaldosteronismo o simplemente aldosteronismo, consiste en la secreción excesiva de aldosterona por la corteza suprarrenal lo cual provoca que en el túbulo distal se reasorban grandes cantidades de sodio, intercambiado por potasio o hidrógeno que se eliminan. Esto aumenta el bicarbonato de sodio plasmático con disminución de hidrógeno, lo cual ocasiona alcalosis metabólica. El aldosteronismo primario (síndrome de Conn) es producido por pequeños adenomas de las células glomerulares con manifestaciones que incluyen hipertensión, hipokalemia, hipernatremia y alcalosis; se han citado también debilidad, fatiga, tetania y poliuria. Si a estos pacientes se les administra espironolactona, mejora mucho su hipertensión,

2.4 DESEQUILIBRIO HIDROELECTROLÍTICO Alteraciones del equilibrio hídrico La deshidratación es la más frecuente alteración del equilibrio hídrico, acompañada o no de retención o pérdida de electrólitos, aunque lo más frecuente es la retención o pérdida concomitante de agua y electrólitos. Es excepcional la pérdida de agua o su retención excesiva no acompañada por pérdida de sales, sobre todo de cloruro de sodio y potasio. Deshidratación El grado de deshidratación está en relación con la concentración de sodio plasmático, el cual se encuentra elevado y provoca un transporte osmótico del espacio intracelular al extracelular. A pesar de la deshidratación, el riñon debe seguir eliminando catabolitos a través de la orina, lo que aumenta la pérdida de agua del organismo. Tipos de deshidratación La deshidratación puede ser hipertónica cuando hay una pérdida predominante de agua acompañada de hipernatremia. Se presenta con frecuencia en pacientes obnubilados que no ingieren agua, en la diuresis osmótica de los diabéticos, en la eliminación de urea como producto de excreción del catabolismo proteico, en la diabetes insípida y en la sudora-

ción profusa. Cuando los valores de sodio plasmático son superiores a 170 meq/litro, el pronóstico es malo por lesión cerebral. El sufrimiento cerebral se debe al aumento de la osmolaridad extracelular que provoca salida de agua del interior de la neurona. Las principales manifestaciones clínicas son: sed, sequedad de mucosa, pérdida de turgencia cutánea, que pueden llegar, en casos de alteraciones mentales, a confusión, estupor y coma. Cuando hay depleción de sal con pérdida simultánea de agua se presenta la deshidratación isotónica. Casi siempre se debe a pérdida de los líquidos de las secreciones del aparato digestivo, otras secreciones isotónicas, etc. En estos casos, los líquidos corporales permanecen isotónicos pero con disminución del volumen plasmático (hipovolemia). Esta es la forma clásica de deshidratación que se manifiesta por sequedad de piel y mucosas, hipotensión de los globos oculares (hundimiento), y disminución de la presión arterial. Si la depleción de volumen es moderada, la presión arterial es normal si el paciente está acostado, y puede aparecer hipotensión postural. Si es severa, puede ocurrir el choque ("shock"). El descenso de volumen plasmático y la hipotensión arterial impiden una correcta filtración glomerular y se presenta insuficiencia renal. Otros síntomas poco específicos incluyen debilidad, vértigo, náusea, cefalea y sed; la actividad simpática se traduce en taquicardia y vasoconstricción periférica. En el niño, el requerimiento de agua y su intercambio es mayor en relación con el adulto ya que aquél tiene más agua, pero la retiene con menor facilidad; si un niño no ingiere o pierde líquidos, está en peligro de deshidratación rápida. La ingestión diaria de agua en los niños deber ser de 100 a 160 ml/kg de peso (que equivalen proporcionalmente a 10 litros diarios para un adulto). Como puede verse en la Figura2.17, una pérdida de 700 mi de agua en un adulto, no representa una pérdida significativa, pero en un niño equivale a perder el 50% de agua total.

En la depleción crónica de sodio (diabetes salada) o en casos de deshidratación hipertónica por sudoración excesiva, cuando para calmar la sed se ingiere agua en abundancia, se presenta la deshidratación hipotónica. Al reponer el volumen de líquidos, sin compensar la pérdida de sal, los espacios extracelulares quedan hipotónicos, lo cual se manifiesta por alteraciones de la conciencia y de la excitabilidad neuromuscular (calambres, convulsiones) debido al edema cerebral. Otros síntomas son dolor de cabeza, náusea e hipertensión arterial. Se debe considerar esta situación cuando los valores de sodio plasmático se encuentren entre 132-117 meq/litro. Generalmente la deshidratación hipotónica es iatrogénica y se produce cuando no se reponen los electrólitos y sólo se toma en cuenta la cantidad de líquido. La reposición de potasio es de manejo muy delicado y sólo se deberá realizar en aquellos pacientes que no presentan daño renal, ya que el potasio ingerido es eliminado por riñon en un 90 por ciento. Es recomendable reponer el potasio por vía oral (j u g° de naranja, plátano, etc). Si es necesaria la vía endovenosa, se deberá hacer a una velocidad de inyección menor a 10 meq/hora y a concentraciones de menos de 40 meq/litro. Si el potasio plasmático rebasa los 8 meq/litro se presenta arritmia severa y a niveles inferiores de 3 meq/litro se produce tetania y arritmias. Para calcular las pérdidas de líquido en un individuo conociendo su natremia, se sugieren las siguientes fórmulas: Na + normal Na + elevado

Volumen total del deshidratado Volumen total del ind. normal

Para un individuo de 70 kg deshidratado: 140 Volumen del deshidratado 175 " 0.7 x 70 49 x 140 Volumen del deshidratado = —— Déficit de líquido = 4 9 - 3 9 = 10 litros

39 litros

Adulto, 70 kg Fig. 2.17 Intercambio hídrico en el niño y en el adulto. La mayor superficie corporal del niño determina mayor liberación de calor y que aumente la pérdida insensible de agua, en comparación con el adulto (1.0 y 0.5 mi / kg / hora, respectivamente). 2.5 Regulación del equilibrio ácido base 2.5.1 Concepto de pH El ion hidrógeno (H + ), desde el punto de vista del equilibrio electrolítico anión-catión contribuye muy poco dada la concentración tan baja de este catión en los líquidos biológicos (40 nmoles/litro) comparada con otros cationes. Sin embargo, el ion hidrógeno es considerado el elemento más importante del equilibrio ácido base al grado que algunos autores sugieren que la regulación del equilibrio ácido base se refiera a la "homeostasis de ion hidrógeno". El principio de la química del ion hidrógeno provee los fundamentos para la defini-

ción de ácidos y bases: un ácido es un donador de iones H + y una base es un aceptor de iones H + , según los nuevos conceptos de Brónsted y Lowry que han desplazado los viejos de Arrhenius.

El ion hidrógeno, que en realidad equivale a un protón, es demasiado pequeño para existir en forma libre, de tal manera que interacciona con el oxígeno de otra molécula de agua para formar el ion hidronio, Hs + 0.

La unión entre cada molécula de agua por atracción de cargas residuales se denomina enlace por puente de hidrógeno cuya energía ha sido calculada en 5 kcal/mol. El agua sólida, hielo, tiene una estructura de malla tetraédrica. La formación de puentes de hidrógeno entre moléculas es la que da al hielo su estructura cristalina (Fig. 2.3). Un carácter importante de la estructura cristalina del hielo es su patrón dodecaédrico pentagonal que determina la gran cantidad de espacio vacío en el cristal, que explica su baja densidad (Fig. 2.4) comparada con el agua líquida. Cuando el hielo funde, la estructura cristalina se rompe. Sin embargo, del calor de fusión del hielo se deduce que sólo el 15% de los enlaces por puente de hidrógeno se rompen. Esto significa que en el agua líquida existe cierto grado de organización cristalina. Roentgen sugirió en 1892 que el agua

líquida es una mezcla de moléculas "parecidas a las del hielo" y de moléculas "parecidas a las del vapor". Frank, de la Universidad de Pittsburg propuso un modelo de "racimos" de moléculas semicristalinas de agua unidas por puente de hidrógeno, nadando en un mar de moléculas "libres" de agua. En la actualidad, se considera que en el agua existen estructuras cristalinas llamadas "clatratos" o complejos de inclusión en los cuales los puentes de hidrógeno se forman y destruyen a gran velocidad. La vida media del enlace de hidrógeno es de 10"10 a 10 -11 segundos, y por lo tanto las estructuras derivadas de la asociación de moléculas de agua también tienen vida corta. Algunos autores la describen pintorescamente como "racimos parpadeantes" (Figura 2.5). Estas estructuras explican las propiedades del agua sólida y del agua líquida. Teóricamente, si el agua siguiera el comportamiento

Por comodidad, el H + (o protón) no se representará en la forma hidratada H 3 + 0 por más que sea ésta la especie química que en realidad se halla presente. A 25 °C el valor de la constante de equilibrio del agua (Keq) es muy pequeña, de 1.8 x 10" 16 .

Este valor tan pequeño significa que la disociación del agua es insignificante y que casi toda se encuentra en estado molecular. La concentración molar del agua [H2O] es 55.5M y sustituyendo su valor en la ecuación resulta: KeqtH^O] = [H+][OH"] 1.8 xlO"16* 55.5 = [H+][OH"] = LOMO"14 El valor de Keq [H 2 0] equivale al producto de las concentraciones de H + y OH " y se denomina producto iónico del agua. Su va-

lor a 25°C es de 1 x 10-4. Como el agua pura se disocia en cantidades iguales de iones H + y OH", la concentración de hidrogeniones es de 10 - 7 y la de hidroxilos tiene la misma magnitud. En virtud de que estas cantidades son tan pequeñas, Sórensen propuso representar la concentración de hidrogeniones como el logaritmo negativo o el logaritmo inverso de la [H + ], valor conocido como pH. PH

= - l o g [ H + ] = log

[#

+

]

En agua pura, la [H + ] y de [ O H - ] es de 1 x 10 7 M cada una y el pH - 7.0; la [OH"] se puede expresar de forma similar como pOH. Si tomamos logaritmos a la ecuación 1 x io- 1 4 = [H + ] [OH"] se transforma en 14 = pH + pOH (Tabla 2.7). Debido a que los ácidos tienen una concentración de hidrogeniones mayor que el agua, el pH de un ácido será menor que 7;

Tomada de Devlin, th, M, Bioquímica, Ed. Reverte, S.A. Tomo I, Pág. 10,1988

inversamente, si las bases tienen una concentración de iones hidrógeno menor que el agua, el pH de una base será mayor que 7. En la Tabla 2.8 se presenta el pH de diferentes líquidos biológicos. El pH del plasma es "ligeramente" alcalino, igual que el intersticial. En realidad, esa alcalinidad en términos de concentración representa una mayor concentración de bases con respecto a la "neutralidad" del agua pura. TABLA 2.8 pH de algunos líquidos biológicos Líquido Plasma sanguíneo Líquido intersticial Líquido intracelular Jugo gástrico Leche humana Saliva Orina

pH 7.4 7.4 5.5-6.9 1.5-3.0 7.4 6.4-7.0 5.0-8.0

Esta "neutralidad" del plasma y otros líquidos corporales es de vital importancia para el correcto funcionamiento celular. Pero, ¿por qué tanto interés en la protección contra variaciones en la concentración de iones hidrógeno y no de iones hidroxilo? La respuesta está en base a que la célula produce más radicales ácidos que alcalinos como producto del metabolismo de los alimentos. El metabolismo completo de los carbohidratos, las grasas y algunos aminoácidos produce H 2 0 y C 0 2 lo cual origina H2CO3, que se ioniza en H + y HCO3. Se calcula que al día se producen más de 800 g de CO2 que equivalen a 10,000 a 15,000 milimoles de H + . Por otro lado, la combustión incompleta de los carbohidratos da origen a los ácidos pirúvico, láctico, acetoacético y otros. De forma análoga, las grasas producen ácidos orgánicos (ácidos grasos) y éstos, CO2 y agua. Los aminoácidos al desaminarse, se convierten en cetoácidos que son metabo-

lizados, igual que carbohidratos y grasas hasta CO2 y agua. Para darnos una idea de la magnitud de excreción de H + y CO2, consideremos la excreción promedio de hidrogeniones por orina. Con una dieta normal se excretan por ríñones entre 50-80 meq de H + como sulfatos (provenientes de cistina, etc), ácidos orgánicos (cuerpos cetónicos), etc, en una orina acida (pH 5). Cambios mínimos en las cifras de pH representan variaciones notables en la concentración de H + . Por ejemplo, un descenso de pH de 7.4 a 7.1 representa un aumento del doble en la concentración de hidrogeniones. Por esto, la eficiencia de los mecanismos reguladores del pH debe ser máxima. Los factores que contribuyen a reducir la carga acida del medio intra y extracelular y a mantener un pH plasmático alcalino son: 1. Amortiguadores químicos de los líquidos corporales y de las células que neutralizan los ácidos y bases tanto endógenos como exógenos. La neutralización química extracelular ocurre instantáneamente, no así la neutralización celular, que requiere de difusión de H + hacia el exterior de las células y ocurre en un periodo de varias horas. 2. Mecanismo regulador respiratorio. Éste ayuda a eliminar y regular la concentración de ácido carbónico y CO2, principal producto final ácido del metabolismo. Es un mecanismo de acción rápida. 3. Mecanismos de regulación renal. Los ríñones también pueden eliminar exceso de ácidos y bases del organismo, aunque este proceso ocurre lentamente, en un periodo de horas a días. Regulación sanguínea. Sistemas amortiguadores Un sistema amortiguador, tampón o "buffer" consiste en la mezcla de un ácido o base dé-

bil y su sal; su finalidad es impedir o amortiguar las variaciones de pH. La mezcla ácido débil/sal, llamada "par amortiguador", al disociarse produce un ion común conocido también como base conjugada en virtud de que puede aceptar protones. Por ejemplo: %

H2C03 "

H + + HCO3

el H 2 C 0 3 es el ácido débil y el HCO3 su base conjugada. En el par amortiguador H2CO3 / NaHCCb: H2C03

H+ + H C O ¡

V

NaHC03

V

^ Na + + H C O ¡

La base conjugada HCO3 es el ion común. Si a este par amortiguador se agrega un ácido fuerte, por ejemplo, HC1: N a H C 0 3 + HCl

- Na + + Cl" + H +

+ HCO3" Como productos de la reacción se obtienen: NaCl, que es una sal neutra y H2CO3, que es un ácido débil, y el pH no varía mucho. Si se agrega 1 mi de HCl 0.1N a 999 mi de H2O, el pH del agua disminuye de 7 a 4, o sea, aumenta mil veces la concentración de hidrogeniones. Una cantidad del mismo ácido agregada al mismo volumen de amortiguador de acetato O.IN, sólo hace variar el pH de 4.73 a 4.72. Si se agrega una base fuerte al mismo par amortiguador, por ejemplo, NaOH: H 2 C 0 3 + N a O H ^ N a + + HCO 3 H + + OH-

+

se obtiene en la reacción NaHC03, que es una base débil y H2O que es neutra; tampoco varía mucho el pH al final de la reacción. La concentración del par amortiguador al agregar un ácido o una base fuerte, así como la relación ácido/base conjugada, variará de acuerdo a las cantidades agregadas. En consecuencia, la disminución de ácido conjugado es igual a la cantidad de base conjugada formada y viceversa. En la Figura 2.18 se muestra la curva de titulación de un ácido débil. La acción de los amortiguadores puede describirse mediante curvas de titulación. Como puede verse en la figura 2.18, el pH cambia rápidamente en los extremos, pero lentamente en el centro de la curva; este efecto es el que se denomina amortiguación. En el centro de la curva se tienen concentraciones iguales del ácido débil y su base conjugada y es el mejor intervalo para el uso de un par conjugado como amortiguador; éste es, además, el punto en que el pH es igual al pKa del ácido débil. El pKa de un ácido débil es el logaritmo negativo de la constante de disociación. El pH de una solución amortiguadora puede calcularse mediante el empleo de la ecuación de Henderson-Hasselbach, que es una forma especial de la ley de acción de masas: [A]+ [ B ] ; = = ± [ C ] + [D] v2 Esta ley indica que la reacción directa Vi (a la derecha) es mayor si aumenta A o B, o disminuye C o D; la reacción inversa V2 (a la izquierda) es mayor si aumenta C o D, o disminuye A o B. En el equilibrio, la velocidad de la reacción directa e inversa son iguales y dependen de una constante llamada constante de equilibrio (Keq).

Esta ley se puede aplicar a la disociación de un ácido y la K se denomina constante de disociación (Ka). Cuando más fuerte es el ácido que se ioniza, mayor será el valor de Ka; cuanto más débil y menos disociado es el ácido, menor será el valor de Ka. La reacción de disociación del ácido carbónico puede representarse:

Los amortiguadores químicos del cuerpo En el organismo, los amortiguadores de importancia fisiológica son mezclas de ácidos débiles y sus correspondientes bases conjugadas. Existen cuatro sistemas amortiguadores en el cuerpo que ayudan a mantener constante el pH: a) El sistema bicarbonato/ácido carbónico que actúa principalmente en el espacio extracelular. b) El sistema de fosfatos, importante en el espacio intracelular, sobre todo en eritrocitos y células tubulares del riñon. c) El sistema de las proteínas que actúa predominantemente a nivel tisular, aunque también actúa en el plasma. d) El sistema amortiguador de las hemoglobinas. El sistema bicarbonato es de los amortiguadores más importantes por varios motivos: a) la producción de CO2 en los tejidos es constante; b) su transporte por la circulación en forma de H2CO3; y c) la concentración de H2CO3 se mantiene constante por la eliminación alveolar de CO2. Examinaremos este amortiguador con detalle ya que su comprensión es la clave para entender el equilibrio ácido base. En primer lugar, lo que se considera como ácido en este amortiguador es el CO2, que realmente es un anhídrido del ácido. Reacciona con el agua para formar ácido carbónico, el cual es un ácido débil típico: anhidrasa

C02 + H20

;

^

H2C03

carbónica

En los eritrocitos la mayor parte del bióxido de carbono reacciona con el agua por acc i ó n de una e n z i m a i n t r a c e l u l a r , la anhidrasa carbónica. En cambio, la ionización del ácido carbónico es una reacción rápida y espontánea. H 2 C 0 3 ; = r = ^ H + + HCOj

Si se suman estas dos ecuaciones, se anula el H2CO3 y el resultado es: C0 2 + H 2 0 ^ = ^ H+ + HCOj

pKa = 6.1

La eliminación del H2CO3 es realista ya que simplifica las cosas; de hecho, el H2CO3 es insignificante desde el punto de vista cuantitativo, debido a que el equilibrio de la reacción C 0 2 + H 2 0 ^ = ^ H 2 C 0 3 está muy desplazado a la izquierda; el H2CO3 está presente en una concentración de 1/200 de la del C 0 2 disuelto. Para convertir el valor normal de CO2 en términos de presión parcial ( p C 0 2 = 40 mm Hg) a valores en meq/litro, se multiplica la pCC>2 por un factor de conversión (0.03). p C 0 2 (0.03). = meq/litro; 40 mm Hg (0.03)= 1.2 meq/íiiro La nueva unidad de presión del sistema internacional de pesas y medidas es el pascal (Pa). Así, un kilopascal (KPa) equivale a 7.5 mm Hg y la p C 0 2 de 40 mm Hg equivale a 5.33 KPa. La concentración de bicarbonato al pH plasmático de 7.4 es de 24 meq/litro, que en términos relativos da el valor de 20:1 considerado anteriormente. Las reglas del equilibrio químico indican que un amortiguador sólo es útil en un intervalo de pH que no varíe más allá de una unidad de su pKa. Así, el amortiguador bicarbonato con un pKa de 6.1 no debería ser efectivo contra el ácido carbónico en el intervalo de pH de 6.8 a 7.8; la forma en que este amortiguador es efectivo frente a ácidos no carbónicos en una zona de pH lejos de su pKa es otra de sus propiedades peculiares. La explicación radica en que al agregarse un ácido fuerte, la [HCO"3] disminuye formándose CO2. Pero el exceso de CO2 se exhala por lo que la proporción [HCCQ / [pC0 2 ] no cambia de forma tan espectacular. De modo semejante, si se'añade base fuerte, será neutralizada por el H2CO3, pero el CO2 será

oxigenada (Hb), de ahí que, en sangre venosa, la HHb (anión) acepta iones hidrógeno y el ácido carbónico viaja como bicarbonato. En cambio, en la sangre arterial, la HbC>2 libera H+ que se combinan con HCO3, para dar H2CO3 el cual por acción de la anhidrasa carbónica pulmonar, libera fácilmente C0 2 y agua (Figura 2.19). El aumento de la acidez de la hemoglobina cuando fija oxígeno se conoce como efecto Bohr. En resumen, para la hemoglobina puede escribirse

par amortiguador y éste a otro, de tal manera que la carga acida se reparte entre todos los anfóteros y amortiguadores; a esto se le conoce como principio isohídrico. R-CH-COCr ^ ^ H C l | ^ •—==»» NH 3 +

R-CH-COOH |

NH3+ cr ion dipolar ...... . (Zwittenon)

forma cationica

\+NaOH R-CH-COO" Na+ + H 2 0

forma aniónica

2.5.2 Mecanismos de compensación pulmonar El mecanismo pulmonar de compensación es rápido gracias a que la eliminación del CO2 proveniente del H2CO3 se lleva a cabo eficazmente merced a la enzima anhidrasa carbónica. Esta enzima intraeritrocitaria es muy activa; la reacción que cataliza: C02+ H 2 0 ^ = ^ H2C03 es de tal magnitud que alcanza el equilibrio en un segundo, menos del tiempo que permanece la sangre en el lecho capilar. El hombre normal en reposo elimina 200 mi de CO2 por minuto; durante el ejercicio intenso, este valor puede aumentar hasta 10 veces. Como la reacción que forma carbamino hemoglobina es libremente reversible, el valor de la presión parcial de CC^CpCC^) es el factor que determina la cantidad de carbamino hemoglobina. La sangre pasa por los pulmones en 0.75 segundos en un sujeto en reposo, y en 0.3 se-

gundos durante el ejercicio intenso. En condiciones normales de reposo, la pCC>2 de la sangre que sale de los pulmones (sangre arterial) es de 40 mmHg; a nivel celular, donde se desprende CO2, es de 60 mmHg. La pCÜ2 que sale de los tejidos (sangre venosa) es de 46 mmHg. Posteriormente, la sangre venosa vuelve a los pulmones donde se arterioliza al fijar 0 2 y despedir CO2 al aire alveolar, con lo que queda en equilibrio. La figura 2.20 esquematiza las presiones y dirección de flujo de CO2 entre los tejidos, sangre, pulmones y atmósfera. Cuando el pH de los líquidos cerebrales (LCR e intersticial) alcanza niveles cercanos a 7.2 los quimiorreceptores centrales del bulbo raquídeo estimulan la ventilación pulmonar de tal manera que se produce una marcada hiperventilación, que es máxima cuando se alcanza el valor de 7.0. Si la concentración de H2CO3 en sangre aumenta, se produce aumento en la pCC>2 del aire alveolar con la consecuente estimulación del centro respiratorio, lo que condiciona una disminución de la p C 0 2 del aire alveolar. Estos dos hechos tienden a llevar de nuevo la relación HCO3 /CO2 a su valor normal de 20:1, con lo que el pH recupera el valor de 7.4. 2.5.3

Regulación renal

Mientras que los mecanismos respiratorios compensan las alteraciones ácido-base a través del denominador CO2, los ríñones colaboran al control del pH actuando sobre el numerador HCO3 de la ecuación de Henderson-Hasselbach. Los mecanismos de compensación renal son lentos pero eficaces y completos. Son varios los mecanismos por los que el riñon excreta H + y retiene HCO3: a) Reabsorción de bicarbonato. Del túbulo proximal depende la mayor parte de la re-

absorción de los 4500 minóles de bicarbonato que filtra el glomérulo. La anhidrasa carbónica, que cataliza la hidratación del C 0 2 en ácido carbónico, se encuentra en las células epiteliales del túbulo proximal. El H2CO3 formado se disocia en HCO3 y H + . El H + es secretado hacia el lumen o luz tubular intercambiado por Na + el cual se reabsorbe junto con el ion HCO3 (Figura 2.21). La secreción de H + y la reabsorción de bicarbo-

nato serán incrementados por cualquier evento que aumente la concentración intracelular de hidrogeniones. Es por esta razón que tanto la deficiencia de K + como la hipercapnia ocasionan un aumento en la reabsorción de bicarbonato. El estado del volumen extracelular (VEC) ejerce efecto importante sobre la reabsorción de bicarbonato. Cuando el VEC está expandido la reabsorción de bicarbonato se

^

C0 2 «• H 2 0 1 anhid/asa carbónica

NaHC03

i l

¿céC
H 2 C0 3 -HCO¡ CÉLULA TUBULAR PROXIMAL

C0 2 + H 2 0 LUZ TUBULAR

Figura 2.21 Reabsorción de iones bicarbonato del filtrado glomerular por células del túbulo proximal

inhibe, y cuando el VEC está contraído la reabsorción de Na+ es estimulada junto con la del bicarbonato, efecto mediado por aldosterona. b) Acidificación de la orina. Para que se excrete una orina acida, los ácidos débiles como el fosfato se eliminan bajo la forma de fosfato monosódico. En el líquido extracelular, a pH 7.4, la relación HPO | /H2PO4 es 4:1, pero en la orina, a un pH ácido (5.4) esta relación se invierte y pasa a ser de 4:100. Es decir en la orina se eliminan grandes cantidades de fosfato monosódico (F^PC^Na), denominada comúnmente "acidez titulable". En la Figura 2.22 se esquematiza este proceso. La acidez titulable se refiere a los iones hidrógeno presentes en la orina en forma de aniones ácidos débiles. La mayor parte de la acidez titulable es excretada en forma de fosfato y otros ácidos orgánicos. El riñon no reabsorbe el H2PO4 el cual pasa a la orina y su pérdida representa excreción de H+.

c) Producción de ion amonio. Un amortiguador adicional lo constituye el amoniaco. La fuente principal de amoniaco (NH3) para este proceso corresponde a la hidrólisis de la glutamina, catalizada por la enzima glutaminasa (Figura 2.23). El amoniaco es una base débil que difunde libremente a través de las membranas celulares y capta iones H para formar amonio (NHJ ):NH 3 + H+ v NH}. El amonio no es difundible a través de las membranas celulares y su concentración depende del pH de los compartimientos. Dos factores determinan la excreción de amonio; el primero lo constituye el pH urinario. Conforme el pH de la orina disminuye, más NH3 es producido en el lumen tubular para formar amonio, el cual es eliminado en la orina. El segundo factor lo constituye la acidosis metabólica crónica que estimula la utilización renal de glutamina, favorece la producción de NH3 y aumenta la excreción de amonio.

de otros líquidos, al congelarse debería tener una densidad de 1.8 a 1.9 en lugar de 0.9 que es la que presenta. Esto se explica por los espacios vacíos en la estructura cristalina del

hielo, los cuales están ocuupados por agua libre en el agua líquida. En el agua líquida estos espacios pueden ser ocupados por moléculas cuyo tamaño permita su acomodo, por ejemplo, el alcohol etílico; esto explica el curioso fenómeno de que al agregar alcohol al agua no aumenta el volumen en forma proporcional al volumen agregado de alcohol. Además, estructuras no polares estabilizan los clatratos y determinan un proceso exotérmico, ya que implica la formación de puentes de hidrógeno; estas moléculas no polares permitieron a Pauling determinar la estructura del agua, por su acción estabilizad o » (Fig. 2.6). En suma, las propiedades fisicoquímicas del agua que han sido consideradas anormales, o aberrantes son explicadas en base a la estructura del agua propuesta anteriormente. A su vez, las propiedades fisicoquímicas anormalmente altas del agua explican las funciones esenciales del organismo y la hacen el líquido ideal para la vida.

2.6 DESEQUILIBRIO ÁCIDO BASE Cuando por cualquier circunstancia patológica, el pH de la sangre sale del valor normal (7.35-7.45) en uno u otro sentido, se producen los cuadros conocidos como acidosis (descenso del pH sanguíneo) y alcalosis (aumento del mismo); ambas situaciones representan trastornos del equilibrio ácido base. De acuerdo a la ecuación de Henderson-Hasselbach, las variaciones en el pH plasmático pueden deberse a cambios en la concentración plasmática del bicarbonato, en cuyo caso las alteraciones son de tipo metabólico, o cambios en la PCO2, en cuyo caso las alteraciones se definen como de tipo respiratorio. Son cuatro las alteraciones del equilibrio ácido base: acidosis metabólica, alcalosis metabólica, acidosis respiratoria y alcalosis respiratoria. En cada uno de estos trastornos cardinales del equilibrio ácido base el proceso que lo precipita no sólo afecta el equilibrio, sino que desencadena otras respuestas fisiológicas secundarias que sirven para modificar la variable alterada. Así, un trastorno metabólico induce una respuesta ventilatoria que secundariamente altera la pCÜ2; mientras que un trastorno ventilatorio induce respuestas amortiguadoras y renales que secundariamente modifican la concentración de bicarbonato. Los trastornos del equilibrio ácido base pueden ser primarios o simples cuando existe una sola alteración precipitante; un trastorno ácido base mixto se refiere a la existencia de dos o más alteraciones independientes. Cuando el pH plasmático se desvía de su valor normal empiezan a operar mecanismos compensadores. El principio general de la compensación es que, si una condición anormal ha alterado uno de los términos de la relación HCO3 / C 0 2 , el pH del plasma se puede reajustar a su valor normal mediante una alteración compensadora del otro término. Sin embargo, la compensación no impli-

ca el retorno de bicarbonato y p C 0 2 a sus valores normales. De cualquier forma, cuando los mecanismos de compensación empiezan a operar, el paciente puede quedar compensado y hablamos de acidosis o alcalosis compensada. De modo alternativo, el paciente que no muestre señales de compensación se conoce como descompensado. En la Tabla 2.9 se muestran los valores encontrados en diversos trastornos del equilibrio ácido base; las letras entre paréntesis se refieren a la ubicación del trastorno en el nomograma de Davenport (ve,r adelante). En virtud de la altitud de la ciudad de México, se deben considerar los siguientes ajustes para la interpretación de los valores normales: pH: 7.36 a 7.44 bicarbonato: 18 a 24 meq/1 pCO2:30a40mmdeHg (3.99 a 5.33 KPa) C 0 2 total: 19 a 24 mmol/1 p 0 2 : 55 a 80 mm de Hg 2.6.1

Acidosis

Se considera acidosis cualquier trastorno ácido base donde se observe disminución del pH plasmático y disminución de la relación H C 0 3 / C 0 2 . Las acidosis se pueden clasificar de acuerdo a su causa en: Acidosis metabólica Es aquel trastorno ácido base, precipitado por una disminución en la concentración plasmática de bicarbonato. La concentración de bicarbonato puede disminuir por aumento en la concentración de H + q u e consume el bicarbonato durante el proceso de neutralización. El aumento de H + puede ser provocado por la producción endógena

de ácidos orgánicos como el acetoacético y el betahidroxibutírico (cuerpos cetónicos) que se producen en la cetoacidosis diabética y la cetosis del ayuno prolongado; por la producción de ácido láctico como en la acidosis láctica del ejercicio muscular anaeróbico, shock, hipoxia, infecciones agudas, intoxicación por fenformin, colapso circulatorio, etc. También puede presentarse acidosis metabólica por aumento exógeno de ácidos como ocurre en la ingestión de sustancias acidas como el cloruro de amonio, metanol (aumento de ácido fórmico), salicilatos, glicoles y otros. La pérdida de sustancias alcalinas como el bicarbonato también provoca este tipo de alteración como ocurre en la diarrea, sondeo intestinal, fístulas del intestino delgado, biliares y pancreáticas, administración de inhibidores de la anhidrasa carbónica, resorción de grandes cantidades de cloruro después de implantaciones uretocólicas o de conductos ileales. En la acidosis metabólica, la orina se acidifica, excepto en la provocada por insuficiencia renal en la cual los mecanismos de compensación no son posibles; en este caso se retienen aniones como el cloruro (Cl - ), y

de aquí la denominación de acidosis metabólica hiperclorémica. Al elevarse la concentración de H + , a nivel del amortiguador de bicarbonato se producen los siguientes cambios: a) t H + + HCO3 ^ - ^ H 2 C 0 3 T b) Na+HCC»3

f

^ NaHCQ3l

Al desplazarse la reacción (a) hacia la derecha, de acuerdo a la ley de acción de masas, se consume HCO3 de la reacción (b) lo cual provoca su desplazamiento hacia la izquierda con la consiguiente disminución de bicarbonato. Esto altera la relación HCO3 / C 0 2 a valores menores de 20:1. Al elevarse la concentración de H 2 C03, se produce un incremento en la p C 0 2 que estimula el centro respiratorio. La respuesta compensatoria pulmonar corresponde a una hiperventilación que es frecuentemente la manifestación clínica inicial de la acidosis metabólica. T H 2 C 0 3 ^ ± H20 + C021 Sin embargo, a medida que la acidosis metabólica persiste, la compensación ventilatoria

se toma cada vez menos efectiva, ya que el esfuerzo muscular no puede sostenerse mucho tiempo. La respuesta renal, de desarrollo lento, alcanza su máximo a los cuatro días. Cuando se pierde bicarbonato como en la diarrea y otras enfermedades que se acompañan de pérdida de álcalis, se presenta acidosis metabólica con valores normales de ácido carbónico pero disminución de bicarbonato: diarrea

NaHC0 3 i ^í Na+ + HCO ¡ 1 >*

C0 2 + H j O ^ ^ : H ^ C C ^ ^ : H* + HCO 3 _J (normal)

Un concepto importante para diagnosticar ciertos trastornos ácido base es la denominada brecha aniónica. En el plasma de los individuos normales la suma de Na+ y K+ es mayor que la suma de Cl" y HCO3. La diferencia entre ellas se denomina brecha aniónica y representa los otros aniones plasmáticos que no se miden de manera rutinaria. (Na + +K + )-(Cr+HCO-)= 12al5meq/L Pérdidas de bicarbonato de sodio como en la diarrea no hacen variar la brecha aniónica porque Na+ y HCO^se afectan de la misma manera. La acidosis metabólica por administración de NH4CI tampoco altera la brecha; en este caso el HCO3 disminuye pero aumenta el Cl" en la misma proporción con lo que no cambia la suma (HCO3 + Cl"). Por el contrario, la cetoacidosis diabética o la intoxicación por metanol producen exceso de ácidos orgánicos que agotan el HCO3. Así, la suma (HCO 3 + Cl") disminuye y la brecha aniónica aumenta. La brecha aniónica se usa frecuentemente en el diagnóstico diferencial de la acidosis metabólica (Tabla 2.10). La acidosis metabólica sin cambio de la brecha aniónica se debe a acumulación de

H+ y de Cl" o a una disminución de bicarbonato sódico. Acidosis respiratoria Este tipo de acidosis se presenta cuando existe una falla en la eliminación de CO2. De este modo, todo proceso que afecte la ventilación pulmonar produce acidosis respiratoria. Esta puede presentarse bajo dos formas: aguda, cuando el tiempo de instalación es tan breve que impide el mecanismo de compensación renal; crónica, cuando el tiempo de evolución es suficiente para permitir el ajuste renal del equilibrio ácido base. El mecanismo bioquímico de la acidosis es el siguiente: í NaHC0 3 ^ = ^ Na+ + HCO3 ~\ Í H 2 C 0 3 ^ H + t + HCO3 -J H 2 0 + C 0 2 \-]fr pulmón Por ley de acción de masas se desplaza la reacción de formación de bicarbonato y éste llega a alcanzar valores más altos de lo normal. Sin embargo, el H2CO3 más elevado altera la relación HCO3 /CO2 a valores menores de 20/1 correspondiente a una acidosis (ver Tabla 2.9). Esta situación debe advertir cautela al valorar un trastorno ácido base por solo uno de los parámetros, en este caso el bicarbonato está paradójicamente aumentado aun cuando se trata de una acidosis. Las situaciones clínicas que se acompañan de acidosis respiratoria se muestran en la Tabla 2.11. 2.6.2 Alcalosis Se considera alcalosis cualquier cambio en la relación HCO3 /CO2 que tienda a elevar su valor normal (20:1) y que modifique el pH por arriba de 7.4.

Tomada de Uribe, Misael, Tratado de Medicina Interna, Ed, Médica Panamericana. Tomo II, pág. 2638, 1988. Alcalosis metabólica Consiste en un incremento de HCO3 ya sea por administración excesiva de álcalis (exógenos) o su producción excesiva (endógenos), o bien, pérdida de ácidos. Al igual que en la acidosis metabólica, puede haber aumento exógeno de bicarbonato de sodio, usado como antiácido estomacal o durante el tratamiento de la úlcera

péptica. El bicarbonato por hidrólisis produce una base fuerte y un ácido débil:

La producción endógena se presenta en la retención de sodio del aldosteronismo, o bien, en el bloqueo de la excreción renal de bicarbonato por glucocorticoides como sucede en la enfermedad de Cushing o en el

tratamiento c o n glucocorticoides a dosis elevadas. El tratamiento p r o l o n g a d o c o n diuréticos mercuriales, tiazídicos, furosemida y otros provoca d e p l e c i ó n de K + y, secundariamente, pérdida de H + para permitir la reabsorción de la m i s m a cantidad de N a + p o r riñon. (Tabla 2.12). La pérdida de H + (HC1) p u e d e ocurrir en el vómito p r o l o n g a d o o el drenaje gástrico por fístula o aspiración endogástrica y por el uso repetido de laxantes, c o n pérdida de K + por intestino d e l g a d o . La pérdida de H + por a m b a s rutas ocasiona el cuadro de alcalosis metabólica h i p o p o tasémica. El mecanismo bioquímico de producción de la alcalosis metabólica es el siguiente: (álcalis) OHc CO, + EUO /*

I

AW y H C Q j t ^ ^ H g C O g ^ Z * l (normal)

Para compensar la alcalosis, la frecuencia respiratoria d i s m i n u y e , a u m e n t a la pCC>2, con lo que el pH tiende a disminuir. La c o m pensación renal consiste en d i s m i n u i r la reabsorción de bicarbonato y la consiguiente formación de orina alcalina.

En la alcalosis metabólica p u e d e haber au-

mento en la excitabilidad neuromuscular con tetania y convulsiones generalizadas. Alcalosis respiratoria Cuando la disfunción respiratoria provoca aumento del pH plasmático se presenta alcalosis respiratoria. Esta puede presentarse en forma aguda: por ansiedad (histeria) o ingestión de salicilatos. Es de breve duración y no da tiempo al mecanismo de compensación renal. Este síndrome se trata haciendo respirar al paciente en una bolsa de plástico; esto determina un aumento de la pCC>2 y el consiguiente descenso del pH. La forma crónica se debe a una hiperventilación crónica debida a hipoxia (mal de las alturas, anemia) o al estímulo de la respiración como en el embarazo y el coma hepático. (Tabla 2.13). El mecanismo bioquímico de producción es el siguiente: ^-C02 * H

2

n ^ H 2 C 0 3 1 ^ ^ H * + HCO ~ < s

Pulmón

Los signos clínicos de la hiperventilación incluyen mareo, entumecimiento de los de-

Tabla 2.12 Causas de alcalosis metabólica Responden a cloruros

Resistentes a cloruros

Vómito Succión gástrica Diuréticos mercuriales o tiacídicos Alivio rápido de la hipercapnia crónica Adenoma velloso del colon Contracción de volumen extracelular

Hiperaldosteronismo Síndrome de Bartter Síndrome de Cushing Ingestión de etanol Hipokalemia grave

Tomada de Uribe, Misael, Tratado de Medicina Interna, Ed, Médica Panamericana. Tomo II, pág. 2637,1988.

Tabla 2.13 Causas de alcalosis respiratoria Ansiedad, histeria Fiebre Intoxicación por salicilatos Enf. vascular cerebral, trauma Infección, tumor Insuficiencia cardiaca congestiva Neumonía Embolia pulmonar Septicemia por gérmenes negativos Ventiladores mecánicos Tomada de Uribe, Misael, Tratado de Medicina Interna, Ed, Médica Panamericana. Tomo II, pág. 2639,1988.

dos, palpitaciones, diaforesis, acúfenos, tetania, contracturas musculares, dolor precordial y epigástrico, náusea y vómito. Las taquiarritmias pueden ser debidas a la hipokalemia asociada. Las tendencias convulsivas pueden exacerbarse por la hiperventilación. Trastornos mixtos o combinados Este tipo de alteraciones se refieren a la coexistencia de dos o más trastornos ácido base. Las combinaciones más frecuentes son las siguientes. Acidosis respiratoria y acidosis metabólica. Estos elementos coexisten en el paciente con paro cardiorrespiratorio, quien presenta acidosis láctica debida a la pobre perfusión tisular y a la hipercapnia que ocurre por ventilación inadecuada. También se observa en pacientes con edema pulmonar. El diagnóstico se basa en valorar la disminución de bicarbonato plasmático asociada a retención deCO* Alcalosis respiratoria y alcalosis metabólica. Los pacientes con insuficiencia hepática, con frecuencia tienen hiperventilación persistente, desarrollan esta combinación si

son tratados con diuréticos potentes o pierden líquido gástrico. Acidosis respiratoria y alcalosis metabólica. Esta combinación se observa con frecuencia en pacientes con retención de C02 secundaria a enfermedad pulmonar que desarrollan alcalosis metabólica como consecuencia de vómito y de administración de diuréticos. 2.6.3 Nomogramas auxiliares en el diagnóstico Los valores encontrados en el laboratorio de análisis clínicos nos permiten establecer el diagnóstico de acidosis o alcalosis. Sin embargo, es necesario en ocasiones precisar la causa y el tipo de alteración. Para ello es necesario auxiliarse de gráficas diseñadas a propósito llamadas nomogramas. En éstas se puede ubicar con precisión el tipo específico de alteración del equilibrio ácido base así como la evolución del mismo. Un nomograma consiste en una gráfica de escalas en la que conociendo dos de tres valores se puede interpolar el tercero. Nomograma de Sigaard Andersen (Figura 224). Su construcción se basa en la relación casi lineal entre el pH y la pCOL En papel semüogarítrnico se presentan en abscisas valores de pH de 6.8 a 7.8 y en escala logarítmica, las afras de p C 0 2 en mm de Hg. La línea del bicarbonato estándar se extiende a nivel de los 40 mm Hg (BS). La curva parabólica superior corresponde a la base amortiguadora (BB) y se considera como la suma de aniones amortiguadores, su valor es independiente de la pC0 2 pero depende de la concentración de hemoglobina y saturación de oxígeno. El exceso de base está representado en la curva inferior, con valores positivos cuando se presenta exceso de base PB). Los límites de normalidad del nomograma (N) le dan forma hexagonal; su altura es-

tá dada por la pC0 2 normal (32.5 a 39.9 mm de Hg); el pH (7.37 a 7.45) forma su límite superior e inferior y las diagonales el componente metabólico con cifras de -3 a 1.5 mEq/L. Cualquier desplazamiento a partir de esta zona implica un cambio en los dos o tres parámetros que la forman. (Ver Figura 2.24). En el nomograma de Sigaard Andersen se representa la zona de acidosis y alcalosis metabólica en base a exceso o déficit de base. A la izquierda (acidosis metabólica) para valores de -3 a -18 en déficit de base, y a la

derecha (alcalosis metabólica) con valores de + 1.5 a + 15 en exceso de base. (Ver figura 2.25 izquierda). Las acidosis o alcalosis respiratorias se valoran en base a elevación o disminución de la pC0 2 por hipoventilación o hiperventilación, respectivamente (ver figura 2.25 derecha). Otro nomograma, más fácil de comprender, es el nomograma de Davenport. Éste relaciona también las tres variables fundamentales del equilibrio ácido base, que son: HCO3 en plasma, pC0 2 y pH. Los valores normales

Figura 2.24 Nomograma de Sigaard Andersen. Tomado de la obra ABC de los trastornos electrolíticos, autor E. Rotellar, publicado por Editorial JIMS. Barcelona (España) ,1981, con autorización del editor.

Figura 2.25 Nomograma de Sigaard Andersen. Tomado de la obra ABC de los trastornos electrolíticos (con modificaciones), autor E. Rotellar, publicado por Editorial JIMS, Barcelona (España), 1981, con autorización del editor.

fluctúan alrededor de un área circular cuyo centro corresponde a pH de 7.4, concentración de HCO3 de 25-27 mEq/litro y pC0 2 de 40 mmHg, o sea, 1.2 mM de CO2. En escala lineal se grafican los mEq/litro de HCO3 (ordenadas), los valores de pH de 6.8 a 7.8 (abscisas) y los valores de PCO2 en curvas isobáricas desde 5 hasta 200 rnm Hg. La utilidad de este nomograma consiste en la sencillez con la cual se pueden localizar las zonas de acidosis y alcalosis, metabólica, respiratoria y mixta, así como las zonas de compensación. Esto se logra si dividimos en cuadrantes el nomograma, tomando como límites una vertical que corresponde al pH de 7.4 y una horizontal que pase por el valor normal promedio de bicarbonato (25 mEq/litro). Ambas líneas cruzan también con el valor promedio normal de pCC>2 que es de 40 mm Hg y que corresponde al equilibrio ácido base normal. (Ver figura 2.26). Mecanismos de compensación Se observa que la descompensación respiratoria (acidosis o alcalosis) se efectúa siguiendo la línea de amortiguación en tanto que la descompensación metabólica se realiza siguiendo la isóbara normal de 40 mm de Hg (ver figura 2.27). Si un individuo con equilibrio ácido base normal presenta una acidosis respiratoria aguda, a medida que la pCC>2 aumenta, el pH del plasma disminuye y la HCO3 aumenta. La condición del individuo seguirá la línea amortiguadora hasta el punto de la figura 2.26. La condición anormal ha situado a este paciente sobre una isóbara de CO2 anormalmente alta. La compensación consistirá en la excreción renal de H+ y la reabsorción de bicarbonato muy por encima de la normal. Dado que el paciente está fijo sobre la isóbara elevada de CO2, la única manera de ajustar el pH es deslizándose hacia arriba sobre la

isóbara hasta el punto de la figura 2.28. La situación real más probable es que se desarrolle una acidosis respiratoria y simultáneamente una compensación. Los puntos que siguen este progreso caerían sobre la línea curva desde el estado normal al punto E. En la alcalosis respiratoria, la PCO2 baja rápidamente. El pH aumenta y la HCO3 disminuye siguiendo la línea amortiguadora hasta el punto b de la figura 2.23. Al igual que con la acidosis respiratoria, el paciente queda fijo en la isóbara anormal de C0 2 . La compensación renal consiste en la excreción de bicarbonato; el pH disminuye hasta su valor normal y queda en el punto F. (Figura 2.28). En la acidosis metabólica hay, normalmente, dos mecanismos para tratar el exceso de ácido. Los linones aumentan la excreción de H + , aunque es muy lenta. En cambio, la compensación respiratoria empieza a operar casi al instante. La acidosis estimula el centro respiratorio y produce hiperventilación que disminuye la DCO2. Obsérvese que la línea compensadora es paralela a la línea amortiguadora y esto implica no sólo la disminución de la pC0 2 sino además un pequeño descenso en bicarbonato (Figura 2.29). La alcalosis metabólica sigue el mismo principio de compensación de la acidosis metabólica: hipo ventilación, seguida por un aumento en la excreción renal de bicarbonato. MODELO CLÍNICO: Deshidratación por cólera Masculino de 40 años y 80 kg de peso se presentó a consulta con malestar general, anorexia, dolor abdominal y diarrea líquida con aspecto de agua de arroz. Al día siguiente siguió con vómitos y diarrea abundantes. Ingresa en el Hospital con hipotensión postural. El laboratorio reportó los siguientes valores en sangre: Na+ 140 mmol/l, K+ 4.5 mmol/l, CL 107 mmol/l, DCO2 28 mmHg, pH 7.19, HCO3 9 mmol/l glucosa 180 mg/dl, osmolalidad 326 mOsm/1 y hematocrito 47%.

Figura 2.6 Estructura de clatrato rodeando moléculas de fluoruro de tris-n-butil-sulfonio. Tomado de J. Chem. Phys 40,906 (1964).

En la Tabla 2.2 se muestran algunas propiedades fisicoquímicas del agua y otros líquidos de peso molecular similar. El carácter dipolar del agua favorece su asociación con ella misma y con otras moléculas mediante puentes de hidrógeno. La alta afinidad entre las moléculas de agua es la causa de su alto calor específico, calor latente de vaporización, conductividad térmica, densidad, tensión superficial, punto de fusión, punto de ebullición, así como su papel como disolvente universal tanto de moléculas polares como anfipáticas. Por su polaridad es disolvente de sales y otros compuestos iónicos. Calor específico. Los procesos vitales que se realizan en un organismo son distintos termodinámicamente a los realizados por una máquina térmica; los primeros funcionan en condiciones isotérmicas. Por ello, es importante que se mantenga constante la temperatura del medio interno del organismo. El

ecuador terrestre recibe una energía radiante solar equivalente a 10 15 calorías/km 2 /año. Si en lugar de agua hubiera sólo rocas u otro líquido, se alcanzarían temperaturas mortales durante el día, para descender en la noche hasta -200°C (como ocurre en la luna y otros planetas sin agua). Nuestra atmósfera acuosa (nubes) absorbe los rayos infrarrojos durante el día y evita que varíe mucho la temperatura y en la noche absorbe la irradiación acumulada evitando que se enfríe el agua hasta la congelación. El enorme volumen de agua de los océanos los hace actuar como termostato; la temperatura de los litorales es templada por esa razón. En el organismo humano, el agua regula la temperatura corporal. Los procesos metabólicos generan calor lo que tiende a elevar la temperatura corporal. Debido al poder del agua de almacenar calor por su alto calor específico, el organismo dispone de un mecanismo que evita la elevación de la tempe-

R-O

grupo hidroxilo

N

/

grupo carbonilo

II

H

o

Ox

H

R-C-R

agua

H

H a

O

g"a

H R - NH 3 grupo amonio R - COO ~~ grupo carboxilato

f* \ H

agua H

y ' O

agua H

Grupos químicos que se unen al agua por puentes de hidrógeno.

Figura 2.26 Diagrama de valoración ácidobásica por medio del nomograma de Davenport. Tomado del Diagnóstico Clínico por el laboratorio, I. Davidsohn y J.B. Henry, Ed. Todd-Sanford (Salvat), págs. 809,814,1978. (Autorización en trámite).

Se administraron líquidos por vía oral con la siguiente composición: glucosa 110 mM, Na+ 120 mM, Cl" 84 mM, HCO^ 40 mM y K+ mM. Además se administró tetraciclina por vía oral. El paciente mejoró rápidamente y fue dado de alta 15 días después. Se aisló Vibrio cholerae en una muestra de materia fecal.

activada constantemente y la producción excesiva de AMPc da lugar a pérdida de líquido isotónico característico de la diarrea y los vómitos del cólera. Por esta razón las concentraciones plasmáticas de Na+, K+ y Cl" se encontraron dentro de límites normales. Sin embargo, la elevada osmolaridad del plasma (normal, 280-300 mOsm/1) y el hematocrito nos hablan de deshidratación isoDiscusión tónica. La pérdida de HCOJy el bajo valor del En pacientes con cólera se produce una pH nos indican un cuadro de acidosis metagran secreción intestinal de electrólitos y lí- bólica parcialmente compensada por una quidos que puede poner en peligro la vida. ventilación rápida y profunda que ha reduciÉsta desmesurada secreción es el resultado do la pCÜ2 (normal, 40 mmHg). de la enterotoxina producida por la bacteria. El nuevo tratamiento oral del cólera aproLa toxina colérica es un complejo proteico vecha la existencia de cotransporte de Na+de 5 subunidades que se une fuertemente a glucosa en el intestino que no es regulado un gangliósido GMJ de la membrana celular. por el AMPc y no se ve afectado por la Esto provoca que la adenilatociclasa quede enfermedad.

Figura 2.29 Diagrama que muestra la compensación de la acidosis metabólica G y de la alcalosis metabólica H.

ratura corporal. Por esto se dice, con razón, que el agua es un termostato biológico. Recordemos que calor específico es el número de calorías que es necesario suministrar a 1 g de material para aumentar su temperatura l°C,del5al6°C. Calor latente de vaporización. Es la energía necesaria para romper las fuerzas de atracción entre las moléculas de un líquido que permita, en el punto de ebullición, pasar a la fase de vapor. Incluso a 100°C el agua líquida contiene un número significativo de puentes de hidrógeno, lo que explica su elevado calor de vaporización. El organismo pierde continuamente agua por piel y pulmones en forma de vapor. La evaporación del sudor (agua) absorberá mucho más calor que si se evaporase cualquier otro líquido. Tenemos así, otro mecanismo que frena la elevación de la temperatura corporal. Los elevados calores específicos y de vaporización del agua permiten que el calor liberado en reacciones bioquímicas exotérmicas, como ocurre al realizar un ejercicio intenso, sea fácilmente absorbido y eliminado con pequeñas variaciones de la temperatura del individuo. Lo mismo ocurre durante un proceso febril que obliga al organismo a la sudoración para eliminar calor. Para disminuir la temperatura del cuerpo un grado cen-

tígrado se necesita evaporar menos de 2 gramos de agua por kilogramo de peso corporal. Conductividad térmica. Gracias a este elevado valor, mayor que el de ningún otro líquido orgánico, el agua influye en la termorregulación corporal, ya que por esta propiedad se iguala con rapidez la temperatura del medio interno. Densidad. El agua aumenta su volumen (disminuyendo su densidad) al congelarse. Debido a esto, al congelarse un lago, el hielo forma una costra superficial que permite la vida subacuática. Cuando los rayos solares caen sobre esta capa de hielo se descongela, y se establecen corrientes de agua de la profundidad a la superficie y la vida sigue su curso. Tensión superficial. Intimamente ligados a la tensión superficial están los fenómenos de capilaridad, esta propiedad permite que el agua ascienda por los capilares del suelo hacia las raíces de las plantas. En toda superficie de un líquido se establecen fenómenos de membrana. Es probable que la formación de las primeras membranas biológicas se hayan llevado a cabo por acumulación de sustancias orgánicas en la superficie o interfase del agua. La presencia de proteínas disminuye la tensión superficial del agua en los capilares y células, facilitando los intercambios entre los tejidos.

El epitelio alveolar secreta una sustancia tensioactiva (surfactante) que disminuye la tensión superficial de los líquidos que revisten los alveolos. La ausencia de esta sustancia tensioactiva, como ocurre en el síndrome de membrana hialina (ver capítulo de lípidos), hace que la expansión pulmonar resulte casi imposible. Constante dieléctrica. La constante dieléctrica (D) se define como la fuerza con que se atraen dos placas cargadas eléctricamente con signo contrario en un condensador lleno con el líquido o gas por valorar. Esta constante permite saber el grado de solubilidad e ionización de un soluto en determinado líquido. Según la ley de Coulomb, F es la fuerza de unión de dos partículas de carga contraria (qi y <\i)con un radio iónico (r) cuyo solvente tiene una constante dieléctica (D).

Si el valor de D es muy grande, la fuerza (F) del enlace iónico disminuye y el soluto será muy susceptible de ionizarse. Si analizamos la fuerza del enlance del NaCl en agua comparado con el valor del enlace salino en el cristal, notaremos la marcada disminución de unión cuando este soluto se disuelve en agua. El valor del enlace salino del NaCl es de 118 Kcal/mol. Al disolverse en agua, su valor disminuye a 1.4 Kcal/mol. En otras palabras, la constante dieléctrica indica la tendencia del disolvente a oponerse a la atracción electrostática entre los iones positivos y negativos. Una vez separados los iones, el agua como dipolo se orienta de acuerdo a la carga de cada ion para formar una capa de solvatación alrededor de un ion y de este modo debilita las interacciones electrostáticas (Fig. 2.7). Como estas sustancias en agua conducen la corriente eléctrica, son llamadas electrólitos. Todas las reacciones en estado iónico son más rápidas, por ello el agua favorece la catálisis enzimática.

Las sustancias polares no iónicas (como la glucosa) también se disuelven en agua con facilidad ya que forman puentes de hidrógeno con las moléculas del agua. Las moléculas no polares (como los aceites o hidrocarburos) no se disuelven en agua por no formar puentes de hidrógeno. Las sustancias polares se conocen también como hidrofílicas o hidrófilos y las no polares como hidrofóbicas o hidrófobas. Otras sustancias (como los fosfolípidos) poseen grupos polares y no polares, y reciben el nombre de anfipáticas. En estas moléculas, el agua tiende a agruparse alrededor de los grupos polares y formar puentes de hidrógeno. En cambio los grupos no polares tienden a establecer interacciones hidrofóbicas con disolventes no polares. Esta doble solubilidad permite a las moléculas anfipáticas formar núcelas coloidales muy estables que determinan la estructura y las propiedades biológicas de proteínas, ácidos nucleicos, membranas, ribosomas y otros componentes celulares. Por esto el agua es el disolvente general del organismo y es considerado el solvente universal. Se condicionan así los fenómenos osmóticos, el estado coloidal del protoplasma y el transporte de compuestos nutritivos y productos de desecho. El agua participa, además, en muchas reacciones bioquímicas como reactivo; por ejemplo, las de hidrólisis. Distribución del agua en el organismo El agua total del organismo constituye alrededor de 60-70% del peso corporal y se encuentra d i s t r i b u i d a en dos grandes compartimientos: el intracelular y el extracelular. El compartimiento intracelular contiene las dos terceras partes del agua total y es ahí donde se llevan a cabo los procesos metabólicos con la participación de enzimas disueltas cuya actividad depende de factores que deben mantenerse dentro de límites

constantes como son: presión osmótica, concentración de hidrogeniones H+, concentración absoluta y relativa de aniones y cationes, contenido de coloides (proteínas, lipoproteínas, etc), flujo de nutrimentos para energía y reparación de células, eliminación de productos de desecho y temperatura. Dentro del compartimiento intracelular existe un gran número de compartimientos separados, representados por los distintos organelos subcelulares. El agua extracelular es el medio ambiente inmediato a la célula, contiene casi un tercio del agua total y se distribuye entre el plasma o volumen vascular, el intersticial (que incluye la linfa, y el agua de huesos y tejido conjuntivo). Edelman considera además otro espacio, el transcelular, llamado también el "tercer espacio", constituido por secreciones especiales de concentración iónica similar a la del extracelular y que se encuentra separado por una capa continua de células epiteliales (Fig. 2.8). En condicio-

nes normales tiene escasa cantidad de líquido. Sin embargo, en casos de peritonitis y ascitis o cuando existen problemas pulmonares puede aparecer líquido en los espacios pleural o peritoneal. En pacientes con obstrucción intestinal se acumula a veces gran cantidad de líquido en la luz del intestino. Los mamíferos terrestres difieren de sus ancestros marinos, en que los primeros llevan su propio "océano" consigo. El líquido intersticial es el "intermediario" de los líquidos corporales, es un sistema de transferencia. Es el medio a través del cual pasan los nutrimentos de la sangre a las células y los productos de desecho de la célula a la sangre; además, diversas moléculas reguladoras (hormonas) que coordinan las funciones de células muy alejadas entre si. En los trastornos agudos del equilibrio hídrico, el líquido intersticial se moviliza activamente y protege de cambios súbitos tanto al volumen plasmático como al intracelular. En casos extremos de pérdida de líquido, el intersti-

cial es el primero en agotarse, el plasmático después y el intracelular, más vital, se conserva hasta el final. Sin embargo, cuando la pérdida de líquidos es gradual, como en la falta de ingestión de agua, los tres compartimientos sufren por igual. En la Tabla 2.3 podemos observar en la primera columna de valores, que los tejidos en general presentan casi el mismo grado de hidratación excepto esqueleto y tejido adiposo. Sin embargo, el esqueleto, en virtud de constituir una gran parte del cuerpo contribuye con cierta cantidad de agua en la hidratación total del organismo. En cuanto al tejido adiposo, es obvio su bajo contenido en agua ya que la grasa, no polar, es material hidrofóbico. Por esta razón, se debe recordar que en los obesos es más frecuente la deshidratación; "entre más grasa, menos agua". De la segunda columna podemos concluir que el tejido que más contribuye a la hidratación general del cuerpo es el muscular, siguiéndole piel, esqueleto y sangre. En números redondos, podemos considerar que un individuo promedio, de 70 kg de peso corporal, contiene 42 litros de agua (60%); dos tercios de ese total, 26 litros, representan el contenido intracelular; un tercio, 14-16 litros, corresponden al contenido extracelular. En el espacio vascular se en-

cuentran 4-5 litros y en el resto del líquido extracelular, 11 litros. 2.1.1

Balance hídrico

Diariamente se ingieren y se eliminan por diferentes vías, cantidades variables de agua, según las condiciones ambientales y la actividad del individuo. Estas entradas y pérdidas de agua deben ser iguales para que el organismo conserve el equilibrio hídrico. En un individuo normal de 70 kg de peso, este equilibrio se conserva de la siguiente forma: Pérdidas diarias. El organismo pierde agua a través de la piel como transpiración sensible e insensible, por los pulmones como vapor de agua en el aire espirado, por los ríñones como orina y por el intestino a través de las heces (Tabla 2.4). La pérdida de agua por la piel, pulmones, ríñones e intestino está gobernada por las necesidades fisiológicas. El aire espirado está más saturado de agua que el inspirado y por los pulmones se pierde continuamente 0.5 ml/kg/hora de agua sin sales. Normalmente se eliminan por esta vía alrededor de 700 ml/día pero este valor puede aumentar, igual que la pérdida por vía cutánea (200 mi), en estados febriles,

ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE AMINOÁCIDOS Y PROTEÍNAS

3.1. AMINOÁCIDOS COMO CONSTITUYENTES DE LAS PROTEÍNAS Las células vivas producen gran variedad de macromoléculas como son las proteínas, ácidos nucleicos y polisacáridos, entre otros. Estas macromoléculas son biopolímeros constituidos por unidades monoméricas o estructurales. Para los ácidos nucleicos, las unidades estructurales son los nucleótidos; para los polisacáridos son los monosacáridos.

En virtud de que las proteínas desempeñan una amplia variedad de funciones esenciales en los organismos, las cuales describiremos más adelante, es evidente que para conocer tanto el funcionamiento normal como patológico de un organismo se requiere un conocimiento claro de la estructura y propiedades de las proteínas. Aunque muchas proteínas contienen otras sustancias, además de los aminoácidos, la estructura y muchas de sus propiedades biológicas están determinadas por las clases de aminoácidos presentes y el orden en el que están dispuestos en la cadena polipeptídica. Es asombroso que en una célula existan millares de proteínas con estructura y fun-

ción diferentes, pero resulta aún más sorprendente que todas ellas estén integradas por sólo 20 aminoácidos comunes. Los aminoácidos comunes son aquéllos para los que existe un codón específico en el código genético del DNA (ver el capítulo Ácidos nucleicos). Los aminoácidos derivados son generados después de su incorporación a la molécula proteínica. Además de ser las unidades estructurales de las proteínas, los aminoácidos tienen otras funciones importantes como la transmisión de impulsos en el sistema nervioso, como material energético, y otros. 3.1.1.

Estructura general

Desde el descubrimiento del primer aminoácido, asparagina, en 1806, habrían de pasar más de 130 años para que le llegara el turno a la treonina, con la que se cerró la lista de los 20 aminoácidos. Un aminoácido es un compuesto que contiene dos grupos funcionales: un grupo amino y uno carboxüo. Ambos grupos están unidos al mismo átomo de carbono, designado carbono a. Al carbono a de cada aminoácido también está unido un átomo de hidrógeno y

Tabla 3.2. del espárrago, alanina de alantoides) o de alguna propiedad característica (glicina por su sabor dulce). De la denominación trivial ha surgido una abreviatura de tres letras que, dadas las técnicas modernas de secuenciación, han obligado la anotación de los aminoácidos por una sola letra mayúscula (tabla 3.1.). Los aminoácidos presentes en las proteínas pueden clasificarse en dos grandes grupos dependiendo de la polaridad relativa de sus grupos R (tabla 3.2).

3.1.4.1. Aminoácidos con grupo R no polar Los aminoácidos más hidrofóbicos (no polares) son la fenilalanina, leucina, isoleucina, valina, alanina, metionina y triptofano.

Clasificación de los L-a-aminoácidos presentes en las proteínas con base a las polaridades relativas de sus grupos R. Un grupo no polar es aquel que tiene poca o ninguna diferencia de carga de una región a otra, en tanto que un grupo polar tiene una diferencia de carga relativamente grande en diferentes regiones.

La mayoría de las cadenas laterales de los ca, lejos del agua de solvatación de la superaminoácidos más hidrofóbicos están orien- ficie. tadas hacia el interior de la molécula protei-

En la prolina el grupo R es único ya que incorpora el grupo amino en la cadena lateral. Realmente la prolina es un iminoácido que tiene consecuencias estructurales importantes para las proteínas como veremos más adelante. La glicina, el más pequeño de los aminoácidos, puede encajar en regiones de la estructura tridimensional de las proteínas inaccesibles para otros aminoácidos. 3.1.4.2. Aminoácidos con grupo R polar sin carga A este grupo pertenecen aminoácidos cuya cadena lateral tiene naturaleza polar (hidrofi'licá) como son la serina, treonina, cisteína, asparagina, glutamina y tirosina.

3.1.43. Aminoácidos con grupo R polar con carga negativa En esta categoría se encuentran los ácidos aspártico y glutámico. 3.1.4.4. Aminoácidos con grupo R polar con carga positiva Los aminoácidos que pertenecen a este grupo son la lisina, arginina e histidina. Las cadenas laterales de los aminoácidos polares sin carga se encuentran en proporciones significativas tanto en el interior como en la interfase de la proteína con el disolvente. Por el contrario, los aminoácidos polares glutamina y asparagina y los que tie-

nen grupos cargados a pH 7.0 como Usina, arginina, histidina, glutamato y aspartato se hallan predominantemente en la superficie de las proteínas globulares donde la carga se encuentra estabilizada por el disolvente acuoso. La colocación poco usual de una cadena lateral cargada en el interior de una proteína globular se correlaciona con un papel estructural o funcional esencial. Los grupos R con carga de los aminoácidos básicos y acídicos, tienen un papel clave en la estabilización de la conformación proteínica a través de enlaces salinos. Además, funcionan en sistemas enzimáticos que requieren de transmisión de cargas. Ya se ha mencionado el lugar importante de la histidina en la catálisis enzimática en virtud de la carga de su grupo imidazol que le permite funcionar, a pH 7.0, como base o como ácido catalítico. 3.1.5.

3.1.5.1. Ejemplos de importancia La omitiría funciona como intermediario en el metabolismo de la treonina, aspartato y metionina; junto con la citrulina, es un intermediario en la biosíntesis de la urea.

Aminoácidos no proteínicos

Existen aminoácidos que no forman parte de las proteínas pero que realizan importantes funciones en el metabolismo intermediario, o bien, como hormonas, neurotransmisores y otras.

La DOPA (dihidroxifenilalanina) es un aminoácido neurotransmisor, precursor de la melanina y se encuentra en la vía metabólica biosintética de las aminas neurotransmisoras: d o p a m i n a , a d r e n a l i n a y noradrenalina.

molécula de agua y formando un tipo de enlace amida conocido como enlace peptídico (fig-3.8) 3.2.2. Formación El enlace peptídico posee una serie de interesantes características estructurales. Dada la resonancia del grupo carbonilo (-C-), el II o

El ácido gama-aminobutírico (GABA) es un neurotransmisor derivado del glutamato.

enlace peptídico tiene naturaleza de doble enlace parcial.

H2N-CH2-CH2-CH2-COOH GABA 3.2. ENLACE PEPTÍDICO La reacción más importante de los aminoácidos es el enlace peptídico. Este enlace determina la fuerza de unión primaria de una proteína; su estructuración corresponde a una polimerización de aminoácidos, es decir, una proteína es un polipéptido complejo. 3.2.1. Definición El grupo a -carboxilo de un aminoácido (RO puede unirse covalentemente al grupo a amino de otro aminoácido (R2) eliminando una

3.2.3. Estructura del etano Si recordamos la estructura del etano (un enlace C-C) y del etileno (doble enlace C=C) veremos que en el primer caso, los átomos de carbono del etano giran libremente teniendo como eje el enlace sencillo; en cambio, el doble enlace del etileno representa una estructura rígida que impide la libre rotación.

3.2.4 Estructura coplanar El enlace peptídico con la característica de ser un doble enlace parcial, determina una estructura rígida entre carbono y nitrógeno y por lo tanto es un enlace coplanar. En un polipéptido, los carbonos a de aminoácidos cercanos están en situación trans respecto al enlace peptídico.

33. PÉPTIDOS 3.3.1. Definición

3.2.5. Rotación del enlace Así como en el enlace peptídico no puede haber rotación, sí puede haberla en torno a los enlaces C-N y C-C determinando ángulos de conformación (y y
Cuando los grupos amino y carboxilo de los aminoácidos se combinan para formar un polipéptido. Los aminoácidos constituyentes se denominan residuos de aminoácidos. Un péptido consta de dos o más residuos de aminoácidos unidos por enlaces peptídicos. En la figura 3.10 se muestra un tripéptido en el que hay que hacer notar que es aquel formado con tres residuos, no con tres enlaces peptídicos. 3.3.2. Clasificación Por convención, las estructuras peptídicas se describen a partir del residuo amino terminal (grupo-NH2 libre), que se coloca a la izquierda, y termina con el residuo carboxilo

terminal (grupo -COOH libre) que se coloca a la derecha. La repetición de este proceso secuencial genera un polipéptido con una secuencia de aminoácidos específica ( R r R2-R3-R4... Rp). Aunque existen discrepancias en la literatura, el término oligopéptido se reserva para moléculas con 2 a 20 residuos, polipéptido de 20 a 50 residuos y proteína a las que superan esta cifra. 3.3.3.

Representación de estructuras

Las estructuras polipeptídicas pueden representarse colocando el aminoácido inicial (el del extremo amino terminal) y a partir de éste colocar en zig-zag los residuos en el orden secuencial correspondiente (fig. 3.11). Como los polipétidos pueden contener un número de residuos muy elevado, es poco práctico usar las fórmulas estructurales convencionales. En cambio, puede utilizarse la abreviatura de tres letras (o incluso de una sola) para designar el péptido. En nuestro ejemplo (fig. 3.11) se podría escribir: Ala Ser - Gli - Tre, o bien, A-S-G-T-.

3.3.4.

Péptidos de importancia biológica

En todos los seres vivos se han aislado péptidos de interés biológico. Uno de los más sencillos es el tripéptido glutatión (y-glutamil-cisteinil-glicina), en el cual el glutamo inicial está unido a la cisteína por medio del carboxilo gama (y) en lugar del alfa ( a ), como ocurre con la gran mayoría de los péptidos. Este tripéptido lleva a cabo funciones oxidorreductoras por su grupo sulfhídrilo (-SH), se requiere para la actividad de varias enzimas y participa en el transporte de aminoácidos. Un grupo importante es el de los péptidos cerebrales con actividad de neurotransmisores, como la sustancia P (decapéptido) o los analgésicos opiáceos como las endorfinas y encefalinas. Tir-Gli-Gli-Fen-Met Encefalina (Metionina) Arg-Pro-Lis-Pro-Gln-FenFen-Gli-Leu-Met Sustancia P. La oxitocina y vasopresina son polipétidos cíclicos. Los antibióticos polipeptídicos a menudo contienen D y L-aminoácidos y otros no presentes en proteínas, por ejemplo, la tirocidina y gramicidina S, que contienen D-fenilalanina y ornitina. Estos polipétidos no son sintetizados en los ribosomas.

Otros polipéptidos importantes son las hormonas colecistocinina y gastrina, la insulina y glucagón, la hormona liberadora de tirotropina y otras. 3.4. PROTEÍNAS 3.4.1. Definición Las proteínas constituyen sin duda uno de los grupos de moléculas de gran trascendencia en los seres vivos. Todas las proteínas son polipéptidos de peso molecular elevado. Arbitrariamente, como se ha señalado antes, se ha establecido como línea divisoria entre polipétidos y proteínas un peso molecular de 8,000 y 10,000. Una proteína simple es aquélla que contiene sólo aminoácidos; una proteína compleja contiene, además, otras moléculas diferentes como el hemo (de la hemoglobina), vitaminas, lípidos, carbohidratos o elementos minerales (metaloenzimas). 3.4.2.

Importancia biomédica

Las proteínas desempeñan una amplia variedad de funciones que pueden agruparse en dos clases: dinámicas y estructurales. De las funciones dinámicas, la más importante es la función catalítica. De hecho, la mayor parte de las reacciones químicas celulares son catalizadas por enzimas, casi todas ellas de naturaleza proteica. En realidad, estas moléculas son tan importantes que merecen un capítulo especial dentro de la bioquímica. Otra función dinámica de las proteínas es el transporte, ejemplos de este grupo son la hemoglobina y mioglobina. Otras proteínas actúan como hormonas. Las proteínas también pueden funcionar con un papel protector como las inmunoglobulinas y el interferón. Algunas participan en los mecanismos contráctiles como la miosina y actina. Otras tienen una función de reconocimiento, como es

el caso de los receptores hormonales situados en la membrana celular o en el citosol. Dentro de las proteínas estructurales se encuentran el colágeno, la elastina y la queratina. Así pues, las proteínas son quizá las macromoléculas más versátiles, que se responsabilizan en gran parte de las funciones metabólicas y de la morfología de los seres vivos. No en vano el término proteína deriva del griego proteos que significa "primero", "primoridaT. 3.4.3.

Clasificación

En la actualidad no existe un sistema de clasificación de las proteínas universalmente aceptado. Durante mucho tiempo se dividieron en simples y conjugadas. Sin embargo, en todas las proteínas, aun las más simples, casi siempre están asociadas otras moléculas llamadas grupo prostético. En esto se basa la clasificación propuesta en la tabla 3.3. 3.4.3.1. Basada en su solubilidad Un sistema de clasificación basado en la solubilidad todavía está en uso, en particular en bioquímica clínica (tabla 3.4.). Sin embargo en esta clasificación, no se puede hacer una distinción entre albúminas y globulinas únicamente en base a sus solubilidades en agua o en soluciones salinas. Así, se subdividieron en seudoglobulinas (solubles al agua) y euglobulinas (insolubles en agua exenta de sales). 3.4.3.2. Basada en la forma Otra clasificación se basa en la forma (relación entre longitud y amplitud) y en ésta se consideran Xas proteínas globulares, de forma esférica, solubles en agua, dentro de las cuales se encuentran la insulina, albúmina y

Albúminas Globulinas

Solubles en agua y en soluciones salinas. Sin aminoácidos distintivos Escasamente solubles en agua pero solubles en soluciones salinas. Sin aminoácidos distintivos Protaminas Solubles en etanol a 70-80% pero insolubles en agua y en alcohol etilíco absoluto. Ricas en arginina Histonas Solubles en soluciones salinas Escleroproteínas Insolubles en agua o en soluciones salinas. Ricas en glicina, alanina y prolina globulinas plasmáticas y numerosas enzimas. Las proteínas fibrosas, son de forma alargada, baja solubilidad en agua, resistentes a la tracción, dentro de las cuales tenemos la queratina, miosina, colágeno y fibrina. 3.43.3. Basada en sus funciones Las proteínas se pueden clasificar de acuerdo a sus funciones en proteínas estructurales, catalíticas ( e n z i m a s ) , reguladoras, protectoras (inmunoglobulinas), de transporte, etc. (tabla 3.5).

3.4.4. Importancia biológica de las proteínas, Genes y proteínas. Diversidad Hemos mencionado el papel tan relevante y versátil de las proteínas con sus múltiples funciones. La diversidad de formas y funciones proteicas que existen en una sola célula, formadas a partir de 20 aminoácidos, nos indica que tal variabilidad depende de la combinación casi infinita de aminoácidos en cada una de las proteínas existentes en un ser vivo. ¿Qué determina tal variabilidad? En los siguientes subcapítulos hablaremos de los niveles de organización de la es-

una cadena lateral, designada R que es diferente para cada uno de los 20 aminoácidos comunes excepto para la glicina (fig. 3.1). 3.1.2. Propiedades generales 3.1.2.1. Asimetría. Estereoisomería Con excepción de la glicina, para la cual R-H, los cuatro grupos unidos al carbono a de los aminoácidos son diferentes. Esta orientación tetraédrica con cuatro grupos diferentes alrededor del carbono a confiere actividad óptica (capacidad de rotar el plano de luz polarizada) a los aminoácidos. En la configuración absoluta, utilizando la proyección de Fisher, el COOH está dirigido hacia arriba y atrás del plano de la página, el grupo R de la cadena lateral se dirige hacia abajo y atrás del mismo plano, el grupo H y el grupo -NH2» en el carbono a están dirigidos hacia el lector, si por convención el grupo examino está proyectado hacia la izquierda, el aminoácido tiene la configuración absoluta. Su enantiómero óptico, con el grupo a-amino hacia la derecha tiene la configuración absoluta denominada D, como en el D-gliceraldehído (fig. 3.2). En las proteínas de mamífero sólo se encuentran L-a-aminoácidos. La dificultad surgida de intentar denominar familias de isómeros ópticos con dos o más centros asimétricos ha dado lugar al establecimiento de un método más general de desig¿

nación estereoquímica, el sistema RS, donde los grupos unidos a un orden basado en el número atómico: SH>OH>NH2>CDOH>CH3>H. En todos los casos el grupo H se encuentra debajo del plano. Si los otros tres grupos se ordenan de mayor a menor prioridad en el sentido de las manecillas del reloj, el centro asimétrico es R (RECTUS en latín) y S (sinisterenel opuesto) (ver fig. 3.3.). Dado que los aminoácidos de las proteínas son asimétricos, las proteínas también tienen propiedades asimétricas. 3.1.22. Formas iónicas de los aminoácidos Los grupos amino y carboxilo de un aminoácido pueden ionizarse. El pK del grupo amino es 9.8 y el del grupo carboxilo es 2.1. Por tanto, dentro de los límites fisiológicos del pH, ambos grupos están cargados (fig. 3.4), constituyendo un ion dipolar o switterion (en alemán, ion híbrido). Cabe aclarar que la estructura sin carga de un aminoácido indicada en la fig. 3.1 no puede existir a ningún pH, pero es posible usarlo por conveniencia, al describir la química de los aminoácidos. Los aminoácidos tienen carácter anfótero, por comportarse como ácidos o bases debido a sus grupos ionizables. En los aminoácidos neutros, que existen como ion dipolar, es decir, aquella forma en la que la carga positiva es igual a la carga negativa (carga neta

tructura proteica. El primer nivel, o estructura primaria, se refiere al orden de los aminoácidos en la cadena polipeptídica. Es decir, cada proteína posee un ordenamiento o secuencia de aminoácidos bien definido per o . . . ¿qué determina ese ordenamiento? Aquí debemos detenernos y, quizá adelantando un poco, hablar de ese factor particular en cada célula u organismo que determina ese ordenamiento y, por ende, la gran diversidad de estructuras y funciones proteicas. Ese elemento dictador de la secuencia polipeptídica es la unidad transmisora de los caracteres hereditarios, el gene o gen; bioquímicamente, el DNA. La información genética contenida en cada célula o individuo se expresa a través de una proteína, muy frecuentemente de una enzima. En este sentido, las proteínas vienen a ser las ejecutoras de las ordenes dictadas por los genes. Sobre esto se tratará más ampliamente en el capítulo de ácidos nucleicos.

dos automáticos en el análisis de aminoácidos introducidos por Moore y Stein en 1964. El analizador automático de aminoácidos (secuenciador) está cediendo lugar actualmente a sistemas basados en métodos cromatográficos de alta eficacia, que utilizan la técnica de degradación de Edman, y los métodos secuenciales del gen que codifica a la proteína en estudio. La importancia de la estructura primaria es tal que una variación en un solo aminoácido de una cadena polipeptídica puede determinar una falta letal en la proteína completa. El ejemplo clásico es el de la hemoglobina S (HbS) que tiene la sexta posición de la cadena P ocupada por valina en lugar de glutámico como la hemoglobina normal (HbAí). Los individuos que tienen este defecto padecen anemia de células falciformes, con una elevada hemolisis y obstrucción de capilares por los eritrocitos anormales.

3.4.5. Niveles estructurales de una proteína*

3.4.5.2. Estructura secundaria

3.4.5.1. E s t r u c t u r a primaria La estructura primaria, ya familiar desdé la descripción de los péptidos, se refiere al orden de los aminoácidos en la cadena polipeptídica. La fuerza estabilizadora de esta estructura es el enlace covalente (peptídico). En esta estructura se incluye, además de la secuencia de aminoácidos, la localización de los puentes disulfuro (cistina). La determinación de la estructura primaria de una proteína es actualmente una técnica accesible a la mayor parte de los laboratorios de bioquímica. Esto ha sido posible gracias a los esfuerzos de Sanger, quien en 1953 fue el primero en estudiar y determinar la estructura primaria de una proteína, la insulina. Ahora se conoce la secuencia completa de más de 2,000 proteínas, gracias a los méto-

Si una proteína estuviera constituida por sólo una disposición polipeptídica lineal, su única conformación posible, fuera la fibrosa. Sin embargo, en virtud de la estructura coplanar del enlace peptídico y los ángulos de rotación § y vy que regularmente toman valores de 132 y 123° respectivamente, surge una estructura particularmente estable que es la a-hélice. En este tipo de estructura secundaria, la cadena polipeptídica se pliega adoptando una forma helicoidal con giro a la derecha que contiene 3.6 residuos de aminoácidos por vuelta. Esta estructura fue propuesta inicialmente por Pauling y Corey. La máxima estabilidad de la hélice está determinada por puentes de hidrógeno que se establecen entre el grupo carbonilo (C-0) de un enlace peptídico y el amino (N-H) presente cuatro residuos más adelante en la cadena (fig. 3.12).

Figura 3.12. Representación de un polipéptido en conformación de a-hélice

En la conformación de a-hélice las cadenas laterales R se proyectan en forma perpendicular al eje de la hélice y hacia el exterior de la estructura en espiral generada por la cadena peptídica. Si estos grupos R están próximos y tienen carga del mismo signo o están ramificados (valina, isoleucina), sus interacciones desestabilizan la estructura helicoidal. Otro factor que rompe la conformación a-helicoidal es la presencia de prolina, ya que el anillo pirrolidina de su cadena lateral interacciona estéricamente con la cadena lateral del aminoácido precedente y, además,

porque no puede ocurrir rotación del enlace N-C. La presencia de prolina entre dos cadenas en a-hélice produce una acodadura de la dirección general de la molécula, lo cual es de gran importancia en la configuración general de una proteína. Otro aminoácido que tiende a desestabilizar la a-hélice es la glicina, por tener un grupo R muy pequeño. Pauling y Corey también propusieron otra estructura secundaria que es la estructura P (P porque fue una segunda estructura, siendo la a-hélice la primera). La conformación p está formada por dos o más cadenas polipep-

tídicas que pueden ser paralelas (en el mismo sentido) o antiparalelas (en direcciones opuestas) y se estabilizan también por puentes de hidrógeno (fig. 3.13). En tanto que la hélice es una cadena polipeptídica enrollada, la tira plegada p está extendida y se dispone a la manera de un acordeón con los grupos R proyectados por encima y por debajo de los planos generados por las cadenas polipeptídicas. La estabilidad es mayor en la conformación antiparalela, la más frecuente en las proteínas naturales, incluso más que la a-hélice. En general, estas estructuras laminares se dan en las proteínas fibrosas como la queratina del pelo y la piel, la fibroma de la seda; la sustancia amiloide que se deposita en condiciones patológicas, es un depósito de proteína en forma de tira plegada. Es común que en numerosas proteínas ocurran simultáneamente ambas estructuras, la a-hélice y la hoja plegada p, como se ilustra en la fig. 3.14. Finalmente, dentro de la estructura secundaria, pueden existir algunas regiones de las proteínas que no son a-hélice ni tira plegada, sino que son conformaciones enrolladas al azar. En términos de su función biológica, las regiones de enrollamiento aleatorio son de igual importancia que las de a-hélice o tira plegada.

tática de tipo salino entre un grupo carboxilato (-COO - ) y un grupo amino (-NH3+) de residuos glutamato o aspartato con Usina o arginina; b) puentes de hidrógeno, entre grupos carboxilato, oxhidrilo (-OH) o los propios grupos carbonilo (-C=0) de las uniones peptídicas; c) interacción de cadenas polares, como los grupos aromáticos de la fenilalanina o los no aromáticos de alanina e isoleucina, etc; d) fuerzas de Van der Waals, cuando los residuos son idénticos como dos metilos de la alanina, hidroximetilos de la serina, etc; e) puentes disulfuro, que se establecen entre los grupos sulfhidrilo (-SH) de la cisteína para dar el enlace covalente disulfuro (-S-S-) entre cadenas vecinas (fig. 3.15). El resultado de las distintas uniones descritas es una estructura terciaria de gran estabilidad. El estudio de la estructura terciaria ha sido posible gracias a la cristalografía de rayos X desarrollada por la escuela de Bragg en Cambridge y a la labor pionera de Kendrew sobre la mioglobina y de Perutz sobre la hemoglobina. Las estructuras terciarias de las proteínas permiten agruparlas en familias y subfamilias; por ejemplo, proteínas fibrosas de forma alargada y proteínas globulares de forma esferoidal.

3.4.5.3. Estructura terciaria

3.4.5.4. Estructura cuaternaria

Existen razones sobradas para pensar que gran parte de las proteínas tienden a adoptar forma esférica, globular. Esto sólo puede ocurrir si suponemos que, además del plegamiento secundario, existe un superplegamiento de la proteína que da lugar a una estructura compacta. Es la que se conoce como estructura terciaria de las proteínas. Se trata de un arreglo tridimensional que forma diversos repliegues específicos. Los tipos de enlaces que estabilizan la estructura terciaria son: a) atracción electros-

Cuando una proteína se compone de más de una cadena polipeptídica, se dice que posee estructura cuaternaria. Las proteínas que poseen este grado de organización estructurai se denominan oligoméricas y las cadenas polipeptídicas individuales que la integran se denominan monómeros, protómeros o subunidades. Cuando una proteína oligomérica contiene dos o cuatro monómeros o subunidades se denomina dímero o tetrámero, respectivamente. El mejor ejemplo estudiado es la hemoglobina que es una proteína tetramérica (fig. 3.16).

Figura 3.13. Conformación p de una proteína con disposición paralela (a) antiparalela (b).

Figura 3.14. Representación esquemática del plegamiento de la cadena principal de la ribonucleasa bovina. La región de a-hélice está encerrada en un óvalo y la región p está sombreada. Otras porciones constituyen un enrollamiento al azar.

Figura 3.15. Tipo de uniones que estabilizan el plegamiento de las proteínas. 1. interacción electrostática; 2 puentes de hidrógeno, entre treonina y serina; 3 interacción dipolo-dipolo entre dos serinas; 4 unión de disulfuro, convalente, entre dos cisternas, y 5. interacción hidrofóbica entre leucina e isoleucina.

Figura 3.16. Estructura cuaternaria de ias proteínas. Esquema de la disposición de cuatro subunidades de una molécula de hemoglobina, formada por dos cadenas a en la parte inferior de la figura y dos cadenas p en la parte superior.

Los enlaces que mantienen la estructura cuaternaria son del mismo tipo que los que mantienen la estructura terciaria, excepto enlaces covalentes. Por ejemplo, la ot-quimotripsina contiene tres cadenas polipeptídicas unidas por enlaces disulfuro y no se considera estructura cuaternaria. La mioglobina está compuesta por una sola cadena polipeptídica y no posee estructura cuaternaria. Sin embargo, la hemoglobina contiene 4 subunidades unidas no covalentemente y, por tanto, tiene estructura cuaternaria. La enzima aspartato transcarbamilasa tiene una estructura cuaternaria formada por 12 subunidades. Otros ejemplos incluyen la sintetasa de ácidos grasos, la piruvato deshidrogenasa, a las cuales se les conoce como complejos multier>zimáticos o estructuras supramoleculares. La estructura cuaternaria está íntimamente ligada a las propiedades reguladoras de las proteínas, particularmente en los sistemas llamados alostéricos. En estos sistemas, la respuesta puede estar afectada por la presencia de efectores (inhibidores o activadores) que modulan la acción primaria de la proteína (ver capítulo de Enzimas). Las estructuras secundaria y terciaria de una proteína están determinadas por la estructura primaria. Por lo tanto, no es necesario postular un control genético independiente para los niveles de estructuración superiores al nivel primario, puesto que la estructura primaria determina la secundaria, terciaria y (cuando está presente) la cuaternaria.

3.5. RELACIÓN ENTRE ESTRUCTURA Y FUNCIÓN La actividad biológica de una proteína depende del ordenamiento tridimensional apropiado de sus grupos funcionales. De este modo, las proteínas sólo funcionan cuando están plegadas en su estructura original o conformación nativa. Debido a que las con-

formaciones nativas de la mayor parte de las proteínas están estabilizadas sólo por enlaces no covalentes, el plegamiento puede ser alterado por condiciones como alta temperatura, pH extremo o presencia de solventes orgánicos que debilitan las interacciones no covalentes. 3.5. L

Desnaturalización

La alteración de una proteína que modifique su conformación nativa se denomina desnaturalización; este cambio provoca la consiguiente alteración o desaparición de sus funciones. En una proteína se produce la desnaturalización al perder su estructura secundaria, terciaria y cuaternaria, conservándose la primaria (covalente). En el estado desnaturalizado los niveles de estructuración superior de la conformación nativa se encuentran al azar, es decir la proteína altamente ordenada queda reducida a un polimero estadístico formado por una cadena de aminoácidos (fig. 3.17). La existencia de enlaces disulfuro en una proteína aumenta su resistencia a la desnaturalización. 3.5.1.1. Agentes desnaturalizantes Todos aquellos agentes capaces de romper o alterar los enlaces que mantienen las estructuras de orden superior de una proteína pueden desnaturalizarla. Un agente desnaturalizante muy común es el calor, esto tiene aplicación cotidiana en el laboratorio de bioquímica. Otros agentes físicos (radiaciones, tensoactividad, altas presiones) o químicos (ácidos, álcalis, urea, detergentes) capaces de alterar las interacciones débiles pueden llegar a desnaturalizar las proteínas. En proteínas cuya estructura tridimensional está determinada por enlaces disulfuro, pueden ser desnaturalizadas por agentes reductores como el mercaptoetanol

o el ditiotreitol. En ocasiones esta alteración es reversible cuando se elimina el agente agresivo. En otros casos la desnaturalización es irreversible. Una consecuencia de la desnaturalización es la pérdida drástica de solubilidad. Otras alteraciones incluyen disminución de la viscosidad, velocidad de difusión y facilidad con que cristalizan. Siendo la conformación de la molécula proteínica la base principal de su función, al desnaturalizarse la proteína, se altera su actividad fisiológica. Por ejemplo, las globulinas plasmáticas desnaturalizadas pierden sus funciones de anticuerpos. 3.5.2. Complementarte dad y capacidad de reconocimiento Existen proteínas capaces de reconocer determinado tipo de moléculas que serán objeto de su actividad. Ese sitio de reconocimiento se debe a la presencia en la proteína de una estructura complementaria a la de la molécula (llámese sustrato, hormona, antígeno, efector, grupo prostético), que permite a la proteína (sea enzima, anticuerpo, receptor

membranal) reconocer a la molécula en cuestión y asociarse con ella en forma específica. Para explicar el fenómeno de la especificidad, Emil Fisher propuso en 1894 una analogía similar a la que existe entre llave y cerradura. En las proteínas donde más se ha ejemplificado el fenómeno de la especificidad de reconocimiento molecular es entre las enzimas y su sustrato; de ellas nos ocuparemos más adelante. Otro ejemplo es el de la globina que se une específicamente a su grupo prostético, el grupo hemo, debido a que la proteína tiene un hueco molecular con la forma precisa para el hemo y dado que las cadenas laterales de los aminoácidos en contacto con el anillo son no polares. Clásico ejemplo de reconocimiento es la unión de sustancias llamadas antígenos con su anticuerpo específico. El anticuerpo es una molécula proteínica especial perteneciente al grupo de las inmunoglobulinas. Los receptores membranales de reconocimiento de las hormonas, que representan el primer sitio de acción hormonal, son también proteínas de reconocimiento. Como regla general, un sitio fijador (de reconocimiento) en una proteína se ajusta al

compuesto que se va a unir en forma, tamaño y polaridad. 3.5.3.

Alosterismo

En algunas enzimas y en la hemoglobina se encuentra, además del sitio activo (para el sustrato), otro sitio de reconocimiento para moléculas llamadas efectores alostéricos; la ocupación de este otro sitio determina una inhibición o una activación de la reacción, mecanismo conocido como alostérico. Un mecanismo alostérico es un proceso común en moléculas proteicas en el que la asociación del sustrato está influenciada por la fijación de otras moléculas que no son sustratos directos de la proteína. En un proceso alostérico debe haber en la proteína centros separados de fijación para el sustrato (por ejemplo, O2 en el caso de la hemoglobina) y el efector (inhibidor o activador) que ejerce el control alostérico. 3.6. MÉTODOS DE SEPARACIÓN Y ANÁLISIS 3.6.1.

Cromatografía

Las experiencias en cromatografía se remontan a 1850, cuando Runge describió un método para el análisis de mezclas de colorantes, aplicando gotas de colorantes en papel y notando la separación en diferentes colores. Sin embargo, el crédito del descubrimiento de'la cromatografía se le dá al botánico Tswett, quien en 1906 efectuó la separación de mezclas de pigmentos vegetales en un tubo conteniendo material adsorb e n t e s ó l i d o f i n a m e n t e d i v i d i d o . La separación cromatográfica se basa en el coeficiente de partición líquido-líquido de los compuestos. La cromatografía en papel, como todas las técnicas simples, ha revolucionado la se-

paración y detección de productos de reacción y la determinación e identificación de compuestos. Desarrollada en 1944 por Martin en Inglaterra, consiste en colocar en tiras de papel como soporte de una fase estacionaria acuosa mientras una fase móvil orgánica se desplaza en la tira, gotas de la sustancia a separar cerca del punto donde partirá el desplazamiento de la fase orgánica (fig. 3.18). La relación de la distancia recorrida por el compuesto entre la distancia que recorre el frente del solvente desde el sitio de aplicación se conoce como valor Rf (relación de frentes) del compuesto. Bajo condiciones estrictamente controladas el Rf es una constante importante para propósitos de identificación. El método descrito es cromatografía unidimensional. La cromatografía bidimensional es una variante de considerable poder de separación, ya que se emplean dos diferentes solventes aplicados secuencialmente para desplazar un solo compuesto (fig. 3.19). La gota del compuesto (generalmente un aminoácido o un péptido) se "revela" como una mancha en el papel. El material usado como revelador es usualmente la ninhidrina mencionada antes. La cromatografía en capa fina utiliza el mismo principio de la cromatografía en papel (cromatografía de adsorción); el soporte utilizado es sílica gel o celulosa colocadas en una hoja de vidrio o plástico en forma de capas muy finas. En este proceso, la separación cromatográfica es muy rápida (fig. 3.20). Las dos primeras técnicas descritas se utilizan generalmente para separar e identificar aminoácidos o péptidos pequeños. A continuación se describirán técnicas para la separación e identificación de proteínas. También utilizando una separación en columna, pero aprovechando las cargas residuales de las proteínas como carácter diferencial, se describe la cromatografía de

Figura 3.18 Cromatografía en papel.

intercambio iónico. Las resinas de intercambio iónico para preparar la columna cromatográfica, se preparan a partir de materiales insolubles (agarosa, poliacrilamina, celulosa, etc.) que contienen ligandos cargados negativamente (R-CH3-COO--SO5) o ligandos cargados positivamente (dietilamino) unidos a la resina insoluole.

Las resinas cargadas negativamente fijan cationes conociéndose como resinas de intercambio catiónico. Igualmente, las resinas cargadas positivamente fijan aniones y se denominan resinas de intercambio aniónico. El grado de retención o retardo de una proteína (o aminoácido) por una resina dependerá del número de cargas (positivas o negativas) de la proteína al pH del experimento (revisar pl de una proteína). Aquellas moléculas proteicas con la misma carga que la resina se eliminarán primero, seguidas por proteínas de carga opuesta, que por atracción de cargas, se retendrán más tiempo en la columna. Cuando es difícil eliminar una molécula fuertemente atraída por la resina, se utilizan cambios de pH o fuerza iónica para debilitar la interacción. Los derivados de celulosa como carboximetil celulosa (CMC) y dietilaminoetil celu-

cero), no se desplazan ni hacia el cátodo ni hacia el ánodo en un campo eléctrico. El punto isoeléctrico (pl) de un aminoácido se define como el pH en el cual no tiene carga eléctrica neta; en el caso de los aminoácidos con sólo un grupo amino y uno carboxilo corresponde a la siguiente ecuación: pl = | ( P K 1+ pK2) Si consideramos la curva de titulación de un aminoácido sencillo como la glicina, su equilibrio de ionización corresponde a: A pH de 1 la forma iónica predominante tiene una carga de +1 (forma catiónica) y se desplazará hacia el cátodo en un campo eléctrico. La adición de base hasta alcanzar la forma de zwitterión, corresponde al punto isoeléctrico (pl=5.97).

La adición de base a la forma dipolar de la glicina, completa la titulación del grupo NH 3, el pH de la solución es superior a 11.5 y la especie predominante tiene una carga formal de -1 (forma aniónica). Como puede verse en la fíg. 3.5, la glicina y otros aminoácidos con cadena lateral no ionizable y valores de pKi próximos a 2.5 y de pK2 próximos a 9.5, pueden actuar como amortiguadores en dos zonas de pH, donde ninguna les permite actuar como amortiguadores al pH fisiológico del plasma. Precisamente, el pH de 7.4 es un valor cercano al pl de dichos aminoácidos, y éste es el punto de menor solubilidad de aminoácidos y proteínas. Un caso más complejo lo constituyen los aminoácidos con un grupo ionizable en su cadena lateral. Tal es el caso del ácido glutámico y del aspártico que poseen un grupo

losa (DEAE) se han utilizado con éxito en la purificación de proteínas. En la cromatografía líquida de alta resolución, la mezcla de proteínas a separar e

identificar se pasa a través de una columna empaquetada con pequeñas esferas de resina insoluble. Como en esta técnica la resina está tan densamente empaquetada se requiere

de bombeo a elevada presión para forzar el paso de la proteína. En esta técnica la columna es metálica y no de vidrio como la cromatografía a presión normal. Las esferas de resina pueden cubrirse con grupos cargados, como en la cromatografía de intercambio iónico, o con residuos hidrofóbicos con lo que las moléculas no polares se retrasarán al paso por la resina. Las esferas pueden ser porosas y actuar con el mismo principio de la cromatografía de exclusión molecular, separando moléculas grandes de las pequeñas. La cromatografía de afinidad se basa en la alta afinidad que tienen las proteínas por sus sustratos, grupos prostéticos, receptores de membrana, inhibidores no covalentes específicos y anticuerpos específicos. Estos compuestos de alta afinidad se pueden unir en forma covalente a una resina insoluble y utilizarse para purificar una proteína mediante cromatografía en columna. 3.6.2. Filtración en gel La separación de proteínas de diferente tamaño haciéndolas pasar a través de una columna empaquetada con un gel poroso en forma de pequeñas esferas insoluoles se denomina filtración en gel o cromatografía de exclusión molecular. El polisacárido dextrana es tratado químicamente para que se formen enlaces cruzados que den un retículo o malla por la cual pueden pasar moléculas pequeñas. Esta sustancia queda como pequeñas esferas hidrofílicas, pero insolubles, que al colocarlas en agua se hinchan para formar un gel insoluble. El nombre comercial de este gel es sephadex. Las proteínas pequeñas pueden penetrar por los poros del gel, por lo que tendrán que desplazarse por espacios sinuosos y viajar más a través de la columna, que las proteínas grandes, las cuales, al no poder penetrar por el retículo del gel, son excluidas por motivos estéticos. En consecuencia, una mez-

cla de proteínas se separa en función del tamaño saliendo primero las proteínas más grandes y a continuación las más pequeñas, las cuales se retardan por tener que viajar por el retículo del gel (fig. 3.21).

Figura 3.21 Filtración en gel o cromatografía de exclusión molecular en columna

El bioquímico tiene para elegir varios tipos de sephadex para preparar columnas. Así, el sephadex G-25 excluye compuestos de peso molecular de 3,500-4,500, sephadex G-50 para PM de 8-10,000 y sephadex G-75 para 40-50,000 de PM. Los geles de sephadex G-100 y G-200 se utilizan para separar proteínas de alto peso molecular. 3.6.3.

Electroforesis

El movimiento de una partícula cargada en un campo eléctrico externo, hacia el electrodo de carga opuesta se denomina electroforesis. La electroforesis de proteínas se ha llevado a cabo de acuerdo al principio desarrollado por el sueco Tiselius en 1937. Según esta técnica, se hace pasar durante un cierto tiempo, una corriente eléctrica a tra-

vés de un tubo en U (un electrodo en cada extremo) lleno con una proteína disuelta en un amortiguador con la misma fuerza iónica, pH y conductividad. Durante la electroforesis, las diferentes proteínas migran hacia el electrodo de carga opuesta. El grado de migración depende de las cargas de la proteínas, del P.M. y de la forma. El sitio donde se concentra la proteína en el tubo puede ser determinado por un proceso óptico. La luz refractada nos da un patrón de picos, cada pico representa la separación entre la molécula proteica y el amortiguador (fig. 3.22). El aparato de Tiselius se utilizó para determinar el punto isoeléctrico y la movilidad electroforética de las proteínas. Una modificación altamente simplificada de la técnica electroforética de Tiselius es la llamada eléctroforesis de zona. En ésta, la separación electroforética se realiza sobre un soporte inerte como papel, almidón, agar, acetato de celulosa y, el más reciente gel de poliacrilamida. La medida de la concentración de cada proteína separada se hace por revelado y lectura en un densitómetro. Variantes más desarrolladas de la eléctroforesis simple son la inmunoelectroforesis y el isoelectroenfoque. La primera combina la separación electroforética con la especificidad de las reacciones inmunológicas. Es especialmente útil para separar proteínas y otras sustancias antigénicas con carga, particularmente las proteínas plasmáticas (fig. 3.23). El isoelectroenfoque ofrece una resolución sumamente elevada. En esta técnica se utilizan mezclas de anfolitos formados por ácidos poliamino-policarboxílicos con un intervalo de pl definido para establecer un gradiente de pH a través del campo eléctrico aplicado. Una proteína cargada se desplazará a través del gradiente de pH en el campo eléctrico hasta que alcance una región de pH en el gradiente igual al valor de su pl. En este punto la proteína se mantiene estacionaria en el campo eléctrico y puede visualizarse o eliminarse de la columna (fig. 3.24).

3.7. PROTEÍNAS DE IMPORTANCIA MÉDICA En esta sección, se estudiarán algunas proteínas con importantes funciones biomédicas. Se han escogido las proteínas de transporte, hemoglobina y mioglobina, proteínas protectoras como las inmunoglobulinas, las proteínas plasmáticas, proteínas estructurales como el colágeno y proteínas contráctiles como la tropomiosina, como ejemplo de proteínas cuya estructura y función es esencial estudiar para una correcta comprensión de sus procesos bioquímicos normales y de su mal funcionamiento en las enfermedades.

3.7.1.

Hemoglobina y mioglobina-

Las hemoglobinas son proteínas globulares, presentes en los glóbulos rojos, que fijan oxígeno en los pulmones y lo transportan por la sangre hacia los tejidos; al volver a los pulmones desde los capilares, actúan como transporte de CO2 y de iones hidrógeno. La hemoglobina (Hb) está formada por la proteína globina (una histona) y el grupo prostético hemo. La proteína globina desde el punto de vista de su estructura cuaternaria es un tetrámero, es decir, la constituyen 4 subunidades, cada una de ellas formada por cadenas polipeptídicas con dos estructuras primarias diferentes y cada subunidad con su grupo hemo. En la forma más común de hemoglobina humana adulta, HbAí, las dos subunidades de una clase se denominan cadenas a y los otros dos monómeros de la misma clase se designan como cadenas p. Así, la fórmula tetramérica de la HbAí es 0 ^ 2 - La hemoglobina fetal (HbF) es 0,272» la hemoglobina de las células falciformes (HbS) es ct2£2 y la hemoglobina menor del adulto (HbA2) es a252- Se conoce la secuencia completa de aminoácidos de las cadenas a(141 aminoácidos) y de las cadenas p , y y 6

(146) aminoácidos). El PM de la hemoglobina, incluyendo el grupo hemo, es de aproximadamente 67,000. La hemoglobina fue la primera proteína analizada por difracción de rayos X, identificada como una molécula casi esférica con un diámetro de 5.5 nm (fig. 3.25). Su concentración en la sangre humana es de 16 g por 100 mi. La mioglobina (Mb) es una proteína que almacena 02 en el tejido muscular rojo. A diferencia de la hemoglobina, la mioglobina está compuesta por una sola cadena polipeptídica (monómero) y un solo centro de fijación de 02 (hemo). La cadena polipeptídica consta de 153 aminoácidos y tiene un PM de 17,000. El polipéptido P de la Hb es muy semejante a la mioglobina. Su distribución especial es el de una superficie polar y el interior no polar, patrón característico de las proteínas globulares. El grupo prostético hemo es una molécula de porfirina, un tetrapirrol cíclico, que contiene un átomo de hierro en su centro. El tipo de porfirina de la hemoglobina y la mioglobina corresponde a la protoporfirina IX con dos propionilos, dos vinilos y cuatro metilos como cadenas laterales unidos a los grupos pirrólicos (fig. 3.26). El átomo de hierro, tanto en la hemoglobina como en la mioglobina, se encuentra en estado ferroso (Fe2*). El quinto enlace de coordinación del átomo ferroso de los hemos es con el nitrógeno imidazólico de una histidina {histidina proximal de la apoproteína). En las cadenas polipeptídicas con 02 ligado, esta molécula

Figura 3.25 Estructura cuaternaria de la hemoglobina.

forma un sexto enlace coordinado con el Fe 2+ y el segundo imidazol de una histidina distal de la globina. El hemo se sitúa dentro de un espacio hidrofóbico en cada una de las subunidades de globina. De esta manera, las 4 subunidades se disponen en un arreglo espacial tetraédrico preciso, con las cadenas en contacto con las P; los grupos hemo se localizan en la periferia. Cinética de oxigenación de hemoglobina y mioglobina La hemoglobina se combina con el oxígeno y se transforma en oxihemoglobina (Hb0 2 ); en realidad fija ocho átomos de oxígeno por tetrámero (dos por cada subunidad). Esta combinación se lleva a cabo sin alterar la valencia del hierro que sigue como ferroso, es

decir, no es una oxidación sino una oxigenación. Cuando la hemoglobina se oxida químicamente, el hierro pasa de ferroso a férrico (Fe 2+ —• Fe 3+ ) y se denomina metahemoglobina (MHb); en estas condiciones no transporta oxígeno. Normalmente se forma menos del 1 % de MHb, pero puede producirse un exceso si se ingieren sulfonamidas, nitritos, fenacetina u otros oxidantes. La curva de saturación de oxígeno con hemoglobina es sigmoidea. Esto se debe a que una vez fijado el primer átomo de 0 2 facilita la unión del siguiente. Así, la hemoglobina muestra una cinética cooperativa de fijación. En cambio, la mioglobina muestra una curva de saturación de oxígeno de tipo hiperbólica (fig. 3.27), lo que indica que la mioglobina tiene mayor afinidad por el 0 2 que la hemoglobina y es una molécula inadecuada como transportadora de 0 2 pero eficaz para almacenarlo. Bajo condiciones de escasez de oxígeno (como en el ejercicio intenso), la p 0 2 del tejido muscular puede disminuir hasta 5 mm Hg. A esta presión, la mioglobina cede con facilidad su oxígeno para apoyar la síntesis oxidativa de ATP en las mitocondrias musculares.

La cooperatividad positiva de la hemoglobina depende de la integridad de la estructura cuaternaria; si el tetrámero se disgrega en monómeros, la cooperatividad desaparece y la curva de saturación de oxígeno adquiere forma hiperbólica. Los datos de cristalografía con rayos X indican que la hemoglobina tiene dos estructuras cuaternarias. Las dos formas son de conformación desoxi, llamada "tensa" o estado conformacional T; al fijarse el oxígeno a las subunidades, la conformación pasa del estado T al R ("relajado"). La constante de afinidad del 0 2 es mayor en el estado R que en el estado T (fig. 3.28). T y R se emplean también para describir las estructuras cuaternarias de las enzimas alostéricas, donde el estado T tiene afinidad menor por el sustrato. En la unidad II, sobre equilibrio ácido base, ya habíamos señalado la influencia del oxígeno sobre el pKa de la hemoglobina: H H b + 4 0 2 — Hb(0 2 ) 4 +H + ; es decir, la forma T es más acida. Por tanto, cuando la Hb oxigenada se encuentra a pH bajo (ácido) y C 0 2 alto, tiende a liberar su oxígeno y representa un aumento de oxigenación en tejidos metabólicamente activos. La reducción de la afinidad oxígeno-hemoglobina en un pH bajo se denomina efecto Bohr (fig. 3.29). El efecto Bohr puede encajar en la definición de un mecanismo alostérico, según el cual, en la proteína existe un sitio de fijación para el sustrato y otro para el efector alostérico (positivo o negativo). La fijación del efector en el sitio alostérico influye sobre la conformación del sitio del sustrato (sitio activo). En la hemoglobina el sitio activo es ocupado por el oxígeno y el sitio alostérico es ocupado por el hidrogenión. Al ocupar su sitio el ion H, desplaza a la Hb a la forma T, de afinidad más baja por el oxígeno. El efecto Bohr, por lo tanto, tiene consecuencias fisiológicas importantes. Las células con metabolismo rápido y con requerimientos elevados de 0 2 , producen ácido carbónico y ácido láctico que incrementan la concen-

tración de H+ en la célula. Dado que el H+ fuerza alostéricamente hacia la conformación T de la hemoglobina, disminuye la afinidad C>2-Hb y se disocia una mayor cantidad de O2 hacia los tejidos. En los pulmones, la concentración de H+ disminuye, el pH sube, los protones son liberados de la hemoglobina favoreciendo la forma R y la captación de oxígeno. La mioglobina no presenta efecto Bohr. En resumen, un incremento de hidrogeniones provoca liberación de oxígeno, en tanto que un incremento en el oxígeno causa la liberación de hidrogeniones. La hemoglobina fetal (HbF) tiene mayor afinidad por el oxígeno que la adulta (Hb A) lo que le permite extraer O2 de la HbA de la sangre placentaria. Después del parto, la HbF es inadecuada, ya que su elevada afinidad por el oxígeno la haría ceder menos O2 a los tejidos. En los tejidos periféricos, una disminución de O2 hace que se acumule el 2, 3-difosfoglicerato (2,3-DPG), el cual es un efector alostérico de la hemoglobina cuando ésta se encuentra en la forma T. Cuando la liberación de oxígeno está alterada como en

el ascenso a grandes alturas o en la enfermedad pulmonar crónica, el eritrocito aumenta la producción de 2,3-DPG el cual se une a la forma T de Hb, la estabiliza, y reduce su afinidad por el oxígeno. Por lo tanto, un aumento en el contenido de 2,3-DPG de los eritrocitos hace que la hemoglobina ceda una porción mayor de su oxígeno a los tejidos.

La hemoglobina se combina con el monóxido de carbono (CO) para formar carboxihemoglobina. En virtud de la mayor afinidad de la hemoglobina por el CO (210 veces), a tensiones iguales de O2 y CO, la fijación del CO a la Hb excede con mucho a la del oxígeno. La carboxihemoglobina (HbC0) tiene un color rojo brillante característico. Para desplazar el CO de la Hb-CO en las personas intoxicadas con este gas se requiere el uso de la oxigenoterapia hiperbárica (O2 puro a 3 o más atmósferas de presión) para forzar la expulsión del monóxido de carbono. Además de transportar el oxígeno de los pulmones a los tejidos, la hemoglobina facilita el transporte de CO2 de los tejidos a los pulmones. Aproximadamente el 15% del CO2 es transportado como carbodioxihemoglobina o carbaminohemoglobina (HbCO2). La interacción del CO2 con la hemoglobina afecta también la transición del estado T al R. El CO2 forma radicales carbamilados reversiblemente con los extremos amino de las cadenas polipeptídicas de hemoglobina cuando ésta cede su O2. Hb-NH2+C02

-*

Hb-NH-COO-+H+

Cuando están carbamilados, los extremos tienen carga negativa y pueden formar enlaces iónicos que estabilizan la estructura cuaternaria. Los H+ son captados por la Hb que actúa como amortiguadora. En los pulmones el proceso descrito se invierte y conforme el oxígeno se une a la hemoglobina, los H+ se liberan y se unen al HCO3 para formar H2CO3. Por tanto, la fijación del O2 obliga a la expulsión del CO2 de acuerdo al efecto de Bohr que ya revisamos. Hemoglobinas humanas mulantes Las mutaciones en los genes que codifican las cadenas a y P pueden afectar la función

transportadora de la hemoglobina; cuando esto ocurre, el trastorno se conoce como una hemoglobinopatía. Muchas de las imitantes pueden ser asignadas a una de las cuatro clases siguientes: Hemoglobina M. Hemos mencionado que en la hemoglobina normal, el grupo hemo funciona con Fe2+ pero pequeñas cantidades se oxidan a férrico (Fe3+)y se transforma en metahemoglobina. En las variantes de hemoglobina M, los residuos His proximal y distal son reemplazados por Tir la cual estabiliza el Fe en forma oxidada, férrica. En consecuencia se presenta metahemoglobinemia, la afinidad por el oxígeno está disminuida y puede faltar el efecto Bohr. Hemoglobinas mutantes con afinidad mayor de lo normal por el oxígeno. En estas mutantes se favorece la forma R, por tanto, no cederá suficiente oxígeno a los tejidos. La hipoxia producida conduce a policitemia. Las proteínas mutantes no muestran cooperatividad en la fijación del oxígeno ni efecto Bohr. Hemoglobina S (hemoglobina falciforme). La sustitución de un solo aminoácido de la cadena P (Glu por Val) produce una hemoglobina que, al cambiar un aminoácido polar (Glu) por uno no polar (Val) se genera en la superficie de la cadena p una zona adherente. Esta zona, que se presenta en la HbS desoxigenada, tiene una zona complementaria en la forma oxigenada de la HbA. La unión de zonas complementarias y adherentes hace que la HbS desoxigenada se polimerice y forme precipitados fibrosos largos que distorsionan mecánica y físicamente al eritrocito, causando lisís. Los eritrocitos deformados se denominan células falciformes (forma de hoz) y su lisis al pasar por las sinuosidades esplénicas produce anemia. Así, esta enfermedad hereditaria se conoce también como anemia de células falciformes. Los individuos homocígotos (genotipo S/S) presentan anemia pero los heterocigotos (genotipo A/S) tienen el rasgo

En el caso de la histidina, las formas iónicas posibles son las observadas en la fig. 3.7. Obsérvese que la histidina con un pK R = 6.0, muy próximo al pH fisiológico, es el único aminoácido que puede actuar como amortiguador en los líquidos corporales. Precisamente, la hemoglobina contiene una elevada proporción de histidina y posee así un alto poder amortiguador en los eritrocitos. Por otro lado, este comportamiento excepcional de la histidina le confiere un papel único en las proteínas enzimáticas como activador fisiológico. Por ejemplo, una enzima puede requerir un imidazol de una histidina que es esencial en su forma básica para que exista actividad catalítica. A pH 6.0, la mitad de las enzimas estarán en forma básica (imidazol) activa y la mitad en forma acida (imidazolio) inactiva. A pH 7.0 , el pH es una unidad (10 veces) por encima del pK del imidazolio y el cociente imidazol/imidazolio es 10:1; debido a esta proporción la enzima mostrará el 91% de su actividad potencial máxima.

aunque en general no están anémicos. El gene vienen células sanguíneas denominadas linpara la HbS manifiesta elevada incidencia focitos T (que maduran en el timo), que acen poblaciones expuestas endémicamente al túan directamente o bien a través de paludismo; esto proporciona cierta protec- sustancias por ellas liberadas llamadas linfoción contra el parásito, que se desarrolla cinas. En la respuesta humoral intervienen dentro del eritrocito, debido a que las células los linfocitos B (de bursa o bolsa de Fabricio infectadas requieren más oxígeno que las no de las aves), y su acción se ejerce a través de infectadas y al adquirir la forma semilunar los anticuerpos (inmunoglobulinas) que cé(de hoz) son eliminadas de la circulación. lulas derivadas de estos linfocitos B segreHemoglobinas inestables. En estas mu- gan. tantes, la sustitución de un aminoácido denLas moléculas de anticuerpos (Ab) son tro del espacio para el hemo reduce la proteínas que pertenecen a las inmunogloafinidad de la subunidad con el grupo pros- bulinas. Cuando se introduce al organismo tético. Las hemoglobinas mutantes son ines- una sustancia extraña como una proteína, un tables y destruidas porque el hemo que polisacárido o un ácido nucleico, las células normalmente estabiliza la conformación plasmáticas, derivadas de un linfocito B, proteínica no puede unirse a la apoproteína. producen anticuerpos. La molécula de anticuerpo se asocia de forma no covalente con la sustancia extraña y la elimina del organisTalasemias mo. Las sustancias que inducen la producción de anticuerpos en un organismo se Normalmente, las cadenas a y p se produ- denominan antígenos (Ag). cen en una proporción de 1:1. En estas enPara que una sustancia actúe como antígefermedades, la síntesis de las cadenas a-o no en un organismo debe poseer una estruclas p de la hemoglobina está disminuida. En tura química distinta de los constituyentes consecuencia, se presenta aumento de pro- propios de ese organismo. Por ejemplo, la ducción de la cadena complementaria que albúmina de cualquier mamífero, excepto la precipita intracelularmente y da lugar a la humana, es antigénica para el hombre cuando destrucción prematura del eritrocito; esto se la introduce parenteralmente. Un antígeconduce a formas severas de anemia. no puede contener múltiples determinantes antige'nicos, que son pequeñas regiones de la molécula de antígeno que inducen específicamente la producción de un anticuerpo. 3.7.2. Estructura y función de los En las proteínas, por ejemplo, un determianticuerpos nante antigénico puede comprender sólo La inmunología estudia todos los fenóme- seis o siete aminoácidos en total de la proteínos bioquímicos y fisiológicos de defensa na. Un antígeno puede poseer decenas o migracias a los cuales el organismos distingue les de estos grupos determinantes, de tal lo propio (nuestros tejidos y células) de lo manera que inducirán múltiples tipos de anno propio (bacterias, virus, hongos, parási- ticuerpos, cada uno de ellos capaz de recotos, células tumorales, trasplantes, etc.) y es n o c e r y u n i r s e a c a d a u n o de los determinantes (fig. 3.30). capaz de destruir a las sustancias extrañas. Todas las acciones de respuesta a material En general, un determinante antigénico extraño se denominan respuesta inmune. solo o una molécula pequeña, no determinan Esta respuesta puede ser de tipo celular y de la formación de anticuerpos pero, al unirse tipo humoral. En la respuesta celular inter- covalentemente a moléculas grandes, facili-

Cada anticuerpo se une al determinante antigénico frente al que se ha formado.

ANTICUERPOS (Igs)

Figura 3.30 Esquema de un antigeno, que puede ser una proteína y donde se muestran distintos e hipotéticos determinantes antigénicos y cómo a ellos se pueden unir diferentes anticuerpos de manera especifica.

tan la génesis de anticuerpos dirigidos específicamente contra la molécula pequeña. A estas moléculas pequeñas se les conoce como haptenos. Es el caso, por ejemplo, de péptidos sintéticos o el 2, 4-dinitrofenol, DNP-glicina, etc. Al tiempo que un hapteno requiere la unión a una molécula grande para producir anticuerpos, una vez separado de

su portador, el hapteno conserva su capacidad de unirse al anticuerpo. Al estimularse los linfocitos B con un antígeno se induce una serie de cambios que los hace transformarse en células plasmáticas. Estas poseen la función de sintetizar y secretar inmunoglobulinas a las cuales en un principio, se les denominó anticuerpos; lúe-

go, al descubrirse la electroforesis, y ver que emigraban en la fracción gamma, se les dio el nombre de gammaglobulinas. Sin embargo, al conocerse con precisión su estructura y función en 1965, se le denominó inmunoglobulinas (Ig).

constituyen una clona (células provenientes de una misma estirpe) y por tanto, los anticuerpos producidos son idénticos, homogéneos. En realidad, las proteínas de Bence-Jones son las cadenas ligeras de las inmunoglobulinas que, por su bajo PM, aparecen fácilmente en la orina. La proteína de Bence-Jones es homogénea para cada individuo con mieloma, aunque es diferente Estructura de ¡nmunoglobulinas cuando se comparan entre sí las proteínas de La heterogeneidad de las inmunoglobulinas diferentes enfermos de mieloma. fue durante años un serio obstáculo para esCada inmunoglobulina está formada por tudiarlas químicamente. Al aislar anticuer- una "unidad básica" tetramérica construida pos contra un solo antígeno, se obtenía una por cuatro cadenas polipeptídicas unidas por pequeña cantidad de una mezcla de globuli- puentes disulfuro (fig. 3.31). Dos de estas nas. El conocimiento cada vez más avanzado cadenas son de bajo peso molecular y se les de ios mielomas y la cantidad anormalmente denomina cadenas ligeras, L (del inglés alta de una proteína presente en la orina de light); las de mayor PM se denominan cadeestos pacientes, la proteína de Bence-Jones, nas pesadas, H (del inglés heavy). En la incontribuyeron a vencer el obstáculo. munoglobulina más común, la IgG, su El mieloma múltiple es un tipo de cáncer cadena pesada tiene aproximadamente 440 en que se presenta la multiplicación descon- aminoácidos (PM 50,000) y sus cadenas litrolada de multitud de células provenientes geras contienen la mitad de aminoácidos de una sola célula productora de anticuerpos. (PM 25,000). En la estructura tridimensioTodas las células del tumor son idénticas, nal de los anticuerpos, cada cadena H está

asociada con una cadena L (fig. 3.32). La conformación que adopta la molécula completa es de una T o una Y. La porción central de las cadenas H es una zona (de unos 15 aminoácidos) de gran flexibilidad, llamada bisagra o gozne, por donde se deforma la molécula cuando se produce la unión antígeno-anticuerpo (Ag-Ab).

Las cadenas L constan de dos regiones de estructura primaria bien definidas y diferenciadas: una región de gran variabilidad en número y secuencia de aminoácidos, denominada región variable (V); dentro de la región variable hay zonas hipervariables, con grupos de aminoácidos siempre distintos, determinados por cada antígeno particular.

Estos son los sitios de combinación donde se realiza la unión de la inmunoglobulina con su antígeno; en cierto modo comparables al sitio activo de una enzima. Otra parte de las inmunoglobulinas muestra una composición fija en número y orden de aminoácidos que se denomina región constante (C). Las regiones constantes de las cadenas H son las que determinan la clase a la que pertenece el anticuerpo (ver más adelante), es la que produce la fijación de las proteínas del complemento y proporciona la región necesaria para que los anticuerpos crucen la membrana placentaria. La parte constante de las cadenas ligeras puede ser de dos tipos, de ahí que existan dos tipos de cadenas ligeras: kappa (K) y lambda (X). En las cadenas pesadas, la parte constante determina cinco tipos: alfa (a), gamma (y), delta (5), mu (ji), y épsilon (e), a los que se refie-

ren las cinco clases diferentes de inmunoglobulinas. Cada clase de inmunoglobulinas sólo contienen un tipo de cadenas pesadas pero pueden contener uno u otro tipo de cadena ligera. Clases de inmunoglobulinas Las inmunoglobulinas pueden ser de las clases siguientes: IgG, IgM, IgA, IgD e IgE, según posean las cadenas pesadas gamma, mu, alfa, delta y épsilon, respectivamente, (tabla 3.6). IgG. Esta clase de Ig se encuentra en el plasma a elevadas concentraciones y es la que se forma en mayor cantidad durante la respuesta secundaria a antígenos extraños. Los anticuerpos IgG pueden promover la fagocitosis y también activar el complemento;

Tienen la propiedad de atravesar activamente las membranas biológicas. El alto nivel de IgG en el feto se debe a que esta Ig atraviesa la placenta. Este hecho, en determinadas circunstancias, puede tener consecuencias nefastas para el feto, cuando la madre Rh (-) produce anticuerpos anti Rh ( + ) contra el feto en la llamada enfermedad hemolítica del recién nacido. Se han reconocido 4 subclases de IgG. IgM. Se encuentran principalmente en el plasma, y son los primeros anticuerpos que actúen contra un antígeno extraño (respuesta primaria). La IgM tanto en sangre como en otros líquidos se encuentra como tetrámero o pentámero, (unidos estos por puentes disulfuro) de una estructura cova lente básica [(LH)2]5; de ahí que esta Ig sea la de mayor PM (900,000). Debido a esa estructura pentamérica que determina 10 sitios de unión con el antígeno, la IgM es un anticuerpo muy efectivo. Los anticuerpos como los presentes en la artritis reumatoide (anti IgG) son de esta clase. Al igual que las IgG, las IgM pueden promover la fagocitosis de microorganismos por los macrófagos y leucocitos polimorfonucleares y son potentes activadores del complemento. Se han identificado 2 subclases de IgM. IgA. Las Ig de esta clase se encuentran principalmente en las secreciones extravasculares (secreciones mucosas, bronquial, nasal, intestinal, urinaria, lágrimas, leche y calostro). Como tales, estas inmunoglobulinas son la defensa inicial contra los antígenos virales y bacterianos invasores, con anterioridad a su entrada en el plasma. Se presentan habitualmente como un dímero de la estructura básica (LH2)2- Actúan en forma sinérgica con otras secreciones (lisozima y complemento) para destruir a ciertos microorganismos. Tanto a los dímeros de IgA como a los pentámeros de IgM se pueden unir dos péptidos adicionales que son la pieza de secreción y la cadena J. La pieza de secreción es

una glicoproteína que se sintetiza en células epiteliales de mucosas y glándulas exócrinas; es la que permite a IgA e IgM salir a las secreciones biológicas. IgD. Está presente en la superficie de los linfocitos del recién nacido. Parece participar en la diferenciación de linfocitos B a células plasmáticas. IgE. Aunque presente en plasma en concentraciones bajísimas es la inmunoglobulina que determina las reacciones alérgicas y anafilácticas, como son asma bronquial, rinitis alérgica, urticaria, ciertos casos de dermatitis, incluso el más grave de todos, el choque anafiláctico. La IgE posee la capacidad de unirse por su extremo Fe (ver adelante) a los mastocitos o células cebadas. Cuando los mismos antígenos que indujeron su formación vuelven a entrar, se unen por el extremo Fab, se producen cambios alostéricos y se liberan grandes cantidades de histamina, serotonina, leucotrienos y otras sustancias vasoactivas que producen vasodilatación periférica o broncoconstricción; esto puede acarrear la muerte del individuo por hipotensión e insuficiencia respiratoria. Fijación de antígeno por molécula de anticuerpo Las regiones variables de las cadenas L y H constituyen un centro de fijación de anticuerpo. Dado que cada unidad básica de anticuerpo contiene dos pares de cadenas (LH)2, existen dos centros de fijación de antígeno por molécula de anticuerpo. Esta característica ha podido ser estudiada tratando las Ig con papaína, enzima que divide la molécula en tres fragmentos (fig. 3.33), dos de los cuales son iguales entre sí y comprenden la porción NH 2 - terminal de la cadena H y toda la cadena L. Estos fragmentos se designan fragmentos Fab (antigen binding) y pueden fijar antígenos con una afinidad similar a la del anticuerpo completo. El otro

Ag por molécula de Ab) situados en los extremos amino-terminales de las cadenas H y L que comprende las secuencias variables de aminoácidos. La valencia 2 que tiene cada molécula de Ab permite que cada Ab fije dos Ag diferentes. Esta propiedad favorece la aglutinación y precipitación clásicas de la reacción antígeno-anticuerpo (Fig. 3.34). La fuerza de asociación entre Ag y Ab se debe a fuerzas no covalentes. Es evidente que existen sobradas razones para hablar más extensamente de los fenómenos inmunológicos en medicina; basta mencionar la inmunidad a las infecciones, las reacciones de hipersensibilidad y alergia, la autoinmunidad, los trasplantes y el cáncer. Sin embargo, escapa a los objetivos de este texto de bioquímica cubrir estos trascendentales aspectos que pueden consultarse en obras dedicadas a esas disciplinas. 3.7.3. Proteínas plasmáticas

Figura 3.33 Hidrólisis de la IgG en los fragmentos Fab y uno Fe por la enzima proteolítica papaina.

fragmento conocido como Fe (cristalizable), es la mitad COOH- terminal de las cadenas H y no puede fijar antígeno, por lo que se deduce que hay dos centros de fijación de

El plasma es el medio líquido de suspensión de los elementos sólidos de la sangre (eritrocitos, leucocitos, plaquetas, etc.). Si se toma una muestra de sangre, se deja coagular y se separa el coágulo, el líquido remanente es el suero; éste no contiene elementos figurados (células) ni fibrinógeno, proteína involucrada en la formación del coágulo. Por el contrario, si se impide la coagulación de la sangre y se separan las células, el líquido resultante es el plasma, que contiene lo mismo que el suero y además fibrinógeno. En resumen, la sangre sin elementos celulares es el plasma y el plasma sin fibrinógeno es el suero. Aunque en el plasma se encuentran más de 200 proteínas, muchas no son estrictamente "plasmáticas" ya que se encuentran ahí sólo transitoriamente o experimentando parte de su catabolismo. El término proteínas plasmáticas se restringe a unas 50 moléculas que realmente llevan a cabo funciones

Figura 3.34 Unión de anticuerpo a antígenos en reacciones de precipitación (a) y en reacciones de aglutinación (b).

específicas en el plasma: de transporte, nutritiva, reguladora del equilibrio hídrico y ácido base, inmunitaria, etc. La facilidad con la que pueden obtenerse muestras de sangre ha permitido que el estudio de sus constituyentes sea uno de los pilares más importantes del desarrollo de la bioquímica en general y, en particular, de la bioquímica clínica. Las proteínas plasmáticas son una mezcla muy heterogénea que comprende no solo proteínas simples, sino también conjugadas, como las glucoproteínas y lipoproteínas. Las primeras técnicas de separación, electroforesis e inmunoelectroforesis, permitió separarlas en diferentes componentes: albúmina^lobulinas^y fibrinógeno (ver subcapítulos 3.6.3). A medida que las técnicas de fraccionamiento se hicieron más resolutivas, se identificaron subgrupos de globulinas (a, p y y) que con las primeras técnicas migraban juntas. Hasta hoy se han aislado puras

unas 70 proteínas plasmáticas; seguramente quedan muchas por descubrir y caracterizar. En la tabla 3.7 se muestran las principales proteínas plasmáticas, ordenadas de acuerdo a su movilidad electroforética. Como se podrá observar, la mayoría contiene un resto glucídico. F'realbúmina. Esta es una de las proteínas que une y transporta hormonas tiroideas, aunque también fija algunos fármacos como aspirina y barbitúricos. Albúmina. Es una de las pocas proteínas del plasma que carecen de carbohidratos. Es la más abundante (55%) y tiene un PM muy bajo (69,000); por lo tanto, la albúmina es responsable del 80% de la presión osmótica coloidal total deljílasma. Está compuesta por 610 aminoácidos en una sola cadena polipeptídica con 50% de a-hélice y 15% de estructura p. Se sintetiza exclusivamente en el hígado a razón de 20g al día y tiene una vida media de 10 días.

Además de contribuir a la presión osmótica coloidal, la albúmina actúa como molécula transportadora de bilirrubina, ácidos grasos, oligoelementos y algunos fármacos: cafeína, salicilatos, fenilbutazona, antibióticos, digitálicos, barbitúricos, etc. También se fija a la albúmina el triptófano, hecho importante porque un incremento de su concentración libre repercute sobre el funcionamiento cerebral (por aumento de serotonina cerebral). Su función nutritiva consiste en proveer de aminoácidos utilizables para la síntesis de proteínas del organismo. En casos de desnutrición grave, disminuye la síntesis de proteínas y se presenta hipoalbuminemia. Esta hipoalbuminemia repercute, sobre todo, en la función coloidosmótica; en las enfermedades renales y hepáticas que también se acompañan de hipoalbuminemia, se presenta edema tisular (ver unidad 2, subcapítulo 2.2.2.1). Además, la albúmina a pH 7.4

posee 17 cargas negativas que, por el efecto Gibbs-Donnan, aumentan la concentración plasmática de cationes y ocasiona indirectamente un aumento de presión osmótica. ok\-glucoproteína acida. Contiene un alto contenido en carbohidratos, sobre todo ácido siálico, responsable éste del bajo punto isoeléctrico (3.5) de la proteína, el más bajo de todas las plasmáticas. Se sintetiza en el hígado y por su abundancia en plaquetas se le ha relacionado con la coagulación. ai-antitripsina. Forma parte de otras proteínas antiproteásicas; ésta posee el 90% de la capacidad antiproteásica total del plasma. Su actividad antiproteasa es polivalente (tripsina, quimotripsina, colagenasa, elastasa, etc.) pero sobre todo sobre la elastasa de origen neutrófüo. Según la teoría elastasaantielastasa del enfisema (destrucción de alveolos pulmonares y ensanchamiento de bronquiolos), los neutrófilos pulmonares liberan elastasa de sus lisosomas; en ausencia

de al-antitripsina, las células pulmonares son sensibles a la proteasa que destruye la elastina de las fibras y disminuye la elasticidad pulmonar, ocasionando insuficiencia respiratoria crónica. Contribuye a la enfermedad el humo de tabaco que inhibe a la antitripsina. Sería interesante prevenir a fumadores potenciales con fenotipos predisponentes al efisema. a\-Fetoglobulina. Llamada también a l fetoproteína, posee gran afinidad por los estrógenos. Su concentración aumenta en tumores digestivos, carcinoma hepático y tumor embrionario del testículo. En líquido amniótico se ha encontrado elevada en embarazos que conllevan fetos anencefálicos. a\-Antiquimotripsina. Es otra de las antiproteasas plasmáticas. Se ha sugerido un papel protector de las mucosas, dada su concentración en la secreción bronquial. Transcortina- Se denomina también globulina fijadora de corticosteroides. Globulina fijadora de tirosina. Incorpora las dos terceras partes de las hormonas tiroideas circulantes. Inter-al-inhibidor de la tripsina. Da cuenta del 3% de la capacidad antiproteasa plasmática. Proteína ligadora de retinol. Su papel es transportar la vitamina A. al-Macroglobulina. Es la proteína plasmática de mayor peso molecular, se une prácticamente a todas las endopeptidasas. ^-Globulina ligadora de esteroides. Se une específicamente a los esteroides testosterona, androstanolona y estradiol. Haptoglobina. Constituye el 25% de las proteínas plasmáticas. Su función es unirse irreversiblemente a la hemoglobina con lo que se excede el umbral renal de excreción; se logra así un ahorro de hierro y se protege al riñon del efecto nocivo de la hemoglobina libre. Hemopexina. Su papel consiste en la fijación del grupo hemo con lo cual se impide su excreción urinaria y contribuye al ahorro de hierro, que es reutilizado por el hígado.

$2-Microglobulina. Es sintetizada por las células linfoides. Es una proteína de membrana de linfocitos, plaquetas, células PMN y de cultivos de carcinoma mamario, pulmón embrionario, etc. Aumenta en enfermedades malignas y en pacientes con riñones trasplantados. Otras proteínas de la fracción a-globulínica son la ceruloplasmina, que transporta cobre y parte de las lipoproteínas. En la fracción fi-globulínica se encuentran también la P1 -glucoproteína específica del embarazo, la proteína C reactiva (que aumenta en procesos infecciosos y denominada así porque precipita al polisacárido C del neumococo), parte de las lipoproteínas, la transferrina, que transporta hierro, y las proteínas relacionadas con la coagulación. Fracción y-globulínica. Está integrada por las inmuno globulinas que se trataron en el subcapítulo 3.7.2. Lipoproteínas plasmáticas. Dentro de las proteínas plasmáticas se encuentra este grupo complejo de proteínas y lípidos unidos por fuerzas no covalentes, que por su importancia en el transporte de lípidos es más conveniente tratar en el capítulo correspondiente al metabolismo de estas sustancias. Factores de la coagulación Se define como hemostasia el cese de la hemorragia que sigue a la interrupción traumática de la integridad vascular. La coagulación sanguínea es uno de los tres mecanismos que contribuyen al proceso fisiológico de la hemostasia. El primero de estos mecanismos es la constricción del vaso dañado con objeto de frenar la salida de sangre de la herida; la segunda fase consiste en la formación de un trombo o coágulo blanco de plaquetas en el lugar del daño; la tercera fase es la formación de un coágulo sanguíneo insoluble o trombo rojo. En la primera fase participan sustancias vasconstrictoras locales cuya acción es lúe-

Las proteínas son moléculas formadas por aminoácidos por un enlace particular (enlace peptídico) que bloquea los grupos ct-amino y a-carboxilo, excepto en el aminoácido inicial y el terminal. De esta manera, en las proteínas la existencia de grupos ionizables dependerá de las cadenas R laterales de los aminoácidos, y el valor del pl característico de una proteína dependerá de las concentraciones relativas de los diferentes grupos ácidos y básicos. En virtud de que el pH isoeléctrico de una proteína es difícil de calcular a partir de los valores de pK de sus aminoácidos constituyentes, los valores de pl de las proteínas se miden experimenta 1mente determinando el pH en el que la proteína no se mueve en un campo eléctrico. Al igual que con los aminoácidos, a un pH superior al pl, la proteína tendrá una carga neta negativa. A un pH inferior al pl la proteína tendrá una carga neta positiva. La importancia del cálculo del pl de una proteína se tratará más adelante en este capítulo.

3.7.3. Reacciones químicas de los aminoácidos Los aminoácidos pueden presentar reacciones químicas a tres niveles: en el grupo a amino, en el a-carboxilo y en los grupos activos de la cadena lateral R. No obstante que no es objetivo primordial de este texto revisar exhaustivamente el alto número de reacciones posibles, se considerarán aquellas reacciones importantes de identificación de aminoácidos. 3.13.1. Reacciones del grupo a -carboxilo El grupo carboxilo a puede esterificarse con alcoholes o formar amidas en presencia de amoniaco. El grupo carboxilo de un aminoácido puede reaccionar con el grupo amino de otro para formar, por medio de un enlace peptídico,

un dipéptido.

go amplificada por serotonina, adrenalina, y una potente sustancia vasoconstrictora derivada de prostaglandinas, el tromboxano A2 que, en conjunto con el ADP liberado del tejido colágeno, contribuyen a la agregación plaquetaria para formar el tapón laxo de plaquetas que constituye la segunda fase. Esta fase de la hemostasia se mide mediante el tiempo de sangrado. La coagulación sanguínea o tercera fase, que culmina con la formación del trombo rojo de eritrocitos y fibrina, se puede llevar a cabo a través de dos vías {extrínseca e intrínseca) que convergen en una ruta final común que, al activar el factor X, la protrombina se transforma en trombina, la cual cataliza la transformación de fibrinógeno (soluble) en el coágulo de fibrina (insoluble). La vía extrínseca es la que sigue a una lesión en respuesta al daño tisular, debido a la presencia de sustancias que no están presentes normalmente en la sangre. La vía intrínseca se inicia a través del contacto de la sangre con una superficie distinta de los va-

sos sanguíneos, por ejemplo, una pared vascular anormal o un área de circulación sanguínea restringida. A causa de una herida se desencadenan ambos mecanismos, pues la sangre entra en contacto con una superficie ajena a los vasos y, además, con otras sustancias de los tejidos que interaccionan con ella. Las dos vías convergen en el camino común y finalmente se forma el coágulo. El elevado número de factores plasmáticos de la coagulación ha obligado a establecer por parte de un Comité Internacional, una nomenclatura para los mismos. En ésta, cada factor se designa por un número romano de acuerdo al orden cronológico de su descubrimiento pero que no tiene relación con el orden en el cual actúa (tabla 3.8). Vía extrínseca. Esta vía es sumamente rápida en respuesta al daño tisular. Se inicia con la liberación de un factor tisular, la tromboplastina, que forma un complejo activo, en presencia de Ca 2+ , con el factor Vlla (activado) plasmático. La tromboplastina tisular es una lipoproteína que se encuentra ampliamente distribuida en las membranas

de los tejidos, especialmente cerebro, pulmones y capas del endotelio vascular. Vía intrínseca. Esta es una vía lenta, porque en ella intervienen un número mayor de factores que, al operar en un mecanismo de cascada, generan el factor Xa (activado). Se inicia con la fase de contacto en la cual se activa parcialmente el factor XII, enzima que cataliza la transformación de prekalikreína (factor Fletcher) en kalikreína, enzima autocatalítica, que ataca al factor XII y lo activa totalmente (Xlla). El sustrato principal del factor Xlla es el factor XI el cual es activado (Xla). La acción del factor Xla constituye la última etapa del sistema intrínseco; su sustrato es el factor IX el cual se activa en dos etapas con participación de Ca 2+ . La activación del factor X constituye la etapa clave y vía común de la coagulación al estar regulada por las vías extrínseca e intrínseca. La activación del factor X, catalizada por el factor IXa, es acelerada 500 veces por la presencia del factor VIII o factor antihemofílico; este último factor es activado previamente por trombina (fíg. 3.35). La formación de la red de fibrina se inicia con el paso de protrombina a trombina, catalizado por el complejo Xa-Ca 2+ -Va-FL. La velocidad de activación de la protrombina por el factor Xa aumenta 50 a 100 veces en presencia de fosfolípidos (FL) y Ca 2+ . El cofactor Va acelera el proceso unas 350 veces. El valor global del complejo activador de protrombina es de 20,000 veces. El paso de fibrinógeno a fibrina se produce por la acción proteolítica de la trombina sobre el fibrinógeno, que se encuentra a una alta concentración en el plasma. El fibrinógeno pasa, así, a la forma de monómero de fibrina; estos monómeros se asocian y forman una fibra polimerizada conocida como coágulo blando cuyo paso a la estructura insoluble llamada coágulo duro o red de fibrina requiere la presencia del factor XHIa como catalizador. En situación normal, los procesos de formación del coágulo están bloqueados por

sustancias inhibidoras de la coagulación que aseguran la ausencia de trombos intravasculares. Estas sustancias son principalmente la heparina, las antiproteasas descritas anteriormente y, fundamentalmente, la antitrombina III; el efecto de la antitrombina es potenciado varios cientos de veces por heparina. La heparina se localiza en los granulos metacromáticos de las células cebadas que se localizan en la pared vascular, por lo que su distribución es muy amplia. El proceso de disolución del coágulo a los pocos días de su formación, llamado^fer/ndlisis, se inicia con la activación del plasminógeno plasmático a plasmina, que es una serinproteasa capaz de digerir tanto al fibrinógeno como a la fibrina. El activador del plasminógeno es una serinproteasa tisular catalíticamente inactiva hasta que se expone a la fibrina; cuando la plasmina digiere a la fibrina, el activador ya no manifiesta actividad y la fibrinólisis cesa. Existe interés terapéutico en este activador tisular del plasminógeno, para reducir el daño de una trombosis coronaria aguda. Así mismo, la urocinasa serinproteasa sintetizada en el riñon y la estreptocinasa del estreptococo p-hemolítico, estimulan la activación del plasminógeno. Las propiedades anticoagulantes de la estreptocinasa se utilizan a nivel terapéutico. Otros factores anticoagulantes de uso terapéutico incluyen a los cumarínicos, que inhiben la carboxilación, dependiente de vitamina K, de los residuos de glutamato a carboxiglutamato (Gla) en las regiones NH2-terminales de los factores II, VII, IX y X. El dicumarol, antagonista de la vitamina K, se usa como anticoagulante en pacientes predispuestos a formar coágulos intravasculares.

3.7.4.

Glicoproteínas y proteoglicanos

Las glicoproteínas y proteoglicanos son moléculas constituidas por proteínas a las cua-

les se han agregado cadenas de oligosacáridos unidos por covalencia. Casi todas las proteínas plasmáticas, excepto la albúmina, son glucoproteínas. Muchas proteínas de membrana, los grupos sanguíneos y algunas hormonas, son glucoproteínas. Muchos investigadores del cáncer piensan que el fenómeno de la metástasis se debe, por lo menos en parte, a alteraciones de las glucoproteínas de la superficie de las células cancerosas. Las glicoproteínas forman la mayor parte

del mucus secretado por las células epiteliales que permite la lubricación de los conductos del cuerpo. Las glucoproteínas son proteínas con pesos moleculares que van de 15,000 a más de un millón, a las cuales se unen una o varias cadenas de oligosacáridos (menos de 15 azúcares) que contribuyen con 60%. Los proteoglicanos son de mayor tamaño en comparación con la glucoproteínas, su PM es de varios millones, tienen 90-95% de carbohidratos, con múltiples cadenas de glicosaminoglicanos. La heparina es un proteoglicano en la que más de la mitad de las serinas se encuentran enlazadas con cadenas de polisacáridos. Además de anticoagulante, la heparina se une a la lipoproteinlipasa de la pared capilar y causa su liberación. En el aspecto estructural, es importante la unión entre la glicoproteína colágena y los proteoglicanos con sulfato y carboxilato (ver más adelante). Por defectos hereditarios en la enzima lisosomal encargada de hidrolizar los glicosaminoglicanos presentes en los proteoglicanos, se produce un grupo de enfermedades, clasificadas dentro de los errores innatos del metabolismo, llamadas mucopolisacaridosis; (ver unidad de carbohidratos). Es de particular interés el estudio de estos compuestos en medicina, en particular de la microbiología, en virtud de que la pared bacteriana está construida por peptidoglicanos, entre otras moléculas. Las bacterias gram positivas tienen una pared que contiene peptidoglicanos y ácido teicoico, cuya síntesis es bloqueada por penicilina. La especificidad de las reacciones inmunológicas a las bacterias depende de los peptidoglicanos de su pared. 3.7.5 Colágeno y proteínas contráctiles. El colágeno, principal proteína del tejido conectivo es la proteína más común en el

mundo animal y más abundante del cuerpo humano. Es una proteína insoluble en agua, rígida y muy resistente a la tensión; es la que proporciona fuerza estructural y forma a todos los tejidos y órganos del cuerpo. Predomina en el tejido conjuntivo o conectivo donde forma parte de los tendones, cartílagos, cristalino, piel, etc. (tabla 3.9). La gelatina, proteína de uso común, se obtiene como alimento desnaturalizando el colágeno por el calor. Se denomina sustancia fundamental o basal a la estructura de carácter gelatinoso compuesta de fibrillas de colágeno incrustadas en un matriz de polisacáridos aminados y glicoproteínas. En la estructura del colágeno predomina la glicina (35%), prolina (10.12%), alanina (11 %) y los aminoácidos derivados hidroxiprolina (10%) y 5-hidroxilisina (10%). No posee triptófano ni cisterna. La unidad molecular básica del colágeno en las fibrillas contiene tres cadenas polipeptídicas, con una glicina cada tercer aminoácido, que se denomina tropocolágeno, o según la terminología más reciente, simplemente colágeno. Existen por lo menos 5 tipos distintos de colágeno en los tejidos por lo que se considera una familia de moléculas que comparten numerosas propiedades. La propiedad

más definida es la triple hélice, estructura enrollada de tres subunidades polipeptídicas unidas entre sí por puentes de hidrógeno. La prolina determina su arreglo helicoidal y el pequeño tamaño de la glicina asegura la íntima unión de las tres cadenas que permite una estructura de superhélice (fig. 3.36). Síntesis de colágeno. El colágeno maduro es una proteína extracelular pero su síntesis es de inicio intracelular bajo la forma de una molécula precursora llamada preprocolágeno. Este precursor pierde una secuencia guía de 100 aminoácidos (péptido señal) y se transforma en procolágeno; en está forma las hidroxilasas de prolina y lisina las transforma en hidroxiprolina e hidroxilisina respectivamente. Estas enzimas requieren oxígeno molecular, a-cetoglutarato, hierro ferroso y, sobre todo, ácido ascórbico; durante la adolescencia hay una gran demanda de vitamina C para este tipo de reacciones. En ausencia de ácido ascórbico, se forma un colágeno con dificultad para formar fibras, ocasionando fragilidad de los tejidos y la aparición de lesiones de la piel, huesos, dientes y vasos sanguíneos, todas ellas características del escorbuto. Posteriormente, el procolágeno es glicosilado, con glucosa o galactosa, en las hidroxilisinas. En una etapa posterior, se forman puentes disulfuro entre cadenas de procolágeno y se integra una triple hélice que sale de la célula. Después de la formación de triple hélice, no puede ocurrir una hidroxilación ulterior de los residuos de prolina y lisina. Después de este proceso intracelular, el procolágeno glicosilado alcanza el exterior; las enzimas extracelulares amino y carboxiproteasas remueven los propéptidos amino y carboxilo terminal, donde se encuentran las cisternas, responsables de los puentes disulfuro (-S-S-), y se forman unidades de tropocolágeno que se ensambla espontáneamente en fibrillas de colágeno inmaduro. Sin embargo, estas fibrillas no tienen la fuerza tensora del colágeno maduro hasta que se

forman enlaces covalentes en forma cruzada; en este entrecruzamiento participan condensaciones aldólicas con el e-amino de la lisina que se desamina oxidativamente a un 6-aldehído (al-lisina) y forma bases de Schiff con otros e-NH 2 de lisinas o hidroxilisinas. El resultado es la fibra de colágeno madura. En el latirismo, enfermedad que se debe a la ingestión del frijol Lathyrus, no pueden formarse con facilidad los enlaces covalentes y el colágeno se vuelve muy frágil. En el cartílago, los proteoglicanos y el colágeno son biológica y mecánicamente interdependientes. El cartílago es una matriz extracelular en la cual el colágeno contribuye a su fuerza tensora y los proteoglicanos son los causantes de su notable elasticidad. Enfermedades del colágeno Las enfermedades del colágeno pueden resultar de defectos adquiridos o hereditarios; entre los primeros podemos ubicar al escorbuto y el latirismo. Las enfermedades hereditarias por defectos en la síntesis o el ensamble sirven muy bien para ilustrar las consecuencias de diferentes tipos de mutaciones. La consideración de los pasos de biosíntesis del colágeno (fig. 3.37) es necesaria para entender estas enfermedades. Osteogénesis imperfecta. Es el nombre que se da a un grupo de 4 enfermedades caracterizadas por múltiples fracturas (fragilidad ósea) que dan como resultado deformidades óseas; se debe a síntesis defectuosa de una de las cadenas del colágeno tipo I. En esta enfermedad se impide la formación normal de la triple hélice con la consiguiente degradación de todas las cadenas, fenómeno denominado con propiedad "suicidio proteico". Síndrome de Ehlers - Danlos. Con este nombre se designa a un grupo de al menos 10 enfermedades que comparten entre todas ellas síntomas de debilidad estructural en el

tejido conectivo. Por ejemplo, el síndrome de Ehlers-Danlos tipo IV, está causado por defectos en el colágeno tipo III; los síntomas son graves por el embarazo o el parto y tendencia a sufrir contusiones. El síndrome de Ehlers-Danlos tipo V, llamada también cutis laxa, se manifiesta por piel suelta, que aparece excesivamente arrugada y cuelga en pliegues. En el síndrome de Ehlers-Danlos tipo VI hay una deficiencia de lisil-hidroxilasa; las características clínicas incluyen marcada hiperextensibilidad de la piel y las articulaciones, difícil curación de las heridas y deformaciones músculo-esqueléticas. En el tipo VII del síndrome la piel se magulla fácilmente y es hiperextensible.. pero la principal manifestación es la dislocación de las articulaciones como la cadera y rodillas. Síndrome de Marfán: Es una enfermedad que se caracteriza por síntomas relacionados con esqueleto, ojo y corazón, que suelen ter-

minar con accidentes vasculares, en especial con ruptura de la aorta. Se ha identificado el colágeno tipo I como el posible factor donde reside la base de esta enfermedad. Síndrome de Menkes. Se caracteriza porque el cabello toma aspecto rizado. Hay deficiencia de lisinoxidasa y los enlaces cruzados son defectuosos; esta asociado a un metabolismo anormal del cobre. Proteínas contráctiles El movimiento es una característica esencial de todas las formas vivas, desde el movimiento de cilios y flagelos hasta el más fino de la mano humana. Las moléculas responsables de esta importante propiedad son las proteínas contráctiles. El mecanismo contráctil del músculo esquelético de los vertebrados es el mejor conocido.

el)

Diámetro de 1 5 A

Prolina

Figura 3.37 Estructura de! colágeno desde la secuencia primaria hasta la fibrilla.

Para que se realicen los movimientos de una célula (pseudópodos) o de un organismo (contracción muscular) se requiere de un mecanismo disparador del proceso (el Ca 2+ ), una fuente de energía (el ATP) y un sistema transductor (el músculo). El músculo es el principal transductor bioquímico que convierte la energía (química) potencial en energía (mecánica) cinética. Este sistema mecanoquímico es la maquinaria más eficiente y versátil de conversión energética jamás conocida. Un transductor químico-mecánico debe satisfacer varios requerimientos: 1) suministro constante de energía; 2) debe haber un sistema regulador de la actividad mecánica; 3) debe existir un operador, función cubierta por el sistema nervioso y 4) que la máquina pueda regresar a su estado original. Estos requerimientos son satisfechos, en el hombre, por tres tipos de músculos: esquelético, cardiaco y liso. El músculo esquelético y cardiaco aparecen estriados en el microscopio; el músculo liso no es estriado. El músculo esquelético se encuentra bajo control nervioso voluntario, el músculo cardiaco y liso es de control involuntario. El tejido muscular es el más abundante del cuerpo humano. Más del 40% de la masa muscular de un individuo adulto es músculo esquelético. Durante una actividad muscular intensa, los músculos pueden consumir 85% o más del ATP total producido en el metabolismo. Todos los músculos estriados del cuerpo están formados por gran número de fibras. Cada fibra muscular contiene millares de miofibrillas, ordenadas en paralelo, las cuales poseen a su vez unos 2,500 filamentos que se encuentran inmersos en un citoplasma soluble (sarcoplasma), rodeados por una membrana celular (sarcolema). La célula muscular posee un abundante retículo endoplásmico (sarcoplásmico) poco rugoso, lo cual habla de una síntesis proteica muscular poco activa; su contenido en mitocondrias es muy variable, los músculos aeróbicos de

actividad continua son muy abundantes en mitocondrias, mioglobina y citocromos, son los llamados músculos rojos; en cambio, los músculos blancos son poco abundantes en mitocondrias y mioglobina y su metabolismo es anaeróbico. Las miofibrillas son la maquinaria contráctil del músculo y su unidad es la sarcómera. Cuando se examinan cortes de una miofibrilla al microscopio óptico o electrónico presentan un aspecto estriado. Este se debe a la alternancia de bandas oscuras y claras; la banda oscura, banda A, es anisotrópica, birrefringente a la luz polarizada, lo cual sugiere un ordenamiento geométrico regular de las moléculas; la banda I es isotrópica, no es refringente, lo que indica un ordenamiento más al azar. Dentro de la banda A se distingue una zona de poca densidad a los electrones o zona H con una línea central muy densa, linea M. Dentro de la banda I se define una línea muy densa a los electrones o línea Z; dos líneas Z delimitan una sarcómera (fig. 3.38). Detrás de la estructura microscópica de la miofibrilla subyace una estructura molecular de sus componentes. Cada sarcómera está formada por filamentos gruesos, confinados a la zona H de la banda A y que constan de la proteína miosina; los filamentos delgados se localizan en la banda I pero se extienden hasta la banda A y consisten en las proteínas acuna, tropomiosina y troponina. La línea Z es un material amorfo de a-actinina al cual se unen los filamentos delgados y la línea M es un ensanchamiento de los filamentos gruesos formada por proteína M. Al corte transversal, cada filamento grueso está rodeado por seis filamentos delgados y cada filamento delgado está rodeado por tres filamentos gruesos (fig. 3.39).

Proteínas musculares La actina, descubierta por Straub, es una proteína globular que representa el 25% en

peso de la proteína muicular. La forma globular monomérica es la actina-G, la cual se prolimeriza, en presencia de Mg 2 + para formar un filamento de doble hélice, insoluble, llamado actina-F. Ninguna de las dos formas (G o F) muestra actividad catalítica. La tropomiosina, descubierta por Bailey, es una molécula en forma de varilla o bastón que se encuentra asociada con filamentos de actina. Constituye el 2.5% de las proteínas musculares. La otra proteína ligada a la actina es la troponina. Mientras que la tropomiosina existe en todos los músculos, la troponina es exclusiva del músculo estriado. La troponina consta de tres subunidades diferentes: la troponina-C, proteína fijadora de calcio; la troponina-I, inhibe la interacción actina-miosina y también la actividad ATPasa; la troponina-T, interviene en el ensamble de las subunidades C e I al complejo actina-tropomiosina (fig. 3.40). El componente fundamental del filamento grueso es la miosina descubierta por Kuhne, es la proteína más abundante del músculo esquelético (55% de la proteína muscular). La miosina está compuesta por dos cadenas pesadas entrelazadas helicoidalmente con una cabeza globular en cada extremo, lo cual le da un aspecto característico (fig. 3.41). Además, cada cabeza globular está asociada a dos cadenas ligeras. La porción globular de la miosina tiene actividad ATPasa y se combina con la actina. Cuando la miosina es digerida con tripsina, se forman 2 fragmentos denominados meromiosinas. La meromiosina pesada posee la porción globular y parte de la porción fibrosa; conserva la actividad ATPasa y se une a la actina-F. La meromiosina ligera contiene la porción fibrosa y no muestra actividad ATPasa ni se une a la actina-F. La actividad ATPasa se incrementa 100 a 200 veces por la adición de actina-F. Actomiosina. Hace ya más de 30 años que Szent-Gyórgyi mezcló en un tubo de ensayo actina con miosina y observó la formación

de un complejo actomiosina que aumentó la viscosidad de la solución. La fibra de actomiosina preparada por Engelhardt, posee un comportamiento óptico de doble refracción análogo a la fibra muscular intacta; esto justificó el considerar que una fibra de actomiosina preparada es, en efecto, un modelo molecular de la fibrilla muscular. Bases moleculares de la contracción muscular La contracción muscular se inicia con la llegada del impulso nervioso y con ello la acetilcolina que despolariza la membrana muscular y se alcanza el potencial crítico o de acción que se propaga por el sarcolema. Esta despolarización provoca aumento de permeabilidad al Ca 2+ . En ausencia de calcio la interacción actinamiosina está inhibida por la troponina-I y el músculo está en reposo, relajado. Al entrar el Ca 2 + al sarcoplasma, se une a la troponina-C y se produce un cambio conformacional que afecta a las otras subunidades de troponina y a la tropomiosina que se desplaza de su lugar y permite interaccionar a las cabezas globulares de la miosina con las moléculas de actina. En conjunto, se produce un deslizamiento de filamentos de actina sobre los de miosina y con ello un acortamiento, no de filamentos, sino de la zona H (fig. 3.42). Al acortarse la zona H, se acorta la sarcómera, la miofibrilla y el músculo completo. La energía que aporta fuerza para la contracción muscular es la hidrólisis del ATP (ver capítulo Bioenergética). La característica de este ciclo bioquímico de contracción es que la actina posee poca afinidad por el complejo miosina-ATP (fibra-relajada); al hidrolizarse el ATP, se produce la contracción por la elevada afinidad de la actina por el complejo miosina-ADP (fibra contraída). En términos simples, la energía producida por hidrólisis de ATP se usa para que se produzca la unión-desunión de actina y miosina.

La relajación de músculo tiene lugar con el cese del impulso nervioso y el retorno del sarcolema a su estado polarizado original lo cual se logra por bombeo de Na+ hacia afuera y de K+ hacia dentro de la célula por me-

dio de una Na+-K+-ATPasa. En esta fase de relajación interviene también el ATP para bombear Ca2+, contra un gradiente de concentración, hacia afuera de la célula por una C 1+-M | + -ATPasa.

El grupo carboxilo puede ser químicamente descarboxilado para dar la correspondiente amina.

te detectar cantidades del orden de 1 microgramo ó 3 * 10~9 moles de un aminoácido. La fluorescamina reacciona con los aminoácidos a temperatura ambiente dando un producto fluorescente, cuya concentración 5.13.2. Reacciones del grupo a -amino puede medirse con un espectrofluorímetro. Este es un reactivo aún más sensible (10 a El grupo amino de los aminoácidos reaccio- 100 veces mayor que la ninhidrina), ya que na con la ninhidrina en caliente para dar un permite detectar cantidades de nanogramos compuesto púrpura intenso (excepto la de un aminoácido o 10-10 a 10"11 moles. prolina que da un derivado amarillo) que La reacción con dinitrofluoro benceno absorbe al máximo la luz con longitud de (reactivo de Sanger) fue muy utilizada hace onda de 570 nm (el amarillo de la prolina a años para identificar aminoácidos N-termi440 nm). nales, hoy, casi en desuso. Los a -aminoáciEl color obtenido con la ninhidrina es la dos en presencia del reactivo dan lugar a los base de una prueba colorimétrica que permi- dinitrofenil derivados.

3.13.3. Reacciones de la cadena lateral Un buen número de reacciones químicas pueden ser utilizadas para cuantificar cadenas laterales específicas en una solución de aminoácidos libres o proteínas desnaturalizada. El reactivo de Ellman (ácido ditiobis-nitrobenzoico) reacciona con el tiol de la cadena lateral de la cisterna a pH 8.0 dando un producto, el ácido tionitrobenzoico, que absorbe intensamente a 412 nm. La reacción de Sakaguchi se utiliza para cuantificar espectrofotométricamente el grupo guanidino de la arginina. El reactivo de Ehlrich es un ensayo colorimétrico para

el grupo indol del triptófano. El reactivo de Pauly da un color rojo con el imidazol de la histidina y el fenol de la tirosina. 3.1.4.

Clasificación

Entre las diferentes clasificaciones estructurales de los aminoácidos, quizá la más extendida es la que los agrupa según las propiedades fisicoquímicas de su cadena lateral, en particular, en cuanto a su polaridad. Los aminoácidos se denominan en forma sistemática o trivial. La más extendida es la denominación trivial o común, fruto del material donde se aislaron por primera vez (asparagina

ESTRUCTURA, FUNCIÓN Y CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS

4.1. CONCEPTOS GENERALES Toda reacción química, biológica o inorgánica, es un proceso en el que una o varias moléculas interactúan entre sí para transformarse en otras moléculas siguiendo una dirección determinada por leyes fisicoquímicas (termodinámicas) hasta llegar a un estado de equilibrio: A+B ,

) C+D

Existen sustancias llamadas catalizadores que tienen la capacidad de acelerar las reacciones químicas sin alterarse al final de éstas y sin modificar el equilibrio químico; sólo acortan el tiempo en que se alcanza dicho equilibrio. Los catalizadores se dividen en dos grupos: orgánicos e inorgánicos. Dentro de los primeros tenemos las enzimas y en el segundo los iones H + , OH " o metálicos. Las enzimas son moléculas producidas por las células de los organismos vivos con la función específica de catalizar reacciones químicas, las que sin ellas, ocurrirían muy lentamente. Hasta hace pocos años se consideraba que todas las enzimas eran proteínas. Sin embar-

go, recientes investigaciones realizadas por Cech y colaboradores (Cech, T.R., Science, 236, 1532-39 (1987) han demostrado que moléculas de RNA pueden actuar como enzimas con una elevada actividad catalítica. Se ha comprobado experimentalmente que la molécula de RNA L-19 derivada de un intrón de un precursor de una RNAr de un protozoario ciliado actúa como ribonucleasa y como RNA polimerasa. Esta enzima de RNA o RNA enzimático o ribozima muestra las mismas propiedades cinéticas que las otras enzimas tradicionales, un alto grado de especificidad y susceptibilidad a la inhibición competitiva. Este descubrimiento puede tener importantes implicaciones sobre la evolución de las moléculas y puede contribuir a aclarar el mecanismo de acción de los catalizadores. La vida y el crecimiento celular requieren la continua síntesis de macromoléculas acoplada a procesos proveedores de energía. El acoplamiento controlado de las reacciones químicas mediante la acción de enzimas es propiedad única de las células vivas. Entre las miles de sustancias presentes en una célula, las enzimas constituyen la parte más importante de las proteínas celulares. Esencialmente, todas las reacciones bioquímicas son catalizadas por enzimas.

cia emplean coenzimas del tipo del NAD + , NADP + , FAD, ácido lipoico y CoQ como aceptores de hidrógeno; otros aceptores incluyen al grupo hemo y al oxígeno molecular. En este grupo se incluyen deshidrogenasas y oxidasas de gran importancia en los procesos oxidativos de la respiración celular. La catalasa es única en el sentido de que el peróxido de hidrógeno (H2O2) sirve tanto como donador y como aceptor. La catalasa funciona en la célula eliminando el peróxido de hidrógeno que es tóxico. 2.- Transferasas.- Muchos pasos importantes del metabolismo requieren la transferencia de una molécula a otra de grupos ámino, carboxilo, carbonilo, metilo, ácido, glucosilo, o fosforilo. Las coenzimas utilizadas son el tetrahidrofolato (FH4) coenzima A (CoA-SH) y fosfato de piridoxal (PPal). Las aminotansferasas (transaminasas) transfieren grupos amino de un aminoácido a un cetoácido aceptor, dando lugar a la formación de un nuevo aminoácido y un nuevo cetoácido. Las cinasas catalizan la transferencia de un fosfato del ATP a grupos aceptores, alcohol o ámino, como ejemplo tenemos la glucocinasa que forma glucosa-fosfato. La síntesis de glucógeno depende de glucosiltransferasas. 3.- Hidrolasas.- Catalizan el rompimiento de una molécula, con participación de agua, entre enlaces carbono y cualquier otro átomo. Este grupo de enzimas se puede considerar como una clase especial de transferasas en las que el grupo donador se transfiere al agua. La rotura del enlace peptídico es buen ejemplo de esta reacción llevada a cabo por peptidasas. Nombres triviales de algunas peptidasas incluyen pepsina, tripsina, quimotripsina y dipeptidasa. Otras subclases son las esteraseis como la lipasa, colinesterasa, y colesterol esterasa. Las fosfatasas eliminan grupos fosfatos, como la glucosa6-fosfatasa y las fosfatasas acida y alcalina. 4.- liosas.- Catalizan el rompimiento no hidrolítico entre carbono-carbono, carbonoazufre y algunas carbono-hidrógeno. A este

grupo pertenecen las descarboxilasas. Aldehido nasas como la aldolasa, fumara y otras. 5.- Isomerasas.- Incluye a todas las enzimas que catalizan la interconversión de todo tipo de isómeros ópticos, geométricos, de posición y reacciones de oxidorreducción intramolecular. A este grupo pertenecen las racémosos, epimerasas y mutasas. 6.- Ligasas.- Catalizan la formación de enlaces entre carbono-oxígeno, nitrógeno y otros átomos a expensas de un enlace fosfato de alta energía del ATP. El término de sintetasas se reserva para este grupo particular de enzimas. La piruvato carboxilasa es un buen ejemplo de una ligasa. También la acetil-CoA sintetasa, la aminoacil-RNAt sintetasa, enzimas activadoras de aminoácidos en la síntesis de proteínas. En la Tabla 4.4 se describen algunas enzimas y su clasificación de acuerdo a la comisión de enzimas. 4.4 LOCALIZACIÓN Y DISTRIBUCIÓN DE LAS ENZIMAS Las enzimas dentro de un organismo se encuentran distribuidas en los diferentes órganos y tejidos donde realizan su función específica. Dentro de una célula, algunas enzimas se encuentran compartamentalizadas y ordenadas; ejemplo: en las células hepáticas, las enzimas de la glicólisis están localizadas en el citoplasma, en tanto que las enzimas del ciclo de Krebs en las mitocondrias. Dentro de la mitocondria, las enzimas del ciclo del ácido cítrico se encuentran dispuestas en forma secuencial, lo cual da al proceso ergopoyético de la célula la máxima eficacia.

4.4.1.

Nivel celular. Sistema microsomal

La localización de una enzima particular en un tejido o célula es el fundamento de una

Tabla 4.4 Clasificación Internacional de las enzimas Número

Nombre sistemático

Nombre trivial

1. 1.1 1.1.1 1.1.1.1. 1.1.3. 1.1.3.4.

Oxidorreductasas Grupos CH-OH NAD+ o NADP + aceptor Alcohol NAD + oxidorreductasa: O2 como aceptor p-D-glucosa: oxígeno Oxidorreductasa (FAD)

1.2. 1.2.1.12. 1.2.3.2. 1.2.4.1.

Grupos C = 0 Gliceraldehído 3-P:NAD* Oxidorreductasa (NAD+) Xantina:oxígeno oxidorreductasa. Piruvato: lipoato Oxidoreductasa

Xantino oxidasa Piruvato deshidrogenasa

1.3. 1.3.1.1.

Grupos CH-CH 4,5-Dihidrouracilo: NAD+ oxidorreductasa

Dihidrouracilo deshidrogenasa

1.4 1.4.1.2

Grupos CH-NH2 L-glutamato: NAD+ oxidorreductasa

Glutamato deshidrogenasa

1.5 1.5.1.5

Grupos C-NH5,10-Metilenotetrahidrofolato: NADP + oxidorreductasa

Metilen-FH4-deshidrogenasa

Deshidrogenasa Alcohólica Glucosa oxidasa

Triosa-P-deshidrogenasa

1.6. 1.6.2.1.

Sobre NADH o NADPH como donador NADH: citocromo C oxidorreductasa

Citocromo C reductasa

1.9. 1.9.3.1.

Sobre grupos hemo donadores. Citocromo C: oxígeno oxidorreductasa

Citocromo oxidasa

1.11. 1.11.1.6

Con H2O2 como aceptor Peróxido de hidrógeno: H2O2 oxidorreductosa Transferasas Grupos de 1 carbono metil transferasas S-adenosil-metionina: guanidino-acetato N-metil Transferasa

2. 2.1 2.1.1 2.1.1.2 2.1.2 2.1.2.1

Hidroximetil y fomil transferasa L-serina: FH4 5,10-hidroximetil trasferasa

Catalasa

Guanidometil transferasa

Serina hidroximetil transferasa

CONTINUA TABLA 4.4 Número 2.1.3 2.1.3.2

Carboxil o carbamoil transíerasas Carbamoil-P: L-aspartato transferasa

2.2

Transferencia de grupos aldehídicos o cetónicos Sedoheptulosa 7-P: gliceraldehido glicolaldehído transferasa Sedoheptulosa: 7-P: gliceraldehido Dihidroxiacetona transferasa

2.2.1.1 2.2.1.2

Nombre trivial

Nombre sistemático

Aspartato transcarbamilasa

Transcetolasa Transaldolasa

2.6.1 2.6.1.1 2.6.1.2

Aminotransferasas L-aspartato: 2-oxoglutarato aminotransferasa L-alanina: 2-oxoglutarato aminotransferasa

Transaminasa glutámico oxalacética Transaminasa glutámico pirúvica

2.7.1 2.7.1.2 2.7.7.10

Fosfotransferasas ATP: glucosa 6-P transferasa UTP: galactosa 1-P uridil transferasa

Glucocinasa UDP-galactosa pirofosforilasa

3. 3.1 3.1.1 3.1.1.7 3.1.2 3.1.2.1 3.1.3 3.1.3.9

Hidrolasas Enlace éster Carboxílico Acetilcolina acetil hidrolasa Tióester Acetil CoA hidrolasa Ester fosfórico Glucosa 6-P fosfohidrolasa

3.2.1 3.2.1.1

Glucósido hidrolasas a l - 4 gluca-4glucano hidrolasa

3.4.4 3.4.4.1

Péptido hidrolasas

3.5.1.5

Urea amidohidrolasa

Ureasa

3.6.1.3

ATPfoshidrolasa

ATPasa

4 4.1.1 4.1.1.1 4.1.2 4.1.2.7

Liasas Carboxiliasas 2-oxo-ácido carboxil iasa Aldehidoliasas Cetona 1-Paldehidoliasa

Piruvato descarboxilasa

Colinesterasa Tiolasa Glucosa 6-fosfatasa a-amilasa Pepsina

Aldolasa

CONTINUA TABLA 4.4 Número

Nombre sistemático

Nombre trivial

4.1.3 4.1.3.7

Cetoacidoliasas Citrato oxalacetato liasa

Citrato sintetasa

4.2.1 4.2.1.2

Hidroliasas L-malatohidroliasa

Fumarasa

5 5.1 5.1.1.1 5.1.3.1

Isomerasas Racemasas y epimerasas Alanina recemasa D-ribulosa 5-P, 3 epimerasa

Alanina racemasa Epimerasa

5.2 5.2.1.1

Cis-trans isomerasas Malea to cis-trans isomerasa

Maleato isomerasa

5.3.1 5.3.1.1

Aldo-ceto isomerasas D-gliceraldehído 3-P cetol isomerasas

Triosa-P isomerasa

6 6.1.1 6.1.1.1

Ligasas Aminoácido-RNA L-tirosina: RNAt ligasa(AMP)

Tirosil-RNAt sintetasa

6.2.1 6.2.1.1

Acido tiol Acetato: CoA ligasa (AMP)

Acetil CoA sintetasa

6.3 6.3.4.2

Enlaces C-N UTP: amonio ligasa (ADP)

CTP sintetasa

6.4 6.4.1

Enlaces C-C Piruvato: C 0 2 ligasa (ADP)

Piruvato carboxilasa

rama de la histoquímica denominada histoenzimología. La distribución de las enzimas en los organelos subcelulares se estudian fraccionando en ultracentrífuga homogeneizados de células. En células eucarióticas las enzimas se distribuyen en la membrana celular, mitocondrias (matriz y espacios intermembranas) lisosomas, vacuolas, retículo endoplásmico, etc. (tabla 4.5). En la membrana celular se encuentran enzimas que participan en el transporte de metabolitos y

las que regulan la acción de hormonas o neurotransmisores sobre los receptores membranales. En tanto que muchas enzimas se encuentran solubles en el citoplasma, otras se encuentran fijas ordenadamente en alguna membrana particular y funcionan en forma secuencial, como es el caso de las enzimas oxidativas de la mitocondria. Generalmente las vías anabólicas y catabólicas se localizan en organelos diferentes a fin de maximizar la economía celular.

Tabla 4.5 Localización intracelular de las principales enzimas y rutas metabólicas Citoplasma

Glucólisis: ruta de las hexosa monofostato; glucogénesis y glucogenólisis: síntesis de ácidos grasos; catabolismo de purinas y pirimidinas; peptidasas; aminotransferasas; aminoacilsintetasas

Mitocondria

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos; oxidación de ácidos grasos; oxidación de aminoácidos; alargamiento de ácidos grasos; síntesis de la urea; transporte electrónico y fosforilación oxidativa acoplada.

Lisosomas

Lisozima; fosfaíasa acida; hidrolasas, incluyendo proteasas, nucleasas, glucosidasas, arilsulfatasas, lipasas, fosfolipasas y fosfatasas.

Retículo endoplasmático (microsomas)

NADH y NADPH citocromo c reductasas; oxidasas de función mixta relacionadas con el citocromo b, y el citocromo P450; glucosa 6-fosfatasa; nucleósido difosfatasa; esterasa, P-glucuronidasa, y glucuroniltransferasa; rutas de síntesis de proteínas; síntesis de fosfoglicéridos y triacilgliceroles, síntesis y reducción de esteroides

Golgi

Galactosil y glucosiltransferasa; condroitina sulfotransferasa; 5-nucleotidasa; NADH-citocromo c reductasa, glucosa 6-fosfatasa

Peroxisomas

Urato oxidasa; D-aminoácido oxidasa; a-hidroxiácido oxidasa; catalasa; oxidación de ácidos grasos de cadena larga

Núcleo

Rutas de biosíntesis de DNA y RNA

a

La NADH-citocromo b, reductasa se ha encontrado en el retículo endoplasmático, Golgi, membrana mitocondrial externa y en la envoltura nuclear. Varias de las enzimas señaladas en la tabla son comunes a uno o más organelos membranosos.

4.4.2.

A nivel de organismo

La localización y distribución de enzimas que funcionan específicamente en determinados órganos es el fundamento de la enzimología clínica. Dos subclases de aminotransferasas se localizan en órganos distintos; la aspartato aminotransferas (antes transaminasa glutámico oxalacética, TGO) se localiza princip a l m e n t e en m i o c a r d i o y la a l a n i n a aminotransferasa (antes transaminasa glutá-

mico pirúvica, TGP) se localiza en hígado. La creatina fosfocinasa se localiza en músculo estriado (esquelético y miocardio). La deshidrogenasa láctica posee varias isoenzimas, algunas de ellas específicas de determinado órgano; la LDH-1 (H4) se localiza en miocardio y la LDH-5 (M4) se localiza en hígado y músculo esquelético; otra variante isoenzimática la LDH-X se localiza en testículo. La amilasa y lipasa pancreáticas ayudan al diagnóstico de pancreatitis aguda cuando se elevan en suero (ver más adelan-

te). Las fosfatasas, con su localización particular, la fosfatasa acida en próstata y la fosfatasa alcalina en hígado y hueso, determinan la presencia de carcinoma prostético y óseo respectivamente, cuando se elevan en suero. 4.5 MECANISMO DE ACCIÓN El mecanismo de acción de las enzimas se estudiará primero desde el punto de vista general de la catálisis y luego de cada sistema enzimático en particular.

dado origen a la termoquímica que estudia la cantidad de calor que se absorbe o se desprende en una reacción y permite calcular la energía libre (F) y la entalpia o contenido calórico (H). Si en la reacción se absorbe calor, los productos tendrán más energía que los reactantes; los cambios de energía libre (AF) y de entalpia (AH) son positivos y se dice que la reacción es endergónica (o endotérmica si es en forma de calor). En las reacciones en que se desprende calor, AF y AH son negativos y la reacción es exotérmica {exergónica en general). AF = LFf productos - LFf reactantes

4.5.1. Aspectos termodinámicas. Energía de activación Conviene analizar previamente los conceptos termodinámicos, que determinan el sentido de una reacción y su equilibrio, en virtud de que las enzimas sólo aceleran reacciones espontáneas o metaestables, termodinámicamente posibles, las cuales pueden ocurrir aún en ausencia de enzimas pero muy lentamente. Las enzimas no catalizan reacciones que jamás sucederían espontáneamente, es decir aquellas termodinámicamente imposibles. La realización y extensión de las reacciones bioquímicas están controladas por el flujo energético. El estudio de esto, es el campo de las termodinámica, rama de la fisicoquímica, cuyos conceptos principales se establecen en d o s p r i n c i p i o s de la termodinámica llamados primero y segundo, los cuales permiten comprender el sentido de las reacciones químicas, si una reacción procediera de izquierda a derecha, si es reversible, y si hay que suministrarle energía para que ocurra, o si la libera y en qué magnitud. La aplicación del primer principio de la termodinámica (principio de conservación de la energía) a las reacciones químicas ha

AH - LHf productos - LHf reactantes Una reacción que es exotérmica en sentido directo, será endotérmica en sentido inverso. Se habla así de calor de formación y calor de reacción, ejemplo: en la fotosíntesis, la energía solar permite la síntesis de glucosa (Ce H12 0¿) y es una reacción endergónica; la degradación metabólica de la glucosa por la célula, con formación de CO2 y H 2 0 es una reacción exergónica, de la misma magnitud. Energía C H

6 12°6

+

°2

6C0 2 + ÓHjO Energía

El segundo principio de la termodinámica determina la dirección de una reacción química. Este principio establece que los procesos espontáneos tienden al equilibrio; esto determina que un cuerpo caliente ceda calor a otro más frío y no al revés, que el agua corra por un declive y no suba por una pendiente. El cambio de energía libre (AF) o energía útil se correlaciona con la constante de equilibrio (Keq), la cual a su vez se rige por la ley de acción de masas. Para cualquier reac-

ción química: la ecuación que determina el cambio de energía libre respecto a la concentración de reactantes y productos es la siguiente:

Donde AF° es el cambio de energía libre en condiciones estándar: este valor es equivalente al pKa de la ecuación de HendersonHasselbach (ver unidad 2). En el equilibrio, no hay cambio de energía libre y AF=0, por lo tanto: AF° = -RT lnKeq

si AF° es negativo, el proceso se desarrollará espontáneamente, es decir es termodinámicamente posible; si AF° es positivo, la reacción sólo transcurrirá si se le proporciona energía (tabla 4.6). Existen sistemas de reacción que se presentan en estado metaestable, es decir termodinámicamente posible; pero no espontáneo. Esto sucede con algunos comTabla4.6 Relación entre Keq y AF° (a 25°C)

puestos orgánicos inflamables expuestos al aire, como la gasolina, que necesitan una chispa para su ignición y su transformación en CO2 y H2O. Esa barrera termodinámica es la energía necesaria para alcanzar el estado de transición como energía de activación (fig.4.1). La energía de activación es la energía necesaria para pasar las moléculas reaccionantes al estado de transición y que de ahí proceda la reacción. En ausencia de catalizadores enzimáticos, muchas reacciones químicas proceden excesivamente lentas a la temperatura del organismo, no reaccionan con rapidez debido a que la energía cinética que poseen es insuficiente para superar esa barrera de energía. Al disminuir la energía de activación, las enzimas hacen que las reacciones termodinámicamente posibles procedan con rapidez en la célula pero no modifican la constante de equilibrio. 4.5.2.

Cinética enzimática

Dado que las enzimas modifican la velocidad de las reacciones químicas, este capítulo tratará de los factores que inciden en la actividad de una enzima. La cinética estudia la velocidad de cambio entre el estado inicial de reactantes y productos y su estado final. La velocidad cambia constantemente a medida que se aproxima al equilibrio (estado final) siendo cero en el equilibrio. En un sentido cinético, los componentes iniciales del sistema enzimático (sustrato (S), cofactores y enzimas) se añaden a una serie de recipientes en un medio con fuerza iónica, temperatura y pH conocidos. La velocidad del cambio en la concentración del producto o del sustrato en función del tiempo, expresa la velocidad de la reacción. En todos los procesos enzimáticos, la velocidad de la reacción depende de la concentración de enzima y de su sustrato. Si se aumenta progresivamente la concentración

de enzima, manteniéndose constante (pero en exceso) la concentración del sustrato, se obtiene una relación directa y lineal (fig. 4.7). A concentración fija de enzima y concentraciones crecientes de sustrato se obtiene una segunda relación interesante. Al principio, la velocidad de la reacción aumenta proporcionalmente a la concentración de sustrato; a este punto, se le designa como reacción de primer orden en virtud de que la velocidad depende de la concentración del sustrato (S) elevada a la primera potencia. Después, la velocidad de la reacción decrece progresivamente hasta que permanece constante (Vmax) aun con elevadas concentraciones de sustrato (cinética de orden cero); esto se explica porque la enzima se ha "saturado" con sustrato (fig. 4.8). En otras palabras, la enzima debe tener un número finito de sitios catalíticos para el sustrato y cuando están todos ocupados ya

no puede aumentar la velocidad de la reacción. Modelo de Michaelis-Menten. Para explicar matemáticamente este comportamiento Michaelis y Menten invocaron la existencia de un complejo intermedio enzima-sustrato: K E + S

' [ES] K,

• E+P K„

La formación del complejo enzima-sustrato [ES] se dedujo de las siguientes observaciones; a) fibrina tratada con tripsina y lavada posteriormente, seguía degradándose; b) la enzima sacarasa en presencia de sacarosa resistía la desnaturalización térmica

comparada con la sacarasa sola. Por otro lado, Keilin y Mann en 1937 comprobaron que la peroxidasa presenta un desplazamiento de las bandas de absorción cuando se adiciona H2O2: K i Peroxidasa + H J O J ;==?

[Peroxidasa - H J O J ]

En presencia de un donador de hidrógenos (colorante oxidable) tiene lugar una reacción posterior: [Peroxidasa - H 2 0 2 ] + R-H 2 roxidasa + 2 H 2 0 + R

K3

Pe-

La observación en el espectroscopio de estas dos reacciones resultó una prueba convincente de que es correcta la hipótesis de la formación del complejo [ES]. La ecuación matemática que define la reacción enzimática es una hipérbola que recibe el nombre de ecuación de Michaelis-Menten: _ Vmax [S] Km + [S] El valor de Km (constante de Michaelis) que se expresa en moles/litro, resulta de las constantes de velocidad.

Km- - ¿ - - I Al

En términos prácticos, la Km es un valor que indica la afinidad de la enzima por el sustrato. Cuanto más baja sea Km, mayor es la afinidad. Las dos constantes de la ecuación de Michaelis Menten, Vmax y Km son únicas para cada enzima. Así, en este sencillo modelo, la actividad de la enzima se puede separar en dos fases; fijación del sustrato seguida de su modificación química. Esta naturaleza bifásica se demuestra en el siguiente ejemplo clínico: en una familia

aquejada de hiperuricemia y gota, un paciente excretaba tres veces la cantidad normal de ácido úrico por día y tenía también niveles elevados de fosforribosil pirofosfato (PRPP) en eritrocitos. Los ensayos indicaron que la actividad PRPP sintetasa estaba aumentada tres veces; la Km de la enzima era normal pero la Vmax era tres veces mayor. Nótese que si la velocidad (v) se hace igual a - Vmax, la Km se hace igual a [S] en la ecuación de Michaelis-Menten, Por tanto, en una curva de saturación (fig. 4.8) el valor numérico de la Km puede deducirse en la gráfica en concentración de sustrato [S], cuando la velocidad es la mitad de la velocidad máxima. Modelo de Lineweaver-Burk. Debido a que en la práctica la determinación de Km a partir de la curva de saturación de Michaelis-Menten no es muy precisa, ya que la Vmax se hace asintótica, es necesario tomar el recíproco de la ecuación y transformarla en una línea recta: i . v

Km

1 Vmax [S ]

+

1 Vmax

y = ax + b La gráfica que se obtiene es la de Lineweaver-Burk o del doble recíproco (fig. 4.9), donde se puede calcular Km en la intersección negativa de la abscisa. Modelo de Eadie-Hofstee. Otra transformación a la gráfica de Michaelis-Menten que permite calcular con mayor precisión la Km es la ecuación de Eadie-Hofstee: V v [S] ~~Km

+

Vmax Km

La gráfica obtenida se muestra en la fig. 4.10, donde la pendiente negativa es la inversa de Km.

4.5.2.1. Actividad enzimática La actividad de una enzima se expresa habitualmente en términos de la cantidad de producto formado (o desaparición de sustrato) por cantidad determinada de enzima por unidad de tiempo. La unidad estándar de actividad enzimática (U) es la cantidad de enzima que cataliza la transformación de un micromol de sustrato por minuto a 25 °C en condiciones óptimas de ensayo. La actividad específica se define como el número de unidades de enzima por miligramos de proteína (U/mg proteína). Sin embargo esto no indica si en la muestra la única proteína presente es la enzima. Durante la purificación enzimática este valor va aumentando a medida que se van eliminando proteínas contaminantes. El antiguo "número de recambio" recientemente sustituido por actividad molecular o molar, se define como el número

4.1.1.

Importancia de las enzimas

El estudio de las enzimas en medicina es cada vez más importante. Son múltiples las implicaciones que tienen las enzimas en el origen, diagnóstico, tratamiento y prevención de enfermedades. Muchas enfermedades se deben a la carencia o anormalidad en la síntesis de una determinada enzima (galactosemia, fenilcetonuria, albinismo, pentosuria esencial y muchas otras que se revisarán más adelante). Estos errores están codificados en el genoma y se denominan: "errores innatos del metabolismo", "enfermedades moleculares", "enfermedades hereditarias" o "enfermedades bioquímicas". El diagnóstico de muchas enfermedades se puede'realizar con bastante precisión determinando la actividad de ciertas enzimas o isoenzimas que son indicadores de la destrucción tisular de órganos específicos. Estas determinaciones son tan importantes que han dado lugar a una nueva especialidad: la enzimología clínica; que es el área de la medicina que utiliza las enzimas como auxiliares diagnósticos. Otras enfermedades se deben a la carencia de cofactores enzimáticos y la administración de ellos produce la rápida curación de estas enfermedades carenciales, como sucede con las vitaminas (procoenzimas) y algunos oligoelementos. En ocasiones son las propias enzimas las que se usan para el tratamiento de enfermedades, esta práctica se conoce como enzimoterapia. El empleo de enzimas proteolíticas para el tratamiento de hematomas y de enzimas digestivas en casos de dispepsia, son ejemplos del uso de enzimas como fármacos. El empleo de enzimas inmovilizadas es otra posibilidad de terapia cuando hay carencia de enzimas en un organismo evitando así las reacciones de intolerancia y asegurando la estabilidad y las condiciones óptimas para la actividad catalítica. Es indudable que la enzimoterapia tiene un futuro promisorio con las técnicas de

ingeniería genética que permiten introducir la información genética para la síntesis de la proteína ausente o defectuosa utilizando plásmidos o partículas viriformes. Otra importante vinculación de las enzimas con la medicina, radica en el empleo racional de fármacos. La mayor parte de los fármacos que se utilizan en el tratamiento de enfermedades tienen como mecanismo de acción el modificar la actividad de una o varias enzimas, ya sea, actuando como inhibidor enzimático competitivo, no competitivo, acompetitivo o mixto, secuestrando o liberando cofactores o induciendo la biosíntesis de algunas enzimas. La eficacia del tratamiento terapéutico y la magnitud de las reacciones indeseables (reacciones secundarias, contraindicaciones, precauciones, interacciones farmacológicas), sólo se podrán lograr y prevenir en la medida que se conozca el mecanismo de acción de cada fármaco y las múltiples interacciones que pueden ocurrir con las enzimas.

4.1.2. Concepto de enzima, sustrato y producto En una reacción enzimática se identifican tres componentes: la enzima (E) específica de la reacción, el sustrato (S) que es la molécula sobre la que actúa la enzima y el producto (P) molécula o moléculas resultantes de la acción de la enzima sobre el sustrato. Dado que muchas reacciones son reversibles, los productos de la reacción directa (que procede hacia la derecha) son los sustratos de la reacción inversa (que procede hacia la izquierda). directa A+B sustratos

. inversa

C+D productos

En reacciones secuenciales de una vía metabólica, el producto de una reacción ca-

de moles de sustrato transformado por un mol de enzima por minuto (mol/min/mol de enzima) (tabla 4.7). Debido a que muchas enzimas son oligoméricas, con un sitio catalítico en cada subunidad, la actividad molar se denomina actividad del centro catalítico: número de moles de sustrato por mol de subunidad activa o por sitio catalítico, por minuto. La comisión de enzimas de la Unión Internacional de Bioquímica ha propuesto una nueva unidad, el Katal (Kat) que se define como la conversión de un mol de sustrato por segundo; se puede expresar en milika tales (mKat) o microkatales (uKat). Hasta que todos los laboratorios de análisis clínicos unan esfuerzos para estandarizar sus informes, es imperativo, que el médico se familiarice con las reglas locales en el manejo de unidades de actividad enzimática. 4.5.3. Factores que afectan la actividad enzimática La actividad enzimática es afectada por una serie de factores externos e internos que pueden ser físicos, químicos y biológicos: temperatura, pH, fuerza iónica, concentración del sustrato, de la enzima, del producto e inhibidores. Estos efectos son tan importantes in vivo como en condiciones de laboratorio; en el primer caso, debido a que la Tabla 4.7 Actividad molecular de algunas enzimas Enzima

Actividad molar (moles de sustrato por mol de enzima por minuto)

Anhidrasa carbónica Catalasa p-amilasa p-galactosidasa Succinato deshidrogenasa

36,000 5,600 1,100 12 1

000 000 000 000 150

actividad enzimática aumenta con los incrementos de temperatura, la velocidad de los procesos metabólicos crece notablemente durante la fiebre; si la fiebre continuara indefinidamente sería fatal. Muchos medicamentos actúan como inhibidores competitivos de ciertas enzimas. Por otro lado, estos factores deben considerarse al realizar los ensayos in vitro para medir actividades enzimáticas en el plasma de un paciente. 4.5.3.1. Factores físicos y químicos Temperatura. Las enzimas a temperaturas bajas muestran un aumento de su actividad al incrementar la temperatura, pero a altas temperaturas la enzima sufre desnaturalización térmica y la velocidad de la reacción disminuye (fig. 4.11). La gráfica de velocidad frente a temperaturas (Fig. 4.11) revela una curva en forma

de campana con un óptimo entre 40 y 45 °C para enzimas humanas, denominada temperatura óptima. El incremento de velocidad al acercarse la temperatura óptima se debe a una mayor energía cinética de los reccionantes (sustrato). El factor que resulta por cada 10°C de incremento en la temperatura se denomina coeficiente térmico (Qio) y en las reacciones químicas habituales es de alrededor de 2, o sea, se duplica la velocidad de la reacción por cada 10°C de aumento en la temperatura. Muchos procesos fisiológicos, por ejemplo, la frecuencia de contracción de un corazón extirpado, muestran un (Qio) • 2. Por arriba de la temperatura óptima, la velocidad de reacción decrece por desnaturalización de la e n z i m a . L a s e n z i m a s de microorganismos adaptados a vivir en aguas termales muestran temperaturas óptimas cercanas al punto de ebullición del agua. Por el contrario en condiciones de hipotermia muchas reacciones enzimáticas están deprimidas lo que explica la baja demanda de oxígeno de algunos organismos durante periodos de hibernación. pH. Por ser proteínas, las enzimas poseen un punto isoeléctrico en el que su carga eléctrica es cero; el pH del punto isoeléctrico, sin embargo, no es el pH de máxima actividad de la enzima (pH óptimo). Los cambios de pH afectan profundamente el carácter iónico de los grupos funcionales de la enzima y, por lo tanto, alteran la conformación de la proteína y con ello, el sitio catalítico. Además de los efectos puramente iónicos, los valores altos o bajos de pH (ácidos o alcalinos) provocan desnaturalización de la enzima (fig. 4.12). El pH óptimo de la mayoría de las enzimas se localiza entre los valores de 5 y 9. Sin embargo, algunas enzimas, por ejemplo, la pepsina o la arginasa son activas a valores depH alejados de este óptimo (Tabla 4.8). El efecto nocivo de las radiaciones, sales y metales pesados (Ag, Pb, Hg) sobre la actividad enzimática se debe a la acción desna-

turalizante sobre las proteínas en general. Esta propiedad es útil en el laboratorio clínico; las muestras de sangre son primero tratadas con ácidos como el tncloroacético, fosfotúngstico y otros para desnaturalizar y precipitar proteínas, la labilidad de la mayoTabla 4.8 Valores óptimos de pH para algunas enzimas

ría de las enzimas a estos agentes desnaturalizantes permite determinar si una reacción es catalizada por una enzima. 4.5.3.2. Inhibidores enzimáticos Aunque se requiere la molécula completa de la apoenzima para su actividad catalítica, existe una zona determinada donde se combina con él sustrato al que se llama sitio activo o sitio catalítico. Este es un hueco molecular en la estructura terciaria de la enzima con tres puntos de apoyo próximos entre sí (tres aminoácidos) aunque en la estructura primaria no estén próximos (fig. 4.13). El peso molecular de la mayoría de los sustratos es muy pequeño comparado con el de las enzimas. Por ejemplo, la catalasa (PM 250,000) respecto al peróxido de hidrógeno (PM 34). Pueden afectarse ciertos aminoáci-

dos de una enzima sin que ello altere su actividad catalítica siempre y cuando no se afecten los involucrados en el sitio activo. Quizá la prueba más evidente de la localización de sitios activos proviene de estudios con inhibidores. Un inhibidor enzimático es cualquier agente químico capaz de disminuir la velocidad de una reacción sin desnaturalizar la enzima. Los inhibidores son compuestos que tienen la capacidad de unirse a enzimas de tal forma que impiden la combinación enzima-sustrato. Existen diferentes tipos de inhibidores enzimáticos: competitivos, no competitivos e incompetitivos. Inhibición competitiva. Está dada por una molécula parecida estructuralmente al sustrato (isostérica) que se une al sitio catalítico pero no se transforma. Esta molécula forma un complejo reversible con la enzima (El) que compite continuamente con el sustrato por el sitio catalítico. La magnitud de la in-

hibición dependerá de: a) la concentración de inhibidor, b) la concentración de sustrato y c) las afinidades relativas (Km) entre inhibidor y sustrato por la enzima. El grado de inhibición competitiva es proporcional a la concentración de inhibidor (I); sin embargo, un aumento en la concentración de sustrato en presencia de una concentración fija del inhibidor llega a superar la inhibición. Un ejemplo muy conocido es la inhibición competitiva de la succinato deshidrogenasa, cuyo sustrato natural, el succinato y el inhibidor, malonato, son parecidos (fig. 4.14). Dado que sustrato e inhibidor compiten por el mismo sitio de la inzima, la Km muestra un incremento aparente en presencia del inhibidor. Esto se puede ver en la gráfica de Michaelis-Menten y en la de LineweaverBurk (fig. 4.15). La Km que se obtiene experimentalmente es denominada Km aparente: la Vmax no varía. Ejemplos de inhibición competitiva es la que se realiza al administrar ciertos fármacos. Si denominamos metabolitos a los sustratos fisiológicos presentes o producidos en el metabolismo celular, serán antimetabolitos, aquellos que impiden el aprovechamiento y utilización de los metabolitos naturales debido a su parecido estructural. Los animales superiores y muchos microorganismos son incapaces de sintetizar algunos compuestos necesarios para su supervivencia, por lo que estos adquieren la categoría de nutrimentos esenciales. Estos compuestos pueden ser aminoácidos, ácidos grasos, vitaminas, etc. Los organismos utilizan ciertos metabolitos y enzimas para sintetizar estos compuestos esenciales, estas enzimas pueden inhibirse por medio de antimetabolitos. La investigación de los antimetabolitos se inició con la observación de Woods en 1940, quien comprobó que la inhibición del crecimiento bacteriano por sulfas era contrarrestado por ácido paraaminobenzoico (PABA).

Los microorganismos que necesitan PABA para su crecimiento, lo utilizan como metabolito para sintetizar ácido fólico. Este crecimiento bacteriano puede inhibirse con antimetabolitos como las sulfas. Aquellos organismos que requieren ácido fólico pero que no lo puedan sintetizar a partir de PABA, no se afectarán por sulfas. La utilización eficaz de las sulfas para combatir infecciones en el hombre depende de este hecho. Dado que el hombre adquiere folato en forma exógena, las sulfanilamidas no son dañinas a las dosis que inhiben a las bacterias. Muchos antimetabolitos ejercen su acción a nivel de coenzimas o grupos prostéticos como los antifólicos como el metotrexate o alguna antivitaminas como la oxitiamina o la oxipiridoxina. Otro ejemplo es la inhibición de ciertos tumores por 5-fluorouracilo y la de algunos virus como el herpes labial por yododesoxiuridina. Toda o gran parte de la farmacoterapia moderna está basada en los conceptos de inhibición enzimática. Inhibición no competitiva. Este tipo de inhibición es irreversible aun cuando se aumente la concentración de sutrato. Es decir, no existe relación entre el grado de inhibición y la concentración de sustrato. La inhibición solo depende de: a) la concentración del inhibidor y b) la afinidad del inhibidor por la enzima. En

contraste con la inhibición competitiva, la formación del complejo enzima-inhibidor puede o no ocurrir en el sitio activo de la enzima. El inhibidor no competitivo puede ser unamólecula(Ii) que no se une en el sitio activo sino cerca de él; puede unirse a uno de los tres puntos esenciales del sitio activo (I2), o incluso puede ser un análogo del sustrato (I3) pero que no puede ser desplazado por altas concentraciones del sustrato; puede ser un inhibidor (I4) que no intervenga en la formación de ES, pero que provoque un cambio de conformación en la enzima de suerte que ésta pierda su actividad catalítica (fig. 4.16). Algunas enzimas tienen grupos sulfhidrilo (-SH) esenciales para su actividad; un agente que reacciona con estos grupos es la yodoacetamida (I-CH2—CO-NH2): E-SH+I-O^-CO-NHj

-*

E-S-CH^-CO-NHj+HI

Enzimas como la peroxidasa y catalasa, que contienen hierro como grupo prostético, son inhibidas por compuestos que forman complejos con el metal como el cianuro o el H2S. Los iones fluoruro y oxalato inhiben enzimas que requieren Ca+2 o Mg+2. El diisopropilfluorofosfato (DIPFP) inhibe enzi-

mas con grupos funcionales oxidrilo (SerOH) como la colinesterasa. En la inhibición no competitiva no se altera la Km pero sí la Vmax (fig. 4.17). Inhibición incompetitiva o acompetitiva. Es una forma de inhibición no competitiva pero reversible. En ésta, el inhibidor se puede combinar con la enzima (El) o con el complejo enzima-sustrato ya formado (EIS) y la reacción puede retrasarse pero no impedirse. Se presenta sobre todo cuando hay más de un sustrato en la reacción. La modificación en la gráfica de Lineweaver-Burk de la inhibición incompetitiva es la que se observa en la fig. 4.18. Estrictamente, los productos de la reacción son inhibidores específicos de la reacción enzimática. En otros casos, el sustrato puede inhibir o activar su propia reacción (fig. 4.19). Un ejemplo de inhibición por producto lo tenemos en la deshidrogenasa láctica (LDH) de la cual existen dos isoenzimas particulares: en el músculo predomina la isoenzima M4, que no es inhibida por producto; en corazón predomina la isoenzima H4 que es inhibida por producto (lactato). Esta particularidad permite que en corazón se in-

Figura 4.17 Inhibición no competitiva;

hiba la LDH por lactato y el piruvato se derive al ciclo de Krebs, productor de energía. Esta es una ventaja fisiológica que garantiza que el corazón tenga un aporte constante de energía para la contracción (ver unidad de Bioenergética). Existen algunas aplicaciones prácticas, desde el punto de vista clínico, de la inhibición enzimática. El suero contiene enzimas como las fosfatasas acidas producidas por diferentes tejidos, hay una producida por la próstata, que se eleva en el carcinoma prostético. El ácido L-tartático inhibe competitivamente la actividad de la enzima prostática, pero tiene poco efecto sobre las fosfatasas acidas de eritrocitos, hígado, riñon y bazo. El formaldehído al contrario, inhibe la de eritrocitos, pero no a la enzima prostática. Los iones calcio inhiben no competitivamente muchas fosfatasas acidas, de aquí la necesidad de agregar quelantes a muestras de sangre destinadas a este ensayo. El etanol y ciertos narcóticos son también inhibidores

laelis-Menten (a) y Lineweaver-Burk (b).

no competitivos de la fosfatasa acida, lo cual debe tomarse en cuenta al interpretar los resultados. 4.6 REGULACIÓN ENZIMÁTICA En el tubo de ensayo, las enzimas funcionan en un sistema cerrado y se acumula el producto de la reacción. Sin embargo, en la célula, los productos de la reacción no se acumulan ya que son utilizados como sustratos de otra enzima, y los productos de ésta son sustratos de otra enzima y así sucesivamente hasta llegar al llamado producto final. La secuencia de reacciones entre un sustrato inicial y su producto final se denomina vía metabólica, la cual puede presentar ramificaciones que constituirán otras vías metabólicas. Aunque todas las reacciones catalizadas por enzimas son reversibles en el tubo de ensayo, en la célula, la característica secuen-

cial de las vías metabólicas hace que el flujo del metabolismo celular sea irreversible y permanentemente dinámico. El carácter dinámico de los organismos vivos establece que el verdadero equilibrio metabólico se alcanza sólo con la muerte de la célula. La célula viva es un sistema abierto, en equilibrio dinámico (estado estacionario), mantenido por un flujo unidireccional de metabolitos. El estado estacionario equivale al concepto de homeostasis, propuesto por Claudio Bernard a finales del siglo XIX, que indica que los organismos mantienen su medio internoconstante a pesar de las amplias variaciones en alimentación, actividad física, temperatura externa, etc. (fig. 4.20). En un sistema tan complejo como la célula debe haber mecanismos de regulación o control de la multitud de reacciones simultáneas que ocurren, reacciones que son, en su mayoría, catalizadas por enzimas. En todas las áreas de las ciencias biomédicas se encuentran ejemplos de regulación normal o anormal: muchas células cancerosas exhiben anormalidades en la regulación de sus enzimas. El conocimiento de los factores que regulan la acción de las enzimas es, por tanto, esencial para entender el mecanismo de homeostasis celular y para comprender a nivel molecular las enfermedades. La regulación metabólica de una vía tiene lugar mediante la modulación de la actividad enzimática de una o más enzimas clave de la ruta, llamada enzima limitante de la vía, que generalmente corresponde a la primera enzima. Uno de los primeros ejemplos de regulación fue la síntesis de CTP (citidina trifosfato) a partir de aspartato y carbamilfosfato (fig. 4.21). La primera enzima del proceso de síntesis de CTP, la aspartato transcarbamilasa (a), se inhibe específicamente con CTP y UTP, productos finales del proceso. Se considera que la acción de CTP y UTP ocurre en un sitio regulador distinto del sitio catalítico porque: 1) CTP o UTP y aspartato difieren

mucho en estructura, tamaño y distribución de cargas; 2) la inhibición por CTP o UTP puede abolirse sin pérdida de actividad catalítica; 3) el ATP, que no afecta la velocidad enzimática, puede impedir la inhibición por CTP o UTP, quizá por competencia con el sitio regulador y 4) pueden fraccionarse dos subunidades una que une aspartato y otra que une CTP o UTP. Pardee, Jacob, Monod y Changeaux, estudiaron este tipo de inhibición y la llamaron inhibición alostérica (allos=otro) en virtud de que el sitio regulador es distinto del sitio activo (isostérico, de isos=igual). Conviene distinguir este tipo de inhibición con la inhibición por producto, la cual sigue la ley de acción de masas. Las reacciones enzimáticas, como cualesquiera otra, obedecen esta ley. Si a la reacción: Glucosa -6-P + H 2 0

-»

Pi + glucosa

se le agrega inicialmente glucosa libre o fosfato, disminuye su velocidad; esto como ya se mencionó se considera inhibición competitiva o isotérica. A la inhibición alostérica se le llama también inhibición por producto final, por retroalimentación o regulación retroactiva ("feedback"). 4.6.1.

Regulación alostérica

La actividad catalítica de algunas enzimas reguladoras es afectada por ciertas moléculas que producen un cambio en la actividad enzimática, pero que no se modifican por la acción enzimática. Estas moléculas se denominan efectores, modificadores o moduladores; por lo general, estos tienen poca o ninguna semejanza estructural con el sustrato. Monod, en 1963 observó esta falta de relación estructural inhibidor-sustrato y propuso denominar a este tipo de moléculas, efectores alostéricos. Un efector alostérico cambia la conformación de la enzima, de

manera que cambia la afinidad hacia el sustrato. Los efectores alostéricos positivos (+) incrementan la afinidad enzima-sustrato y los efectores alostéricos negativos (-) hacen lo

inverso. El sitio alostérico donde se une el efector positivo se conoce como centro activador. El efector negativo se une a un centro inhibidor. Una enzima alostérica, es una en-

talizada por una determinada enzima, denominado metabolito, se convierte en el sustrato de la subsiguiente reacción B metabolito 4.1.3. Funciones generales 4.13.1. Catálisis enzimática Se ha señalado que una enzima incrementa la velocidad de la reacción química pero sin modificar la constante de equilibrio ni el sentido de la reacción, es decir, sin variar las propiedades termodinámicas del sistema. En un sistema catalizado por una enzima, un sustrato (A) con determinado nivel energético, conocido como estado inicial, tiene que alcanzar un nivel energético superior o estado de transición antes de convertirse en un producto (B) con un nivel energético co-

rrespondiente al estado final. Para que la reacción tenga lugar, las moléculas reaccionantes deben alcanzar un nivel de energía suficiente para vencer la barrera energética y entrar al estado de transición. La diferencia entre la energía libre de los reactantes y el estado de transición se denomina energía de activación. La función de un catalizador (inorgánico o enzima) consiste en disminuir la energía de activación, lo que conduce a acelerar la reacción debido a que los reactantes pueden alcanzar más fácilmente el estado de transición (fig. 4.1). 4.1.4. Catalizadores inorgánicos y biológicos Los catalizadores inorgánicos son generalmente átomos en estado iónico o metales con propiedades similares a las atribuidas a un catalizador biológico pero, a diferencia de los catalizadores biológicos, no poseen la

REACCIÓN Figura. 4.1. Energía de activación de una reacción no catalizada (I) y una reacción catalizada (II).

zima cuya actividad en el sitio catalítico puede ser modulada por la presencia de efectores en los sitios alostéricos (fig. 4.22). En el ejemplo de la aspartato transcarbamilasa, el sitio catalítico radica en subunidades diferentes, a las del sitio alostérico; esta enzima posee dos protómeros catalíticos y tres o cuatro reguladores. Aunque una enzima monomérica puede, teóricamente, experimentar efecto alostérico, en la práctica sólo se han encontrado dos enzimas alostéricas monoméricas: ribonucleósido difosfato reductasa y piruvato -UDP-n-acetil-glucosaminatransferasa. La mayoría de las enzimas alostéricas son oligoméricas. La cinética de interacción entre sustrato, enzima e inhibidor alostérico sigue una curva sigmoidea. Los efectos alostéricos negativos desplazan la curva hacia la derecha, indicando aumento de la Km con pérdida de afinidad enzima-sustrato. En presencia de un efector positivo se alcanza la 1/2 Vmax a una concentración menor de sustrato y se desplaza la gráfica de Michaelis-Menten hacia la izquierda (fig. 4.23).

Las enzimas alostéricas permiten el control fino de la actividad metabólica mediante pequeñas fluctuaciones en el nivel de sustratos. Es frecuente la confusión entre los términos de alosterismo y coopera ti vidad. La cooperatividad se define como la influencia que tiene la fijación de un ligando a un protómero sobre la fijación del ligando a un segundo protómero de una proteína oligomérica. Anteriormente se ha discutido, en el capítulo de proteínas de transporte, la cooperatividad en la fijación de oxígeno a la hemoglobina. En la hemoglobina el centro de fijación del oxígeno de cada subunidad corresponde al centro del sustrato y no a un sitio alostérico; por lo tanto, el cambio conformacional que induce el oxígeno sobre los protómeros de hemoglobina, técnicamente no es un efecto alostérico. Las enzimas alostéricas se dividen en dos clases según la influencia del efector alostérico sobre la Km y la Vmax. En la clase K, el efector afecta la Km pero no la Vmax. Para las enzimas de la clase V, el efector alostérico abate la Vmax sin afectar la Km aparente.

Figura 4.22 Representación esquemática de la regulación alostérica, S = sustrato; i = inhibidor; a = activador,

No obstante que las enzimas K dan gráficas parecidas a la inhibición competitiva, no es adecuado utilizar los términos competitivos y no competitivos con sistemas enzimáticos absteneos porque el mecanismo del efector de un inhibidor alostérico sobre una enzima V o K es diferente al de un mecanismo competivo o no competitivo sencillo. Puesto que los inhibidores alostéricos actúan en un sitio diferente (alostérico) el modelo cinético ya no es válido. El hecho de que los centros inhibidores y activadores alostéricos están separados entre sí como del centro catalítico, se ilustra en el estudio de un paciente con gota cuyos eritrocitos tenían altos niveles de fosforribosilpirofosfato (PRPP). En este paciente, se encontró que la PRPP sintetasa tenía una Km y Vmax normales. Sin embargo, mostraba menor sensibilidad a los inhibidores alostéricos normales AMP, ADP, GDP y 2, 3DPG. Los productos finales endógenos de la ruta (ATP, GTP) no eran capaces de inhibir alostéricamente a la enzima y se acumulaban el PRPP y el ácido úrico. Aparentemente una mutación había producido un cambio

en el centro inhibidor (I). En la fig. 4.24 que ilustra el caso, se muestran los diferentes sitios de unión para sustrato (S) activadores (A), e inhibidores (I). 4.6.2. Represión e inducción El mecanismo de control alostérico de la actividad enzimática es también aplicable a sistemas de regulación a nivel génico. Se ha mencionado al inicio de la unidad III que la expresión de la función genética se realiza a través de las enzimas (un gene - una enzima). Los estudios iniciales sobre la regulación de la síntesis de proteínas enzimáticas permitieron reconocer tres tipos de enzimas: constitutivas, inducibles, y reprimibles. 4.6.2.1. Enzimas constitutivas y enzimas inducibles Las enzimas constitutivas están presentes en concentraciones constantes durante la vida de la célula, probablemente debido a una re-

Figura 4.24 Inhibición alostérica o por retroalimentación.

lación constante entre síntesis y degradación de la enzima, generalmente son las enzimas de las principales vías metabóücas como las de la vía glucolítica. Las enzimas inducibles, son aquéllas cuya concentración en la célula normalmente es baja y a medida que se requiere mayor cantidad de enzima, la velocidad de síntesis aumenta con respecto a su degradación. Es decir, la inducción implica síntesis de novo lo cual se ha demostrado puesto que sistemas donde la síntesis de proteínas está bloqueada, no responden al estímulo inductor. Él ejemplo de inducción de síntesis enzimática, más estudiado, es el sistema de la P-galactosidasa de E. coli. Usualmente E. coli crece en un medio simple, que contiene glucosa y sales, y puede fabricar todos sus constituyentes esenciales a partir de este medio. En estas condiciones, el cultivo sólo contiene trazas de P-galactosidasa. Cuando estos microorganismos se transfieren a un medio con lactosa, como úni-

ca fuente de carbono, en breve empiezan a aparecer cantidades apreciables de galactósido permeasa, (3-galactosidasa y tiogalactósidotransacetilasa (fig. 4.25). Si se quita la lactosa del medio y se vuelve a dar glucosa, se suspende la síntesis de dichas enzimas. Con este tipo de control la célula no invierte energía en sintetizar enzimas para actuar sobre un sustrato no presente. El fenómeno se denomina inducción enzimática coordinada. El tercer tipo de enzimas es el de las reprimibles. La síntesis de estas enzimas se suspende si está presente en abundancia el producto final de la vía metabólica donde funcionan. Uno de los sistemas mejor estudiados es el que conduce a la síntesis de histidina en Salmonella. El aminoácido histidina se forma por una secuencia de 10 reacciones a partir de PRPP. Cuando se agrega histidina al medio se reprimen los 15 genes que codifican para 9 enzimas. El fenómeno se denomina represión enzimática coordinada.

Debe subrayarse que la inducción y represión son mecanismos de control sobre síntesis de enzima y no sobre actividad de la enzima; por lo tanto, es distinto de la inhibición por producto final (retroacción o feedback). En general, la retroinhibición es un mecanismo de control ejercido a corto plazo, con un efecto inmediato sobre la ruta metabólica, mientras que la represión necesita más tiempo pero con efectos permanentes al reducir el número de moléculas de enzima. 4.6.3.

Teoría del operan

En 1961, F. Jacob y J. Monod propusieron un modelo ingenioso para explicar la inducción y represión de la síntesis enzimática. Por este trabajo y otras contribuciones recibieron el premio Nobel de medicina 1965. De acuerdo a su teoría, la regulación de las enzimas involucradas en la inducción y represión tiene lugar a nivel de la transcripción. Los genes que transcriben un RNA mensajero (RNAm) policistrónico, que a su vez codifica para las enzimas coordinada-

mente inducidas o reprimidas se denominan genes estructurales. Por "mapeo" genético del cromosoma involucrado se ha demostrado que estos genes estructurales se localizan adyacentes, uno con otro, en el cromosoma involucrado. El modelo presupone que la transcripción de genes estructurales está controlada por un gene operador y un sitio promotor (donde se une la enzima RNA polimerasa), formando una unidad funcional llamada operan. Otro gene, llamado regulador que codifica para una proteína represora del gene operador, se puede localizar en un sitio distante del gene operador (fig. 4.26). Para mayor comprensión de estos aspectos se recomienda revisar los conceptos genéticos de la unidad IX. El operón Lac. de E. Coli, es uno de los más estudiados, consta de 3 enzimas inducibles controladas por 3 genes estructurales (Z, Y y A). El amino terminal de la p-galactosidasa se sitúa del lado del operador. Así, la síntesis de RNAm transcurre desde el operador a través del operón completo. Este fenómeno de polaridad se ha encontrado para el operón del triptófano (operón Tri) y otros. La proteína represora que actúa sobre el operador y que impide la acción de la RNA polimerasa y por tanto, la formación del RNAm de todo el operón Lac es un tetrámero de casi 150,000 daltones que se sintetiza continuamente. Cuando se dan inductores como la lactosa o análogos se deforma el represor, y el operón Lac se transcribe y traduce. El control del operón Lac tiene otro elemento efector positivo, el AMP cíclico (AMPc). Células con glucosa disponible tienen bajos niveles de AMPc. Al inducir con lactosa, el AMPc se une a una proteína catabólica activadora del gene (CAP, un dímero con PM de 45,000 daltones, y este complejo se une al sitio promotor en el DNA de tal manera que la RNA polimerasa puede iniciar la síntesis de RNAm. Así, la expresión del operón Lac requiere del inductor (lactosa) y de AMPc.

Figura 4.26 Inducción enzimática en el operón LAC de E, coli. L = lactosa; CAP = proteína catabólica activadora del gene operador.

En sistemas reprimibles, el gene regulador elabora una proteína represora que regularmente no interactúa con el operador. Cuando se da el correpresor (por ejemplo, histidina), se combina éste con la proteína y se forma una sustancia efectivamente represora que bloquea al gene operador (fíg. 4.27). Esto representa también un ahorro de energía para la célula ya que si existe histidina, no tiene objeto la producción de enzimas para su síntesis.

El operón His. de Salmonella typhimurium coordina la expresión de genes estructurales (G, D; C, B, H, A, F, I, E.) que codifican para 9 enzimas, que actuando coordinadamente, participan en la biosíntesis de histidina. La histidina es también un inhibidor alostérico de la primera enzima de la secuencia biosintética. Aunque los genes y mecanismos reguladores mencionados sólo han sido demostrados en procariotes, se supone que también se

presentan en organismos eucariotes. Sin embargo, hay que ser prudentes en extrapolar los conocimientos adquiridos de una a la otra clase de células (eucariotes). En esta última, los mecanismos de regulación son más complejos y tienen separados físicamente la transcripción de los genes de la traducción. Además, los RNAm eucarióticos son monocistrónicos en contraposición a los RNAm policistrónicos de las células procariotas.

vislumbró la posibilidad de emplearlas en el tratamiento de algunas enfermedades, campo que está en exploración muy activa. Las enzimas se utilizan también como reactivos clínicos para detectar otro tipo de moléculas cuyas concentraciones son bajísimas en el plasma o tejidos.

Aspectos Clínicos de las Enzimas

La disponibilidad de enzimas puras a precios razonables ha convertido a algunas de ellas en reactivos de enorme valor para el laboratorio de análisis. Puede determinarse enzimáticamente la concentración de un

La aplicación clínica de las enzimas anteriormente se restringía a su empleo como auxiliares en el diagnóstico; posteriormente se

4.7.1. Como reactivos en el laboratorio clínico

compuesto en una mezcla cuando se dispone de una enzima específica capaz de transformarlo rápidamente en un producto. Muchas determinaciones enzimáticas pueden acoplarse con reacciones que utilizan NAD+ o NADP+ como coenzimas, en virtud de que NADH y NADPH absorben a 340nm mientras que NAD+ y NADP+ no absorben a esa longitud. Cuando el NAD+ se reduce, se incrementa proporcionalmente la densidad óptica; cuando el NADH se oxida, disminuye la densidad óptica (fig. 4.28). Con este ensayo se puede determinar urea, al acoplar la acción de la enzima ureasa con la glutamato deshidrogenasa (GDH). La glucosa se determina oxidándola a gluconato en presencia de la enzima glucosa oxidasa, con H2O2 como subproducto. Acoplando la reacción con peroxidasa, el H2O2 oxida la O-dianisina a un compuesto colorido (principio de la glucocinta). Para determinar alcohol etílico, se convierte éste en acetaldehído por medio de la enzima deshidrogenasa alcohólica (ADH):

el aumento en absorbancia a 340 nm es proporcional a la concentración de alcohol. Aprovechando la especificidad enzimática e inmunológica por un sustrato, se ha ideado un método altamente específico llamado enzimoinmunoensayo (EIA). El fundamento de este método es similar al radioinmunoensayo (RÍA), basado en el principio de la unión competitiva, y en la selectividad y sensibilidad de la respuesta antígeno-anticuerpo. En los últimos años existen disponibles comercialmente las erizarías inmovilizadas para usarse en sistemas de determinación automatizados. 4.7.2. Como elementos diagnósticos Una importante función de un laboratorio clínico, es la de cuantificar las alteraciones bioquímicas en el individuo enfermo, como la determinación de enzimas en líquidos extracelulares (plasma y suero, orina, jugo gástrico, líquido cefalorraquídeo, líquido amniótico, líquido sinovial), y en algunos tejidos o células sanguíneas. 4.7.2.1. Enzimas órgano específicas En condiciones normales, las enzimas involucradas en los procesos metabólicos (glucólisis, fosforilación, transaminación, oxidación, etc.) se sintetizan en las células y la mayoría ejerce su función en su interior. Si las células permanecen intactas, las enzimas intracelulares no pasan al torrente sanguíneo, sin embargo, como resultado de una lesión celular producida por agentes infecciosos, toxinas bacterianas, o incluso por el proceso de envejecimiento celular normal, se producen daños en las membranas celulares que permiten el "escape" de enzimas a la circulación. Este escape de enzimas de las células al plasma se produce también cuando mueren éstas como ocurre en el infarto

de miocardio y la hepatitis infecciosa. En personas normales sanas, las enzimas de origen intracelular están presentes en plasma en cantidades muy bajas pero mensurables. En el diagnóstico de la alteración de un órgano específico en un proceso patológico sería ideal que se pudiesen identificar enzimas específicas para cada órgano; no obstante, esto es poco probable ya que el metabolismo de muchos órganos es muy parecido. Esta correlación ocurre sólo para algunas enzimas, por ejemplo la alcohol deshidrogenasa o la sorbitol deshidrogenasa que son casi exclusivamente de origen hepático, la acetilcolinesterasa de eritrocitos, la fosfatasa acida de próstata, y la fosfatasa alcalina de osteoblastos. Una de las aspiraciones del diagnóstico clínico es precisamente lograr la asociación de una enzima específica en plasma o sangre con cada tejido o situación patológica. Un grado mayor de conocimiento de esta relación se está consiguiendo con el estudio de determinadas isoenzimas.

4.7.2.2. Isoenzimas El interés médico por las isoenzimas fue estimulado por el conocimiento de que los

sueros humanos contenían varias isoenzimas de la deshidrogenasa láctica y que sus proporciones relativas cambian significativamente en ciertos estados patológicos. Las isoenzimas que han sido estudiadas para aplicaciones diagnósticas son la deshidrogenasa láctica, la creatinfosfocinasa y la fosfatasa alcalina (revisar subcapítulo 4.2.4). 4.7.2.3. Perfiles enzimáticos El plasma circulante contiene cantidades apreciables de enzimas que tienen su origen en las células de diferentes tejidos del organismo; éstas pueden dividirse en tres grupos: 1) Enzimas que realizan una función específica en el plasma llamadas también enzimas plasmáticas funcionales. Se encuentran en alta concentración y están involucradas en funciones como la coagulación de la sangre (trombina y otras), disolución de la fibrina (plasmina) y modificación de quilomicrones (lipoproteinlipasa). 2) Enzimas elaboradas por células especiales y secretadas a un conducto o dentro de un tejido especial, por ejemplo amilasa, lipasa, fosfatasa acida y fosfatasa alcalina.

3) Enzimas que realizan su función en las células que las originan y cuyas actividades constituyen el proceso vital celular. El segundo y tercer grupo de enzimas se denominan también enzimas plasmáticas nojundonales y su presencia en plasma en cifras mayores que las normales sugiere una velocidad aumentada de destrucción celular. Su cuantificación constituye para el médico una prueba valiosa de diagnóstico y pronóstico clínico. 4.7.3. Alteraciones enzimáticas como causa de enfermedad Muchas enzimas se encuentran en casi todas las células aunque algunas se encuentran predominantemente en ciertos tejidos. Aun cuando la enzima sea específica de un tejido particular, niveles elevados de ésta en plasma solo indican daño celular pero no el tipo de proceso patológico. Por ejemplo, después de cirugía mayor o de un trauma extenso, se elevan los niveles de LDH-5, TGO y CPK a partir del músculo esquelético dañado, si se presenta insuficiencia circulatoria debida a insuficiencia cardiaca o choque, y especialmente después de paro cardiaco, se elevan notablemente algunas enzimas pero su valoración no permite establecer la causa de la insuficiencia o del paro. Puede localizarse el tejido dañado para confirmar un diagnóstico de dos formas: a) Por determinación del perfil isoenzimático, ejemplo: las isoenzimas de la LDH (fig.4.29). b) Por valoración de más de una enzima, ejemplo: hígado y corazón contienen altos niveles de aminotransferasas, antes llamadas transaminasa glutámico pirúvica (TGP) y glutámico oxalacética (TGO) pero el hígado contiene más TGP que TGO mientras que en el corazón sucede al revés. En otro ejemplo se utiliza la valoración de isoenzimas de la LDH y CPK para determinar la evolución de un infarto de miocardio (fig. 4.30).

Existen causas de elevación no específica de niveles enzimáticos que pueden ser; a) fisiológicas, como en el recién nacido; los niveles de TGO están elevados moderadamente en el periodo neonatal. Los niveles de fosfatasa alcalina son altos hasta después de la pubertad por la actividad osteoblástica. En el último trimestre del embarazo están elevados los niveles de fosfatas alcalina de origen placentario. b) inducidas por drogas. Ciertas drogas como difenilhidantoína y barbitúricos pueden inducir la producción de enzimas, como la fosfata alcalina. Los niveles de gama-glutamiltransferasa se correlacionan con ingestión de alcohol, c) elevaciones artificiales. En general las muestras hemolizadas son inadecuadas para valoraciones enzimáticas. Aun cuando los eritrocitos lisados no contengan la enzima por valorar, contienen otras que interfieren y producen falsas positivas. Creatinfosfocinasa (CPK). Esta enzima se encuentra distribuida en músculo cardiaco, esquelético y cerebro. La enzima cataliza la siguiente reacción: CPK CREATINFOSFATO + ADP

-*

CREATINA + ATP

Esta se acopla a otras dos, para determinar cuantitativamente el NADPH: ATP + GLUCOSA

-+

GLUCOSA -6-P+ NADP+ NADPH+H+

GLUCOSA-6-P + ADP -»

6-p-glucorolactona +

La enzima CPK, es un dímero que consta de 3 isoenzimas: CPK-1 (BB) de cerebro; CPK-2 (MB) y CPK-3 (MM) de músculo. Se eleva marcadamente en infarto de miocardio, en la misma proporción que la TGO y en distrofias musculares sobre todo la de tipo Duchenne; moderadamente en lesiones musculares, cirugía, ejercicio físico intenso, accidentes cerebrovasculares, hipotiroidis-

Figura 4.29 Patrones normal y patológico de las isoenzimas de la LDH en suero humano. A: paciente con infarto de miocardio; B: suero normaj; C: paciente con enfermedad hepática.

mo (la tiroxina afecta el catabolismo de la enzima) alcoholismo (miositis alcohólica) episodios psicóticos agudos, y artificialmente en muestras hemolizadas. a-amilasa (AMS). La enzima está presente en jugo pancreático, saliva, trompas de Falopio y músculo. Se excreta por orina en virtud de su bajo peso molecular. Los niveles urinarios se elevan paralelamente a los niveles plasmáticos, a menos que exista insuficiencia renal. El ensayo se realiza por acción de suero, plasma u orina sobre amilopectina marcada con un colorante azul. La intensidad del color azul liberado es proporcional a la cantidad de enzima. La amilasa se eleva notablemente (5 a 10 veces) en casos de pancreatitis aguda (en ocasiones en carcinoma de páncreas), uremia grave y cetoacidosis diabética severa; moderadamente en casos de úlcera péptica perforada, colecistitis, obstrucción intesti-

Fig. 4.30. Patrón isoenzimático de CPK y LDH después de un infarto de miocardio. La isoenzima CPK2 (MB) aumenta hasta un máximo dentro del primer día del infarto, CPK3, sigue más lenta alrededor de un día, a la CPK2. El nivel total de LDH aumenta muy lentamente. El incremento de LDH 1 y LDH 2, dentro de las 12-24 h junto con un incremento de CPK2; es diagnóstico del infarto de miocardio.

alta especificidad de éstos ni la capacidad 4.2.2.1. Cofactores coenzimáticos para disminuir la energía de activación (tabla 4.1). Una enzima puede acelerar una re- La mayoría de las coenzimas son formas acción 105 veces más que un catalizador modificadas de las vitaminas (ver unidad de inorgánico. nutrición). Entre las reacciones catalizadas

4.2. ESTRUCTURA DE LAS ENZIMAS

por enzimas que requieren coenzimas están las de oxidorreducción, las de transferencia 4.2.1. Holoenzima y apoenzima de grupo, las de isomerización y las que forman enlaces covalentes. Las reacciones hiLa parte proteica de la enzima desprovista drolíticas no requieren de coenzimas. de los cofactores se denomina apoenzima. La coenzima puede considerarse como un No todas las enzimas requieren cofactores cosustrato, por ejemplo, en las reacciones de para ser activas, pero en las que los requie- oxidorreducción, una molécula de sustrato es ren, la apoenzima es catalíticamente inacti- oxidada (deshidrogenada) y una molécula de va. La adición del cofactor a la apoenzima coenzima es reducida (hidrogenada) (fig. 4.2). da lugar a la holoenzima, o sea la enzima De modo similar, en las reacciones de completa y activa. transaminación, el fosfato de piridoxal (PPal) actúa como segundo sustrato en dos reacciones combinadas (fig. 4.3). 4.2.2. Cofactores Relación entre vitaminas y coenzimas. Las vitaminas del complejo B forman parOtros componentes de la enzima con bajo te de numerosas coenzimas. Tal es el caso peso molecular, termostables y no proteicos, de la nicotinamida, riboflavina, tiamina, áciunidos a la apoenzima se llaman coenzimas, do pantoténico, ácido fólico y cianocobalasi la unión es débil y se separa con facilidad mina. Coenzimas de oxidorreducción, de la apoenzima, o grupos prostéticos, si es- derivadas de la vitamina nicotinamida son el tán firmemente ligados a la apoenzima. Los nicotkiamida-adenina-dinucleótido (NAD+), cofactores (coenzima o grupos prostéticos) y el nicotinamida-adenina-dinucleótido-fosson en general moléculas pequeñas, orgáni- fato (NADP+). (fig. 4.4). La vitamina C y las cas e inorgánicas, que requiere la enzima pa- vitaminas liposolubles no tienen actividad ra su actividad. coenzimática conocida.

nal, embarazo ectópico roto, parotiditis, cálculos salivales, administración de morfina (espasmo del esfínter de Oddi) y macro-amilasemia. Fosfatasa alcalina (ALP). Incluye isoenzimas que hidrolizan fosfatos a pH alcalino. Se encuentran en hueso, hígado, pared intestinal, glándula mamaria lactante y placenta. En huesos se localiza en los osteoblastos (la enzima es necesaria para los depósitos de fosfato en hueso). Los niveles normales en el adulto provienen específicamente de hígado, en niños de la fracción ósea por la actividad osteoblástica. En el embarazo se elevan los niveles normales debido a la isoenzima termoestable de la placenta. El método usado en la valoración es el de Bassey Lowry-Brock que utiliza la siguiente reacción. pH 8.5-10 p-NITROFENOLFOSFATO — • p-NTTROFENOL + Pi

La enzima se eleva en enfermedades hepáticas con elementos colestáticos junto con la enzima 5'-nucleotidasa (NTP) que parece tener también origen hepático. Se eleva también en enfermedades óseas con actividad osteoblástica elevada: osteomalacia y raquitismo, hiperparatiroidismo, enfermedad de Paget, osteocarcinoma y osteosarcoma; en el raquitismo, la fosfatasa se eleva aun antes de que aparezcan síntomas de la enfermedad. Fosfatasa acida (ACP). Se encuentra en próstata, hígado, eritrocitos, plaquetas y hueso. El método de determinación es similar al de las fosfatasas alcalinas excepto el pH óptimo que es de 5. El principal uso de la valoración es el diagnóstico de carcinoma prostático metastásico. Aunque es difícil detectar sólo la fracción prostática, esta fracción tiene la propiedad de ser inhibida por el L-tartrato. Normalmente, la fosfatasa acida de la secreción prostática drena a los conductos prostáticos y aparece poco en sangre. En el carcinoma

prostático, particularmente si es metastásico, se elevan los niveles de ACP debido al aumento de células prostáticas ectópicas. 4.7.4. Como agentes terapéuticos Algunas enzimas se han utilizado como medicamentos en la terapia de problemas médicos específicos. La estreptocinasa, preparada a partir de estreptococos, es útil para disolver coágulos de sangre formados en las extremidades inferiores. Esta enzima activa el plasminógeno el cual se transforma en plasmina que es una proteasa que ataca la fibrina y la degrada. Utilizando fibrinolisina y estreptodornasa (una DNAsa) por vía oral o tópico se puede eliminar el material fibrinoso y purulento de heridas infectadas o necrosadas. Varias enzimas proteolíticas como tripsina y quimotripsina al igual que la estreptocinasa, se utilizan en el tratamiento de la trombosis. Algunas enzimas digestivas (peptidasas, lipasas, amilasa, nucleasa y celulasas), se usan en la deficiencia enzimática por pancreatitis crónica, pancreatectomía y trastornos gastrointestinales. La terapia con asparaginasa se usa en algunos tipos de leucemia adulta. En virtud de que las células tumorales tienen un requerimiento nutricional de asparagina, con asparaginasa los n i v e l e s de asparagina disminuyen sensiblemente lo que lleva a disminuir la viabilidad del tumor. En el capítulo de ácidos nucleicos se estudiarán algunas enfermedades en las que está alterada la codificación de algunas enzimas; su deficiencia o falta de actividad, es la causa de la enfermedad. En el futuro será posible el reemplazo enzimático por ingeniería genética en individuos con deficiencia genética que afecte la síntesis de una enzima dada.

C H0 L - C H - COO" I OH

C H3, - C - C O O ~ II O

Lactato ( Sustrato reducido

Piruvato ( Sustrato oxidado )

NAD

NADH + H

coenzima oxidada

+

( coenzima reducida )

Fig. 4.2. El NAD (nicotín-adenín-dinucleótido) actuando como cosustrato en una reacción de oxidorreducción

COO" I O H - N H 92 I CH? I C H 9¿ I COOH Glutamato

COOH C H - N H 92 I Alanina

COOH I C=0

COO" i

c=o

I CH«2 I CH«¿ I COOH oe-Cetaglutarato

CH3 Piruvato

Fig. 4.3. Transferencia de grupos ámino con PPal (fosfato de piridoxal) como cosustrato.

Clasificación de coenzimas Las coenzimas pueden clasificarse como sigue: Para la transferencia de grupos distintos del H: Uridina difosfato (UDP) Pirofosfato de Tiamina (TPP) Fosfato de Piridoxal (PPal) Coenzima A (CoA-SH) Acido tetrahidrofólico (TH4) Biotina Coenzimas de cobamida (B12) Acido Lipoico S-Adenosil metionina (S AM) Algunos autores clasifican estructuralmente a las coenzimas como: coenzimas nucleotídicas y no nucleotídicas. Al primer grupo pertenecen los nucleósidos di y trifosfato que participan en reacciones de transferencia como AMPC, AMP, ADP, ATP, S-adenosil metionina, NALV, NADP+, FAD y coenzima A. El resto serían las coenzimas no nucleotídicas. Otra sería la clasificación funcional que las agrupa en coenzimas vitamínicas y no vitamínicas.

Para la transferencia de H: NAD + ,NADP + FAD,FMN Acido Lipoico Coenzima Q

4.2.2.2. Grupos prostéticos Funcionan también como cofactores o cosustratos enzimáticos pero, a diferencia de las coenzimas, se encuentran firmemente unidos a la apoenzima, ejemplos clásicos de grupos prostéticos son el FAD (flavinadenin-dinucleótido) y el grupo hemo. En los citocromos, el grupo prostético hemo está unido fuertemente y requiere ácidos fuertes para disociarse del citocromo.

42.23.

Complementos

Algunos cofactores enzimáticos no pertenecen a coenzimas o grupos prostéticos derivados de vitaminas sino que representan elementos minerales por ejemplo, la lisinaoxidasa es una enzima que necesita cobre y la anhidrasa carbónica que requiere cinc. 4.2.3. Sitio activo Una propiedad muy importante de las enzimas es su especificidad. Todas las enzimas, por el hecho de ser micelas, son capaces de adsorber moléculas pequeñas en su superfi-

cie, lo cual favorece la interacción de los sustratos y su reacción. Sin embargo, la especificidad reside en una determinada región de la superficie enzimática llamado sitio activo (fig. 4.5). 4.2.3.1. Tipos: Catalíticos, reguladores El modelo original de sitio catalítico para referirse al sitio activo, propuesto por Émil Fisher en 1894 representaba la interacción sustrato-enzima en términos de la analogía entre llave-cerradura. Sin embargo el modelo de Fisher consideraba al sitio catalítico rígido y las proteínas en solución son flexibles

Fig. 4.5. Sitio activo de una enzima. Ajuste inducido por un cambio conformacional en la estructura de la enzima antes y después de la unión del sustrato.

por esto, Koshland en 1967 emitió un modelo del sitio catalítico flexible, al que llamó de ajuste inducido (fig. 4.5). En este modelo, el sustrato induce un cambio conformacional en la estructura terciaria de la proteína enzimática como hace la mano en el guante. Este modelo permite también explicar la influencia de otros sitios, llamados reguladores o aloste'ricos, que modifican la actividad de la enzima al provocar cambios conformacionales en el sitio catalítico; esto se discutirá más adelante al hablar de efectores alostéricos.

láctica, la creatina fosfocinasa y la fosfatasa alcalina. El caso más ilustrativo es el de la deshidrogenasa láctica, enzima tetramérica, que posee dos subunidades distintas: H (de corazón) y M (de músculo). Estas dos subunidades se combinan de cinco formas diferentes para formar cinco isoenzimas: H4, H3M, H2M2, HM 3 y M4 (Fig. 4.6). La isoenzima M4 predomina en músculo esquelético y en hígado, la izoenzima H4 predomina en miocardio (Tabla 4.3). La diferencia cinética entre estas dos isozimas se explica en otros capítulos.

4.2.4. Enzimas oligoméricas e isoenzimas 4.2.5. Complejos multienzimáticos Existen enzimas que constan de una sola cadena polipeptídica integrando un monómero. A este grupo pertenecen la lisozima, ribonucleasa, tripsina y otras. Otro grupo de enzimas contienen dos o más subunidades asociadas por enlaces no convalentes. A este grupo pertenecen algunas enzimas de la glicólisis, las isoenzimas y las enzimas alostéricas (Tabla 4.2). Las isoenzimas o isozimas son diferentes proteínas con la misma actividad enzimática que se originan en diferentes tejidos y presentan un desplazamiento electroforético diferente. Las isoenzimas difieren en su composición de aminoácidos por lo que sus diferencias están determinadas genéticamente. Las isoenzimas más estudiadas por sus aplicaciones clínicas son la deshidrogenasa

Algunas reacciones requieren de múltiples enzimas asociadas que participan secuencialmente para transformar un sustrato, ejemplos de este tipo son la piruvato deshidrogenasa con un peso molecular de 4.8 millones y la sintetasa de ácidos grasos. 4.3. NOMENCLATURA Y CLASIFICACIÓN DE LAS ENZIMAS 4.3.1. Nombres sistemáticos y nombres triviales En un principio se designó a las enzimas con nombres triviales según el sitio anatómico

Tabla 4.2 Enzimas oligoméricas Enzimas

Número de subunidades

PM de cada subunidad

peso molecular Total

de procedencia, como la ptialina, la pepsina, tripsina pancreática, etc. Después se les denominó añadiendo al nombre del sustrato sobre el que actuaban, el subfíjo asa; así las que hidrolizan el almidón (latín amilum), amilasa, las que hidrolizan las grasas o lípidos, lipasas, las que hidrolizan proteínas, proteasas. Más tarde se les dio el nombre según la reacción química catalizada, ejemplo: deshidrogenaseis, oxidaseis, descarboxilasas, adiaseis, esteraseis, etc. 4.3.2.

Clasificación digital de las enzimas

En el año de 1961, la Unión Internacional de Bioquímica (UIB) adoptó el sistema de clasificación y nomenclatura propuesto por su Comisión de Enzimas (E.C.) basado en el tipo de reacción química y su mecanismo de acción. Según éste, cada enzima tiene un número clave de 4 dígitos de manejo interna-

cional, de manera que independientemente del país y el nombre trivial que se le dé en cualquier idioma, la deshidrogenasa alcohólica será la enzima E.C. 1.1.1.1. El primer dígito identifica la clase a la que pertenece la enzima. Las enzimas se clasifican en las seis clases siguientes: 1.- Oxidorreductasas; 2.- Transferasas; 3.Hidrolasas: 4.- Liasas; 5.- Isomerasas: y 6.Ligasas, el segundo dígito identifica la subclase, el tercero la sub-subclase y el cuarto dígito para la enzima específica. El nombre sistemático de la deshidrogenasa alcohólica es alcohol: NAD+.oxidorreduetasa (E.C.l. 1.1.1.) El primer dígito es por ser una oxidorreduetasa, el segundo porque el dador electrónico es un alcohol, el tercero porque el aceptor es la coenzima NAD + y el cuarto por el número de orden de la enzima. 1.- Oxidorreductasas.- Estas enzimas catalizan reacciones de oxidación y reducción muy importantes en biología. Con frecuen-

BIOENERGÉTICA 5.1 CONCEPTOS G E N E R A L E S En las unidades de Nutrición y Enzimas tratados con anterioridad se ha expresado que la Bioquímica es una ciencia que intenta explicar los fenómenos vitales con los esquemas de la Física y la Química, es decir, aplicar a los fenómenos biológicos las mismas leyes que a la materia inorgánica. Al hablar de nutrición se explicó la forma en que los organismos obtienen energía de los alimentos que ingieren y que algunas formas de desnutrición (marasmo, kwashiorkor) y la muerte por inanición se relacionan con un desequilibrio energético. Al explicar el mecanismo de acción de las enzimas se mencionó una barrera energética q u e es necesario vencer para que una reacción termodinámicamente posible, ocurra por acción enzimática. Es por tanto, necesario explicar algunos conceptos relacionados con la energía para comprender la bioenergética o termodinámica bioquímica, que estudia los cambios de energía que acompañan a las reacciones bioquímicas. 5.1.1.

Conceptos Termodinámicos

Se utiliza el término sistema para designar una porción de materia que se desea estudiar; toda otra materia será el medio que rodea al sistema.

Un sistema posee un contenido energético que comprende un sinnúmero de formas de energía y la suma de todas se conoce como energía inferna (E) del sistema. En física se dice que energía es todo aquello capaz de producir trabajo. Sin embargo, de todo ese contenido energético de un sistema, sólo una porción está disponible para realizar trabajo y es la energía útil; a esa porción de la energía total se le conoce como energía libre (FoG) o de Gibbs. Un sistema es un conjunto de cuerpos que contienen materia y energía, cuyo estado se define en términos de presión, temperatura y composición. El contenido total de energía de un sistema antes de que ocurra un proceso se designa como estado inicial, y el contenido de energía del sistema después de ocurrido el proceso que interesa estudiar se conoce como estado final. Medir los cambios de energía que ocurren durante un determinado proceso puede resultar difícil, pero resulta más fácil y preciso determinar el contenido energético del sistema en el estado inicial y en el estado final y calcular el cambio, que se acostumbra simbolizar con la letra griega delta mayúscula (A). Si presión y temperatura con constantes, los cambios de energía se relacionan únicamente con la composición del sistema. Existen varios tipos de sistemas: Se define como sistema aislado aquel que no intercambia materia y energía con su medio. Sistema cerrado es aquel que intercambia energía pero

Considerando que cada mol de ATP requiere 7.3 Kcal para formarse, la cantidad de energía liberada cuando el NADH cede sus electrones al O2 equivale aproximadamente a siete veces la que se requiere para la síntesis de un mol de ATP. Sin embargo, en realidad sólo se forman 3 moles de ATP en la fosforilación oxidativa; por tanto, la eficiencia del proceso es: EFICIENCIA - ~ ~ ¿ x 100 - ^ ¡ ^ x 100 = 41.6% IDEAL 52.6

Esta eficiencia es muy alta si se compara con la de las mejores máquinas construidas por el hombre. Considerando en conjunto todos los procesos mitocondriales, este sistema ha alcanzado, a lo largo de la evolución, un grado de perfección difícilmente imaginable. 5.3. CADENA RESPIRATORIA Toda la energía útil liberada durante la oxidación de los nutrimentos energéticos se aprovecha en las mitocondrias bajo la forma de equivalentes reductores (hidrógeno o electrones). El más importante de los sistemas de oxidorreducción en las células es la cadena respiratoria que es un sistema de transferencia de hidrógenos y electrones catalizada por proteínas enzimáticas ordenadas en forma secuencial en la membrana mitocondrial interna. Los equivalentes reductores son extraídos de los sustratos en el ciclo de Krebs o la P-oxidación de ácidos grasos y transportados a través de la cadena de transporte electrónico hasta el último aceptor de electrones, el oxígeno molecular, para formar agua.

5.3.1.

Estructura Mitocondrial

La mitocondria ha sido llamada con toda propiedad, la "planta motriz" o el organelo

"ergopoyético" de la célula, puesto que aquí se produce la mayor parte de la energía derivada de la respiración (ciclo de Krebs, oxidación de ácidos grasos). En este organelo existen, además, los transportadores de electrones de la cadena respiratoria y los integrantes de un sistema acoplado de fosforilación oxidativa generadora de ATP. El número de mitocondrias de un tejido es variable y refleja el grado de actividad metabólica aeróbica del mismo. El eritrocito no tiene mitocondrias y no puede generar energía a partir de oxígeno. En cambio, el tejido cardiaco es un tejido muy aeróbico; se calcula que la mitad del citoplasma son mitocondrias. el hígado posee entre 800 a 2000 mitocondrias por célula; es también un tejido muy aeróbico. La mitocondria está formada por dos membranas, una membrana externa y una membrana interna con muchas invaginaciones llamadas crestas mitocondriales (fig. 5.3). La membrana externa es muy sencilla, está compuesta por 50% de lípidos (fosfolípidos y colesterol) y 50% de proteína con pocas funciones enzimáticas y de transporte. Sin embargo en la membrana externa existen muchas unidades de una proteína denominada porina, la cual forma canales que permiten difundir libremente sustancias con un peso molecular de 10,000. Existen también enzimas que llevan a cabo biosíntesis de ácidos grasos y fosfolípidos. La membrana interna es más compleja, está constituida en un 80% por proteínas y contiene todas las enzimas implicadas en el transporte de electrones (cadena respiratoria) y en la fosforilación oxidativa, deshidrogenasas y sistemas de transporte de sustrato y metabolitos entre el citosol y la matriz mitocondrial. Una característica particular de la mitocondria respecto a otros organelos es que posee su propio DNA. Es un DNA circular parecido al de las bacterias. Esto ha permitido proponer una hipótesis sobre el origen de las mitocondrias, que supone son procedentes de

Fig. 5.3. Estructura mitocondrial.

primitivas bacterias que se establecieron en simbiosis con las células eurocarióticas. La membrana interna de las mitocondrias a diferencia de la membrana externa es prácticamente impermeable a sustancias polares. Existen proteínas transportadoras específicas que permiten el paso en forma controlada. Esta membrana tiene varios pliegues que se denominan crestas, cuyo número es proporcional a la actividad metabólica de la célula. El espacio entre las membranas externa e interna se conoce como espacio intermembranal y tiene una composición química similar al citosol. En el interior de la mitocondria se localiza la matriz mitocondrial rica en enzimas, se encuentran las del ciclo de Krebs, p-oxida-

ción y otras relacionadas con el metabolismo de glúcidos, aminoácidos y ácidos grasos. Existe en la matriz mitocondrial el DNA circular, ribosomas y las enzimas necesarias para la biosíntesis de proteínas, codificadas por el genoma mitocondrial. Sin embargo, las mitocondrias no son autónomas, la mayor parte de las proteínas mitocondriales son codificadas por el DNA nuclear. Debe recordarse que la morfología de la mitocondria no es constante; se observan profundos cambios en el tamaño, forma y organización de membranas entre un estado de reposo a uno con actividad intensa. También cambia en forma apreciable su fisiología por la acción de algunas sustancias como la tiroxina.

53.1.1. Respiración Celular Lo que se entiende por respiración, antes de conocer las bases bioquímicas de los procesos oxidativos, se refiere realmente al transporte de oxígeno desde el medio ambiente a la célula y, dentro de ésta, a la mitocondría. Es aquí donde se realiza la verdadera respiración o respiración celular. El proceso consiste en la transferencia de sustratos reducidos que cederán, primero sus hidrógenos, y luego los electrones hasta el oxígeno como aceptor final. 5.3.2.

Deshidrogenasas

Se puede considerar el descubrimiento de las deshidrogenasas realizado por Thunberg a principios de siglo, como el inicio de lo que hoy se conoce como cadena respiratoria. Thunberg descubre la acción de enzimas deshidrogenasas capaces de catalizar la oxidación de ciertos sustratos en ausencia absoluta de oxígeno, utilizando azul de metileno como aceptor de hidrógeno el cual al reducirse se decolora transformándose en leucobase. Las deshidrogenasas pertenecen al grupo de enzimas llamadas oxidorreductasas.

5.3.2.1. Coenzimas de Oxidorreducción Algunas deshidrogenasas poseen como coenzimas a derivados de la vitamina nicotinamida como por ejemplo el nicotinamida adenina nucleótico (NAD + ) (Fig. 5.4.) Otra coenzima de captación de equivalentes reducidos es el NADP + cuya estructura es muy parecida al NAD + con un fosfato masen la ribosa adenílica (Fig. 5.5). Muchas deshidrogenasas utilizan coenzimas derivadas de la vitamina B2 (riboflavina) como son elflavin mononucleótico (FMN) y elflavin adenindinucleótico (FAD) (Fig. 5.6).

La coenzima Q (CoQ), también llamada ubiquinona por su estructura química y ubicuidad, no pertenece al grupo de los dinucleótidos, tiene una estructura isoprenoide muy semejante a las vitaminas K y E. La CoQ sirve como transportador "móvil", que opera con deshidrogenasas ligadas a flavina como las NADH deshidrogenasas (Fig. 5.7). La coenzima Q es el único eslabón de la cadena respiratoria no unido a proteínas. Debido a su carácter hidrofóbico (estructura isoprenoide) se puede alojar en la zona hidrofóbica de la bicapa lípica de la membrana interna de la mitocondria y puede actuar como un portador móvil de electrones. La ubiquinona acepta hidrógenos y se reduce a dihidroquinona (C0QH2), en la siguiente etapa al reoxidarse cede dos electrones al sistema de citocromos y quedan dos protones libres en el medio. Los equivalentes de reducción (hidrógeno) se extraen de los sustratos en el ciclo de Krebs, P-oxidación de ácidos grasos o indirectamente de la glucólisis y se dirigen secuencialmente, de acuerdo a su potencial redox a los diferentes eslabones de la cadena respiratoria. Los equivalentes de reducción se introducen en la cadena respiratoria a nivel del NAD + o CoQ a partir de las reacciones de las deshidrogenasas ligadas a NAD + o FAD. Este sistema de transporte está dispuesto de tal manera que los miembros reducidos de los pares redox se oxidan por el miembro oxidado del siguiente componente del sistema (Fig. 5.8).

5.3.2.3. Donadores de Hidrógenos Los equivalentes reducidos (hidrógenos) provenientes de sustratos del ciclo de Krebs, P-oxidación y otras vías metabólicas son catalizados por deshidrogenasas específicas y llegan a la cadena transportadora de hidrógenos a diferentes niveles (Fig. 5.9)

Fig. 5.5. Estructura del nicotín-adenín-dinucleótido fosfato (NADP+).

5.3.3 Citocromos Paralelamente al descubrimiento de las deshidrogenasas por Thunberg, Warburg descubre que el cianuro, sustancia a la que son insensibles las deshidrogenasas, inhibe la respiración a bajas concentraciones. A la

enzima inhibida por cianuro, Warburg la denomina "enzima respiratoria" o atmungsferment. Los descubrimientos fueron difíciles de correlacionar entre sí, hasta que Szent Gyórgyi sugirió que las flavoproteínas podrían ser las intermediarias entre las deshidrogenasas de Thunberg y la enzima de

Fig. 5.6. Estructura del FAD (oxidado) y el FMNH2 (reducido). Obsérvese el sitio de incorporación de los hidrógenos(H)

Fig. 5.7. Coenzima Q oxidada (CoQ) y reducida (C0Q-H2)

Warburg. Posteriormente Keilin descubre los citocromos; confirma que la enzima de Warburg es uno de ellos y que posee hierro, ya que es inhibida por cianuro.

Los citocromos son una clase de nenióproteínas que contienen hierro (fig. 5.10). A diferencia del grupo hemo de la hemoglobina en la que el hierro del hemo permanece

Fig. 5.9. Donadores de hidrógenos para la cadena respiratoria.

Fig. 5.10. Estructura del hemo del citocromo a.

en estado ferroso (Fe ++ ), el hierro del grupo hemo de los citocromos está alternadamente oxidado (Fe 3+ ) o reducido (Fe 2+ ) en la transferencia de electrones hacia el aceptor más ávido de ellos, el oxígeno. Los citocromos de las mitocondrias se designaron a, b y c en base de la banda a de su espectro de absorción y al tipo de grupo hemo. Sin embargo, el orden en que actúan transportando electrones es diferente: (citb —• citcj —• cite —• cita —• cita3)

los citocromos, pero un par de protones H + se liberan al espacio intermembranar, el cual se acidifica. El transporte de electrones, se inicia al ser captados por el citocromo b; el hierro del grupo hemo oxidado (Fe 3+ ) al aceptar un electrón (e~) se transforma en hierro reducido (Fe 2+ ). Recordar que reducción equivale a ganancia de electrones. En la fig. 5.11 se ilustra la secuencia de reacciones en el transporte de electrones hasta el último aceptor.

5.3.3.1. Transporte de Electrones

5.3.3.2. Nivel de energía de las Reacciones

En las reacciones de transferencia de hidrógenos del NADH a la coenzima Q se transportan dos hidrógenos (dos protones y dos electrones). Al llegar a la C0QH2, se continúan transportando dos electrones por

Durante la transferencia de hidrógenos y electrones desde el par NADH/NAD + a la molécula de oxígeno se produce un descenso de potencial redox de 1.14V que de acuerdo a la ecuación de Nernst, produce un cambio

Fig. 5.11. Transporte mitocondríal de electrones. Adviértase que en los citocromos la transferencia es unielectrónica, por ello se requieren dos citocromos, uno por cada electrón transportado.

de energía libre de 52.6 Kcal por mol. Esta caída de potencial tiene lugar en etapas a medida que los hidrógenos o electrones pasan por los distintos eslabones de la cadena. En todas las reacciones de la cadena se produce liberación de energía, pero solo en tres de ellas existe un sistema fosforilante acoplado que permite la síntesis de ATP; el resto de la energía liberada en las otras reacciones se pierde en forma de calor (energía no útil) que sin embargo, mantienen la temperatura corporal de los organismos homeot é r m i c o s ( m a m í f e r o s ) en forma casi constante (=*36.5°C). 5.3.3.3. Ultimo aceptor de electrones: Oxígeno El oxígeno es uno de los elementos de mayor electronegatividad en la tabla periódica. .Esto significa que es el elemento más

ávido de electrones, y en la cadena transportadora de electrones mitocondríal determina, el flujo electrónico. Finalmente llegan al oxígeno dos electrones que completarán su orbital con ocho, pero lo dejan con carga eléctrica negativa.

Los dos protones (hidrogeniones, H+) producidos al ceder la C0QH2 los dos electrones de cada hidrógeno al cit b, son captados por el oxígeno iónico (V2O2") y forma una molécula de agua:

La importancia que tiene el oxígeno como agente que determina el flujo de electrones y con ello la liberación de energía para formar ATP, se demuestra cuando un tejido sufre la falta de oxígeno (hipoxia tisular) como en el

infarto de miocardio, o cuando un tejido como el músculo esquelético demanda mayores cantidades de oxígeno durante el ejercicio intenso.

formas activas 24,25 -dihidroxicolecalciferol y 1,25-dihidroxicolecalciferol. 5.4 FOSFORILACIÓN (FORMACIÓN DE ATP)

5.3.3.4. Oxidación Extramitocondrial Existe otro tipo de transporte electrónico que se encuentra en el sistema retículo endoplásmico o en la fracción microsomal de hígado, así como en tejido esteroidogénico como la corteza suprarrenal, testículo, ovario y placenta. Este sistema de transporte electrónico utiliza NADPH como fuente de equivalentes de reducción y un citocromo exclusivo de este sistema que no se encuentra en la mitocrondria, el citocromo P450 llamado así porque la forma reducida tiene una banda de absorción a 450 nm. Esta cadena de transporte electrónica no es fosforilante puesto que no se sintetiza ATP. El fin de este sistema es la hidroxilación de ciertos metabolitos o fármacos (como fenobarbital, aminopirina, morfina y otros) esteroides o esteróles, ácidos grasos, hidrocarburos policíclicos y algunos aminoácidos. Este sistema permite la hidroxilación del colecalciferol (vitamina D3) a las

Se ha mencionado a lo largo de esta unidad, que la energía contenida en los equivalentes de reducción (hidrógenos) ha sido liberada para ser finalmente almacenada en forma de compuestos ricos en energía. Estos compuestos son las sustancias claves del metabolismo energético celular. Lipmann introdujo el concepto de enlace de alta energía(-) y de enlace fosfato de alta energía (~P) y con ello se apreció con claridad el papel de estos compuestos en bioenergética. De hecho, la conservación y transferencia de la energía celular se lleva a cabo gracias a la transferencia de grupos fosfatos. Los compuestos más ricos en energía ceden su energía al ADP y lo transforman en ATP, el cual a su vez la distribuye donde la requieren las necesidades celulares. Por consiguiente, el ATP es la figura central en el sistema de transferencia de energía en la célula y, con toda razón se le considera "la moneda energética celular". Esto se ilustra en la Tabla 5.2 donde el ATP

Medicamento-H 4- 02 4- cit ^ 5 Q Fe

2+

4-

NADPH

Hídroxilasa 1

Medicamento -OH -i- HpO

3+ + cit P45Cfe +

+ NADP

no materia y se denomina sistema abierto al que intercambia materia y energía con su entorno. Los sistemas biológicos se presentan como sistemas abiertos o cerrados, isotérmicos (igual temperatura) e isobáricos (igual presión). Un sistema biológico puede ser una célula, un organismo, una colonia o hasta el mundo entero. El comportamiento de un sistema, biológico o inorgánico, se rige por leyes o principios establecidos por una rama de la fisicoquímica que estudia los fenómenos energéticos de los sistemas, la termodinámica. La aplicación de las leyes de la termodinámica a los s e r e s vivos resulta de extraordinaria utilidad si se considera que los procesos bioquímicos, son reacciones químicas que deben ajustarse en todo a las leyes que rigen el comportamiento de los procesos termodinámicos. La termoquímica es una rama de la termodinámica que estudia los cambios de calor asociados con las reacciones químicas. Con ayuda de la termoquímica se puede predecir la factibilidad de una reacción y la cantidad de calor que liberará o que debe administrarse para que pueda realizarse. La termodinámica clásica también se llama "termodinámica de equilibrio" porque sus principios se cumplen sólo cuando se alcanza el equilibrio. Sin embargo, la condición de equilibrio es incompatible con la vida; los seres vivos deben mantener sus procesos lejanos del equilibrio. Según Bichat, "la vida es el conjunto de funciones que se resisten a la muerte". En términos ter-

modinámicos, la vida es el conjunto de factores que tienden al equilibrio pero impiden que éste se alcance. Las limitaciones de la termodinámica clásica se superan gracias a la "termodinámica de los procesos irreversibles" o "termodinámica de desequilibrio". Sin embargo, como la termodinámica clásica permite obtener información de los fenómenos vitales, estudiaremos aquellos aspectos aplicables a los procesos bioquímicos cuyo conocimiento resulta imprescindible para entender los principios generales de la bioenergética. La primera ley de la termodinámica establece que la energía total de un sistema, más la de su entorno, permanece constante. A esta ley se le conoce también como "Ley de la conservación de la energía" que significa que: la energía no se crea ni se destruye, sólo se trasforma. Sin embargo, dentro de ese sistema total, la energía puede transformarse de una a otra forma, por ejemplo, la energía eléctrica puede transformarse en energía térmica, energía radiante o energía mecánica. La forma de energía más usual es el calor (Q); puede afirmarse que casi todos los eventos físicos o químicos que ocurren en la naturaleza, absorben o desprenden calor al efectuarse, es decir, son procesos exotérmicos o endotérmicos. Imaginemos un sistema aislado, al cual se le administra una determinada cantidad de calor (Q) lo cual puede provocar un cambio en la energía interna del sistema (AE) o un trabajo que realiza el sistema.

ocupa una posición intermedia entre los fosfatos y otros compuestos con alta energía y los fosfatos de baja energía. La célula cuenta con dos mecanismos generadores de ATP que son: a) a partir de compuestos con un contenido de energía mayor que el ATP, denominado fosforilación a nivel del sustrato y b) la fosforilación oxidativa acoplada a la cadena respiratoria. 5.4.1.

A nivel de Sustrato

fágenos) sirven como almacén de energía en el músculo. En condiciones fisiológicas, la reacción de la creatinfosfocinasa permite que las concentraciones de ATP se mantengan constantes en el músculo, aunque se utilice en forma continua. En el ciclo de Krebs se lleva a cabo una reacción catalizada por la succinatotiocinasa, en la que se forma a nivel de sustrato un ATP a partir de GTP. En esta reacción el compuesto de alta energía no es un fosfato sino un derivado de la coenzima A, succinil-CoA.

Intermediarios ricos en energía de la ruta glicolítica como el 1,3-difosfoglicerato 5.4.2. Fosforilación Oxidativa (1,3-DPG) y el fosfoenolpiruvato (PEP) pueden transferir su fosfato de alta energía A pesar de los incontables años-hombre al ADP en reacciones catalizadas por la fos- empleados en la investigación experimental fogliceratocinasa y piruvatocinasa respecti- sobre el mecanismo de la fosforilación oxivamente. Los AF° de estas dos reacciones dativa, aun no existe una descripción precison -11.8 y -14.8 Kcal/,ol respectivamente sa. Existen varias teorías razonables y y, por tanto, la transferencia del fosfato es algunas de éstas se aceptan como factibles termodinámicamente posible y da como re- en la actualidad y serán analizadas a contisultado la síntesis de ATP. nuación. Sustancias como la fosfocreatina y fosPor fosforilación oxidativa se entiéndela foarginina (llamadas tradicionalmente fos- fosforilación del ADP para dar ATP utili-

zando la energía liberada en la oxidación de las coenzimas de la cadena respiratoria. Los sitios de fosforilación son aquellos lugares de la cadena respiratoria, donde el AF es suficiente para permitir la síntesis de ATP acoplada al transporte electrónico. El perfeccionamiento de los medios instrumentales ha permitido el descubrimiento de nuevos componentes de la cadena respiratoria. Tal es el caso de las ferroproteínas no hemínicas pertenecientes a las ferrosulfoproteínas: unas están asociadas a la NADH deshidrogenasa, otras a la succinato deshidrogenasa y finalmente, a los citocromos b y c. La importancia de las ferrosulfoproteínas en la cadena respiratoria se debe a que coinciden con los sitios de fosforilación I y II. También se han descubierto dos especies diferentes de citocromo (b^ y b\) que difieren en su potencial redox. Para comprender más acerca del comportamiento de la fosforilación oxidativa con la cadena respiratoria es necesario conocer la disposición espacial de los componentes de la cadena (fig. 5.12). En la fig. 5.12 se ilustran los complejos formados por coenzimas de oxidorreducción y citocromos denominados complejos de Green. Se muestran también los sitios donde se encuentra acoplada la fosforilación con los complejos de la cadena. La razón fósforo/oxígeno indica las moléculas de ATP sintetizadas por átomo de oxígeno consumido. En este sentido, la razón fósforo/oxígeno es igual a tres para el caso de los sustratos que utilizan NAD + , a dos para el caso de los sustratos FAD y a uno para el caso del ascorbato. Así, tenemos que los sitios de fosforilación están situados como sigue: Sitio 1: Entre la flavoproteína 1 (FMN) y laCoQ Sitio 2: Entre el cit b y el cit C¡ Sitio 3: Entre el cit a, 83 y el oxígeno La membrana interna posee numerosas estructuras esféricas orientadas hacia el inte-

rior, unidas a la membrana por un pedículo. Estas estructuras, observadas por primera vez por Fernández Moran, se denominaron en un principio "partículas elementales de Fernández Moran" y hoy, más comúnmente, esferas o partículas mitocondriales. Se ha establecido que estas partículas están relacionadas con los sitios de fosforilación (Fig. 5.13). Al conjunto acoplado que se encuentra dispuesto en un orden funcional dentro de la membrana interna se le conoce como unidad respiratoria. Es conveniente conservar en mente este esquema que permite explicar algunas de las teorías propuestas para la fosforilación. Hasta el momento se han enunciado tres hipótesis que intentan explicar cómo la energía originada en el transporte de equivalentes reducidos y electrones puede ser traducida en energía utilizable en forma de ATP. Estas hipótesis son las siguientes: Hipótesis química. (Slater, 1953). Slater parte de un hecho bastante comprobado: la naturaleza siempre se imita a sí misma. De esta manera, postula Slater que la fosforilación se lleva a cabo de una manera similar a la que ocurre a nivel del sustrato en la glucólisis. Esta teoría postula la existencia de un intermediario químico muy inestable, con un potencial energético que actuaría como intermediario entre la cadena respiratoria y la síntesis de ATP. En este sentido, si no hay ADP que fosforilar, el intermediario no podría ceder su fosfato con la consecuente inhibición de la respiración. Sin embargo, esta teoría que fue una de las más conocidas para explicar la fosforilación oxidativa últimamente ha caído en descrédito, por falta de apoyo experimental, ya que no se han logrado aislar los supuestos intermediarios. Además es posible desacoplar la cadena respiratoria de la fosforilación. Las otras teorías cada vez reciben más apoyo experimental. Hipótesis conformacional. (Boyer-Chance, 1964). Esta hipótesis tiene analogía con el

Fig. 5.12. Complejos de Green (I, II, III y IV de la cadena respiratoria. FeS = ferrosulfoproteínas.

Fig. 5.13. Partículas elementales o esferas mitocondriales.

proceso de la contracción muscular en la que la hidrólisis del ATP induce cambios conformacionales en la cabeza de la miosina. La hipótesis conformacional considera que como consecuencia del transporte electrónico se libera energía que de alguna forma induce un cambio conformacional de una proteína membranal. Este cambio de conformación inducido hace que la proteína se coloque en un estado energético alto, el cual vuelve a su estado normal cediendo esa energía al ADP y Pi para formar ATP. Sin embargo, existen pocas evidencias experimentales que apoyen esta hipótesis en forma concluyeme. Hipótesis quimiosmótica. Esta hipótesis, propuesta originalmente por Peter Mitchell, 1961 y modificada por él mismo en 1981 y luego por Lehninger (1984) es actualmente lamas aceptada y la que tiene más apoyo experimental. Es un artículo publicado en Nature, Mitchell dio un argumento negativo: en los 8 años transcurridos desde la enuncia-

ción de la hipótesis química, "los esfuerzos para aislar los intermediarios ricos en energía han sido infructuosos porque, simplemente, no existen". La hipótesis de acoplamiento quimiosmótico de Mitchell compara los sistemas generadores de energía de la membrana mitocondrial con una batería electroquímica común; de la misma manera que la energía se puede almacenar en baterías debido a la separación de las cargas positicas y negativas en los diferentes compartimientos, se puede establecer un gradiente electroquímico de protones a través de la membrana mitocondrial interna durante el transporte electrónico. Los postulados de la teoría quimiosmótica de Mitchell son los siguientes: 1.- La membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones. 2.- La cadena respiratoria está situada asimétricamente en la estructura de la membrana, lo que favorece la expulsión de protones.

Fig. s/n c

3.- La síntesis de ATP se realiza en las partículas submitocondriales que funcionan como una ATP sintetasa. Estas partículas están dispuestas asimétricamente y se "activan" por el retomo de protones al interior de la mitocondria del espacio intermembranal. 4.- Existencia de un sistema de difusión (probablemente H + /K + ), que tiene por objeto disipar el gradiente de pH, sin eliminar el potencial de membrana (fig. 5.14). Según la hipótesis de Mitchell, no existen sitios de fosforilación propiamente dichos, sino que la síntesis de ATP tiene lugar siempre que exista un gradiente protónico (fuerza protón-motriz). La hipótesis ha recibido gran apoyo experimental: 1) La adición de protones (ácido) al medio externo de las mitocondrias conduce a la generación de ATP.

2) La cadena respiratoria contiene sus componentes organizados lateralmente (asimetría transversal) como los requiere la teoría. 3) El cociente fósforo/hidrogenión de la ATPasa (ATP sintetasa más propiamente) es 1:2 y los cocientes hidrógeno/oxígeno para la oxidación del succinato y del P-hidroxibutirato son 4 y 6 respectivamente en concordancia con las proporciones fósforo/oxígeno esperadas de 2 y 3. Gran parte de los conocimientos actuales sobre la ATPasa (ATP sintetasa) se deben al grupo de Racker. La fracción purificada de ATPasa está constituida por esferas de unos 90 Á procedentes de las partículas de Fernández Moran. Consta de una porción hidrosoluble denominada Fj (subunidades 3a,3p, y, 5 y e) que contiene el centro activo y una porción hidrofóbica denominada Fo,

Fig. 5.14. Hipótesis del acoplamiento quimiosmótico.

enterrada en la membrana mitocondrial que actúa como canal protónico. Entre ambas porciones y la membrana se encuentra un factor (F4) que recibe el nombre de OSCP ("oligomycin-sensitivity-conferring-protein),

imprescindible para la acción de la oligomicina (ver adelante desacoplantes) y que es un verdadero "cancerbero protónico" puesto que de éste depende el transporte de protones (Fig. 5.15).

Fig. 5.15. Estructura de la ATP sintetasa (ATPasa mitocondrial).

5.4.3. Hidrólisis de ATP La unión esencial entre las vías de producción y de utilización de energía se mantiene mediante el adenosin 5-trifosfato (ATP), el cual es considerado la "moneda universal" de energía libre en los sistemas biológicos (Fig. 5.16). 5.4.3.1. Enlaces de alta energía En la figura 5.16 se muestra la estructura del ATP y del ADP; dado que el ATP es una especie amónica, se piensa que la forma fisiológica está quelada con un catión divalente como el magnesio. Aunque en la figura se indican los enlaces fosfato como (~), señalando que son enlaces de alta energía en realidad la energía no está acumulada en un sólo enlace ya que la repulsión por cargas negativas existe en los tres fosfatos. La energía libre de hidrólisis del ATP depende de cómo transcurre la hidrólisis: 1) ATP+H 2 0 Kcal mol 2) ATP+H 2 0 Kcal /mol

ADP+Pi AF '° = -7.3 AMP+PPi AF '° = - 8.2

La energía liberada por la hidrólisis del penúltimo fosfato (fosfato P) es ligeramente menor: 3) ADP+H 2 0 Kcal/mol

AMP+Pi AF ' ° = - 7.2

Finalmente, si la hidrólisis tiene lugar en el fosfato restante (fosfato cc)la energía disminuye ostensiblemente. 4)AMP+H 2 0 -# Adenosina+PiAF , 0 = - 3.3 Kcal/mol Por otro lado, la hidrólisis del pirofosfato (PPi) resultante de la reacción (2):

Figura 5.16 Estructura del adenosintrifosfato (ATP) y adenosindifosfato (ADP). AF "° = - 7.3 Kcal/mol..

5) PPi+H 2 0 — 2 P i A F , o = -6.0Kcal/mol En virtud de que existen dos posibilidades de hidrólisis, la energía de hidrólisis del ATP puede ser dosificada en la cantidad necesaria (reacciones 1 y 2). La activación de los ácidos grasos y de aminoácidos, son de los pocos casos en que se utiliza la reacción 2, ya que aporta un poco más de energía. 5.4.3.2. Utilización de ATP Como consecuencia de la posición intermedia del ATP en la tabla de energía libre estándar de hidrólisis (Tabla 5.2), éste puede actuar como donador de fosfato a los compuestos que están por debajo de él en la lista y como aceptor de energía proveniente de los que están por encima. Así, un ciclo ATP/ADP conecta estos procesos que generan energía a las reacciones que la utilizan (Fig. 5.17). 5.4.4.

Inhibidores y desacoplantes

Gran parte de los conocimientos que se tienen sobre la cadena respiratoria han sido obtenidos por el uso de inhibidores. Los inhibidores son compuestos químicos capaces de inhibir específicamente el flujo electrónico en tres puntos diferentes de la cadena. El primero de ellos es inhibido por barbitúricos como el amital, el veneno retenona y el antibiótico piericidina. El segundo sitio, entre el citocromo b y el c, es inhibido por el dimercaptopropanol (dimercaprol o BAL) y el antibiótico antimicina A. Los venenos clásicos, cianuro (CN), monóxido de carbono (CO), ácido sulfídrico (H2S) y ácido hidrazoico (HN 3 ) inhiben a la citocromo oxidasa (cit a, a 3 ) (Fig. 5.18). Según el teorema de Chance, en presencia de un inhibidor, los intermediarios de la cadenasituados por encima (en electronegatividad) del punto de inhibición, estarán muy

reducidos, mientras que los situados debajo del punto de bloqueo aparecerán muy oxidados; utilizando un símil hidráulico (Fig. 5.19) se puede observar en el esquema (A), que el flujo de electrones queda asegurado al estar disponible el oxígeno que los recibe. En (B), un inhibidor específico bloquea el flujo de electrones y los acarreadores anteriores al bloqueo permanecen reducidos, mientras que los posteriores se encuentran oxidados. Otro grupo de compuestos llamados desacoplantes o desacopladores impiden la síntesis de ATP pero permiten el flujo de electrones por la cadena respiratoria. En efecto, existen sustancias naturales, tales como el dicumarol y las hormonas tiroideas, y algunos sintéticos como el dinitrofenol (DNP) capaces de desaclopar ("desconectar") la respiración de la fosforilación. La adición de estas sustancias a una suspensión mitocondrial, provoca un marcado aumento del consumo de oxígeno, sin que exista síntesis de ATP. El efecto desacoplante de la tiroxina ha permitido explicar por un lado, el efecto de esta hormona sobre el metabolismo basal en el hipertiroidismo, y por otro, su uso, al igual que el dinitrofenol, en el tratamiento de la obesidad. El antibiótico oligomicina bloquea completamente la oxidación y la fosforilación en mitocondrias intactas. Actúa uniéndose al tallo de la ATPasa, lo que provoca el cierre del canal protónico y, por ende, el flujo de protones y la síntesis de ATP. Sin embargo, en presencia de dinitrofenol, la oxidación procede sin fosforilación, indicando que la oligomicina no actúa en la cadena respiratoria, sino a través de su unión con la proteína OSCP (Fig. 5.19).

5.4.4.1. Intoxicación por cianuro La ingestión de cianuro de potasio (KCN) produce una rápida inhibición de la cadena res-

Fig. 5.18. Sitios de inhibición de la cadena respiratoria.

piratona a nivel de la citocromo oxidasa. El muerte rápida por hipoxia tisular, muy especianuro se fija al Fe 3+ del hemo del cit a, 83 e cialmente en el sistema nervioso. impide que el oxígeno reaccione con éste. Si el envenenamiento no ha sido letal, se deCesan la respiración mitocondrial y la gene- be administrar ai individuo expuesto al cianuración de energía (ATP) y se produce la ro, nitrito de amilo (inhalado) o 330 mg de

Cambio de energía = (calor absorbido)(trabajo efectuado). Esta ecuación es la representación matemática de la la. Ley de la Termodinámica. Cuando el proceso se efectúa a presión constante se tendrá:

AE = A H - P A V o AH = AE + P A V

cepto, la entropía (S). La segunda ley de la termodinámica establece que si un proceso ocurre espontáneamente, la entropía total del sistema debe aumentar. Dicho de otra manera en un sistema cerrado las únicas reacciones espontáneas son aquéllas que tienden al equilibrio y a un aumento de entropía o de desorden. Esta segunda ley se basa en observaciones experimentales como son: a) el flujo de calor es unidireccional desde la temperatura más elevada a otra menor; supongamos que se coloca un trozo de metal frío junto a uno caliente, en un sistema aislado se observará que la temperatura del caliente baja y la del frío sube. Este flujo de energía es espontáneo y sólo se detiene cuando Tj = T2.

donde AH es el cambio de entalpia o cantidad de calor absorbido o liberado por el sistema, cuando a presión constante realiza un trabajo. En los sistemas biológicos, el cambio de volumen (AV) es muy pequeño correspondiendo el cambio entálpico al cambio de energía interna del sistema. Si, en estas condiciones, se libera calor al medio, AH es negativo y si dice que la reacción es exotérmica. Si en la reacción se absorbe calor del exterior AH es positivo y el proceso es endotérmico. La primera ley de la termodinámica no dice nada acerca de la dirección de flujo de energía en un proceso y es necesario establecer una segunda ley que utiliza otro con-

Cuando un sistema alcanza el equilibrio, ya no se produce ningún cambio energético, pero suponiendo que se efectuara el proceso (V2) no violaría la la. Ley de la Termodinámica, pero sí la segunda que establece "todos los procesos espontáneos siempre tienden al equilibrio". Todos los fenómenos que ocurren en la naturaleza en forma espontánea, como son: la caída de un cuerpo, la difusión de un soluto, la cristalización de una solución sobresaturada, la expansión de un gas, varias reacciones químicas, etc., son capaces de producir trabajo en condiciones apropiadas hasta llegar al equilibro. Lógicamente para efectuar cualquiera de estos fenómenos en sentido

AE = Qp-PAV Qp es la cantidad de calor que se absorbe o se libera en un proceso a presión constante y se denomina entalpia (H). Los cambios de entalpia se representan por AH, por la que la la. Ley de la termodinámica se puede representar así:

Fig. 5.19. Análogo hidráulico del estado de oxidorreducción de los acarreadores en el estado aeróbico (A) y después de la inhibición con antimicina A (B).

nitrito de sodio (NaN0 2 ) por vía endovenosa seguida de la administración de tiosulfato de sodio (Na 2 S 2 0 3 ) en solución al 25% (50100 mi) por vía endovenosa y oxígeno a tres atmósferas (oxígeno hiperbárico). La administración de nitritos tiene por objeto formar metahemoglobina (MHB) que tiene Fe + 3 y que desplaza al ion cianuro (CN) de su unión con el cit a3 (Fe +3 ) formándose cianometahemoglobina (CN-MHb). Esta reacción es acelerada por el oxígeno hiperbárico (OHB):

El tiosulfato de sodio convierte luego la CN-MHb a MHb simultáneamente a la transformación de tiosulfato en sulfocianuro de sodio (NaSCN) el cual es posteriormente eliminado por orina. La reacción es catalizada por la enzima hepática (rodanasa).

Es de gran utilidad administrar también en forma oportuna hidroxicobalamina (vitamina Bi 2 -) que se combina con el CN de la CN-MHb y se transforma en cianocobala-

mina, la cual no es tóxica y funciona también como vitamina. 5.4.4.2 Intoxicación por monóxido de carbono El monóxido de carbono (CO) es un gas incoloro e inodoro, con gran afinidad por la hemoglobina (200-300 veces más que el oxígeno) y por el cit a¿. Los efectos tóxicos serios se presentan a dosis bajas de monóxido (0.02-0.03%) cuando el 40% de la hemoglobina se ha transformado en carboxihemoglobina (CO.Hb). Este gas se produce en la combustión incompleta de los hidrocarburos como en los gases del escape de un vehículo de gasolina o un calentador de leña o carbón en espacios cerrados. Los síntomas de la intoxicación incluyen alteraciones visuales, cefalea, taquicardia, taquipnea y finalmente coma y muerte. La piel muestra coloración rojo cereza, sobre todo en los labios, por CO-Hb. El tratamiento consiste en administrar 0HB para que la CO-Hb sea convertida en Hb02 y el cit a, a3-CO en cit a, a 3 - 0 2 . 5.5 CICLO DE KREBS Tradicionalmente se ha estudiado el ciclo deKrebs relacionado con el metabolismo de carbohidratos; sin embargo, es también una vía final en el metabolismo de lípidos y aminoácidos, a través de diferentes entradas, la principal de ellas, acetil CoA (Fig. 5.20). Durante el curso de la oxidación de la acetil CoA en el ciclo, se forman equivalentes reducidos (NADH, FADH2) como resultado de deshidrogenasas específicas. Estos equivalentes reducidos entran en la cadena respiratoria donde se generan grandes cantidades de ATP por fosforilación oxidativa. Este ciclo, descrito por Sir Hans Krebs en 1937, tiene como primer paso la combina-

ción de acetil-CoA con oxalacetato (OAA) para formar ácido cítrico, un ácido tricarboxílico de 6 carbonos. Por esta razón, al ciclo de Krebs se le conoce también como el ciclo de los ácidos tricarboxílicos o ciclo del ácido cítrico. Además de ser un ciclo eminentemente degradativo (catabólico), el ciclo de Krebs participa en reacciones anabólicas como la gluconeogénesis, trasaminación, desanimación y lipogénesis, por lo que se le considera más bien un ciclo anfibólico. Estas reacciones se llevan a cabo en casi todos los tejidos, pero es el tejido hepático el único donde ocurren todas. Ya desde 1935 el bioquímico americano de origen húngaro Szent Gyórgy utilizando preparaciones con mitocondrias intactas, demostró que la respiración celular era estimulada por ácidos dicarboxílicos (succínico, fumárico, málico y oxalacético). De hecho, los nombres de la mayoría de los componentes del ciclo de Krebs corresponden a los vegetales donde fueron inicialmente descubiertos: ácido málico en la manzana (Malus), ácido cítrico en las frutas cítricas, ácido aconítico en el acónito (Aconitum), ácido fumárico en la Fumaria, ácido succínico en el ámbar (Succinum, resina fósil de un pino extinguido). En esas fechas, los bioquímicos alemanes Knoop y Martius establecieron la siguiente secuencia de reacciones. Acido cítrico —* ácido aconítico —*• ácido isocítrico —• ácido a-cetoglutárico —• ácido succínico. Estos antecedentes y sus propios experimentos condujeron al bioquímico inglés Hans Krebs a conectar la oxidación de los ácidos tricarboxílicos y dicarboxílicos con la oxidación de los alimentos en el organismo. Cuando Lipmann demostró catorce años más tarde la formación de acetil-CoA a partir de piruvato, se confirmó que el ácido cítrico se formaba por acoplamiento del ácido oxalacético con la acetil-CoA. Ahora se sabe que el ciclo es universal (plantas y animales).

Fig. 5.20. Ciclo de Krebs en el metabolismo celular. Reproducción autorizada con modificaciones de Martin, D. W. Jr. y Cois., Harper's Review of Biochemistry, 20a. edición, pág. 160, 1985, Lange Medical Publications, Los Altos, California.

5.5.1 Reacciones del ciclo. Enzimas y Coenzimas Los componentes del ciclo se encuentran en todos los tejidos en las mitocondrias, aunque algunas enzimas y metabolitos también se encuentran en el citosol (extramitocondrial). Dentro de las mitocondrias, las enzimas se localizan en la membrana interna y en la matriz mitocondrial, y próximas a las de la cadena respiratoria. Esta proximidad facilita el adecuado acoplamiento de ambos procesos. La conexión de la glucólisis (última etapa de la degradación de la glucosa) con el ciclo de Krebs consiste en la descarboxilación oxidativa del piruvato a acetil-CoA. Esta transformación es catalizada por un complejo multienzimático llamado piruvato deshidrogenaba.

tabolismo de lípidos) y de algunos aminoácidos. La siguiente reacción, propiamente la inicial del ciclo, es la condensación de la acetilCoA con oxalacetato (último producto del ciclo) catalizada por la curato sintetasa (también llamada enzima condensante de Ochoa). La reacción supone la hidrólisis del enlace tioéster de la acetil-CoA, lo que implica la liberación de energía en forma de calor, haciendo el proceso prácticamente irreversible. El citrato es convertido en isocitrato por medio de la enzima aconitasa (aconitato hidratasa). La reacción tiene lugar en dos pasos: deshidratación hasta cis-aconitato (el cual permanece unido a la enzima) y rehidratación hasta isocitrato en el equilibrio hay un 90% de citrato, 3% de cis-aconitato y 7% de isocitrato, por lo que se encuentra

El complejo piruvato deshidrogenasa tiene un PM superior a 7 millones y posee tres actividades enzima ticas: piruvato desearboxilasa (con pírofosfato de tiamina), dihidrolipoil transacetilasa (con ácido lipoico y coenzima A) y dihidrolipoil deshidrogenasa (con FAD y NAD+ ). La reacción global es esencialmente irreversible. La acetil-CoA puede provenir también de la P-oxidación de los ácidos grasos (ver Me-

desplazado hacia la formación de citrato. Sin embargo, el consumo de isocitrato y la producción continua de citrato in vivo, por ley de acción de masas, hace que la reacción esté desplazada hacia la isomerización citrato -* isocitrato. La aconitasa reacciona en forma asimétrica, actuando sobre la parte del citrato que deriva del oxalacetato. Esto era desconcertante ya que el ácido cítrico es un compuesto simétrico. Se supone que esto

es debido a que el citrato se une al sitio activo de la aconitasa por tres puntos, de forma que la enzima puede diferenciar los dos grupos -CH 2 -COOH del citrato (fig. 5.21). El isocitrato es oxidado por deshidrogenación, en una reacción catalizada por la isocitrato deshidrogenaba. La enzima requiere NAD + y Mg + + . La reacción se lleva a cabo en dos pasos: una deshidrogenación en la que se forma oxalosuccinato, el cual permanece unido a la enzima, y luego se descarboxila a ct-cetoglutarato. En esta reacción irreversible se produce CO2 y el primer NADH+H + del ciclo. El citosol posee también isocitrato deshidrogenasa pero requiere NADP + como coenzima, a diferencia de la del ciclo, que requiere NAD + . La conversión de a-cetoglutarato (o 2oxo-glutarato) en succinil-CoA es catalizada por un complejo multienzimático a-cetoglutarato deshidrogenasa, cuya acción es análoga a la piruvato deshidrogenasa y utiliza los mismos cofactores: pirofosfato de tiamina (TPP) ácido lipoico, NAD + , FAD y coenzi-

ma A. La reacción es prácticamente irreversible y en ella se forma el segundo CO2, que proviene de oxalacetato. Para que la acetil-CoA convierta en CO2 su radical acetato, el ciclo ha de dar dos vueltas. El ciclo continúa, por acción de la succinaío tiocinasa (o succinil-CoA sintetasa; por la reacción en sentido inverso) que convierte la succinil CoA en succinato con la transferencia del enlace de alta energía a la fosforilación de GDP que pasa a GTP (o de IDP que pasa a ITP). Ambos nucleótidos pueden ser utilizados para la formación de ATP por acción de un nucleósido difosfato cinasa o fosfocinasa. Este es el único sitio del ciclo en que se genera ATP a nivel del sustrato. Una reacción alternativa en tejidos extrahepáticos es la conversión de succinilCoA en succinato catalizada por la succinil CoA transferasa (o tioforasa) acomplada a la conversión de acetoacetato en acetoacetilCoA. Esta es una reacción que permite la incorporación de cuerpos cetónicos al ciclo de Krebs. En el propio hígado hay también una

deacilasa que hidroliza directamente la succinil-CoA en succinato más coenzima A. Por acción de la succinato deshidrogenasa, el succinato es deshidrogenado a fumarato, pero esta enzima utiliza FAD como coenzima, la cual en estado reducido (FADH2) constituye una fuente directa de electrones para la cadena respiratoria a nivel de la coenzima Q. Esta es la única enzima del ciclo integrada a la membrana mitocondrial interna, directamente ligada a la cadena respiratoria. Se reúnen así, anatómica y fisiológicamente, el ciclo de Krebs el transporte de electrones y la fosforilación oxidativa. El fumarato presenta luego una serie de cambios para regenerar el oxalacetato que comprende una hidratación catalizada por la fumarasa (fumarato hidratasa) para formar L-malato, el cual luego se oxida o oxalacetato por medio de la deshidrogenasa málica y el ÑAD+ como coenzima. En la Fig. 5.22 se muestran las reacciones completas del ciclo.

mayor demanda muestra para mantener el ciclo. Aunque en realidad con solo una pequeña cantidad de oxalacetato se forman grandes cantidades de citrato para el ciclo, por lo que se considera que desempeña un papel catalítico, la verdad es que si se incrementan las demandas de oxalacetato para formar otros compuestos como el aminoácido aspartato, o bien fosfoenolpiruvato para la gluconeogénesis, entonces se requerirán vías metabólicas que aseguren la disponibilidad de oxalacetato para mantener el flujo de metabolitos del ciclo. A esas reacciones auxiliares se les denomina anapleróticas: son las catalizadas por la piruvato carboxilasa y por la enzima málica (Fig. 5.24). La piruvato carboxilasa es una enzima de la gluconeogénesis (Unidad VI) que cataliza la carboxilación de piruvato a oxalacetato:

5.5.2 Papel anfibólico del ciclo de Krebs Procesos anapleróticos Una vía metabólica es anfibólica cuando puede funcionar tanto en sentido catabólico como en sentido anabólico. Desde este punto de vista el ciclo de Krebs puede considerarse como una verdadera "glorieta bioquímica", ya que material que llega de fuentes hidrocarbonadas puede abandonarlo para formar grasa, mientras que los aminoácidos que llegan pueden abandonarlo para formar carbohidratos. Solo una vía parece cerrada; la que conduce de grasas a carbohidratos. En la fig. 5.23 se muestran las interconversiones más comunes de los intermediarios del ciclo. En la fig. 5.23 puede observarse cómo se sintetizan ácidos grasos a partir de citrato que sale de la mitocondria, así como la síntesis del grupo hemo proveniente de succinilCoA. El oxalacetato es el intermediario que

La otra reacción anaplerótica es catalizada por una malato deshidrogenasa dependiente de NADP + , llamada enzima málica. Esta enzima produce la carboxilación y reducción del piruvato, transformándolo en malato:

Figura 5.23 Papel anfibólico del ciclo de Krebs.

Fig. 5.24. Vías anapleróticas y formación de GABA en el ciclo de Krebs.

Posteriormente, el malato se transforma en oxalacetato por la malato deshidrogenasa del ciclo. De estas dos reacciones anapleró-

ticas, la más importante es la catalizada por la piruvato carboxilasa, cuya actividad aumenta en situaciones que causan agotamiento

del oxalacetato como el ejercicio, el ayuno y la diabetes. La actividad de la enzima varía en forma inversa, disminuyendo en la diabetes y aumentando por administración de insulina. 5.5.2.1 Incorporación de aminoácidos al ciclo Dentro de las funciones anfibólicas del ciclo de Krebs se encuentra la incorporación de aminoácidos con fines energéticos; o bien con fines anabólicos, la transformación de metabolitos del ciclo en aminoácidos para biosíntesis de proteínas (Fig. 5.25). 5.5.2.1.1. Desaminación oxidativay formación de GABA En condiciones normales, existe en las neuronas inhibidoras del cerebro una vía colateral del ciclo de Krebs en la que se forma un neurotransmisor inhibidor derivado de un intermediario del ciclo; se trata del ácido gama-aminobutírico (GABA) formado por descarboxilación del ácido glutámico, proveniente por transaminación del ct-cetoglutarato (Fig. 5.24). Al faltar o estar disminuida la actividad de la piruvato deshidrogenasa, que alimenta al ciclo de Krebs con acetil-CoA, o la piruvato carboxilasa, que cataliza la principal reacción anaplerótica, se presenta la acidosis pirúvica congénita. Este padecimiento se acompaña de convulsiones al faltar el GABA inhibidor con predominio del neurotransmisor excitador: ácido glutámico. Caso clínico: Paciente femenina de 4 años de edad con retraso somático y psicomotor profundo con problemas de deglución, tetraparesia espástica, convulsiones tónicas con frecuencia de varias crisis al día y atrofia cortical y subcortical (microcefalia). Hay antecedentes de hipoxia neonatal prolonga-

da con cianosis. Los niveles de biotina en plasma se encontraron en el límite inferior de lo normal (261.5 pg/ml; normal 500 ± 200). Nunca ha tenido manifestaciones clínicas ni químicas de acidosis metabólica ni cetosis. Estudios metabólicos demostraron elevación anormal, en plasma y orina, de alanina y ácidos pirúvico y láctico. Las anormalidades bioquímicas se corrigieron con dosis altas de biotina, pero no de tiamina. Cuestionario: 1.- ¿De qué deficiencia enzimática se trata? 2.- ¿Cómo explicaría las convulsiones observadas en este caso? 3.- ¿A qué atribuiría el daño neurológico? Comentarios: Inicialmente se pensó en una deficiencia de piruvato deshidrogenasa (PDH), por lo que se prescribió una dieta cetogénica (60% de las calorías provistas por grasas) y dosis altas de tiamina (300-mg/día). Falk y cois, han observado que una dieta cetogénica se asocia a mejoría clínica y bioquímica en pacientes con deficiencia de PDH, al proveer de acetil-CoA a través de una vía (beta-oxidación) que no está bloqueada. No se observó mejoría bioquímica o clínica por lo que se decidió administrar dosis altas de biotina (10 mg al día) cofactor de la piruvato carboxilasa (PC) y un suplemento de ácidos aspártico y glutámico con objeto de proveer sustratos adicionales al ciclo de Krebs*. 5.2.2.2. Participación de lípidos en el ciclo Existen dos vías de entrada de material lipidico al ciclo de Krebs con fines degradativos: a través del glicerol o a través de ácidos grasos, provenientes ambos de triglicéridos * Caso clínico tomado de: Velázquez, A y cois. Piruvato carboxilasa deficiente que responde a biotina. LI Reunión reglamentaria de la Asociación de Investigación Pediátrica, A. C. Pg. 248-265, 1990, con la gentil autorización del Primer Autor.

contrario se requiere energía. En base a esto la 2a. Ley de la termodinámica también puede expresarse así: "todos los procesos en equilibrio solo pueden salir de él a expensas de otro sistema que tienda al equilibrio". A diferencia de la entalpia, la entropía es una función matemática que no tiene análogo físico sencillo y su significado es más bien abstracto. La termodinámica establece que la entropía es una medida de la distribución al azar de la enegía o una "medida del desorden". Cuanto más caótico o desordenado es un sistema, más grande es su entropía; cuando más ordenado y estructurado es un sistema, más pequeña será su entropía. La 3a. Ley de la termodinámica establece que "un cristal perfecto en el cero absoluto tiene cero entropía". La ecuación que combina las dos leyes de la termodinámica es: AF = AH - T A S donde AF es el cambio de energía libre, A H es el cambio de entalpia; AS es cambio de entropía y T es la temperatura absoluta. Como vemos, la entropía se encuentra ligada a la temperatura y la ecuación que la define matemáticamente es:

5.1.2. Ciclo de la energía en los seres vivos. 5.1.2.1. Organismos autótrof os y heterótrofos La realización de todas y cada una de las funciones celulares requiere energía. Los organismos autótrofos, utilizan la energía de la luz solar, y a partir de C 0 2 y H 2 0 sintetizan moléculas del tipo de los carbohidratos y producen oxígeno. El proceso por el cual se transforma la energía radiante del sol y se captura en forma de energía química en la glucosa, se denomina fotosíntesis. Otro tipo de organismos, los heterotróficos, mediante la respiración, que requiere oxígeno, utilizan la energía química acumulada en los alimentos durante el proceso de la nutrición y liberan CO2 y H2O al medio ambiente con los cuales los autótrofos vuelven a generar alimento químico y repetir el ciclo (fig. 5.1.).

Fig. 5.25. Rutas de entrada de los aminoácidos en el ciclo de Krebs. Reproducida con autorización de J. M. Orten y O. W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a. edición, pág. 344, C. V. Mosby, Co. St. Louis, 1982.

(ver Unidad VII). Por otro lado, del ciclo salen intermediarios al citosol que permiten la síntesis de ácidos grasos, la cual es extramitocondrial. En virtud de que la síntesis de grasas es extramitocondrial, necesitan transportarse al citosol indirectamente los precursores (acetil) (CoA), ya que la membrana mitocondrial es impermeable a derivados de CoA. El citrato formado intramitocondrialmente sale al citosol donde es transformado en oxalacetato y acetil-CoA por acción de la ATP-citrato liosa, extramitocondrial:

El 3-gliceraldehído-P continúa su ruta degradativa hasta piruvato, y de ahí a acetil-CoA. 5.5.2.2.2

Incorporación de ácidos grasos

Incorporación de ácidos grasos vía acetilCoA. Los ácidos grasos provenientes de triglicéridos son degradados intramitocondrialmente hasta acetil-CoA en un proceso conocido como beta-oxidación (ver Unidad VII). 5.5.3 Regulación del ciclo del ácido cítrico

La acetil-CoA es el precursor de la biosíntesis extramitocondrial de ácidos grasos (Fig.5.26). 5.5.2.2.1 Incorporación de glicerol vía gliceraldehído El glicerol proveniente de triglicéridos puede entrar al ciclo de Krebs transformándose en gliceraldehído por medio de la acción concertada de 3 enzimas: glicerocinasa, glicerol-3-fosfato deshidrogenasa y fosfotriosa isomerasa:

La proximidad intracelular física y funcional del ciclo del ácido cítrico y la cadena respiratoria, determina que la actividad de uno dependa de la otra y viceversa. A su vez, ambas vías metabólicas están reguladas p o r las c o n c e n t r a c i o n e s r e l a t i v a s de ATP/ADP y NADH/NAD + . El rendimiento del ciclo corresponde al número de equivalentes reducidos y al ATP formado: 3 NADH.x 3ATP (fosforilación oxidativa) =9 ATP 1 FADH 2 x 2ATP (fosforilación oxidativa) = 2 ATP 1 GTP x 1 ATP (nivel del sustrato) /• 1 ATP total

= 1 2 ATP

A esta cantidad habría que agregar 3 ATP más en caso de considerar la formación de acetil-CoA a partir de piruvato donde se forma 1 NADH intramitocondrial. Es evidente que la acumulación excesiva de compuestos de alta energía (ATP y NADH) inhiban ciertas reacciones del ciclo, y la acumulación de ADP y NAD + determinan la estimulación de ciertas enzimas. De modo general, el ciclo no puede funcionar más rápidamente que lo que le permite la utilización del ATP generado. En caso extremo, si el flujo electrónico y la síntesis de ATP acoplada funcionara a toda su capacidad, todo el ADP de la célula se convertiría en ATP y todo el NAD + para aceptar hidrógenos. Por tanto, cesaría el funcionamiento del ciclo. 5.5.3.1 Efecto de la concentración de ATP/ADP La regulación del ciclo ocurre a nivel de algunas enzimas. Por ejemplo, la isocitrato

deshidrogenasa es activada por ADP e inhibida por ATP, y la Km de la citrato sintetasa para la acetil-CoA es aumentada por el ATP. Por otro lado, un incremento de ATP impide la regeneración de GDP para la succinato tiocinasa produciéndose acumulo de succinil-CoA, el cual es inhibidor de la citrato sintetasa y consecuentemente, del inicio del ciclo. Además, el ATP y las acil-CoA de cadena larga son inhibidores alostéricos de la citrato sintetasa. En resumen un aumento de la relación ATP/ADP inhibe la actividad del ciclo de Krebs. En la cadena respiratoria, la fosforilación del ADP es también dependiente de esa relación. 5.5.3.2 Control a nivel de la relación NAD + /NADH Una disminución de la cadena respiratoria disminuye la regeneración de NAD + lo que inhibe las reacciones de la isocitrato deshi-

drogenasa, a-cetoglutarato deshidrogenasa, al acumularse al coenzima NADH reducida común a estas deshidrogenasa mitocondrial por el ADP en contrarrestada por el NADH y el ATP. La succinato deshidrogenasa es inhibida por el oxalacetato, y la disponibilidad de oxalacetato es controlada por la malato deshidrogenasa y, en última instancia del cociente NAD + /NADH. 5.5.3.3 Control a nivel de la piruvato deshidrogenasa El piruvato ocupa una posición clave en el metabolismo, ya que puede ser reconvertido en glucosa, reducido a lactato, transaminado para formar alanina, o finalmente ser descarboxilado oxidativamente hasta acetilCoA. Es por lo tanto, importante el control de su metabolismo a nivel de esta enzima, la piruvato deshidrogenasa, que determina su entrada al ciclo. La mayor parte del piruvato se oxida a acetil-CoA, pero una cierta cantidad se convierte en oxalacetato (proceso anaplerótico), permitiendo que la acetil-CoA se combine con este último para que el ciclo de Krebs funcione adecuadamente. Así, la acetil-CoA proveniente de los ácidos grasos o de ciertos aminoácidos (cetogénicos), no puede entrar al ciclo a menos que esté ya presente el oxalacetato proveniente de la carboxilación del piruvato. Se han encontrado dos tipos de regulación del complejo de la piruvato deshidrogenasa, el primero se realiza por inhibición competitiva por parte de acetil-CoA y NADH; de esta manera, cuando el aporte de acetil-CoA es suficiente a expensas de los ácidos grasos, la enzima es inhibida, evitando así el desperdicio innecesario de piruvato derivado de la glucosa. El segundo tipo de regulación se lleva a cabo por la existencia de dos formas interconvertibles de la piruvato deshidrogen

asa: una, fosforilada, o forma inactiva, la otra desfosforilada, es la forma activa. La existencia de una u otra es catalizada por dos enzimas: la piruvato deshidrogenasa cinasa, que requiere ATP, y la piruvato deshidrogenasa fosfatasa. De hecho, ambas enzimas forman parte del complejo, asociadas a la dihidrolipoil transacetilasa. La principal función reguladora es ejercida por la cinasa que al fosforilar la piruvato deshidrogenasa con hidrólisis de ATP la convierte en su forma inactiva; esto ocurre cuando hay exceso de ATP en la célula. Cabe destacar el papel estimulador que ejercen sobre la cinasa la acetil-CoA y el NADH, y el papel inhibidor del piruvato y el ADP. Por el contrario, si baja el ATP celular, la fosfatasa le quita un fosfato a la piruvato deshidrogenasa y la reactiva. La fosfatasa es inhibida por exceso de NADH; esta inhibición es revertida por NAD + . La actividad del complejo piruvato deshidrogenasa también es regulada por algunas hormonas. De entre ellas cabe destacar la insulina que incrementa la forma activa (desfosforilada) en tejido adiposo; las catecolaminas como la adrenalina pueden activar la piruvato deshidrogenasa en el tejido cardiaco. Estos efectos hormonales no están mediados por cambios en los niveles de AMPc tisulares ya que la cinasa y la fosfatasa son insensibles a éste. Se ha detectado en niños deficiencia de algunas de las subunidades reguladoras del complejo piruvato deshidrogenasa. Estos niños muestran habitualmente niveles séricos elevados de lactato, piruvato y alanina que producen una acidosis láctica crónica. Tales pacientes muestran graves defectos neurológicos y en la mayoría el defecto enzimático conduce a la muerte. En ciertos casos, los pacientes responden a un tratamiento dietético reduciendo el mínimo los carbohidratos y administrando una dieta cetogénica.

5.1.2.2 Reacciones endergónicas y exergónicas

ATP + H 2 O

Algunos procesos vitales como: la síntesis de macromoléculas, la conducción de impulsos nerviosos, la contracción muscular y el transporte activo, requieren energía para llevarse a cabo. Las reacciones metabólicas involucradas en los procesos de síntesis se denomina rutas o vías anabólicas o anabolismo; son reacciones que requieren energía y se denominan endergónicas. Desde el punto de vista termodinámico proceden con cambio de energía libre (AF+) de signo positivo. Para que estas reacciones ocurran, se deben acoplar a otro tipo de reacciones que liberan energía (exergónicas). Las reacciones metabólicas que producen energía se denominan catabólicas. En estas reacciones se convierten las moléculas complejas, como: carbohidratos o grasas, en moléculas más pequeñas (CO2 y H2O en último término). Al ocurrir este tipo de reacciones se libera la energía almacenada y se consume oxígeno. Estas reacciones transcurren con cambio de energía libre negativo. (AF-), son espontáneas e irreversibles, y por tanto, exergónicas. En la práctica, un proceso endergónico no puede ocurrir en forma independiente, debe formar parte de un sistema acoplado exergónico-endergónico cuyo cambio global debe ser exergónico. El conjunto de procesos exergónicos (catabólicos) y endergónicos (anabólicos) constituye lo que se conoce como metabolismo. Un ejemplo clásico de acoplamiento energético es la fosforilación de la glucosa:

La hidrólisis del ATP confiere a la reacción global un cambio exergónico que le permite transcurrir en la dirección propuesta:

Glucosa + H3 P 0 4

5.2.1.

—

Glucosa -6-fosfato + H , 0 AF=+3.2 Kcal/mol

la reacción no es viable termodinamicamente en la dirección propuesta. Sin embargo, acoplada a la hidrólisis de ATP:

-

ADP + Pi AF°= -7.3 Kcal/mol

Glucosa+H 3 P0 4

ATP + H 2 0

-*

Glucosa -6-P +H2 O AF°=+3.2 Kcal/mol

-+ ADP + H 3 P0 4 AF°= -7.3 Kcal/mol

Sumando: Glucosa +ATP

-»

Glucosa-6-P+ADP AF°=-4.1 Kcal/mol

En los sistemas biológicos, muchas reacciones exergónicas-endergónicas están acopladas de esta manera, es decir con un intermediario común obligado. El principal compuesto intermediario o portador de alta energía en la célula viva es el adenosintrifosfato (ATP). A continuación describiremos las reacciones que dan lugar a la formación de este importante intermediario. 5.2 REACCIONES DE OXIDORREDUCCIÓN Tradicionalmente, el estudio de los temas de oxidaciones biológicas y sus relaciones con la bioenergética se ha considerado como uno de los más difíciles para el estudiante. Trataremos en este capítulo de presentar los aspectos químicos de la manera más comprensible. Conceptos de oxidación y reducción

En la vida diaria se encuentran varios ejemplos de oxidación, como la combustión del gas usado en las estufas, la leña que se quema en las chimeneas o la oxidación del hierro dejado a la intemperie. En los prime-

ros casos, el carbono y el hidrógeno de los combustibles se combinarán con el oxígeno del aire para formar CO2 y H2O y desprender energía calórica. En el último ejemplo, el hierro al combinarse con el oxígeno formará óxido de hierro. El factor común a estos dos procesos oxidativos es la participación de oxígeno. En la célula, la oxidación de la glucosa hasta CO2 y H 2 0 con liberación de energía se realiza en varias etapas, algunas de las cuales transcurren sin la participación de oxígeno. Por ejemplo la transformación de lactato en piruvato: COO CH-OH I CH3

Deshidrogenasa Láctica +

LACTATO

COO | C = 0 + 2H I CH3 PIRUVATO

En esta reacción de oxidación se pierden hidrógenos. Muchas reacciones de oxidación que ocurren en el metabolismo se realizan por pérdidas de hidrógenos o deshidrogenación. Ya sea que el mecanismo de oxidación ocurra con ganancia de oxígeno o con pérdida de hidrógeno, en ambos procesos se implica la pérdida de electrones. Así, una reacción de oxidación puede ocurrir por cualquiera de estos tres mecanismos: a) Ganancia de Oxígeno: 4Fe + 302 C3 H8 + 502

2Fe203 ^ 3 C 0 2 + 4H 2 O

b) Pérdida de Hidrógeno: Lactato -* NADH + H*

Piruvato + 2 H -> NAD + + 2H

c) Pérdida de Electrones: Fe ++ (Ferroso) Fe° (Metálico)

-> -»

Fe + + + (Férrico) + 2e~ Fe ++ (Ferroso) + 2e"

El fenómeno contrario se denomina reducción. Este puede ocurrir por pérdida de oxígeno, ganancia de hidrógeno o ganancia de electrones. En toda reacción química, los hidrógenos o electrones que una molécula pierde, otra molécula los debe ganar. Es decir, una se oxida y la otra se reduce; a la reacción global se llama reacción de oxidorreducción.

5.2.1.1. Número de oxidación En las reacciones de oxidorreducción se maneja a menudo el concepto de número de oxidación que se define como el número de electrones que se transfieren en una reacción de oxidorreducción. a) Los elementos en su estado natural (por ejemplo, un metal) poseen todos sus electrones y por lo tanto su número de oxidación es de cero. b) Cuando el oxígeno se combina con otro elemento generalmente capta dos electrones para completar su orbital con ocho electrones y su número de oxidación es menos dos (-2). c) Cuando el hidrógeno se combina, generalmente cede un electrón y su número de oxidación es más uno (+1) por el protón que queda sin contraparte. d) En una molécula neutra, la suma de los números de oxidación de sus átomos es de cero. Cuando un elemento pierde o gana electrones cambia su número de oxidación. Si el elemento se oxida, su número de oxidación aumenta y si se reduce, su número de oxidación disminuye, por ejemplo: Z l + H2S04

-

Z r +SO 4

+

H9

El Zn se oxidó al pasar su número de oxidación de cero a +2. El H se redujo pues pasó de número de oxidación +1 a cero. Es pertinente notar que en esta reacción los componentes del ion sulfato (SO4"2) no

cambian su número de oxidación, mientras el Zn y el H sí lo cambian. Con estos últimos se pueden armar dos medias celdas o hemipilas; la del que se oxida y la del que se reduce. Si el Zn se oxida, quiere decir que pierde electrones y si el H se reduce es porque gana electrones. Las dos medias celdas pueden quedar de la siguiente manera:

2)2H+ -* H^ (media celda de reducción) Si las hemipilas se unen entre sí por un puente salino (KC1), los electrones pueden pasar de una a la otra y el flujo de electrones genera una corriente eléctrica que se puede medir con un voltímetro. Como el Zn tiene más tendencia a ceder electrones que el hidrógeno, los electrones pasarán de la hemipila del Zn a la del hidrógeno (fig. 5.2).

5.2.1.2. Potencial de oxidorreducción El esquema de la fig. 5.2 ilustra el fundamento de una pila eléctrica en la cual la energía química se transforma en energía eléctrica. Al voltaje observado cuando los electrones fluyen de una semicélula a la otra se le llama potencial de oxidorreducción o fuerza electromotriz. La facilidad con la que un donador de electrones (agente reductor) cede sus electrones a un aceptor electrónico (agente oxidante) se expresa c o m o potencial de oxidorreducción (potencial redox) del sistema. El potencial redox de un par de oxidor r e d u c c i ó n se d e t e r m i n a (en voltios) comparándolo con una hemipila patrón de referencia (habitualmente la del electrodo de hidrógeno de la figura 5.2). El potencial del electrodo de referencia se sitúa por convención en O.OV a pHO.O; a concentración IM y 25°C; sin embargo, cuando se corrige este

Fig. 5.2. Pila voltaica o galvánica formada por dos medias celdas (semicélulas). V = Voltímetro; Pt electrodo de platino, Zn = electrodo de cinc.

potencial par pH 7.0 el potencial de referencia es -0.42V. Este potencial se conoce como potencial redox estándar (E¿). 5.2.1.3. Nivel de energía de las reacciones de oxidorreducción En la pila voltaica descrita antes, el trabajo eléctrico producido será el resultado de la diferencia de potencial (E) por el número de electrones (N) transportados. Si el número de electrones se expresa en número de moÍes (n) y la carga de un mol de electrones en faradios ( 9 ) , el trabajo eléctrico útil será igual al cambio de energía, y por lo tanto: AF = -n*í£AE

AF = cambio de energía libre «of = equivalente del Faraday (26,062 KcalV-imoH) El signo negativo de la ecuación se debe a que cuando AF resulta positivo la reacción es ex¿rgónica. En condiciones estándar y fisiológicas. AF° = - n W E o' E'o La diferencia de potencial está ajustada al pH 7.0, que es cercano al pH fisiológico, el potencial de reducción para el par H + /1/2 H°2 no es cero, sino -0.42 V (la concentración de H + no es 1M, sino 10"7M. En la tabla 5.1 se indican Jos potenciales redox extandar de interés especial en bioquí-

Tabla 5.1. Potenciales redox estándar de diversas reacciones químicas SISTEMA

n

Eo voltios

1/2 0 2 +2H7H,O Citocromo a Fe +3 /Fe +2 CitocromoCFe +3 /Fe +2 Citocromo Cj Fe +3 /Fe +2 Coenzima Q + 2H + /COQH 2 Citocromo bFe + 3 /Fe + 2 Mitocondrial Fumarato +2H+/Succinato Citocromo bFe + 3 /Fe + 2 Microsomal

2 1 1 1 2 1

+ 0.82 + 0.29 +0.25 + 0.22 +010 +0.08

2 1

+ 0.03 +0.02

Oxalacetato +2H+/malato Piruvato +2H+/lactato Acetaldehído +2H+/etanol FAD+2H + FADH 2 NAD + +2H + /NADH+H + NADP + +2H + /NADPH+H + 2H + /H 2 FerrodoxinaFe +3 /Fe +2 Acetato +2+/Acetildehído Cetoglutarato +2H + /Succinato+C0 2 Piruvato +2H + /Acetato+C0 2

2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2

- 0.166 - 0.185 - 0.197 -0.219 - 0.320 - 0.320 -0.421 -0.430 - 0.60 - 0.70 - 0.70

mica. Esta lista permite predecir la dirección del flujo de electrones de un par redox a otro. Los electrones fluirán de la reacción E'o fuertemente negativa a la reacción con E'o más positivo. En la ecuación de Nernst se correlaciona la diferencia de potencial estándar de las reacciones bioquímicas con la constante de equilibrio, en virtud de que ambas tienen como factor común el cambio de energía libre estándar (revisar subcapítulo 4.5.1.). Por lo tanto =

°' ~nF

-»

MALATO"2+NAD+ AEQ-+0.154V

Aplicando la ecuación:

hlKeq

Sustituyendo los valores se tiene:

En esta ecuación R es la constante de los gases (1.987Kcal -1 . mol -1 )y T es la temperatura en grados absolutos a 25°C (298°K), sustituyendo los valores tenemos: •

OXALACETATO^+NADH+H*

AF'° = -n3AE0

RT m

En una pila electroquímica los electrones fluyen de la semirreación con el E'o más negativo hacia el más positivo. Por lo tanto, el NADH perderá electrones y el oxalacetato los aceptará. La ecuación queda:

(1.987) (298) _ , .

„

0.059,

„

Esta ecuación permite calcular la contante de equilibrio de una reacción redox directamente de los valores de E o ' de las semirreacciones de redox y viceversa. Con la ecuación: A F°'= -n *$ A E ¿ se puede calcular el cambio de energía libre de un par de redox si se conoce la diferencia de potencial de cada reacción. Tomamos como ejemplo la oxidación de malato a oxalacetato. 2

2

MALATO" + NAD* -* OXALACETATO" + NADH +H*

Se buscan en la tabla los potenciales estándar de cada una de las semirreacciones de redox. OXALACETATO"2 + 2H++ 2e" -» MALATO"2 AE'o- -0.166V NAD+ + 2H+ + 2e

-*

NADH + H* AE'o - -0.320V

AF'°= -(2moles) (23,062 Kcal.moH.V- 1 ) (0.154V) AF'^-T.lKcalmol-1 Utilizando esta misma ecuación se puede calcular el cambio de energía libre que se produce en la reacción redox neta de la respiración, es decir, la transferencia de electrones desde el NADH al oxígeno molecular. Las semirreaciones redox serían: V202+2H++2S" -* H 2 0 AEQ= 0.82V NAD + +2H + +2e" -• NADH+H* AE Q =-0.32V

El flujo de electrones irá del más negativo al más positivo, el NADH se oxidará y el oxígeno se reducirá. La reacción total será: NaOH+H+ V202 -* NAD++I1,0 AEo' = 1.14V Aplicando la ecuación: AF'°+ = -n^AEÓ AF '°= -(2) (23062)(1.14)= -52.6 Kcal/mol.

ESTRUCTURA, FUNCIÓN Y METABOLISMO DE CARBOHIDRATOS

6.1 INTRODUCCIÓN Los carbohidratos son los compuestos más abundantes y ampliamente destribuídos en la naturaleza. Se encuentran en tejidos animales y vegetales. En los vegetales se sintentiza la glucosa por fotosíntesis a partir de bióxido de carbono y agua y luego se almacena como almidón o forma parte de la estructura de soporte vegetal como celulosa. Aunque el hombre puede sintetizar la mayor parte de carbohidratos, una buena parte los obtiene en fuentes vegetales. 6.1.1 Definición Por su estructura química, los carbohidratos pueden considerarse derivados aldehídicos o cetónicos de polialcoholes o alcoholes polihidroxílicos. Su fórmula general Cn(H20)n es decir, hay una molécula de agua por átomo de carbono que motivó la denominación de hidratos de carbono o carbohidratos. Sin embargo, se considera hidrato al compuesto que fija una molécula de agua; así, la fórmula anterior no corresponde a las propiedades de estos compuestos ya que de ningún modo las moléculas de agua están individualizadas

en la molécula del carbohidrato. Además, existen carbohidratos cuya fórmula general no conserva la relación descrita, por ejemplo, la desoxirribosa, cuya fórmula general es C5H10O4. Por otro lado, hay compuestos que siguen esa relación y no son glúcidos, por ejemplo, el formol: C(H20), el ácido acético: C 2 (H 2 0) 2 y el ácido láctico: C3(H20)3. La denominación de azúcares o glúcidos (glykos = dulce) tampoco es exacta porque no todos son dulces; el almidón, por ejemplo, es insípido. En cambio, el aminoácido glicina (o glicocola) es dulce y no es un carbohidrato. La palabra sacárido significa azúcar. En conclusión, aunque los nombres propuestos (azúcares, glúcidos, carbohidratos, hidratos de carbono, sacáridos) para designar este tipo de compuestos no son adecuados del todo, se utilizan como sinónimos pero los más aceptados son: glúcidos o carbohidratos. 6.1.2 Importancia biomédica Los carbohidratos tiene funciones muy diversas en el organismo; desde la transferencia de energía entre células, como es el caso de la glucosa, que es el sustrato energético fundamental y combustible universal para el

Los enlaces de los grupos hidroxilos de la glucopiranosa en "silla" son paralelos al eje de simetría del anillo y se denominan uniones axiales; los hidrógenos se encuentran en el mismo plano de anillo y se consideran uniones ecuatoriales. En la forma p-glucopiranosa, los hidroxilos ocupan todas las posiciones ecuatoriales de "mayor espacio", y es quizá la razón por la que está configuración está presente en una relación de 2:1 respecto a la a-glucopiranosa en una mezcla acuosa en equilibrio. 6.3.3 Propiedades químicas Los carbohidratos deben sus propiedades químicas a la existencia en su molécula de grupos aldehido o cetona y a la presencia de grupos hidroxilo (polialcoholes). 6.3.3.1 Reducción: formación de polialcoholes Reducción. La única función que puede ser reducida es la función aldehido o cetona. La reducción química o enzimática convier-

te el carbonilo en alcohol. La reducción de la D-glucosa, de D-fructosa o de la L-sorbosa da el mismo polialcohol llamado D-sorbitol. La reducción del gliceraldehído o la dihidroxiacetona produce el glicerol, importante por formar parte de los triacilgliceroles y varios fosfolípidos; de hecho, el glicerol representa un nexo importante con el metabolismo de los carbohidratos a nivel del gliceraldehído (3-fosfato). La reducción de mañosa y galactosa produce manitol y dulcitol, respectivamente. La reducción de las pentosas xilulosa y ribosa forma xilitol y ribitol, respectivamente (fig. 6.9). La importancia de estos polialcoholes radica en la transformación enzimática, por medio de una aldosa reductasa del cristalino, que los produce a partir de algunas hexosas. Estos polialcoholes, por su carácter fuertemente hidrofílico, ejercen una influencia osmótica que determina opacidad del cristalino provocando cataratas. Hay otros alcoholes, los ciclitoles, de los cuales el más abundante en la naturaleza es el meso-inositol, que tienen actividad de tipo vitamínico y forma, además, parte de algunos fosfolípidos (fig. 6.10).

xílicos, como el glucosacárico o glucárico de la glucosa, galactárico o galactosacárico de la galactosa, etc. En realidad, estos compuestos son de poco interés biomédico. Ácidos uránicos. La oxidación del grupo alcohólico primario terminal general los ácidos urónicos, conservándose intacto el aldehido. El más importante de este grupo es el ácido D-glucurónico, derivado de la glucosa. En los mamíferos, el ácido glucurónico, el cual existe en forma cíclica (fig. 6.12), reacciona con varios compuestos poco solubles en agua haciéndolos más solubles, favore6.33.2 Oxidación: formación de ácidos ciendo su excreción por bilis y orina. Entre estos compuestos están las hormonas sexuaOxidación. La oxidación de las aldosas les, la bilirrubina conjugada y diversos fárpuede ocurrir, en el grupo aldehídico o en el macos y sustancias tóxicas. Además, el grupo alcohólico primario (terminal), o en ácido glucurónico forma parte de diferentes ambos sitios; es decir, se pueden formar tres polisacáridos (ver más adelante) como el tipos de derivados oxidados: (fig. 6.11). ácido hialurónico, constituyente del tejido Ácidos aldónicos. Con hipoclorito se oxi- conjuntivo, y el anticoagulante heparina. da el grupo aldehíco que pasa a ácido: la gluLos ácidos glucónicos y glucurónico se cosa forma el ácido glucónico, la galactosa encuentran generalmente en forma de lactoelgalactónico, la ribosa el ribónico, etc. nas. La gulonolactona forma parte, junto con Ácidos sacáricos. Una potente oxidación, el glucuronato, de un ciclo en el cual se forma con ácido nítrico, por ejemplo, provoca la en todos los mamíferos (menos primates y coaparición de grupos ácidos en ambos extre- bayos) el ácido ascórbico (vitamina Q cuya esmos de la cadena. Se forman ácidos dicarbo- tructura es también de tipo lactona (fig. 6.13).

6.14 se muestran ejemplos de esteres fosfato de importancia metabólica. 6.3.4.2. Aminoazúcares (hexosaminas) Aminoazúcares. La sustitución de un grupo -OH por un grupo amino (-NH2) origina los aminoazúcares. Ejemplos de importancia son la glucosamina, constituyente del ácido hialurónico, la galactosamina, componente de la condroitina, y la manosamina de polisacáridos complejos (Fig. 6.15).

En estado natural, los aminoazúcares están casi siempre acetilados en la función amina, formando la N-acetilglucamina y Nacetilgalactosamina. La letra N indica que el radical acetilo está unido a la función -NH2 de la hexosamina. Estos compuestos no se encuentran en estado libre, sino incorporados a moléculas como glucolípidos, glucoproteínas, glucosaminoglucanos, etc. En estado libre, las hexosaminas son tóxicas para las células hepáticas. Varios antibióticos como la eritromicina y la carbomicina contienen aminoazúcares; se

Fig. 6.15. Aminoazúcares de importancia biológica

mados genéricamente ácidos siálicos (del griego sialis, saliva), porque se les halló en las glucoproteínas de la saliva. También se encuentran ácido N-acetilneuramínico en algunos gangliósidos cerebrales, de ahí su nombre (del griego neuros, cerebro). 6.3.4.3 Desoxiazúcares

piensa que los aminoazúcares están relacionados con su actividad antibiótica. Existen aminoazúcares más complejos, constituidos por una hexosamina acetilada y un ácido de tres carbonos, como son los ácidos N-acetilmurámico y N-acetilneuramínico (fig. 6.16). El primero se encuentra formando parte de la pared celular de las bacterias gram-positivas y el ácido N-acetilneuramínico (NANA) y sus derivados, lla-

Desoxiazúcares. Se denominan así los monosacáridos en los que un -OH es reemplazado por un -H. El más importante es la 2-desoxi-D-ribosa, componente del ácido desoxirribonucleico (DNA). Otros desoxiazúcares raros son representantes de la serie L, como la L-fucosa y la L- ramnosa (fig. 6.17). Estos últimos se encuentran formando parte de glucoproteínas o como componentes de la pared celular de algunas bacterias. La 2-desoxiglucosa es un importante inhibidor del metabolismo de la glucosa.

Fig 6.16. Estructura del ácido N-acetilmurámico y del ácido N-acetilneuramínico.

Fig. 6.17. Desoxiazúcares. A veces es difícil distinguir entre desoxihexosas y metilpentosas, como en la Lramnosa y L-fucosa.

6.3.4.4 Glucósidos Glucósidos. Si al grupo -OH del carbono anomérico (reductor) de un monosacárido se le une otro monosacárido se genera un disacárido. Pero si a este hidroxilo (-OH) se le une una molécula que no es un carbohidrato, se forma un glucósido. A la porción

no carbohidrato se le denomina aglucona. En ambos casos el enlace de denomina glucosidicoy y es un enlace acetal que resulta de la unión de un hemiacetal y otro grupo -OH. Son glucósidos muchos medicamentos como los de la digital (fig. 6.18), y el antibiótico estreptomicina, fármacos de gran uso en medicina.

Fig. 6.18. Estructura del glucósido digitonina.

Fig. 6.19. Algunos disacáridos.

6.4 OLIGOSACÁRIDOS Los oligosacáridos son productos de hidrólisis parcial de polisacáridos, como la maltosa y maltotriosa, aunque algunos existen en forma libre como la lactosa y sacarosa (disacáridos), gencianosa (trisacárido) y estaquiosa (tetrasacárido). En la naturaleza, los oligosacáridos se han encontrado hasta pentasacárídos, pero por síntesis de laboratorio se puede llegar hasta octasacáridos. Como el grupo -OH del carbono anomérico (a o P de un monosacárido reacciona con cualquier -OH de otro para formar un oligosacárido, la posibilidad de formar diferentes

moléculas partiendo de un solo tipo de monosacárido es muy grande. 6.4.1 Disacáridos Los disacáridos fisiológicamente importantes son maltosa, sacarosa y lactosa (Fig. 6.19). Otros disacáridos de importancia secundaria son la trehalosa, celobiosa e isomaltosa (Fig. 6.20). Los disacáridos sacarosa, lactosa y trehalosa existen libres en la naturaleza, la trehalosa se encuentra en la hemolinfa de algunos insectos, la maltosa, celobiosa e isomaltosa son productos de hidrólisis parcial de almi-

Fig. 6.20. Otros disacáridos.

dones, celulosas y dextranas, respectivamente. 6.4.1.1 Propiedades químicas y físicas. Los disacáridos son solubles en agua y se pueden cristalizar. Los cristales de sacarosa (azúcar refinada) son ampliamente conocidos por su empleo alimentario. La maltosa, lactosa y sacarosa son dextrógiras. Cuando queda libre uno de los carbonos anoméricos de uno de los monosacáridos, el disacárido es reductor. Si al formar el enlace glucosídico los carbonos anoméricos quedan bloqueados, el disacárido no tendrá capacidad reductora. Así, la sacarosa y la trehalosa no son reductoras ni muestran el fenómeno de mutarrotación.

6.4.1.2 Hidrólisis In vitro, la hidrólisis, catalizada por iones H + , libera los monosacáridos constitutivos. En el caso de la sacarosa, la glucosa y la fructosa recuperan sus funciones hemiacetálicas libres y reaparece su carácter reductor sobre el licor de Fehling. Además, la fructosa es más levógira (-92°) que la sacarosa original (+66.5°) y que la glucosa formada (+52.5°); la mezcla de cantidades iguales de glucosa y fructosa es levógira y recibe el nombre de azúcar invertido (la enzima que hidroliza a la sacarosa se denomina sacarasa o invertasa). In vivo, la hidrólisis de los disacáridos se realiza por enzimas específicas llamadas genéricamente disacáridasas.

6.4.1.3 Propiedades biológicas

6.4.3. Otros o ligo sacáridos

Tienen sabor dulce, especialmente la saEl tetrasacárido estaquiosa (digalactosil carosa. La maltosa se forma en el tubo di- sacarosa) (fig. 6.22) se encuentra en los vegestivo durante la digestión, por hidrólisis getales. del almidón y del glucógeno. Es rápidamente Los oligosacáridos más importantes son hidrolizada por la enzima maltasa en dos los que forman parte de los determinantes glucosas. La lactosa es el principal carbohi- antigénicos de los grupos sanguíneos y otros drato de la leche. Es la base de alimentación que se presentan en células y permiten su redel lactante que, durante la digestión, la hidro- conocimiento; algunos tienen carácter antiliza en su tubo digestivo en glucosa y galacto- biótico. sa, los cuales se absorben a través de la pared intestinal. La sacarosa es el azúcar común, extraído de la caña de azúcar o de la remolacha. 6.5 POLISACARIDOS En el tubo digestivo se hidroliza en glucosa y fructosa que son absorbidas. A nivel del La mayoría de los carbohidratos naturales hígado, fructosa y galactosa se transforman se encuentran como polisacáridos de elevado en glucosa. Sólo los monosacáridos son ab- peso molecular. La D-glucosa es el que más sorbidos por el intestino, no los disacáridos. frecuentemente forma la unidad monosacárida de un polisacárido, aunque también existen polisacáridos con mañosa, fructosa, galactosa, xilosa y arabinosa; además pueden partici6.4.2 Trisacáridos par azúcares aminados como glucosamina, Resultan de la condensación de tres molécu- galactosamina, ácido glucurónico. N-acetillas de monosacáridos. La rafinosa (Fig. 6.21) murámico y N-acetilneuramínico. Los polise encuentra en el azúcar de remolacha, in- sacáridos que son polímeros de un solo completamente refinada, y en otras plantas monosacárido se denominan homopolisacásuperiores. La melitosa se encuentra en la ridos; los que contienen más de una clase de monosacáridos se denominan heteropolisasavia de algunas coniferas.

Galactosa (a1-6) glucosa (pl-2) fructosa (RAFINOSA) Fig. 6.21. Estructura de la rafinosa.

cáridos. Estos compuestos son de elevado peso molecular y por su carácter hidrofílico forman dispersiones coloidales. El PM de la celulosa es de 200-400,000; el de los almidones es de 10,000 a un millón y el PM del glucógeno varía de 1 a 4 millones. Los polisacáridos pueden formar cadenas lineales o ramificadas. 6.5.1 Homopolisacáridos Los homopolisacáridos son aquellos formados por un solo tipo de monosacárido, aunque participen diferentes tipos de uniones. Por convención se nombran agregando la terminación -ano al monosacárido que constituye el polímero. La denominación general es áeglicanos: si son de glucosa; de galactosa, galactanos; de arabinosa, arábanos; de xilosa, xilanos, etc. Almidón. Es un polisacárido de reserva de los vegetales y desempeña importante papel en la alimentación humana. Se encuentra en los granos (amiloplastos) de los órganos de reserva vegetal como el tubérculo de la papa, el grano de trigo, de leguminosas, cereales y otros vegetales. El almidón en estado natural es una mezcla de dos compuestos: la a-amilosa (20%) y la amilopectina (80%). La amilosa consiste en una cadena lineal de unidades de glucosa (200 a 300) unidades por enlaces a 1-4 glucosídicos. Estos tienden a doblar la cade-

na formando una hélice que contiene 6 residuos de glucosa por giro (fig. 6.23). En la amilopectina también se encuentran enlaces a 1-4 pero difiere de la amilosa por la presencia de enlaces ctl-6 (fig. 6.24) lo cual permite la fijación de cadenas laterales que dan a la molécula un aspecto ramificado. Se ha calculado que existen de 24 a 30 moléculas de glucosa por ramificación. La amilosa se desliza en los intersticios, dando una estructura muy densa y homogénea, al grano de almidón. Los granulos de almidón son insolubles en agua fría, pero al calentarse absorben agua y se hinchan formando geles conocidos como engrudo de almidón. Los granulos y sus soluciones coloidales reaccionan con yodo dando un color azul violáceo. Esto se debe a la amilosa, que forma un complejo de inclusión azul intenso, y la amilopectina que se colorea de rosa o rojo. Cuando se calienta levemente desaparece la coloración y reaparece con el enfriamiento lo que indica que se trata de una fijación física del yodo. Los productos de hidrólisis incompleta del almidón se llaman genéricamente dextrinas; estos dan color rojo con el yodo, a diferencia del almidón nativo. Existen enzimas que hidrolizan el amidón, llamadas amilasas, en la saliva y el jugo pancreático, liberando primero dextrinas y luego maltosa. Se requiere de una disacaridasa específica (maltasa) para liberar las unidades de glucosa (fig. 6.25).

Figura 6.24 Estructura de la amilopectina.

Existe otra enzima que hidroliza enlaces a 1-6 llamada a 1-6 glucosidasa o enzima desramificante del jugo intestinal que continúa la hidrólisis de dextrinas hasta maltosa, en coordinación con la amilasa. Glucógeno. Su estructura es muy parecida a la amilopectina con enlaces a 1-4 y a 1-6, por lo que también se le conoce como almidón animal. Su estructura es ramificada en virtud de que los puntos de ramificación son más frecuentes y sus ramas más cortas (12 unidades de glucosa). El glucógeno se encuentra principalmente en hígado y músculo

como forma de almacenamiento de la glucosa. Su peso molecular es de varios millones, siendo una molécula esférica y compacta. En virtud de ser más ramificado, permite la acumulación de más unidades de glucosa por unidad de volumen que la amilopectina. Con el yodo presenta un color rojo violeta. La fijación de nuevos residuos de glucosa durante la síntesis de glucógeno, así como la liberación de unidades de glucosa se hacen por los extremos no reductores, los cuales son sitios de acción de la fosforilasa y sintetasa. De este modo, las ramificaciones incremen-

feto, hasta la función de reconocimiento celular y proteico, pasando por la función de reserva energética bajo la forma de glucógeno. Son responsables de la forma y la resistencia de los organismos vegetales en forma de celulosa. Ciertos carbohidratos contribuyen a la formación de sustancias como el ácido condroitín sulfúrico y el ácido hialurónico que constituyen parte del cemento intercelular de los tejidos. Los carbohidratos pueden ser precursores de lípidos y de factores vitamínicos como el ácido ascórbico (vitamina C) y el inositol en determinados organismos.

nico, respectivamente; y además en triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, heptosas u ociosas, según contengan, 3,4,5, 6,7 u 8 átomos de carbono. Suelen combinarse las dos denominaciones; una aldopentosá, es un monosacárido de 5 carbonos con una función aldehido, una aldohexosa tiene 6 carbonos y una función aldehido, una cetohexosa tiene 6 carbonos y función cetona. Las cetosas se designan usualmente mediante el sufijo "ulosa". 6.3.1 Actividad óptica e isomería

6.2 CLASIFICACIÓN GENERAL Y NOMENCLATURA Los carbohidratos se clasifican generalmente en: 1. Monosacándos. Son azúcares que no pueden ser hidrolizados a otros más simples. 2. Oligosacáridos. Son polímeros de varios monosacándos (usualmente de 2 a 10) 3. Polisacáridos. Están formados por un gran número de monosacáridos formando una molécula polimérica de elevado peso molecular. La característica común en la nomenclatura de los carbohidratos es la terminación "osa" que, para algunos autores, representa otra alternativa de denominación: las osas y los ósidos, holósidos y heterósidos, etc. Así tenemos la glucosa (monosacárido), sacarosa (disacárido), rafínosa (trisacárido), celulosa (polisacárido), etc. Claro está que existen excepciones como, por ejemplo, glucógeno, almidón, ácido hialurónico y otros nombres de carbohidratos que escapan a esta regla. 6.3 MONOSACÁRIDOS Los monosacáridos o azúcares simples pueden subdividirse en aldosas y cetosas, según contengan el grupo aldehídico o cetó-

Todos los carbohidratos poseen átomos de carbono asimétrico. Un carbono asimétrico es el que está unido a cuatro átomos o grupos diferentes. La presencia de carbono asimétrico en los monosacáridos les confiere la propiedad conocida como actividad óptica, que consiste en la desviación del plano de luz polarizada cuando ésta atraviesa una solución del carbohidrato. La actividad óptica se presenta a partir del carbohidrato más simple, la aldotriosa o gliceraldehído, del cual existen dos isómeros, que por esta razón se denominan isómeros ópticos: uno que desvía el plano de luz polarizada a la derecha, en el sentido de las manecillas del reloj (dextrógiro o dextrorrotatorió), y otro que la desvía a la izquierda {levógiro o levorrotatorió), (Fig. 6.1.) Como puede verse en la figura 6.1, las dos estructuras guardan entre sí la misma relación que la de un objeto con su imagen en un espejo. La relación que exhiben tales compuestos se denomina estereosomería y ambos se designan como estereoisómeros o enantiómeros (enantiomorfos). Pasteur fue el primero en observar esta relación al examinar al microscopio cristales de ácido tartárico dextrógiro y levógiro y encontrar dos tipos de cristales que eran la imagen al espejo uno del otro y que al observarlos por separado en agua tenían rotación

Rompimiento poramiasa que deja residuos de 2 unidades (maltosa)

OO

•«_

*«%• " OO

^ o %

•

* * » ^ ^ * W

•*

(

^V***^

-- Extremo reductor

)r¿T

Extremos no reductores

Figura 6.25 Dextrina límite residual (círculos negros).

tan la velocidad de síntesis y degradación del glucógeno. El glucógeno de alimentos (carne) es hidrolizado como el almidón por las amilasas digestivas y transformada en maltosa. También puede formar dextrinas. Las células no pueden almacenar glucosa en forma libre porque cada molécula de glucosa desarrolla cierta presión osmótica. Fijando las moléculas de glucosa en forma de glucógeno, la célula evita aumentar su presión osmótica, ya que cada molécula de glucógeno desarrolla la misma presión osmótica que una de glucosa disuelta en el mismo volumen. Dextranas También son homopolisacáridos de glucosa pero su unión es a 1-6. La levadura Leuconostoc mesenteroides puede polimerizar glucosas provenientes de sacarosa y formas dextranas, las cuales forman soluciones muy viscosas que tapan los filtros en la fermentación de la caña de azúcar. También Leuconostoc forma las dextranas, responsables de la elevada viscosidad del pulque. En medicina se han utilizado las dextranas como sustitutos de la albúmina del plasma en virtud de presentar una presión osmótica similar. Se conocen estas soluciones como expansores del plasma. Además, las dextranas tratadas con epiclorhidrina fueron la ba-

se de polímeros que forman mallas moleculares (Sephadex) que permiten la separación de mezclas de sustancias de diferente peso molecular, en particular proteínas, (revisar la unidad III, 3.6.2.) Celulosa. Es una de las sustancias orgánicas más abundantes de la naturaleza. En la celulosa está incluido más del 50% del carbono orgánico total de la biosfera. La madera contiene 50% de celulosa y el algodón es casi celulosa pura. La hidrólisis parcial de celulosa da lugar al disacárido celobiosa, lo que indica que es un polisacárido de D-glucosa con uniones al-4, no ramificado (fig. 6.26) para los seres humanos la celulosa es material indigerible, pues para las secreciones digestivas no hay enzimas capaces de hidrolizar las uniones (51-4 glucosídicas. Sin embargo, es una fuente importante de "volumen" en la dieta, que previene del estreñimiento. En el intestino de los rumiantes y otros hervíboros, existen bacterias que producen celulasas que hidrolizan la celulosa y la utilizan como ftiente energética. Quitina. Forma el exoesqueleto de insectos y crustáceos. Es un homopolisacárido de N-acetil-D-glucosamina con uniones pl-4 (fig. 6.27). Al igual que la celulosa, forma cadenas lineales y es insoluble en agua. Pectinas. Son polisacáridos responsables del aspecto de jaleas que pueden extraerse

Fig. 6.26. Estructura de la celulosa. Los puentes de hidrógeno que se forman entre cadenas la dan su configuración fibrilar.

Fig. 6.27. Estructura de la quitina.

de cascaras de manzanas, peras, etc. Se utili- sulfato, y una molécula de ácido urónico, lo zan como medicamentos astringentes en casos cual confiere al polisacárido un carácter ácido de diarreas no infecciosas. Son polímeros de que les hace comportarse como polianiones. ácido galacturónico (fig. 6.28). 6.5.2 Heteropotisacáridos

6.5.2.1 Glucosaminoglucanos. Mucopolisacáridos

Los heteropolisacáridos resultan de la polimerización de 2 o mas monosacáridos elementales que contienen generalmente una hexosamina, que puede contener o no grupos

Glucosaminoglucanos. Son polímeros no ramificados de unidades de un aminoazúcar acetilado, N-acetilglucosamina o N-acetilgalactosamina, y un ácido urónico, D-glucu-

Fig. 6.28. Estructura de una pectina (poligalacturónico)

rónico o L-idurónico). De acuerdo a su función, se pueden clasificar en estructurales y de secreción; desde el punto de vista químico, se pueden clasificar en sulfatados y no sulfatados (Tabla 6.1)

Acido hialurónico. El ácido hialurónico debe su nombre a que se le encuentra en zonas hialinas del cartílago. Hialino es un término histológico que significa traslúcido. La terminación urónico significa que contiene un

TABLA 6.1 Clasificación de los glucosaminoglucanos

Los glucosaminoglucanos estructurales forman parte de la sustancia fundamental del tejido conjuntivo; los de secreción comprenden a la heparina y derivados y los mucoitin sulfatos. Los glucosaminoglucanos se presentan unidos a proteínas, constituyendo así el gran grupo de los proteoglicanos; ambas moléculas se conocían antes como mucopolisacáridos.

ácido urónico, el glucurónico. El disacárido monomérico del ácido hialurónico está formado por un residuo de ácido glucurónico y unodeN-acetilglucosamina (fig. 6.29). Contrariamente a los otros, el ácido hialurónico no contiene sulfato ni se une covalentemente a proteínas. Forma una especie de filamento sin ramificación y se dispone en hélice, la cual es muy rígida por la asocia-

Fig. 6.29. Estructura del ácido hialurónico.

ción de cadenas antiparalelas. Las soluciones de ácido hialurónico son extremadamente viscosas. Abunda como cemento intercelular, en el líquido sinovial, articulaciones, humor vitreo y en general en el tejido conectivo. Desempeña un papel en la hidratación de estos tejidos, porque fija moléculas de agua por sus grupos polares. Es producido, sobre todo, por los tejidos en desarrollo o en proceso de cicatrización. La enzima hialuronidasa contenida en algunas bacterias y en el espermatozoide, hidroliza el polisacárido con disminución de la viscosidad del halo celular. Condroitina. Es parecida al ácido hialurónico excepto que contiene N-acetilgalactosamina en lugar de N-acetilglucosamina. Sus derivados sulfatados (fig. 6.30) son componentes de cartílados, huesos, córnea, piel, arterias y otros tejidos conectivos. Estructuralmente, el dermatán sulfato está muy relacionado con los anteriores excepto que contiene ácido L-idurónico en lugar del ácido D-glucurónico (fig. 6.31). Estos glicanos no están libres sino unidos a una molécula proteica. En el espacio se en-

El queratán sulfato no contiene ácido uránico sino galactosa en su lugar. Por tanto, su acidez depende de la existencia de grupos sulfato (fig. 6.32). El queratán sulfato está casi ausente en el momento del nacimiento y aumenta su contenido hasta los 30 años. Se localiza en cartílago, córnea, huesos y el núcleo pulposo de los discos intervertebrales. Heparina. Es un polisacárido más corto que el queratán sulfato pero con la misma estructura base. Su particularidad consiste

Figura 6.30 Estructura de los condroitín sulfatos.

cuentran como una hélice simple con los grupos sulfato cargados negativamente dirigidos hacia el exterior.

en no contener grupo acetilado en la función amina de la glucosamina, sino un grupo sulfato en unión sulfamida (fig. 6.33).

CH2-O-SO3H

COOH

/—

\

O-oJ 1 0-S0 3 H

Figura 6.32 Estructura del queratán sulfato.

La heparina deriva su nombre de haber sido encontrada por primera vez en el hígado (del griego hepar, hígado); es fabricada por basófilos y células cebadas (mastocitos). Se encuentra en muchos tejidos como pulmón, paredes arteriales y sobre todo, en hígado. Su función es impedir la coagulación prematura de la sangre. Mucopolisacaridosis. Son un grupo de enfermedades de almacenamiento lisosomal producidas por, deficiencia hereditaria de enzimas específicas implicadas en la degradación de los glucosaminoglucanos. A excepción de unos cuantos, los glucosaminoglucanos se encuentran como proteoglicanos presentes en la matriz extracelular del tejido conectivo. En condiciones fisiológicas, estos proteoglicanos son renovados por endocitosis y lisis por parte de las proteasas de los lisosomas que digieren la proteína (endoglicosidasas). Cada enzima lisosomal es específica para determinado tipo de enlace. La deficiencia de alguna de ellas induce a la acumulación de glucosaminoglucanos parcialmente degradados en los lisosomas, lo cual produce alteraciones del tejido conectivo, sobre todo de corazón, hueso y sistema nervioso central. En la mucopolisacaridosis tipo II (MPS H), conocida como síndrome de Hunter, la enzima ausente (L-sulfoiduronato-suffatasa) está codificada por un gene del cromosona X; to-

/—v

O^ í NH SO3H

Figura 6.33 Estructura de la heparina.

das las demás están codificadas por cromosomas autosómicos. Las enzimas ausentes pueden ser la a-L-iduronidasa, N-acetil-glucosaminidasa, N-acetil-galactosamina-4sulfatasa, P-glucuronidasa, etc. (tabla 6.2). En conjunto la incidencia de las mucopolisacaridosis es de 1:30,000 nacimientos. Modelo clínico: MUCOPOLISACARIDOSIS TIPO I O SÍNDROME DE HURLER Una niña de 4 años fue enviada al servicio de Genética. Refiere la madre que la niña empezó a manifestar los síntomas al año de edad, con malformación de la cara, respiración ruidosa y retraso en el desarrollo psicomotor. A la exploración física se corroboran los siguientes datos: Paciente con talla y peso bajo, facies grotesca, opacidad corneal bilateral, nariz achatada, labios gruesos, encías hipertróficas, mala oclusión dental lengua gruesa, cuello corto y ancho, abdomen con hepato y esplenomegalia, giba toracolumbar, hirsutismo generalizado. Los exámenes de laboratorio reportan: —Prueba de azul de toluidina en orina: positiva —Cultivo de fibroblastos en piel: vacuolas intracitoplásmicas por acumulo de polisacáridos.

TABLA 6.2 PRINCIPALES MUCOPOLISACARIDOSIS (MPS) Tipo

Síndrome

Enzima Faltante

Características Clínicas

I-H

Hurler

a-L-Iduronidasa

Retraso mental, deformidades esqueléticas, opacidad de la córnea; condroitín sulfato en la orina y algunos tejidos.

I-S (antes V) Scheie

a-L-Iduronidasa

No hay retraso mental; deformidades esqueléticas moderadas; presencia de dermatán sulfato en orina.

Il-severa Il-benigna

Hunter

L-sulfoiduronatosulfatasa.

Igual al tipo I-H pero puede presentar dos formas.

III-A

Sanfilipo A

Heparán sulfato sulfamidasa

Retraso mental, deformidades esqueléticas, heparán sulfato en orina y tejidos.

III-B

Sanfilipo B

N-acetil glucosamidasa

III-C

Sanfilipo C

Acetil CoA: glucosamidaN-acetil transfersa

IV

Morquio

N-acetil galactosamina- No hay retraso mental, deformidades esqueléticas; queratán sulfato y 6-sulfatasa. condroitín sulfato en orina.

VI

MaroteauxLamy

N-acetilgalactosamina -4- sulfatosa (arilsulfatasa b)

VII

Trastorno sin nombre

a-glucuronidasa

VIII

Trastorno sin nombre

N-acetilglucosamina-6-sulfatasa

No hay retraso mental; deformidades esqueléticas graves; opacidad de la córnea; dermatán sulfato en la orina.

Tabla tomada con modificaciones de: Laguna-Pina, Bioq uímica, Ed. Salvat, 4a. Edición, pág. 185,1990.

En orina se detectan mucopolisacáridos como sulfato de dermatán y sulfato de heparán positivos. Enzima deficiente: alfa L-iduronidasa Tratamiento: No hay. Generalmente mueren antes de los 10 años. DISCUSIÓN: Es un trastorno hereditario y se manifiesta por alteraciones neruológicas, osteoartríticas, cardíacas y vasculares. Dependiendo de la deficiencia enzimática y del acumulo del mucopolisacárido, se han descrito 16 variedades clasificadas en 8 tipos. La alfa-L-iduronidasa es una exoglucosidasa lisosómica que separa el ácido L-idurónico del extremo no reductor de la cadena de polisacáridos. 6.5.2.2 Proteoglicanos Proteoglicanos. La mayor parte de los glucosarninoglucanos están fijados por su extremo reductor a una proteína. El sitio de unión de lleva a cabo sobre la función -OH de residuos de serina presentes en la cadena polipeptídica. El polipéptido que sirve de soporte se denomina "corazón del proteoglicano". Una forma de representar la estructura de un proteoglicano es la de un cepillo, del cual los glicanos constituyen las cerdas y el polipéptido la madera. Hacia un extremo del polipéptido, la longitud de las cadenas glicánicas es más baja y este extremo se une por uniones no covalentes a una molécula de ácido hialurónico, muy alargada, que sirve de nexo. Esta asociación está estabilizada poruña glucoproteína de unión, que enlaza a la vez al ácido hialurónico y a cada "corazón" de proteoglicano (fig. 6.34). La proteína representa sólo un 10-20% del peso de la molécula, mientras que el 80-90% restante es condroitín sulfato y en menor proporción quera tan sulfato.

6.5.2.3 Peptidoglkanos Son macromoléculas constituidas por cadenas de polisacáridos paralelas entre sí y unidas por cadenas peptídicas laterales. El disacárido que se repite está formado por Nacetilglucosamina y ácido N-acetilmurámico unidos por un enlace pl-4 glucosídico; un tetrapéptido formado por aminoácidos que dependen de la especie bacteriana de que se trate y un puente de pentaglicina (fig. 6.35). Los peptidoglicanos proporcionan a la pared bacteriana un soporte que protege a la bacteria de choques osmóticos, en virtud de que la concentración intracelular genera una presión osmótica que puede alcanzar las 20 atmósferas. La penicilina actúa como antibiótico inhibiendo la síntesis de los peptidoglicanos. La lisozima, enzima presente en las lágrimas y otras secreciones, hidroliza los enlaces pi-4 del polisacárido del peptidoglicano. Por otro lado, los peptidoglicanos son responsables de la especificidad antigénica bacteriana y su virulencia. 6.5.2.4. Glicoproteínas Es un grupo heterogéneo de proteínas que presentan una distribución universal; la gran mayoría de las proteínas de la membrana celular y de las proteínas secretadas por las cél u l a s son g l i c o p r o t e í n a s . S e l l a m a n genéricamente mucinas a las glicoproteínas ricas en glúcidos aisladas del mucus (secreción de las glándulas mucosas). A diferencia de los glucosarninoglucanos, las glicoproteínas carecen de ácidos urónicos y esteres sulfato. El mejor carácter distintivo es la presencia de ácidos urónicos en los proteoglicanos que no existen en las glicoproteínas. Las glicoproteínas están constituidas por m o n o s a c á r i d o s (galactosa, mañosa), aminoazúcares, desoxiazúcares y

agregado de protcogücanos • 1 |im-

Fig. 6.34. Estructura de un proteoglicano

sobre todo, ácido N-acetil-neuramínico (NANA). La fijación a la cadena polipeptídica se hace generalmente sobre la cadena lateral de un residuo de asparagina mediante

unión N-glucosídica; también puede unirse la cadena oligosacárida con el hidroxilo de serina o treonina mediante unión O-glucosídica (sobre todo en las mucinas) (fig. 6.36). Las glicoproteínas son generalmente extracelulares. En el plasma sanguíneo se encuentran más de 80 glucoproteínas diferentes con funciones muy precisas (Tabla 6.3) Las glicoproteínas se encuentran en la superficie externa de todas las membranas celulares. Se usa el término glucocáliz para referirse a la zona, rica en carbohidratos, de la superficie celular de eucariotas. Estas moléculas desempeñan un importante papel en el proceso de reconocimiento de las células entre sí y con otras, como bacterias y virus. Por ejemplo, los grupos sanguíneos del sistema ABO; los eritrocitos de individuos del grupo A poseen N-acetilgalactosamina y los del grupo B tienen galactosa como monosacárido terminal del oligosacárido antigénico; las personas AB tienen ambos monosacáridos, los cuales están ausentes en las personas del grupo O. (Fig. 6.37). Otras funciones de los oligosacáridos de superficie incluyen los contactos sinápticos

Fig. 6.1. Configuración espacial del D-gliceraldehído y del L-gliceraldehido.

óptica opuesta pero del mismo valor al observarlas en el polarímetro (Fig. 6.2) En el caso del gliceraldehído, la forma D, en la que por convención el hidróxilo se ubica a la derecha, tiene una rotación específica de +13.5° y la forma L, hidróxilo a la izquierda, tiene una rotación levógira de -13.5° (Fig. 6.3) Cuando se mezclan cantidades iguales de las formas D y L de cualquier isómero óptico se anula la rotación óptica; a estas mezcla sin actividad óptica se les denomina racematos o mezclas racémicas. Existen enzimas que invierten el giro de un isómero óptico transformándolo en el otro enantiomorfo que reciben el nombre genérico de racémosos. Dado que todos los monosacáridos pueden considerarse derivados del D- o del L-gliceraldehído, éste se toma como referencia. Así, todos los carbohidratos que poseen el penúltimo hidróxilo hacia la derecha (como el D-gliceraldehído) pertenecen a la serie D; si el hidróxilo queda a la izquierda, el carbohidrato pertenece a la serie L. En cambio, el

carácter dextrógiro se representa con el signo (+) y el levógiro con (-), independientemente de la configuración D o L. Por ejemplo, la fructosa que existe en la naturaleza es el isómero D (-), por lo que se conoce también como levulosa. Cabe hacer hincapié que la mayoría de los monosacáridos que se encuentran en la naturaleza pertenecen a la serie D, al contrario de lo que ocurre con los aminoácidos, cuyos isómeros naturales pertenecen a la serie L. Si el monosacárido posee más de un carbono asimétrico, el número de isómeros posibles es 2 n , siendo n el número de carbonos asimétricos. En las aldohexosas existen cuatro carbonos asimétricos, por lo que existirán 24 o 16 isómeros posibles (Fig. 6.4). Las formas L de los monosacáridos no son aprovechables por los organismos, a excepción de la L-fucosa, la L-ramnosa y la Lsorbosa, pero estas existen en poca cantidad. Las cetosas, en virtud de poseer menos carbonos asimétricos, existen en la naturaleza

Fig. 6.37. Antígeno del grupo sanguíneo A. * No presente en el grupo B.

entre neuronas, el rechazo de injertos, la falta de inhibición de crecimiento por contacto (observable en células cancerosas). Por último, una función particular de estos glúcidos es servir para reparar moléculas proteicas envejecidas. Al eliminarse el NANA del oligosacárido de superficie, el hígado reconoce estas proteínas, las fija sobre receptores específicos y las destruye.

Antes de que los carbohidratos de la dieta puedan ser absorbidos por el epitelio intestinal, es necesario que los polisacáridos, oligosacáridos y disacáridos sean hidrolizados hasta monosacáridos, los cuales se absorben directamente. Los principales monosacáridos producidos son glucosa, fructosa y galactosa. La transformación digestiva de los carbohidratos de la dieta es catalizada por enzimas hidrolíticas que, en conjunto, reciben el nombre de glucosidasas.

6.6 DIGESTIÓN V ABSORCIÓN DE CARBOHIDRATOS

6.6.1

La mayor parte de los carbohidratos de la dieta se encuentran como almidón procedente de cereales y la sacarosa; en menor proporción glucógeno, lactosa, glucosa, fructosa y una elevada proporción de celulosa, principal constituyente de la fibra no digerible. En la dieta occidental, 60% de las calorías totales deriva de los carbohidratos. De ellas, la mitad procede de azúcares simples (glucosa, fructosa, sacarosa, lactosa y cantidades ínfimas de trehalosa, mientras que el resto lo hace de carbohidratos complejos (celulosa, galactanos, mananos y, por supuesto, almidón).

La saliva, además de humedecer y lubricar el bolo alimenticio en virtud de su contenido en mucinas (2 g por litro), contiene una a-amilasa (ptialina) que hidroliza la molécula de almidón y de glucógeno hasta maltosa. Sin embargo, esto es de poca importancia debido al corto tiempo que puede actuar sobre los alimentos. Existe también una enzima, la lisozima, secretada por los macrófagos de las glándulas salivales. Esta enzima digiere el ácido murámico que constituye las paredes bacterianas. Sirve para la defensa del tubo digestivo contra la penetración de bacterias.

Digestión salival

En el estómago, el HC1 realiza la hidrólisis de disacáridos, pero su acción es poco importante debido al poco tiempo de permanencia de los disacáridos en este órgano. 6.6.2. Digestión pancreática e intestinal En el duodeno se vierte la secreción pancreática que contiene una a-amilasa pancreática (amilopsina) que, al igual que la salival, hidroliza sólo las uniones glucosídicas a l - 4 , siempre que no se encuentren próximos a la terminación de una cadena o a una ramificación (1-6). Como resultado de esta acción, el polisacárido se transforma en una mezcla de los oligosacáridos maltosa, isomaltosa, maltotriosa, y a-dextrinas. Para romper las ramificaciones se requiere de una amilo -1 -óglucosidasa. En el borde en cepillo de las células de la mucosa intestinal (yeyuno e Íleon) se en-

cuentran diversas hidrolasas u oligosacaridasas. La a-dextrinasa hidroliza los enlaces a 1 -6 de a-dextrinas y de isomaltosa; junto con una exo-1, 4-glucosidasa, que hidroliza oligosacáridos empezando por el extremo no reductor, y una maltasa, se completa la hidrólisis del almidón hasta glucosa. Otras hidrolasas, también ubicadas en el borde en cepillo, actúan sobre los disacáridos sacarosa y lactosa; se trata de la sacarasa y la lactasa cuyos productos de hidrólisis son glucosa, fructosa y galactosa (fig. 6.38). Maltasa, a-dextrinasa, sacarasa y lactasa no están libres en el intestino sino localizadas a nivel del borde en cepillo de las células intestinales. Pueden incrementarse las concentraciones de lactasa y sacarasa mediante la administración oral de lactosa o sacarosa. La trehalasa hidroliza la unión 1 -1 de la trehalosa, liberando moléculas de glucosa; la presencia de trehalasa en nuestro intestino puede representar un vestigio evolutivo de-

fructosa BORDE EN CEPILLO Fig. 6.38. Hidrólisis de oligosacáridos en la mucosa intestinal.

TRANSPORTE

rivado de la importancia de los insectos (la trehalosa es un disacárido de reserva en los insectos) en la dieta de algunos primates. Existen muchos carbohidratos indigeribles en la dieta humana por carecer de enzimas capaces de hidrolizarlos. Entre ellos se encuentra la celulosa, la inulina, el agar y otros heteropolisacáridos vegetales. Estos tienen interés dietético ya que facilitan el tránsito de las heces a través del intestino grueso. Recientemente se ha vinculado el cáncer de colon con hábitos dietéticos de bajo consumo en fibra. La lactosa de la leche también representa un carbohidrato no digerible para muchos adultos, debido a la pérdida de lactasa intestinal, que puede faltar totalmente en algunas razas como orientales y negros americanos.

te mecanismo. El transporte activo implica el "bombeo" de nutrimentos contra un gradiente de concentración y el consiguiente gasto de energía del ATP (acción dinámica específica). El sodio tiene un papel esencial en el transporte de agua, azúcares y aminoácidos. La energía requerida para el bombeo de sodio se aprovecha para el transporte de los otros nutrimentos, lo que permite el ahorro de energía. 4. Pinocitosis. Por este mecanismo la célula "bebe" una sustancia y la introduce al citoplasma. Parece que algunas grasas y proteínas intactas se absorben en esta forma, lo que explica la incidencia de alergia a ciertos alimentos. Los carbohidratos de la dieta se absorben exclusivamente en forma de monosacáridos. El transporte de monosacáridos a través de la membrana de las células epiteliales de la mucosa hacia el torrente sanguíneo se realiza mediante mecanismos de difusión pasiva 6.6.3 Absorción de monosacáridos a favor de un gradiente, aunque cuando esDe una manera general, los mecanismos tán más concentrados en sangre, se requiere de absorción de los nutrimentos pueden caer transporte activo dependiente de sodio, o por un proceso que implica metabolizar el dentro de estos cuatro grupos generales. 1. Difusión pasiva a través de poros. Las monosacárido en la propia célula que lo absustancias de bajo peso molecular como el sorbe. Se encontró que la velocidad de abagua y algunos electrólitos, se mueven libre- sorción de los monosacáridos en el lumen mente por difusión a favor de un gradiente intestinal presenta los siguientes valores rede concentración. El tamaño molecular de la lativos, dando a la glucosa el valor de 100: mayor parte de los nutrimentos es demasiado grande para difundir por los poros. D-galactosa 110 D-manosa 19 2. Difusión facilitada por transportadores. D-glucosa 100 D-xilosa 15 Los nutrimentos solubles en agua no pueden D-fructosa 43 D-arabinosa 9 penetrar en la membrana lipídica y tienen que unirse a "transportadores" que les faciliEvidentemente la glucosa es el monosacátan el cruce. En la difusión pasiva y la difu- rido más estudiado por ser el más abundante sión facilitada, los nutrimentos se mueven a y porque tiene las mayores implicaciones favor de un gradiente de concentración. metabólicas en el organismo. Cuando se igualan las concentraciones en la circulación y el lumen, los nutrimentos ya no difunden y permanecen en el tracto intes- 6.6.4 Defectos en la digestión y absorción tinal hasta ser excretados por las heces, lo de carbohidratos que representa un desperdicio. No es lo mismo malabsorción de carbohi3. Transporte activo. Es probable que la mayoría de los nutrimentos se absorba por es- dratos que intolerancia a los carbohidratos.

Malabsorción es la imposibilidad de absorber correctamente los carbohidratos; intolerancia es el conjunto de síntomas intestinales que acompañan a la malabsorción. Las causas de la malabsorción pueden ser una deficiencia enzimática de origen genética (deficiencia primaria) o inducida por alguna enfermedad (deficiencia secundaria). El defecto más común es la deficiencia de lactasa. La actividad de esta enzima es abundante al nacimiento, se mantiene durante la lactancia y disminuye notablemente al .destete. En algunos niños se presenta una diarrea muy intensa por deficiencia de lactasa, que no desaparece hasta eliminar la leche de la dieta. A veces se manifiesta en niños una deficiencia de a-amilasa pancreática que les impide ingerir almidones en los primeros meses de vida; esto no ocurre en adultos, que normalmente tienen exceso de dicha enzima. Puede existir deficiencia hereditaria de sacarasa e isomaltasa en niños. Los síntomas son los mismos que los descritos para la deficiencia de lactasa. La sintomatología, que es común a cualquier deficiencia de disacaridasas, es consecuencia de la acumulación de disacáridos en el intestino que produce un efecto osmótico y estímulo del peristaltismo que da lugar a diarrea con pérdida de líquido y electrólitos. El acumulo de disacáridos produce también un aumento en la actividad fermentativa de las bacterias intestinales que produce gas (flatulencia y meteorismo) y, con ello, mayor malestar.

6.7 TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DE CARBOHIDRATOS Una vez que se han absorbido a través de la mucosa intestinal, los monosacáridos son transportados por vía sanguínea portal hasta el hígado. Este órgano, como la torre de control de un aeropuerto, ejerce el control de los

caminos que la glucosa (y otros nutrimentos) deben seguir. En el hígado es metabo1 izado más del 60% de los carbohidratos de la dieta. El resto pasa a la sangre sistémica. La concentración intracelular de glucosa en hígado es prácticamente la misma del plasma y es independiente de la insulina. Las células hepáticas parecen ser libremente permeables a la glucosa, mientras que las células de los tejidos extrahepáticos son relativamente impermeables. El propósito de las transformaciones que se llevan a cabo en hígado' son regular el nivel sanguíneo sistémico (homeostasis de la glucosa) y sintetizar ciertos compuestos esenciales a partir de ésta. Por esta razón, el hígado se encuentra bajo la influencia de hormonas pancreáticas, suprarrenales, hipofisiarias y tiroideas. Actúa como reservorio primario de combustible convirtiendo la glucosa en glucógeno, polisacárido de almacenamiento.

6.7.1 Fosforilación e interconversión de hexosas Una comida típica contiene almidones, sacarosa y lactosa, lo que representa una entrada de galactosa, fructosa y glucosa al hígado. En tanto que la glucosa se eleva en sangre, poco después de ingerir alimentos, fructosa y galactosa rara vez son detectables en sangre periférica debido a la eficiente conversión hepática de estos monosacáridos en glucosa. Para ello deben previamente ser fosforilados mediante reacciones endergónicas catalizadas por hexocinasas. Las hexocinasas se encuentran presentes en todas las células con actividad glucolítica. tienen gran afinidad para la glucosa pero escasa especi-

fícidad para este monosacárido, ya que también catalizan la fosforilación de otras hexosas (fructosa, galactosa y mañosa, por ejemplo). En el hígado se ha descubierto otra enzima, la glucocinasa, específica para la glucosa, pero con poca afinidad por ésta. Existen la fructocinasa y galactocinasa específicas para el correspondiente monosacárido (fig. 6.39). En tanto que las hexocinasas se encuentran a nivel constante en las células (enzimas constitutivas), la glucocinasa es inducida en el hígado por insulina, de forma que su concentración hepática en la diabetes y en el ayuno está severamente disminuida. Por otra parte, la actividad hexocinasa está sujeta a inhibición por el producto de la reacción, la glucosa-6-fosfato, inhibidor alostérico de la enzima; por el contrario, la actividad glucocinasa no es inhibida por la glucosa-6-fosfato (fig. 6.40). La conversión de fructosa-6-fosfato en glucosa-6-fosfato es una reacción reversible catalizada por la fosfoglucoisomerasa:

La conversión de galactosa en glucosa-6fosfato implica varios pasos intermedios (fig. 6.41). La conversión de fructosa y galactosa en glucosa-1-fosfato o glucosa-6-fosfato requiere de mecanismos homeostáticos de regulación que determinan el destino último de los carbohidratos. Por ejemplo, si las células del organismo están cargadas de glucosa y sus intermediarios, el exceso es desviado hacia la formación de glucógeno para su almacenamiento. La galactosa puede

Fig. 6.39. Fosforilación de hexosas. Reproducida con autorización.

Fig. 6.40. Efecto de la insulina sobre la captación y utilización de glucosa. Reproducida con autorización de: R. Montgomery y cois., Biochemistry. A caso-oriented approach. 4* edición, pág. 333, St. Louis, 1983, C. V. Mosby Co.

convertirse en glucosa-1-fosfato y no en glucosa-6-fosfato en las células hepáticas. Por otra parte, si se necesitaran de inmediato los hidratos de carbono para la producción de energía, la galactosa puede convertirse en glucosa-6-fosfato o la fructosa en fructosa1,6-difosfato. La importancia que tiene la interconversión de hexosas es el de constituirse en fuente de carbono para la biosíntesis de glucosa, ya sea que se utilice como material energético o para su depósito en forma de glucógeno. Es decir, en ausencia de glucosa, la fructosa y galactosa pueden ser utilizadas, previa interconversión. La regulación de esta importante vía de interconversión, está sujeto a las necesidades del hepatocito. 6.7.1.1 Galactosemia La utilización de la galactosa se distingue del metabolismo de la glucosa en tres reacciones enzimáticas. Algunas enzimas del metabolismo de la galactosa se han encon-

trado en diversos tejidos; el órgano más importante en el metabolismo de la galactosa es el hígado. Además, los ríñones podrían tener cierta importancia. Las enzimas para el metabolismo de la galactosa existen también en los hematíes. Son importantes para la demostración de los defectos enzimáticos y no es necesario investigar por biopsia hepática; se pueden comprobar los defectos enzimáticos en los hematíes. Los dos trastornos fundamentales conciemen a la galactocinasa y a la uridil transferasa. El déficit de la primera enzima, la galactocinasa, es causa de que la galactosa no pueda ser metabolizada. Con ello el defecto enzimático corresponde al de la fructosuria esencial. Pero la enfermedad no evoluciona tan inocuamente. La galactosa es absorbida rápidamente en el intestino utilizando procesos de transporte activo en contraste con la fructosa. En el déficit de galactocinasa, la galactosa administrada por vía oral se excreta prácticamente toda como galactosa y galactitol por la orina. La síntesis del polialcohol ga-

lactitol es catalizada por la aldosarreductasa inespecífica. Esta enzima existe en actividad relativamente alta en el SNC. La formación de galactitol o dulcitol es causa de la opacidad del cristalino que destaca en el primer plano de las manifestaciones clínicas y de las alteraciones cerebrales. Administrando galactosa a ratas se consigue provocar cataratas por aumento de galactitol en el cristalino. Con la oportuna supresión del monosacárido no quedan secuelas. En general es reversible cuando no ha progresado excesivamente. El defecto enzimático en la siguiente fase metabólica, las transformación de la galactosa 1-fosfato en UDP-galactosa, tiene analogía con la intolerancia hereditaria a la fructosa y consecuencias de déficit de mucho mayor gravedad. Como sea que todavía es posible la fosforilación de la galactosa, aumenta la galactosa-1-fosfato. En conse-

cuencia se originan graves lesiones hepáticas. A los pocos días de iniciada la administración de lactosa con la leche aparecen los primeros síntomas: vómitos y convulsiones generalizadas, falta de aumento de peso y rápido desarrollo de una ictericia grave son síntomas típicos del curso fulminante. Si se mantiene la administración de lactosa, la muerte sobreviene al cabo de una a tres semanas. En un déficit de la uridil transferasa se excretan por orina junto con grandes cantidades de galactosa y galactitol también aminoácidos y albúmina. La lesión renal inespecífica es seguramente consecuencia del incremento de la galactosa 1-fosfato. Es de esperar que, dada la existencia en las células epiteliales renales de sistemas de transportes activos para la galactosa, se produzca allí con particular rapidez un fuerte aumento de galactosa. El cuadro completo con

hepatoesplenomegalia (en los casos avanzados con cirrosis hepática) y disfunción renal se parece al cuadro patológico observado en la tirosinemia. Pero se comprueban además lesiones cerebrales. Tras la administración de galactosa puede aparecer hipoglucemia. Sin embargo, la glucemia no desciende tan fuertemente como en los intolerantes para la fructosa. La única terapéutica posible muy fácil consiste en ambas enfermedades en una alimentación sin galactosa, es decir exenta de la lactosa. Este tratamiento es posible sin gastos especiales y se puede mantener durante largo tiempo. Dado que no son necesarios importantes cambios en la alimentación, se puede considerar al tratamiento de tales enfermedades metabólicas como benigno. Sin embargo en el déficit de uridil transferasa es necesario un diagnóstico particularmente rápido para impedir las lesiones hepáticas de aparición precoz. Si el niño ingiere una dieta libre de galactosa (leche Al-110 de nestlé) se previenen los síntomas y la galactosa necesaria para la síntesis de membranas, cerebrósidos, glicoproteínas y otros se forma a partir de glucosa por medio de la 4 epimerasa UDP-Glu

£ UDP-gal

Además, en la adolescencia se desarrolla cierta capacidad para metabolizar la D-galactosa por medio de una enzima inducible que es la UDP-Gal pirofosforilasa. UTP + galactosa 1-P

£ UDP-gal + PPi

MODELO CLÍNICO: GALACTOSEMIA Paciente femenino de un mes de edad; refiere la madre que observó inicialmente una coloración amarillenta en la piel, falta de apetito y pérdida de peso posterior a la ingesta de alimentación láctea.

A la exploración física se encontraron las conjuntivas ictéricas, orofaringe mal hidratada, hepatomegalia y distensión abdominal. El médico tratante diagnosticó galactosemia solicitando pruebas de laboratorio, cuyos resultados fueron los siguientes: Galactosa-1 -P uridil transferasa en eritrocitos: Ausente. Bilirrubinas en sangre; elevadas. Estudios complementarios: Valoración neurológica y oftalmológica: Detección de portadores heterocigotos que presentan el 50% de la actividad normal de la galactosa-1-fosfato uridil transferasa en eritrocitos. Conducta terapéutica: se utilizó una fórmula no láctea (SOBEE) que consiste en soya preparada en polvo, una cucharada por c/30mldeagua. 6.7.1.2 Fructosuria esencial La frustosuria esencial se había descrito anteriormente con relativa frecuencia. Marble, entre 29,000 enfermos con melituria descubrió 4 casos de fructosuria. Cuando anteriormente se recurría a las pruebas de reducción inespecíficas habituales con fines analíticos en la orina no era raro que se estableciese el diagnóstico erróneo de diabetes mellitus. Sin embargo, en la actualidad para la demostración cualitativa de la glucosuria se emplean métodos específicos de determinación de la glucosa. Con ello, no se pueden captar ya las meliturias que no sean causadas por la glucosa y pasan, por tanto, inadvertidas con frecuencia. En ausencia de la fructocinasa no es posible la utilización de la fructosa por el hígado. La fructosa administrada por vía oral es excretada en gran parte por la orina (entre el 10 y el 40%). El déficit enzima tico no produce síntomas. No parece tener importancia fisiopatológica la transformación de la fruc-

tosa en sorbitol. La excreción de fructosa solamente cuando se administra fructosa en forma de sacarosa. Al administrar fructosa aumenta su concentración en la sangre hasta cifras mucho más altas que en las personas con metabolismo normal. Como sea que la fructosuria no causa lesiones, no se requiere tratamiento. 6.7.13 Intolerancia hereditaria a la fructosa

La degradación de la fructosa tiene lugar principalmente en el hígado, con su fosforilación a través de la fructocinasa en fructosa 1-fosfato. Esta fructosa 1-fosfato no puede transformarse directamente en fructosa 1,6difosfato. Tiene que desdoblarse prevamente mediante la fosfofructcaldolasa en dihidroxiacetonafosfato y gliceraldehído. A partir de ahí, tiene lugar la posterior transformación en fructosa 1,6 difosfato (fig. 6.42). En el corto tiempo que la fructosa circula en sangre antes de ser utilizada por el hígado, otros tejidos extrahepáticos como el adiposo y muscular la utilizan.

En la deficiencia de los enzimas 2 y 3, la fructosa después de una carga de 3 g por m2 de superficie, muestra un pico en 15 min, y tarde en desaparecer 2 l/2 hs. La hipoglucemia es marcada por inhibición de la fosforilasa hepática a cargo de fructosa 1-P y fructosa 1,6 di-P (fig. 6.42). En el tipo 1 no hay hipoglucemia porque no se forman fructosas fosfatadas. En la intolerancia hereditaria a la fructosa se trata de un cuadro patológico primeramente descrito por Froesch y Cois, cuya causa reside en un déficit congénito de la enzima 1-fosfofructoaldolasa. Contrariamente a la llamada fructosuria benigna, no está alterada la fosforilación de la fructosa. La fructosa 1-fosfato que se acumula disminuye la gluconeogénesis en el hígado, a través de una inhibición de la fructosa 1,6 difosfatoaldolasa. Además está probablemente inhibido el desdoblamiento de glucógeno. En conjunto está alterada la homeostasis de la glucosa en todo el organismo. Por lo tanto, una consecuencia de la administración de fructosa a tales enfermos es la hipoglucemia que puede ocasionar incluso la inconsciencia; simultáneamente, tras la

administración de la fructosa hay un rápido descenso del fosfato inorgánico más acentuado que en los sujetos sanos. Esta enfermedad se hereda al parecer como un rasgo recesivo autosómico y es una afección bastante rara. En niños pequeños, tras la administración de fructosa se observan hipoglucemias con cifras de glucemia inferiores a 10 mg por 100 mi. En cambio, en los adultos con intolerancia las hipoglucemias son menos importantes. Sin embargo, con cifras de glucemia entre 40 y 50 mg/100 mi aparecen síntomas de choque evidentes, que se eliminan administrando glucosa. Como sea que con iguales cifras de glucemia, en personas con metabolismo normal que sirven de comparación, no se observan síntomas de choque, es probable que en el choque consecutivo a la administración de fructosa participen además otros factores. Corren particular peligro los niños pequeños, toda vez que en ellos los síntomas de choque hipoglicémicos se manifiestan muchas veces de una manera poco clara. Las lesiones cerebrales, son consecuencia de las frecuentes hipoglicemias producidas en la infancia por la administración de fructosa. El pronóstico es bueno cuando el diagnóstico se establece precozmente y los enfermos se alimentan sin fructosa, miel, sacarosa ni sorbitol, de lo contrario, las consecuencias son una distrofia y lesiones cerebrales y hepáticas. A menudo no se tiene en cuenta la estricta contraindicación para la administración de sorbitol. Tanto en los enfermos con intolerancia para la fructosa como en los que presentan fructosuria se transforma todavía una parte de la fructosa en el organismo. Es posible que la fructosa sea fosforilada mediante la hexocinasa en fructosa 6-fosfato. Con todo, la afinidad de la hexocinasa para la fructosa es muy baja. Al tener la glucosa una afinidad mucho mayor, altera la utilización de la fructosa.

6.7.2 Síntesis y degradación de glucógeno Como ya se ha mencionado anteriormente, el hígado es un reservorio de carbohidratos al convertir la glucosa (y otros monosacáridos previamente interconvertidos en glucosa) de la dieta en glucógeno. Este proceso biosintético se conoce como glucogenosíntesis (o glucogénesis). Una vez formado, el glucógeno es una fuente disponible de glucosa mediante un proceso de movilización llamado glucogenólisis. Ambos procesos no son simplemente la inversa de una misma vía sino dos procesos independientes. La síntesis de glucógeno ocurre en todos los tejidos del cuerpo, pero es más activa en hígado y músculo. Los dos primeros pasos de la biosíntesis de glucógeno corresponden a la formación de glucosa-1-fosfato (fig. 6.43). A continuación se forma el uridindifosfato de glucosa (UDPG) que representa un donador de glucosilos en otros procesos biosintéticos además del glucógeno (fig. 6.44). El grupo glucosilo del UDPG se transfiere al residuo de glucosa terminal del extremo no reductor de una cadena lineal {cebador) para formar un enlace a 1-4 glucosídico. El cebador puede ser una poliglucosa o un oligoglucosacárido de por lo menos cuatro residuos (fig. 6.45). La glucógeno sintetasa no puede formar los enlaces a 1-6 de los puntos de ramificación del glucógeno. Para ello se requiere otra enzima, la amilo-1, 4 -* 1,6-transferasa (enzima ramificante). Esta enzima cataliza la transferencia de 5 a 9 residuos de glucosa a un punto alejado 4 a 6 residuos de otra ramificación, lo que produce un patrón arboriforme en el glucógeno (fig. 6.46) La importancia biológica de la ramificación es hacer la molécula de glucógeno afectada en su solubilidad, que no contribuye con las propiedades osmóticas del citosol, así como incrementar el número de sitios (no reductores) sobre los que pueden

actuar las enzimas biosintéticas (sintetasa) y degradante (fosforilasa). La existencia de ramificaciones explica así que el glucógeno sea catabolizado o sintetizado rápidamente. La principal reacción de movilización del glucógeno consiste en la ruptura de uniones al-4 catalizada por la glucógeno fosforilasa con participación de fosfato inorgánico, de ahí el nombre áefosforólisis para esta reacción. Esta enzima acorta las cadenas de glucógeno eliminando restos glucosilo del extremo no reductor en forma de glucosa-1fosfato (fig. 6.47) La reacción catalizada por la fosforilasa es reversible in vitro; sin embargo, in vivo,

la relación fosfato inorgánico/glucosa-1fosfato es de 100/1, lo que desplaza la reacción hacia la formación de glucosa-1-fosfato y la hace prácticamente irreversible. La acción de la fosforilasa se produce en todas las cadenas externas (ramas) hasta quedar cuatro unidades de glucosa en cada ramificación. Al glucógeno degradado hasta este límite de cuatro residuos por rama se le llama dextrina límite. Como la fosforólisis no puede continuar hasta que no se elimine la ramificación, se requiere la participación de otra enzima, la enzima desramificante que actúa en dos etapas: primero actúa como una a-1,4-glucan-

Fig. 6.47. Acción de la fosforilasa.

transferasa y transfiere tres de los residuos remanentes al extremo de otra rama; en la segunda etapa actúa una amilo 1,6-ct-glucosidasa que hidroliza el residuo que permane-

cía unido por enlace a 1-6 para dar glucosa libre (fig. 6.48). La acción conjunta de la fosforilasa y la enzima desramificante permite que los resi-

dúos de glucosa unidos por enlaces a 1-4 aparezcan como glucosa-1-fosfato (93%) y los que estaban unidos por enlaces a 1-6 (7%) sean liberados como glucosa libre. En el hígado, la degradación de glucógeno prosigue hasta la formación de glucosa libre que es liberada a la circulación sanguínea (fig. 6.49). En otros órganos, en particular en el músculo, la glucosa-6-fosfato es utilizada en es-

te tejido por la vía de la glucólisis. El músculo carece de glucosa-6-fosfatasa y no libera glucosa libre a partir de glucógeno. Los lisosomas contienen una a-glucosidasa activa en medio ácido capaz de hidrolizar polisacáridos con uniones a-glucosídicas. Es activa sobre el glucógeno, sobre todo aquel que lleva mucho tiempo en la célula sin movilizarse, y también sobre la maltosa

(por lo que también se le conoce como maltasa acida). La carencia de esta enzima provoca la glucogenosis tipo II (ver adelante) 6.7.3 Regulación del metabolismo del glucógeno La biosíntesis y degradación del glucógeno se realiza por dos vías metabólicas diferentes; esto permite sistemas muy finos de ajuste del flujo metabólico, sobre todo en hígado y músculo, tejidos donde más abunda este polisacárido. Si las reacciones de síntesis y degradación funcionaran simultáneamente, el resultado sería un ciclo fútil que continuamente estaría hidrolizando ATP. Por tal motivo, las dos vías deben ser reguladas de manera que no actúen al mismo tiempo. Las enzimas clave son la glucógeno sintetasa para la vía sintética y lafosforilasa (muscular o hepática) para la degradación (fig. 6.50). La regulación se basa en controlar ambas enzimas de manera que cuando la sintetasa se encuentre activa la fosforilasa esté inactiva, y viceversa. Existen dos importantes mecanismos de control, ambos interdependientes uno del otro: uno se lleva a cabo por efectores alos-

téricos y el otro por sistemas de fosforilación y desfosforilación (con participación hormonal). La fosforilación de lleva a cabo por cinasas, con transferencia de fosfato del ATP. Estos grupos fosforilo son eliminados por fosfatasas. La fosforilación activa a la fosforilasa e inactiva a la glucógeno sintetasa, mientras que la eliminación del fosfato activa a la glucógeno sintetasa e inactiva a la fosforilasa. Como ambas reacciones ocurren simultáneamente, la fosforilación provoca la degradación del glucógeno, mientras que la desfosforilación conduce a su síntesis. La fosforilasa está compuesta por dos subunidades idénticas. Cada subunidad posee 4 dominios además del centro activo, un sitio para unirse al glucógeno, otro para la glucosa, un sitio activador al cual se une el AMP y un centro inhibidor. En el sitio activo se encuentra una molécula de fosfato de piridoxal (PPal) que juega un papel único, formando un intermediario pirofosfato que no se realiza con ninguna otra enzima. La enzima está sujeta a inhibición alostérica por glucosa y ATP y activación alostérica por AMP, aunque este control alostérico se considera "primitivo". La fosforilasa existe en dos formas: una activa o forma a y una forma b o inactiva. La

forma b se vuelve activa por fosforilación de cada monómero en un residuo de serina en posición 14. Ambas formas se interconvierten por acción de la fosforilasa cinasa y de l&fosfoproteína fosfatasa. La fosforilasa cinasa convierte la forma inactiva (b) en la forma activa (a) por fosforilación; es una enzima formada por 4 subunidades distintas (a p y 6)4, donde la subunidad 5 es la calmodulina (proteína moduladora de Ca++). A su vez, la fosforilasa cinasa existe en dos formas: activa (a) e inactiva (b). La fosforilación de esta enzima, que la transforma en forma activa (fosforilasa), se realiza por una proteincinasa dependiente del AMPc (adenosinmonofosfato cíclico), bajo el control de la adrenalina (o el glucagon). Tanto el AMPc como al Ca++ se les considera "segundos mensajeros" de la acción hormonal. El sistema de activación completo se inicia con la unión de la hormona a su receptor membranal, el cual está acoplado con la odenilciclasa. La adenilciclasa transforma al ATP en AMPc, el cual se une a la subunidad reguladora (R) de la proteincinasa y libera la subunidad catalítica (C) (fig. 6.51). A continuación se desencadena la fosforilación de la fosforilasa cinasa, la cual a su vez fosforila a la fosforilasa b, que se activa a la forma a y finalmente, el glucógeno se degrada a glucosa -1-fosfato. Este mecanismo en cascada representa un buen ejemplo de amplificación de la fosforólisis del glucógeno estimulado por la adrenalina, (fig. 6.52).

Este sistema de cascada es tan rápido, debido al mecanismo de amplificación, que todo el glucógeno almacenado en las fibras musculares blancas puede ser completamente movilizado en unos cuantos segundos. La inactivación de este sistema se realiza por diferentes enzimas: una fosfodiesterasa que hidroliza el AMPc en AMP; Xa fosforilasa cinasa fosfatasa y la fosfoñlasa fosfatasa. La hidrólisis del AMPc por la fosfodiesterasa asegura que sus potentes efectos se ejerzan solo durante el periodo en que son necesarios. La fosforilasa fosfatasa es activada por la insulina que se opone así al catabolismo del glucógeno muscular. En cuanto a la enzima biosintética, la glucógeno sintetasa, se efectúa un mecanismo de control a nivel del hígado y del músculo. La glucógeno sintetasa está formada por dos o más subunidades sin grupo prostético. Existe en dos formas; una se designa D o dependiente de glucosa-6-fosfato, la otra se designa forma I porque es activa en ausencia de la glucosa-6-fosfato (estos son los nombres antiguos para las formas de la enzima). La forma D corresponde a la forma b o forma inactiva mientras que la forma I corresponde a la forma a, activa. Las cinasas capaces de fosforilar a la glucógeno sintetasa son las siguientes: la glucógeno sintetasa cinasa dependiente de AMPc, fue la primera descubierta; otras cinasas son dependientes de calcio y calmodulina y la proteincinasa C, dependiente de calcio y fosfo-

Fig. 6.52. Glucogenólisis en cascada. Si cada uno de los pasos representa un factor de amplificación de 100, el conjunto provocaría una amplificación de 100 millones.

lípidos (esta última no debe ser confundida La fosforilación por cinasas que contiecon la subunidad catalítica (C) de la protein- nen calmodulina hace que la inactivación de cinasa dependiente de AMPc) (fig. 6.53). la glucógeno sintetasa sea sensible a los

Fig. 6.53. Cascada de inactivación de la glucógeno sintetasa muscular por adrenalina.

cambios en los niveles de calcio que se producen durante la contracción muscular. La activación de la glucógeno sintetasa está asegurada por dos fosfatasas: la fosfodiesterasa que inactiva al AMPc y una proteinfosfatasa que desfosforila a la enzima. Esta útlima es activada por el cortisol y la insulina, que favorecen así la síntesis de glucógeno. Es importante señalar que la activación del sistema degradativo y viceversa. Además, la fosfatasa de ambas enzimas, fos-

forilasa y sintetasa, es la misma, la cual inactiva a la primera y activa a la segunda. A esta regulación por fosforilación/desfosforilación se agrega un mecanismo de control alostérico. La glucosa-6-fosfato es un poderoso activador de la enzima, mientras que ATP, ADP y UDP son inhibidores. En cambio, la forma a es activa cualquiera que sea la concentración de glucosa-6fosfato. La forma desfosforilada (inactiva) es más activada por glucosa-6-fosfato y me-

nos inhibida por ATP que la forma fosforílada. Es importante también mencionar que el glucógeno a altas concentraciones es capaz de inhibir en el músculo, la desfosforilación de la enzima lo que permite explicar por qué no se almacenan grandes cantidades de glucógeno en músculo a pesar de ingerir dietas ricas en carbohidratos. Por otro lado, el glucógeno es un material altamente hidrófilo que al almacenarse inmoviliza una cantidad importante de agua. Esta es otra de las razones por las que las reservas de glucógeno son limitadas y, a partir de un cierto punto, el exceso de glucosa ingerida se almacena en forma de triglicéridos muy hidrófobos que no requieren agua de hidratación. 6.7.4 Glucogenosis Con este nombre se designa a un grupo de enfermedades congénitas que afectan a la síntesis o degradación del glucógeno y que se caracterizan por depósitos del polisacárido con estructura normal, cuando se afectan las enzimas relacionadas con su degradación, o anormal, cuando existen defectos en las enzimas ramificante o desramificante. Según la enzima faltante (fig. 6.54 y tabla 6.4), las glucogenosis se clasifican en diferentes tipos (clasificación de Cori). Tipo I. Enfermedad de Von Gierke (glucogenosis hepatorrenal) Este defecto es el primer error congénito descrito en el hombre. Como la glucosa-6fosfatasa solamente se ha demostrado en el hígado, riñon, intestino y células insulares del páncreas, sólo estos órganos resultan afectados. El síntoma predominante es la hipoglucemia. En niños afectados se encontraron cifras de 0-15 mg/100 mi en la glucosa sanguínea. Si el niño sobrevive a los 6 años, mejora la hipoglucemia (20-30 mg por 100 mi). Este acostumbramiento se debe al uso

de cuerpos cetónicos por parte del sistema nervioso central. La hipoglucemia crónica provoca movilización de grasas (hiperlipemia), esteatosis hepática que contribuye a la hepatomegalia por acumulación de glucógeno y cetosis. Se ha observado que la hiperlipemía tiene semejanza con la hiperlipemia diabética la cual representa, sin embargo, un mecanismo compensador ya que los órganos periféricos reciben poca glucosa y tienen que recurrir a los ácidos grasos libres (AGL) como fuente de energía. Es frecuente la lactacidosis ya que este ácido no puede ser usado por el hígado para gluconeogénesis. Esta acidosis, reforzada por cetoacidosis, da lugar a hiperuricemia por restricción de la excreción renal de ácido úrico. Con frecuencia la gota es la segunda enfermedad en la de Gierke. El daño cerebral o muscular por la hipoglucemia es raro y generalmente reversible. La prueba de tolerancia a glucagon o adrenalina es característica del Von Gierke. Los enfermos generalmente son obesos y de baja estatura. El tratamiento es sintomático a base de comidas pequeñas y frecuentes, pobres en grasa. La hiperlipemia no requiere tratamiento farmacológico pero si la hiperuricemia. Tipo II. Enfermedad de Pompe. (glucogenosis generalizada) Se caracteriza por falta de la al,4-glucosidasa lisomal (maltasa acida), que además de degradar glucógeno a glucosa libre, degrada a la maltosa, de ahí su nombre. Este sistema enzimático está ligado a la fosforilasa, de manera que cuando la fosforilasa no degrada al glucógeno, éste se convierte en material indigerible que es tomado por los lisosomas y desdoblado en su interior hidrolíticamente. El órgano más afectado es el corazón con cardiomegalia seguida por discreta hepatomegalia. También se acumula glucógeno en

Fig. 6.54. Sitios de acción de las enzimas afectadas en los diferentes tipos de glucogenosis. Los valores numéricos corresponden a la enzima defectuosa según la tabla 6.4.

Reproducido con autorización, de Mehnert, H. y Fórster, H. Enfermedades del Metabolismo, pág. 346, 1977, Stuttgart, Georg Thieme Verlag.

músculo, riñon, corteza suprarrenal, páncreas e incluso médula ósea, ganglios linfáticos y timo. Los síntomas incluyen vómitos, anorexia y adinamia que puede conducir erróneamente a diagnóstico de miotonla congénita. El pronóstico es grave ya que no existe posibilidad terapéutica y la muerte ocurre por insuficiencia cardíaca. Los pacientes rara vez sobreviven 2 años.

Tipo III. Enfermedad de Cori (dextrinosis límite) Debido a la falta de enzima desramificante (amilo al,6-glucosidasa) se acumula un glucógeno muy ramificado llamado dextrina límite. La hipoglucemia es poco marcada. Rara vez existe acidosis, hiperlipemia o hiperuricemia. Hay baja respuesta a adrenalina o glucagon pero sí hay respuesta con fructosa o galactosa. No se presenta el au-

mentó de láctico en la prueba de la adrenalina. En la prueba de glucagon, después de ayuno corto se observa hiperglucemia, no así después de un ayuno largo. El pronóstico es favorable y, en general, no se requiere tratamiento. Tipo IV. Enfermedad de Andersen (amilopectinosis) Con la ausencia de enzima ramificante (amilo a 1,4- al,6-transglicosidasa) no se forman nuevos sitios de ramificación y el glucógeno adquiere la forma de la amilopectina del almidón. La glucemia en ayunas es normal pero la respuesta a adrenalina o glucagon es baja. Destaca la hepatosplenomegalia con aparición precoz de cirrosis hepática. El pronóstico es desfavorable en extremo y no existe tratamiento. Tipo V. Síndrome de McArdle (fosforilasa muscular) La enzima faltante es la miofosforilasa y el glucógeno muscular está aumentado 10 veces lo normal. Como la fosforilasa hepática es normal, la respuesta a adrenalina o glucagon es también normal. La baja tolerancia al ejercicio puede conducir al diagnóstico erróneo de miastenia. También se afecta el miocardio y aparece taquicardia con los esfuerzos ligeros. El paciente aprende, sin embargo, a regular su ejercicio. Simplemente como hallazgo no patognomónico se ha reportado mioglobinuria-. El pronóstico es favorable, no se requiere tratamiento dietético y quizá sea conveniente que los enfermos tomen glucosa cuando realicen trabajos físicos. Tipo VI. Enfermedad de Hers (fosforilasa hepática) La enfermedad no es tan grave como el Von Gierke. No hay gluconeogénesis. Hay hepatomegalia y cetosis benignas. Falta además la fosforilasa de leucocitos pero no está

alterada en éstos la concentración de glucógeno. El pronóstico es favorable y no se requiere tratamiento. Tipo VIL Enfermedad de Tarui. Falta de fosfofructocinasa muscular) Es similar a la falta de fosforilasa muscular ya que en músculo no hay glucosa-6-fosfatasa y el corto circuito de la glucosa-6-fosfato vía pentosas llega al mismo punto. Tipo VIII. Falta de fosforilasa cinasa hepática. Como la fosforilasa hepática no fosforilada es inactiva, un déficit de la fosforilasa cinasa conduce a inhibición en el desdoblamiento de glucógeno hepático. Se presenta hipoglucemia, hepatomegalia y aumento de glucógeno hepático como la tipo VI. Actualmente se dispone de dietas sintéticas para el tratamiento de las glucogenosis a base de polisacáridos de 4-20 unidades, todos los aminoácidos y grasas (Bivonex). La alimentación diurna se lleva a cabo cada 3 horas con Maltadex y, en la noche, con sonda nasogástrica y bomba peristáltica se administra Bivonex. El tratamiento es por toda la vida; ya en la adolescencia hay estabilización metabólica. Se deberá evitar la ingestión de todos los disacáridos. Posteriormente se podrán ingerir frutas, caramelos, lactosa, etc., ya que se toleran bien. Deberán vigilarse las infecciones ya que conducen a acidosis láctica. En enfermos con glucogenosis tipos III y IV el tratamiento cortisónico normaliza la glucosa-6-fosfatasa que también está disminuida; este efecto de la cortisona se atribuye a inducción enzimática. Finalmente, se debe mencionar que existen informes de algunas deficiencias de adenilciclasa y de proteincinasa dependiente de AMP cíclico. MODELO CLÍNICO: Glucogenosis tipo I (Enfermedad de Von Gierke) Paciente masculino de un año de edad, con notable retraso en el desarrollo y creci-

1 CHO 2 CH-OH 3 CH2-OH D-gliceraldehído (+ 13.8°)

i

i

i

CHO HO-CH CH-OH CH2-OH

1 CHO 2 CH-OH 3 (JH-OH 4 CH2-OH D - eritrosa (-24.6°)

D - treosa (-4°)

11

_L

CHO HÓ-CH HO-CH CH-OH CH2-OH D-lix osa (-14°)

I

l

CHO QH-OH HO-CH CH-OH CH2-OH

CHO HO-CH CH-OH CH-OH CH2-Or-

D - xilosa (+19o)

D - arabinosa (-105°)

1 CHO CH-OH HO-CH HO-CH QH-OH CH2-OH D - galactosa (+80.5°)

1 2 3 4 5

CHO HO-CH HO-QH CH-OH CH-OH CH2-OH D - mañosa (+14.6°)

I

CHO CH-OH CH-OH QH-OH CH2-OH

D - ribosa (-21.5°)

l

1 CHO 2 CH-OH HCKpH 3 4 CH-OH 5 CH-OH 6 CH2-OH D - glucosa (+52.3°)

Fig. 6.4. Aldosas de la serie D. La D-treosa no tiene importancia fisiológica y sólo se indican las aldohexosas de importancia bioquímica. Se indican con números los ce«respondientes a cada carbono; al carbono aldehídico corresponde C i.

miento, a pesar de que la madre refiere que el niño no ha dejado de comer. A la exploración física se encuentra consciente al paciente, con la piel amarillenta y xantomas en los codos; abdomen globoso a expensas de hepatomegalia y panículo adiposo. Exámenes de laboratorio: Biopsia hepática, renal y de mucosa intestinal para determinar glucosa-6-fosfatasa: ausente Valores séricos del paciente Valores normales Glucosa 55mg/dl 65-100mg/dl Triglicéridos 230 mg/dl 65-100 mg/dl Colesterol 356 mg/dl 150-280 mg/dl 6.8 GLUCÓLISIS Hasta aquí se han descrito las fuentes de carbohidratos en los alimentos (unidad I), su ingestión, digestión, transporte y distribución en los diferentes órganos y tejidos del cuerpo. Este subcapítulo tratará de los mecanismos de utilización metabólica de los carbohidratos, representados por la glucosa. La glucólisis puede definirse como el conjunto de reacciones enzimáticas que convierten a la glucosa en piruvato; esta vía metabólica la llevan a cabo todas las células del cuerpo humano. Por encontrarse en microorganismos más simples, se considera que es la ruta metabólica más antigua que utilizaron los seres vivos cuando aún en la atmósfera terrestre había poco exígeno molecular. Aún cuando se ha hecho costumbre separar el metabolismo glucolítico en una fase anaerobia y otra aerobia, la realidad es que las reacciones de la glucólisis son las mismas tanto en presencia como en ausencia de oxígeno. En ambas condiciones se produce ATP a expensas de la energía química potencial contenida en la glucosa; sin embargo, el rendimiento en condiciones anaeróbicas es sustancialmente menor que en aerobiosis. consecuentemente, se consume mayor canti-

dad de glucosa en la fase anaeróbica para proporcionar la misma cantidad de energía que la obtenida en condiciones aerobias. No obstante, la característica de proporcionar ATP en ausencia de oxígeno es de gran importancia biomédica, ya que permite que tejidos con capacidad de realizar glucólisis en anaerobiosis (como el músculo esquelético por ejemplo) pueden sobrevivir a episodios de anoxia, al contrario de lo que ocurre con el músculo cardíaco, adaptado al trabajo aeróbico, que muestra escasa supervivencia en condiciones de isquemia (infarto de miocardio). El piruvato producido al final de la glucólisis puede continuar su degradación en la mitocondria, produciendo mayor cantidad de energía; desde este punto de vista, la glucólisis anaerobia se puede considerar como una fase preparativa, para la completa oxidación del piruvato en CO2 y H 2 Ó en el ciclo de Krebs (unidad V). Muchos investigadores han contribuido a dilucidar el proceso glucolítico. Fueron los investigadores sobre la fermentación del azúcar en levaduras que produce etanol y CO2 como productos finales (fermentación alcohólica) las que abrieron las puertas a la bioquímica moderna a finales del siglo XIX y principios del XX. Los hermanos Buchner, en 1897, demostraron que la fermentación alcohólica se podía producir en extractos de levadura, en ausencia de células vivas. Harden y Young establecieron que era necesaria la presencia de fosfato para que la fermentación alcohólica tuviera lugar; y también que se formaba una difosfohexosa, la fructosa-1, 6-difosfato, como intermediario. En 1920, Meyerhof demostró que el glucógeno de un extracto muscular se degradaba a ácido láctico y que este proceso utiliza las mismas etapas que las de la fermentación alcohólica; posteriormente, empleando extracto muscular, él y Embden estudiaron las reacciones individuales del orden de sucesión. Actualmente, a la degra-

dación glucolítica también se le conoce como vía de Embden-Meyerhof aunque hay que mencionar la aportación de otros importantes bioquímicos como Pamas, Warburg, el matrimonio Cori, Robison y Neuberg. De una manera algo sorprendente, el cuerpo humano también produce una cantidad significativa de etanol. La mayor parte de la producción, si no toda, puede justificarse por los microorganismos presentes en el tracto intestinal. Existe la teoría de que algunos tienen una mejor flora intestinal para la producción de etanol que otros. El metabolismo de la glucosa es defectuoso en dos enfermedades muy importantes en la clínica, la obesidad y la diabetes, entidades clínicas que predisponen a una serie de problemas médicos importantes como la aterosclerosis, hipertensión, afecciones de los vasos capilares, del riñon y ceguera. 6.8.1 Reacciones glucolíticas Todas las enzimas de la vía glucolítica se encuentran libres en el citosol (fracción soluble del citoplasma). Se puede describir la glucólisis considerando que ocurre en tres fases principales:

Fase de preparación: Glucosa + 2 ATP -*• Fructosa-1,6-difosfato + 2ADP Fase de partición o lisis: Fructosa-1,6-difosfato -» 2 gliceraldehído 3-fosfato Fase de oxidorreducción-fosforilación: 2 gliceraldehído-3-fosfato + 3 ADP -> 2 lactato + 4ATP La reacción suma del proceso glucolítico global indica la generación de dos moléculas de lactato y dos moléculas de ATP a expensas de una molécula de glucosa. El primer paso en el metabolismo de la glucosa es su fosforilación, en forma de aD-glucopiranosa, a glucosa-6-fosfato, después de su penetración en las células favorecida por la insulina (fig. 6.55). Esta reacción consume un mol de ATP y es catalizada por un grupo de enzimas llamadas hexocinasas (tipos I a IV). El cerebro y los ríñones poseen el tipo I, el músculo esquelético el II, el tejido adiposo los tipos I y II y el hígado los cuatro; pero en el hígado, la principal hexocinasa es la tipo IV comúnmente conocida como glucocinasa. Una característica importante de las hexocinasas I a III es su extrema sensibilidad a inhibición por producto, glucosa-6-fosfato. A diferencia de

Fig. 6.55. Formación de glucosa-6-fosfato.

ello, la actividad glucocinasa no es inhibida por glucosa-6-fosfato, pero es inducida en su síntesis por insulina. Las hexocinasas poseen gran afinidad para la glucosa pero escasa especificidad para este monosacárido. En cambio, la glucocinasa (específicamente hepática) es muy específica para la glucosa pero con baja afinidad por la misma. Esta particularidad hay que relacionarla con el papel del hígado en la regulación de la glucemia. Cuando está elevada (después de una comida), la glucocinasa no se satura por su sustrato, y la glucosa es almacenada en forma de glucógeno hepático. Por otro lado, la fosforilación de la glucosa es irreversible; por lo tanto, cuando se requiere que el hígado libere glucosa, la reacción no se revierte y se requiere la intervención de otra enzima, la glucosa-6-fosfatasa, presente únicamente en hígado (y en menor grado el riñon). Por eso solamente el hígado es capaz de liberar glucosa a expensas de glucógeno, a diferencia de otros órganos que almacenan glucógeno para su propio consumo. La fosforilación en tejidos como el cerebro no fluctúa con los niveles de glucosa sanguínea; de este modo el cerebro tiene asegurado un aporte constante de glucosa-6-fosfato. La glucosa-6-fosfato es convertida en fructosa-6-fosfato por acción de la fosfohe-

xosaisomerasa, reacción reversible; la enzima no está sujeta a regulación (fig. 6.56) La siguiente reacción es la fosforilación de la fructosa-6-fosfato a fructosa-1, 6-difosfato catalizada por \afosfofructocinasa-l (fig. 6.57) con gasto de ATP. La enzima es alostérica y su actividad se modula por varios efectores. La reacción es irreversible y corresponde a la etapa más lenta de la glucólisis; constituye, además, una etapa clave en el control de la glucólisis. Hay muchos datos que señalan a la fosfofructocinasa-1 (6-fosfofructocinasa-l) como la enzima limitante de la velocidad y principal punto de regulación de la glucólisis en la mayoría de los tejidos. Los efectores alostéricos negativos más importantes son el ATP, el citrato y los hidrogeniones (pH bajo), mientras que el AMP, la fructosa2, 6-difosfato y el fosfato inorgánico (Pi) son los principales efectores alostéricos positivos. Como la fosfofructocinasa-1 está fuertemente inhibida por la concentración de ATP normalmente presente en las células, es necesario invocar un mecanismo que explique el flujo de fructosa-6-fosfato por la vía glucolítica en condiciones fisiológicas. Fue así que se descubrió la molécula reguladora más importante de la fosfofructocinasa-1 en el hígado, \afructosa-2, 6-difosfato, descubierta hasta 1980 por su extrema labi-

Fig. 6.56. Formación de fructosa-6-fosfato.

Fig. 6.57. Fosforilación de la fructosa-6-fosfato.

lidad en medio ácido. Además la presencia de fructosa-2, 6-difosfato no se detectó en los tejidos porque se hidroliza fácilmente en fructosa-6-fosfato y fosfato inorgánico. La fructosa-2, 6-difosfato no es un intermediario de la glucólisis; se forma a partir de la fructosa-6-fosfato utilizando la enzima fosfofructocinasa-2 (6-fosfofructocinasa-2). Antes del descubrimiento de la fructosa-2, 6-difosfato, la 6-fosfofructocinasa-l era simplemente la fosfofructocinasa. Ahora es necesario distinguir estas dos enzimas. Actualmente se conoce con detalle el papel de la fructosa-2,6-difosfato en el control hormonal de la glucólisis hepática. Nuevamente aparece el AMPc como -segundo mensajero, actuando sobre la enzima que sintetiza a la fructosa-2, 6-difosfato y sobre la que la destruye (fig. 6.58). Sobre esta regulación volveremos al hablar de la gluconeogénesis. La fructosa-1, 6-difosfato aldolasa cataliza el siguiente paso de la vía glucolítica, partiendo la fructosa-1, 6-difosfato en dos triosas, una molécula de dihidroxiacetonafosfato (DHAP) y otra de gliceraldehído-3fosfato (fig. 6.59). La aldolasa de tejido

muscular sólo actúa sobre la fructosa-1, 6difosfato. La aldolasa hepática puede actuar también sobre la fructosa-1-fosfato. La triosafosfato isomerasa cataliza la isomeración de la dihidroxiacetonafosfato en gliceraldehído-3-fosfato (fig. 6.60). La reacción es reversible pero el equilibrio está desplazado a la formación de DHAP en un 95%. Sin embargo, la rápida utilización de gliceraldehído-3-fosfato hace que la reacción se desplace hacia su formación. La DHAP y el gliceraldehído-3-P representan el punto de conexión de la glucólisis con el metabolismo lipídico, ya que se reducen a glicerol-3-fosfato que puede ser adiado para formar triglicéridos (unidad VII). La siguiente reacción está catalizada por la enzima gliceraldehído-3-fosfato -deshidrogenasa. En ésta se oxida el aldehido a ácido carboxílico con la reducción de NAD+ a NADH y simultáneamente se capta una molécula de H3PO4. El compuesto resultante es un anhídrido mixto (carboxílico-fosfórico) con alto contenido energético, el 1, 3-difosfoglicerato (1,3-DPG). La combinación de las reacciones catalizadas por la gliceraldehído3-fosfato deshidrogenasa y la fosfoglicerato

Fig. 6.5$. Partición de la fructosa-1,6~difosfato.

cinasa consigue el acoplamiento de una oxidación con una fosforilación (fíg. 6.61). La participación de grupos sulfhidrilo (SH) en la actividad catalítica de la deshidrogenasa ha permitido el bloqueo del flujo glucolítico con yodacetato. Además, la competencia del fosfato inorgánico con arsenato permite que se forme l-arseno-3-fosfoglicerato que se hidroliza espontáneamente a 3fosfoglicerato; la energía del anhídrido mixto se disipa así en forma de calor. Esto constituye un ejemplo de desacoplamiento entre la oxidación y utilización de esta energía: la glucólisis continúa, pero no se sintetiza ATP. El arsenato es un desacoplante de la fosforilación a nivel de sustrato. La fosfoglicerato mutasa cataliza la transformación del 3-fosfoglicerato en 2-fosfo-

glicerato. En esta reacción reversible se forma un intermediario obligado, el 2, 3-difosfoglicerato. Este compuesto se sintetiza también mediante una reacción catalizada por otra enzima, la difosfoglicerato mutasa (fig. 6.62). En la mayoría de las células, el 2, 3-DPG se forma en cantidades muy pequeñas; estas proporciones catalíticas se requieren para la reacción de la fosfoglicerato mutasa. Un caso especial son los eritrocitos, donde el 2,3DPG se acumula en altas concentraciones y funciona como efector alostérico negativo de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. En estados de anemia, insuficiencia cardíaca, en lugares de mucha altitud con baja presión parcial de oxígeno, etc., se produce elevación del 2, 3-DPG. Lo mismo ocurre con tiroxina, que estimula la síntesis

Fig. 6.60. Interconversión reversible de triosas fosfato. Con esta transformación se consigue la conversión de una molécula de glucosa en dos de gliceraldehído-3-fosfato.

Fig. 6.61. Acoplamiento de oxidación/fosforilación para formar ATP a nivel del sustrato.

de difosfogliceromutasa, y con andrógenos, queestimulan la eritropoyesis. Por el contrario, la concentración de 2,3-DPG disminuye en la policitemia. El 2, 3-DPG, y en menor grado el ATP, disminuyen rápidamente en la sangre almacenada en medio citrato-dextrosa, por lo que pacientes que reciben esta sangre tienen problemas en la descarga de oxígeno por hemoglobina durante 6 horas o más. Del 15 al 20% de la glucosa que se convierte en lactato en los eritrocitos, lo hace a través de la "ruta del DPG" (fig. 6.62). La glucosa catabolizada por esta ruta no genera ATP ya que, en ésta, se obvia la reacción de la fosfoglicerato cinasa. Esto puede ser ventajoso para la economía del eritrocito, ya que permitiría que la glucólisis continuara aún cuando la necesidad de ATP fuera mínima. La deshidratación subsecuente del 2-fosfoglicerato es catalizada poruña enolasa que convierte al fosfato de la posición 2 a un estado de mayor energía, formándose así el fosfoenolpiruvato (PEP) (fig. 6.63). La enolasa es inhibida por el fluoruro, propiedad que se utiliza para bloquear la glucólisis en las tomas usadas en ios exámenes de glucosa en sangre.

La siguiente etapa glucolítica está catalizada por la piruvato cinasa y representa la tercera etapa, reguladora de la glucólisis. En esta reacción se forma una molécula de ATP y la transformación del compuesto de alta energía fosfoenolpiruvato a piruvato (fig. 6.64). La fructosa-1, 6-difosfato actúa como efector positivo de la enzima en el hígado, tejido adiposo, riñon y glóbulos rojos, pero no en el músculo; en tanto que el ATP, el Ca++ y la L-alanina inhiben a la enzima. Desde este modo, si las circunstancias metabólicas favorecen las glucólisis y se acumula la fructosa1, 6-difosfato, la reacción de la piruvato cinasa se acelera, lo que constituye un ejemplo de activación adelantada ("feed-forward"). En cambio, la enzima es inhibida drásticamente por concentraciones fisiológicas de ATP. La inactivación de la piruvato cinasa por fosforilación (y por tanto de la glucólisis) es función de una proteincinasa dependiente del AMPc del hígado; esta acción se explica, en parte, por elevación de los niveles de AMPc producidos por glucagon. Por cada triosa en esta última reacción se forma un mol de ATP; de dos triosas provenientes de una glucosa se obtienen 2 ATP

Fig. 6.64. Formación de ATP a nivel del sustrato.

que, sumados a los dos anteriores producidos en la transformación del 1, 3-DPG a 3difosfoglicerato, arrojan un total de 4 ATP, que restados a dos ATP gastados inicialmente por la hexocinasa y la fosfofructocinasa-1, dan un rendimiento neto de 2 ATP durante la glucólisis. La glucólisis en los eritrocitos, aun en condiciones aeróbicas, termina siempre en lactato porque carecen de mitocondrias para la oxidación aerobia del piruvato. Deficiencia de piruvato cinasa El déficil de piruvato cinasa es raro, pero es, con mucho, el defecto genético más común de la vía glucolítica que provoca anemia hemolítica no esferocítica. La

producción de ATP en los eritrocitos maduros depende absolutamente de la vía glucolítica. El ATP es necesario para las bombas iónicas (Na+ - K+ - ATPasa) que mantienen la isotonicidad del eritrocito y por tanto la forma bicóncava que les permite deslizarse por los capilares. Sin ATP que expulse sodio, las células se hinchan y se lisan (ver equilibrio de Donnan, unidad II). La anemia debida a destrucción excesiva de eritrocitos se conoce como anemia hemolítica. Otros casos de anemia hemolítica heredi taria se deben a deficiencia de glucosa-6-P deshidrogenasa, hexosafosfatoisomerasa fosfofructocinasa-1, triosafosfatoisomerasa, 2, 3-difosfogliceromutasa, fosfogliceromu tasa y fosfoglicerato cinasa. Con excepción de la deficiencia de piruvato cinasa, todas las demás son extremadamente raras.

El piruvato es el producto final de la glucólisis. A partir de este compuesto hay varias opciones para la célula. La principal de éstas es la descarboxilación oxidativa a acetil-CoA que tiene lugar sólo en las mitocondrias (revisar unidad V, Bioenergética). Puede también transaminarse y formar el aminoácido alanina. Mediante una reacción de carboxilación el piruvato se transforma en oxalacetato lo cual constituye una de las etapas de la gluconeogénesis (ver adelante) y una de las vías anaplerótícas del ciclo de Krebs. En las levaduras, el ácido pirúvico puede continuar anaeróbicamente hasta etanolyC02(fig.6.65). Otra vía alternativa del piruvato, quizá la más importante desde el punto de vista de la glucólisis, es su transformación en lactato, catalizada por la deshidrogenasa láctica (LDH)(fig.6.66)

Esta última reacción es la que aporta el NAD+ oxidado para la reacción de 3-fosfoglicerato a 1, 3-difosfoglicerato y con ello permite que continúe la glucólisis (fig. 6.67) De hecho, la reducción de aldehido a alcohol juega el mismo papel en las levaduras que la conversión de piruvato a lactato en las células de mamíferos en cuanto a garantizar un aporte constante de NAD+ para el flujo glucolítico. Si bien el organismo humano no posee la enzima que transforma el piruvato en acetaldehído (piruvato descarboxilasa), si posee la deshidrogenasa alcohólica que funciona en sentido inverso a las levaduras, transformando el alcohol etílico en acetaldehído. La deshidrogenasa alcohólica está localizada casi exclusivamente en el citosol de las células del parénquima hepático. El acetaldehído generado puede atravesar la membrana mitocondrial para ser oxidado a

Fig. 6.66. Transformación del piruvato en lactato.

Fig. 6.67. Reoxidación del NADH. Figura modificada con autorización de J. M. Orten y O. W. Neuhaus, Human Biochemistry, lOth editión, pag. 234, St. Louis, C.V. Mosby Co. 1982.

acetato por la aldehido deshidrogenasa rnitocondrial (fig. 6.68). El NADH generado dentro de la mitocondria permite formar directamente 3 ATP en la cadena respiratoria; no obstante, el NADH generado en el citosol no puede atravesar la membrana mitocondrial por lo que se requiere un mecanismo de lanzadera que

permita su acceso a la NADH deshidrogenasa de la cadena de transporte mitocondrial. Existen dos mecanismos de lanzadera que tienen la capacidad de "lanzar" equivalentes reducidos (NADH) del citosol a la mitocondria; estos son los lanzadera del glicerofosfato (fig. 6.69) y la lanzadera del malato-aspartato (fig. 6.70).

en menor número; se denominan agregando el sufijo "ulosa" al nombre de la aldosa (fig. 6.5) 6.3.2 Estructura y configuración Emil Fisher, llamado el "emperador de la química" por sus contribuciones en esta dis-

ciplina, fue el primero en determinar que la glucosa tenía la estructura lineal que conocemos actualmente, que por esta razón se le comoce como proyección de Fisher. Aunque la mayor parte de aldosas se representan como aldehidos simples en estructura lineal alifática (modelo de Fisher), esta forma química no explica claramente sus

Fig. 6.5. Cetosas de importancia fisiológica. El grupo ceto se encuentra siempre en el C2.

La proporción relativa de funcionamiento de los dos lanzaderas varía de tejido a tejido siendo el hígado el que hace mayor uso de la lanzadera del malato-aspartato, mientras que algunas células musculares son más dependientes de la lanzadera del glicerofosfato. Así, la capacidad de los seres humanos para oxidar el alcohol etílico depende de la capacidad del hígado para transportar NADH desde el citosol a la mitocondria por esos sistemas de lanzadera. Dado que la oxidación del etanol y la conjugación de fármacos (que requiere de NAD+) son propiedades del hígado, cuando las dos tienen lugar simultáneamente pueden sugerir la capacidad combinada de las lanzaderas. De aquí que sea conveniente recomendar a los pacientes no mezclar la utilización de fármacos con el consumo de alcohol. Sin la intervención de los sistemas de lanzadera, la conversión de una molécula de glucosa en dos de lactato en la vía glucolítica conduce a la formación neta de dos moléculas de ATP. Sin embargo, la entrada de equivalente reductores (NADH) provenientes de la reacción catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa a la

mitocondria por el sistema de lanzaderas (2 NADH por glucosa) daría una producción neta 8 ATP. De cualquier manera, la producción nenta de ATP al oxidarse completamente en aerobiosis una molécula de glucosa es de 38 moléculas. 6.8.1.1 Gluconeogénesis La gluconeogénesis es la formación de glucosa o glucógeno a partir de precursores de naturaleza no glucídica. Es una vía metabólica esencialmente hepática, aunque en situaciones tales como el ayuno, acidosis o daño hepático, la corteza renal puede llegar a producir hasta el 50% de la glucosa total por esta vía. Los sustratos principales para la gluconeogénesis son los aminoácidos glucogénicos, lactato, piruvato y glicerol. La gluconeogénesis es esencialmente la inversa de la glucólisis, ya que tiene su inicio en el piruvato mitocondrial y su final en glucosa, en el citosol. Sin embargo, la gluconeogénesis y la glucólisis son vías metabólicas opuestas aunque estrechamente relacionadas ya que comparten 7 reacciones;

Fig. 6.69. Lanzadera del alfa-glicerofosfato. Reproducida con autorización deL N. V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive review, pág. 214, J. B. Lippincott Co., 1974.

Fig. 6.70. Lanzadera de malato. Reproducida con autorización de: N.V. Bhagavan, Biochemistry. A comprenhensive review, pág. 216, J.B. Lippincott Co., 1974.

no obstante, en la glucólisis existen cuatro reacciones muy desplazadas del equilibrio que representan barreras energéticas a la simple reversión de la glucólisis. Estas reacciones son: (1) entre piruvato y fosfoenolpiruvato; (2) entre fructosa-1-6-difosfato y fructosa-6-fosfato; (3) entre glucosa-6-fosfato y glucosa; y (4) entre glucosa-1-fosfato y glucógeno (fig. 6.71). La glucosa también se sintetiza a partir de galactosa y fructosa, pero esto se denomina glucogénesis y debe diferenciarse de la gluconeogénesis ya que no produce síntesis de de novo de glucosa. La gluconeogénesis es crucial para la superviviencia del hombre y otros animales, ya que cubre las necesidades metabólicas de glucosa cuando este carbohidrato no está disponible en tejidos que lo utilizan como sustrato primario. Entre éstos se encuentran el cerebro, eritrocitos, médula renal, cristalino y córnea ocular, testículos y otros tejidos. En condiciones de hipoglucemia hay disfunción cerebral que puede conducir a coma y muerte. La glucosa es también necesaria para el tejido adiposo como fuente de glicerol3-fosfato para la síntesis de triglicéridos. Además, la glucosa es el único combustible que permite al músculo esquelético funcionar en condiciones de anaerobiosis. Las siete enzimas compartidas con la glucólisis se encuentran en todos los tejidos; las cuatro enzimas únicas se encuentran sólo en los órganos gluconeogénicos. La gluconeogénesis es un proceso endergónico. Requiere de aporte energético (4 moléculas de ATP y 2 de GTP) y sustratos reducidos (2 NADH) para que dos moléculas de piruvato formen una de glucosa. La gluconeogénesis a partir de aminoácidos impone una carga adicional de nitrógeno sobre el hígado, ya que debe convertir el nitrógeno del grupo amino en urea. La alanina es el aminoácido glucogénico más importante (ver ciclo de la alanina). La leucina y lisina son los únicos aminoácidos que no pueden

participar en la síntesis de glucosa. Estos aminoácidos producen al final de su metabolismo acetoacetato y acetil-CoA; en el hombre no existe ninguna ruta que convierta estos productos en piruvato u oxalacetato. Aunque los estudiantes de bioquímica han intentado cualquier posibilidad tanto en el laboratorio como en los exámenes, la verdad es que es imposible para los animales sintetizar glucosa neta a partir de acetil-CoA. Por la misma razón, es imposible sintetizar glucosa a partir de ácidos grasos (excepto algunos ácidos grasos ramificados (como el ácido titánico) y ácidos grasos de número impar de átomos de carbono, que conducen a la formación de propionil-CoA). El propionato es un buen precursor para la gluconeogénesis. La regulación alostérica de la gluconeogénesis afecta a la piruvato carboxilasa que es activada por la acetil-CoA y el ATP. Esta enzima no sólo es importante en la gluconeogénesis sino también como vía anaplerótica del ciclo de Krebs. La fructosa-1, 6-difosfatasa es activada por el ATP, inhibida por el AMP y la fructosa 2, 6-difosfato. Así, la gluconeogénesis es activada cuando la concentración de ATP en las células está elevada. La regulación hormonal de la gluconeogénesis corre a cargo de glucagon, catecolaminas, insulina y glucocorticoides. El glucagon activa la gluconeogénesis a través de aumento en la concentración de AMPc; la proteincinasa activada por éste, conduce a fosforilación de la piruvato cinasa, inactivándola. Con ello disminuye la formación de piruvato a partir de fosfoenolpiruvato, el cual se deriva hacia la síntesis de glucosa. Por otro lado, la activación de la proteincinasa por AMPc inactiva a la fosfofructocinasa-2 y activa a la fructosa-2,6-difosfatasa. Además de su acción sobre estas enzimas, el glucagon favorece el metabolismo del piruvato en la mitocondria y la actividad de la glucosa-6-fosfatasa, acciones que activan

Fig. 6.71. Esquema gluconeogenético en el hígado. Las flechas gruesas indican las reacciones irreversibles de a glucólisis. Se indican las enzimas que permiten revertir estas reacciones (enzimas gluconeogenéticas).

la gluconeogénesis hepática. La glucosa-6fosfatasa se encuentra sólo en los órganos gluconeogénicos. En hígado, la gluconeogénesis estimulada por adrenalina es inferior a la inducida por glucagon. Este efecto es mediado por receptores a-adrenérgicos, por lo que es independiente de AMPc. Los glucocorticoides influyen positivamente en la gluconeogénesis al estimular la liberación de aminoácidos de los tejidos periféricos, la salida de glicerol del tejido adiposo y la liberación de lactato por el músculo (ciclo de Cori). Además, incrementan la síntesis a nivel de transcripción, de las enzimas gluconeogeneticas. La síntesis de estas enzimas se aumenta por el cortisol y disminuye por el aporte alimenticio; el ayuno incrementa la gluconeogénesis hepática lo que garantiza suficiente glucosa para órganos periféricos, en particular el cerebro. Al contrario de lo que ocurre con glucagon, catecolaminas y glucocorticoides, la insulina inhibe la gluconeogénesis. Se acepta que la insulina inhibe la actividad de las enzimas reguladoras de la gluconeogénesis y estimula las enzimas glucolíticas. Además, disminuye la disponibilidad de sustratos para la gluconeogénesis al activar la síntesis de proteínas y la lipogénesis. En algunas enfermedades existen alteraciones enzimáticas que afectan la gluconeogénesis en el hombre. Se han descrito anomalías en la piruvatocarboxilasa (encefalopatía de Leigh), PEP carboxicinasa, fructosa-1, 6-difosfatasa y glucosa-6-fosfatasa (enfermedad de Von Gierke o glucogenosis tipo I). El signo predominante es la hipoglucemia. Pueden inhibir la gluconeogénesis sustancias como el etanol o el triptófano. El etanol aumenta la relación citosólica NADH/NAD+, lo que impide que lactato y glicerol puedan entrar en la vía. El bajo nivel de glucosa sanguínea puede contribuir a los efectos indeseables del alcohol. Es más, se puede creer que un individuo está ebrio,

cuando en realidad está sufriendo hipoglucemia. Cuando el triptófano llega al hígado por vía porta, un intermediario degradativo, el quinolinato, es un fuerte inhibidor de la PEP carboxicinasa. 6.8.1.2 Regulación de la glucemia Los niveles de glucosa en sangre (glucemia) se mantienen normalmente a todo lo largo de la vida relativamente estables, en cifras que oscilan entre 80-100 mg por 100 mi (± 1 g por litro). Después de un ayuno de varias horas y en reposo, la glucemia es de 60-70 mg por 100 mi; después de una comida rica en carbohidratos, puede elevarse a 120-130 mg por 100 mi. Para equivalencias en la glucemia se considera que 100 mg/100 mi equivalen a 5.6 mol/litro. Existe una diferencia de 10 a 20 mg por ciento entre la glucemia de la sangre capilar y venosa; la cifra está reducida en esta última. La glucosa sanguínea proviene principalmente (1) de los carbohidratos de la dieta que se transforma en glucosa en el hígado; (2) de varios compuestos que experimentan gluconeogénesis, en lo cual participan dos ciclos que permiten la utilización de lactato (ciclo de Cori) y de alanina (ciclo de la alanina); y (3) del glucógeno hepático por glucogenólisis. Por otro lado, la glucosa es utilizada por las células para obtención de energía (glucólisis), para síntesis de glucógeno (glucogenosíntesis o glucogenogénesis), para biosíntesis de otros carbohidratos y en la formación de grasas (lipogénesis); cuando la glucosa en sangre rebasa los 170 mg por 100 mi, aparece glucosuria (fig. 6.72). Normalmente el glomérulo renal reabsorbe la glucosa que filtra del plasma de tal forma que la orina está prácticamente libre de glucosa. Sin embargo, cuando se excede la capacidad de reabsorción tubular, lo cual ocurre cuando la glucemia alcanza cifras mayores a 170 mg por 100 mi, aparece glu-

cosuria. A esta cifra se le conoce con el nombre de "umbral renal" para la glucosa. En las manifestaciones renales de la diabetes, el umbral para la glucosa disminuye y aparece glucosuria aun con niveles de glucemia más bajos. El mantenimiento de los niveles estables de glucosa en sangre es, de todos los mecanismos homeostásicos, uno de los más finamente regulados y en el cual toman parte el hígado, los tejidos extrahepáticos y varias hormonas. El animal hepatectomizado muere en unas cuantas horas de hipoglucemia. Normalmente las reservas de glucosa en forma de glucógeno hepático corresponden a

casi 6% del peso del hígado (108 g para un hígado de 1.8 kg). Después de una comida rica en carbohidratos, la glucemia aumenta; el ascenso por arriba de 100-120 mg/100 mi se considera hiperglucemia. Esto provoca lo siguiente: 1) En el páncreas, los islotes de Langerhans segregan menos glucagon y más insulina. La disminución de glucagon implica menos AMPc, inactivación de la proteincinasa, inactivación de la fosforilasa y activación de la glucógeno sintetasa. Por otra parte, el aumento de insulina activa la glucógeno sintetasa tanto hepática como muscular y se incrementa el transporte de glucosa al músculo.

Fig. 7.72. Fuentes y utilización de glucosa sanguínea. Reproducida con autorización de: N.V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive review, Pag. 267, J.B. Lippincott Co. 1974.

2) La glucosa por sí misma, inactiva a la fosforilasa y activa la glucógeno sintetasa. Cuando la concentración de glucosa disminuye por debajo de 60 mg por 100 mi se denomina hipoglucemia; esto ocurre en el ayuno y la inanición. En este caso se presenta lo siguiente: 1)E1 páncreas segrega más glucagon y menos insulina. El aumento de glucagon eleva su segundo mensajero el AMPc, se activa la proteincinasa, se inactiva la glucógeno sintetasa y se activa la fosforilasa. Al disminuir la insulina se frena la síntesis de glucógeno y el transporte de glucosa al músculo. 2) El balance entre glucocinasa y glucosa6-fosfatasa se desplaza en favor de esta última, con lo que el hígado aporta glucosa a la sangre. El cerebro en reposo consume dos tercios de la glucosa sanguínea. El tercio restante lo consumen eritrocitos, el músculo esquelético y el resto de los tejidos. Si falta el aporte cerebral de glucosa se presentan cambios de comportamiento, confusión y coma. Sin embargo, el cerebro se adapta y usa cuerpos cetónicos (ácidos acetoacético y betahidroxibutírico) como fuente de energía. Es posible que en esta adaptación intervenga la insulina (disminuida en inanición) y el glucagon (aumentado en inanición). Un sistema de regulación de tipo cibernético mantiene la glucemia dentro de una cantidad basal necesaria para el buen funcionamiento cerebral, que utiliza primordialmente glucosa, y a la vez para el conjunto de células del organismo, en las cuales la glucosa representa solamente un aspecto de la aportación energética además de los ácidos grasos y eventualmente de los cuerpos cetónicos. El metabolismo energético constituye por si mismo un conjunto perfectamente regulado, en el cual vienen a insertarse la aportación interna o externa de la glucosa. Sin embargo, cierto número de circunstancias pueden modificar los factores de esta regulación, unas veces en el sentido

de la hiperglucemia, otras veces en el sentido de la hipoglucemia; cuando se presenta cualesquiera de ellas, el organismo tiene que adaptarse para sobrevivir, esta adaptación está encaminada a salvar la aportación energética celular absolutamente necesaria, pero que provoca perturbaciones penosas para el organismo en un plazo más o menos largo, que van a manifestarse como hiperglucemia crónica (que se denomina habitualmente diabetes mellitus) o como hipoglucemia. Resulta pues imprencindible analizar, en primer lugar, en qué consiste la regulación del metabolismo energético y de la glucemia en el sujeto normal y las circunstancias que pueden modificar el curso de estos fenómenos. REGULACIÓN ENERGÉTICA SIN INSULINA La comprensión de la regulación energética implica la hipótesis de dos centros reguladores hipotalámicos, que denominaremos A

yB. A, representa las células cerebrales, y como ellas, depende exclusivamente de la aportación de glucosa. En realidad estas células son poco sensibles a la insulina, pero en tan escasa medida que con fines prácticos las consideraremos insensibles a la insulina. B, representa las células del resto del organismo, y como ellas, es insulinodependiente. Estas células son capaces de utilizar otros sustratos energéticos además de glucosa, muy particularmente ácidos grasos y cuerpos cetónicos. Ahora bien, cuando dichos centros no reciben por vía arterial una cantidad satisfactoria de sustrato energético, envían por vía humoral mensajes hacia la hipófisis (empleando como mediadores proteínas), luego la hipófisis lanza a la circulación varias hormonas (de naturaleza proteica) como: ACTH, una hormona capaz de liberar las

grasas de reserva, hormona de crecimiento, etc. De esta manera se liberan de los tejidos de reserva glicerol, ácidos grasos, aminoácidos, los cuales se dirigen al hígado, el cual los transforma en glucosa (gluconeogénesis) y en algunos casos en cuerpos cetónicos (cetogénesis). Esta glucosa de procedencia hepática, se vierte en la circulación general. La glucemia se eleva entonces progresivamente. Cuando la misma alcanza 100mg%, el centro A (y las células cerebrales) que ya han satisfecho sus necesidades energéticas cesan de enviar estímulos a la hipófisis. Pero con esta concentración de glucemia sin la insulina, que tiene por objeto aumentar la permeabilidad de estas células a la glucosa, el centro B (y por consiguiente el resto de las células insulino-dependientes) que no recibe la energía necesaria, continúa enviando estímulos a la hipófisis, de tal suerte que todos los procesos considerados prosiguen su acción y la glucemia continúa elevándose. Cuando la ruperglucemia alcanza 300 mg% se posibilita una penetración suficiente de glucosa, de tal modo que B, al quedar satisfecho, cesa por un tiempo el envío de estímulos. Se establece pues un equilibrio momentáneo a este nivel elevado de glucosa. Por ello no dura mucho, puesto que a partir del momento en que las necesidades del organismo disminuyen, la glucemia va a descender automáticamente. Esta glucemia teóricamente puede descender muchísimo, pero por debajo de 100 mg%, las células cerebrales y por consigueinte el centro A, cuyas necesidades son constantes, se encuentran en carencia energética, y envían entonces estímulos a la hipófisis, haciendo subir así la glucemia hasta la cantidad mínima necesaria de 100mg%. Inversamente, si las necesidades aumentan, la glucemia se eleva. No obstante, puede llegar un momento en que las capacidades de glucogénesis hepática alcancen sus límites, y que, a pesar de una glucemia muy elevada, la penetra-

ción de la glucosa en las células periféricas del organismo, y por consiguiente del centro B, sigue siendo insuficiente, sin llegar a estar enteramente compensada por la utilización directa de los ácidos grasos. Es entonces cuando los lípidos se derivan hacia la síntesis hepática y hallando saturado el camino oxidativo, se dirigen hacia la cetogénesis. Los cuerpos cetónicos no son utilizados con fines energéticos por las células cerebrales, al menos en condiciones normales. Pero son fácilmente utilizados por las demás células incluyendo el centro B; de esta manera ayudan a la obtención de energía y con ello a un ahorro de glucosa. REGULACIÓN ENERGÉTICA CON INSULINA Las células p de los islotes de Langerhans están constituidas de tal manera que sintetizan y liberan una cantidad de insulina proporcional a la magnitud de la glucemia. Bajo la influencia de la hiperglucemia, las células p se ponen a sintetizar insulina a partir de los aminoácidos circulantes y después la vierten inmediatamente a la circulación. A medida que la insulina alcanza las células sensibles, la glucosa extracelular penetra más fácilmente, incluso en las células del centro B. El centro B, saturado de glucosa, cesa inmediantamente la emisión de estímulos a la hipófisis. La hipófisis ya no actúa y con ello disminuye la liberación de sustancias de reserva (aminoácidos, glicerol y ácidos grasos); esto constituye un freno a la gluconeogénesis. Bajo la doble influencia de una penetración de glucosa más intensa y de una disminución de la secreción hepática, la glucemia baja, y por ello cesa la secreción de insulina. La disminución de la glucemia, que a priori podría ser muy intensa, se detiene a partir del momento en que la concentración dismi-

nuye por abajo de 100 mg% debido a la respuesta inmediata del centro regulador cerebral, el centro A. Si las necesidades del organismo aumentan como por ejemplo en una infección, por aumento de tiroxina, cortisona, o de hormona de crecimiento, se origina lo siguiente: —Carencia de aportación energética en el centro B. —Liberación de estímulos hacia la hipófisis. —Respuesta hipofisiaria. —Liberación de sustancias de reserva. —Activación de la gluconeogénesis hepática —Aumento de la glucemia —Secreción de un poco más de insulina —Retorno de la glucemia a nivel basal, aunque ligeramente elevada, lo cual es necesario para el mantenimiento de una secreción de insulina ligeramente aumentada. Es importante señalar que en este proceso de adaptación a las necesidades celulares, el movimiento de la glucemia precede a la respuesta insulínica y la condiciona. HORMONAS HIPERGLUCEMIANTES Existen hormonas de acción antagónica a la insulina. Hace algunos años, se encontró en extractos crudos de páncreas un efecto hiperglucemiante inicial y luego el clásico efecto hipoglucemiante de la insulina. Este efecto se encontró debido a una sustancia que promovía la glucogenóíisis y fue llamado factor hiperglicemiante glucogenolítico. En la actualidad se conoce la estructura química de esta hormona, llamada glucagon, secretada por las células a del páncreas. El efecto del glucagon es similar al de otra hormona: la adrenalina, que activa la fosforilasa hepática y produce hiperglucemia. A diferencia de la insulina, el glucagon consta de una sola cadena polipeptídica y no

contiene enlaces disulfuro. Además del efecto hiperglucemiante antagónico a la insulina existe efecto antagónico en cuanto al mecanismo de acción: la insulina provoca elevación de GMPc en las células sobre las que actúa; el glucagon ejerce su efecto a través del AMPc. El glucagon puede cristalizar en ausencia de Zn y otros metales. Existen fuentes extrapancreáticas del glucagon como son estómago y duodeno ("glucagon intestinal"). También a diferencia de la insulina cuyo estímulo secretor es la hiperglucemia, para el glucagon es la hipoglucemia. La secreción de glucagon es inhibida directamente por la glucosa in vitro. La mayor parte de los aminoácidos, particularmente la arginina, provocan rápida secreción de glucagon. Los ácidos grasos inhiben su liberación, mientras que el ejercicio la estimula. Durante una comida se secretan tanto insulina como glucagon; si abundan las proteínas, se favorece la secreción de glucagon y la glucemia se eleva debido tanto a glucogenóíisis como a la gluconeogénesis estimulada por glucagon. Glucocorticoides. Este grupo de hormonas esteroides actúa como los esteroides en general a nivel de la membrana nuclear induciendo la síntesis de RNAm y de enzimas en muchos tejidos. Además de sus efectos fisiológicos los glucocorticoides ejercen su efecto metabólico produciendo incremento de glucosa, ácidos grasos y aminoácidos circulantes a expensas de catabolismo muscular, adiposo y linfoide. Se incrementa la gluconeogénesis hepática sobre todo a expensas de glicerol, ácidos grasos y aminoácidos movilizados desde los tejidos periféricos. Es de notar que muchas de las acciones de los glucocorticoides son metabólicamente antagónicas de la insulina. Hormona del crecimiento. Esta hormona antagoniza los efectos de la insulina en el músculo. Su efecto parece ser debido a inhibición del transporte de la glucosa, inhibición de la glucólisis o ambos.

propiedades químicas. Se ha propuesto una estructura en la cual el grupo aldehido o cetona reacciona con una función alcohol de la misma molécula para formar un hemiacetal cíclico interno. Se llama hemiacetal al producto de condensación de un aldehido o de una cetona con un alcohol:

En el caso de la fructosa, ésta puede ciclizarse para formar un anillo, pero sólo de 5 elementos, en lugar de 6 como la glucosa. El carbono asimétrico (anomérico) es el C2.

De esta forma, desaparece el grupo aldehídico de Cj al formarse el hemiacetal, y en su lugar aparece un nuevo hidroxilo. Con ello, el Ci se convierte en carbono asimétrico (carbono anomérico), generando dos tipos de isómeros: el a, con el hidroxilo a la derecha y el isómero p con el hidroxilo a la izquierda. La reacción descrita sólo tiene lugar si el grupo aldehido está separado de la función alcohol por más de 2 átomos de carbono:

Cuando el ciclo resultante comprende 6 vértices (5 carbonos y un oxígeno), lleva el nombre de anillo piranósico por homología con el núcleo orgánico pirano. Cuando el ciclo es pentagonal se llama furanósico por similitud con e\ furano.

Se acostumbra simplificar las fórmulas piranosa y furanosa con la proyección perspectiva de Haworth en la que el anillo (pirano o furano) se representa con el borde Para comprender la ciclización de los mo- inferior más grueso sugiriendo que se ennosacáridos, se tomara como ejemplo la glu- cuentra en un plano perpendicular a la hoja (fig.6.6). cosa.

Una caida brusca de la glucemia, tal como ocurre por ejemplo durante una prueba de hipoglucemia insulínica, pone en juego al sistema regulador de fondo que ya hemos descrito y que requiere cierto tiempo para entrar en acción. Cuando la disminución de la glucemia es rápida y profunda, el centro "A" no sólo estimula a la hipófisis sino también al sistema reticular bulbar. En segundos, este sistema reticular envía por vía nerviosa (simpático y parasimpático) señales que repercuten simultáneamente en dos sitios. —En las células alfa del páncreas, que liberan glucagon en la sangre de la vena porta. El glucagon, al activar las fosforilaciones hepáticas, provoca la entrada en la circulación de una gran cantidad de glucosa (Ver fig. 6.73). —En las células de la médula suprarrenal que liberan adrenalina. La adrenalina activa las fosforilasas en todas las células muscula-

res y provoca allí un aumento de glucosa-1fosfato y glucosa libre. Esta elevación desacostumbrada de glucosa libre bloquea momentáneamente el paso de glucosa hacia las células musculares y aumenta así notablemente la disponibilidad de la glucosa para las células cerebrales. Además, la adrenalina tiene el efecto de bloquear momentáneamente cualquier secreción de insulina. 6.8.1.3 Ciclo de Cori y ciclo de la alanina La glucosa presente en el músculo durante el ejercicio es transformada en gran parte en lactato, mediante glucólisis anaerobia, produciéndose una molécula de ATP por una de lactato. En el hígado y con el consumo de 3 ATP, este lactato es transformado nuevamente en glucosa por gluconeogénesis.

Centro hipotalámji

Fig. 6.73. Regulación de la glucemia. Reproducida de PRAXIS MEDICA, tomo: Hígado, Páncreas, Nutrición y Alergia. Fascículo N°5,800 con la amable autorización de los editores.

Este reciclaje continuo de carbonos de glucosa entre el músculo (y otros órganos productores de lactato) y el hígado se conoce desde 1931 y recibe el nombre de ciclo de Cori o ciclo de glucosa-lactato (fig. 6.74). La formación de lactato es particularmente elevada al comienzo del trabajo muscular y puede elevarse transitoriamente hasta más de 100 veces. El ciclo de Cori asegura que, por ejemplo, cuando el músculo esquelético utiliza energía de la glucólisis anaerobia, para la contracción el lactato formado puede ser reconvertido por el hígado a glucosa. Los aminoácidos también son buenos sustratos para la síntesis hepática o renal de glucosa. La alanina es cuantitativamente el principal aminoácido precursor de glucosa

en el hígado. La alanina es liberada a la circulación por un elevado número de tejidos; el más importante es el músculo esquelético. Sin embargo la liberación de alanina por el músculo esquelético es superior a la esperada. Esto sugiere que la liberación de alanina no sólo es resultado de proteolisis sino que otros aminoácidos se transforman en alanina. En la actualidad está bien establecido que el glutamato, valina e isoleucina son capaces de dar lugar a alanina. Esto ha conducido a enfatizar el papel de la glucosa como fuente indirecta de alanina, a través de transaminación con piruvato y, al mismo tiempo a la formulación de un ciclo, parecido al de Cori, llamado ciclo de glucosa-alanina (fig. 6.75).

Fig. 6.74. Ciclo de cori. Reproducida con permiso de J. M. Orten y O. W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a Edición, pág. 670, St. Louis, 1982, C.V. Mosby Co. y de Martin, D. W. Jr y Cois., Harper's Review of Biochemistry, 20th ed. pág. 264, Lange Medical Publications, Los Altos, California, 1985.

Este esquema supone un reciclaje continuo de carbonos de glucosa entre el músculo y el hígado. Su velocidad es la mitad de la observada para el ciclo de Cori. Sin embargo, tiene un significado funcional adicional que consiste en servir como sistema de transporte de nitrógeno desde el músculo esquelético hasta el hígado, donde se elimina mediante el ciclo de la urea. De este modo se complementa el ciclo del purín nucleótido (unidad VIH). 6.8.1.4 Ciclo de las pentosas Esta vía alternativa para la oxidación de la glucosa procede a través de un sistema de vías ramificadas en las que la glucosa-6-fosfato es el intermediario central. Su estudio

se inicia en 1930 con el decubrimiento de la primera enzima de la ruta, por Warburg, a la que llamó "zwischenferment", ahora glucosa 6-fosfato deshidrogenasa (durante muchos años conocida como enzima amarilla de Warburg). Sin embargo, la propuesta inicial de esta vía en los años 50 se debe a Horecker. El esquema propuesto por él y otros autores (Cohén, Dickens, Katz, Lipman, Racker, etc) ha sido modificado por Williams, con la inclusión de nuevas enzimas y sustratos. Esta vía es conocida también como ciclo oxidativo directo, vía del fosfogluconato, desviación (shunt) hexosa-monofosfato, vía de Warburg-Dickens y, la más conocida, vía de las pentosas-fosfato. al igual que la glucólisis, esta vía es anaerobia y sus enzimas se encuentran en el citoplasma celular. Sin

Fig. 6.75. Ciclo glucosa-alanina. Figura reproducida con permiso de J. M. Orten y O. W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a. Edición, pág. 676, St. Louis, 1982, C.V. Mosby Co. y con modificaciones de Martin, D. W. Jr Y Cois. Harper's Review of Biochemistry, 20a. edición, pág. 264,1985, Lange Medical Publications, Los altos, California.

embargo, a diferencia de la glucólisis, la misión de la ruta de las pentosas no es la de obtener energía; de hecho, comenzando con glucosa-6-fosfato, no se genera ni se requiere ATP. La vía de las pentosas-fosfato representa la principal fuente de NADPH en las células, el cual es esencial para la biosíntesis de ácidos grasos y colesterol. Además, es fuente de pentosas (principalmente ribosa5-fosfato) que se requieren en la biosíntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos. En realidad, la ruta de las pentosas-fosfato es una vía multifuncional, ya que, además de la generación de NADPH y pentosas, participa en la interconversión de monosacáridos desde tres a ocho átomos de carbono, algunos de los cuales entran en la secuencia glucolítica. La producción de NADP reducido tiene un papel importante en la protección de las membranas del eritrocito contra la acción de agentes oxidantes (ver adelante). La ruta global puede ser subdividida en forma simplificada, en dos grandes fases, bien definidas y de características diferentes. En la primera, la hexosa se descarboxila a pentosa; la formación de NADPH tiene lugar en esta fase. En la segunda fase tiene lugar una interconversión de monosacáridos que luego regeneran moléculas de hexosa; es aquí donde se encuentran las diferencias

entre el esquema clásico de Horecker y el propuesto por Williams. Según Williams, la secuencia clásica pudiera quedar restringida al tejido adiposo, mientras que la suya seria operante en hígado y otros tejidos. Así, se propuso la denominación de ruta tipo F (fat grasa) para la primera, y tipo L (liver - hígado) para la segunda. La primera reacción de ciclo es la deshidrogenación enzimática de la glucosa-6-fosfato para formar 6-fosfogluconolactona y NADPH, reacción catalizada por la glucosa6-fosfato deshidrogenasa, la enzima más importante no sólo de esta fase, sino de toda la vía de la pentosas. Aunque la lactona es inestable y se puede hidrolizar espontáneamente, existe una fosfo-gluconolactonasa específica que provoca una más rápida apertura del anillo hacia 6-fosfogluconato (fig.6.76). La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa está ampliamente distribuida en diferentes tejidos, pero la más extensamente estudiada es la enzima de eritrocitos humanos por el hecho de ser estas células las más gravemente afectadas por la deficiencia de glucosa-6fosfato deshidrogenasa y ser esta deficiencia muy frecuente en el hombre. La siguiente reacción de esta primera fase oxidativa es la deshidrogenación del 6-fos-

Fig. 6.76. Reacciones de la fase oxidativa del ciclo de las pentosas.

foglucónico para dar un intermediario tan inestable que no ha podido ser aislado, el ácido 3-ceto-6-fosfoglucónico. Este ácido se descarboxila espontáneamente para dar ribulosa-5-fosfato y CO2. La coenzima es también el NADP+ y requiere Mn++ (fig. 6.77). La fase no oxidativa de la vía consiste en reacciones de isomerización y epimerización que interconvierten la ribulosa-5-fosfato en ribosa-5-fostato; ambas se equilibran a su vez con otro isómero, la xilulosa-5-fosfato. Posteriormente, dos enzimas, la transaldolasa y la transcetolasa conectan la vía de las pentosas con la vía glucolítica; la transcetolasa transfiere fragmentos de 2 carbonos (glucolaldehído) de una cetosa al carbono aldehido de la aldosa receptora. Los productos de esta reacción son la sedoheptulosa-7fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato, los cuales entran luego en otra reacción conocida como transaldolación. La transaldolasa transfiere fragmentos de 3 carbonos (dihidroxiacetona activa) de la sedoheptulosa al gliceraldehído para formar fructosa-6-fosfato y eritrosa-4-fosfato. En una reacción posterior interviene nuevamente la transcetolasa, que utiliza xilulosa-5-fosfato como donador de dos carbonos a la eritrosa-4-fosfato para

formar fructosa-6-fosfato y gliceraldehído3-fosfato (fig. 6.78). Las enzimas que intervienen en esta fase son diferentes según el tipo de secuencia. La descrita es la ruta tipo F, en la que actúan dos transcetolasas y una transaldolasa, mientras que en la ruta tipo L intervienen dos transcetolasas, una fosfotransferasa y dos aldolasas; en esta última se forma un intermediario de ocho carbonos, la octulosa-8-fosfato. En ambos casos, si el ciclo se inicia con 6 glucosas-6fosfato, al final se forman 4 fructosas-6-fosfato y 2 gliceraldehído-3-fosfato que, utilizando enzimas de la vía glucolítica en inversa como la fructosa-difosfato aldolasa (condensación aldólica), se transformarán en 5 moléculas de glucosa-6-fosfato (fig. 6.79). La orientación de la glucosa hacia la vía de la glucólisis o hacia la vía de las pentosas-fosfato varía según los tejidos. Desde este punto de vista, los tejidos humanos pueden pertenecer a dos grandes grupos: en un primer grupo aquellos en que la actividad del ciclo de las pentosas es muy pequeña y la vía glucolítica es predominante o la única existente. Tal es el caso del tejido muscular cuyo objetivo esencial es formar el ATP necesario para la contracción muscular; la vía

Fig. 6.77. Formación de la cetopentosa ribulosa-5-fosfato.

Fig. 6.78. Interconversión de pentosas-fosfato y formación de intermediarios de la glucólisis: fructosa-6-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato.

glucolítica es preponderante. Las necesidades de ribosa-5-fosfato en el músculo se cubren a partir de glucosa-6-fosfato y gliceraldehldo-3-fosfato por inversión de las reacciones transaldolasa y transcetolasa; es decir, el ciclo funcionaría en sentido contrario a las manecillas del reloj (fíg. 6.79A). Conviene señalar que el tejido muscular esquelético contiene cantidades muy pequeñas de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa y 6fosfogluconato deshidrogenasa. El segundo grupo lo forman los tejidos que presentan una ruta de las pentosas no sólo completa, sino también activa. Una mayor necesidad de NADPH que de ribosa-5-fosfato supone un funcionamiento muy activo

de la fase oxidativa del ciclo. Esta situación se presenta en tejidos como el hígado, glándula mamaria (lactante), testículos, corteza suprarrenal y tejido adiposo, que son centros activos de la síntesis de ácidos grasos y esteroides, procesos que requieren del NADPH; en los eritrocitos también está presente la ruta en el mismo sentido de las manecillas del reloj para la producción de NADPH (fig. 6.79 B), que a su vez se utiliza para generar glutatión reducido (ver adelante). En el hígado, del 20-30% del C0 2 procedente de glucosa se produce por vías pentosas, mientras que en tejido adiposo la cantidad de C0 2 originada de esta vía es superior al de otras procedencias; se convierte así este últi-

mo tejido en un sistema modelo en cuanto a actividad del ciclo de las pentosas. Durante la lactancia, un 60% de glucosa en la glándula mamaria se metaboliza a través del ciclo. La falta de oxígeno tisular disminuye el metabolismo del piruvato a través del ciclo de Krebs, provocando una desviación de la glucosa-6-fosfato hacia la vía de las pentosas-fosfato. El NADPH que se acumula es desviado hacia la síntesis de ácidos grasos, lo que explica la infiltración grasa de tejidos sometidos a hipoxia prolongada; esto ha sido demostrado en miocardio infartado tras una oclusión coronaria. Deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenase La deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa es la única enzimopatía realmente importante del ciclo de las pentosas. Esta deficiencia puede ser incluida dentro de las denominadas anemias hemolíticas no esferocíticas. La razón por la que esta deficiencia enzimática provoca hemolisis en personas sensibles cuando ingieren ciertas drogas oxidantes como la primaquina, sulfanilamida, fenacetina, acetanilida, furadantina, etc., radica en la falta de producción de glutatión reducido, agente que protege la membrana eritrocítica contra la acción de agentes oxidantes (fig. 6.80). El NADPH es necesario para reducir el glutatión oxidado: glutatión G-S-S-G + NADPH (oxidado) reductasa

* 2G-SH + NADP* (reducido)

El glutatión es un tripéptido importante para el metabolismo en general de las células, en particular para el eritrocito, ya que reactiva grupos sulfhidrilo (-SH) necesarios para la actividad de sustancias como la hemoglobina, la catalasa y las lipoproteinas de

la membrana celular. Además, el glutatión inactiva a los agentes oxidantes (peróxidos) producidos en la célula. El nivel de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa está normalmente reducido en los eritrocitos viejos (120-135 días). Por esta razón son los más afectados por las sustancias oxidantes ya mencionadas. La deficiencia de esta enzima es una enfermedad genética ligada al cromosoma sexual X, de manera que para que la mujer padezca la enfermedad necesita heredar ambos cromosomas XX (homocigoto) con el defecto. Es interesante mencionar que esta deficiencia, (se calcula que 100 millones de personas en el mundo tienen valores bajos de la enzima), tiene un papel protector contra la malaria, puesto que el plasmodiumfalciparum requiere NADPH y los eritrocitos con baja producción de esta coenzima son inadecuados para el óptimo desarrollo del parásito. Existen variantes que se presentan dependiendo del tipo de raza; la variante A (considerada normal) se presenta en africanos; la variante B (también normal) es el tipo más frecuente en todo tipo de poblaciones. La carencia o disminución de la variante A (A-), la más común es la que se denomina sensibilidad a la primaquina. La variante B conduce a una deficiencia muy severa de la enzima. El número de drogas que puede producir hemolisis es más amplio que el que la induce en la deficiencia A-. Esta deficiencia es la responsable de todas las manifestaciones que ocurrían en países mediterráneos cuando se aumentaba el consumo de habas (Vicia fava) por razones de hábito nutricional, alteraciones conocidas como "favismo". En los leucocitos, el NADPH se utiliza para formar H2O2, necesaria para destruir bacterias.

La falta de esta enzima produce la llamada enfermedad granulomatosa, ligada tam-

Fig. 6.80. Función del NADPH en la formación de glutatión reducido. Datos tomados con autorización de: N. V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive, pág. 250, J. B. Lippincott Co., 1974.

bien al cromosoma X, y que se acompaña de supuración crónica. 6.8.1.5 Ciclo de glucuronato Además de las vías glucolítica y de las pentosas ya descritas, existe otra vía oxidativa alterna para la glucosa-6-fosfato, conocida como vía del ácido glucurónico, capaz de convertir la glucosa en ácido glucurónico, ácido ascórbico (en algunas especies) y pentosas. Al igual que la ruta de las pentosasfosfato, no conduce a la generación de ATP. El ácido glucurónico se forma a partir de glucosa, siguiendo las mismas reacciones de la glucogenosíntesis. Para ello, la glucosa-6-fosfato se convierte en glucosa-1-fosfato, la cual reacciona con uridintrifosfato

(UTP) formando el nucleótido uridin-difosfo-glucosa (UDPG), reacción catalizada por la enzima UDPG-pirofosforilasa. Posteriormente, el UDPG se oxida en el carbono 6 por la UDPG-deshidrogenasa obteniéndose el UDP-glucuronato, forma "activa" del glucuronato (fig. 6.81). El UDP-glucurónico formado queda disponible para síntesis de diferentes proteoglucanos, como los ácidos hialurónicos, los condroitin-sulfatos y dermatán-sulfatos. El UDP-glucurónico es utilizado en el hígado en las reacciones de desintoxicación de fármacos o tóxicos formando glucurónidos. De esta manera, el hígado inactiva y elimina glucuronatos de un gran número de sustancias (tanto propias como extrañas al organismo) como morfina, esteroides, bilirrubina y otras. Las reacciones de conjugación con áci-

Fig. 6.81. Formación de UDP-Glucurónico.

Figura 6.6 Formas cíclicas (proyección de Haworth) de la glucosa y la fructosa. La configuración a se representa con el hidroxilo del carbono anomérico hacia abajo y la configuración P hacia arriba.

Mutarrotación En el caso de la glucosa en solución, más del 99% está en la forma piranosa y menos del 1 % está en forma furanosa. La glucosa cristalina se encuentra como a-D-glucopiranosa. En el momento en que se disuelve en agua la glucosa cristalina, todas las moléculs están en la forma a con un ángulo de polarización de +112°; al cabo de algunas horas se obtiene el equilibrio con la forma p (+19°) quedando un 37% de forma a y un 63% de forma p. La solución resultante en equilibrio muestra ahora una rotación óptica de +52.7°. Este cambio espontáneo de rotación hasta alcanzar un valor estable de equilibrio se denomina mutarrotación. Se ha mostrado por polarografía que la forma alifática (cadena abierta) existe en una proporción de solo 0.0025 %. De cualquier manera, la desviación óptica de la glucosa en solución es dextrógira; de aquí el nombre alterno de dextrosa que se usa con frecuencia. Cuando la glucosa se trata con solución saturada de hidróxido de bario se forma un enediol que origina la pérdida de asimetría

del C2 y al restablecerse el equilibrio se obtienen otros dos monosacáridos, mañosa y frustosa. La mañosa se diferencia de la glucosa sólo en la posición del C2, por lo que ambos son epímeros (Fig. 6.7). Biológicamente, los epímeros más importantes de la glucosa son la mañosa y la galactosa (epimerización en C4). En resumen, todas las hexosas (aldo o ceto) son isómeros entre sí pero existen diferentes tipos de isómeros: La D-glucosa y la L-glucosa son enantiómeros o isómeros ópticos; la a-D-glucopiranosa y la P-D-glucopiranosa son anómeros; la glucosa y la galactosa son epímeros; la glucosa y fructosa son isómeros funcionales aldosa y cetosa. Las verdaderas estructuras tridimensionales de los anillos piranósicos no son planas como se muestran en la proyección de Haworth, en la cual habría entre H y OH una angulación de 180°. Las moléculas cíclicas saturadas como el ciclohexano no son planas por los ángulos de valencia carbono-carbono que son de 109°. Para describir la posición de los carbonos y de los sustituyentes H y OH de los anillos piranósicos de una

do glucurónico son catalizadas por la enzima UDP-glucuronil transferasa. Los glucuronatos presentan un grupo ácido, por lo que a pH fisiológico son más hidrosolubles y aumentan su eliminación por el riñon o bilis. La bilirrubina es el producto mayoritario de degradación metabólica de los grupos hemo, núcleo prostético de la hemoglobina. El principal paso en la excreción de bilirrubina

es su conjugación con ácido glucurónico por la UDP-glucuroniltransferasa (fig. 6.82). El niño recién nacido puede mostrar deficiencia de la enzima glucuronil transferasa. Aunque no tiene una sola causa, la ictericia fisiológica del recién nacido puede provenir de la incapacidad del hígado neonatal para formar bilirrubina conjugada. Cuando por incompatibilidad de Rh se presenta en un re-

Fig. 6.82. Conjugación de la bilirrubina insoluble (indirecta en bilirrubina glucuronada soluble (directa) en el hígado.

cien nacido la eritroblastosis fetal, la ictericia por bilirrubina no conjugada (indirecta), más soluble en grasas, hace que ésta se deposite en la vaina de mielina presentándose una alteración neuronal conocida como kernikterus. En seres humanos se ha encontrado una deficiencia de UDP-glucuronil transferasa que da lugar a una hiperbilirrubinemia hereditaria conocida como ictericia no hemolítica familiar congénita (síndrome de Grigler-Najjar). Los pacientes con esta enfermedad no pueden tampoco conjugar fármacos con ácido glucurónico. Además de las reacciones descritas, el UDP-glucuronaro puede transformarse en glucuronato libre, el cual es reducido a ácido gulónico, por medio de la glucuronato reductasa (o gulonato deshidrogenasa). El ácido gulónico es luego descarboxilado a L-xilulosa, pasando por un intermedio inestable, el 3-ceto-L-gulonato, por medio de la gulonato descarboxilasa. Para que exista una ulterior conexión con la vía de las pentosas, la L-xilulosa debe convertirse en el isómero D. Esto se lleva a cabo mediante una reducción NADP dependiente que la convierte en xilitol. Este polialcohol se oxida luego a D-xilulosa que requiere ser convertida en xilulosa-5fosfato para ingresar a la vía pentosa-fosfato y cerrar el ciclo (fig. 6.83). En algunas personas puede faltar la enzima que reduce la L-xilulosa a xilitol, la L-xilulosa deshidrogenasa, dando lugar a la acumulación, y eliminación por orina, de grandes cantidades de L-xilulosa. Esta enfermedad metabólica inocua se conoce como pentosuria esencial. Es curioso que la incidencia de esta enfermedad es muy elevada entre la raza judía (1/2000 y 1/2500). La pentusoria esencial es un error congénito del metabolismo que no produce alteración funcional alguna ni disminuye la esperanza de vida. El peligro de la enfermedad consiste en que se diagnostique erróneamente como diabetes mellitus y se instituya una terapia con insulina. El L-gulonato es

precursor directo del ácido ascórbico en animales que son capaces de sintetizar esta vitamina (fig. 6.82). Ello requiere del concurso de dos enzimas: una aldonolactonasa, que transforma al L-gulonato en gulonolactona, y una gulonotactona oxidasa, que deshidrogena a la lactosa en 2-ceto-gulonolactona, la cual se transforma espontáneamente en ácido L-ascórbico. La carencia en primates (incluyendo el hombre), cobayos y otros mamíferos de la enzima gulonolactona oxidasa hace imposible la biosíntesis de ácido ascórbico, por lo que este compuesto es una vitamina que debe ingerirse en la dieta. Para algunos científicos, el escorbuto debería ser considerado como un "error congénito del metabolismo" y la adición de ascórbico a la dieta, la terapéutica adecuada. Algunos bioquímicos consideran que el consumo de grandes cantidades de ácido ascórbico es bueno para la salud y puede reducir la frecuencia de ciertas enfermedades, no sólo contra la gripe y el resfriado común, sino también como el cáncer, enfermedades del corazón o la esquizofrenia. Realmente, el ácido ascórbico es una de las sustancias más inocuas de la farmacopea. 6.8.1.6 Diabetes mellitus El término significa literalmente poliuria con orina dulce (de diabeinein, fluir a través, y mellitus, sabor a miel). En realidad la diabetes mellitus aparece como un grupo heterogéneo de enfermedades con diferentes etiologías, más bien que como una entidad única. Sin embargo, la entidad clínica considerada así es una enfermedad metabólica que afecta carbohidratos, lípidos y proteínas; se acompaña frecuentemente de hiperglucemia y es causada por una deficiencia absoluta o relativa de insulina. Existe un factor hereditario claramente involucrado en algunos tipos de esta enfermedad.

Fig. 6.83. Ciclo del glucuronato y su interrelación con la vía pentosas-fosfato y la vía glucolítica.

Para abordar este tema es conveniente conocer las acciones de la insulina sobre el metabolismo de carbohidratos; así, resultará fácil deducir qué sucede cuando esta hormona está deficiente. Realmente, la insulina tiene que ver no sólo con el metabolismo de carbohidratos, sino también con el de lípidos y proteínas. Así, en el déficit de insulina: —Disminuye la captación de glucosa por tejidos insulino-dependientes. —Disminuye la síntesis de glucocinasa hepática y la actividad de la hexocinasa (con ello la fosforilación de la glucosa. —Disminuye la glucólisis (A nivel muscular y hepático) —Disminuye la síntesis de glucógeno (muscular y hepático) —Disminuye la actividad del complejo de la piruvato deshidrogenasa. —Disminuye la vía de fosfogluconato. —Disminuye la formación de NADPH y por tanto la lipogénesis —Disminuye la actividad de citrato sintetasa —Disminuye la actividad de la isocitrato deshidrogenasa —Disminuye la formación de aminoácidos no esenciales, (para la síntesis de proteínas). —Aumenta la glucogenólisis (hepática y muscular) —Aumenta la proteólisis (hepática y muscular) —Aumenta la gluconeogénesis —Aumenta la lipólisis —Aumenta la cetogénesis Dentro de las características clínicas de la diabetes mellitus, destacan la hiperglucemia y la glucosuria persistentes aun en ayuno, así como una gluconeogénesis muy aumentada. La gluconeogénesis incrementada en el diabético obedece al mismo principio que en el ayuno es decir, falta de inhibición de las enzimas de la gluconeogénesis, y tiene como función contrarrestar la falta de utilización de la glucosa. Sin embargo, la gluco-

neogénesis de la diabetes opera en condiciones de hiperglucemia, mientras que la del ayuno prolongado tiene lugar en condiciones de normoglucemia o aun de leve hipoglucemia. Este mecanismo en el ayuno tiene como propósito proveer al cerebro de glucosa. La glucogenosíntesis está disminuida. El glucógeno hepático está muy disminuido, pero el muscular no tanto. La glucosa ingerida y la producida por gluconeogénesis no es utilizada por el músculo y células adiposas (órganos insulinodependientes) y se eleva en sangre (hiperglucemia). La concentración de glucosa en sangre sobrepasa el umbral renal y se excreta por la orina (glucosuria). La inyección intravenosa de glucosa provoca en el individuo normal aumento de piruvato y lactato, así como de glucógeno en hígado; en el diabético no ocurre así. Los pacientes diabéticos muestran, además, una exagerada lipólisis, o sea, movilización de triglicéridos (TG) y ácidos grasos libres (AGL) que pasan del tejido adiposo a la sangre. Este aporte lipídico al hígado favorece la elevación de lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) y posteriormente la instalación de un hígado graso. Debido a la falta de glicerofosfato proveniente de la glucólisis, la síntesis de triglicéridos en el tejido adiposo está sumamente restringida. Como el ciclo de Krebs no está funcionando adecuadamente por falta de las vías anapleróticas a través de piruvato, la acetil-CoA proveniente de la oxidación de AGL favorece la formación de cuerpos cetónicos. Su acumulación consume poco a poco la reserva alcalina y se produce la acidosis meíabólica, precoma y coma diabético. El cociente respiratorio de 0.71 indica que se está llevando a cabo una oxidación preferencial de grasas. El metabolismo proteico está precario como consecuencia de la gluconeogénesis que se lleva a cabo a expensas de aminoácidos, la que conduce a adelgazamiento y pérdida de peso.

De todas estas alteraciones bioquímicas En el cristalino, además del efecto hipertóderivas los hallazgos clínicos como: la ex- nico mencionado, que conduce a la aparición creción de glucosa y cuerpos cetónicos por de cataratas (como en la galactosemia), hay orina arrastra agua (poliuria) y conduce a glicosilación de proteínas. Las proteínas glideshidratación y hemoconcentración; lo que cosiladas atraen todavía más agua e inducen finalmente provoca mucha sed (polidipsia.) una conformación esferoidal del cristalino La desnutrición y astenia del diabético son que origina la visión corta en el diabético. consecuencia de la exagerada movilización Lo contrario sucede cuando se normaliza el de proteínas estructurales; el hambre impe- metabolismo y aparece la hiperopia. Estos riosa que obliga a comer mucho (polifagia), fenómenos son inocuos, pero el médico desíntoma clave según muchos autores, otros be conocerlos para tranquilizar al paciente la han encontrado muy rara vez (5 %). cuando estos cambios ocurran. Como ya se indicó, un cierto número de Existen en la actualidad inhibidores de la tejidos no requieren insulina para la entrada aldosa reductasa, pero se encuentran en vías de glucosa; por lo tanto, la hiperglucemia de experimentación farmacológica. crónica hace que en estos tejidos se alcanUna de las manifestaciones clínicas de la cen los mismos niveles intracelulares de diabetes, poco comprendida, es el cambio en glucosa que en la sangre. Una vez dentro de la membrana basal celular que conduce a su las células, la glucosa se reduce a sorbitol engrosamiento, sobre todo en vasos pequepor medio de la aldosa reductasa que tam- ños (microangiopatía) y en el glomérulo rebién reduce la galactosa a dulcitol (ver ga- nal. Esta membrana está formada por una lactosemia). Esta enzima se encuentra red fibrilar de proteínas (glicoproteínas) reelevada en tejidos afectados. lacionadas con la colágena. Se distingue de ésta por la presencia de mañosa, hexosaminas, ácido siálico y fucosa, además de glucoaldosa reductasa D-glucosa «^^ «•«• Sorbitol sa y galactosa que se encuentran en la D-galactosa / >^ Dulcitol colágena. NADPH NADP+ La biosíntesis de esta proteína es similar a la colágena, en la que se requieren hidroxilaAunque las membranas son permeables a ciones postribosomales y adición de azúcaglucosay galactosa, los polialcoholes (sorbi- res. Estas cadenas glicosídicas extra alteran tol y dulcitol) formados no salen tan rápida- el empaquetamiento normal de las fibras mente y son retenidos dentro de la célula proteicas provocando su engrosamiento. Si aun cuando los niveles de glucosa disminu- se administra insulina en las etapas iniciales, yan por administración de insulina. Estos estos cambios se revierten. La cronicidad de polialcoholes provocan hipertonicidad in- la enfermedad disminuye la reversibilidad tracelular y retención de agua. de estos cambios, de aquí el valor del diagLa hipertonicidad provocada por los po- nóstico y tratamiento prococes. lialcoholes en los nervios periféricos hace La glicosilación no enzima tica se presenta que se produzca la neuropatía periférica. En además en el animo terminal (Val) de la heeritrocitos, el sorbitol desplaza al 2,3-difos- moglobina. foglicerato con lo que se reduce la capacidad Esta se conoce como hemoglobina glicode liberación de O2 por hemoglobina. En va- silada (HbAi ) y su aparición en sangre repsos sanguíneos se produce aterosclerosis; resenta una c forma de diagnóstico, más ésta en riñon y retina provoca nefropatías y efectiva incluso que la determinación de retinopatías. glucosa en sangre.

Formas de diabetes Sin duda, la clasificación más simple y didáctica es la clásica distinción entre diabetes juvenil, ahora llamada diabetes tipo I o insulino-dependiente, y diabetes del adulto, ahora diabetes tipo II o independiente de insulina. Las complicaciones crónicas se presentan en ambos tipos. La del adulto (tipo II) constituye el 8090% de los casos diagnosticados de diabetes: la población que la presenta es mayor de 40 años y con antecedentes de obesidad. En diabetes tipo II es difícil implicar exclusivamente a la insulina, ya que con frecuencia existen niveles normales e incluso elevados de esta hormona en plasma. El defecto o deficiencia en estos pacientes parece estar a nivel de los receptores a la insulina localizados sobre la membrana plasmática, por lo que esta hormona, aun secretada en exceso, no puede ejercer su función. La obesidad aparece a menudo antes del desarrollo de la diabetes tipo II y parece ser un factor que contribuye de manera importante. Los pacientes obesos son a menudo hiperinsulinémicos; se ha establecido una relación inversa entre los niveles de insulina y el número de receptores de insulina. La dieta sola puede frecuentemente controlar la enfermedad en el diabético obeso. Si se puede hacer que una persona obesa baje de peso, los receptores de insulina aumentarán en número. Un paciente obeso de edad avanzada, incluso sin historia familiar positiva, es un candidato a la diabetes mellitus (ver obesidad, metabolismo de lípidos). En contraste con la diabetes tipo I no se produce tendencia a la cetoacidosis aunque se desarrollan las mismas complicaciones, esto es, neuropatía, retinopatía, enfermedad renal y enfermedad arterial coronaria. La diabetes juvenil es menos común; representa sólo el 10% de los casos, de desarrolla en menores de 20 años y su inicio es más abrupto. Debido a la producción insufi-

ciente de insulina por las células B (menos del 10%) del páncreas, los niveles sanguíneos de insulina permanecen bajos a pesar de la hiperglucemia. La imposibilidad de muchos tejidos para captar lucosa en ausencia de insulina contribuye todavía más a la hiperglucemia. La gluconeogénesis hepática acelerada mantiene el estado hiperglucémico incluso en inanición. La baja proporción insulina: glucagon produce tasas incontroladas de lipólisis en el tejido adiposo; ello da lugar a la producción acelerada de cuerpos cetónicos por el hígado a expensas del exceso de acetil-CoA que no puede entrar al ciclo de Krebs. Se produce con esto una condición peligrosa conocida como cetoacidosis. La falta de lipoproteinlipasa produce también hiperquilomicronemia. Sorprendemente se comprobó que en un porcentaje nada despreciable de diabéticos juveniles la obesidad había desempeñado un papel esencial. La diabetes del adulto se presenta en familias y la probabilidad de presentarla es mayor si ambos cónyuges son diabéticos. Si sólo uno es diabético, es mayor cuando es la madre diabética. En cambio, la diabetes juvenil no se incrementa en la progenie porque los padres sean diabéticos. Estudios hechos en gemelos idénticos demuestran que los factores genéticos predominan en la diabetes del adulto mientras que se necesitan factores adicionales, generalmente ambientales, para iniciar una diabetes juvenil. Existe una relación entre los llamados antígenos de histocompatibilidad (HLA) y la diabetes juvenil. Los genes que codifican los HLA están en 4 loci del cromosoma 6 (A, B, C y D) y no son siempre los mismos. A las diferentes formas de cada gene se les llama alelos (uno del padre y uno de la madre en cada locus). Ambos se expresan como proteínas de superficie celular, los cuales pueden tipificarse en los tejidos para trasplante. Nerup de Copenhague encontró que las personas con antígenos HLA: B8 y B15 tenían 2 a 3 veces mayor frecuencia de

diabetes juvenil; lo mismo cuando aparecían en el locus D (DW3-DR3 y DW4-DR4). Cuando se presenta más de un alelo de alto riesgo la probabilidad aumenta 10 veces. Causa de diabetes En algunos hospitales se encontró que el 85% de los diabéticos juveniles presentaban un anticuerpo que reaccionaba contra células a, P y 6 del páncreas de gente normal no diabética. Pacientes con diabetes adulta raramente poseían este autoanticuerpo. Independientemente de que cause o no diabetes por autoinmunidad, este anticuerpo es un marcador que permite distinguir la diabetes juvenil de la del adulto. Surge ahora la idea de que un agente ambiental, que puede ser un virus, desencadene esta reacción autoinmune. La diabetes juvenil se presenta abruptamente en verano e in-

vierno, cuando las enfermedades infecciosas son más frecuentes. De las enfermedades virales que más frecuentemente se han visto relacionadas con diabetes juvenil están las parotiditis (paperas), la rubéola, la encéfalomiocarditis (EMC), reovirus y coxsackie B4. (Ver tabla 6.5). Estadios de la diabetes Son varias las posibilidades de clasificación clínica de la diabetes mellitus en estadios individuales, adecuados a las exigencias de la clínica y la práctica. En los últimos años, el término "prediabetes", antes utilizado y posteriormente desestimado, ha sido reintroducido en los tratados de diabetología para denominar los periodos preclínicos de la diabetes. Prediabetes. Es la fase que va desde la concepción hasta que se encuentra alguna

Modificada de San Martí, A.M., Lucas, A., Salinas, I. Lo Fundamental en Diabetes Mellitus, Ed. DOYMA, pág.21,1991.

alteración del metabolismo hidrocarbonado. Son probables prediabéticos los hijos de padre y madre diabéticos, gemelo univitelino cuyo hermano es diabético y mujeres con productos macrosómicos. Diabetes subclínica o latente. Es aquella fase de la vida de un diabético en la que se pone de manifiesto el trastorno con la ayuda de la prueba de tolerancia a la glucosa con calificación de dos puntos o más. Diabetes sintomática o manifiesta. Representa el cuadro clínico en el que ordinariamente existen hiperglucemia y glucosuria posprandial. A menudo se observan los síntomas clásicos poliuria, polidipsia, polifagia (menos frecuente) y adelgazamiento. En la fase inestable puede presentarse la cetoacidosis y el coma hiperosmolar que pueden requerir de internamiento hospitalario. Terapéutica "Medicina para contrarrestar la eliminación excesiva de orina: huesos, granos de trigo, papilla de cebada recién preparada, tierra verde de plomo y agua. Déjese reposar en estado húmedo, cuélese y tómese durante cuatro días". Papiro de Ebers (1550 a de C.) El tratamiento dietético es históricamente la más antigua de las terapéuticas aplicadas a la diabetes mellitus. Puede parecer paradójico que la glucosa, combustible energético por excelencia, deba restringuirse en la dieta de los diabéticos. Esta contradicción se aclara pronto si se considera que los azúcares prohibidos sólo son indeseables en forma refinada. La glucosa obtenida de la digestión de almidones se diferencia de la administración en forma pura en que su ingreso en el torrente circulatorio es difícil. Se recomienda en general desaconsejar la ingestión de carbohidratos simples (monosacálidos y disacáridos, sobre todo en forma

refinada) y favorecer la de las formas complejas (polisacáridos) en los pacientes diabéticos. Se han observado efectos hipoglucemiantes, hipolipemiantes o de ambos tipos después de aumentar las fibras de la dieta como son las legumbres, las frutas, el pan integral y los cereales. El consumo de cantidades, incluso moderadas, de sacarosa da lugar a hiperglucemia posprandial, hiperinsulinemia e hipertrigliceridemia; la excreción urinaria de glucosa en 24 horas fue significativamente mayor al añadir sacarosa a la dieta. Es indudable que la sacarosa tiene efectos adversos sobre el control metabólico y quizá lo mejor sea limitar el consumo de ésta. Se ha recomendado el uso de edulcorantes como el aspartame y la sacarina como sustitutos. El poder edulcorante del aspartame es aproximadamente 200 veces el de la sacarosa. La Administración de Alimentos y Medicamentos de Estados Unidos (FDA) y otros países lo consideran inocuo para el consumo humano. La misma FDA propuso prohibir el empleo de sacarina por observarse que la sal sódica producía cáncer de vejiga en animales de experimentación, aunque en el hombre no se ha confirmado este riesgo. En cuanto a las grasas, se han observado efectos beneficiosos de la sustitución de ácidos grasos saturados por insaturados en la dieta y ventajas sobre el metabolismo de lípidos producidos por sustitución de ácidos grasos saturados por monoinsaturados. Debe, por tanto, estimularse a los diabéticos a reducir sus ingestas de ácidos grasos saturados y colesterol e incrementar el uso de mono y poliinsaturados. Otra consideración fundamental es la elección de múltiples comidas de poco volumen en lugar de pocas comidas copiosas. Deben prescribirse al paciente entre 6-7 comidas al día. La razón de esto consiste en que los pacientes que aun producen poca insulina deben modular los islotes pancreáticos con pequeñas cantidades de alimento y

no sobreestimular la secreción de insulina hasta agotarlos. Las comidas copiosas originan picos hiperglucémicos más peligrosos.

camento puede durar varias horas en plasma ocasionando hipoglucemia. Biguanidas

Ántidiabéticos orales Si el déficit de insulina endógena es importante, se puede estimular la propia secreción hormonal mediante antidiabéticos orales (sulfonilureas y biguanidas). Sulfonilureas Son los medicamentos más empleados. Su principal acción es la de estimular la secreción endógena de insulina, siempre y cuando existan islotes pancreáticos suficientes. Bioquímicamente, las sulfonilureas disminuyen la glucogenólisis hepática, aumentan la captación de glucosa por el músculo y tejido adiposo, aumentan la afinidad del receptor-insulina. Ejemplos de sulfonilureas: tolbutamida, clorpropamida, gübenclamida. La indicación de las sulfonilureas es propia de la diabetes mellitus tipo II. Las contraindicaciones principales son en la diabetes mellitus tipo I y en la embarazada diabética. Se debe tener PRECAUCIÓN cuando las sulfonilureas se administran en personas de la tercera edad, ya que el medi-

La acción de este medicamento es diferente a las sulfonilureas. La principal acción de las biguanidas es la de elevar la captación periférica de glucosa por el músculo, inhibiendo la gluconeogénesis, incrementando glucólisis anaeróbica. Ejemplos de Biguanidas: fenformina, metformina, buformina. La principal indicación de las biguanidas es en pacientes diabéticos obesos ya que poseen un efecto anorexígeno. Las contraindicaciones de las biguanidas son las mismas que para las sulfonilureas. La complicación más frecuente con biguanidas es la acidosis láctica. Los pacientes con grave déficit en la insulinosecreción exigen la aplicación de una o más inyecciones de insulina al día; no obstante, hay que acoplar la dieta al ritmo que entra en la sangre la insulina exógena. En resumen, la dieta constituye la base de la terapéutica y en la mitad de los casot es el único tratamiento. Por otro lado, la insulina es la soberana y el único medicamento salvador, sin cuya ayuda perderían su vida los diabéticos juveniles y muchos de edad avanzada. Se puede tratar con insulina incluso a pacientes que responden a los hipoglicemiantes orales.

manera más acorde con la realidad, se han introducido dos configuraciones posibles

denominadas forma de "silla" o de "bote* (fig. 6.8).

Fig. 6.8. Configuración espacial de la P-D-glucopiranosa. De las dos configuraciones, la de silla es la más estable.

7 LÍPIDOS

7.1 ESTRUCTURA DE LOS LÍPIDOS

7.2 FUNCIÓN DE LOS LÍPIDOS

Introducción. Los lípidos constituyen un grupo importante y heterogéneo de compuestos que se caracterizan por compartir las siguientes propiedades: I. Solubilidad. Estos compuestos se caracterizan por ser insolubles en agua y solventes polares y solubles en solventes no polares, también llamados solventes orgánicos o solventes de grasas (cloroformo, acetona, éter, tetracloruro de carbono, hexano, etc.). Estos solventes son útiles para extraerlos de células y tejidos. II. Estructura Química. Estos compuestos se caracterizan por poseer cuando menos una función éster y por hidrólisis dan alcoholes y ácidos grasos. Pero existen algunas excepciones. III. Asimilación. Los lípidos son asimilables por los organismos vivos y en esto se diferencian de los aceites minerales. Existen algunas excepciones a estas propiedades, ya que algunos lípidos son relativamente solubles en solventes polares (metanol, etanol y otros). Existen lípidos que en lugar de la función éster (Rj-CO-OCH2-R2) poseen la función amida (RpCONH-CH2-R2).

Los lípidos son compuestos que desempeñan varias funciones en todos los seres vivos las cuales se pueden dividir en 2 tipos. 7.2.1

Estructurales

Los lípidos son componentes fundamentales de todos los organismos, constituyen en promedio el 10% del peso de todos los seres vivos, son un componente importante de todas las membranas celulares y subcelu lares (mitocondriai, nuclear, vacuolar, lisosomal, etc.) El tejido adiposo desempeña importantes funciones de relleno, amortiguadoras y de sostén; actúan como aislante térmico y lubricante y morfogenético sexual y como tejido conectivo. 7.2.2

Energéticas

La función más importante de los lípidos es la energética; se ha calculado que en promedio el 40% de las calorías que utiliza el organismo proviene de los lípidos. Obviamente el tejido adiposo tiene como una de sus funcio-

Figura 7.2. Formación de inositol-1,4, 5-trifosfato.

cebadas, liberación de serotonina, agregación plaquetaria, secreción de insulina, secreción de adrenalina, contracción de músculo liso, transducción visual en los fotorreceptores de invertebrados y otras. Como se puede apreciar, varios tipos de señales extracelülares se convierten en muchas señales intracelulares. En la misma forma que la adenilato ciclasa actúa como un transductor de mensajes y un estímulo externo se convierte en una cascada de reacciones intracelulares, que dependiendo del tipo de célula da lugar a diferentes respuestas, así también los productos de hidrólisis del fosfatidil inositol, 4, 5-difosfato por acción de la fosfolipasa " C " o fosfoinositidasa, enzima que se encuentra en la membrana celular, al interactuar con una hormona como la serotonina se activa y produce el 1,4, 5-trifosfoinositol (IP 3 ) y el diacilglicerol (DAG) que actúan como mensajeros intracelulares.

7.5.1.5 Plasmalo'genos Este es un tipo especial de glicerofosfolípidos que se caracterizan por tener una estructura química muy similar a todos los demás glicerofosfolípidos ya mencionados, la única diferencia es que el C-1 en lugar de estar presente un ácido graso se encuentra un aldehido graso en forma de enol, unido en forma de éter enólico (fíg. 7.3). Los plasmalógenos pueden tener en la posición X colina, etanolamina o serina. Existe un fosfolípido con estructura similar a los plasmalógenos que se ha descrito como un factor activante de las plaquetas aún a concentraciones tan bajas como 0.1 nm produce agregación de plaquetas y dilatación de vasos sanguíneos (fig. 7.4). 7.5.2

Esfingolípidos

7.5.2.1 Esfíngofosfolípidos 7.5.1.4 Cardiolipinas Este tipo de glicerofosfolípido está constituido por 2 moléculas de ácido fosfatídico unidas por una molécula de glicerina. Estas moléculas tienen importancia porque son constituyentes de la membrana interna de las mitocondrias.

Los más abundantes de este tipo de fosfolipidos son las estingomieYmas. üstos compuestos por hidrólisis total dan: esfingosina + ácido graso + H3PO4 + colina. La esfingosina es un aminoalcohol alifático de 18 carbonos insaturado, que se obtiene a partir de la palmitoil CoA y serina (fig. 7.5).

Figura 7.5. Formación de esfingosina.

En los enfingolípidos los ácidos grasos no están esterificados con la esfingosina a pesar de que posee grupos alcohólicos, el ácido graso se une al grupo amina y forma una amida (Fig. 7.6). El ácido fosfórico se une al grupo alcohólico de la ceramida formando un fosfoéster y el mismo ácido fosfórico se une al grupo alcohólico de la colina para formar la molécula de esfingomielina. (fig. 7.7). La colina se une a la ceramida en forma activa como CDP-colina. Las esfingomielinas son compuestos íntimamente relacionados con el sistema nervioso. Son los principales componentes de las vainas de mielina que existen en las fibras nerviosas mielínicas. Su función es actuar como aislante de las corrientes bioe-

léctricas y como material de reserva para la biosíntesis de neurotrasmisores. 7.5.2.2 Glucolípidos Son lípidos que se caracterizan por poseer en su molécula glúcidos, en forma de monosacáridos u oligosacáridos. Los más abundantes son los esfingolípidos: cerebrósidos y gangliósidos, que tienen como alcohol la esfingosina. Se han aislado y caracterizado glucolípidos que tienen como alcohol glicerina, su estructura y función son similares a los esfingolípidos, ya que por el carácter polar de los glúcidos las moléculas resultantes son, al igual que los fosfolípidos, sustancias antipáticas.

7.5.2.2.1 Cerebrósidos Este tipo de lípidos complejos como su nombre lo indica se encuentra preferentemente en el sistema nervioso, en la sustancia blanca del cerebro y en las vainas de mieiina y en menor cantidad en las membranas celulares. En forma general se puede decir que un cerebrósido es una molécula de ceramida (N-acil-esfingosina) unida a un monosacárido, generalmente, galactosa (fig. 7.8). Otra característica estructural es que generalmente el ácido que esta unido al grupo amino es de 24 carbonos (C24: Lignocérico; C24-2-hidroxi: Cerebrónico; C24A14 : Nervónico y C24A14-2 hidroxi: Hidroxinervónico). Acompañando a estos glucolfpidos se han aislado e identificado algunos glucocerebrósidos o sea, cerebrósidos que en lugar de galactosa contienen glucosa, aunque en cantidades pequeñas. También se han aislado glucoesfingolípidos de estructura más compleja, que en lugar de tener un monosacárido presentan varios monosacáridos y algunos derivados de ellos como el ácido N-acetil-neuramínico o ácido siálico. Este compuesto deriva del ácido fosfoenolpirúvi-

co (3c) y de la N-acetil manosamina. Se cicliza entre el C-2 y el C-6 formando la siguiente estructura de la figura 7.9. Estos glucolípidos de estructura compleja, algunos aún no completamente caracterizados, pueden tener azufre en su molécula, debido a la esterificación de ácido sulfúrico con los grupos alcohólicos de los monosacáridos y oligosacáridos. Este tipo de compuestos se denominan gangliósidos y sulfolípidos. 7.5.2.2 Gangliósidos Los gangliósidos son un grupo de glucoesfingolípidos, con una estructura similar a los cerebrósidos, pero en lugar de un monosacárido tiene un oligosacárido, casi siempre ramificado y cuando menos un azúcar ácido (ácido siálico) (fig. 7.10). Se han aislado y caracterizado muchos gangliósidos que difieren en el número, tipo y unión de los azúcares y ácidos siálicos. Los gangliósidos se representan por la letra "G", y como subíndice otra letra "M", "D", o "T" que indica el número de ácidos siálicos que tiene en su molécula.

Figura 7.10. Representación simplificada del gangliósido GMi. Cer = ceramida; Glu = glucosa; Gal = galactosa; NAcGal = N-acetil-galactosamina; NANA = ácido N-acetilneuramínico.

Los gangliósidos se encuentran en altas concentraciones en el sistema nervioso, en especial en la materia gris, donde llega a existir en proporciones hasta del 6% de los lípidos totales. Los gangliósidos no son moléculas inertes, tienen un intercambio metabólico muy intenso ya que existen glicosilhidrolasas que eliminan los azúcares terminales. Estas enzimas son muy específicas y se encuentran en los lisosomas. Existe una enfermedad genética denominada enfermedad de Tay-Sachs en la que falta la enzima -N-Acetimexosaminidasa que elimina el residuo final de la N-acetilgalactosamina en el gangliósido GM2- Esto produce un incremento en la concentración de este gangliósido, varias veces arriba de lo normal, en el

cerebro de los niños. Los síntomas son progresivos e irreversibles: debilidad, retardo psicomotor, alteraciones visuales que llevan a la ceguera, demencia y muerte entre los 23 años (ver adelante). Recientemente se ha descubierto que los gangliósidos desempeñan funciones muy importantes en nuestro organismo. Se ha comprobado que varias toxinas bacterianas (cólera, tétanos, botulismo y difteria) se unen selectivamente a los gangliósidos de la membrana. Si se adiciona el gangliósido específico se bloquea el sitio de unión y la toxina se vuelve inocua. Aparentemente los gangliósidos también actúan como receptores de los interferones, agentes biológicos con actividad antiviral.

7.5.2.2.3

Sulfolípidos

Estos lípidos complejos tienen una estructura química similar a los cerebrósidos y gangliósidos con la única diferencia que tienen moléculas de ácido sulfúrico esterificadas con los grupos alcohólicos de los azúcares. Se considera que sus propiedades y funciones deben ser similares aunque aún no se conocen con precisión. Se sabe que son especialmente abundantes en las membranas de los tilacoides, organelos membranosos que se encuentran dentro del cloroplasto, y que semejan las crestas de las mitocondrias ya que también son invaginaciones de la membrana interna. Estas membranas contienen en su interior las enzimas responsables del transporte de electrones y de biosíntesis del ATP por acción de la luz solar. Estas membranas al igual que las membranas internas de las mitocondrias se caracterizan por ser impermeables a la mayor parte de iones y moléculas. Químicamente se caracterizan por poseer la misma cantidad de lípidos y proteínas. La composición de lípidos es la siguiente: 40% de glucolípidos, 10% de fosfolípidos y 4% de sulfolípidos.

7.5.3 Lipoproteínas Los lípidos se asocian con proteínas y constituyen las lipoproteínas, que es la forma como se transportan los lípidos en la sangre, ya que por ser sustancias no polares hidrofóbicas no pueden circular libres. Las proteínas que forman parte de las lipoproteínas son proteínas glubulares y los componentes lipidíeos, que son hidrofóbicos, se localizan en el interior de la macromolécula en la zona hidrofóbica; los grupos polares de los lípidos complejos (fosfolípidos y glucolípidos) están orientados hacia la región polar externa. Esta disposición espacial o conformación asegura su estabilidad en medio acuoso.

Dependiendo de su composición cuali y cuantitativa, las lipoproteínas se subclasificacn en varios grupos que se caracterizan por el tipo y proporción de lípidos y proteínas. En base a su composición presentan diferentes propiedades que permiten su separación y cuantificación como son: densidad, velocidad de sedimentación (Sf) y movilidad electroforética. Las propiedades y composición química cuali y cuantitativa de las diferentes lipoproteínas que se encuentran en el plasma humano, se resumen en la Tabla 7.6. La densidad de las lipoproteínas es inversamente proporcional a su proporción de lípidos. Cuando las lipoproteínas se centrifugan en una solución de NaCl con una densidad de 1.063, algunas de ellas tienden a "flotar", o sea aparecen en la superficie de la solución. Esta propiedad de flotar en un medio isopícnico se expresa cuantitativamente como unidades Svedberg de flotación (Sf). La hipercolesterolemia se caracteriza por una elevada proporción de lipoproteínas LDL (Low Density Lipoprotein) o en español LBD (Lipoproteínas de Baja Densidad). Las apoproteínas de las lipoproteínas, son heterogéneas, se han aislado y caracterizado varios tipos que se designan como A-1, A-2, A-4, B-48, B-100, C y E, que pueden identificarse por pruebas inmunoquímicas. Las lipoproteínas de baja densidad (LBD o LDL) poseen exclusivamente las apoproteínas B-100, C y E. Las de alta densidad (LAD o HDL) poseen principalmente apoproteínas A-l y A-2 y porciones pequeñas de C, D y E. Las de muy baja densidad (LMBD o VLDL) y los quilomicrones tienen principalmente apoproteínas: A - l , A-2, A-4 y B-48.

7.5.4

Grupo Misceláneo

Pertenecen a este grupo de compuestos una abundante serie de sustancias que poseen algunas características de los lípidos, como la

Tomada de Blanco, A. Química Biológica. Ed. El Ateneo 4a. Edición. Buenos Aires, Argentina, 1988.

insolubilidad en agua, pero carecen de otras como el tener una función éster. Debido a esto se encuentran como fracción insaponificable. Algunas de estas sustancias derivan de lípídos y también se les conoce como derivados de lípidos. Sin embargo, existen algunas que no derivan de ninguno de los lípidos conocidos, razón por la cual se les conoce también como sustancias asociadas a lípidos. Este conjunto heterogéneo de sustancias a pesar de que se encuentran en pequeñísimas cantidades tienen importantes funciones y se pueden dividir para su estudio en los siguientes grupos: a) Terpenos y terpenoides; b) Esteróles y esteroides; c) Eicosanoides (Prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos) 7.5.4.1 Terpenos y Terpenoides Los terpenos constituyen un grupo muy abundante e importante de sustancias que se encuentran universaImente distribuidos en la naturaleza y que realmente derivan de una simple unidad de 5C que se repite. Esta molécula es un hidrocarburo insaturado que se denomina isopreno. El isopreno como tal no existe libre en la naturaleza, su equivalente

es el llamado isopreno activo que se denomina isopentenil-pirofosfato o su isómero, el dimetil- alil-pirofosfato, que derivan de la acetil. CoA vía ácido mevalónico. Biosíntesis del Isopreno activo. La síntesis del isopreno activo, y, por lo tanto, la biosíntesis de todos los terpenos y terpenoides se inicia a partir de acetil-CoA, la cual se condensa con otra molécula de acetil CoA para formar primero, la acetoacetilCoA; ésta se condensa con otra acetil-CoA para formar el 3-hidroxi-3-metil-glutaril CoA, precursor del ácido mevalónico. Estas moléculas se condensan cabeza-cola, o cabeza-cabeza para formar hidrocarburos políméricos, que se denominan terpenos, y según el número de moléculas de isopreno que los formen se clasifican como: monoterpenos (2(0$) -* 10C); Sesquiterpenos (3(C 5 ) - 15C), diterpenos (4(C5) -» 20C): tríterpetios (6(C 5 ) -* 30C); politerpenos (n(Cs) -* (5C) n ). Los terpenos son hidrocarburos. Si existe algún grupo funcional, o si el número de carbonos ya no es múltiplo de 5, los compuestos se denominan terpenoides; algunos ejemplos son:

Como puede apreciarse, por sus nombres, los terpenos y terpenoides de bajo peso molecular se caracterizan por ser los principales componentes de los aceites esenciales responsables de las fragancias naturales de flores, frutas, hojas y tallos. La función que desempeñan estas moléculas no está bien definida. Pueden servir para atraer insectos, indispensables para la fecundación; debido a su alto contenido de carbono e hidrógeno son material energético de reserva. Los terpenos y terpe-

noides de mayor peso molecular desempeñan importantes funciones como reguladores metabólicos (vitaminas liposolubles), además de actuar como pigmentos y participar en procesos fotoactivadores. Los terpenos de elevado P.M., como el hule se forma como una cubierta protectora cuando las hojas y tallos son lesionados. Cuando el caucho o hule natural se trata con azufre en caliente (vulcanización), las largas cadenas moleculares se unen por enlace azufrados y el compuesto es más fuerte, compacto, rígido y resistente a solventes.

7.5.4.2 Esteróles y Esteroides

noperhidrofenantreno y se denominan esteroides. La molécula del ciclopentanoperhidrofenantreno está formada por la estructura del fenantreno totalmente hidrogenado (perhidro) unida al ciclopentano (Figura 7.11). Los carbonos 5, 8, 9, 10, 13 y 14 presentan centros de asimetría. Si se considera que la molécula es plana puede existir isómeros geométricos cis/trans. Los compuestos de interés biológico sólo presentan isómeros en el C-5. En el caso del 5 a-androstano el H unido al C-5 está por debajo del plano y esto se indica con una línea punteada. En cambio el C-19, que está unido al C-10 está por arriba del plano. El H del C5, puede estar en posición P o cis, con res-

Estos compuestos aunque se revisan por separado por su importancia particular, pertenecen al grupo anterior, ya que se ha demostrado q u e todos los carbonos dell colesterol provienen de la acetil-CoA. Los; trabajos iniciales fueron realizados por Konrad Bloch (1940) y posteriormente se hani aclarado y aislado todas las enzimas queí participan en su biosíntesis. El colesterol y todos los esteróles y compuestos que de ellos derivan como son:: vitaminas D, hormonas sexuales y adrenocorticales, ácidos bilares, glucósidos cardiacos, saponinas, etc. se caracterizan por tenerr una estructura básica común: el ciclopenta-

CICLOPENTANOPERHIDROFENANTRENO Figura 7.11 Estructura del ciclopentano perhidrofenantreno.

pecto al C-19, o 5a, que indica posición trans.

en realidad la verdadera estructura de los esferoides no es plana, adoptan la confornmación de silla en los anillos A, B y C que aparentemente es la más estable. En los esteróles existe un grupo -OH en el C-3 en posición p o ecuatorial y en el C-17 existe una cadena hidrocarbonada en posición ecuatorial. El esterol más abundante e importante en los organismos animales es el colesterol, el cual es materia prima en la biosíntesis de las

hormonas sexuales masculinas y femeninas, las hormonas adenocorticales, los ácidos cólicos y los ácidos biliares, todos estos compuestos desempeñan importantísimas funciones. Los vegetales no tienen colesterol; el esterol más abundante es el ergosterol, que tiene importancia por ser provitamina D cuando se expone a la luz solar. A continuación se muestran las estructuras químicas de un miembro de cada grupo, indicando en cada caso el nombre del compuesto, el grupo al que pertenece y las principales características estructurales del grupo.

nes más importantes la de actuar como material de reserva energética.

posee tres carbonos y estos se designan con números arábigos o letras griegas. loa

7.2.3 De transporte

CH2-OH

2o p CH-OH Sirven también como un eficaz vehículo de sustancias liposolubles como vitaminas y hormonas y en esa forma regulan la actividad metabólica. Son además importantes en el transporte de materiales alimenticios como lipoproteínas.

3 o a' CH2-OH Fórmula lineal 7.3.1. Estructura de Ácidos Grasos

7.3 CLASIFICACIÓN Para facilitar su estudio los lípidos se clasifican en 3 grupos. I. Lípidos simples. Son aquellos que están cosntituídos únicamente por alcoholes y ácidos grasos. II. Lípidos Complejos. Son aquellos que por hidrólisis total dan alcoholes, ácidos grasos y otra molécula diferente. m. Grupo Misceláneo. Se incluyen en este grupo una serie de sustancias que tienen algunas características de lípidos, pero que no poseen ácidos grasos, por lo tanto a diferencia de los lípidos simples y complejos no son capaces de formar jabones por hidrólisis alcalina y por ello a este conjunto de sustancias se le conoce como "fracción insaponificable". Los lípidos simples a su vez se subclasifican en los siguientes grupos, dependiendo del tipo de alcohol. a) Acilgliceroles. Son aquellos lípidos que tienen como alcohol a la glicerina o glicerol (propanotriol). b)Ceras. Se caracterizan por poseer un alcohol monohidroxílico alifático y de elevado peso molecular. Acilgliceroles. (triglicéridos). Son lípidos constituidos por glicerol y ácidos grasos. Estructura del glicerol. Es un alcohol polivalente. Químicamente es el propanotriol,

Los ácidos grasos que existen en los seres vivos constituyendo los lípidos simples y complejos son generalmente monocarboxílicos y de cadena lineal saturada o insaturada. Sin embargo, existen en ciertos organismos (microorganismos, semillas) ácidos grasos cíclicos, ramificados y con funciones alcohólicas. Los ácidos carboxílicos se pueden considerar como productos de oxidación de los hidrocarburos: °2

°2

°2

R-CHJ-CHJ - R-CHJ-CHJ-OH - R-CHj-CH-O - R-CHj-COOH Hidrocarburo Alcohol Aldehido Acido

Nomenclatura. Los ácidos grasos se denominan generalmente en dos formas; el nombre sistémico se forma con el nombre del hidrocarburo del que proviene más el sufijo oico.^ El nombre común o trivial termina en "ico" y el nombre generalmente está relacionado con la fuente natural de la cual proviene. (Tabla 7.1) Los carbonos de los ácidos grasos se numeran a partir del grupo carboxilo. 4

3

2

1

R-CH2-CH2-CH2-COOH También se acostumbra utilizar letras griegas. La letra alfa (a) para el carbono, anexo al carboxilo (C2); (P) para C3 y así sucesivamente. Se designa como co (omega)

7.5.4.3 Eicosanoides Son un grupo de sustancias bioactivas que modulan la función celular y que derivan de los ácidos grasos poliinsaturados de 20 carbonos (C20: eicosano). Este grupo incluye las prostaglandinas (PG), los tromboxanos (TX) y los leucotrienos (LT). Recientemente se han agregado algunos trihidroxiderivados del ácido araquidónico llamados lipoxinas. 7.5.4.3.1 Prostaglandinas Constituyen un importante grupo de compuestos relacionados estructuralmente con los ácidos grasos, en especial, con el ácido C2oA5,8,l 1,14 - araquidónico. Estas moléculas se descubrieron y reportaron desde 1930 por Kurzrok y Lieb, quienes observaron que el semen humano era capaz de producir contracciones en el útero "in vitro". Su descubrimiento pasó inadvertido hasta 1960, cuando Von Euler y Bergstrom lograron aislar y comprobar su actividad biológica. En un principio se consideraban como secreciones características de las glándulas prostáticas y vesículas seminales. Sin embargo, se ha demostrado que se sintetizan en todas las células de mamíferos, excepto en los eritrocitos, y se han encontrado en gran cantidad en una alga marina Plexaura homomalla, utilizada desde hace tiempo como abortivo. Aunque las prostaglandinas fueron los primeros compuestos descubiertos que derivan de un ácido graso de 20C (eicosanoico) poliinsaturado, se han descubierto otros compuestos relacionados con pequeñas variaciones en su estructura, aunque con diferencias en su biosíntesis y en su función. Estas sustancias se han denominado Hormonas eicosanoides y comprenden además de las prostaglandinas (PG), a los tromboxanos (TX), las prostaciclinas (PGI) y los leucotrienos

(LT). Todas estas sustancias se caracterizan por tener una gran actividad biológica, actúan a concentraciones pequeñísimas del orden de los nanogramos o picogramos, tienen una vida media muy corta y su efecto se observa en la célula que los produce o en células vecinas, por lo que el nombre de hormona no es adecuado a menos que se aclare que son hormonas locales o autacoides; (tienen acción autocrina o paracrina). Los ácidos grasos precursores de estas moléculas son de 20C generalmente insaturados; el más abundante es el araquidónico C20: A5-8'11-14. Estos ácidos se encuentran en los fosfolípidos de la membrana en posición P (C2) y se liberan por acción de la fosfolipasa Á2. El ácido araquidónico puede servir como materia prima para la biosíntesis de prostaglandinas, tromboxanos, prostaciclinas o leucotrienos.

La biosíntesis de prostaglandinas, tromboxanos y prostaciclinas se inicia por acción de una enzima denominada ciclooxigenasa, que convierte al ácido araquidónico en un endoperóxido cíclico, que es la prostaglandina G2 o PGG2. Este compuesto por acción de una peroxidasa se convierte en un hidroxiderivado que se denomina prostaglandina H2 (PGH2). Este compuesto sirve como materia prima para la síntesis de prostaglandinas, tromboxanos o prostaciclinas, por una serie de reacciones que son específicas. John Vane demostró que la aspirina (ácido acetilsalicílico) inhibe a la ciclooxigenasa componente de la prostaglandina sintetasa. Las prostaglandinas se pueden considerar como hídroxiácidos insaturados con un ciclopentano o ciclopenteno. El nombre se forma con las letras PG, seguida de una tercera letra (que va de la A a la I) y de un número en forma de subíndice, que indica el número de dobles enlaces presentes en la molécula. La letra indica si son derivados del ciclopentano o ciclopenteno y el grado de oxidación, si presenta grupos hidróxilo o cetona. Las más importantes son las PGE que tienen un grupo cetona en el C-9, mientras que las PGF tiene un grupo hidróxilo. 7.5.4.3.2 Tromboxanos Los tromboxanos (TX) son compuestos que se caracterizan por poseer en su estructura un anillo etéreo de 6 eslabones con propiedades fisiológicas diferentes y en ocasiones antagónicas con las prostaglandinas y prostaciclinas. Las prostaglandinas H2 (PGH2) por acción de la prostaciclina sintetasa se convierte en prostaciclina, la cual también se conoce como prostaglandina I2 (PGI2). Se caracterizan por presentar además del ciclopentano otra estructura heterocíclica derivada del furano que se forma al reaccionar un oxígeno del endoperóxido (PGH2) con los C-6 y C-9.

7.5.4.3.2 Leucotrienos Los leucotrienos como su nombre lo dice son eicosanoides que se caracterizan por presentar tres dobles enlaces en su molécula por lo menos en los primeros que se aislaron de leucocitos. Su biosíntesis es diferente de las prostaglandinas, prostaciclinas y tromboxanos. La biosíntesis se inicia por acción de la lipooxigenasa sobre el ácido araquidónico que lo convierte en el ácido 5-hidroperóxidoeicostetraenoico (5-HETE), y éste se convierte luego en el leucotrieno A2 (LTA2). Este compuesto por adición de agua se convierte en el leucotrieno B4. El mismo LTA2 por adición de glutatión al C-6 da el leucotrieno C4 (LTC4) y éste por hidrólisis parcial pierde el ácido glutámico y da el leucotrieno D4 (LTD4). Cuando este compuesto pierde la molécula de glicina se forma el leucotrieno E4 (LTE4), el cual sólo tiene la cisteína en el C-6. La mezcla de estos tres últimos compuestos LTC4, LTD4 y LTE4) constituyen la que antes se conocía como SRS-A (sustancia de reacción lenta de la anafilaxia) de gran importancia en reacciones inmunitarias. Los eicosanoides se caracterizan por ser moléculas muy activas, de acción pasajera y muy variada y en ocasiones antagónicas, lo cual ha dificultado su empleo terapéutico por ejemplo la PGF2 que un poderoso broncoconstrictor; en cambio la PGE2 produce dilatación de bronquios y de vasos sanguíneos cardiacos, renales, mesentéricos y musculares. Existen algunas acciones comunes a todas las prostaglandinas. Otro aspecto importante es que estas moléculas afectan casi todos los sistemas y aparatos del organismo (respiratorio, circulatorio, digestivo, reproductor, endocrino, nervioso, etc.). Por todo lo anterior, se presenta en forma muy resumida y parcial las principales acciones fisiológicas de los eicosanoides. Sistema Nervioso. Algunas prostaglandinas (PGF) favorecen la liberación de neutrotransmisores, otras (PGE2) la inhiben.

Aparato Digestivo. Las PGE y PGI inhiben las secreciones digestivas gástricas y tienen un efecto estimulante sobre la secreción de moco, por lo que se tienen justificadas esperanzas de su utilidad terapéutica en el tratamiento de la úlcera. Las PGE incrementan la peristalsis del estómago e intestino, al estimular la contracción de la musculatura lisa longitudinal e inhibir a la circular. Las PGF estimulan tanto las circulares como longitudinales, y la PGI2 inhibe a ambas fibras. Aparato Reproductor. Las prostaglandinas participan en todas las etapas de la reproducción; participan en la ovulación, en la ruptura del folículo, tienen acción luteolítica y aparentemente inician el trabajo de parto al estimular la contracción de la musculatura uterina. La oxitocina aparentemente participa en la 2a. etapa del parto. Aparato Respiratorio. Las PGD2, PGF, el TXA2 y los leucotrienos LTC4 LTD4 y LTE4 (SRS-A) sonbroncoconstrictores. Los leucotrienos son 1000 veces más protentes que la histamina como broncoconstrictores y se considera que están muy relacionados con el asma. Las PGE son potentes broncodilatadores. Aparato Circulatorio. Las PGE y PGI son vasodilatadores e hipotensores, mientras que el TXA2 es vasoconstrictor. Las PGI2 inhiben la agregación plaquetaria, mientras que el TXA2 estimula la agregación de plaquetas. Inflamación, fiebre, dolor y respuestas, inmunitarias anormales. Los leucotrienos y las PG juegan un papel importante en los procesos de inflamación, fiebre y dolor. Incrementan la movilidad de leucocitos polim o r f o n u c l e a d o s e i n c r e m e n t a n la permeabilidad celular y de esta forma contribuyen al edema. Se ha demostrado que la sensación de dolor y la hipertermia también están asociadas a las prostaglandinas. Esto explica el efecto antiinflamatorio, antitérmico y analgésico de la aspirina y una serie de

fármacos que inhiben la ciclooxigenasa y, por lo tanto, la biosíntesis de PG, TX y PGI. Los corticosteroides también son poderosos agentes antiinflamatorios que inhiben la fosfolipasa A2 y por lo tanto bloquean la biosíntesis de los eicosanoides en general. Aparentemente las reacciones de hipersensibilidad y crisis asmática están relacionadas con la SRS-A (LTC4, LTD 4 y LTE4) y la posibilidad de interferir farmacológicamente en la producción de estas sustancias tiene un futuro promisorio. El mecanismo de acción de los eicosanoides aun se desconoce. Se ha propuesto que se unen a receptores específicos y modifican los niveles de AMPc o de Ca++, también se ha propuesto que actúan como segundos mensajeros, en respuesta a diferentes hormonas y que los cambios fisiológicos que producen son característicos de la célula y no de la hormona. Sin embargo, todas estas hipótesis requieren ser confirmadas o modificadas, por esto el estudio de éstas moléculas es actualmente una de las áreas de investigación más promisorias y apasionantes. Las lipoxinas se forman por oxidación secuencial de ácido araquidónico mediada por la 15- y la 5-lipoxigenasa. Son reguladores intracelulares específicos; la lipoxina A estimula la formación de superóxidos en los neutrófilos, la quimiotaxis, produce vasoconstricción y activa la proteincinasa C. 7.6 DIGESTIÓN Y ABSORCIÓN DE LÍPIDOS Las grasas y aceites alimenticios son mezclas de triglicéridos mixtos. En países industrializados se consumen entre 80 y 150 gramos diarios por persona. La capacidad de absorción de grasa del intestino delgado normal es considerable, casi 95% de los triglicéridos ingeridos.

A partir de las primeras observaciones anatómicas y funcionales de los vasos linfáticos intestinales, por Gaspare Aselli a principios del Siglo XVII, y de la aportación de Claude Bernard, en 1856, se demostró que los lípidos de la dieta alcanzaban el sistema linfático, la cuestión central en la digestión de los lípidos quedó circunscrita a cómo los lípidos de la luz intestinal atravesaban la pared del intestino para llegar a la linfa. A comienzos del presente siglo dos hipótesis contrapuestas eran intensamente debatidas. Immanuel Munk, en su "teoría particulada", sostenía que la mayor parte de los triacilgliceroles de la dieta eran absorbidos intactos en forma de una fina emulsión, y así transportados a través de la mucosa intestinal hacia los vasos linfáticos. Contrariamente, la "teoría lipolítica" de E.F. Pflüger, afirmaba que los triacilglicéridos eran hidrolizados totalmente a ácidos grasos y glicerol, y que estos últimos eran los compuestos absorbidos. En 1936, Verzar y McDougall demostraron que la degradación de los triglicéridos por acción de la lipasa pancreática y su emulsificación con las sales biliares, eran procesos esenciales para la absorción de lípidos. Este último trabajo, sumado a las aportaciones de Frazer, Bollman y otros autores, apoyaron definitivamente la "Teoría Lipolítica" de Pflüger. Aunque debe convenirse que la digestión de los lípidos es un proceso dinámico que ocurre en todo el tubo digestivo, pueden diferenciarse fases caracterizadas por el lugar anatómico donde se realizan y por las enzimas hidrolíticas que intervienen. 7.6.1 Digestión gástrica. Lipasa lingual y lipasa gástrica Como respuesta a la ingestión oral de grasas, a la masticación y a estímulos nerviosos, un grupo de glándulas serosas localizadas por debajo de las papilas circun-

valadas de la lengua, segregan a la boca la lipasa lingual (conocida también como lipasa de la saliva). Se sabe que la lipasa de la lengua es una glucoproteína hidrofóbica, escasamente soluble en agua, que muestra especificidad para la hidrólisis de triacilglicéridos. Se trata de una verdadera lipasa y no de una esterasa en general, ya que actúa sobre sustratos en forma de agregados insoluoles. La enzima es parcialmente inhibible por sales biliares y muestra un pH óptimo ácido. (Herrera E, 1991). La lipasa de la lengua es más activa con los triacilglicéridos de ácidos grasos de cadena corta que con los de cadena larga. Presenta especificidad por los enlaces éster primarios de los triacilglicéridos (posición a y a ' o 1 y 3) y no hidroliza los enlaces en posición P (2), ni los enlaces éster de fosfoglicéridos y del colesterol. La acción de la lipasa lingual determina el comienzo de la digestión de los lípidos de la dieta en el estómago. Las contracciones del estómago producen los movimientos suficientes para favorecer la emulsificación de los lípidos, aunque también parecen participar otros agentes presentes en el propio alimento, como ciertos péptidos, polisacáridos complejos y fosfolípidos. De todos modos, la emulsificación en el estómago es más bien grosera y no puede calificarse de verdadera emulsión. Los ácidos grasos liberados por la lipasa lingual son hidrofílicos y solubles en medio acuoso, tanto en su estado ionizado como en el no ionizado, de manera que pueden escapar de las gotitas de grasa y estar en disposición de ser absorbidos. Se ha demostrado que la mucosa gástrica absorbe pasivamente ácidos grasos de cadena corta o media, los cuales son liberados a la circulación portal. En resumen, puede considerarse que la lipasa de la lengua actúa en el estómago, hidrolizando los enlaces a (1) de los triacilglicéridos, y permite la absorción ahí mismo de los ácidos grasos de cadena corta

o media, pero también es importante su acción facilitadora sobre la hidrólisis de los acilglicéridos restantes que ocurre en el intestino delgado. El estómago produce una lipasa gástrica capaz de hidrolizar triacilgliceroles de ácidos grasos de cadena corta. A esta enzima también se le conoce como tributirasa por su especificidad para separar ácidos grasos de cuatro átomos de carbono (ác. butírico). La acción lipolítica de esta enzima es poco importante.

la digestión y absorción de las grasas, así como la de las vitaminas liposolubles A, D, E y K. Cuando está alterada la digestión de las grasas, también son mal digeridos otros alimentos, pues la grasa cubre las partículas de alimento y evita que las enzimas actúen sobre ellas. En estas condiciones, la actividad de las bacterias intestinales provoca considerable putrefacción y producción de gases. 7.6.2.2 Secreción pancreática

7.6.2

Digestión intestinal

El contenido del estómago ó quimo, es vaciado al intestino delgado a través de la válvula pilórica. El contenido alcalino de las secreciones pancreáticas y biliar neutraliza el ácido del quimo y hace variar el pH de éste a la alcalinidad. Este cambio en el pH es necesario para la actividad de las enzimas contenidas en los jugos pancreático e intestinal. 7.6.2.1 Secreción biliar La absorción de los primeros ácidos grasos de cadena larga en el duodeno, así como otros factores (pH, ciertos aminoácidos etc.), desencadenan la secreción de colecistocinina por la mucosa intestinal. Esta hormona induce a su vez la secreción de la bilis (por contracción de la vesícula biliar y relajación del esfínter de Oddi) y la del jugo pancreático. Es a la altura de la ampolla de Vater donde las gotitas de grasa se encuentran y mezclan con estas secreciones. Las sales biliares tienen una considerable capacidad para disminuir la tensión superficial del agua. Esto les permite emulsionar las grasas en el intestino y disolver los ácidos grasos y los jabones insolubles en agua. La presencia de la bilis en el intestino es un coadyuvante importante para llevar a cabo

La secreción pancreática al intestino contiene al menos tres actividades enzimáticas distintas: lipasa pancreática, fosfolipasa A2 y colesterol esterasa, y una coenzima, la colipasa. La actividad de la lipasa es cuantitativamente la más importante de las tres y, de hecho, la actividad en el intestino es de 100 a 1,000 veces superior a la necesaria para la hidrólisis completa de los triacilgliceroles en el intestino delgado superior, tras una ingesta habitual. La actividad de la fosfolipasa A2 es bastante menor y la hidrólisis de los fosfolípidos requiere un trayecto en la luz intestinal más dilatado en el tiempo y en el espacio, llegando a ocurrir incluso en el íleo. La lipasa pancreática degrada el enlace éster primario de triacilgliceroles; actúa en la interfase aceite-agua, de las gotitas finamente emulsificadas de los lípidos, formadas por la agitación mecánica en el intestino en presencia de los productos de la actividad de la lipasa lingual, sales biliares, colipasa, fosfolípidos y fosfolipasa A2. La fosfolipasa A2 y la colipasa son secretadas en forma de zimógenos y requieren activación por hidrólisis tríptica de enlaces peptídicos específicos. El Ca 2+ es necesario para la actividad de la fosfolipasa A2. Una hidrólisis limitada del enlace éster en la posición 2 del fosfolípidos por la fosfolipasa A2 fija la lipasa a la interfase del sustrato y acelera la hidrólisis del triacilglicerol. La colipasa se une a la in-

terfase sal biliar-triacilglicerol-agua proporcionando un anclaje de elevada afinidad para la lipasa. La hidrólisis completa de los triacilgliceroles produce glicerol y ácidos grasos. La lipasa pancreática es virtualmente específica para la hidrólisis de enlaces éster primarios, es decir, en las posiciones 1 y 3 de los triacilgliceroles. Durante la digestión de grasas, la fase acuosa o "fase micelar" contiene una mezcla de micelas en forma de disco y liposomas de sales biliares saturadas con productos lipolíticos. A causa de la dificultad para la hidrólisis del enlace éster secundario en el triacilglice-

rol, es probable que la digestión de estos lípidos avance hacia la remoción de los ácidos grasos terminales para producir 2 monoacilgliceroles. Puesto que este último ácido graso está unido por un enlace éster secundario, su remoción necesita isomerización a un enlace éster primario. Este proceso es relativamente lento; como consecuencia, los 2-monoacilgliceroles son los productos principales de la digestión de triacilgliceroles y menos de una cuarta parte de los triacilgliceroles ingeridos es degradado en forma completa a glicerol y ácidos grasos (Fig.7.12).

Figura 7.12. Digestión y absorción de los triacilgliceroles, AG, ácidos grasos de cadena larga.

Los esteres de colesterol son degradados por una hidrolasa específica, en la luz intestinal, la colesterol esterasa que cataliza la hidrólisis de los esteres de colesterol, los cuales son así absorbidos en el intestino en una forma libre no esterificada. La fosfolipasa pancreática, al igual que la colipasa, se segrega en forma de precursor no activo (proenzima). Al llegar al duodeno se activa por hidrólisis tríptica de un enlace ArgGli en la región proximal al NH2 terminal. La enzima activa cataliza la hidrólisis de los ácidos grasos esterificados en la posición

P(2) de una variedad de fosfoglicéridos y no tiene efecto por ejemplo sobre los esfingolípidos. Los productos de su acción son 1-acil2-lisofosfoglicéridos y ácidos grasos. La enzima tiene un requerimiento absoluto de iones Ca2+ que parecen asegurar la fijación y estabilización del complejo enzima-sustrato y las sales biliares son esenciales para la acción de la enzima, ya que aseguran la adecuada presentación física del sustrato. La fig. 7.13 resume la utilización de los TG de cadena larga y media.

Figura 7.13 Utilización de los triglicéridos habituales de la dieta (cadena larga) y los de la cadena media.

7.6.3

Absorción intestinal

7.6.3.1 Absorción micelar Los 2-monoacilgliceroles, ácidos grasos y cantidades pequeñas de 1-monoacilgliceroles, dejan la fase de aceite de la emulsión de lípidos y difunden entre las micelas mixtas y liposomas consistentes en sales biliares, fosfatidilcolina y colesterol, proporcionadas por la bilis. Debido a que las micelas son solubles permiten que los productos de la digestión sean transportados a través del medio acuoso de la luz intestinal hasta el borde en cepillo de las células de la mucosa donde son absorbidos al interior del epitelio intestinal. Las sales biliares pasan al íleon, donde la mayor parte son absorbidas penetrando a la circulación enterohepática. Los fosfolí pidos de origen alimentario y biliar son hidrolizados por la fosfolipasa A2 de la secreción pancreática hasta ácidos grasos y lisofosfolí pidos, los cuales también son absorbidos desde las micelas. Los esteres de colesterol son hidrolizados por la colesterol esterasa del jugo pancreático y el colesterol libre junto con la mayor parte del colesterol biliar es absorbido a través del borde en cepillo después de su transporte en las micelas. Normalmente se absorbe más del 95% de los lípidos de la alimentación. En el interior de la célula intestinal, los 1monoacilgliceroles son hidrolizados aún más para producir glicerol libre y ácidos grasos por una lipasa, que es distinta de la lipasa pancreática. Los 2-monoacilgliceroles pueden ser convertidos de nuevo a triacilgliceroles a través de la vía del monoacilglicerol (fig. 7.12). La utilización de ácidos grasos para una nueva síntesis de triacilgliceroles requiere primero su activación. Es probable que la síntesis de triacilgliceroles procede en la mucosa intestinal en una forma semejante a la que se lleva a cabo en otros tejidos. Los fosfolípidos, junto con gran parte del colesterol, absorbidos, tam-

bién son reacilados con Acil-CoA para regenerar fosfolípidos y esteres de colesterol. El glicerol libre no es reutilizado sino que pasa directamente a la vena porta. Sin embargo, el glicerol liberado dentro de las células de la pared intestinal puede ser reutilizado en la síntesis de triacilgliceroles por activación con ATP y glicerocinasa para dar glicerol-3fosfato. Por lo tanto, todos los ácidos grasos de cadena larga absorbidos en las células de la mucosa de la pared intestinal, son utilizados en la formación de novo de triacilgliceroles. Los triacilgliceroles sintetizados en la mucosa intestinal no son transportados por la sangre venosa portal. La mayor parte de los lípidos, incluyendo fosfolípidos, esteres de colesterol, colesterol libre y vitaminas liposolubles, generan quilomicrones que le dan el aspecto lechoso al quilo, el cual es recolectado por los vasos linfáticos de la región abdominal y llevado a la circulación general por el conducto torácico. 7.6.3.2 Síntesis intestinal de quilomicrones Los quilomicrones (QM) son los principales transportadores de triacilgliceroles con ácidos grasos de cadena larga de origen exógeno. Los triacilglicéridos ingeridos se hidrolizan en la luz del intestino delgado principalmente. Dentro de las células intestinales a nivel del yeyuno nuevos triglicéridos se sintetizan en el retículo endoplásmico liso. En la fracción microsomal de los enterocitos se encuentran también las enzimas responsables de la síntesis de fosfolípidos y de colesterol. La síntesis de las proteínas está asociada con los ribosomas del retículo endoplásmico rugoso. Los quilomicrones formados en el retículo se transfieren al aparato de Golgi y se descargan desde las células hasta la linfa por fusión de éstas vesículas con la membrana plasmática por el proceso de pinocítosis inversa o exocitosis.

Tabla 7.1 Nomenclatura sistémica y trivial de algunos ácidos grasos.

al último carbono de la cadena, independientemente del número de carbonos. © y (3 a CH3-CH2--CH2-CH2-CH2-COOH Una forma muy simplificada de representar un ácido graso es indicar el número de carbonos, dos puntos y otro número que indica el número de dobles enlaces (tablas 7.2,7.3 y 7.4). Si el ácido graso es insaturado se debe indicar la posición de la(s) dobíe(s) ligadura(s), colocando entre paréntesis, el o los números de los carbonos en los que empieza el doble enlace. También se utiliza la letra griega (A) seguido del número o números de los carbonos donde empieza la doble ligadura, en forma de supraíndice (A9). La mayor parte de los ácidos grasos que existen en la naturaleza tienen número par de carbonos. Esto se debe a que estas moléculas se sintetizan y degradan por la adición o separación de unidades de dos carbonos.

polares. El punto de fusión también aumenta con el peso molecular. Los de bajo peso molecular (C2-Cg) son líquidos a temperatura ambiente, los de mayor peso molecular son sólidos. El grado de insaturación disminuye el punto de fusión. Los ácidos grasos que poseen dobles enlaces presentan un tipo de isomería, que se denomina isomería geométrica o cis-trans ejemplo:

La mayor parte de los ácidos grasos que existen en la naturaleza son CIS. 7.3.4

7.3.3 Propiedades de los Ácidos Grasos Los ácidos grasos son moléculas antipáticas tienen un grupo polar (carboxilo) y un grupo no polar (la cadena hidrocarbonada). Los de bajo peso molecular (C 2 -C 8 ) son solubles en agua; a medida que aumenta el peso molecular disminuye la solubilidad en agua y se incrementa la solubilidad en solventes no

Ácidos grasos esenciales

Los ácidos grasos poliinsaturados (linoleico, linolénico) no pueden ser sintetizados por los organismos superiores y deben de ser administrados en la dieta, ya que constituyen del 10 al 20% de los acilgliceroles y fosfolípidos. Por esto se les conoce como ácidos grasos esenciales (o vitamina F), su carencia produce alteraciones fisiológicas que pueden llegar a producir la muerte. Este tipo

El enlazamiento de carbohidratos al componente proteico ocurre en el retículo endoplásmico liso pero en mayor proporción en el aparato de Golgi. Los triacilgliceroles con ácidos grasos de cadena larga se transportan en los quilomicrones por vía linfática y entran al torrente sanguíneo por el conducto torácico. Los triglicéridos con ácidos grasos de cadena corta y media pasan directamente a la vena porta en donde se unen a la albúmina para su transporte al hígado. Los quilomicrones que se encuentran en la linfa, llamadas partículas primarias o partículas nacientes, son más ricos en fosfolípidos y pobres en proteínas que los quilomicrones de la sangre, partículas secundarias ó partículas maduras. Los QM nacientes contienen Apo A-l y Apo B, pero son pobres en Apo C y Apo E. Los QM nacientes obtienen sus ApoC y E de las HDL en la sangre. La Apo B-48 es una apolipoproteína estructural e indispensable para la formación de los quilomicrones.

Catabolismo La depuración sanguínea de los quilomicrones marcados es rápida; el tiempo medio

de degradación es de unos cuantos minutos. Cuando se administran intravenosamente quilomicrones con ácidos grasos marcados, casi el 80% de la marca aparece en el tejido adiposo, corazón y músculo y aproximadamente 20% en hígado. El catabolismo de los quilomicrones tiene lugar en dos etapas. En la primera etapa, los quilomicrones se adhieren a las células endoteliales de los capilares y sus triglicéridos se hidrolizan por la lipoproteínlipasa (LPL), un proceso que requiere la presencia de Apo C-II. Parte de los fosfolípidos se hidrolizan por la misma enzima. Conjuntamente con la hidrólisis de los triglicéridos, los compuestos superficiales de los quilomicrones, como son Apo C, fosfolípidos y colesterol no esterificado, se transfieren a las HDL (fig. 7.14). Las partículas producidas en esta primera etapa se denominan remanentes de quilomicrón. Estos remanentes en una segunda etapa son eliminados de la circulación por el hígado al enlazarse a los receptores hepáticos de alta afinidad para los Apo E. Tan pronto como se enlazan a los receptores, los remanentes se internalizan y sus componentes se hidrolizan para su posterior reutilización.

Figura 7.14. Metabolismo de los quilomicrones y de los remanentes de quilomicrones. TG, triglicéridos; CE, esteres de colesterol.

Metabolismo de las VLDL (LMBD) Síntesis Las VLDL son transportadoras de triglicéridos endógenos. Son sintetizados continuamente en el hígado y en el intestino y transportan en menor proporción triglicéridos de origen exógeno. La secuencia de eventos para la formación de las VLDL es parecida a la descrita para los quilomicrones excepto que poseen Apo B-100. En la zona de transición entre los retículos endoplásmicos rugoso y liso, sitio de la síntesis de los triglicéridos, pueden observarse partículas osmiofílicas de 300-800 A de diámetro. Estas partículas se transportan al aparato de Golgi y hacia la membrana plasmática en vesículas secretoras membranosas; las VLDL se descargan luego hacia la circulación o hacia la linfa por fusión de estos dos elementos. Los esteres de colesterol de las VLDL derivan de la transferencia de esteres de colesterol de las HDL a las VLDL, a cambio de triglicéridos.

VLDL, pero existen evidencias de producción directa en el hígado, la conversión de las IDL (ricas en Apo B) en LDL representa la segunda etapa del catabolismo de las VLDL (ver fig. 7.15).

Catabolismo Las VLDL son degradadas en 2 etapas. Los triglicéridos de las VLDL son hidrolizados por la lipoprotein lipasa. Conjuntamente con la hidrólisis de los triglicéridos de las VLDL los fosfolípidos, el colesterol no esterificado y las Apo C son transferidos de las VLDL a las HDL. En esta primera etapa las VLDL pierden gran parte de sus triglicéridos, colesterol y fosfolípidos y casi todas las Apo C. El producto principal del catabolismo de las VLDL es una lipoproteína de densidad intermedia (IDL) conocida también como remanente de VLDL. Dos destinos posibles esperan a la IDL. Pueden ser captadas de manera directa por el hígado a través del receptor para IDL (Apo B-100 y Apo E) o convertirse en LDL. Al parecer la mayor parte de las LDL son formadas a partir de las

Figura 7.15 Metabolismo de las VLDL. Conversión de las VLDL en IDL y LDL. TG, triglicéridos; CE, esteres de colesterol.

Metabolismo de las LDL Síntesis. Las LDL se forman casi exclusivamente en la circulación a partir de las VLDL vía IDL, pero también hay evidencias experimentales que apoyan su producción directa por el hígado. (Fig. 7.16).

Figura 7.16. Catabolismo intravascular de las lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL). CL, colesterol libre; EC, esteres de colesterol; CS, componentes redundantes de superficie, fosfolípidos, FL, y apoproteínas C. PTC, proteína transportadora de esteres de colesterol; TGH, triglicérido hidrolasa.

Catabolismo La vida media de las LDL en sujetos normales es de 2.5 a 3.5 días. Las LDL son degradadas tanto en el hígado como en tejidos extrahepáticos (fibroblastos, linfocitos, celulas de músculo liso arterial, etc.). Las LDL se enlazan a los receptores para Apo B-100 y Apo E y, después de su internalización por endocitosis, la Apo B y los esteres de colesterol se hidrolizan por enzimas lisosomales. Parte del colesterol se excreta de las células y el resto se transfiere al citoplasma, donde es reesterificado. La degradación de las LDL por la vía de los receptores LDL de alta afinidad es mucho más eficiente que su degradación por los macrófagos. Sin embargo, la degradación de las LDL vía sistema retículo endotelial adquiere importancia a medida que los niveles de las LDL en el plasma se incrementan. Se estima que entre el 33 y el 66% de las LDL circulantes se degradan por el sistema de los receptores LDL de los hepatoritos y de los tejidos extrahepáticos, y el resto por las células de Kupffer en el hígado y por los demás macrófagos del sistema retículoendotelial. Dado que las LDL transportan las dos terceras partes del colesterol circulante, estas partículas son las principales proveedoras de colesterol al hígado y a los demás tejidos del organismo. La mayor parte de los esteres de colesterol de las LDL representan colesterol reciclado: el colesterol libre de las VLDL de origen hepático es transferido a las HDL para su esterificación por la LCAT (lecitina colesterol a cil transferasa) y su transferencia en forma esterificada a las IDL por la PTEC (Proteina de transferencia de esteres de colesterol) las IDL a su vez, se degradan a LDL, entregando parte de su colesterol el hígado. El colesterol esterificado que se acumula en los tejidos extrahepáticos y en los macrófagos se hidroliza a colesterol libre por la colesterol hidrolasa, y el colesterol libre se secreta hacia los compartimientos intravasculares e

intersticiales, donde se incorpora a las HDL que lo transportan al hígado después de su esterificación por la LCAT. Metabolismo de las HDL Las lipoproteínas de alta densidad han despertado gran interés, por la relación inversa que existe entre su concentración y el riesgo de desarrollar aterosclerosis y sus complicaciones, ya que no se lleva a cabo en un solo órgano, los componentes de las HDL son aportados por varios tejidos ó por las lipoproteínas circulantes (figura 7.17). Las HDL se constituyen principalmente por Apo A-I, fosfolípidos y colesterol. La Apo A-l sintetizada en el hígado e intestino, es secretada en asociación a las lipoproteínas ricas en TG (QM y VLDL). Durante la hidrólisis de los TG de estas lipoproteínas por la LPL ocurre un fenómeno de intercambio de componentes con las HDL. Los QM y VLDL ceden la Apo A-l a las HDL y reciben apoproteínas C II, C III y Apo E de las HDL. Los fosfolípidos y TG son transferidos al núcleo de las HDL y los esteres de colesterol pasan a formar parte del núcleo de los remanentes de QM y VLDL. El paso de estas moléculas lipídicas, de caráctei hidrofóbico entre las lipoproteínas mencionadas requiere de la proteína de transferencia de esteres de colesterol (PTEC). Esta proteína transportadora puede ser sintetizada y secretada por los macrófagos, que de esta manera facilitan el "transporte en reversa" del colesterol. Las HDL, después de la asociación de la Apo A-I y los fosfolípidos, adquieren un aspecto discoide denominándose "HDL discoides o nacientes". En estrecha unión con estas HDL discoides, se encuentra la enzima LCAT, sintetizada y secretada por el hígado. Los sustratos de la LCAT son la fosfatidilcolina y el colesterol libre, éste último llega a la membrana de las HDL discoides procedente de la membrana de las células o de

Figura 7.17. Metabolismo de la Apo B. Durante la lipólisis de los quilomicrones y VLDL mediada por la enzima lipasa lipoprotéica, ocurre un activo intercambio de componentes de estas lipoproteínas con las HDL. Tales intercambios permiten simultáneamente la transformación de las HDL3, en HDL2 el transporte de esteres de colesterol "en reversa" hacia el hígado y la activación de la lipasa lipoprotéica por la apo CU. C = colesterol libre, TG = triglicéridos: LH = lipasa hepática; FL = fosfolípidos; PTEC = proteína de transferencia de esteres del colesterol; AI, CII, CIII, E, B48 y B 100 = apoproteínas.

otras lipoproteínas. La LCAT transforma el colesterol libre en esterificado, el donador del ácido graso es un fosfolípido: la fosfatidilcolina que, después de liberar un ácido graso, se transforma en 2-lisolecitina. El colesterol esterificado, por ser más hidrofóbico que el colesterol libre, se desplaza de la membrana al núcleo de las HDL discoides que en este proceso se transforman en HDL esféricas. Las HDL son partículas heterogéneas que se pueden separar en base a su densidad en HDL2 (menos densas) y HDL3 (más densas). De estas subclases de las HDL, la que guarda una relación inversa más clara con la morbi-mortalidad por aterosclerosis es la HDL2, mientras que HDL3 parece ser inerte como factor "protector vascular". Las subclases de HDL se pueden interconvertir, cuando la LPL es muy activa, las HDL3 reciben com-

ponentes superficiales de los QM y VLDL y de esta manera se transforman en HDL2. Cuando estas últimas lipoproteínas reciben un exceso de TG se convierten en sustrato para la lipasa hepática que al hidrolizar estos TG hacen que HDL2 se reconviertan en HDL3. El intercambio de componentes entre las HDL y las lipoproteínas ricas en triglicéridos se representa en la figura 7.18. El incremento de las HDL2 que ocurre en el acondicionamiento físico aeróbico se debe principalmente al aumento de la actividad de la LPL que simultáneamente aumenta la capacidad de depuración de los TG plasmáticos. Transporte inverso del colesterol Una función importante de las HDL es retirar el exceso de colesterol de los tejidos y

las LDL también tienen un papel en el transporte de lípidos.

Figura 7.18. Metabolismo de las HDL. C, colesterol; CE, esteres de colesterol; TG, triglicéridos; apos, apoproteínas; PL, fosfolípidos. canalizarlo para su depósito en el hígado. La importancia de esta función reside en que el núcleo esteroideo no puede ser degradado y el hígado es el único órgano que puede librar al cuerpo del exceso de colesterol. Se segrega a la bilis para su excreción en las heces. Al proceso de transporte del colesterol desde los tejidos extrahepáticos al hígado se le denomina transporte inverso de colesterol (figura 7.19). Además de las HDL, la LCAT, las transferasas de los lípidos, las VLDL y

Figura 7.19. Transporte inverso del colesterol. C, colesterol; CE, esteres de colesterol; PL, fosfolípidos. Factores reguladores de la síntesis de lipoproteínas. Las grasas ingeridas en la alimentación aumentan la producción de quilomicrones por el intestino, y la producción hepática de VLDL aumenta cuando existe exceso de ácidos grasos disponibles. Los ácidos grasos insaturados son más eficaces que los saturados para estimular la formación de VLDL,

al tiempo que los ácidos grasos de cadena larga producen mayor efecto que los de cadena corta o mediana. Los carbohidratos de la dieta también aumentan la producción de las VLDL al aumentar la síntesis de los ácidos grasos y estimular la liberación de insulina. El alcohol también incrementa la producción de las VLDL al hacer que un mayor número de ácidos grasos esté disponible para la síntesis hepática de los triglicéridos. La acción del colesterol en la formación de las lipoproteínas es complicada y no se comprende en su totalidad. En experimentos con animales, una dieta rica en colesterol altera el tipo de partículas formada. En algunas especies, el hígado produce un tipo de VLDL modificada rica en esteres de colesterol. Por el contrario, las LDL, lipoproteínas que suelen estar presentes en la circulación, se elevan en los seres humanos cuando la alimentación es rica en colesterol. Las partículas LDL que se acumulan no parecen tener una estructura ni composición anómala, y no se sabe si el aumento de LDL que se presenta en los seres humanos como respuesta a la dieta con alto contenido en colesterol es consecuencia de algún cambio producido en la formación de lipoproteínas.

7.6.3.3 Síndrome de absorción intestinal deficiente de lípidos El síndrome se caracteriza por la falta de digestión y absorción de grasas a nivel de mucosa intestinal. El cuadro clínico se manifiesta principalmente por evacuaciones diarreicas con grasa macroscópica (esteatorrea), baja de peso, distensión abdominal y flatulencia. El síndrome de malabsorción de grasas es multicausal y puede deberse a cuatro causas principales: 1. Alteraciones digestivas: cáncer pancreático, pancreatitis crónica, gastrectomía, insuficiencia hepática crónica.

2. Alteraciones en la absorción: síndrome de intestino corto o resección intestinal. 3. Alteraciones linfáticas: linfomas, enteritis postirradiación, conexión anormal entre órganos (quiluria, quilotórax). 4. Alteraciones de causa incierta: enfermedad de Addison, hipertiroidismo, administración de medicamentos como neomicina y colchicina. La absorción defectuosa de grasas puede alterar también la utilización de otros nutrimentos como las vitaminas liposolubles (A, D, E y K). En cirugía de vesícula biliar debe prevenirse la falta subsecuente de vitaminas K y el consiguiente sangrado. Las pruebas de laboratorio que ayudan al diagnóstico son el tiempo de protrombina, que aumenta en casos de esteatorrea, la prueba microscópica de grasa en heces y por rayos X la determinación de edad ósea, la cual se retrasa en casos crónicos. Modelo clínico: esteatorrea Niña de 10 años de edad, sin antecedentes familiares de esteatorrea, nivel socioeconómico medio, producto de parto eutócico con peso de 3000 g al nacer. Inicial el padecimiento hace dos años con retraso en el crecimiento (talla y peso) y cuadros diarreicos frecuentes. A la exploración física se reportan los siguientes valores: peso 24 kg; talla 110 cm; FC 85x min; FR 26x min; temperatura 36.5°C; TA 90/80. A su ingreso se encuentra a la paciente consciente, por debajo de los porcentiles de peso y talla, y signos característicos de avitaminosis A y D. Abdomen globoso y doloroso, perista lsis aumentada. El laboratorio reporta los siguientes resultados: Tinción de lugol y sudan III: +++ cuantificación de ácidos grasos (TÉCNICA DEVANDEKAMER) 13 g/24 hs (normal: hasta 6 g / 24 hs).

7.7 TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN DELÍPIDOS Los triacilgliceroles (antes triglicéridos) es la principal forma de almacenamiento de energía en los seres humanos. Los adipocitos del tejido adiposo (10% del peso corporal) se dedican exclusivamente a almacenar la grasa. En la abundancia alimenticia, una de las estrategias fundamentales del organismo es convertir el exceso de calorías de los carbohidratos en grasas. La obesidad se trata de una hiperplasia y una hipertrofia del tejido adiposo; la presencia de un número excesivo de adipocitos induce al cuerpo a sintetizar más triacigliceroles para poder llenarlos. Cuando se presenta un estado de estrés u otra forma de déficit de energía, se liberan ácidos grasos libres (AGL) que unidos a la albúmina plasmática llegan al hígado u otros tejidos donde son oxidados. Así, los triacilgliceroles del tejido adiposo se encuentran en equilibrio dinámico presentando lipólisis y reesterificación constantemente. Los triacilgliceroles son sintetizados en hígado, intestino y tejido adiposo (ver figura 7.20). 7.7.1 Papel del hígado en el transporte y distribución de lípidos Como se resume en la figura 7.21, el hígado es el principal receptor de los productos de la lipólisis, el glicerol y los ácidos grasos libres. El glicerol es inmediatamente transformado en glicerol-3-fosfato, mediante la glicerocinasa presente en el hígado. El glicerol-3-fosfato puede ser esterificado en el hígado con las acil-CoA provenientes de la sangre o sintetizados en el propio órgano. Se forman triacilgliceroles que, junto con los procedentes de las lipoproteínas circulantes, son temporalmente acumulados para su posterior utilización, sin embargo, el hígado no es un reservorio de grasa. Normalmente

contiene 5 % de lípidos, y cuando se supera esta cantidad se presenta el llamado hígado graso. En este caso, el contenido lipídico llega a ser hasta de 25-30% y las gotas de grasa llegan a reemplazar el citoplasma de la célula hepática. El daño del tejido puede terminar en el desarrollo de cirrosis hepática, como ocurre en el alcoholismo crónico. El hígado regula los niveles de colesterol plasmático a través de biosíntesis de colesterol y su conversión en ácidos biliares. Los triacilgliceroles formados se utilizan para la formación de VLDL o son hidrolizados a glicerol y ácidos grasos libres por acción de lipasas hepáticas, distintas a las del tejido adiposo y otros tejidos. Una de ellas es la triacilglicérido hidrolasa hepática y otra es la lipasa lisosómica que hidroliza los triglicéridos que llegan a los lisosomas por autofagocitosis celular (proceso facilitado por glucagon e inhibido por insulina) 7.7.2 Movilización y depósito del tejido adiposo Para salir del adipocito, el triacilglicérido debe ser hidrolizado a glicerol y ácidos grasos, proceso conocido como lipólisis. El glicerol producido no es utilizado por los adipocitos por la baja actividad de glicerocinasa y pasa a la sangre donde es transportado al hígado (que contiene glicerocinasa) y transformado en glucosa por gluconeogénesis. En la síntesis de triacilgliceroles por tejido adiposo se utiliza más bien el aglicerofosfato proveniente de glucosa-6-fosfato. El ayuno, la estimulación del sistema nervioso simpático o la liberación hormonal (adrenalina, ACTH, hormona del crecimiento o glucagon) estimulan la liberación de AGL por parte del tejido adiposo. Estas hormonas activan la triacilglicerol lipasa {lipasa sensible a hormonas) de los adipocitos, acción mediada por AMPc(fig. 7.22).

Figura 7.20. Metabolismo lipídico en las células del tejido adiposo. Reproducción modificada, con autorización, de: N. V. Bhagavan Biochemistry. A. comprehensive review, pág. 681 J. B. Lippincott Co., 1974.

Figura 7.21 Transporte y distribución de lípidos. Modificada con autorización del editor R. J. Brady, A programed approach to ANATOMY AND PHYSIOLOGY, Nutrition, Metabolism and Electrolyte Balance. 2*. Edición, 1970.

de ácidos están relacionados con las prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos, reguladores de gran importancia fisiológica. La reactividad de los ácidos grasos depende fundamentalmente de su grupo funcional, el carboxilo, el cual puede disociarse y modificar el pH del medio. Sin embargo, todos los ácidos orgánicos son ácidos débiles y, a excepción del acético y algo el butírico, los demás son muy poco solubles en agua y esto disminuye su carácter ácido. Los ácidos grasos pueden formar sales al reaccionar con álcalis. Estas sales se conocen como jabones y se caracterizan por ser potentes agentes tensoactivos negativos, y esto tiene aplicaciones prácticas y fisiológicas. Los ácidos grasos pueden reaccionar con alcoholes para formar e'steres, con aminas para formar amidas y con otros ácidos para formar anhídridos. Él grupo carboxílico se puede reducir a aldehido, alcohol o hidrocarburo según la magnitud de la reducción. Los ácidos grasos no saturados pueden presentar reactividad en la que se involucran los dobles enlaces, como en las reacciones de oxidación y de adición de hidrógeno, o halógenos (I, Br, Cl o F). 7.4 LÍPIDOS SIMPLES Son compuestos constituidos por alcoholes y ácidos grasos, y se subclasifican en: 7.4.1 Acilgliceroles (triglicéridos) Estos lípidos están constituidos por glicerol o glicerina (propanotriol). El glicerol posee 3 grupos alcohólicos, que se designan con números arábigos o letras griegas. Según el número de grupos alcohólicos esterificados los acilgliceroles, se denominan como monoacilgliceroles, diacilgliceroles y triacilgliceroles.

lo

CH2-OH

I 2o 3o

C H J - O - C H ^ R J CH 2 -OH

I

I

CH-OH

CH-OH

CH-O-CO-CH^R,

I

i

I

CH2-OH Glicerol

CH2-OH CH^O-CO-CHJ-RJ Monoacilglicerol Diacilglicerol

CRj-O-CCHCH^) 14-CH3

CH2-0-CO-CH2-Rj

I

I

CH-0-CO-(CH2)14-CH3

CH-O-CO-CRj-I^

I

I

CH2-0-CO-(CH2) 14-CH3 C H - J - O - C O - C H ^ R J Tripalmitoiglicerol Heterotriacilglicerol (Homotriacilglicerol)

Si los ácidos grasos que esterifican al glicerol son iguales los di o tri acilgliceroles se denominan homoacilgliceroles, si los ácidos grasos son diferentes se denominan heteroacilgliceroles. Si se observa la estructura de un L-monoacilglicerol, se comprueba que el carbono 2 es asimétrico y existen 2 esteroisomeros D y L. CH^O-CO-R,

CH^O-CO-CHj^

I

I

H-C-OH

I CHj-OH D-monoacilglicerol

HO-C-H

I Cf^-OH L-monoacilglicerol

Los di y triacilgliceroles mixtos pueden presentar isomería D y L. Sin embargo, todos los productos naturales pertenecen a la serie L. Todas las grasas y aceites naturales, ya sean de origen animal o vegetal se pueden considerar como mezclas de triglicéridos mixtos con pequeñísimas cantidades de mono y diacilgliceroles, ácidos grasos libres y sustancias liposolubles de estructura química diversa que son las responsables del color, olor y sabor (pigmentos y aromas) y además de su actividad biológica (hormonas esteroidales, vitaminas y prostaglandinas). El término grasa se aplica a los triacilgliceroles que son sólidos a temperatura ambiente. Si son líquidos se denominan

Figura 7.22. Acción de la lipasa sensible a hormonas en el tejido adiposo. Reproducida, con autorización, de: R. Montgomery y cois., Biochemistry. A case-oriented approach, 4a edición, pág. 421. St. Louis, 1983, C. V. Mosby Co.

Esta lipasa sensible a hormonas cataliza la hidrólisis de trigHcéridos y diglicéridos. La monoacilglicerol lipasa cataliza la última etapa del proceso hasta glicerol y ácidos grasos. Los glucocorticoides no tienen efecto lipolítico directo sino que facilitan la acción de otras hormonas movilizadoras de grasas. La tiroxina y la hormona del crecimiento actúan con más lentitud. Los niveles elevados de glucosa e insulina en la sangre estimulan la acumulación de triacilgliceroles en el tejido adiposo. Cuando esto ocurre, disminuye el contenido de AMPc de los adipocitos. Las metilxantinas

(cafeína y teofilina) también favorecen la movilización de grasas del tejido adiposo, por inhibición de la fosfodiesterasa que inactiva al AMPc. En la diabetes mellitus existe un transporte inadecuado de glucosa, por lo que falta el glicerofosfato y disminuye la lipogénesis (adelgazamiento). Además, la falta de insulina (antilipolítica) favorecería la lipólisis y el flujo de AGL a la sangre. Los AGL unidos a albúmina se elevan y llegan al hígado donde se ve favorecida la presentación de hígado graso. En casos de hipoglucemia, los ácidos grasos proporcionan energía para todos los teji-

dos excepto cerebro; eritrocitos, hígado y médula suprarrenal. Aunque como tal los ácidos grasos no proporcionan glucosa para el cerebro, la acetil-CoA estimula la piruvato carboxilasa y con ello, la gluconeogénesis. piruvato carboxilasa Alanina -* Piruvato— r CO2

OAA -* PEP -» glucosa

7.7.3 Hiperlipoproteinemias Hiperlipidemia es el aumento de una o más fracciones lipídicas con un incremento simultáneo de lipoproteínas. Las hiperlipidemias primarias son enfermedades "sui generis" o sea, trastornos del metabolismo lipídico que no dependen de otro enfermedad aparente básica. A diferencia de ellas, las secundarias son consecuencia de un padecimiento existente, y como síntoma de otra enfermedad subyacente cambian durante el transcurso de ella. La clasificación de las hiperlipidemias, que se manifiestan sólo en presencia de ciertos factores provocadores (obesidad, por ejemplo), en primarias o secundarias, en un poco al azar, para ciertos autores son primarias y para otros secundarias. Se habla de hiperlipidemia, cuando una o más fracciones se encuetran aumentadas. Puesto que en el diagnóstico usual se siguen cuantificando sólo los componentes químicos, no hay necesidad de substituir al termino hiperlipidemia por hiperlipoproteinemia. (*hiperlipidemias: G. Hartmann 6 H. Stahelin. Ed. Manual Moderno 1987. Clasificación fenotipica de las hiperlipidemias La sugirieron por primera vez Fredrickson y Loes, y fue modificada un poco por un grupo de trabajo de la OMS y sirve hasta la fecha como medio de referencia. Aun así

hay que tener en cuenta que se basa en los patrones electroforéticos de las lipoproteínas del suero en ayuno, y describe su fenotipo. La ventaja de la clasificación de Fredrickson consiste en que se logra mediante electroforesis de LP y también, en grandes rasgos, con otros métodos de separación (ultracentrífuga, métodos de precipitación), e incluso a través de la sencilla determinación del colesterol y los triglicéridos. Aún se justifican los términos hipertrigliceridemia, hipercolesterolemia, si se trata de describir un hallazgo sin fijarse en un tipo, o antes de clasificarlo. Se habla de "hiperlipidemia" o sencillamente "lipemia", si se desea hacer constar un enturbiamiento de suero por lípidos y por último "hiperlipoproteinemia" que es la forma más correcta debido a que tanto el colesterol como los triglicéridos circulan en el plasma en diferentes lipoproteínas en combinación con fosfolípidos y con proteínas. Hiperlipoproteinemia tipo I (hipertrigliceridemia inducible por grasas, hiperlipemia exógena). La deficiencia de la enzima lipasa lipoproteica (LPL) resulta en una menor capacidad para depurar QM. En casi todos los casos hasta ahora observados se ha hallado también una activación restringida de esta lipasa por la heparina. La herencia tiene lugar por vía recesiva autosómica. La enfermedad se manifiesta en una edad precoz de la vida. En los heterocigotos se observa una ligera disminución de la actividad de la LPL. En el cuadro clínico destacan en primer lugar los cólicos abdominales, que a menudo se diagnostican erróneamente de abdomen agudo. El acumulo de grasa en el sistema retículo endotelial provoca hepatoesplenomegalia. Es posible que los cólicos abdominales sean consecuencia de la tensión de la cápsula hepática, otra causa posible serían las microembolias de grasa como

consecuencia de la considerable lipemia. También podría contribuir a los dolores abdominales la pancreatitis secundaria a menudo existente. Además, después de comidas ricas en grasas se observan leucocitosis (neutrofilia) y fiebre ligera. Después de una alimentación rica en grasas aparecen xantomas cutáneos (predominantemente en glúteos) como consecuencia de la hiperlipemia. La aterosclerosis no es importante. Se observa con frecuencia lipemia retiniana. En la biopsia se encuentran células espumosas en órganos ricos en tejido reticuloendotelial (p. ej., en la médula ósea, bazo e hígado). Los enfermos no muestran ningún trastorno de la tolerancia a la glucosa. Diagnóstico. El diagnóstico de deficiencia familiar de LPL lo sugiere el hallazgo de plasma lipémico en un individuo joven que ha estado en ayunas al menos por 12 horas. Cuando se recolecta este plasma en presencia de EDTA tiene una apariencia característica después de refrigerado toda la noche a 4 2 C. En el extremo superior del tubo aparece una capa de crema blanca. Debajo de esta capa el plasma es claro. El diagnóstico de deficiencia familiar de LPL se establece por el hallazgo de un patrón tipo I en la electroforesis de lipoproteínas. Se confirma por la demostración de que no aumentan los niveles de LPL después de la inyección de heparina. Tratamiento, Cuando el paciente recibe una dieta sin grasas, todos los signos y síntomas son reversibles. Debe hacerse cualquier intento para mantener el nivel plasmático de TG en ayunas por abajo de 1000 mg/100 mi para evitar la pancreatitis. Se ha demostrado empíricamente que en los pacientes adultos afectados la ingestión de grasas debe ser menor de 20 g al día para prevenir la hiperlipemia sintomática. Se han empleado TG de cadena mediana para ayudar a lograr una ingestión calórica normal, ya que éstos normalmente no son incorporados a los QM. La dieta debería complementarse con vitaminas liposolubles.

Hiperlipoproteinemia Tipo l i a (sinónimos: Hiperbetalipoproteinemia, hipercolesterolemia). En esta hiperlipidemia hay un aumento aislado de LDL y, con ello, del colesterol; los triglicéridos están normales. Solo una pequeña parte de las hiperlipidemias Tipo lia pertenece a la forma familiar. La forma familiar homocigota depende de la ausencia o un defecto de receptores para las LDL. La heterocigota, mucho más frecuente, tiene la mitad del número de receptores funcionalmente intactos. Se desconoce la génesis de los casos esporádicos que son más frecuentes, y de los que se presentan en una hiperlidemia familiar combinada. En 20 a 50% de todas las hiperlipidemias se encuentra un tipo Ha. La forma heterocigota se presenta con una frecuencia de 1:500 a 1:1,000. La homocigota familiar es muy rara en Europa central (con una frecuencia de 1:5 x 10 6 a 1:106). Existen grandes variaciones en todo el mundo, quizá en parte debido a consanguidad. Hay frecuencias anormales en Líbano y Sudáfrica, donde se observa en Transval un caso de homocigotos por 30,000 habitantes. El Tipo Ha se manifiesta desde la niñez. El diagnóstico del fenotipo Ha se basa siempre en los valores elevados del colesterol. En la electroforesis se encuentra como característica un gradiente beta pequeño y una banda prebeta poco desarrollada. El aumento del colesterol afecta con exclusividad a la fracción LDL. Las LDL están normales o ligeramente bajas. La presentación clínica orienta el diagnóstico. Se puede confirmar el tipo familiar estudiando a todo el linaje por cultivo de fibroblastos en donde se examina la ausencia de receptores. Son característicos el arco lipoide y xantelasmas a menudo grotescos en pacientes ancianos, así como xantomas patognomónicos en el tendón de Aquiles, el dorso de la mano y,con menos frecuencia, en las rodillas y codos. Son duros y tuberosos, circundados por

el tendón y móviles bajo la piel. Los pacientes con lia por lo regular, tienen peso normal o en ocasiones incluso bajo. De todas las hiperlipoproteinemias el tipo lia tiene el mayor riesgo de aterosclerosis. Entre los homocigotos 60 a 80% desarrollan una coronariopatía aterosclerótica que se manifiesta antes de los 20 años; pocos llegan a los 40. Hiperlipoproteinemia Tipo Ilb (sinónimo: hiperlipidemia combinada). La elevación moderada de los niveles de colesterol y TG en la mayoría de los pacientes con aumento simultáneo de LDL y VLDL y suero poco turbio es lo que caracteriza a este trastorno hereditario. Es poco clara la patogenia de la hiperlipidemia Ilb. Se supone se debe a un aumento de la producción de las VLDL y de la apoproteína B. Una parte de los pacientes pertenecen a familias con hiperlipidemias combinadas, la mayoría son casos debidos a alimentación hipercalórica. De todas las hiperlipidemias primarias representa entre 1030%. Es rara en niños. Son característicos el aumento moderado del colesterol y TG. Los valores promedio de colesterol van de 300 a 340 mg/dl y de TG de 217 a 345 mg/dl. El suero puede estar claro o poco turbio. La electroforesis debe mostrar una banda prebeta bien marcada. En la mitad de los pacientes Tipo Ilb está alterada la tolerancia a la glucosa, y en un tercio valores elevados de ácido úrico. En más de la mitad de los casos existe arco lipoide, pero sólo en menores de 50 años tiene importancia diagnóstica. Los xantomas y xantelasmas son raros. En menos del 5 % de los pacientes hay xantomas tuberosos. Un signo frecuente es la obesidad moderada. El riesgo de aterosclerosis, ante todo de una enfermedad coronaria, es muy elevado. En pacientes tipo Ilb la frecuencia de coronariopatía manifiesta o de una enfermedad oclusiva arterial periférica llega a 25 % en la

tercera década, 59% en la cuarta y 62% en la quinta. Hiperlipoproteinemia Tipo III. Disbetalipoproteinemia familiar. Este es un trastorno hereditario en el que están elevadas las concentraciones plasmáticas de colesterol y TG debido a la acumulación en el plasma de moléculas similares a los residuos derivados del catabolismo parcial de la VLDL y de los QM por la acción de la LPL. En los sujetos normales, las moléculas residuales de los QM son captados rápidamente por el hígado, y por lo tanto son poco detectables en el plasma. Una fracción de los residuos de VLDL también es captada por el hígado, y el resto se convierte en LDL. En pacientes con disbetalipoproteinemia familiar se bloquea la captación hepática de remanentes de QM y VLDL, y se acumulan estas lipoproteínas en grandes cantidades en el plasma y en los tejidos, produciendo xantomas y aterosclerosis. La mutación responsable de esta enfermedad abarca el gen que codifica la Apo E, una proteína que se encuentra normalmente en los remanentes de QM y VLDL. Esta proteína se une a los receptores hepáticos y por lo tanto media la captación de los remanentes por este órgano. Manifestaciones clínicas. Característicamente los individuos afectados no manifiestan hiperlipidemia ni otra manifestación clínica de la enfermedad hasta después de los 20 años de edad. Una característica única del trastorno es la existencia de dos tipos de xantomas cutáneos. Estos son el xantoma estriado palmar que aparece como una mancha anaranjada o amarilla en los pliegues palmares o digitales, y el xantoma tuberoso ó tuberoeruptivo, que son xantomas cutáneos bulbosos cuyo tamaño puede variar. Estos xantomas tuberosos se localizan en forma característica sobre codos y rodillas. También se presentan xantelasmas, pero no son característicos de este trastorno.

También es característica la aterosclerosis grave y fulminante que afecta arterias coronarias, carótidas internas y aorta abdominal. Las secuelas clínicas incluyen infartos al miocardio prematuros, claudicación intermitente y gangrena de las extremidades inferiores. Los pacientes que presentan estas manifestaciones clínicas frecuentemente tienen hipotiroidismo, obesidad, o diabetes mellitus. Diagnóstico. El hallazgo de xantomas palmares o tuberosos en un paciente con aumento de los niveles plasmáticos de colesterol y TG sugiere el diagnóstico. En aproximadamente 80% de pacientes sintomáticos aparecen estos xantomas. También sugiere el diagnóstico una elevación moderada de las concentraciones plasmáticas de colesterol y TG, de tal forma que las concentraciones absolutas de estas dos sustancias son aproximadamente iguales (aproximadamente 300 mg/ml). Sin embargo, esto no siempre es regla exacta y segura, ya que cuando la enfermedad se exacerba en forma grave tienden a elevarse predominante los TG. El diagnóstico se confirma por el hallazgo de la llamada banda beta ancha en la electroforesis de lipoproteínas (patrón tipo 3). Esto se produce por la existencia de residuos moleculares que migran entre las lipoproteínas P y las pre-p y producen una mancha notoria en esta región del electroforograma. Tratamiento. Debe buscarse insistentemente hipotiroidismo oculto y si hay debe indicarse L-tiroxina. Además debe intentarse controlar la obesidad y la diabetes mellitus por medio de una dieta y tratamiento con insulina. Si estas medidas no tienen éxito, los pacientes deben tratarse con clofibrato. Los pacientes afectados casi siempre muestran reducción espectacular y constante de los niveles de lípidos plasmáticos cuando se tratan con este medicamento. Hiperlipoproteinemia Tipo IV. (Sinónimos: hiperlipidemia endógena, hipertrigliceridemia idiopática, hiperprebeta lipoproteinemia).

Es un trastorno autosómico dominante común en el que aumenta la concentración plasmática de VLDL, lo que produce hipertrigliceridemia. No se conoce el defecto bioquímico; en la mayoría de los pacientes depende de una producción elevada de VLDL y rara vez de una disminución en su catabolismo. El que se transmita como rasgo autosómico dominante, implica mutación en un solo gen. Sin embargo, no se ha identificado la naturaleza del gen mutante ni el mecanismo por el cual se produce la hipertrigliceridemia. Es probable que este trastorno sea genéticamente heterogéneo; esto es, que el fenotipo de hipertrigliceridemia puede resultar de mutaciones diferentes. En algunos pacientes afectados aumenta la velocidad de producción de VLDL, especialmente cuando ingieren dietas altas en carbohidratos. Sin embargo, muchos de estos pacientes tienen obesidad y diabetes mellitus. Cuando la velocidad de producción de VLDL está aumentada debido a obesidad o diabetes mellitus, son incapaces de aumentar el catabolismo en forma proporcional y se produce la hipertrigliceridemia. No obstante, la actividad de la lipasa lipoproteica aumenta normalmente después de la administración de heparina, y no se han identificado anormalidades en la estructura de las lipoproteínas. En las formas masivas se presentan a veces xantomas eruptivos que desaparecen después, según el contenido de TG. Los xantelasmas son extraordinarios, con frecuencia se nota un arco lipoide prematuro. Las hiperlipidemias masivas tipo IV pueden provocar hepatomegalia por esteatosis y son causa de pancreatitis aguda. Con el tipo IV se combinan diabetes, alteración de la tolerancia a la glucosa, obesidad y gota. La gota primaria muestra una gran frecuencia de hiperlipidemias tipo IV (hasta 80%). A diferencia de conceptos antiguos, sólo una pequeña parte de esta hiperlipidemia es sensible a los carbohidratos. Al parecer la más frecuente es

por alcohol, sin abuso. La abstinencia estricta por una semana permite comprobarlo. Diagnóstico. El hallazgo de una elevación moderada en el nivel plasmático de triglicéridos, junto con un nivel normal de colesterol, aumenta la posibilidad de hipertrigliceridemia familiar. En la mayoría de los pacientes cuando se examina el plasma es claro o levemente opaco. La electroforesis del plasma revela aumento de la fracción prebeta. El riesgo de morbilidad coronaria y enfermedad oclusiva arterial periférica es menor que en hiperlipidemias tipo II, pero definitivamente más alto que en normolipidemias; no se cuenta con datos exactos, ya que en muy pocos estudios se clasifican las hiperlipidemias. Por otro lado, entre los pacientes con enfermedad coronaria hay con relativa frecuencia hiperlipidemias tipo IV.

último se acompaña a menudo de consumo de alcohol, hiperinsulinemia, tolerancia a la glucosa alterada, obesidad y, en casos excepcionales, dislipidemia. La frecuencia es de 1 a 5% de todas las hiperlipidemias primarias. Son más comunes en familias con hiperlipidemia mixta y en las de tipo IV. Solo se presenta en personas de más de 20 años. Más frecuente en pacientes con xantomas eruptivos y pancreatitis. Los pacientes con esta hiperlipidemia presentan xantomas eruptivos, hepatomegalia, dolores abdominales y pancreatitis. En 20% de los casos hay lipemia retiniana. El suero muy lipémico falsea una serie de pruebas de laboratorio. Existen trabajos que describen una frecuencia aproximada de 40% de enfermedades coronarias y oclusivas arteriales periféricas.

Hiperlipoproteinemia Tipo V (Sinónimos: hipertrigliceridemia mixta, hiperlipoproteinemia endógena y exógena, síndrome de quilomicronemia). En esta hiperlipidemia está alterada la clarificación de las grasas. La herencia de esta enfermedad es confusa; se cree que se debe a un desorden multifactorial de varios genes; también se cree que este padecimiento lo causa la deficiencia familiar de apoproteína C-II, cofactor esencial de la lipoprotein lipasa. La turbiedad lechosa del suero en ayunas indica elevación del contenido de lipoproteínas especialmente ricas en grasas como son los QM y los VLDL; el aumento de estas fracciones hace que se eleven los otros elementos que constituyen estas partículas como el colesterol y triglicéridos. Al parecer la principal causa en una pequeña parte de los pacientes es una deficiencia hereditaria de lipoproteinlipasa. En la mayor parte de los casos cabe suponer una hiperproducción genética de VLDL combinada con un trastorno adquirido del catabolismo de quilomicrones y VLDL. Este

Hipolipoproteinemias Se habla de hipolipidemia, cuando el colesterol total es menor de 180 mg/dl en una persona mayor de 40 años, 160 mg/dl en los de 20 años y en niños de 140 mg/dl. Respecto a los triglicéridos los límites deben ser muy bajos, ya que tan solo dejar de comer por poco tiempo puede causar valores de unos 50 mg/dl; sólo cuando son más bajos se puede hablar de hipotrigliceridemia. Las hipolipidemias pueden deberse a trastornos congénitos del metabolismo de las lipoproteínas; se habla entonces de formas primarias, que son poco comunes. Con más frecuencia, las hipopolipidemias son secundarias a muy diversas enfermedades. Hipoalfalipoproteinemia primaria Se han descrito varios trastornos primarios del metabolismo de C-HDL y Apo A-I que se caracterizan por disminución de la concentración plasmática de las HDL y sus componentes. Dentro de estos padecimientos están la hipoalfalipoproteinemia familiar,

la enfermedad de Tangier, la deficiencia familiar de la enzima lecitina colesterol acil transferasa la enfermedad de "ojos de pescado", la deficiencia familiar de HDL con xantomas planos, la deficiencia familiar de Apo A-I y C-III y el síndrome de opacificación corneal asociado a ausencia de Apo A-I. Además, existen enfermedades caracterizadas por la modificación de la secuencia de aminoácidos de la Apo A-I, como la llamada Apo A-I Milán, que pueden condicionar un cambio de la tasa de depuración de esta molécula reduciendo su vida media y, consecuentemente su concentración en el plasma. De estos padecimientos, la hipoalfalipoproteinemia familiar es la más frecuente y se caracteriza por: 1. Niveles bajos de C-HDL y Apo A-I; 2. Ausencia de enfermedades u otros factores que pudieran explicar la disminución de CHDL; 3. Existencia de un defecto similar en parientes de primer grado; 4. Los individuos afectados tienen un riesgo elevado de experimentar eventos cardíacos prematuros. Los estudios de longevidad demuestran que la esperanza de vida de los sujetos afectados se acorta y el gene aberrante se transmite en forma autosómica dominante. El defecto metabólico se desconoce, existiendo la posibilidad de disminución de la síntesis o aumento de la tasa de depuración de las HDL. Es factible que el uso de otros marcadores del metabolismo de las HDL más específicos como la Apo A-I permita aclarar la naturaleza bioquímica del padecimiento. Es posible que se trate de un grupo heterogéneo de trastornos y que exista más de un defecto metabólico con expresión clínica idéntica. No se han podido identificar alteraciones de la secuencia de aminoácidos o del metabolismo de la Apo A-I. Los estudios de DNA recombinantte, utilizando la técnica del "punteado" de Southern han permitido demostrar el polimorfismo de los genes de la Apo A-I. J. Ordovas en un estudio reciente de los "fragmentos de restricción" del DNA

( R F L P s ) , e n c o n t r ó q u e el h a p l o t i p o Pstl+/Sac I-se asocia fuertemente a la hipoalfalipoproteinemia familiar. Con excepción de la hipoalfalipoproteinemia familiar que es relativamente frecuente y cuyo mecanismo de transmisión es autosómico dominante, los otros tipos son muy raros y se transmiten en forma recesiva. La enfermedad de Tangier se caracteriza por la acumulación de colesteril esteres en el sistema retículo endotelial y otros tejidos y la ausencia o deficiencia severa de HDL en el plasma. El estado heterocigótico generalmente es asintomático pero los niveles de HDL y Apo A-II se reducen un 50%. En el homocigoto la concentración plasmática de Apo A-I es menor al 1 % y la de Apo A-II es de 5 a 7 % de los valores normales correspondientes. El defecto genético, es el catabolismo acelerado de la Apo A-I. En esta entidad existe una mayor tendencia a la ateroesclerosis, aunque no en forma acelerada ya que en series grandes de pacientes con enfermedad de Tangier no se encontró evidencia de enfermedad vascular antes de los 35 años. Es posible que esto se deba a los niveles bajos de LDL, que se asocian a tal padecimiento. Otra de las manifestaciones clásicas de esta enfermedad resultan del depósito de esteres de colesterol en diveros tejidos, incluyendo principalmente a las tonsilas que adquieren un color anaranjado, el bazo (esplenomegalia), nervios periféricos (neuropatía sensorial y motora) y córnea. La deficiencia familiar de LCAT es un padecimiento sumamente raro, en el que las manifestaciones clínicas y el perfil lipoproteico resulta de la incapacidad para esterificar el colesterol. Las HDL en este trastorno tienen una morfología discoide y están enriquecidas en Apo E. Clínicamente los pacientes presentan opacidades corneales, anemia con eritrocitos en "blanco de tiro", proteinuria y progresión a insuficiencia renal y ateroesclerosis prematura; las placas

de ateroma contiene menor proporción de colesterol que otros procesos ateromatosos. Hipoalfalipoproteinemía secundaria Existen múltiples factores "secundarios" capaces de reducir los niveles de HDL en el plasma incluyendo obesidad, tabaquismo, dieta hipercalórica rica en carbohidratos, diabetes mellitus, progestágenos, probucol y beta-bloqueadores. La hipertrigliceridemia generalmente se asocia a valores bajos de CHDL, que se normalizan al tratar la hipertrigliceridemia. Esto puede deberse al intercambio de colesterol por triglicéridos entre las lipoproteínas ricas en TG y las HDL. la reducción de C-HDL observada en la hipertrigliceridemia es un posible nexo indirecto entre los TG y la aterosclerosis. Como se ha mencionado, es indispensable identificar y tratar la hipoalfalipoproteinemia primaria y secundaria por la fuerte correlación inversa e x i s t e n t e e n t r e los componentes de dichas lipoproteínas y la aterosclerosis. Hiperlipoproteinemias secundarias Las hiperlipidemias secundarias se presentan como consecuencia de ciertas enfermedades que no afectan en primer lugar el metabolismo de las grasas, dependen de la influencia de factores tóxicos y medicamentos. Es muy importante definir estas formas de hiperlipidemia, ya que desaparecen cuando mejora la enfermedad primaria o al retirar el tóxico. 1. Diabetes mellitus: La diabetes se acompaña de una excesiva movilización de ácidos grasos de los depósitos, lo cual condiciona un aumento de los lípidos totales en particular triglicéridos. Durante los episodios de aci dosis y coma diabético se observa una reducción en los niveles de colesterol y LDL. Al normalizarse el episodio estos vuelven a sus niveles normales, pudiendo

permanecer ligeramente elevados. Cuando al paciente no está bien controlado el patrón electroforético muestra un cuadro compatible con el tipo IV (60-80%) pero también son frecuentes el Ha (10 a 20%) y Ilb (10%) y el tipo V en menor proporción. 2. Síndrome nefrótico: La hiperlipidemia es parte integral de este síndrome. Los valores del colesterol son, por lo regular, entre 300 y 600 mg/dl y los triglicéridos de 300 a 1,000 mg/dl. Se han observado todos los fenotipos, pero la Ilb con mayor frecuencia. Las alteraciones de las lipoproteínas dependen, al parecer, de la pérdida de proteína por riñon lo que condiciona hipoalbuminemia y baja presión oncótica del suero y una "excesiva" producción hepática de proteínas para tratar de compensar. Es posible que se estimule también por compensación, la síntesis hepática de TG y lipoproteínas en especial VLDL, pero al mismo tiempo disminuye la actividad de la LPL y la lipasa hepática. Son típicos los valores muy bajos de HDL, ya que estas LP se pierden, en parte, por la proteinuria y lipiduria. En la orina también hay fragmentos de apo-proteínas. 3. Alcoholismo: La estimulación de la síntesis de TG, VLDL y HDL en el hígado, es un efecto fisiológico del alcohol. Cabe resaltar dos particularidades: (1) El problema no es por abuso; si hay hiperlipidemia, el consumo usual de alcohol puede provocar hiperlipidemia en individuos sensibles por cantidades regulares ó grandes de alcohol. (2) Al parecer, la hiperlipidemia depende del caso (paciente) que se trate. En el alcoholismo crónico (100 g de etanol al día o más) solo 10 a 25 % de los pacientes desarrollan hiperlipidemias que corresponden al tipo IV y con menor frecuencias Tipos V ó Ilb. El diagnóstico de hiperlipidemia etílica se confirma con la prueba de abstinencia, en la cual deben de normalizarse los lípidos en el transcurso de una semana.

7.8 METABOLISMO DE LÍPIDOS El metabolismo de lípidos no es tan homogéneo como el de carbohidratos en virtud de la gran diversidad de tales sustancias. Sin embargo, existe una interrelación importante a nivel de acetil-CoA como vía de entrada común al ciclo de Krebs. A pesar de la ventaja numérica en rendimiento calórico de las grasas (9 Kcal/g) respecto a carbohidratos (5 Kcal/g), el organismo utiliza preferentemente carbohidratos como combustible primario. El uso excesivo de grasas con fines energéticos acarrea graves problemas como la cetosis por ejemplo. Los fosfolípidos y esteróles realizan funciones distintas a la producción de energía. 7.8.1 Oxidación de ácidos grasos Antecedentes históricos de la oxidación de ácidos grasos. Los conocimientos actuales sobre los detalles de la oxidación de los ácidos grasos se empezaron a desarrollar a principios de 1950. Sin embargo, en 1905, F. Knoop reportó una serie de experimentos que indicaron que los ácidos grasos eran oxidados por separación simultánea de dos átomos de carbono. Alimentó conejos con ácidos grasos en los que el grupo metilo fue sustituido por un grupo fenilo. Si el ácido graso modificado tenía número par de átomos de carbono (por ejemplo, QH5-CH2 (CH2)2-COOH), el metabolito primario era el ácido fenil acético (C6H5-CH2-COOH), excretado por la orina en forma de su conjugado con glicina, el ácido fenilacetúrico (C6H5-CH2-CONHCH2-COOH). Cuando alimentó conejos con el fenil derivado de un ácido graso con número impar de átomos de carbono (por ejemplo, QHs-CHHCHab-COOH, encontró ácido benzoico (C<3H5- COOH), excretado en la orina como su conjugado con la glicina, el ácido hipúrico (C6H5-CO-NH-

CH2-COOH). Knoop postuló que los ácidos grasos eran oxidados en el carbono p (de aquí el nombre de p-oxidación) y degradados a ácido acético y un ácido graso con dos átomos de carbono menos: R-CH2-CH2-COOH

• R-CO-CHj-COOH R-COOH+CH3-COOH

El siguiente paso experimental importante fue la demostración en 1944 por Luis Leloir de que los ácidos grasos podían ser oxidados en un sistema libre de células. A continuación Albert Lehninger demostró que el proceso ocurría en la mitocondria de células hepáticas y, aparentemente, involucraba un "acetato activo". Los experimentos de Fritz Lipmann probaron que la coenzima A estaba involucrada en la formación del "acetato activo". Acetato + ATP + CoA

• "Acetato Activo"

Posteriormente, en 1951, Feodor Lynen trabajando en Munich con levaduras, demostró que el "acetato activo" era la acetil CoA. En base a esto varios laboratorios concibieron la idea de que la CoA podía jugar un papel en la activación de los ácidos grasos para la p-oxidación y, en 1954, fue desarrollado el modelo básico de la p-oxidación tal como se conoce ahora. Las enzimas degradativas conocidas como "oxidasa de ácidos grasos" se encuentran en la matriz mitocondrial adyacente a la cadena respiratoria. En el proceso se forman NADH y FADH2 que se acoplan a la fosforilación de ADP a ATP. La acetil-CoA que se forma al final, puede pasar al ciclo de Krebs donde termina de oxidarse y producir más energía. Así, la oxidación es eminentemente intramitocondrial. El rendimiento de ATP producido en la oxidación del ácido hexanoico (caproico) es de 44 moléculas de ATP (la glucosa produce

38 moléculas); es decir, se producen más moles de ATP por mol de C 0 2 que en la oxidación de carbohidratos. 7.8.1.1 p-oxidación de ácidos grasos saturados con número par de átomos de carbono En la figura 7.23 se muestra un resumen de la P-oxidación de un ácido graso saturado de cadena par de átomos de carbono. En la primera reacción, la acil-CoA es deshidrogenada para producir el a-p (ó 2-3) trans-enoil-CoA y FADH2. Esta enoil-CoA es posteriormente hidratada estereoespecíficamente para producir 3-L-hidroxiacil-CoA. El grupo hidroxilo es oxidado por NAD + , y una deshidrogenasa para producir p-cetoacil-CoA y NADH. El paso final en la secuencia involucra una tiolisis para formar acetil-CoA y una acil CoA dos átomos de carbono más corta que el sustrato inicial. Esta acil-CoA puede llevar a cabo otra secuencia de oxidación para producir FADH 2 NADH, acil-CoA. Los pasos enzimáticos son repetidos hasta que en la última secuencia de reacciones, la butiril CoA (CH3-CH2-CH2-CO-C0A) es degradada a dos moléculas de acetil-CoA.

miento neto son 129 moléculas de ATP y 145 de agua. El ATP producido durante la oxidación del ácido palmítico puede ser comparado con el que se produce al oxidar la glucosa. Ambos sustratos son las principales fuentes de energía en nuestro organismo. Puesto que el palmitato tiene 16 carbonos y la glucosa solo 6, la comparación deberá hacerse entre una molécula de palmitato y 2 2/3 de glucosa. Como se vio en el capítulo de metabolismo de carbohidratos, se producen 38 ATP a partir de la oxidación completa de la glucosa. La producción a partir de 2 2/3 moléculas de glucosa es por lo tanto de 101 ATP. De esta manera, la oxidación del palmitato produce 28 ATP adicionales. Por lo tanto, el palmitato es una molécula más eficiente que la glucosa en el almacenamiento de energía. Por otro lado, los lípidos están menos hidratados que los carbohidratos por lo cual ocupan menos espacio. Estos dos factores son probablemente la explicación de que sea la grasa la principal forma de almacenamiento de energía. Desde el punto de vista químico la diferencia en la energía producida durante la oxidación de la glucosa y la del palmitato, es que este último está casi completamente en estado reducido, mientras que la glucosa está parcialmente oxidada con 6 oxígenos en su molécula.

Balance energético de la p-oxidación Las reacciones para la oxidación completa de palmitil-CoA se presenta en la fig. 7.23. Cada uno de los productos es posteriormente oxidada directamente por la cadena respiratoria o por el ciclo de Krebs y luego la cadena respiratoria. Cuando estas reacciones totales son sumadas, al ser oxidada una molécula de palmitil-CoA se producen 16C0 2 +131ATP+146H 2 0 y CoA. Sin embargo, la formación de palmitil-CoA requiere hidrólisis de dos enlaces de alta energía, CoA y consumo de una molécula de H 2 Ó durante la hidrólisis del PPi producido por la reacción de la tiocinasa. Así, el rendi-

7.8.1.2 p-oxidación de ácidos grasos saturados con número impar de átomos de carbono La oxidación de estos ácidos grasos se lleva a cabo también por p-oxidación, y al completarse el último ciclo, la reacción de tiolisis no produce dos moléculas de acetilCoA sino una de acetil-CoA y otra de propionil-CoA: o II

o II

CH3-C-SC0A+ CH3-CH2-C-SCoA (Acetil-CoA) (Propionil-CoA)

Tabla 7.2 Nomenclatura de los ácidos grasos saturados Fórmula Simplificada

Nombre común

Nombre sistemático

Fuente

I. Ácidos Saturados: 2:0 4:0 6:0 8:0 10:0

Acido acético Acido butírico Acido caproico Acido caprílico Acido cáprico

Acido etanoico Acido butanoico Acido hexanoico Acido octanoico Acido decanóico

12:0

Acido laurico

Acido dodecanóico

14:0

Acido mirístico

16:00

Acido palmítico

Acido tetradecanóico Acido hexadecanóico

18:0

Acido esteárico

Acido octadecanóico

Vinagre Mantequilla Mantequilla Mantequilla Aceite de coco y mantequilla Aceite de coco, esperma de ballena nuez moscada, coco distribución universal (grasas y Aceites animales y vegetales distr. universal (grasas y aceites animales y vegetales

20:0

Acido araquídico

22:0

Acido behénico

Acido eicosanoico Acido docosanoico

24:00

Acido lignocérico

Acido Tetracosanoico

26:0

Acido cerótico Acido montanoico

Acido hexacosanoico Acido octacosanoico

28:0

Punto de fusión

-7.9°C -3.4°C 16.3°C 31.2°C 43.9°C 54.1°C 62.7°C

69.9°C

Aceite de 75.4°C cacahuate grasas de 79.95°C semillas y aceites de animales marinos Aceite de 84.2°C cacahuate, cerebrósidos, ceras Ceras, lanolina Ceras de elevado punto de fusión

Figura 7.23. Oxidación del ácido palmítico.

La acetil-CoA es sustrato para la citrato sintetasa, por lo que puede entrar en el ciclo de Krebs, no así la propionil-CoA que presenta un metabolismo diferente que puede describirse de la siguiente manera:

1) La propionil-CoA se carboxila transformándose en metil-malonil-CoA, proceso catalizado por la enzima propionil carboxilasa:

2) Mediante la actividad de la enzima metil-malonil mutasa, la metil-malonil-CoA se isomeriza a succinil-CoA:

3) La succinil-CoA, por acción de la enzima succinil tiocinasa puede perder la coenzima-A (CoA-SH) y transformarse en ácido succínico libre:

El ácido succínico libre puede incorporarse al ciclo de Krebs. El metabolismo de la propionil-CoA constituye una ruta metabólica secundaria. 7.8.1.3 Oxidación de ácidos grasos insaturados Los ácidos grasos insaturados utilizan también como ruta degradativa la p-oxidación, pero requieren la participación, de dos enzimas adicionales, una isomerasa y una epimerasa.

Supongamos que un ácido graso natural A 3:4 monoinsaturado, que como sabemos posee una configuración cis, penetra en la mitocondria para ser oxidado (fig. 7.24). Este compuesto no es sustrato para la primera oxidación que cataliza la enzima acilCoA deshidrogenasa, ni tampoco puede sufrir la hidratación, puesto que la enoil trans hidratasa actúa exclusivamente sobre el doble enlace A 2:3 . Por lo tanto, la oxidación no se llevaría a cabo de no existir la enzima adicional, descubierta por Stoffel, llamada Cis A 3:4 , trans A 2:3 enoil-CoA isomerasa, o sencillamente isomerasa. Esta enzima cataliza el desplazamiento reversible del doble enlace de cis A 3:4 a trans A 2:3 (fig. 7.25). Una vez realizada la isomerización, el derivado trans A 2:3 enoil- CoA puede proseguir las etapas de la P-oxidación, puesto que se ha convertido en sustrato normal de la enoil hidratasa (ver figura 7.23). En el caso de los ácidos grasos poliinsaturados suele ser necesaria una segunda enzima adicional. Tomemos como ejemplo para la descripción del proceso, la oxidación del ácido linoleico, que posee 18 átomos de carbono y dos dobles enlaces cis A9-12 (fig. 7.26). El linoleico puede experimentar 3 ciclos normales de oxidación en los que pierde 6 átomos de carbono, obteniéndose el derivado cis A3' 6 -enoil CoA (fig. 7.27). Llegando a este punto la isomerasa descrita anteriormente transforma el isómero cis A 3 4 en el isómero trans A 2:3 y continúa la oxidación; se desprenden dos porciones di-

carbonadas (acetil-CoA) más hasta obtener el derivado Cis A 3:4 enoil-CoA. Este derivado puede ser hidratado por la enoil hidra tasa, pero puesto que el doble enlace tiene configuración Cis A 2:3 , se obtiene el isómero D-3 hidroxi-acil-CoA, que no es sustrato para la enzima de la siguiente etapa L-3 hidroxiacil-CoA deshidrogenasa, con lo que la oxidación quedaría interrumpida a este nivel de no existir la segunda enzima adicional D-3 hidroxiacil-CoA epimerasa, que transforma el isómero D en isómero L. El isómero L. puede proseguir la secuencia oxida ti va en forma normal (ver figura 7.23), hasta alcanzar el siguiente doble enlace sobre el que actuará la isomerasa o la epimerasa según la posición que ocupe; si se sitúa en posición cis A 3:4 , respecto al carbono carboxílico, actuará la isomerasa; y si su localización es cis A 2 3 actuará la epimerasa. De este

Figura 7.27. Oxidación de Cis-A ' enoil-CoA

modo, mediante la actividad combinada de ambas enzimas, los ácidos grasos insaturados son oxidados completamente. 7.8.1.4 a-oxidación y enfermedad de Refsum Aunque la p-oxidación de alguno ácidos grasos. En una dieta normal, se ingieren pequeñas cantidades de fitol, un componente de la clorofila. Como se muestra en la figura 7.28, este alcohol de cadena larga es oxidado a ácido titánico, el cual es el componente dietético más importante en la grasa de rumiantes y en derivados lácteos. La ingesta diaria estimada de ácido fitánico es de 50100 mg. Debido a la presencia de un grupo metilo en el carbono 3, el ácido fitánico no es sustrato para la acil-CoA deshidrogenasa (primera enzima de la p-oxidación). Este problema es resuelto por otra enzima mitocondrial que hidroxila el carbono a del ácido fitánico. El intermediario hidroxilado es descarboxilado para producir ácido pristánico y CO2. El ácido pristánico no está sustituido en el carbono 3 y puede ser oxidado por la acil-CoA deshidrogenasa y el resto de las enzimas normales de la p-oxidación para producir propionil-CoA y acil-CoA. La cual puede ser degradada por medio de cuatro ciclos de p-oxidación, produciendo acetilCoA y propionil-CoA. La secuencia final de reacciones produce acetil CoA e isobutirilCoA, la cual puede ser convertida en succinilCoA y metabolizada en el ciclo de Krebs. Nuestro conocimiento actual de cómo el humano metaboliza el fitol y el ácido fitánico es en gran parte resultado de los estudios de Daniel Steinberg y colaboradores acerca de la enfermedad de Refsum, un raro síndrome hereditario caracterizado por trastornos neurológicos (temblores, marcha inestable, disminución del campo visual y visión nocturna deficiente). Probablemente los síntomas se deben a la acumulación de ácido fitánico en

el sistema nervioso. En estos pacientes, del 5 al 30% de los ácidos grasos plasmáticos (20100 mg/100 mi) y aproximadamente el 50% de los ácidos grasos hepáticos son ácido fitánico; en contraste con la cantidad normal de ácido fitánico en el plasma que está por abajo del 1% (0.3 mg/100 mi). La enfermedad se conoce ahora como síndrome de almacenamiento de ácido fitánico. Los estudios bioquímicos han demostrado que esta acumulación se debe a una deficiencia en la <xo x i d a c i ó n de á c i d o fitánico a á c i d o pristánico. Lo más probable es que el defecto metabólico esté en la a-hidroxilación del ácido fitánico, puesto que individuos con este síndrome son capaces de oxidar fitol a ácido fitánico y ácido pristánico a CO2 y H2O. Cuando los pacientes son diagnosticados, los síntomas de la enfermedad pueden disminuir por un régimen dietético estricto con alimentos libres de ácido fitánico. 7.8.1.5 co-oxidación Se ha observado en microsomas hepáticos de rata una ruta metabólica menor para la oxidación de ácidos grasos (oxidasa de función mixta) que involucra la oxidación del metilo terminal (carbono) de ácidos grasos por medio de NADPH y oxígeno molecular. Esta ruta metabólica, no es de importancia cuantitativa en la oxidación de ácidos grasos de cadena larga. Sin embargo, puede ser importante en el metabolismo de ácidos grasos de cadena corta (C 6 a C 10 ) (fig. 7.29). 7.8.1.6 Papel de la carnitina en el transporte mitocondrial de ácidos grasos La entrada de ácidos grasos o sus acilCoA derivados a la mitocondria requiere de un mecanismo de transporte, ya que la mitocondria es impermeable a estos compuestos. La molécula acarreadora es la carnitina (car-

Figura 7.29 Productos de la co-oxidación.

ne=músculo). Asimismo, la acetil-CoA producida en mitocondrias por degradación de carbohidratos, ácidos grasos y aminoácidos, no pueden pasar a través de la mitocondria y requieren un mecanismo de transporte similar (fig. 7.30). La carnitina está muy distribuida, pero es particularmente abundante en músculo, de aquí la capacidad de este tejido para oxidar ácidos grasos. La carnitina también estimula la oxidación de ácidos grasos de cadena larga por la mitocondria. Modelo clínico: deficiencia de carnitina Una chica de 19 años acudió al hospital debido a que se fatigaba fácilmente y tema poca tolerancia al ejercicio. El examen neurológico reveló debilidad muscular en las

extremidades. Se realizaron biopsias musculares encontrándose al examen microscópico que el músculo estaba lleno de vacuolas lipídicas, principalmente triacilglicéridos; el contenido de carnitina era 6 veces inferior a lo normal. Cuestionario: 1. ¿Cuál es la principal función intracelular de la carnitina? 2. ¿Estará alterada la p-oxidación en esta paciente? 3. ¿Estará afectada la oxidación de piruvato (proveniente de glucosa) en esta paciente? 4. ¿Cómo se explicaría la acumulación de triacilgliceroles en músculo?

Figura 7.30 Sistema de transporte de ácidos grasos.

Discusión: Los músculos de esta paciente, deficientes en camitina, no podrían transportar eficientemente grupos acil-CoA formados dentro y fuera de la mitocondria. Como la oxidación de ácidos grasos es la principal fuente de energía del músculo, los síntomas musculares y la intolerancia al ejercicio se explican por la incapacidad para obtener energía a partir dé la oxidación de ácidos grasos. En contraste con la oxidación de ácidos grasos no sería de esperar algún defecto en la oxidación de la glucosa en esta paciente. Al igual que los ácidos grasos, la glucosa se convierte en acetil-CoA antes de su oxidación en el ciclo de Krebs. La glucosa entra a la mitocondria como piruvato, y éste se convierte en acetil-CoA; por lo tanto, este paso no requiere de camitina y no se afectará la oxidación de la glucosa!. De hecho, a fin de reemplazar la energía que proviene ordina-

riamente de la oxidación de ácidos grasos, probablemente más cantidad de glucosa se oxida en el ciclo de Krebs. Es probable que se acumulen triacilgliceroles en los músculos de la paciente debido a que no hay alteración en la activación de ácidos grasos. Sin embargo, estos acil-CoA no pueden entrar a la mitocondria para oxidarse y se depositan en forma de triacilgliceroles. 7.8.2 Biosíntesis de ácidos grasos El mecanismo es diferente a la oxidación, aunque al principio se pensó que sería el mecanismo inverso, como en la glucogénesis. Los ácidos grasos pueden sintetizarse dentro o fuera de la mitocondria. A diferencia de la extramitocondrial, en la vía mitocondrial no interviene la malonil-CoA y una de las reducciones utiliza NADH en lugar de NADPH(fig.7.31).

Figura 7.31. Biosíntesis de ácidos grasos.

La fuente de acetil CoA para la síntesis extramitocondrial de ácidos grasos es acetilCoA producida dentro de la mitocondria y transportada por el sistema carnitina (Fig. 7.32). 7.8.2.1 Regulación de la biosíntesis de ácidos grasos Si bien la membrana mitocondrial es impermeable a acetil-CoA, es permeable al citrato. Una vez en el citoplasma, el proceso se invierte y el citrato se transforma en oxalacetato (OAA) y acetil-CoA por medio de la enzima citrato liasa. El citrato se convierte en factor estimulante de la acetil-CoA carboxilasa que forma malonil-CoA y sustrato de la citrato liasa formadora de acetil-CoA. Queda así claro que una dieta alta en carbohidratos conduce a aumento de ácidos grasos por aumentar la acetil-CoA. Por el contrario, una dieta grasa inhibe la biosínte-

sis de ácidos grasos por inhibir la acetil-CoA carboxilasa y la citrato liasa (fig. 7.33). Además, una dieta no grasa aumenta la actividad de la sintetasa multienzimática; la inanición o una dieta alta en grasa disminuye esa actividad. Como el ciclo de Krebs produce CoA-SH, el funcionamiento de dicho ciclo modifica la disponibilidad de CoA-SH y también el equilibrio síntesis-degradación de ácidos grasos. Al parecer, la vía intramitocondrial permite sólo alargar cadenas preexistentes de ácidos grasos y no síntesis de novo. La vía intramitocondrial opera sólo en condiciones anaeróbicas. El sistema ACP parece ser diferente en los dos tipos de sintetasa. El principal producto final de la vía extramitocondrial es palmitato libre. Los ácidos grasos insaturados; linoleico, linolénico y araquidónico, no pueden ser sintetizados por el organismo y se requieren, como las vitaminas, en la dieta. Se conocen como ácidos grasos esenciales.

Figura 7.32. Sistema carnitina de transporte de acetilos y acilos a través de la membrana mitocondrial. Reproducida con autorización de: N.V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive review, pág. 647, J. B. Lippincott Coa., 1974.

Figura 7.33.Reproducida con autorización de: J. M. Orten y O. W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a,. edición, pág. 300, St. Louis, 1982, C. V. Mosby Co.

7.8.3 Regulación del metabolismo de ácidos grasos El mantenimiento del equilibrio entre el catabolismo y anabolismo de los ácidos grasos en el hígado involucra efectos intracelulares (metabolitos) así como efectos extracelulares (hormonas y dieta). Estas influencias dependen obviamente de las relaciones metabólicas con otras sustancias (carbohidratos y proteínas), del suministro de energía de la células hepática y del movimiento de lípidos entre el hígado y otros tejidos. En su relación con otros tejidos, el hígado juega un papel análogo a su participación en la homeostasis de glucosa, ya que contribuye significativamente con proteínas, fosfolípidos, colesterol y algunos lípidos de las lipoproteínas plasmáticas, y es el principal consumidor de triacilgliceroles de los quilomicrones y de los ácidos grasos libres plasmáticos. El principal factor involucrado en el control de la (3-oxidación, es la disponibilidad de sustrato (figura 7.34). Los ácidos grasos hepáticos pueden originarse de 3 fuentes: 1) La captación de ácidos grasos no esterificados (AGL) provenientes del tejido adiposo; 2) La captación de ácidos grasos liberados

por medio de la actividad de la lipoproteinlipasa sobre los quilomicrones (esta fuente depende principalmente del nivel de la grasa dietética; y 3) Los ácidos grasos liberados por la actividad de la lipasa intracelular sobre los triacilgliceroles hepáticos. Como en el caso de la lipasa del tejido adiposo, la actividad de la lipasa hepática es incrementada por aquellas hormonas que promueven el aumento del nivel de AMPc a través de la estimulación del sistema adenilciclasa. De esta manera, en el hígado el glucagon es el principal promotor de la producción intracelular de ácidos grasos (fig. 7.34). Un segundo factor es el contenido energético de la células (Figura 7.35). La P-oxidación depende del flujo de electrones a través de la cadena respiratoria y el acoplamiento con la fosforilación oxidativa; de este modo, la velocidad de utilización de ácidos grasos con fines oxidativos depende de las concentraciones relativas de ADP y ATP. Cuando los niveles de ADP son altos (reservas energéticas disminuidas), la tendencia es hacia la síntesis de ATP con flujo de electrones desde las deshidrogenasas de la P-oxidación. Cuando, por otro lado, los niveles de ATP están elevados, la tendencia anterior se

Figura 7.34. Fuentes de ácidos grasos para las células hepáticas. Reproducida con autorización del editor de: W.C. Me Murray, Essentials of Human Metabolism, 2a. edición, pág. 177, Harper & Row Publishers, Inc. 1983. TG * Triacilgliceridos; AGL = ácidos grasos libres; VLDL = Lipoproteínas de muy baja densidad; LPH= Lipasa hepática.

hace lenta por control respiratorio, los ácidos grasos acumulados se dirigen hacia la biosíntesis de triacilgliceroles o fosfolípidos y se favorece la síntesis de palmitato y otros ácidos grasos de cadena larga. 7.8.4 Movilización y transferencia de ácidos grasos del tejido adiposo Liberación de ácidos de los triacilgliceroles. Cuando el suministro de energía de la

dieta se limita, el organismo responde a esta deficiencia con una señal hormonal que se transmite al tejido adiposo por medio de la liberación de adrenalina, glucagon y otras hormonas. La hormona se une a la membrana plasmática del adipocito y estimula la síntesis de AMP cíclico (AMPc), como fue descrito en el caso de la movilización de glucógeno. Como puede verse en la figura 7.36, en este proceso se involucra la activación por medio del AMPc de una proteincinasa que fosfotila y activa a la lipasa sensible a hormonas. Esta

Tabla 7.3 Nomenclatura de los ácidos grasos insaturados Fórmula simplificada

Nombre común

Nombre sistemático

Fuente

CnA10

Acido undecilénico.

Ac.Al° undecenoico AcA 9 hexadecenoico AcA 9 (Cis) octadecenoico AcA 9 (Trans) octadecenoico. AcA 1 3 docosenoco

Antifúngico

CieA9

Acido

CisA9

palmitoleico Acido oleico

CigA9

Acido elaídico

C22A13

Acido erúcico

CigA9-12

Acido linoleico.

Cl8A9.12.15

Acido linolénico

C2oA5'8>n.i4

Acido araquidóníco

AcA 9 »! 2 octadecadienoico. Ac_A9,12;15 octadecatrienoico. Ac>A5,8,lI,W eicosatetraenoico

aceites. En forma general se puede decir que el estado físico depende de la composición química de los ácidos grasos. En los aceites predominan los ácidos grasas de bajo peso molecular e insaturados y generalmente son de origen vegetal. Por el contrario, las grasas o mantecas tienen mayor proporción de ácidos grasos de elevado PM y con alto índice de saturación. Los aceites vegetales se pueden convertir en grasas por hidrogenación e incluso dependiendo de la magnitud de la hidrogenación se obtienen grasas con diferente punto de fusión. Las grasas y aceites son materiales muy ricos en energía. La oxidación de lg de grasa produce 9 kcal, debido a esto su principal función es la de actuar como material energético de reserva. La composición y natura-

Punto de fusión

Grasas y aceites Muy abundante

0.5°C

Aceite de colza, mostaza alhelí Aceite de algodón, linaza, cártamo. Ac. linaza, cártamo.

33.8°C

Lecitinas, cefalinas

-49.5°C

13.4°C

-5.0°C -10°C

leza de las grasas varían según la especie animal, pero incluso pueden variar en el mismo animal según su localización. La grasa que rodea y sostiene a los ríñones es sólida con una elevada proporción de ácidos grasos saturados y de elevado peso molecular. Por el contrario las grasas que van a ser metabolizadas son blandas o líquidas según la temperatura corporal, lo cual facilita su utilización.

7.4.2

Ceras y céridos

Los céridos son esteres de ácidos grasos y alcoholes monohidroxílicos, alifáticos de elevado peso molecular. Su principal característica es que son fuertemente hidrofóbi-

Fig. 7.35. Control del metabolismo de los ácidos grasos por medio de los niveles de energía. Reproducida con autorización del editor de: W.C. McMurray, Essentials of Human Metabolism, 2a. Edición pág. 178, 1983, Harper & Row Publishers, Inc.

enzima hidroliza a triglicéridos y diglicéridos con liberación de un ácido graso del carbono 1 y 3 del glicerol. Se piensa que esta reacción es el paso limitante de la velocidad de hidrólisis total del triaciclicerol. Los monoacilglicéridos son hidrolizados rápidamente para producir ácidos grasos y glicerol. La monoglicérido lipasa es una enzima no sensible a hormonas. Los ácidos grasos no esterificados (ácidos grasos libres) atraviesan las membranas plasmáticas de los adipocitos y de las células endoteliales de los capilares sanguíneos y se unen a la albúmina en el plasma. El mecanismo para la transferencia de estos ácidos grasos desde los adipocitos hacia el compartimiento plasmático involucra difusión pasiva. Por lo tanto, la velocidad de

transferencia depende de las concentraciones de ácidos grasos tanto en los adipocitos como en el plasma. La albúmina transporta los ácidos grasos a otros tejidos del organismo. El glicerol también puede ser liberado hacia el plasma y ser captado por el hígado para la producción de glucosa (gluconeogénesis). 7.8.4.1 Formación de lipoalbúmina y transporte plasmático de ácidos grasos libres La albúmina es una proteína de importancia cuantitativa en humanos debido a que constituye alrededor del 50% (4.0 g/dl) de las proteínas plasmáticas. Tiene un peso

Figura 7.36. Activación de la triglicérido lipasa hormona sensible en el tejido adiposo.

molecular de 66,200 y está formada por una sola cadena polipeptídica que posee 17 puentes disulfuro. Cada molécula tiene la capacidad de unirse a 6 ácidos grasos; las dos primeras se unen más estrechamente (Ka ~ 10 8 M) que las otras cuatro (Ka ~ 10 6 M). Parece tener dos o tres sitios primarios de unión, localizados en regiones apolares dadas por residuos de aminoácidos hidrofóbicos. La unión entre la molécula de albúmina y los ácidos grasos ocurre a través de interacciones físico químicas, esto es, no se forman enlaces covalentes. La longitud de la cadena del ácido graso determina la afinidad de unión entre este y la albúmina (por ejemplo, el estearato se une más fácilmente que el palmitato). Por otro lado, los ácidos grasos monoinsaturados se unen con mayor afinidad que los saturados (así por ejemplo, el oleato se une más fácilmente que el estearato). Sin embargo el linoleato se une con menor facilidad que el estearato. La vida media de los ácidos grasos unidos a la albúmina es de 1 a 2 minutos. Además de proporcionar un complejo hidrosoluble para el transporte eficiente a través de la circulación, la albúmina facilita la captación rápida de ácidos grasos hacia los tejidos periféricos, actuando como un reser-

vorio, que permite una concentración mucho más alta de ácidos grasos cerca de la superficie celular de la que se obtendría si estuvieran en solución acuosa. Por medio del complejo lipoalbúmina, son acarreados los ácidos grasos hacia los tejidos deficientes de energía, pasando del compartimiento plasmático al intracelular por un proceso de difusión. La cantidad de ácidos grasos utilizada por un tejido depende de las concentraciones relativas tanto en el plasma como en las células de dicho tejido. El músculo cardíaco y esquelético así como el hígado utilizan ácidos grasos como principal fuente de energía removiendo por lo tanto grandes cantidades de la circulación. 7.8.5

Cetogénesis

Como consecuencia de la acumulación normal de acetil-CoA se produce la condensación para dar acetoacetil-CoA. En el hígado, la acetoacetil-CoA se transforma en acetoacetato por medio de una tiolasa, reacción irreversible en este órgano, pero no así en otros tejidos. El acetoacetato en hígado se reduce a P-OH-butirato y una parte se descarboxila espontáneamente en acetona (fig. 7.37).

Figura 7.37. Formación de cuerpos cetónicos.

Estos tres compuestos pasan del hígado a la sangre que los lleva a otros tejidos donde ingresan al ciclo de Krebs y se oxidan completamente. La enzima clave en el catabolismo de cuerpos cetónicos es la P-cetoácido-CoA transferasa (tioforasa) que no existe en el hígado. Los tejidos que tienen esta enzima (como el músculo, cerebro, corazón, riñon y testículos) si pueden metabolizar los cuerpos cetónicos (Figura 7.38). La formación de cuerpos cetónicos en hígado a partir de acetil-CoA o acetoacetil-CoA incluye el beta-hidroxi-beta-metil-glutarilCoA (HMG-CoA) como intermediario obligado (fig. 7.39). Debe notarse que la HMG-CoA es también el punto de partida para la síntesis de colesterol. Sin embargo, la colesterogénesis no se modifica durante la cetogénesis. Los cuerpos cetónicos son transportados por la sangre a tejidos extrahepáticos. En estos tejidos, el beta-hidroxi-butirato se convierte en acetoacetato y éste se reactiva a

acetoacetil-CoA por dos mecanismos que se muestran en la fig. 7.40. El acetoacetil-CoA se oxida a CO7 y H2O en ríñones, músculo, corazón, cerebro y testículos por medio de la p-ceto tiolasa que produce 2 acetil-CoA. En condiciones normales, la concentración de cuerpos cetónicos es baja (1 mg/100 mi sangre) y la eliminación urinaria es menor de 1 mg/24 horas. Cuando aumenta el metabolismo de las grasas y disminuye el de carbohidratos, la concentración sanguínea alcanza niveles anormales (cetonemiá), se eliminan los cuerpos cetónicos en orina (cetonurid) y se instala el cuadro clínico llamado cetosis. La cetosis es causada por (1) producción aumentada de cuerpos cetónicos por el hígado (principal órgano formador) o (2) por utilización disminuida en tejidos extrahepáticos. Se presenta en la diabetes grave, inanición, anestesia o por dieta mal balanceada; alta en grasa y baja en carbohidratos. Como los cuerpos cetónicos son ácidos que agotan

Figura 7.38. Formación y utilización de cuerpos cetónicos. Reproducida con autorización de; N. V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive review, pág. 683, J. B. Lippincott, Co., 1974.

Figura 7.40. Utilización tisular de cuerpos cetónicos.

la reserva alcalina se presenta la cetoácidosis metabolica. Sin embargo, debe apreciarse que los cuerpos cetónicos representan una fuente muy importante de acetil-CoA para la producción celular de ATP. A diferencia de la glucosa o los ácidos grasos, que sólo forman acetil-CoA después de largas secuencias metabólicas, pudiendo además ser metabolizados a otros productos como glucógeno o triglicéridos, los cuerpos cetónicos forman acetil-CoA por medio de unos cuantos pasos (figura 7.41). Por otro lado, la producción de acetil-CoA es la única ruta metabolica disponible para los cuerpos ce-

tónicos en las células. Por lo anterior, pueden considerarse como la forma más útil en que la "energía metabolica" circula en la sangre. 7.8.5.1 Regulación de la cetogénesis Cuando baja la concentración plasmática de glucosa se origina una disminución en la secreción de insulina y un aumento en la secreción de glucagon. El resultado de estos cambios es un estímulo de la lipolisis, con la consecuente liberación de AGL del tejido

Figura 7.41. Oxidación de cuerpos cetónicos en el músculo. Reproducida con autorización del editor de W.C. McMurray, Essentials of Human Metabolism, 2a. edición, pág. 195,1983, Harper «fe Row Publishers, Inc.

adiposo. E s t o s s o n c a p t a d o s por el hígado;

en donde pueden ser reesterificados y secretados en forma de lipoproteínas de muy baja densidad o catabolizados a acetil-CoA y después a cuerpos cetónicos. No se conoce con exactitud qué es lo que determina que los ácidos grasos se degraden en lugar de dar origen a la síntesis de triglicéridos. Sin embargo, se piensa que el estímulo se origina en el hígado y se ubica a nivel de la entrada de los ácidos grasos a la mitocondria mediada por la carnitina. Cuando el nivel de cuerpos cetónicos aumenta se estimula la liberación de insulina y de esta manera disminuye la liberación de AGL del tejido adiposo (efecto antilipolítico). En otras palabras, cuando los cuerpos cetónicos se están produciendo a una velocidad que excede la de su utilización, son capaces de reducir el suministro hepático de sus precursores (autorregulación). Esto con-

serva el depósito de triglicéridos y minimiza los cuerpos cetónicos y en consecuencia la pérdida de combustible por la orina. Además evita la cetoácidosis típica de una cetogénesis no controlada (fíg. 7.42). No obstante la gran asociación de los cuerpos cetónicos con la diabetes, no deben ser considerados como entidades químicas patológicas; ya que son importantes combustibles metabólicos (representan la transformación de un combustible, incapaz de entrar a las células del cerebro, como son los ácidos grasos, en un material hidrosoluble que puede abandonar los capilares y difundir fácilmente hacia las células). Es su sobreproducción no controlada la que es patológica. Los cuerpos cetónicos son capaces de suministrar mucha de la energía requerida por el encéfalo durante la inanición y son oxidados preferentemente a la glucosa y los ácidos grasos por otros tejidos.

Figura 7.42. Control de la cetogénesis.

7.8.6

Metabolismo del colesterol

El colesterol es un compuesto más galardonado de toda la bioquímica, hasta la fecha se han concedido ya 13 premios Nobel a investigadores dedicados a estudiar su estructura y metabolismo. El colesterol es el más importante de los esteróles. En el hombre adulto normal se encuentran en hígado, piel, cerebro y tejido nervioso, intestino y ciertas glándulas endocrinas, las suprarrenales, contienen 10% de colesterol para la biosíntesis de hormonas esteroidales. El contenido relativamente alto de colesterol en piel está relacionado con la formación de vitamina D (fíg. 7.43). La mayor parte del colesterol del organismo proviene de síntesis de novo (1 g/día) y sólo 0.3 g al día de la dieta. Es un producto

típicamente animal y se encuentra en carne, hígado, cerebro; es particularmente abundante en yema de huevo. 7.8.6.1 Biosíntesis de colesterol El colesterol se sintetiza a partir de acetilCoA por tejidos como el hígado, corteza suprarrenal, piel, intestino, testículo y aorta (lmg/g de tejido/10 años de vida). La biosíntesis (fig. 7.44) consta de varias etapas: 1. Síntesis de mevalonato (6C) 2. Pérdida de CO2 para formar unidades isoprenoides (5C) 3. Condensación de 6 unidades isoprenoides para formar escualeno (30C).

Figura 7.44 Biosíntesis de colesterol. Reproducida con modificaciones, de Martin D. W. Jr. y cois., Harper's Review of Biochemistry, 20a. edición pág. 251, 1985, con la gentil autorización de Lange Medical Publications, Los Altos, California

4. Conversión de escualeno lineal en lanosterol (cíclico). 5. Transformación de lanosterol en colesterol (27C). La enzima clave en la regulación de la biosíntesis de colesterol es la P-hidroxi-P metil-glutaril-CoA reductasa (HMG-CoA reductasa); la enzima es inhibida por altas

concentraciones de ácidos grasos saturados de cadena larga y colesterol. 7.8.6.2 Eliminación de colesterol Debido a nuestra incapacidad para oxidar el colesterol hasta C 0 2 , el organismo humano

Figura 7.44

Biosintesis de colesterol (continuación). ídem pág. anterior.

Tabla 7.4 Nomenclatura de los ácidos grasos hidroxilados y cíclicos Fórmula simplificada

nombre común

Nombre sistemático

Fuente

C24 2-hidroxi

Acido cerebrónico

Acido 2-hidroxitetracosanoico

Cerebrona, esfinogolípidos

C24A14 2-hidroxi

Acido hidroxinervónico

AcA 1 4 2-hidroxitetracosanoico

Fosfolípidos, esfingolípidos

C24A14

Acido nervónico

AcA 1 4 tetracosenoico

Fosfolípidos, esfingolípidos

CisA9 12-hidroxi

Acido ricinoleico

AcA 9 12-hidroxioctadecenoico.

Esfingolípidos, aceite de ricino

Ci8 Acido chaulmúgrico

Acido chaulmúgrico

Acido ciclopenten 1-tridecanoico

(Tratamiento de la lepra)

Punto de fusión -100°C

68.5°C

eos, por lo que su principal función es prote- varias moléculas diferentes, y según el tipo ger a las estructuras del organismo de la des- de heteromoléculas de denominan: Fosfolíhidratacíón, fundamentalmente las que están pidos, Glucolípidos, Sulfolípidos y Lipoproexpuestas al sol o que requieren lubricación teínas. o imperrneabilización como la piel, pelos y Fosfolípidos. Estos lípidos se caracterizan plumas de aves y la superficie de hojas y por poseer en su molécula una molécula de frutas. Las abejas usan la cera para construir ácido fosfórico en forma de éster o de fosfosus panales. Algunos animales utilizan las diéster. Los fosfolípidos pueden ser gliceroceras como material energético de reserva. fosfolípidos, si poseen como alcohol a la Las ceras tanto animales como vegetales glicerina o esfingofosfolípidos cuando el alson mezclas de céridos, alcoholes superiores, cohol es esfingosina. ácidos grasos libres e hidrocarburos de elevado peso molecular. La estructura química de un cérido presente 7.5.1 Glicerofosfolípidos o en la cera de abeja es la siguiente: fosfoacilgliceroles CH3-(CH 2 ) 28 -CH 2 -O-C0-(CH 2 ) 14 -CH 3 7.5 LIPIDOS COMPLEJOS Son lípidos que en su estructura poseen además de un alcohol y ácidos grasos una o

Estos son los lípidos complejos más abundantes. Existen en algunos tejidos en proporciones muy elevadas como en el sistema nervioso. Son además los principales componentes de las membranas celulares. Estos compuestos se subclasifican en varios grupos en base a su estructura química. Todos

sólo puede excretarlo en la bilis, ya sea en forma de ácidos biliares o como colesterol libre. Este último se convierte en coprostanol y es eliminado por heces. Los ácidos biliares contribuyen como emulsionantes a la diges-

tión de grasas y en el proceso de absorción de grasas y vitaminas liposolubles. Los ácidos biliares más comunes son el ácido cólico y quenodesoxicólico (fig. 7.45). Los ácidos cólico y quenodesoxicólico se consi-

Figura 7.45 Formación y eliminación de sales biliares. Reproducción autorizada con modificaciones de: N. V. Bhagavan. Biochemistry. A comprehensive review, pág. 661, J. B. Lippincott. Co., 1974.

deran primarios por sintetizarse directamente en el hígado a partir de colesterol. La enzima clave del proceso es la 7-a-hidroxilasa que es inhibida por los ácidos biliares y activada al incrementarse el colesterol de la dieta. El grupo carboxilo de estos ácidos se encuentra generalmente unido a glicina o taurina dando lugar a los ácidos glicocólico, taurocólico, glicoquenodesoxicólico y tauroquenodesoxicólico. Cuando estos ácidos sufren modificaciones químicas por acción de las bacterias intestinales, se transforman en los ácidos biliares secundarios; desoxicólico y litocólico. Como la cantidad de ácidos biliares sintetizados por el hígado es insuficiente para satisfacer las necesidades fisiológicas, éstos son reabsorbidos mediante un proceso activo dependiente de ATP y Na + a nivel del íleo, y transportados de nuevo al hígado unidos a la albúmina. Este continuo reciclaje de ácidos biliares recibe el nombre de circulación enterohepática, a través de la cual regresan al hígado más del 95% de los ácidos biliares. La circulación enterohepática es muy activa, realiza de 4 a 12 ciclos al día. Los ácidos biliares no absorbidos son eliminados por heces y aunque el porcentaje es bajo (1-5%), constituye la vía principal de eliminación de colesterol por el organismo; la excreción en forma de hormonas esteroidales o sus derivados es de menor cuantía. El colesterol sanguíneo puede disminuir consumiendo grasas con ácidos grasos poliinsaturados (cártamo, maíz, algodón), mientras los saturados lo aumentan (mantequilla, coco) probablemente los ácidos grasos poliinsaturados actúan: a) estimulando su excreción en intestino. b) estimulando su oxidación a sales biliares c) acelerando el metabolismo de esteres de colesterol d) cambiando la distribución en los tejidos

7.8.6.3 Fármacos que disminuyen los niveles de colesterol sanguíneo Clofibrato. Aunque el mecanismo es desconocido, este fármaco inhibe la síntesis hepática de colesterol. También disminuye las VLDL. Es útil en las hiperlipoproteínemias tipo III, IV y V. Efectos colaterales son aumento de sensibilidad a cumarínicos y a veces miositis y debilidad muscular (fig. 7.46).

C|-<\

/>-0-C-COO-Et CH3

Figura 7.46. Estructura del clofibrato.

D.tiroxina. Este fármaco acelera el cataboliso del colesterol y de la LBD. Se usa en lugar de isómero L en virtud del menor efecto calorigénico. Efectos secundarios son aumento de sensibilidad a cumarínicos, insuficiencia cardíaca y curvas de tolerancia a la glucosa anormales (fig. 7.47)

Fig. 7.47. Estructura de la D-tiroxina.

Colestiramina. Es una resina de intercambio iónico; impide la reabsorción intestinal de sales biliares y con ello aumenta el catabolismo del colesterol. Es útil en la hiperlipoproteinemia tipo II. Efectos colaterales son náusea y estreñimiento, acidosis hiperclorémica y falta de absorción de vitaminas A,D,EyK.

Otros fármacos utilizados son el ácido nicotínico que interfiere con la movilización de ácidos grasos y los estrógenos que disminuyen las LDL (p y aumentan las VLDL (pre-P); los andrógenos muestran efecto contrario. Recientemente se han utilizado los ácidos quenodesoxicólico y ursodesoxicólico para disminuir los niveles de colesterol plasmático, ya que inhiben la HMG-CoA reductasa. Otros agentes inhibidores de la reductasa utilizados son la mevastatina y lovastatina, que reducen las concentraciones de colesterol unido a LDL con pocos efectos adversos. Xantomatosís Los xantomas son acumulación de lípidos (sobre todo esteres de colesterol) en forma de tumores grasos múltiples en piel e hipercolesterolemia grave y aterosclerosis prematura (ver también hiperlipoproteinemias). La enfermedad de Hans-Schüler-Christian (xantomatosís idiopática crónica) es una lipidosis de colesterol asociada con diabetes insípida y depósitos de lípido en hígado, bazo y huesos planos del cráneo. 7.8.7

Metabolismo de fosfolípidos

En la bilis, los fosfolípidos mantienen en solución al colesterol. En pulmones, las lecitinas son componentes del surfactante. Los fosfolípidos (FL) pueden sintetizarse a partir de un diglicérido intermediario común en la síntesis de triacilgliceroles que reacciona con CDP-etanolamina, o bien, a partir de ácido fosfatídico y CTP en una reacción común en la formación de fosfatidilinositol y cardiolipinas. (fig. 7.48 y 7.49). La degradación de fosfolípidos se lleva a cabo por fosfolipasas. En el humano es la fosfolipasa A2 que hidroliza en posición p (2). El lisofosfolípido resultante es hidrolizado luego por una lisofosfolipasa, en posi-

ción a (1) y una esterasa lo degrada finalmente a a-glicerofosfato (fig. 7.50). Las lisolecitinas son poderosos detergentes y agentes hemolíticos. El veneno de serpiente contiene fosfolipasa A dependiente de Ca ++ , de aquí que su mordedura produzca hemolisis masiva. 7.8.7.1 Síntesis de esfingomielinas, cerebrósidos y gangliósidos Las esfingomielinas son fosfolípidos que no contienen glicerol ni enlace tipo éster, característicos de los demás lípidos. La molécula precursora es la esfingosina formada a partir de palmitil-CoA y serina. Esta molécula es a su vez precursora de esfingomielinas, cerebrósidos, gangliósidos y sulfátidos. Los gangliósidos son glucolípidos que, al igual que las glucoproteínas, parecen ser sintetizados en las membranas del retículo endoplásmico. De aquí son transportados al aparato de Golgi y eventualmente al exterior donde se unen a la superficie externa de la membrana celular. Cada uno de los pasos biosintéticos indicados en la figura 7.51, son catalizados por glicosil transferasas, de las cuales depende la secuencia oligosacárida del gangliósido así como de la concentración relativa de los azúcares existentes en el medio. Un aspecto notable del metabolismo de los glucolípidos es la existencia de enfermedades por almacenamiento causadas por deficiencia en las enzimas degradativas conocidas como esfingolipidosis y gangliosidosis. 7.8.7.2 Esfingolipidosis y gangliosidosis Normalmente estas moléculas se localizan en cerebro. Cuando faltan las enzimas degradativas, se acumulan estas sustancias y dan lugar a una serie de síntomas y signos característicos de las enfermedades (Tabla 7.7).

DHAP

DIHIDROXIACETONAFOSFATO

NAD

NICOTINADENINDINUCLEOTIDO

NADP

NICOTINADENINDINUCLEOTIDO

FOSFATO

Figura 7.48. Formación de ácido fosfatídico. Modificado con permiso de J. M. Orten y O. W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a. edición, pág. 300, St. Louis, 1982, C. V. Mosby Co.

Figura 7.49. Biosíntesis de fosfolípidos. Reproducción autorizada con modificaciones de: N.V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive review, pág. 617, J. B. Lippincott Co., 1974.

Figura 7.50. Degradación de lecitinas. Reproducida con permiso de Martin, D. W. Jr. y Cois., Harper's Review of Biochemistry, 20a. edición, pág. 227,1985, Lange Medical Publications, Los Altos, California.

Enfermedad de Gaucher. (Lipidosis glucocerebrósida). Afecta generalmente niños de una misma familia. Se caracteriza por hepato y esplenomegalia a expensas de acumulación de P-glucosil-ceramida. En la forma infantil hay retraso mental; en la forma juvenil hay rápida progresión de manifestaciones sistémicas pero poco o ninguna afección del SNC. En la forma adulta, ade-

más de hepato y esplenomegalia hay erosión de huesos largos con fracturas espontáneas y elevación de fosfatasa acida. El bazo crecido atrapa células sanguíneas produciendo pancitopenia; la falta de plaquetas ocasiona sangrado y equimosis. El diagnóstico se facilita midiendo la actividad glucocerebrosidasa (p*-glucosidasa) en leucocitos lavados que incluso permite detectar portadores sanos en

Figura 7.51. Algunas vías específicas del metabolismo de carbohidratos y lípidos.

Tabla 7.7 Enzimas alteradas en las esfingolipidosis y gangliosidosis

Tomada de: Handbook of Neurochemistry, Vol. 7. Abel Lajtha Ed. 1972, con modificaciones.

estudios prenupciales, o bien en cultivo de células amnióticas para predecir si el feto ha heredado el defecto. Enfermedad de Niemann-Pick (Lipidosis esfingomielínica). También hay hepato y esplenomegalia por depósitos de fosfolípidos, sobretodo lecitinas y esfingomielinas. Ocurre en la infancia y causa la muerte en unos cuantos meses con daño cerebral profundo. Se observa color amarillo-oliva en la piel y mancha rojo-cereza en la mácula. La mayoría de los pacientes tienen ancestros judíos; sin embargo, no se restringe la enfermedad a estas familias. El diagnóstico se hace por determinación de esfingomielinasa en leucocitos lavados y sonicados, o en cultivo de células amnióticas por amniocentesis. Enfermedad de Tay-Sachs (Idiocia amaurótica infantil o gangliosidosis-G M2 ). Es la más frecuente de las gangliosidosis. Se presenta precozmente en la infancia con daño cerebral y ceguera por acumulación del gangliósido en cerebro y tejido nervioso. También hay mancha rojo-cereza en la mácula. El diagnóstico se hace por determinación flurorométrica de hexosaminidasa sérica. Desde 1887 a la fecha se han descrito 500 casos. Variante de Tay-Sachs o enfermedad de Sandhojf (Lipodistrofia globósida). La primera descripción se hizo en 1968 y se han presentado hasta la fecha una docena de casos. Las manifestaciones neurológicas semejan el Tay-Sachs. Gangliosidosis generalizada (Gangliosidosis GM1). Hay degeneración cerebral progresiva, hepatomegalia y deformaciones esqueléticas. Enfermedad de Krabbe (Leucodistrofia globoide). Existe deterioro mental progresivo, desmielinización y acumulación de células globoides en la adventicia de vasos sanguíneos pequeños y en la sustancia gris cerebral. La muerte ocurre generalmente a los 10 meses. Enfermedad de Fabry. (Lipidosis ceramida trihexósido). Es la más frecuente de las

esfingolipidosis. Está ligada al cromosoma X. Los hombres presentan lesiones cutáneas (pápulas púrpuras en escroto), dolor en extremidades y paresias de nervios craneales. La afección cardíaca, renal y nervios periféricos hace que la causa principal de muerte sea insuficiencia renal, cardíaca o cerebral. El diagnóstico se hace por determinación de actividad ceramida trihexosidasa en biopsia renal o intestinal. Leucodistrofia metacromática. (Lipidosis sulfátida). Se caracteriza por desmielinización, parálisis progresiva y demencia cerebral con metacromasia, lo cual significa que ciertos colorantes catiónicos cambian su valor de absorción a longitudes de onda más cortas. Así, el azul de toluidina aparece rojo o rosado. En la forma infantil hay defecto en la locomoción, debilidad, ataxia, hipotonía y parálisis seguida por dificultad al hablar y tragar, y atrofia óptica. En la forma adulta hay trastornos psicológicos seguidos por demencia progresiva. Es importante distinguir esta enfermedad de la esclerosis múltiple que también afecta la sustancia blanca pero tiene etiología viral o autoinmune. Lipidosis ceramida kctósida. Sólo hay tres casos descritos en la literatura. Se produce hepato y esplenomegalia, daño cerebral progresivo y deterioro neurológico. Enfermedad de Farber (lipogranulomatosis). Se manifiesta por ronquera, dermatitis, deformación del esqueleto y retraso psicomotor. Es mortal al inicio de la vida. Se llegan a encontrar n o d u l o s subcutáneos, hepato y esplenomegalia. MODELO CLÍNICO: Enfermedad de Gaucher Una mujer de 34 años fue admitida en el hospital debido a que presentaba fácilmente equimosis y sangrado excesivo. El examen abdominal reveló una masa firme en cuadrante superior izquierdo que fue juzgada

como esplenomegalia. También estaba presente un aumento de tamaño del hígado. El examen sanguíneo reveló pancitopenia. Las pruebas de coagulación indicaron un tiempo de sangrado prolongado como única anormalidad.

riesgo de tener un hijo con Tay-Sachs es de uno en cuatro. En un grupo de 32 mujeres con antecedentes de un hijo con la enfermedad, el estado genético del feto fue establecido por amniocentesis. Como lo predicho, 8 de los 32 tienen la enfermedad. En este caso, 7 de las mujeres escogieron el aborto; en el octavo caso, el niño nació con el defecto.

7.8.7.3 Tratamiento de las enfermedades lisosomales 7.8.8 Existe actualmente enorme interés en la posibilidad de terapia de reemplazo enzimático en las enfermedades por deficiencia lisosomal. Se ha demostrado que las células pueden incorporar enzimas en cultivo de tejidos. Parece que en el proceso de pinocitosis la membrana externa es englobada para formar vacuolas pinocíticas que luego se fusionan con lisosomas. Las hidrolasas lisosomales degradan luego los polisacáridos en un proceso que es aparentemente esencial para la función normal de la célula. La pinocitosis también proporciona un medio de incorporación de material enzimático del medio externo y la esperanza de una posible terapia de reemplazo. El problema surge porque la inyección de enzimas en el torrente sanguíneo puede conducir a respuestas alérgicas. La alternativa consiste en el microencapsulamiento de las enzimas en "fantasmas" de eritrocitos del propio paciente. En el caso de las enfermedades de Gaucher y Fabry, se espera que el tratamiento de lactantes y niños pequeños pueda prevenir el daño cerebral. Sin embargo, en el TaySachs, el sitio primario de acumulación del gangliósido GM2 s o n l ° s ganglios y células guales del encéfalo. Debido a la barrera hematoencefálica y la severidad del daño parece poco probable que la enfermedad pueda tratarse con éxito. El enfoque usado actualmente consiste en identificar portadores de defectos genéticos altamente indeseables y ofrecer consejo genético. Si ambos padres son portadores, el

Metabolismo de eicosanoides

Los eicosanoides son compuestos bioactivos que modulan la función celular. En la actualidad tienen un enorme interés bioquímico y farmacológico. El término fue introducido por Corey en 1979 en virtud de derivar de ácidos grasos poliinsaturados de 20 carbonos (eicosano, hidrocarburo de 20 carbonos). Los precursores comunes de los eicosanoides son tres ácidos grasos insaturados de 20 carbonos; el 8,11,14-eicosatrienoico (dihomo-y-linolénico), el 5, 8, 11, 14-eicosatetraenoico (araquidónico) y el ácido 5, 8, 11, 14,17- eicosapentaenoico. Los dos primeros derivan del ácido linoleico y pertenecen a la clase omega-6. El ácido eicosapentaenoico, de la clase omega-3, deriva del ácido linolénico. Cuando se activa la fosfolipasa A2 celular (fig. 7.50) se libera principalmente ácido araquidónico a partir de los fosfolípidos de membrana. De aquí que el grueso de los eicosanoides sintetizados por el hombre derive del ácido araquidónico. Además, la enzima central de la vía biosintética de prostaglandinas, la ciclooxigenasa, utiliza el ácido araquidónico con mayor eficacia. Los principales eicosanoides son prostaglandinas (PG), tromboxanos (TX), hidroperóxidos de ácidos grasos (HPETE), hidróxidos de ácidos grasos (HETE), epóxidos de ácidos grasos (EET), dihidr óxidos de ácidos grasos (diHETE), leucotrienos (LT) y lipoxinas (fig. 7.52).

ellos se caracterizan por poseer una estructura básica. Todos los glicerofosfolípidos se pueden considerar derivados de un ácido L-a-fosfatídico, que posee un ácido graso saturado en el C-l y un ácido graso insaturado en el C-2. La fórmula general de los fosfoglicerolípidos se puede resumir en el siguiente cuadro:

Ácidos Fosfatídicos Los ácidos fosfatídicos son los precursores de todos los fosfo-

Tabla7.5. Nomenclatura de fosfoglicerolípidos Nombre Ac. fosfatídico Fosfatidilcolinas (Lecitinas) Fosfatidiletanolaminas (Cefalinas) Fosfatidilserinas (Cefalinas)

Fosfatidil inositoles Fosfatidilgliceroles

Fosfatidil fosfatídicos (Cardiolipinas)

Naturaleza de R -H -0-CH2-CH 2 -N + (CH 3 )3 colina -O-CH2-CH2-NH 3 etanolamina -O-CH2-CH-COO"

OH Tromboxano (TXA,)

Lipoxina (lipoxina A)

Figura 7.52. Clases de eicosanoides. Se ha ilustrado cada clase con un compuesto representativo.

No obstante que los eicosanoides poseen actividades biológicas diferentes, presentan una serie de características comunes como son: 1. Se forman a partir de ácidos grasos. 2. Se comportan como autacoides, es decir, ejercen sus efectos biológicos en las células cercanas a las que los producen. 3. Actúan como biorreguladores en la formación de nucleótidos cíclicos y en la movilización del calcio. La liberación del ácido araquidónico desde sus reservas esterificadas es una etapa clave, puesto que la biosíntesis de eicosanoides está limitada por la disponibilidad de araquidónico libre. En los fosfolípidos de membranas, el ácido araquidónico se encuentra principalmente en la posición 2. Por lo tanto, existen varias rutas para la liberación de este ácido (fig. 7.53). Las enzimas liberadoras del ácido araquidónico son estimuladas por numerosos factores. La hormona TSH activa la fosfolipasa A2 en tiroides, la ACTH en corteza suprarrenal y la LH en el ovario. En las plaquetas se ha descrito un sistema de activación tanto de fosfolipasa A2 como de la fosfolipasa C. Además, situaciones patológicas como el estrés, algunas alergias y otras, pueden incrementar la síntesis de prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos. Existen tres vías principales de utilización de ácido araquidónico en la síntesis de eicosanoides; la ruta de la ciclooxigenasa, que origina las prostaglandinas y tromboxanos; la ruta de la lipooxigenasa, que produce leucotrienos. HETE y lipoxinas; y la ruta de citocromo P450 que da lugar a epóxidos, que luego se convierte en HETE o diHETE (fig. 7.54). Habitualmente, una célula sintetiza fundamentalmente uno de estos productos. Por ejemplo, las células endoteliales forman prostaglandinas; los neutrón los, productos de la lipooxigenasa; las plaquetas, productos de lipo y ciclooxigenasa.

7.8.8.1 Prostaglandinas y prostaciclinas La necesidad de prostaglandinas es una de las principales razones para que los ácidos grasos poliinsaturados omega-6 sean esenciales en la dieta humana. El precursor más importante de prostaglandinas es el ácido graso esencial linoleico. Las reacciones de síntesis están catalizadas por la prostaglandina endoperóxido sintetasa {prostaglandina sintetasa), la cual posee dos actividades enzimáticas: una actividad ciclooxigenasa (o dioxigenasa) que transforma al ácido araquidónido en PGG2, y una actividad hidroxiperoxidasa que transforma a este último en PGH 2 (fig. 7.55). Las dos actividades necesitan la presencia de un grupo hemo. Una propiedad muy interesante de la ciclooxigenasa es la de autoinactivarse después de funcionar durante 15-30 segundos, es decir, es una "enzima suicida". Los ácidos eicosapentaenoicos procedentes de la dieta o del ácido linolénico son de una potencia terapéutica excelente debida a su acción inhibidora de la actividad ciclooxigenasa. La aportación a la dieta del ácido eicosapentaenoico abre una vía terapéutica en el campo de las enfermedades tromboembólicas, la aterosclerosis, la inflamación y la autoinmunidad. En los esquimales, cuya alimentación es muy rica en pescado que aporta mucho eicosapentaenoico, se ha observado menor incidencia de enfermedades tromboembólicas. Los antiinflamatorios no esteroidales son todos inhibidores competitivos de la ciclooxigenasa, en particular aspirina e indometacina. Los efectos de la aspirina sobre la inflamación, el dolor, la activación plaquetaria, la fiebre y la mucosa gástrica, se han explicado por inhibición de la biosíntesis de eicosanoides cíclicos. Los antiinflamatorios esteroides (hidrocortisona, prednisona y betametasona) parecen actuar por bloqueo de la liberación de

Figura 7.53. Rutas de liberación de ácido araquidónico.

Figura 7.54. Biosíntesis de eicosanoides. Para mayor explicación ver texto.

Figura 7.56. Principales prostaglandinas y derivados.

ácido araquidónico al inhibir la actividad fosfolipasa A2. Las PGG2 y PGH2 son los intermediarios precursores en la síntesis de las otras prostaglandinas. Sólo cinco de ellas se encuentran en abundancia en el organismo. Se conocen como prostaglandinas primarias y todas pertenecen a la serie 2: PGD 2 , PGE 2 , PGF 2 a. En vasos sanguíneos se produce principalmente PGI2 (también llamada prostacicliná). En corazón, la PGE2, PGF2CX y la PGI2 se producen en cantidades iguales. El tromboxano A2 (TXA2) es el principal derivado de prostaglandinas formado en las plaquetas. La PGI2 (prostaciclina), principal prostaglandina del endotelio vascular, es un vasodilatador, especialmente de arterias coronarias, y también previene la agregación de las plaquetas. En cambio, el tromboxano

A2 tiene efectos contrarios a los de la prostaciclina, ya que contrae las arterias y desencadena la agregación plaquetaria. Las prostaglandinas se encuentran entre las sustancias biológicas más potentes descubiertas hasta la fecha. Tienen una potencial utilidad terapéutica en el tratamiento de la hipertensión, el alivio del asma bronquial y la congestión nasal, como anticonceptivos y en la curación de la úlcera péptica. Muchas de las acciones de las prostaglandinas están mediadas por el sistema adenilato ciclasa-AMP cíclico-proteincinasa A. No obstante, una misma PG puede tener efectos contrarios en células diferentes. Por ejemplo, la PGE! activa la adenilato ciclasa en muchos tejidos, pero la inhibe en adipocitos, impidiendo la lipólisis. En cambio, en útero estimula la contracción, incrementando la concentración intracelular de calcio.

7.8.8.2 Tromboxanos El término tromboxano deriva del hecho que estos compuestos tienen capacidad de formar trombos. La enzima que forma el TXA 2 a partir de PGH2 es la tromboxano sintetasa. Debido al potente poder de agregación plaquetaria de los tromboxanos, la búsqueda de inhibidores específicos de su síntesis es objetivo primordial de investigación. El TXA2 es de vida media muy corta (30-40 segundos); se hidroliza espontáneamente a TXB2, que es inactivo. El ácido eicosapentaenoico, ya mencionado, da origen a las PGI3 y los TX3. La PGI 3 es tan potente como antiagregante plaquetario como la PGI 2 , pero el TXA3 es un agregador plaquetario más débil que el TXA2; por lo tanto, el equilibrio está desplazado contra la agregación. Así, la regulación de la hemostasia sanguínea va a depender del equilibrio entre la síntesis de PGI 2 y de TXA2. Varias enfermedades se han relacionado con un desequilibrio en estos dos eicosanoides, entre las que destacan los procesos tromboembólicos y la aterosclerosis. En las lesiones ateromatosas en humanos existe disminución en la biosíntesis de PGI2 y activación plaquetaria con aumento en la síntesis de TXA2, lo que predispone a tromboembolias e incluso al infarto de miocardio. En pacientes diabéticos disminuye la actividad prostaciclina sintetasa y aumento en la biosíntesis de tromboxanos, con alta predisposición a aterosclerosis y trombosis. La insulina restaura este desequilibrio y mejora las lesiones vasculares en el hombre. 7.8.8.3 Leucotrienos y otros derivados Los leucotrienos deben su nombre por haber sido aislados de leucocitos y poseer en su estructura tres dobles ligaduras conjugadas (tríenos). Se sintetizan a partir del 5-

HPETE de la ruta de la 5-lipooxigenasa. A diferencia de la ciclooxigenasa, que está unida a la membrana, las lipooxigenasas son enzimas citosólicas. En las células animales existen tres lipooxigenasas que insertan oxígeno en las posiciones 5, 12 y 15 del ácido araquidónico ( 5 - , 12- y 15-lipooxigenasa), pero sólo la 5-lipooxigenasa forma leucotrienos. Células diferentes poseen lipooxigenasas diferentes: los neutrófilos son ricos en 5-lipooxigenasa, las plaquetas en 12-lipooxigenasa y los eosinófilosen 15-lipooxigenasa. Los productos hidroperóxidos derivados (HPETE) no son hormonas, sino intermediarios altamente reactivos que se convierten en sus alcoholes análogos (HETE) o en leucotrienos. En plaquetas, islotes endocrinos pancreáticos y células glomerulares predomina el 12-HPETE. Este es un inhibidor de la agregación plaquetaria, y pacientes con trastornos mieloproliferativos, que carecen de actividad 12-lipooxigenasa, tienen una alta incidencia de procesos hemorrágicos. En reticulocitos, eosinófilos y linfocitos T, los principales productos de la 15-lipooxigenasa son el 15-HPETE y el 15-HETE; este último tiene efecto inhibidor sobre las 5 y 12-lipooxigenasas (fig. 7.57). En neutrófilos, mastocitos, queratinocitos, pulmón, bazo, cerebro y corazón la 5-lipooxigenasa cataliza la formación de leucotrienos, después del intermediario 5HPETE. A diferencia de otras lipooxigenasas, la 5-lipooxigenasa requiere calcio para su actividad. El primero en ser sintetizado es el LTA4, que a su vez es metabolizado a LTB4 o en los leucotrienos LTC4 o LTD 4 . La conversión del leucotrieno A4 en los leucotrienos C4, D4 y E4 requiere de glutatión reducido y peptidasas específicas (fig. 7.58). El LTB 4 es un potente agente quimiotáctico de los leucocitos, mientras que los leucotrienos LTC4, y LTE4 muestran otro tipo de

Figura 7.57. Vía de la lipooxigenasa.

acciones como aumento de la permeabilidad vascular (edema) y la constricción de arterias y bronquios. Las acciones biológicas de los leucotrienos C 4 , D4 y E 4 abarcan lo que durante décadas se ha denominado sustancia de reacción lenta de la anafilaxia (SRSA), estos LT son hasta 1000 veces más potentes que la histamina como broncoconstrictores. En conjunto, los leucotrienos parecen ser mediadores importantes en trastornos que involucran reacciones inflamatorias o de hipersensibilidad inmediata como el asma bronquial y otras manifestaciones alérgicas. Así pues, los eicosanoides, sintetizados por todas las células del organismo, tienen una enorme repercusión clínica (alergia, inflamación, procesos tromboembólicos) y farmacológica. Actualmente se están utilizando estas sustancias, p. ej. la prostaciclina, como agente vasodilatador e inhibidor de la agregación plaquetaria.

7.8.9

Obesidad

Trastorno mas común del metabolismo de los lípidos. La anormalidad mas común del metabolismo lipídico es la OBESIDAD. Toda discusión sobre obesidad sólo se puede realizar en base a la ley de conservación de la energía; cuando la ingestión de alimento es mayor que la emisión de energía en forma de calor o trabajo, aumenta la grasa corporal. Así, la obesidad es el resultado de ingerir mas calorías de las que se necesitan para los requerimientos energéticos del organismo. En el origen de la obesidad son importantes las pequeñas cantidades adicionales de comida que se toman diariamente. Es decir, no son las comidas voluminosas aisladas las que conducen a la gordura, sino las cantidades de energía en "pequeneces" por el simple gozo de comer.

cooH

Figura 7.58. Síntesis de leucotnenos (LT).

No se pueden pasar por alto los factores psíquicos. Aunque la expresión "grasa de aflicción" exprese que algunas personas comen mas por pena o dolor, no hay que olvidar que a muchas personas les ocurre lo contrario cuando sufren alteraciones psíquicas, y adelgazan visiblemente. Los trastornos endocrinos también pueden causar obesidad. En los portadores de adenomas insulares, la obesidad está relacionada con la secreción excesiva de insulina que aumenta la síntesis de grasas. Pero solamente son obesos los que por el peligro de hipoglicemia toman muchos carbohidratos y por acción de la hormona los acumulan como grasa. En cuanto a la obesidad parcial del tronco y cara de luna llena en el síndrome de Cushing debido a superproducción de glucocorticoides, podemos indicar que es producida por la desintegración proteínica que conduce a gluconeogénesis y lipogénesis. A este respecto, algunos autores han propuesto que la obesidad madura (40-50 años) es en realidad un síndrome de Cushing no tumoral por exceso de ACTH y P-endorfinas pituitarias liberadas por estímulos estresantes. El exceso de ACTH estimula la liberación de glucocorticoides que conduce a desgaste proteínico y gluconeogénesis. La P-endorfina estimula la liberación insulina que promueve la lipogénesis. En otras palabras, la glucosa obtenida por gluconeogénesis de proteínas se transforma en ácidos grasos, los cuales se almacenan en tejido adiposo como triglicéridos. Así, el individuo transforma sus propias proteínas en grasas por la acción de estas dos hormonas. Esto hace que el individuo se vuelva gordo sin sobrealimentarse. En muchos maduros obesos hay además sobrealimentación lo que contribuye al círculo vicioso cuando el stress genera glucosa, insulina y comida, lo que genera mas glucosa, insulina y comida. Debe señalarse que la gluconeogénesis y lipogénesis benignas son concomitantes

normales del proceso de envejecimiento. Por ejemplo, un hombre de 25 años y 70 kg de peso tiene 14% de tejido adiposo y 86% de masa corporal magra. A los 40 años tiene 22% de adiposo y 78% magro; a los 55 tendrá 25% de adiposo y 75% de peso magro. Así, es necesario perder peso al envejecer para mantener la misma proporción de grasa corporal de los jóvenes. El depósito excesivo de grasa está generalmente asociado con aumento en la incidencia de diabetes mellitus y enfermedades coronarias. Recientes estudios han definido dos tipos de anormalidades aparentemente no relacionadas, en individuos obesos. Primero, los niveles de fibrinógeno plasmático se elevan y la actividad fibrinolítica disminuye proporcionalmente al aumento de obesidad; ambas anormalidades se corrigen al reducir de peso. Este proceso en obesos es relevante en el desarrollo de trombosis intravascular, factor importante en la patogénesis de enfermedades coronarias. El segundo grupo incluye anormalidades en el metabolismo de grasas y carbohidratos. Un individuo obeso segrega cantidades excesivas de insulina a fin de mantener su glucosa sanguínea en niveles normales, es decir, hay una resistencia a la insulina interpretada como disminución de receptores celulares a la insulina en respuesta a elevadas cantidades de la hormona. Estudios "in vitro" muestran que el tejido adiposo se vuelve progresivamente mas resistente a la insulina a medida que el volumen de lípidos depositados aumenta; la sensibilidad a la insulina (aumento del número de receptores) vuelve a lo normal cuando se reduce el tamaño de la célula adiposa. Finalmente, hay que mencionar que con un exceso de peso de 8 kg (a los 45-50 años) la mortalidad es del 18%. Con exceso de 18 kg el aumento es ya del 45% y con un exceso de peso de 40 kg del 116%.

Modelo clínico: Obesidad Una paciente de 19 años acudió al médico por tener un sobrepeso de 30 kg, principalmente a expensas de depósito de triglicéridos en tejido adiposo. La historia clínica reveló que su dieta en verdad era baja en grasas, pero su ingestión calórica dependía de carbohidratos (dulces, galletas, bebidas acuosas y cerveza). Cuestionario: 1. ¿Cómo es posible formar cantidades excesivas de triglicéridos en el cuerpo si la

dieta contiene principalmente carbohidratos? 2. ¿Cómo llega al citoplasma la acetilCoA generada dentro de la mitocondria para ser utilizada en la síntesis de ácidos grasos? 3. ¿Por qué se requiere bicarbonato en la síntesis de ácidos grasos? 4. ¿Cuál es la enzima limitante en la biosíntesis de novo de ácidos grasos? 5. Si esta paciente fuera deficiente en biotina, ¿interferiría esta deficiencia con la biosíntesis de ácidos grasos?

glicerolípidos. Todos son L-a-fosfatídicos y la diferencia entre ellos se debe a la naturaleza de los ácidos grasos. Existen en pequeña proporción en productos naturales ya que son productos intermedios en la biosíntesis de otros fosfoglicerolípidos. 7.5.1.1 Lecitinas o Fosfatidilcolinas Estos compuestos se encuentran ampliamente distribuidos en los organismos donde desempeñan múltiples e importantes funciones. Se encuentran en las membranas celulares, y debido a su carácter anfipático se ordenan en forma radial y contribuyen al potencial de membrana. La solubilidad de estas sustancias y, en general, de todos los fosfoglicerolípidos es especial, debido a su carácter anfipático. En sistema difásicos se ordenan en base a su polaridad. En agua forman capas monomoleculares ordenadas y si se aumenta la concentración forman núcelas, en las cuales, al igual que los jabones quedan expuestas las cabezas hidrofílicas polares y las cadenas hidrofóbicas se unen formando una zona hidrofóbica común interna (Figura 7.1). Las fosfatidilcolinas también desempeñan un importante papel en el transporte de lípi-

dos, son constituyentes de los quilomicrones y lipoproteínas. 7.5.1.3 Fosfatidil inositoles Estos lípidos se caracterizan por poseer en su molécula en lugar de una base nitrogenada un polialcohol cíclico denominado inositol, del cual existen 9 isómeros, según la posición de los grupos alcohólicos, el más abundante en la naturaleza y el que forma parte de los inositolípidos es el mioinosotol, que es la forma mesosimétrica y ópticamente inactiva. Recientemente se ha encontrado que un inositolípido que posee 3 grupos fosfato en lugar de uno, denominado fosfatodilinositol, 4,5-difosfato (figura 7.2). Este compuesto se encuentra en las membranas celulares y se hidroliza aparentemente como respuesta a varios compuestos:hormonas o intermediarios metabólicos, dando el inositol 1,4,5-trifosfato y el diacil glicerol que pueden actuar como "segundos mensajeros" iniciando distintas funciones en la célula. Algunas de las funciones que pueden ser disparadas por el inositol, 1,4,5-trifosfato (IP3) son: glucogenolisis en las células hepáticas, secreción de histamina por las células

Figura 7.1 Estructura y distribución esquemática de la disposición de las moléculas de fosfolípidos.

METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS

Se ha estudiado la función y metabolismo de los principios inmediatos del organismo, carbohidratos, lípidos y proteínas. Sin embargo, no se ha dedicado un capítulo especial al "metabolismo de proteínas" y se va a iniciar el estudio del metabolismo de sus bloques estructurales, los aminoácidos. A las proteínas se ha dedicado la unidad III para describir su estructura y función, y la unidad IV al estudio de las enzimas. La biosíntesis de proteínas se abordará en la unidad IX en virtud de que la utilización de aminoácidos con fines de síntesis de proteínas está muy ligado a la actividad de los ácidos n u c l e i c o s . P e r o a d e m á s d e s e r elementos constituyentes de las proteínas, los aminoácidos tienen otras funciones distintas y particulares. Sin embargo, con todo un gran catálogo de funciones, la forma más común de existencia de los aminoácidos es en forma de proteínas, ya que los niveles de aminoácidos libres son muy bajos. A pesar de su uniformidad como bloques estructurales de las proteínas, no existe un planteamiento unitario en cuanto a su metabolismo, ya que su estructura hidrocarbonada es diversa y aunque algunos de ellos pueden interconvertirse mediante reacciones metabólicas, cada uno

es un compuesto único; con un metabolismo y funciones biológicas individuales. Quizá la parte de su metabolismo más uniforme sea el destino de su parte nitrogenada. El carácter distintivo principal de los aminoácidos frente a o t r o s c o m p o n e n t e s del organismo es la posesión de grupos amino, y es precisamente esta función nitrogenada la que resulta mas importante en su obtención. Algunos aminoácidos de proteínas humanas se sintetizan a partir de otros constituyentes de la dieta; el carbono, hidrógeno y oxígeno pueden derivar de glúcidos o lípidos, pero el nitrógeno procede casi exclusivamente de otros aminoácidos de la ingesta. Por esto, el organismo dispone de diversos mecanismos para optimizar su conservación y utilización, limitando las pérdidas de nitrógeno para conseguir un máximo aprovechamiento. No existe forma de almacenar nitrógeno. En consecuencia, para un mantenimiento correcto de la estructura corporal, deben ingerirse frecuentemente cantidades adecuadas de aminoácidos. Si el aporte en la dieta es insuficiente, la síntesis de proteínas vitales se realizará sacrificando las menos vitales. Por ejemplo, en déficit de aminoácidos, se sintetiza menor cantidad de hemoglobina ya que es preferible un poco de anemia a la

ocurre en hígado y riñon. Fundamentalmente existen dos tipos de aminoácido oxidasas: para L- y para D-aminoácidos. Las primeras requieren FMN como coenzima y están restringidas a los tejidos hepáticos y renal. Su actividad es tan baja que no se considera importante como vía metabólica (fig. 8.6). Las D-aminoácido oxidasa (también llamadas glicina-oxidasas) se encuentran en los peroxisomas de hígado y ríñones. Estas enzimas contienen FAD como cofactor y su función es metabolizar aminoácidos de la serie D, a pesar de no abundar en la naturaleza. Sin embargo, existen D-aminoácidos en los peptidoglicanos de las paredes celulares bacterianas, por lo que la enzima presenta en hígado y en riñon asegura la rápida degradación de todos los D-aminoácidos absorbidos

por el cuerpo (la flora bacteriana der colon puede ser una fuente continua de D-aminoácidos al hígado). Muchos D-aminoácidos son tóxicos por inhibir a las enzimas que usan los L-isómeros. Por otro lado, dada su dependencia de oxígeno, se encuentran en los peroxisomas donde forman H2O2 la cual desempeña un papel bactericida (fig. 8.7). La desanimación no oxidativa se lleva a cabo por aminoácido deshidratasas y desulfurasas específicas que utilizan PPal como cofactor (fig. 8.8). Este mecanismo degradativo lo presentan también la treonina y la histidina, aunque coexiste, igual que para la serina, un proceso de degradación basado en la transaminación.

Figura 8.6 Acción de las L-aminoácidos oxidasas. Reproducción con autorización de: R. Montgomery y cois., Biochemistry, A case-oriented approach, 4a. edición, pág. 473, C.V. Mosby Co., St. Lous, 1985.

Figura 8.7. Acción de la D-aminoácido oxidasa. Reproducida con autorización de: N.V. Bhagavan, Biochemistry. A. comprehensive review, pág. 439, J. B, Lippincott Co., 1974, y de Martin, D. W. Jr., y cois.: Harper's Review of Biochemistry, 20a. edición, pág. 285, Lange Medical Publications, Los Altos, California, 1985.

Fig. 8.8. Desaminación no oxidativa.

8.2.1.3 Transdesaminación Como las reacciones de transaminación transfieren, en última instancia, grupos amino de la mayoría de los aminoácidos al ácido alfa-cetoglutárico para formar glutamato, se considera que todo el nitrógeno amínico proveniente de los aminoácidos se puede concentrar en el glutamato. Esto es importante porque la liberación de este nitrógeno como amoniaco es catalizado por la L-glutamato deshidrogenasa, enzima ampliamente distribuida, que permite una reacción que en forma global se denomina transdesaminación (fig. 8.9) La glutamato deshidrogenasa utiliza tanto NAD+ como NADP+ como coenzima y funciona canalizando el nitrógeno del glutamato hacia urea y también la aminación del alfa-cetoglutarato por amoniaco libre. La enzima hepática es regulada alostéricamente por ATP, GTP y NADH que la inhiben, y el ADP que la activa. 8.2.2 Metabolismo del amoniaco Virtualmente todas las células del organismo producen amoniaco (NH3). Sin embar-

go, no todas las fuentes de amoniaco son endógenas, ya que la liberación de amoniaco por parte de la flora intestinal es de importancia cuantitativa. La acción de las enzimas de las bacterias intestinales genera importantes cantidades de amoniaco, tanto a partir de las proteínas de la dieta como de la urea presente en las secreciones digestivas. Todo este amoniaco intestinal es recogido en el sistema porta-hepático que lo conduce al hígado, y se capta en su casi totalidad mediante la acción de tres enzimas: La glutamato deshidrogenasa, ya mencionada, la glutamina sintetasa y la carbamil-fosfato sintetasa; es decir, mediante la formación de glutamato, glutamina y urea, respectivamente. De esta manera, la sangre que abandona el hígado (y, de hecho, toda la sangre periférica) está virtualmente exenta de amoniaco. Esta captación de amoniaco es esencial en virtud de que es una sustancia extremadamente tóxica (concentraciones de 1: 30,000 en sangre son letales para los mamíferos). El amoniaco tiene gran afinidad por el tejido nervioso, en donde afecta a los fenómenos de polarización/despolarización y provoca serios trastornos que van desde un lenguaje torpe, visión borrosa, hasta los casos graves de coma y muerte. Por esta razón, el orga-

Figura 8.9. Transdesaminación.

nismo dispone de potentes sistemas de destoxificación que permiten su eliminación. Formación de glutamato. La reacción ocurre principalmente en el hígado catalizada por la glutamato deshidrogenasa, enzima muy activa en mamíferos.

ción del nitrógeno amídico de la glutamina como amoniaco es catalizada por la glutaminasa. El amoniaco así producido se emplea en la regulación del pH de la orina y en el mantenimiento del equilibrio ácido base en acidosis (revisar Unidad II).

alfa-cetoghíarato + NH3 + NADH -• L-glutamato + NAD+ + H.O

Glutaminasa Glutamina

El exceso de amoniaco desplaza la reacción a la derecha y disminuye la concentración de alfa-cetoglutarato. Al disminuir este cetoácido, baja el ritmo del ciclo de Krebs que acarrea una grave inhibición de la respiración en el cerebro. Formación de glutamina. Principalmente en el riñon, pero también en hígado y cerebro se lleva a cabo la reacción catalizada por la glutamina sintetasa. Glutamato + NH 3 + ATP — Glutamina + ADP

Esta es la principal reacción amortiguadora de amoniaco. La glutamina almacena y transporta amoniaco en forma de amida sin ionizar y no tóxica. De hecho, la glutamina es uno de los 20 aminoácidos primarios que se utilizan en la síntesis de proteínas. La glutamina mantiene los niveles de amoniaco por debajo de los niveles tóxicos, sobre todo en cerebro. Además, funciona como donador de nitrógeno en la síntesis de pirimidinas, purinas y aminoazúcares.

Glutamato + NH4 (CT

La glutamina también cede el grupo amida para formar su homólogo, la asparagina, a partir de aspartato. La síntesis de asparagina requiere ATP. En general, las células del organismo son capaces de sintetizar la asparagina suficiente para satisfacer las necesidades de este aminoácido en la síntesis de proteínas. Sin embargo, algunas células leucémicas, de división rápida, poseen una capacidad muy baja para producir asparagina y dependen, para sintetizar sus proteínas, de la aspargina que toman de la sangre; en esto se basa la utilización terapéutica de la asparaginasa (y también de glutaminasa) en el tratamiento de pacientes leucémicos y la investigación de estas enzimas como agentes antitumorales. 8.2.2.1 Formación de urea

Un individuo que realiza una actividad moderada y que consume 100 gramos de proteína (además de los otros nutrimentos) por transamidasa día debe excretar alrededor de 16.5 gramos Fructosa-6-P . Glucosamina-6-P de nitrógeno diariamente. Noventa y óinco por ciento es eliminado por los ríñones y el 5% restante por heces. La principal ruta de excreción de nitrógeno en el humano es la La mayor parte del amoniaco es transportado de la sangre al hígado en forma de glu- formación de urea por el hígado, vertida a \a tamina. Este aminoácido se encuentra en sangre y eliminada por el riñon. En el homuna concentración plasmática de casi el do- bre, la urea constituye 80 a 90% del nitrógeble de cualquier otro aminoácido (7.5 mg/- no excretado (fig. 8.10). El principal órgano formador de urea es el 100 mi). En el riñon, la glutamina aporta la mayor hígado. La síntesis de urea en el laboratorio, parte del amoniaco que se excreta. La libera- en 1828, y la elucidación del proceso relati-

N renal (95%) (como Urea, 80-90%) N (consumido) N heces (5%)

Figura 8.10 Equilibrio nitrogenado en el hombre.

vamente complejo mediante el cual nuestro cuerpo produce la urea, marcaron un hito en la historia de la ciencia y en el pensamiento científico al desarrollarse el concepto de ciclo metabólico; el ciclo de la urea (o de KrebsHeinseleit o ciclo de la ornitina) es un ciclo en el cual una molécula de ornitina se regenera después de la formación de cada molécula de urea. Este ciclo comparte reacciones con el ciclo de Krebs (revisar Unidad V). El primer paso en la síntesis de urea es la formación de carbamil-fosfato a partir de C0 2 , NH3 (o glutamina) y ATP, catalizado por la carbamil - fosfato sintetasa. En el hígado se encuentran dos carbamilfosfato sin-

tetasas distintas, denominadas I y II. La primera está relacionada directamente con el ciclo de la urea, es mitocondrial, y requiere de N-Acetil-glutámico como cofactor alostérico positivo. La segunda: carbamil-fosfato sintetasa II, citosólica, tiene que ver con la síntesis de pirimidanas (ver adelante Unidad IX).

La reacción es irreversible, lo que asegura la utilización de amoniaco y la síntesis de

urea. Las reacciones restantes se describen en la figura 8.11. Para formar una mol de urea en el ciclo, se requieren una mol de NH3, una mol de CO2, unmol de aspartato (alfa-amino), 3 moles de ATP, 5 enzimas y participan 6 aminoácidos; uno de ellos, la arginina, aminoácido serniesencial. El ciclo de formación de urea es costoso para el organismo. En el balance de

nitrógeno, la cantidad de urea que se produce representa el grado de desgaste metabólico. Este proceso metabólico persiste incluso durante la deficiencia de proteínas, por lo que la síntesis de urea no cesa nunca. Este es un proceso análogo a la expulsión de sodio de la célula (también con gasto de ATP) que persiste durante toda la vida de un individuo.

Figura 8.11. Ciclo de la Urea. Reproducción modificada con autorización de: N.V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive review, pág. 454, J. B. Lippincott, Co., 1974, y de: R. Montgomery y cois., Biochemistry. A case-oriented approach, 4a. edición, pág. 475, C. V. Mosby, Co. St. Louis, 1985.

cativa con una dieta baja en proteínas y con esterilización del tracto digestivo, pudiendo evitarse gran parte de daño al encéfalo. Hiperamoniemia Tipo I. Hasta la fecha se ha descrito un sólo caso por deficiencia de carbamil-fosfato sintetasa. Al parecer se trata de un padecimiento familiar. Se caracteriza por un incremento de los niveles de glutamina plasmática. Hiperamoniemia Tipo II. También manifiesta niveles altos de glutamina y glicina plasmáticas, además de la presencia de metabolitos de pirimidina en orina. La enfermedad está ligada al cromosoma X y se debe a una falla de la ornitina transcarbamilasa. Se puede evitar la muerte eliminando el exceso de amoniaco y previniendo su acumulación mediante una dieta baja en proteínas. Citrulinemia. Se debe a una falta de actividad en la arginino-succinato sintetasa, lo que provoca elevaciones marcadas de citrulina en plasma y orina. En algunos casos la parte del nitrógeno excretado se hace en forma de citrulina. La arginina de la alimentación incrementa la excreción de citrulina en estos enfermos. De igual forma, el benzonato ingerido desvía al nitrógeno del amonio hacia hipurato por medio de la glicina. Aciduria arginino-succínica. La deficiencia de arginino-succinato liasa provoca esta enfermedad de gravedad variable. Con fre8.2.2.2 Trastornos hereditarios de la cuencia está relacionada con la aparición de formación de urea pelo "empenachado" o ensortijado (tricorreSe conocen casos de deficiencias en cada xis nodular) y piel rugosa. Su presencia se una de las enzimas del ciclo de la urea. Dado detecta hacia los dos años. La disminución que el fin primordial del ciclo es la elimina- de nitrógeno en la dieta, la administración ción de amoniaco, todos los padecimientos de de benzoato y fenilacetato, y el suplemento la síntesis de urea provocan hiperamoniemia de arginina parecen ser útiles. e intoxicación por amoniaco. Esta intoxicaHiperargininemia. Este defecto (dos cación es más grave cuando e\ troqueo metabó- sos descritos-) pot deficiencia de atginasa lico ocurre en las primeras reacciones. Los provoca muchas anomalías en el desarrollo síntomas clínicos más comunes a todos los pa- y funcionamiento del sistema nervioso cendecimientos del ciclo incluyen vómito en la tral. Se acompaña de niveles elevados de arlactancia, rechazo de alimentos proteicos, ginina en sangre y su excreción en orina ataxia intermitente, irritabilidad, letargo y re- junto con los aminoácidos Usina y cisteína, trasó mental. Se observa una mejoría signifi- posiblemente por competencia en la reabLas pérdidas de nitrógeno en el balance nitrogenado general de un organismo deben ser cubiertas por la alimentación. Un equilibrio negativo conduce a la perdida de aminoácidos, y a problemas de malnutrición. El exceso de nitrógeno es excretado en diferente forma dependiendo de la especie animal. Los animales amoniotélicos eliminan el nitrógeno en forma de amoniaco; es el caso de peces y algunos anfibios que realizan la excreción libre de amoniaco, ya que se diluye fácilmente en un gran volumen. Esta forma de eliminación es muy económica, ya que el amoniaco se elimina sin gastos de energía por el organismo. En los mamíferos, ureotélicos, el problema se ha resuelto mediante la formación onerosa de urea, material no tóxico que puede ser eliminado siempre que se disponga de agua suficiente para su excreción. En las aves y reptiles, animales adaptados a situaciones de menor dependencia de agua, se requiere la excreción de un material insoluble y poco tóxico esto se consigue mediante la excreción de ácido úrico, por lo que son animales uricotélicos. Desde el punto de vista evolutivo, resulta interesante comprobar estas vías de eliminación alternas de aves y mamíferos al salir de un tronco reptiliano común.

sorción en el túbulo renal. Sorprendente- das como el etanetiol y el metanetiol se han mente, también se excreta urea, lo cual se ha aislado del aliento de pacientes con cirrosis atribuido a un segundo tipo de arginasa que hepática (fetor hepático). se encuentra en el riñon. Ha mostrado ser Un pequeño grupo de pacientes, usualmenútil una alimentación baja en proteínas, so- te niños, presentan encefalopatía hepática bre todo carente de arginina y la utilización amoniacal como consecuencia de una defidel ceto-análogo en vez de este aminoácido ciencia hereditaria en alguna de las enzimas semiesencial; la adición de benzoato sódico del ciclo de la urea. La cirrosis del hígado puetambién es efectiva. de inducir la desviación en el torrente sanDeficiencia de N-acetilglutamato sinteta- guíneo desde el sistema porta a la vena cava sa. La importancia de un activador alosté- inferior, evitando el hígado. En algunas ocarico para la carbamilfosfato sintetasa se siones esta desviación porto-cava se realiza demostró al descubrir en un recién nacido, quirúrgicamente. Sea cual fuere la causa, se cuyo hígado no podía sintetizar N-acetilglu- produce una hiperamoniemia aguda que intertamato, que presentaba hiperamoniemia. Es- fiere seriamente con el metabolismo cerebral. te caso se trató con dieta baja en proteínas y El amoniaco se ha implicado como un la administración de carbamilglutamato, agente causal de la acumulación de neuroanálogo del N-acetilglutamato, que también transmisores inhibitorios como el GABA (ácies activador de la carbamilfosfato sintetasa. do gama-amino butírico). Según otra teoría, se forman en el curso de una enfermedad hepática avanzada falsos neurotransmisores derivados de aminoácidos aromáticos como 8.2.23 Coma hepático feniletanolamina (de fenilalanina), tiramina Se trata de un cuadro clínico que acompa- y octopamina (de tirosina). Estos falsos neuña a las afecciones hepáticas agudas o cróni- rotransmisores desplazan a los verdaderos y cas, como la cirrosis. En 1887 el médico ruso producen los síntomas de encefalopatía. Se Nicolás Eck, realizó la primera anastomosis ha invocado también como causa una caída porto-cava en perros y M. Hahn (1893) re- en los niveles de alfa-cetoglutarato y con produjo un cuadro clínico de encefalopatía ello una disminución del ciclo de Krebs con conocido desde entonces como "intoxica- la consiguiente disminución en la producción por carne" o "intoxicación amoniacal". ción de ATP. El coma hepático representa la etapa termiEl manejo terapéutico incluye la eliminanal de la encefalopatía hepática. Los posi- ción por diálisis del exceso de amoniaco. Es bles mecanismos aceptados como causa de también importante restringir la ingestión de la encefalopatía hepática que incluyen dete- proteínas. La esterilización del colon por rioro de la neurotransmisión, alteraciones en medio de antibióticos para reducir la prola membrana neuronal y alteraciones en el ducción de amoniaco por la flora intestinal metabolismo energético cerebral. ha dado buenos resultados. Se han desarroUna de las sustancias más frecuentemente llado otros tratamientos basados en la excrerelacionadas con la aparición de encefalopa- ción de nitrógeno en formas alternativas a la tía hepática es el amoniaco, aunque también urea. Las dos reacciones de la figura 8.12 se han mencionado otras, como la cisteína, ilustran los mecanismos de destoxificación metionina (aminoácidos sulfurados), ácidos del benzoato y el fenilacetato, que se congrasos de cadena corta, etc las cuales, al no vierten fácilmente en conjugados de glicina ser metabolizadas por el hígado enfermo, se y glutamina respectivamente, los cuales se acumulan en el cerebro. Sustancias sulfura- excretan por la orina.

Otro tratamiento que disminuye la toxicidad del amoniaco es la sustitución en la dieta de algunos aminoácidos por alfa-cetoácidos análogos. Caso clínico: coma hepático en cirrosis tardía Un paciente con cirrosis avanzada fue atendido varias veces en una clínica de medicina interna. Su estado se deterioró progresivamente; en su última visita llegó al hospital desorientado y, a pesar del intenso tratamiento, cayó en estado de coma del cual no salió. Fue tratado con soluciones intravenosas y sus electrólitos fueron cuidadosamente controlados. El nitrógeno de la urea en sangre (BUN) se elevó a pesar del tratamiento hasta que el quinto día llegó a 120 mg/dl (normal 8-20 mg/dl). Al mismo tiempo el amoniaco sanguíneo se elevó a 765 ug/dl. Se administró alfa-cetoglutarato intravenoso en un esfuerzo para disminuir el amoniaco, pero antes de completar la venoclisis el paciente expiró.

Cuestionario 1. ¿Es fácilmente reversible la reacción de alfa-cetoglutarato a glutamato? 2. ¿En qué compartimiento celular se lleva a cabo la transaminación? 3. En caso de insuficiente alfa-cetoglutarato, ¿puede compensarse el déficit con un exceso de piruvato? 4. ¿Sería de ayuda intentar el tratamiento de pacientes con coma hepático con una mezcla de coenzima A, tiamina, NAD+, FAD y lipoato? 5. ¿Es probable que el aumento de amoniaco en sangre sea la única explicación del coma hepático? Discusión La insuficiencia hepática grave se acompaña de un estado comatoso en el que la hiperamoniemia es el principal hallazgo. Ha sido difícil dilucidar el mecanismo de la intoxicación por amoniaco en vista de que algunos pacientes con signos neurológicos intensos muestran valores

Figura 8.12. Reacciones de destoxificación que se emplean como alternativa al ciclo de la urea.

de amoniaco sanguíneo o espinal normal o sólo moderadamente aumentado. Las concentraciones de amoniaco en sangre pueden disminuirse administrando glutamato o alfa-cetoglutarato, estos metabolitos pueden combinarse con amoniaco y formar glutamina que no es neurotóxica y puede fácilmente excretarse en la orina. Como la formación de glutamina es un proceso que requiere energía, algunas veces se administra piruvato junto con glutamato o alfa-cetoglutárico. Además, el piruvato puede convertirse en alfa-cetoglutarato. Sin embargo, el mismo argumento puede darse para administrar glucosa, que es más barata, más estable que el piruvato y produce 2 moles de piruvato por mol de hexosa.

Los que han propuesto el empleo de piruvato más alfa-cetoglutarato también proponen agregar coenzima A, tiamina, NAD' + FAD y lipoato para promover la conversión de piruvato a acetil-CoA y de aquí a alfa-cetoglutarato. Estos aditivos se encuentran en extractos de levadura libres de proteína. El LCR de paciente con coma hepático contienen casi 10 veces más alfa-cetoglutaramato de lo normal; pacientes con afección hepática grave, en ausencia de coma, no muestran tal aumento. En ninguno de estos pacientes se detectó alfa-cetoglutaramato en sangre. Recientemente se ha propuesto que el amoniaco no es la única sustancia responsables del coma. Se ha demostrado la formación de alfa-cetoglutaramato a partir de glutamina.

deficiencia de otras proteínas como los citocromos. Por el contrario, ante un exceso de aminoácidos en la dieta, la mayor parte se degrada a productos que se oxidan para obtener energía, o se almacenan como grasa o como glucógeno. Como sea, el nitrógeno se libera como amoníaco, del cual la mayor parte se convierte en urea, que se excreta por los ríñones. La síntesis se realiza principalmente en el hígado, donde se lleva a cabo la mayor parte de la biosíntesis de aminoácidos no esenciales y gran parte de la degradación de todos los aminoácidos. 8.1 UTILIZACIÓN DE AMINOÁCIDOS Los aminoácidos de la sangre y los que se encuentran dentro de las células constituyen un reservorio, almacén o "poza" ("pool") que representa la fracción disponible de modo inmediato para su uso metabólico por las distintas células del organismo. Esta poza no debe ser considerada como un depósito inerte localizado en un órgano bien definido como ocurre con carbohidratos y lípidos sino más bien representa los aminoácidos circulantes en sangre y células y comprende la fracción proteínica y la no proteínica.

8.1.1 Fuentes de ingreso y mecanismos de utilización Los aminoácidos que provienen de la digestión de proteínas de la dieta (fuentes exógenas) son absorbidos y transportados por la sangre en forma libre al hígado y otros tejidos para su utilización. Se agregan a esta poza metabólica, aminoácidos resultantes de la hidrólisis de proteínas "desgastadas" y aminoácidos formados por síntesis hepática (fuente endógena). Esta última fuente contribuye con dos tercios del total a la poza metabólica del organismo (fig. 8.1).

Los aminoácidos circulantes son rápidamente utilizados por hígado y músculo, pero esto sólo constituye un almacenamiento momentáneo. Los principales órganos encargados de mantener la concentración constante de aminoácidos circulantes son el tracto digestivo, hígado, músculo, riñon y cerebro. Los aminoácidos absorbidos alcanzan al hígado por vía porta donde unos son retenidos y otros liberados a la circulación. Mientras el hígado libera aminoácidos ramificados, que son captados por el músculo, simultáneamente recibe, del propio músculo y del riñon, un aporte continuo de alanina. El músculo, por otro lado, provee de glutamina al riñon y al tracto digestivo y de valina al cerebro (fig. 8.2). Los aminoácidos pueden convertirse en otros compuestos esenciales: purinas, pirimidinas, colina, creatina, niacina, porfirinas, adrenalina, tiroxina, ácidos biliares, melanina, etc. Pueden también oxidarse y proporcionar energía después de perder su grupo amino por transaminación o desaminación. Cuando la concentración de aminoácidos excede el umbral renal, pequeñas cantidades son excretados en orina (aminoaciduria). Esta pérdida por vía renal puede ser hasta de un gramo por día en el adulto. Sin embargo, la ruta principal de utilización (75% de los aminoácidos de la poza) es la biosíntesis de proteínas para la reparación tisular. Esta síntesis proteínica es de tal magnitud debido a la constante destrucción celular por desgaste, la pérdida en excretas, la descamación celular y otras pérdidas.

8.1.2

Recambio de proteínas

En el adulto sano, el recambio normal proteínico es de 1 a 2% de la proteína total del organismo, principalmente proteína muscular. Del 75 a 80% de esos aminoácidos liberados por degradación, son reutilizados en la síntesis de proteínas nuevas. La pérdida neta

Es posible, pero no ha sido comprobado, que el alfacetoglutaramato o su lactama cíclica puedan competir con el glutamato en aquellas vías en las que el glutamato actúa como neurotransmisor. Caso clínico tomado con autorización de: R. Montgomery y cois.; Biochemistry. A case-oriented approach, 4a. edición, págs. 312-313, St. Louis, 1983, C.V. Mosby, Co. 8.2.2.4 Ciclo del purín-nucleótido Además de los mecanismos productores de amoniaco revisados existe otro, intuido ya por Pamas en 1928, denominado ciclo de purín-nucleótido, enunciado para explicar la producción de amoniaco en el músculo estriado durante su contracción. El punto clave del ciclo es la desaminación del ácido adenílico (AMP) por una adenilato desaminasa, dando lugar a la formación de IMP. Este IMP se regenera a AMP a través de dos pasos sucesivos que requieren consumo de energía del GTP, participación de aspartato y formación de fumarato (fig. 8.13). El ciclo funciona también como un eficaz sistema de desaminación de aspartato, obteniendo algo de energía en el proceso a través de la formación de NADH en la regeneración de aspartato (fig. 8.14). Junto con las glutaminasas, este ciclo constituye el principal productor de amoniaco en casos de acidosis localizada, por ejemplo, en músculo con producción de exceso de lactato, o en el riñon, en casos de acidosis metabólica. 8.2.3 Pérdida del grupo carboxilo Esta es otra importante vía metabólica. Las reacciones de descarboxilación son catalizadas por descarboxilasas que también requieren PPal como coenzima, igual que las

transaminasas. Como resultado de la descarboxilación se forma un grupo de aminas de gran importancia fisiológica conocidas genéricamente como aminas biógenas. 8.2.3.1 Formación y funciones de las aminas biógenas Algunas de las aminas derivadas de aminoácidos se producen en el sistema nervioso donde actúan principalmente como neurotransmisores. Serina. La descarboxilación de serina produce etanolamina, la cual forma parte de los fosfátidos conocidos como cefalinas. La metilación sucesiva de la etanolamina, en la que participa la S-adenosil-metionina, da lugar a la formación de colina que entra en la constitución de los fosfátidos lecitinas, igual que la serina que forma parte de las fosfatidil-serinas. La colina formada a partir de serina se acetila y se forma el neurotransmisor colinérgico acetilcolina (fig. 8.15). Histidina. La descarboxilación de histidina produce un compuesto considerado hormona, neurotransmisor o toxina, según el sitio de acción; se trata de la histamina. Esta sustancia se produce y almacena en las células cebadas o mastocitos ("mast cells") y en otras células del cuerpo. La activación de la enzima histidina descarboxilasa se produce al unirse una inmunoglobulina (IgE) denominada reagina con el alérgeno correspondiente (polen, pelo, o cualquier proteína extraña) en la membrana de la célula cebada (fig-8.16). Algunos efectos de la histamina son responsables de los fenómenos anafilácticos y alérgicos. Estos incluyen vasodilatación de arteriolas, alteración de la permeabilidad capilar lo cual provoca hipotensión y fuga de líquidos, contracción de músculo liso (sobre todo bronquiolos) y secreción de jugo gástrico. En las reacciones anfilácticas, la caída

Figura 8.13. Ciclo del purin-nucleótido.

de la presión arterial puede conducir al choque. En el sistema nervioso central y otros tejidos existen dos tipos de receptores histaminérgicos: Hi y H2. La estimulación de

receptores Hi por histamina provocan constricción de músculo liso bronquial (broncoconstricción) mediada por GMPc, provocando el asma bronquial. En los receptores Hi y H2 de musculatura lisa arterial la hista-

Figura 8.15. Formación y degradación de acetilcolina.

Figura 8.16. Formación de histamina.

mina provoca hipotensión por vasodilatación (choque anafiláctico). La acción de la histamina sobre receptores H2 de estómago provoca secreción gástrica, la cual si es repetida puede provocar úlcera gástrica. En corazón, la histamina actuando sobre receptores H2 estimula la contracción cardiaca, mediada por AMPc. Se han sintetizado fármacos bloqueadores de receptores histaminérgicos. Los bloqueadores Hi son los clásicos antihistamínicos, usados

como antialérgicos; entre éstos, están la difenHdramina, pirüamina, clorofeniramina y otros. Los bloqueadores H2, como la cimetidina, son utilizados como fármacos antiulcerosos. La histamina se cataboliza por medio de la histaminasa que se encuentra en todos los tejidos, menos en pulmón. En contraste, la histidina se metaboliza en hígado por acción de la histidinasa, seguido de la acción de la urocanasa y otras enzimas (fig. 8.17) hasta la formación de glutamato.

Figura 8.17. Catabolismo de histidina e histamina.

La deficiencia de histidinasa provoca acumulación de histidina en sangre (histidinemiá) lo cual conduce a retraso mental y otra serie de problemas de desarrollo (defectos al hablar, etc.), aunque no se ha aclarado si el padecimiento es producido por niveles altos de histidina o por falta de metabolitos derivados de este aminoácido. La eliminación de un metabolito desaminado de la histidina (imidazolpiruvato) por orina puede dar falsas positivas con fenilpiruvato y confundirse con fenilcetonuria. Durante el embarazo se produce un incremento en la excreción urinaria de histidina pero no tiene significado patológico. Triptófano. La hidroxilación de triptófano produce el 5-OH-triptófano; la subsecuente descarboxilación da lugar a la 5-OH-triptamina conocida también como serotonina, en virtud de haberse encontrado en el suero sanguíneo una sustancia con propiedades vasoconstrictoras que resultó ser una mezcla de creatinina, sulfato y serotonina. La serotonina es potente agente neurohumoral; esti-

mula la actividad cerebral. En sistema nervioso central existen receptores serotoninérgicos. La dietilamida del ácido lisérgico (LSD) considerada droga alucinante, probablemente compite con la serotonina a nivel de los receptores. También se ha relacionado a la serotonina con la actividad migrañosa (jaqueca o hemicránea). En el argentafinoma, un carcinoide maligno, se producen cantidades exageradas de serotonina, lo cual se acompaña de trastornos vasomotores, diarrea, espasmo bronquial, etc. La serotonina es degradada, por una monoamino oxidasa, en ácido 5-ÓH-indol acético, el cual se excreta por la orina (fig. 8.18). Esta enzima es importante porque si la degradación de serotonina es muy marcada, su falta en cerebro determina un efecto depresor. En la glándula pineal la serotonina se convierte en otra hormona, la melatonina, cuya función está relacionada con el albinismo. Esta hormona aclara el color de los melano-

Figura 8.18. Metabolismo del triptófano.

citos en la piel de la rana y bloquea la acción de la hormona estimulante de los melanocitosylaACTH(fig.8.19). Glutamato. La descarboxilación del glutamato por acción de la glutamato descarboxilasa da lugar a la formación de ácido gama-amino-butírico (GABA) (fig. 8.20). De hecho, los ácidos glutámico y aspártico son neurotransmisores excitadores, mientras que glicina y GABA son inhibidores. El GABA se degrada a semialdehído succínico y se incorpora al ciclo de Krebs a nivel de succinato (fig. 5.24, Unidad V). Tirosina. La tirosina es el aminoácido precursor de las hormonas y neurotransmisores adrenérgicas y otras sustancias conocidas genéricamente como catecolaminas. La primera reacción formadora de catecolaminas es la hidroxilación de la tirosina por la tirosina hidroxilasa para dar dihidroxifenila-

lanina (DOPA). La subsecuente descarboxilación de la DOPA forma la dopamina y más adelante la noradrenalina y adrenalina (fig. 8.21). Las catecolaminas se producen en cerebro, terminaciones nerviosas simpáticas, células cromafines de tejidos periféricos y médula suprarrenal. Esta última estructura es en realidad una extensión del sistema nervioso simpático. La DOPA no tiene acciones hormonales ni neurotransmisoras, es descarboxilada por la DOPA descarboxilasa para dar lugar a dopamina. La dopamina se produce en aquellas áreas del encéfalo que intervienen en la coordinación de la actividad motora (extrapiramidal). Estas áreas comprenden el núcleo negro (Locus niger) de donde parten conexiones nerviosas hacia el estriado, el cual posee receptores dopaminérgicos.

Figura 8.20. Formación de ácido gama-aminobutírico (GABA).

Figura 8.21. Formación de catecolaminas. Reproducción autorizada con modificaciones de: N. V. Bhagavan: Biochemistry. A comprehensive review, pág. 487, J. B. Lippincott Co., 1974.

Cuando falta la tirosina cerebral no se forma se ha utilizado en el tratamiento del Parkinson dopamina y no existe el control motor ade- en lugar de dopamina, en virtud de que esta cuado; se presenta entonces un trastorno última no atraviesa la barrera hematoencefáneurológico conocido como enfermedad de lica. Los enfermos se benefician, al menos Parkinson. Esta enfermedad consiste en una temporalmente, con este tratamiento que sudegeneración de las neuronas dopaminérgi- puso una verdadera revolución terapéutica. cas de los centros nerviosos extrapiramida- Sin embargo, la levodopa puede convertirse les. Hornykiewicz encontró en 40 cerebros prematuramente, en la periferia, en dopamiprocedentes de enfermos parkinsonianos na. Al no poder entrar en el cerebro, los altos que no había dopamina en el estriado y que niveles circulantes de dopamina pueden había cantidades subnormales en locus niger causar náuseas. Para evitar este inconvenieny globus pallidus. La L-DOPA o levodopa te, se utiliza la levodopa asociada con carbido-

pa. La carbidopa bloquea la conversión de levadopa en dopamina en la periferia al inhibir la descarboxilasa. Esto evita las náuseas colaterales y potencia la acción de la levodopa. La adrenalina y noradrenalina son biosintetizadas y liberadas como respuesta a estimulación simpática; la primera se produce en la médula suprarrenal y la segunda en las terminaciones nerviosas de los nervios adrenérgicos. Entre los agentes que estimulan la secreción de la médula suprarrenal se encuentran la acetilcolina, angiotensina, histamina y bradicinina. Aunque existe una secreción continua de pequeñas cantidades de catecolaminas, la secreción aumenta bruscamente en situaciones tales como miedo exposición al frío, traumatismos, stress, etc. Las catecolaminas del sistema nervioso central no llegan a la sangre; las que aquí se encuentran no provienen del cerebro sino de la médula suprarrenal, principalmente, o de las terminaciones nerviosas simpáticas que inervan a la mayoría de los órganos. En 1948, Ahlquist clasificó los receptores adrenérgicos en dos tipos: alfa y beta, cada uno con dos subclases; esta clasificación es aceptada en el momento actual (Tabla 8.1).

La adrenalina o epinefrina tiene efecto sobre los dos tipos de receptores. De esta manera; produce aumento del gasto cardiaco y elevación de la presión arterial. Por otro lado, provoca vasodilatación en el músculo esquelético y cardiaco y vasoconstricción en la piel y el área esplácnica. No tiene efecto sobre el flujo sanguíneo cerebral, pero disminuye el flujo sanguíneo renal. La noradrenalina o norepinefrina se une básicamente a los receptores alfa, por lo que tiene poco efecto sobre el corazón. Produce vasoconstricción periférica y eleva la presión arterial. Mientras que la adrenalina acelera el pulso, la noradrenalina actúa en forma opuesta. La liberación o administración de adrenalina provoca hiperglucemia y glucosuria a expensas de glucogenólisis hepática. Este es un proceso desencadenado por AMPc, el cual actúa en mecanismo de "cascada" activando la fosforilasa (fig. 8.22). La adrenalina tiene aplicación en medicina por su acción vasoconstrictora que favorece la hemostasia y por retrasar la absorción de fármacos (anestésicos locales). En virtud de su efecto broncodilatador se ha utilizado al igual

Figura 8.22. Activación de la fosforilasa por adrenalina.

que otros fármacos beta-adrenérgicos, en el asma bronquial. Además, el AMPc producido por estimulación de receptores beta inhibe la enzima histidina descarboxilasa productora xle histamina, responsable de los fenómenos alérgicos.

Catabolismo de las catecolaminas. Durante muchos años la degradación de catecolaminas se atribuyó a una desaminación oxidativa por acción de las monoaminooxidasas (MAO). Sin embargo, Armstrong y Axelrod demostraron que la principal vía

catabólica es la O-metilación a metanefnna (COMT), seguida de las MAO que transforo normetanefnna (productos inactivos) cata- man la metanefnna o la normetanefrina en lizada por las catecol-O-metiltransferasas ácido vanillil-mandélico (Fig. 8.23).

Figura 8.23. Degradación de catecolaminas. Reproducida con autorización de: N.V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive review, pág. 490, J. B. Lippincott Co., 1974.

Figura 8.1 Vías generales de los aminoácidos en el metabolismo. Modificada, con autorización de J.M. Orten y O.W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a. edición, pág. 327, St. Louis, 1982, C.V. Mosby Co. y de: R. Montgomery y Cois. Biochemistry, A case-oriented approach, 4a. edición; pág. 459, St. Louis 1983, C.V. Mosby Co.

de proteína asciende a 30-40 gramos al día. Los aminoácidos que no son incorporados de inmediato a proteínas nuevas son degradados con rapidez; es decir, el exceso es antieconómico. La vida media (t/2) de las proteínas es un índice de su velocidad de recambio. La mayoría de las proteínas de célu-

las que se dividen poco como las hepáticas, y las proteínas plasmáticas, tienen vidas medias de 3 a 10 días. Proteínas estructurales como la miosina tienen una vida media de 180 días; la colágena del tejido conectivo recambia más lentamente (1000 días). Otras proteínas, por el contrario, tiene vidas medias

Existen dos formas de MAO conocidas como A y B. La MAO A actúa preferentemente sobre serotonina y noradrenalina y es inhibida por clorgilina, mientras que la MAO B actúa sobre aminas como la triptamina (triptófano descarboxilado) y es sensible a inhibición por pargilina y por antidepresivos tricíclicos como la imipramina. Sólo una pequeña parte de las catecolaminas se desaminan antes de la O-metilación. La ñor- o la metanefrina pueden eliminarse como tal (conjugadas con sulfato o glucuronato) o transformadas en aldehido vanillilmandélico. El ácido vanillil-mandélico (VMA), producto final del catabolismo de las catecolaminas, se detecta en orina, tomándose sus niveles como índice de la actividad nerviosa simpática y para el diagnóstico de tumores de la médula suprarrenal como el feocromocitoma. En cuanto a dopamina se refiere, su producto de excreción es el ácido homovanílico (fig. 8.24).

8.2.4 Transamidinación El proceso implica la transferencia de un grupo amidina a una molécula aceptora. El ejemplo más importante de transamidinación lo constituye la formación de creatina, componente esencial de los fosfágenos. 8.2.4.1 Formación de creatina La primera reacción de formación de creatina es una interesante variación del ciclo de la urea. Esta consiste en la condensación de arginina (donadora del grupo amidina) con glicina (aceptora) para dar ornitina y ácido guanidoacético (o glucociamina) catalizada por la arginina-glicina transamidinasa. Esta enzima es susceptible de control alostérico por parte de la creatinina sanguínea; se encuentra principalmente en el riñon, pero no en hígado ni miocardio. El guanidoacetato,

Figura 8.24. Catabolismo de la dopamina.

por metilación subsecuente por la S-adenosil-metionina, origina la creatina. La creatina es abundante en músculo estriado y cardiado, testículos, hígado y ríñones. Por medio de la ATP-creatina transforilasa y ATP, la creatina es fosforilada y transformada enfosfocreatina (fig. 8.25). 8.2.4.2 Fosfocreátina y metabolismo muscular. La fosfocreátina representa el almacén de energía para la contracción muscular. Aunque el ATP es la fuente inmediata de energía para la contracción muscular, la cantidad de ATP en músculo sólo alcanzaría para sostener la contracción una fracción de segundo. Se requiere, por lo tanto, de un respaldo de alta energía constituido por la fosfocreátina. La transferencia del fosfato de la fosfocreátina al ADP (reacción de Lohmann) se lleva a cabo catalizado por la creatinfosfocinasa (CPK) (fig. 8.26). Otra fuente más de ATP en músculo se garantiza mediante la condensación de 2 ADP catalizada por la adenilato cinasa (miocinasa). 2AD

p

miocinasa

ATp+ A M p

8.2.4.3 Eliminación de creatina y creatinina La fosfocreátina muscular se convierte, continua pero lentamente en una reacción de deshidratación irreversible, espontánea, no enzimática, en un anhidro de la creatina, llamada creatinina. Este compuesto nitrogenado es eliminado con la orina en cantidades proporcionales a los depósitos de fosfocreátina (y por tanto, al tamaño de la masa muscular si el individuo no es obeso). La creatinina forma parte de las pérdidas obligatorias de nitrógeno y es un constituyente

normal y constante de la orina; la creatina es inconstante. Los niveles de concentración de creatina en orina suelen utilizarse como índice de funcionamiento renal en virtud de que es filtrada por el glomérulo, pero no es secretada ni absorbida por el túbulo; su tasa de excreción diaria varía muy poco al no depender de una reacción enzimática controlada. Por consiguiente, su depuración constituye un método clínico para estimar la velocidad de filtración glomerular. La eliminación renal de creatina (creatinuria) aumenta durante el crecimiento, embarazo y postparto, inanición, diabetes, hipertiroidismo, fiebre, desnutrición, distrofia muscular progresiva, destrucción tisular extensa y artritis reumatoide. 8.3 ALTERACIONES DEL METABOLISMO DE LOS AMINOÁCIDOS 8.3.1 Generalidades En 1909, Garrod introdujo el término "errores congénitos del metabolismo", el cual se aplicó a cuatro condiciones clínicas raras: albinismo, alcaptonuria, cistinuria y pentosuria. La estructuración química de un individuo está determinada por los 20,000 a 40,000 pares de genes transmitidos de generación en generación en los cromosomas. La selección y recombinación al azar durante la meiosis, así como las mutaciones ocasionales, introducen variaciones individuales. Tales variaciones pueden provocar desde alteraciones benignas hasta incompatibles con la vida. Entre los dos extremos se encuentran muchas variaciones que pueden provocar anormalidades funcionales, es a éstas que se aplica el término "errores congénitos del metabolismo". Muchos años después de Garrod, Beadle y Tatum desarrollaron el concepto de "un

Figura 8.25. Formación de creatina y creatinina. Reproducida con autorización de: N. V. Bhagavan: Biochemistry. A comprehensive review, pág. 459, J. B. Lippincott, Co., 1974.

Figura 8.26. Metabolismo de la fosfocreatina. Reproducción modificada con autorización de: N. V. Bhagavan, Biochemistry. A comprehensive review, pag. 460, J. B. Lippincott Co., 1974.

gene = una enzima". Esto significa que las anormalidades genéticas se reflejan ya sea en proteínas estructurales, como en el caso de las globinas anormales de las hemoglobinopatias, o en una enzima, en cuyo caso pueden resultar consecuencias metabólicas químicamente detectables. La formación de una enzima está controlada por un gene presente en cada uno de los pares de cromosomas (par de genes=alelos) heredados uno de cada progenitor. Si el gene defectuoso es dominante ejercerá su efecto sobre la enzima aún en individuos heterocigotícos. Si el gene defectuoso es recesivo, el heterocigoto no mostrará el defecto, pero sí el individuo homocigoto. Afortunadamente, la mayoría de las enfermedades metabólicas están ligadas a rasgos recesivos. Si un progenitor es heterocigoto y el otro es normal para el gene, la mitad de la progenie será normal y la otra heterocigota; no habrá ningún homocigoto. Pero si ambos cónyuges son homocigóticos (como en matrimonios entre consanguíneos) entonces resultará uno de cuatro normal, dos serán heterocigotos y uno homocigoto (fig. 8.27).

Un heterocigótico puede no manifestar la enfermedad pero con pruebas especiales sale a relucir el defecto. Por ejemplo, heterocigóticos de galactosemia pueden tener pruebas de tolerancia a la galactosa anormales. Si el gene defectuoso se encuentra en el cromosoma X y es recesivo, la hembra heterocigota será una portadora sana, pero el macho heterocigoto que no posee el gene normal en el cromosoma y se verá afectado como si el gene defectuoso fuera dominante. Tal es el caso de la hemofilia y el favismo, enfermedades hereditarias ligadas al sexo. La deficiencia de una enzima en una cadena metabólica puede producir efectos en diferentes formas. Supongamos que la sustancia A se transforma en la sustancia B catalizada por la enzima X, y que la sustancia C se encuentra en una vía alternativa:

8.27. Configuración genética heterocigótica y homocigótica.

1. El efecto puede deberse a deficiencia de los productos de la reacción enzimática, o sea, de B. Ejemplos de esto lo constituye la deficiencia de cortisol por carencia de 21 hidroxilasa (hiperplasia suprarrenal). 2. El efecto puede deberse a acumulación de la sustancia sobre la que actúa la enzima,

o sea, de A. Por ejemplo, la fenilalanina que se acumula en la fenilcetonuria por falta de la fenilalanina hidroxilasa. 3. Si una sustancia no puede ser metabolizada por la ruta normal por falta de la enzima, puede seguir una vía alternativa, y el producto de ésta producir los efectos (C). La

virilización debida a los andrógenos en la hiperplasia suprarrenal en la mujer, es un ejemplo de este caso. Los efectos clínicos de algunos errores congénitos se manifiestan sólo en situaciones especiales. Por ejemplo, sujetos con deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa presentan hemolisis sólo si ingieren medicamentos como la primaquina. Se debe sospechar un error congénito del metabolismo si se presenta un cuadro clínico raro en la infancia, especialmente si más de un niño de la familia ha sido afectado. Los siguientes síntomas pueden orientar: a) Retraso psicomotor b) Vómitos recurrentes c) Colapso neonatal (lactante menor de un mes con letargo, hipotonía, dificultades respiratorias y rechazo a los alimentos) d) Convulsiones e) Ataxia f) Cataratas o luxación del cristalino g) Daño hepático de etiología desconocida, iniciado en el primer año de vida h) Olor peculiar i) Litiasis renal j) Raquitismo resistente a vitamina D k) Manifestaciones pelagroides El diagnóstico de un error congénito carece de interés si no hay manifestaciones clínicas o si aun no existe tratamiento. Sin embargo, existe un grupo de enfermedades del metabolismo en las que el diagnóstico precoz es vital, puesto que el tratamiento puede evitar manifestaciones clínicas irreversibles o la muerte. Algunas de éstas son la fenilcetonuria y la galactosemia. Otras pueden prevenirse si se suprime el factor precipitante, como por ejemplo la deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, la porfiria intermitente aguda, la hemocromatosis, la cistinuria y la enfermedad de Wilson.

Otras pueden ser tratadas sintomáticamente como la diabetes insípida nefrogénica y la deficiencia de disacaridasas. Finalmente la enfermedad puede ser totalmente (o casi) benigna, pero puede conducir a diagnósticos erróneos o pueden alarmar al paciente, por ejemplo, la glucosuria renal, la alcaptonuria, la enfermedad de Gilbert. Todas las enfermedades del metabolismo son muy raras. Entre las más comunes están: fenilcetonuria, enfermedad de Hartnup, cistinuria, iminoglicinuria familiar e histidinemia; su incidencia es de 1:10,000-20,000. La galactosemia es menos común, con una incidencia de 1:100,000 y la enfermedad de orina jarabe de arce, más rara, 1:350,000. Aunque la lista es más larga, los errores congénitos del metabolismo pueden clasificarse en: 1. Metabolismo de aminoácidos a) Fenilcetonuria b) alcaptonuria c) albinismo d) tirosinosis 2. Metabolismo de carbohidratos a) glucogenosis b) galactosemia c) pentosuria d) fructosuria e intolerancia a la fructosa e) diabetes mellitus 3. Metabolismo de lípidos a) hiperlipoproteinemias b) esfingolipidosis (Gaucher, Tay-Sachs, etc). 4. Proteínas plasmáticas a) agamaglobuünemia b) enfermedad de Wilson c) deficiencia de transferrina d) enfermedades de la coagulación 5. Hemoglobina y eritrocitos a) hemoglobinopatias

b) favismo (deficiencia de glucosa-6fosfato deshidrogenasa) c) metahemoglobinemia (deficiencia de NADP MHb reductasa) d) porfirias e) hemocromatosis 6. Transporte renal a) glucosuria renal b) síndrome de Fanconi c) enfermedad de Hartnup 7. Metabolismo de pininas y pirimidinas a) gota y síndrome de Lesch y Nyhan b) oroticuria En este capítulo se tratarán aquellos errores del metabolismo de los aminoácidos. En el metabolismo de fenilalanina y tirosina llegan a faltar algunas enzimas que producen fenilcetonuria, albinismo, alcaptonuria y tirosinosis (fig. 8.28). 8.3.2 Alteraciones en el metabolismo de fenilalanina, tirosina, cisteínay metionina Fenilcetonuria. En realidad esta entidad clínica se clasifica ahora como hiperfenilalaninemia tipo I o fenilcetonuria clásica. El defecto radica en la fenilalanina hidroxilasa cuya carencia impide la transformación de fenilalanina en tirosina. Otros tipos de hiperfenilalaninemia son los tipos II y III, por defectos en la dihidrobiopterina (DHB) reductasa, y los tipos IV y V por defectos en la biosíntesis de DHB. Su incidencia varía entre 1:25,000 nacimientos en el Norte de Europa a 1:14,200 en Estados Unidos; al parecer es el más común de los errores congénitos del metabolismo de los aminoácidos. La sintomatología es causada por los metabolitos de la fenilalanina: fenilpiruvato, fenilactato y fenilacetato (fig. 8.29). Estos productos inhiben la piruvato cinasa cerebral, formadora de ATP; también inhiben la

5-OH-triptófano descarboxilasa con lo cual disminuye la síntesis de serotonina cerebral; se inhibe, además, la glutamato descarboxilasa con disminución del GABA; todo ello conduce al retraso mental (oligofrenia fenilpirúvica) que se desarrolla entre los 4 y 6 meses de edad. Se presentan, además, irritabilidad psicomotora, vomito y convulsiones. En muchos casos se presenta eczema generalizado y tendencia a formar poca melanina; esto se debe a que la fenilalanina es antimetabolito de la tirosina (precursor de la melanina). Estudios más recientes sugieren que la depleción crónica de glutamina (Gln) utilizada para formar fenilacetilglutamina, la cual al secretarse en orina dá el clásico "olor a ratones", está más directamente relacionada con el daño cerebral. Estudios realizados en población adulta mostraron una incidencia de fenilcetonuria de 1:83,000, todos mentalmente subonormales. Por esta razón se hace urgente la detección temprana de la enfermedad en niños y en general todos los pacientes con enfermedades mentales para evitar tratamientos ilógicos de adultos ocasionalmente psicóticos. El método clásico para detectar fenilcetonuria es la valoración de ácido fenilpirúvico en orina con FeCb (prueba del pañal). El tratamiento consiste en dar dietas con bajo contenido de fenilalanina (Lofenalac de Mead-Johnson o Vivonex-SFA de Norwich). El Lofenalac es un hidrolizado de caseína que contiene pocas cantidades de fenilalanina. El Instituto Nacional de Pediatría, SS., utiliza un producto preparado que no contiene fenilalanina, Vivonex-SFA. Como la fenilalanina es un aminoácido esencial, al faltar este, la tirosina se convierte ahora en esencial. Este régimen dietético puede modificarse a los 6 años de edad, ya que el final de la diferenciación cerebral ocurre a esa edad y además, el organismo ya dispone de mecanismos alternativos (excreción renal de catabolitos de fenilalanina)

Figura 8.28. Alteraciones del metabolismo de fenilalanina y tirosina.

Figura 8.29. Catabolismo de la fenilalan ina.

que hacen innecesario el mantenimiento de la dieta. Es un enigma que a veces la ingestión reducida de fenilalanina no corrige el defecto y que pacientes no tratados poseen un coeficiente de inteligencia (CI) normal. Albinismo. En el hombre, el color de pelo y de la piel están controlados por un número

desconocido de loci genéticos que codifican para la síntesis y distribución de las enzimas que catalizan la síntesis de un pigmento negro, la melanina, polímero de un producto metabólico de la tirosina, la indol-5,6-quinona. Las reacciones formadoras de melanina ocurren en células llamadas melanocitos,

las cuales se encuentran en la piel, mucosas, capa interna del ojo y en el sistema nervioso. La falta de producción de melanina origina varias enfermedades conocidas en conjunto como albinismo. Las causas posibles del albinismo son: falta de la tirosina hidroxilasa (tirosinasa) de la piel, que es diferente a la que cataliza la síntesis de catecolaminas y a la del núcleo negro, por ello en el albinismo no se altera la síntesis de catecolaminas y viceversa, el parkinsoniano no es albino. Otras causas incluyen carencia de tirosina, inhibidores de la tirosina o que no ocurra la polimerización a melanina. La carencia de melanina en la piel hace a los albinos sensibles a la luz del sol, la cual puede provocarles carcinomas en la piel, así como quemaduras. Los ojos se presentan de color rojo pálido por falta de pigmento en la coroides, lo cual provoca fotofobia, estrabismo y nistagmus. La carencia del pigmento ocular provoca disminución de la agudeza visual; Sin embargo una descripción de albinos entre los indios americanos indicaba que su visión nocturna era superior a la normal. Enfermedad de Parkinson. Esta condición descrita por Parkinson en 1817, denominada originalmente "parálisis agitante" se debe a una reducción en la producción de dopamina en las células dopaminérgicas del núcleo negro (substantia nigra) y locus coeruleus. Se presenta entre la población superior a los 60 años de edad, aunque algunas veces ocurre entre personas más jóvenes. Al parecer el defecto radica en la falta de tirosina hidroxilasa cerebral (revisar metabolismo de la tirosina, descrita antes). Tirosinosis. (tirosinemia Tipo I). El defecto radica en la fumarilacetoacetato hidrolasa. La forma aguda cursa con diarrea, vómito, olor "como de col" y falta de crecimiento corporal. Esta es una enfermedad grave, también llamada tirosinemia hepatorrenal. La muerte por insuficiencia hepática ocurre entre los 6-8 meses. La forma crónica, con síntomas muy parecidos, conduce a

la muerte a los 10 años. El tratamiento consiste en dietas bajas en tirosina y fenilalanina y, en ocasiones, también en metionina. Síndrome de Richner-Hanhart (tirosinemia tipo II o tirosinemia oculocutánea). El defecto radica en la tirosina transaminasa hepática. La enfermedad se presenta con lesiones oculares y cutáneas, con retraso mental moderado; en ésta se acumulan metabolitos como en la fenilcetonuria (p-OH-fenilpirúvico, p-OH-fenil-lactato, p-OH-fenilacetato, N-acetiltirosina y tiramina). Tirosinemia neonatal. El defecto radica en la p-OH-fenilpiruvato hidroxilasa. Se presentan concentraciones elevadas de fenilalanina y tirosina, con la consecuente eliminación de sus catabolitos en orina. En algunos casos se presentan anomalías congénitas con microcefalia. El tratamiento consiste en dietas bajas en tirosina y fenilalanina incluyendo ascorbato que supuestamente protege a la enzima contra la inhibición por sustrato. Alcaptonuria. Este fue el primer "error congénito del metabolismo" descrito por Garrod en la literatura médica del siglo XVI y luego caracterizado en 1859. El defecto radica en la carencia de la homogentisato oxidasa, con lo cual se acumula el ácido homogentísico en sangre. Esta hidroquinona es incolora, pero con el tiempo se oxida y polimeriza, como la L-DOPA en melanina, para formar un pigmento negro llamado alcaptón. Esta polimerización se acelera en medio alcalino, lo cual asustaba a las madres de los niños con la enfermedad al lavar los pañales con jabón (alcalino). El homogentisato se oxida lentamente al pigmento que se deposita en los huesos, tejido conjuntivo y varios órganos. Esta pigmentación generalizada se denomina ocronosis, debido al color ocre que se observa al microscopio, y es causa de la artritis ocrónica que desarrollan los individuos alcaptonúricos, especialmente varones. Se han reportado más de 600 ca-

Figura 8.2. Transporte y distribución de proteínas y aminoácidos. Tomada de R.J. Brady, A. Programed Approach to ANATOMY AND PHYSIOLOGY, Nutrition, Metabolism and Electrolyte Balance, 2a. Edición, 1970.

sos; su frecuencia es de 2 a 5 casos por millón de nacimientos. Enfermedad de Hartnup. Un niño de 12 años, E. Hartnup, fue admitido en un hospital de Londres con un rash escamoso rojo y ataxia cerebelosa benigna. Una hermana tuvo, según la madre, síntomas de "pelagra" y pensó que el niño tendría lo mismo. La enfermedad es una aminoaciduria de aminoácidos neutros y aromáticos (ala, ser, tre, leu, iso, val, tir, fen y triptófano). Como la carencia de triptófano conduce a baja síntesis de niacina, de ahí la sintomatología de pelagra. La enfermedad radica en un alelo recesivo autosómico, ya que los padres no tenían síntomas, pero eran primos en primer grado. No está ligada al cromosoma X, ya que también la hermana tenía la enfermedad; otros 2 hermanos eran normales. Enfermedad de la orina de miel de arce. Esta enfermedad se presenta en un caso por cada 5-10 millones de nacimientos; la orina de los afectados tiene un olor característico, como de azúcar quemada. Los niveles plasmáticos y urinarios de los aminoácidos de cadena ramificada (Leu, He, Val) así como de sus correspondientes cetoácidos son elevados. Por ello, se le ha llamado también aminoaciduria de cadena ramificada. El defecto radica en la carencia funcional de la alfa-cetoácido descarboxilasa que convierte los tres alfa-cetoácidos de cadena ramificada, con lo cual se elevan sus niveles (en sangre) y dañan gravemente a las pocas semanas de vida el funcionamiento cerebral, con letargía y muerte a fines del primer año. El tratamiento con una dieta carente de los aminoácidos ramificados ocasiona mejoras importantes si se empieza pronto. Existe una variedad de esta enfermedad, llamada cetonuria intermitente de cadena ramificada, pero es menos drástica. La acidemia isovalérica se debe a una falla en la isovaleril-CoA deshidrogenasa, que ocasiona un aumento de isovalerato proveniente del metabolismo de la leucina. Se ca-

racteriza por aliento con intenso olor a queso así como en otras secreciones corporales, con vómito, acidosis y coma provocados por la ingestión rica en proteínas. Un retraso mental leve acompañó a los tres casos hasta ahora conocidos. Cistinuria. La enfermedad se debe a una anormalidad hereditaria de la resorción tubular de los aminoácidos dibásicos cistina, ornitina, arginina y lisina, los cuales se eliminan por orina. Muchos casos son asintomáticos. Aunque la cistina no es tóxica, es relativamente insoluble y se tiene el peligro de que pueda precipitar en riñon y formar cálculos. Sin embargo, sólo en homocigotos se alcanzan niveles tales de cistina que provoquen cristaluria y litiasis. La cistinuria se maneja con ingestión abundante de agua y alcalinizando la orina. Si esto falla se puede intentar el uso de penicilamina. Esta sustancia forma dímeros cisteina penicilamina más solubles que la cistina (Fig. 8.30). No obstante, la penicilamina tiene sus inconvenientes: es un potente quelante de iones metálicos y puede dar lugar a deficiencia de enzimas que requieren metales, como las transaminasas y dar un síndrome similar al latirismo. La enfermedad relativamente inofensiva mencionada arriba no debe confundirse con la cistinosis. En ésta, hay depósitos excesivos de cistina, en forma de cristales, en médula ósea, córnea y conjuntiva, y leucocitos periféricos. Aparece en niños y adultos; en adultos es benigna, pero en niños ocurre la muerte por daño renal y uremia. La lesión tubular renal produce consecuentemente el síndrome de Fanconi con aminoaciduria y glucosuria; a veces se presenta raquitismo y osteomalacia. El defecto metabólico se desconoce, pero se sugiere que puede ser un trastorno en el transporte de cistina o en la conversión de cistina por acción de la cistina reductasa. Cistationinuria y homocistinuria. Se han descrito dos defectos hereditarios del meta-

Figura 8.30. Mecanismo de acción de la penicilamina en la cistinuria.

bolismo de la metionina. Uno de ellos, la cistationinuria, causado por un defecto de la enzima que degrada a la cistationina en homoserina y cisteina, la cistationasa. El otro defecto es la homocistinuria, en la que falta la cistationina sintetasa de hígado. Esta enzima forma cistationina a partir de homocisteína y serina. De hecho, en estas dos reacciones se forma cisteina a partir de metionina. El compuesto intermediario es la

homocisteína proveniente de la S-adenosilmetionina (fig. 8.31). En la cistationinuria se encuentran grandes cantidades de cistationina en sangre y orina. El defecto genético consiste en que la cistationasa no puede unir el PPal (vitamina BÓ a la apoenzima (fig. 8.31). Contrastando con las graves manifestaciones de la homocistinuria, la cistationinuria no parece provocar otra anomalía clínica que la

Figura 8.31. Metabolismo de metionina y cisteina.

acumulación de cistationina y su excreción por orina. Es importante mencionar que el primer caso de cistationuria que se descubrió lo presentaba un enfermo mental. A pesar de esto, la mayor parte de los casos descritos corresponden a individuos mentalmente normales. La mayoría de los casos responden a la administración de piridoxina (vitamina B6) (fig. 8.32). La homocistinuria es una enfermedad caracterizada por fenotipo marfanoide, que se presenta como una marcha a la manera de "Charles Chaplin", retraso mental, convulsiones tónico-clónicas, dislocación del cristalino (algunos lo consideran patognomónico), extremidades largas y delgadas (dolicostenomelia) y aracnodactilia. A los

rayos X se encontró osteoporosis moderada. La acumulación de homocisteína es nociva de varias maneras; primero, interfiere en la formación de puentes cruzados de colágeno; segundo, tiene efecto irritativo directo sobre el endotelio vascular predisponiendo a fenómenos trombóticos y tercero, junto con la metionina, también elevada, disminuye el transporte de aminoácidos al cerebro causando el retraso mental. En la homocistinuria se encuentra elevada la homocistina en plasma y orina y una excreción elevada de metionina (fig. 8.33). Descrita por primera vez en 1963, se han reportado desde entonces 629 casos en la literatura mundial. Su incidencia varía de un lugar a otro; en forma global los datos sugie-

ren una prevalencia de 1:200,000 habitantes o tres casos por millón de nacimientos. El tratamiento consiste en administrar dosis suprafisiológicas de piridoxina (BÓ) y, si esto no es efectivo, se recurre a una dieta pobre en metionina. La mayor parte de los "errores congénitos del metabolismo" son poco comunes y por tanto es poco probable encontrarlos en la práctica médica. Sin embargo, estas enfermedades representan un reto para el psiquiatra, pediatría, consejero genético o el bioquímico

ya que son mortales a temprana edad y conducen a daño cerebral irreversible si no son tratados. Es posible el diagnóstico prenatal de estas deficiencias por amniocentesis y detección de la enzima defectuosa en cultivo de células de líquido amniótico. El tratamiento futuro quizá consista en hacer circular la sangre del paciente a través de una columna que contenga la enzima faltante o por medio de la tecnología del DNA recombinante (ingeniería genética) (ver adelante Unidad IX).

más cortas. Las proteínas de la mucosa intestinal, las hormonas y las enzimas recambian en unos cuantos días. El t/2 de la insulina se ha estimado en 6.5 a 9 minutos. El t/2 promedio de las proteínas corporales totales es de 80 días. Un hombre promedio de 70 Kg que no pierde ni gana peso, sintetiza y degrada casi 400g de proteína por día. Parece haber, además, cierta prioridad en la biosíntesis de proteínas. Una rata sometida a restricción proteica deja de crecer debido a falta de síntesis de colágeno, proteínas musculares, elastina, etc.; sin embargo, la hemoglobina muestra poco cambio. Durante la inanición, el nitrógeno amínico de la poza proviene principalmente de las proteínas plasmáticas, especialmente albúmina. Otros órganos también tienden a degradar proteínas para la poza, como el hígado, páncreas y mucosa intestinal. El músculo, por su contenido en nitrógeno proteico (60%), representa el mayor reservorio.

8.1.3 Regulación hormonal de la utilización de aminoácidos La tiroxina afecta el metabolismo de acuerdo a la cantidad disponible de hormona. El déficit provoca disminución de la síntesis proteica y falta de crecimiento. El exceso provoca aumento de la degradación tisular; muchos aminoácidos se destruyen por oxidación y pocos quedan para síntesis proteica, por lo que se presenta adelgazamiento marcado. La hormona del crecimiento promueve el anabolismo proteico posiblemente por facilitar la utilización de aminoácidos por las células. La insulina promueve la utilización de glucosa y por lo tanto la producción de ATP como fuente de energía para la formación del enlace peptídico. Esto afecta indirectamente el metabolismo proteico, ya que aumenta la incorporación de aminoácidos a las proteínas.

Las hormonas androgénicas estimulan la síntesis de proteínas (anabolizantes orales). Los glucocorticoides suprarrenales promueven la degradación de proteínas y la gluconeogénesis a partir de aminoácidos. La adrenalina disminuye los niveles plasmáticos de aminoácidos libres, probablemente por facilitar su utilización celular. 8.1.4. Papel de glutatión en la captación tisular de aminoácidos De acuerdo al esquema propuesto por Meister, los aminoácidos son transportados a través de la membrana celular como dipéptidos del ácido glutámico en un proceso llamado ciclo del gama-glutamilo. El aspecto importante de este sistema de transporte es que el glutatión (G-SH) sirve como donador de un grupo y-glutamilo que es transferido al grupo amino del aminoácido seleccionado para el transporte. Todos los aminoácidos sirven como sustratos para la yglutamil tanspeptidasa, excepto prolina. Esta es la única enzima membranal del ciclo, las otras son citoplásmicas (fig. 8.3) El primer paso requiere del reconocimiento de aminoácidos de estructura común por un receptor membranal. Las siguientes reacciones requieren enzimas y gasto de 3 ATP. A fin de completar el ciclo, el glutatión se vuelve a formar a partir de •y-glu-cis, ya que no se conoce ninguna enzima que permita utilizar el dipéptido cis-gli formado en la primera reacción. Existen otras vías de transporte además del mencionado ciclo, que por otro lado es muy costoso. La prolina debe ser transportada por otro mecanismo. Aún cuando el ciclo tiene poco de haberse descrito, ya se han reportado defectos en tres de las enzimas. Un paciente con defecto en la y-glutamilcisteína sintetasa mostraba síntomas de anemia hemolítica, quizá por falta de síntesis de glutatión necesario para mantener la integri-

Figura 8.3. Ciclo de Meister. Reproducida con autorización de: R. Montgomery y cois., Biochemistry. A case-orientedapproach, 4a. edición, pág. 462, St. Louis, 1983, C. V. Mosby Co.

dad de la membrana del eritrocito (ver ciclo minación. Consiste en la transferencia rede las pentosas). Otra anormalidad genética versible del grupo a-amino (2-amino) de un se encuentra en pacientes con 5-oxoprolinu- aminoácido al C-2 de un cetoácido, el cual ria; el defecto radica en la glutatión sinteta- queda como aminoácido y el aminoácido sa. La tercera anormalidad genética del ciclo original queda como a-cetoácido. En cones la asociada a la y-glutamil transpeptidasa; junto, es una interconversión por parejas de los pacientes excretan grandes cantidades de a-aminoácidos y a-cetoácidos. glutatión en orina. La transaminación, descrita por primera vez en 1937, se realiza por medio de transaminasas o aminotransferasas. Hasta la fe8.2 DESTINO METABÓLICO DE cha se conocen aminotransferasas para LOS AMINOÁCIDOS EN EL todos los aminoácidos excepto Usina y treoORGANISMO nina. Dado el número tan elevado de aminoácidos con funciones biológicas en la Las principales vías del metabolismo de naturaleza, cabría esperar un número elevaaminoácidos son caminos metabólicos co- do de transaminasas. Sin embargo, por razomunes a todas las células, de acuerdo con el nes de economía metabólica, la situación no equilibrio metabólico general, predominan es tan compleja. Cada pareja de aminoácilas reacciones de transaminación, desanima- dos-cetoácidos queda fijo en cualquiera de ción, descarboxilación y transdesaminación, los siguientes pares: glutámico/a- cetoglutaasí como reacciones de síntesis y degrada- rato, aspartato/oxalacetato y alanina/pición. El camino degradativo consiste en la ruvato. Así, cualquier interconversión enpérdida del grupo amino, el cual se elimina- tre aminoácidos, pasaría inevitablemente rá como amoníaco o urea. La pérdida del f)or la formación intermedia de alguno de grupo carboxilo se traduce en la formación os aminoácidos antes mencionados. La de aminas de interés fisiológico. Algunos inmensa mayoría de las transaminasas utiaminoácidos forman parte de sustancias ni- liza el par glutamato/a-cetoglutarato. Los trogenadas como el núcleo porfirínico, la demás son utilizados en menor medida. taurina, péptidos hormonales, pigmentos, Las transaminasas más activas son la transavitaminas y otros compuestos. minasa glutámico oxalacética (TGO) y la transaminasa glutámico pirúvica (TGP), o según la nomenclatura internacional, anteponiendo el 8.2.1 Pérdida del grupo amino cetoácido el nombre del aminoácido donador L-aspartato: 2-oxoglutarato aminotransferaLa eliminación del grupo amino, por desa- sa (E:C.2.6.1.1.) y L-alanina: 2-oxoglutarato minación o transaminación, dá como resul- aminotransferasa (2.6.1.2.), respectivamentado a-cetoácidos que pueden originar te. Un buen número de transaminasas se decuerpos cetónicos (aminoácidos cetogéni- nominan atendiendo sólo a la segunda mitad cos) o glucosa (aminoácidos glucogénicos) del sistema, por ejemplo, la tirosina: 2. cetoglutarato aminotransferasa se denomina tio ambos (fig. 8.4). rosina transaminasa. El fosfato de piridoxal (PPal) constituye 8.2.1.1 Transaminación una parte esencial del sitio activo de las transaminasas. Durante la transaminación, el La base del proceso de redistribución y PPal sirve como un transportador de grupos aprovechamiento del nitrógeno es la transa- amino, cuyo paso inicial consiste en la for-

Figura 8.4 Rutas de entrada de los aminoácidos en el ciclo de Krebs. Reproducida con autorización de J.M. Orten y O. W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a. edición, pág. 344, C.V. Mosby, Co. St. Louis, 1982.

mación de una base de Schiff intermedia unida a la enzima (fig. 8.5). Mediante la acción de las transaminasas es posible que el exceso de un determinado aminoácido pueda estabilizarse con otro aminoácido que se encuentre en déficit, mediante un mecanismo catalizado por dos transaminasas.

De esta manera, con suficiente disponibilidad de a-cetoácidos y con las transaminasas correspondientes, se establece un equilibrio de aminoácidos, en el que un exceso o déficit de alguno es fácilmente atenuado por transaminación. 8.2.1.2 Desaminación oxidativa y no oxidativa La conversión oxidativa de muchos aminoácidos en sus correspondientes a-cetoácidos

Figura 8.5. Transaminación catalizada por la alanina amino transferasa

ÁCIDOS NUCLEICOS Y

DE PROTEÍNAS "Es importante tener buenos descendientes, pero la gloria pertenece a nuestros antepasados" Plutarco

9.1 I N T R O D U C C I Ó N Toda mujer sabe, cuando es madre, que el hijo es suyo porque ha salido de su propio cuerpo. El hombre primitivo tardó algún tiempo en darse cuenta de que él desempeñaba un papel importante en la creación de un hijo. Una vez que se comprendió el concepto de la paternidad, la familia adquirió un nuevo significado. Un niño ya no era algo que le llegaba inexplicablemente a una mujer; también formaba parte del hombre, era el fruto vivo y rejuvenecido de su cuerpo. Muchos hijos se parecían visiblemente al padre, señal inequívoca de que el marido de la madre era el padre de la criatura. De este reconocimiento a pensar que el hijo debía heredar también las cualidades del padre, no hubo más que un paso. Era lógico que la dignidad real pasara de padre a hijo. Esta noción dio origen a fenómenos tales como el culto a los antepasados, aristocracias, sistemas de castas y hasta racismo. La noción de herencia, la transmisión de cualidades de padres a hijos y todo aquello que pudiera explicar razonablemente la ma-

ñera en que se produce esta transmisión de características, fue forzosamente del mayor interés e importancia. Hasta la década de los 60 del siglo pasado fue cuando empezaron a hacerse observaciones exactas, minuciosamente anotadas y estudiadas. El hombre que las realizó era un monje agustino, Gregorio Mendel. De aquellos experimentos se sacaron unas conclusiones simples que ahora se conocen como las leyes mendelianas de la herencia. Cuando estas leyes, obtenidas en chícharos, se aplicaron al género humano, se dedujo que ambos progenitores, hombre y mujer, contribuían a la herencia en partes iguales. Cada uno contribuía con un factor para cada característica física (color de ojos, forma de la nariz, estatura, etc.) A principios del siglo XX se dio a esos factores el nombre de genes, y a la ciencia que trata de la manera en que se heredan los genes se le llamó genética. En 1946, la obra del célebre físico teórico Erwin Schrodinger, ¿Qué es la vida ? proponía, de una manera muy elegante que los genes eran los componentes clave de las células vivas. Cuando Schrodinger escribió

a) La numeración de los átomos de carbono del azúcar, lleva una corrulla para diferenciarlo de la numeración de los carbonos de la base. b) El enlace base-azúcar se lleva a cabo entre el N9 de la purina, o el Ni de la pirimidina, con el Ci del azúcar; el enlace es P-glucosídico. c) Los desoxirribonucleósidos se estructuran de la misma manera que los ribonucleósidos, sólo que el azúcar es la 2-desoxirribosa. d) El nombre de los ribonucleósidos está dado por el nombre de la base que lo forma y la terminación "osina", si la base es púrica, o la terminación "idina" si la base es pirimidínica (tabla 9.1). Si es un desoxirríbonucleósido, al nombre del nucleósido se antepone el prefijo "desoxi" o "2-desoxi" o simplemente la letra d-, por ejemplo, desoxiadenosina, desoxicitidina, d-citidina. Tabla 9.1 Nomenclatura de los nucleósidos. Adenina Guanina Hipoxantina Citosina Uracilo Timina

Adenosina Guanosina Inosina Citidina Uridina Timidina

e) Existen análogos de nucleósidos en los cuales el azúcar es arabinosa en lugar de ribosa. Se conocen la arabinosil adenina (ara A) y arabinosil citosina (Ara C). Ambos se utilizan como antineoplásticos y anti virales.

el fosfato reacciona con un ribonucléosido, se formará un ribonucleótido; si reacciona con un desoxirríbonucleósido, dará origen a un desoxirribonucleótido (Figura 9.11). Sobre la estructura de los nucleótidos que forman parte de los ácidos nucleicos, hay que hacer notar lo siguiente: a) La relación que existe entre base nitrogenada y azúcar es la misma que se da en los nucleósidos. b) El fosfato reacciona con el hidroxilo (-OH) del C5 del azúcar a través de un enlace tipo éster. El fosfato puede reaccionar con otros hidroxilos del azúcar. c) Los dos hidrógenos restantes del fosfato quedan libres, pueden disociarse ya que su pKa son 1.0 y 6.2 respectivamente, confiriéndole dos cargas negativas a la molécula. d) Como el nucleótido tiene carácter ácido por el fosfato, su nombre está dado por el nucleósido del que proviene y la terminación "ico", anteponiendo la palabra ácido, por ejemplo, ácido adenílico, ácido guanílico, etc. e) Otro nombre que frecuentemente se les da, es aquel que adquieren del nucleósido del cual proviene y la terminación monofosfato, ya que son nucleósidos fosfatados, por ejemplo, adenosín monofosfato (AMP), guanosín monofosfato (GMP), etc. f) Al nombre del nucleótido se le antepone el prefijo desoxi, a la letra d, si es un desoxicitidín monofosfato (dCMP). g) Los niveles de desoxirribonucleótidos fluctúan mucho durante el ciclo celular, en contraste con los ribonucleótidos cuyos niveles permanecen constantes.

Nucleótidos Si se hace reaccionar un nucleósido con ácido fosfórico, se forma un nucleótido. Si

En ocasiones, uno o dos fosfatos más pueden reaccionar con el fosfato de un nucleótido, a través de sus hidroxilos ácidos por

Ribonucleótido de adenina (Acido adenílico)

Desoxirríbonucleótido de citosina (Acido citidílico)

Figura 9.11. Estructura de nucleótidos de adenina y citosina.

medio de enlaces anhídrido de alta energía (~) (Figura 9.12). Sobre estos compuestos hay que hacer notar lo siguiente: a) Los fosfatos se nombran con letras del alfabeto griego para diferenciarlos: alfa, beta y gama. Alfa es el más cercano al azúcar, gama el distal. b) Estos compuestos se consideran nucleótidos mono o difosfato o bien, nucleósidos di o trifosfato, respectivamente. c) Los hidrógenos de los nucleósidos di o trifosfato pueden estar disociados y dan a la molécula una gran densidad de carga negativa. d) Estos nucleósidos di y trifosfato toman su nombre del nucleósido del cual provienen agregando la palabra difosfato o trifosfato, respectivamente, por ejemplo, citidín difosfato (CDP), guanosín trifosfato (GTP), etc. e) Al nombre anterior se antepone el prefijo "desoxi" si se trata de un desoxirribonucleósido di o trifosfato, por ejemplo, desoxiadenosín trifosfato (dATP), etc. Aunque el timidín trifosfato (TTP) generalmente se asocia con

desoxirribosa al integrar el DNA, puede encontrarse como ribonucleósido enelRNAt. 9.2.2 Nucleótidos de importancia biológica No obstante que una de las funciones más significativas de los nucleótidos es su papel estructural en los ácidos nucleicos, puesto que son las unidades monoméricas tanto del DNA como del RNA, no es menos importante su intervención en el metabolismo celular. El ATP es sin duda el nucleótido más abundante en las células y representa la reserva energética del organismo. El CTP y UTP actúan como portadores de intermediarios metabólicos; por ejemplo, el CDP-colina y el UDP-glucosa. El AMPc y GMPc actúan como segundos mensajeros hormonales y nerviosos. El NAD, FAD y la coenzima A funcionan como coenzimas de reacciones enzimáticas importantes. En la tabla 9.2 se muestran las acciones metabólicas de algunos nucleótidos.

Adenosín difosfato (ADP)

Adenosín trifosfato (ATP) Figura 9.12. Estructura de nucleótidos mono y difosfato.

De lo anterior se puede concluir que: a) Con excepción de los nucleótidos cíclicos: AMPc y GMPc, que transportan información, todos los demás transportan grupos químicos o moléculas completas. b) Los nucleótidos más versátiles en su función son los de adenina. c) Los nucleótidos de citosina están relacionados con procesos biosintéticos de fosfolípidos y los de uracilo para carbohidratos. d) La coenzima A (CoA-SH) transporta grupos acilo, tanto en procesos degradativos (beta-oxidación) como biosintéticos (ácidos grasos, colesterol, acetilcolina, etc.)

e) Existen enzimas que activan moléculas, anexándoles un radical químico, como es el caso del fosfato por ATP o GTP, aunque hay algunas excepciones. f) Otras coenzimas activan moléculas uniéndose a ellas, como es el caso de la coenzima, A, UTP y CTP; esta unión puede requerir energía, como es el caso de la coenzima A pero no en el de UTP. El ATP es el donador universal de energía. Esto significa que funciona como donador de energía tanto para organismos unicelulares como pluricelulares, animales o vegetales. El GTP se utiliza en forma más limitada en reacciones muy específicas como son:

Tabla 9.2 Función metabólica de algunos nucléotidos Nucleótido

Función

ATP (Adenosín trifosfato) AMPc (Adenosín monofosfato cíclico)

Transporta y cede fosfatos y energía. Segundo mensajero en señales hormonales y nerviosas. Transporta y cede grupos metilo Transporta y cede grupos acilo Transporta hidrógenos Transporta y cede fosfatos y energía. Segundo mensajero hormonal y nervioso Transporta moléculas necesarias para la síntesis de fosfolípidos Transporta moléculas para la síntesis de oligo y polisacáridos Agregación plaquetaria

S- Adenosil metionina Coenzimas A (CoA-SH) FAD,NAD,NADP GTP (Guanosín trifosfato) GMPc (Guanosín monofosfato cíclico) CTP (Citidín trifosfato) UTP (Uridín trifosfato) ADP (Adenosín difosfato)

a) La conversión de piruvato a fosfoenolpiruvato en la gluconeogénesis. Esta reacción no se lleva a cabo directamente sino a través de la conversión previa de piruvato en oxalacetato y éste en fosfoenolpiruvato con gasto de energía del GTP. b) En mitocondrias existe una tiocinasa (acil-CoA sintetasa) que utiliza GTP para activar ácidos grasos. c) En la biosíntesis de proteínas se utiliza el GTP para formar el complejo ribosomal de iniciación 70s para la entrada del aminoacil al sitio A del ribosoma y para la translocación del peptidil del sitio A al P. El AMPc y el GMPc (Figura 9.13) que se forman por efecto de la adenilato ciclasa y la guanilato ciclasa, sobre los respectivos nucleósidos trifosfato, actúan como segundos mensajeros de la actividad hormonal y nerviosa. Estos nucleótidos cíclicos son inactivados por fosfodiesterasas (PDE). Las metilxantinas teofilina y cafeína inhiben a estas enzimas por lo que actúan en forma si-

nérgica con algunas hormonas o con neurotransmisores. El AMPc es el segundo mensajero de las siguientes hormonas: adrenalina, glucagón, antidiurética, tiroxina, tirotrófica, estimulante de melanocitos y luteinizante. La toxina del cólera producida por el Vibrio colerae estimula la adenilato ciclasa intestinal, y el aumento de AMPc afecta el transporte de los iones por las células del epitelio intestinal. La coenzima A activa a los grupos acilo que son conducidos a rutas biosintéticas o bien a rutas degradativas. El FAD, NAD + y NADP + son dinucleótidos y en todos ellos participa un nucleótido de adenina (Figura 9.14). En el NAD + y NADP + el otro nucleótido es de nicotinamida; el NADP + tiene, además, un grupo fosfato en 2' de nucleótido de adenina. En el FAD, el otro nucleótido es de riboflavina. El FAD y el NAD + intervienen generalmente en procesos de oxidorreducción degradativos; el NADP + en p r o c e s o s de oxidorreducción biosintéticos (síntesis de colesterol, esteroides, ácidos grasos, etc.). El FAD interviene generalmente cuando la

Fig, s/n. Estructura de la coenzima A.

Figura 9.14. Estructura de NAD (P) y FAD.

molécula que se oxida forma doble enlace (P-oxidación, ciclo de Krebs). El NAD+ interviene en reacciones redox donde un grupo hidroxilo se convierte en cetónico. La S-adenosil-metionina (Figura 9.15) se forma a partir de ATP y metionina. Participa en reacciones de metilación para síntesis de colina, adrenalina, metilación del RNAt y otras. El CTP participa en la unión de moléculas para formar fosfolípidos (fosfoglicéridos). Cuando el CTP reacciona con la molécula a la que va a activar y que está fosforilada, se forma CDP-molécula más pirofosfato. Cuando el CDP-molécula reacciona con la otra molécula para formar el fosfolípido se produce CMP, pues un fosfato se queda unido al fosfolípido. Cualquier carbohidrato o derivado de carbohidrato que se una con cualquier otra molécula, ya sea otro carbohidrato para formar un disacárido (lactosa) o polisacárido (glucógeno), o bien un lípido para formar cerebrósidos o gangliósidos, o bien una proteína para formar glicoproteínas, deberá reaccionar previamente con UTP, para lo cual deben estar previamente fosforilados. Cuando el UDP-azúcar o el UDP derivado resultante de la reacción se condensa, se libera UDP

pues en la molécula recién formada no se queda ningún fosfato. Las moléculas que se activan con UTP son: glucosa, glucosamina, N-acetilglucosamina, N-acetilgalactosamina y ácido glucurónico entre otras. El ácido N-acetilneuramínico (NANA) o ácido siálico que forma parte de los gangliósidos, para unirse a ellos lo hace en forma diferente a los otros carbohidratos. Se une a CTP y no a UDP, y lo hace sin estar fosforilado; se forma CMP-NANA y se libera pirofosfato como producto de la reacción. 9.3 METABOLISMO DE BASES PÚRIC AS Y PIRIMIDÍNIC AS Una vez que los ácidos nucleicos en forma de nucleoproteínas llegan al tracto intestinal, son degradados por acción de proteasas. Los polinucleótidos resultantes son luego degradados por nucleasas (DNAsas y RNAsas) del intestino delgado en sus correspondientes nucleótidos. Estos últimos son hidrolizados por nucleotidasas para dar fosfato y nucleósidos de purina y pirimidina. Estos nucleósidos se absorben como tal y luego se degradan en las correspondientes bases y azúcar. NH,

Figura 9.15. Estructura y formación de la S-adenosil-metionina.

A pesar de la existencia en la célula de mecanismos para utilizar purinas y pirirnidinas preformadas, la mayoría de las bases usadas para síntesis de ácidos nucleicos son sintetizadas de novo. Las purinas de la dieta se excretan como ácido úrico, mientras que las pirimidinas se degradan hasta CO2 y agua vía beta-alanina y beta-aminoisobutírico. Sin embargo, los nucleótidos o nucleósidos se utilizan más bien para formar ácidos nucleicos (ver Figura 9.16). 9.3.1 Biosíntesis y degradación de nucleótidos depurina 9.3.1.1 Síntesis de purinas Es evidente que los aminoácidos juegan un papel importante en el metabolismo de

los nucleótidos. Los niveles de glutamina y de aspartato pueden influir en la velocidad de síntesis de nucleótidos purínicos en las células tumorales. El conjunto de reacciones de síntesis de un nucleótido purínico es caro en términos del ATP requerido. Todas las enzimas involucradas en la síntesis y degradación de los nucleótidos purínicos se encuentran en el citoplasma celular. No obstante, no todas las células son capaces de realizar la síntesis de novo de los nucleótidos purínicos. Las etapas de formación de purinas comprenden: a) Condensación de ribosa -5-fosfato para dar fosforribosilpirofosfato (PRPP). b) Incorporación del grupo amino del ácido glutámico al PRPP y liberación de pirofosfato. Esta reacción es catali-

Figura 9.16. Utilización y fuentes de bases púricas y pirimidinas.

zada por la PRPP amidotransferasa y es susceptible de control alosterico por retroalimentación negativa por nucleótidos de purina; la enzima puede faltar en la gota primaria, c) Incorporación de glicina y otras sustancias hasta obtener nucleótidos de purina (Figura 9.17). De la ruta metabólica resumida en la figura 9.17 hay que hacer notar lo siguiente: a) La ribosa-5-fosfato es un sustrato importante que proviene del ciclo de las pentosas (ver unidad VI) b) La base nitrogenada (púrica) se va conformando a partir de un enlace inicial al carbono 1 de la ribosa-5-fosfato. c) El tetrahidrofolato (FH4) cede los átomos de carbono con los cuales se completan los dos anillos que forman el esqueleto de la purina. d) El estado de oxidación del tetrahidrofolato no se modifica durante su participación en las reacciones. e) Cuando se completa la base púrica, lo que se genera es un nucleótido, ya que la ribosa-5-fosfato está unida desde el principio; no se forman bases púricas libres. f) El inosín monofosfato (IMP) es precursor común de AMP y G M P . g) La enzima PRPP sintetasa es regulable y sobre ella ejercen efecto inhibidor AMP, ADP, GMP y GDP. h) La enzima PRPP amidotransferasa cataliza la reacción limitante de la vía y también es inhibida alostéricamente por ATP, ADP, AMP, GTP, GDP, GMP, y además por alopurinol- ribosa-fosfato. Esta ruta resulta bastante larga debido a que, con excepción de la glicina que aporta todos su átomos, los demás se adicionan uno a uno (Figura 9.18).

En la reacción final de la síntesis de nucleótidos purínicos se forma IMP, el cual se convierte en su casi totalidad en AMP y GMP. Sin embargo, la conversión de IMP en AMP y GMP no tiene lugar al azar. La conversión de IMP a GMP requiere ATP como fuente de energía, mientras que la conversión de I M P a A M P requiere GTP (Figura 9.19). Por lo tanto, cuando hay suficiente ATP en la célula el IMP se convertirá en GMP y viceversa, cuando hay suficiente GTP el IMP se convierte en AMP. Es conveniente señalar que los mononucleótidos AMP y GMP son fosforilados posteriormente a ATP y GTP respectivamente. La adenilato cinasa cataliza el paso de AMP a ADP con hidrólisis de ATP, pero el ADP formado se fosforila a ATP a través de la glucólisis o en la cadena respiratoria. Por su parte, el GMP se fosforila a GDP y GTP hidrolizándose una molécula de ATP en cada paso. Las purinas que resultan de síntesis de novo, las que provienen de la dieta y las liberadas por degradación endógena de ácidos nucleicos, pueden seguir cualquiera de estos caminos: a) Utilizarse en la síntesis de ácidos nucleicos (ver adelante) b) Oxidarse hasta ácido úrico (ver figura 9.21). c) Participar en la síntesis de coenzimas Regulación de la síntesis de purinas Dado el papel fundamental de los nucleótidos purínicos en la síntesis de ácidos nucleicos, es evidente que su producción debe estar sometida a una fina regulación. Los mononucleótidos IMP, AMP y GMP ejercen una inhibición alostérica (retroinhibición) sobre la PRPP sintetasa y sobre la PRPP amidotransferasa. La ramificación de la vía a partir de IMP es otra zona de retroinhibición, en la que el AMP inhibe la

Figura 9.17. Biosíntesis de nucleótidos de purina. FH4 = tetrahidrofólico; XMP = xantosina monofosfato; PRPP = fosforribosil pirofosfato.

Figura 9.19. Formación de AMP y GMP a partir de IMP.

adenilosuccinato sintetasa y el GMP inhibe la IMP deshidrogenasa (Figura 9.20) 9.3.1.2 Degradación y recuperación de purinas Aún no está claro el modo en que los ácidos nucleicos se descomponen intracelular-

mente. No obstante, los datos disponibles indican que los ácidos nucleicos pueden ser hidrolizados por endonucleasas y exonucleasas. Los oligo y mononucleótidos son luego degradados a nucleósidos por acción de fosfomonoesterasas; los productos son adenosina y guanosina. La adenosina puede ser desaminada a inosina pero no la adenina a hipoxantina; la enzima es la adenosina de-

su libro se aceptaba de un modo general que los genes eran moléculas de proteínas. Durante la segunda mitad del siglo XIX, los biólogos entraron en el "juego" al dedicarse al estudio minucioso de las células. La célula es la unidad de la vida; consta de un protoplasma rodeado de una fina membrana y un cuerpo central llamado núcleo. Si una persona sufre de diabetes es porque ciertas células del páncreas dejan de producir una sustancia determinada. Si se comprendiera cómo se transmiten las propiedades y características de las células, se sabría cómo se transmiten las propiedades y características de los organismos. Hacia 1880, un biólogo alemán, Walther Flemming, descubrió que el núcleo contiene un material que se tiñe de rojo al que llamó cromatina (del griego que significa color). Durante la división de la célula, la cromatina se aglomera en pares de filamentos llamados cromosomas. Cuando la división ha terminado, cada nueva célula tiene un número igual de cromosomas; cada cromosoma forma una réplica de sí mismo y cada nueva célula posee un juego completo de pares de cromosomas, idéntico al que tenía la célula madre. Parece lógico suponer que las características y funciones de las células están gobernadas por estos cromosomas. ¿Será que los cromosomas pueden también configurar las características de todo un organismo? Después de todo, por grandes y complejos que sean los organismos empiezan su vida siendo una célula. Se inicia el ser humano con una célula fertilizada, unión del óvulo materno y del esperma paterno. La célula espermática consta casi únicamente de cromosomas, veintitrés en total. El óvulo también tiene veintitrés cromosomas. Las células ovulares y espermáticas tienen, por lo tanto, "medios juegos" de cromosomas. Cuando se funden para formar el óvulo fecundado contiene éste veintitrés pares de cromosomas, uno materno y uno paterno de cada par.

Cada cromosoma se compone de una serie de genes, cada uno determina una característica diferente; se calcula que cada cromosoma humano contiene más de 3000 genes. De esta manera, los progenitores transfieren a su descendencia toda la información (que a su vez recibieron de sus padres) para que dichos descendientes sigan los mismos patrones morfológicos, fisiológicos y moleculares del organismo del cual provienen. De hecho, el organismo recién generado no necesita "aprender" a elaborar todos los sistemas, estructuras o moléculas que han de constituirse, sino que de sus progenitores recibe un cúmulo de información de cómo ha de hacerlos. Esta gigantesca cantidad de información es el mejor legado que los descendientes reciben de sus progenitores y por ello se le conoce como herencia biológica o herencia genética. La necesidad de que exista algo en lo que se pueda conservar esta información biológica para que luego sea transferida a la nueva generación se entiende si aceptamos que en el pasado remoto del planeta, seres más capaces para sobrevivir surgían por mejoras de organismos predecesores. Es evidente que dichas mejoras deberían conservarse en alguna parte para luego ser transferidas a los descendientes y no se tuviera que comenzar de nuevo a intentar conseguir dichas mejoras en cada generación. De esta manera, las características ventajosas se seleccionan e incrementan, ya que las recién adquiridas, se suman a las ya existentes. Con esta herencia biológica, los descendientes reciben pues, prácticamente todos los éxitos de millones de años de evolución; millones de años de esfuerzo que la naturaleza ha llevado a cabo, gracias a lo cual, no se necesita volver a andar el largo camino de la escala biológica. Antecedentes históricos Hipócrates identificó la intervención de un componente hereditario en distintas en-

Figura 9.20. Regulación de la síntesis de nucleótidos de purinas. saminasa. La guanosina y la inosina son degradadas por nucleósido fosforiiasas liberando las bases y ribosa-1-P o desoxirribosa-1-P. La guanina y la hipoxantina resultantes de la reacción pueden seguir dos caminos: 1) reconvertirse en sus ribonucleótidos o 2) convertirse en xantina. La oxidación de la hipoxantina a xantina y la oxidación de xantina en ácido úrico están catalizadas por la xantino oxidasa (Figura 9.21), metaloflavoproteína que contiene FAD, molibdeno y también hierro no hemo. Se han descrito dos enfermedades inmunodeficientes con defectos en la adenosina

desaminasa y nucleósido fosforiiasas. La deficiencia de adenosina desaminasa implica disfunción de células T y B. No se conoce aun el mecanismo pero hay una acumulación extraordinaria de desoxidenosín trifosfato (dATP) en eritrocitos y linfocitos T y B: de hecho, supera a la concentración de ATP. Se sabe que el dATP es inhibidor de la ribonucleótido reductasa: por tanto, se ve afectada la síntesis de DNA (replicaáón celular). Se cree que esto es lo que conduce a deficiencias en el sistema inmune. Quizá si se aplicaran los concomientes obtenidos en esta enfermedad, se tendría más éxito en el tratamiento de leucemia linfoblás-

Figura 9.21. Catabolismo de ácidos nucleicos y purinas.

tica aguda, cuyo origen está en las células T. Esta leucemia podría responder a la desoxicoformicina, un inhibidor de la adenosina desaminasa. La deficiencia de nucleósido fosf orí lasas afecta a las células T sin efecto aparente sobre células B. Hay un descenso marcado de ácido úrico y elevación de guanosina, desoxiguanosina, inosina y desoxiinosina. Al incubar linfocitos T normales con estos nucleósidos se observa que la desoxiguanosina es el mas tóxico. En los eritrocitos el

dGTP es el que más se acumula y actúa como inhibidor de la GDP reductasa. Recuperación de purinas La reconversión de guanina e hipoxantina en sus correspondientes nucleótidos se lleva a cabo por medio de la enzima hipoxantinaguanina-fosforribosil-transferasa (HGPRT). En esta reacción tiene un papel fundamental el PRPP como donador de ribosa-5-fosfato (Figura 9.22). Cuando el PRPP reacciona

Figura 9.22. Vías de recuperación de pininas. HGPRT = hipoxantina - guanina - fosforribosil - transferasa; APRT = adenina- fosforribosa- transferasa; PRPP = fosforribosil pirofosfato. con adenina, se forma AMP por acción de la adenina fosforribosil transferasa (APRT). Ambas enzimas son fosforribosil transferasas, y actúan especialmente en el sistema nervioso central, donde la capacidad para la biosíntesis de purina es baja. El IMP y GMP son inhibidores competitivos de la HGPRT; el AMP es inhibidor competitivo de la APRT. El eritrocito no tiene PRPP amidotransferasa y requiere de las fosforribosil transferasas (HGPRT y APRT) para la poza de nucleótidos. En virtud de la gran cantidad de energía, en forma de ATP, que se requiere para sintetizar los nucleótidos purínicos, la reutilización de bases preformadas (exógenas o endógenas) representa un ahorro considerable de energía para la célula. Excreción de ácido úrico El ácido úrico es el producto final de la degradación de las purinas en el hombre y es excretado como urato en la orina junto con

pequeñas cantidades de hipoxantina y xantina (Figura 9.23). El ácido úrico filtra por el glomérulo (6 mg/min), pero existe una extraordinaria reabsorción en el túbulo proximal. Sin embargo hay también una secreción tubular muy activa que permite la excreción de ácido úrico sin que precipite en el túbulo. En la orina humana se elimina a diario 0.4 - 0.8 g de urato, dependiendo de la dieta y determinadas hormonas (ACTH o esferoides). El 75 % del urato que se elimina es excretado por la orina y el 25% por intestino, donde es degradado por las bacterias intestinales (uricólisis). La excreción renal de uratos es inhibida por oxoácidos como el láctico. En cambio, los agentes uricosúricos bloquean la resorción tubular de ácido úrico y aumentan su excreción por orina. El urato plasmático se encuentra como sal monosódica (monourato sódico). La forma predominante está determinada por el pH del medio; de acuerdo al pKa a pH inferior a

Figura 9.23. Formación de ácido úrico.

5.4, predomina el ácido úrico y a pH superior a 5.4 predomina el monourato. De aquí que al pH fisiológico predomine la sal monosódica. En agua, el ácido úrico es 17 veces menos soluble que el urato de sodio. Debido a que el pH normal de la orina es inferior al pKa del ácido úrico, la forma predominante (ácido) es'la altamente insoluble. La precipitación de cristales de ácido úrico puede aumentar por una excreción excesiva provocada por agentes uricosúricos, pero puede evitarse alcalinizando la orina. Fisiopatológicamente, el ácido úrico puede provocar dos tipos de trastornos: 1. Hiperuricemia, que es la alteración más frecuente, o hipouricemia, sin significado patológico. 2. Precipitación de sus sales en órganos o tejidos del organismo.

Aunque puede haber hiperuricemia asintomática, la relativa insolubilidad del ácido úrico significa que puede precipitar en túbulos y provocar insuficiencia renal, por lo que toda hiperuricemia por arriba de 8 mg% debe ser tratada (normal 2.0 - 6 mg% en la mujer y 2.6 - 7.5 mg% en el hombre*). Causas de hiperuricemia La hiperuricemia puede deberse a numerosos procesos patológicos: eclampsia, insuficiencia renal, leucemia (sobre todo tratada con quimio o radioterapia), saturnismo, diabetes mellitus, hiperfunción de adenohipófisis y corteza suprarrenal (acromegalia, síndrome de Cushing), hiperfunción gonadal masculina, * Manual de procedimientos. Laboratorio clínico IMSS, 1974.

enfermedades infecciosas, convalescencia, medicaciones como la clorotiazida y otras. Los mecanismos por los cuales puede elevarse el ácido úrico en sangre pueden ser: 1. Aumento en la ingestión de purinas. Las fuentes alimenticias ricas en nucleoproteínas son hígado, riñon, páncreas, sardinas, anchoas, sesos, bacalao, carnes rojas, chícharos y frijoles. 2. Disminución de la excreción urinaria. En la insuficiencia renal se eleva el nitrógeno total incluyendo el que proviene del ácido úrico. 3. Aumento en la formación de ácido úrico. Es la patogenia más admisible, ya que en el síndrome gotoso coexisten hiperuricemia y menor eliminación úrica por riñon. Además, existen defectos enzimáticos responsables de la sobreproducción como las que afectan la PRPP sintetasa, HGPRT, adenosil desaminasa, etc. Las alteraciones que más frecuentemente se acompañan de hiperuricemia son la gota, el artritismo y la litiasis úrica. Gota Es una enfermedad clásica que ha dado lugar a numerosas anécdotas de la Medicina y la Historia Universal; en el año 460 A.C., Hipócrates describió el clásico cuadro de gota; Lukian en el siglo III hablaba de la "tragopodagra y ocypus". La primera descripción microscópica de los cristales de urato monosódico la realizó Van Leuwenhock en material drenado de un tofo. La historia moderna de la gota empieza en 1683 cuando T. Sydenham, quien sufría de ella, describió detalladamente los síntomas. En 1848, Garrod estableció la relación entre hiperuricemia y gota. La gota se ha asociado a personas ricas y de talento. Afectados de ella fueron los Med i d , Carlos IV, Samuel Johnson, Benjamín Franklin, Isaac Newton y Charles Darwin entre otros.

El nombre de la enfermedad proviene del latín gutta, porque se creía que la enfermedad era causada por una toxina que caía "gota a gota" en las articulaciones. Según la opinión tradicional, la gota se asocia a comidas copiosas y a un alto nivel de vida. No obstante, las dietas ricas en proteínas las consume hoy un gran porcentaje de la población, que lo que era un factor causal importante en el pasado ha perdido significación en el siglo XX: La gota se caracteriza por niveles elevados de ácido úrico en sangre (hiperuricemia), ataques agudos de artritis que ceden específicamente con colchicina, cambios degenerativos y destructivos en las articulaciones y tendencia con los años a la formación de depósitos calcáreos de monourato de sodio en cartílagos y tejidos periarticulares, difusos o nodulares, que son los típicos tofos o "piedras de yeso" de especial predilección por los dedos y el pabellón auditivo. La gota se clasifica en dos tipos: primaria y secundaria: Gota primaria. Es un trastorno genético que se presenta generalmente en hombres y mujeres posmenopáusicas. Se debe a un trastorno metabólico por deficiencia de enzimas (o de su control) involucradas en la síntesis de novo de nucleótidos purínicos que conduce a su sobreproducción. Entre los defectos descritos en el hombre se encuentran los siguientes: 1. Mutantes de PRPP sintetasa que no responden a la inhibición alostérica (retroinhibición) por fosfato inorgánico, ADP o GDP. En estas condiciones se eleva la concentración intracelular de PRPP lo que conlleva a producción aumentada de 5-fosforribosilamina. 2. Deficiencia parcial de HGPRT que conduce a elevación de PRPP que no puede ser utilizado por la vía de recuperación. El PRPP es un activador de la PRPP amidotransferasa con lo que se acelera la síntesis de purinas. Además, la falta de recuperación

de hipoxantina o guanina conduce a disminución de IMP y GMP que ya no pueden retroinhibir a la PRPP amidotransferasa. En ambos casos, el rasgo común es la elevación de PRPP intracelular. Uno de los mecanismos propuestos para explicar los episodios de inflamación asociada a la artritis gotosa aguda es que pequeñas cantidades de urato sódico precipitan y cristalizan. Esto activa el factor Hageman (zimógeno proteasa) que causa infiltración leucocitaria y fagocitosis de los cristales de urato. Los cristales fagocitados producen destrucción de lisosomas con la consiguiente liberación de enzimas hidrolíticas que producen destrucción hística e inflamación. Los leucocitos acumulados en el área inflamada producen ácido láctico, baja el pH lo que reduce la solubilidad de los uratos y se establece el círculo vicioso. Se tienen informes de que el 17-p-estradiol, que no existe en hombres y mujeres posmenopáusicas, confiere gran estabilidad a la membrana lisosomal, lo cual no ocurre con la testosterona. La gota primaria se observa con mayor frecuencia en varones mayores de 30 años y mujeres posmenopáusicas. Gota secundaria. La gota secundaria está producida por una variedad de alteraciones como leucemia (aumento de los leucocitos), policitemia (aumento de eritrocitos), nefritis crónica, enfermedad de Von Gierke (deficiencia de glucosa-6-fosfatasa), o por antimetabolitos utilizados en el tratamiento del cáncer. La gota secundaria aparece en ambos sexos y a edades más tempranas. La deficiencia de glucosa-6-fosfatasa hace que este compuesto (glucosa-6-fosfato) se desvíe al ciclo de las pentosas y produzca elevaciones de nbosa-rT-F, sustrato iniciar de la biosíntesis, que favorece la formación de PRPP. Ademas, la enfermedad cursa con hipoglucemia que provoca elevación de cuerpos cetónicos (ácidosis); se inhibe la secreción tubular de urato y aparecen hiperuricemia y gota.

Cualquiera que sea la causa, la gota se asocia a hiperuricemia (aunque la hiperuricemia no siempre se asocia con gota). Los ataques agudos de gota, generalmente en articulaciones de los dedos del pie (sobre todo del dedo grueso del pie derecho) son extremadamente dolorosos y pueden dejar deformidad permanente. Los tofos son desfigurantes, pero indoloros. Factores predisponentes y precipitantes La clásica imagen del gotoso es la de un obeso rubicundo, buena vida, gran bebedor y amigo del placer descrito en las novelas. Dos factores explican la alta incidencia de gota en estos sujetos: 1. El alcohol disminuye la excreción renal de uratos, ya que se metaboliza a lactato, el cual inhibe dicha excreción. 2. Una dieta rica en carnes (proteínas) contiene gran proporción de ácidos nucleicos. Ninguno de estos factores provoca gota en individuos normales, pero si en individuos predispuestos. La coexistencia de diabetes y gota se ha podido explicar en virtud del parentesco químico entre ácido úrico y aloxana (Figura 9.24), sustancia de conocidos efectos diabetogénicos. Por otro lado, en la diabetes se producen cuerpos cetónicos (ácidos) que interfieren con la excreción de úrico. Síndrome de Lesch-Nyhan El síndrome fue descrito por sus autores en 1964. Esta grave enfermedad ligada al cromosoma X (la padecen sólo los varones) se inicia a temprana edad con una enorme sobreproducción de purinas y con ello un exceso de ácido úrico no sólo en sangre y tejidos, sino también en orina. Uno de los signos mas precoces aei* sinarome, rrecuememenie pasado por alto, es la apariencia de cristales de color naranja (uratos) en los pañales. El síndrome de Lesch-Nyhan se asocia con alteraciones neurológicas con espasticidad y coreoatetosis, alteraciones mentales,

Acido úrico

Aloxana

Figura 9.24. Estructura de ácido úrico y aloxana. Esta última sustancia destruye los islotes pancreáticos.

desarrollo motor lento y compulsión por morderse los dedos y los labios (automutilación). Es notable también el comportamiento agresivo de estos pacientes. El defecto en el síndrome de Lesch-Nyan se localiza en el gene para la enzima hipoxantina-guanina-fosforribosil-transferasa (HGPRT) que participa en la recuperación de nucleótidos de purina los cuales se derivan hacia la formación de ácido úrico. Los niveles de GMP y de IMP descienden con lo que la PRPP amidotransferasa no sería controlada por retroinhibición, produciendo cantidad excesivas de 5-fosforribosil-amina. Además, la HGPRT defectuosa haría que se acumulada PRPP el cual quedaría disponible para que la PRPP amidotransferasa lo transforme en 5-fosforribosil-amina; los datos disponibles parecen apoyar esta segunda interpretación. La distribución normal de HGPRT quizá permita explicar la sintomatología neurológica. Cerebro y cerebelo tienen 10 a 20 veces más actividad de la enzima respecto a hígado, bazo y riñon, y 4-8 veces más respecto a eritrocitos. Los productos de degradación de las purinas (hipoxantina, xantina y ácido úrico) no son tóxicos para el cerebro maduro, pero sí para el cerebro en desarrollo. Por otro lado, la falta de la enzima puede conducir a un desequilibrio en las concentraciones de nucleótidos purínicos en momentos críticos del desarrollo.

Principios terapéuticos de la gota y el síndrome de Lesch-Nyhan. El tratamiento puede estar basado en: a) Una dieta suficiente, pero no rica, en proteínas. Las proteínas contribuyen a la síntesis de purinas ya que participan varios aminoácidos en su síntesis. b) Deberá evitarse la obesidad y la deshidratación. La deshidratación puede producir cristalización de urato. El alcohol produce diuresis, que conduce a deshidratación, y contribuye a la acidosis láctica que produciría precipitación de cristales de urato sódico en las articulaciones. c) Aumentar la excreción renal de uratos. Esto se logra con uricosúricos como probenecid y salicilatos. El tratamiento es útil si la función renal es normal; no obstante debe alcalinizarse la orina para evitar la precipitación de ácido úrico y la formación de cálculos. d) Reducir la producción de ácido úrico. El medicamento que inhibe la formación de urato con mayor eficacia es el alopurinol, inhibidor competitivo de la xantino oxidasa (Figura 9.8). El alopurinol puede convertirse en su ribonucléotido mediante la fosforribosil transferasa; el ribonucléotido análogo inhibe la PRPP amidotransferasa. La reducción de ácido úrico mediante la administración de alopurinol alivia los síntomas y disminuye la formación de cálculos renales de urato. No obstante, debe utilizar-

se con precaución en pacientes leucémicos sometidos a tratamiento con análogos purínicos. Esto puede ocasionar que estos análogos no sean degradados por la xantino oxidasa y aumente su concentración en sangre, generalmente, los antimetabolitos se utilizan a niveles elevados, un poco por debajo de sus concentraciones tóxicas. e) Uso de antiinflamatorios. Entre estos se encuentra el medicamento de elección para el ataque agudo de gota, la colchicina. Este medicamento es un alcaloide de Colchicum antumnale que se usa desde hace siglos en las artralgias de origen gotoso. Al parecer se une a las subunidades proteicas que forman parte de los microtúbulos de leucocitos polimorfonucleares; esto provoca disgregación de los microtúbulos lo cual inhibe la locomoción de los leucocitos y su adherencia durante la fagocitosis. Aunque mejora los ataques agudos de gota, la colchicina no afecta los niveles sanguíneos de urato. Otros antiinflamatorios utilizados incluyen ACTH, glucocorticoides, fenil-butazotia, etc., algunos de los cuales son además, uricosúricos. Pseudogota Es un cuadro clínico de falso reumatismo gotoso que se presenta en algunos casos de

hiperparatiroidismo. El pirofosfato de calcio precipita en cavidades articulares y da un cuadro parecido a la gota. El urato sérico es normal. Xantinuria. Se trata de un síndrome que publicaron en 1954 Dent y Philpot, que se caracteriza por la presencia de cálculos de xantina e hipouricemia. El síndrome se debe a deficiencia total de xantino oxidasa con el consiguiente aumento de hipoxantina y xantina. Metilxantinas. Es un fenómeno sociológico notable que las tres bebidas más comúnmente usadas por la civilización moderna; café, té y chocolate, descubiertas independientemente por gentes primitivas en diferentes partes del mundo, contienen como ingrediente principal metilxantinas de estructura química y propiedades farmacológas relacionadas (Figura 9.25). Estas metilxantinas son la cafeína del café, la teofilina del té y la teobromina del cacao. Los refrescos de cola contienen cantidades considerables de cafeína. Las tres metilxantinas son estimulantes del sistema nervioso central, diuréticas e inhibidoras de la fosfodiesterasa del AMPc; además, estimulan el centro respiratorio me-

Figura 9.25. Estructura de metilxantinas.

Teobromina Figura 9.25. Estructura de metilxantinas.

dular. La de mayor actividad diurética e inhibidora de la fosfodiesterasa es la teofilina, y más aún la teofilina-etilendiamina (aminofilina), que es un vasodilatador coronario y eficaz broncodilatador. Ninguna de las metilxantinas mencionadas se transforma en ácido úrico por lo que es injustificada la prohibición de café, té o chocolate en enfermos de gota. Ciclo de purín nucleótido. Desde hace años se sabe que el trabajo muscular se acompaña de producción de NH3, a través de la reacción: AMP desaminasa AMP + H 2 0

. IMP + NH3

Sin embargo, la desaminación del AMP no está directamente implicada en la contracción muscular. Esto llevó a Lowenstein en 1971 a proponer una vía de regeneración de AMP a partir de IMP, llamado ciclo del purín nucleótido (Figura 9.26). Este ciclo es importante en músculo y cerebro; aunque el hígado posee las enzimas del ciclo, no produce niveles significativos de NH3 por esta vía. La acción de la AMP desaminasa en tejido muscular coincide con una baja actividad de la glutamato deshidrogenasa, enzima clave de la desaminación de aminoácidos y

producción de NH3. Para compensar la baja actividad glutamato deshidrogenasa, la AMP desaminasa desempeña el papel de deshidrogenasa (desaminación oxidativa). El IMP resultante de la desaminación del AMP reacciona con el aspartato para regenerar AMP. 9.3.2 Biosíntesisy degradación de nucleótidos de pirimidina 9.3.2.1 Síntesis de pirimidinas A diferencia de los nucleótidos de purina, el anillo pirimídico se forma antes de la unión de ribosa-5-fosfato. Sin embargo, en ambas biosíntesis la reacción inicial controla la secuencia de las siguientes reacciones. Los precursores de los nucleótidos pirimidínicos son también relativamente simples: aspartato, carbamilfosfato y PRPP; tetrahidrofolato para timidina. El carbamilfosfato utilizado en la síntesis de pirimidinas es sintetizado por una carbam ilfosfato sintetasa //diferente de la que participa en la síntesis de carbamilfosfato en el ciclo de la urea que tiene lugar en las mitocondrias hepáticas. La biosíntesis de pirimidinas se realiza prácticamente en el citoplasma de todos los tejidos. Además,

Figura 9.26. Ciclo del purín nucleótido.

el nitrógeno del carbamilfosfato citosólico proviene del grupo amida de la glutamina. La reacción requiere HCO3 y dos moléculas de ATP. El UTP es un inhibidor alostérico de la enzima, mientras que el PRPP se comporta como activador. La siguiente reacción es la unión de aspartato con carbomilfosfato catalizada por la aspartato carbamil transferasa (antes aspartato transcarbamilasa). El carbamil aspartato formado se cicliza por acción de la dihidroorotasa y se transforma en dihidroorotato. En el hombre, estas tres primeras enzimas de la vía (carbamil fosfato sintetasa II, aspartato carbamil transferasa y dihidroorotasa) se encuentran en una sola enzima multifuncional; la actividad transcarbamilasa es inhibida alostéricamente por el producto final, el CTP, mientras que el ATP se comporta como activador. El ácido dihidroorótico se transforma en orático por acción de una enzima mitocondrial dependiente de NAD + , la dihidroorotato deshidrogenasa. El ácido orótico se convierte en el correspondiente ribonucleó-

tido, orotidina-5-fosfato por acción de la orotato fosforribosil transferasa, seguida por una descarboxilación irreversible hasta uridín monofosfato (UMP), primer precursor común del cual derivan todos los demás (Figura 9.27). Las actividades fosforribosil transferasa y orotidina-5-fosfato descarboxilasa radican en una misma proteína. El agente antineoplásico 6-azauridina, en forma de ácido 6-azauridílico es un inhibidor competitivo de la actividad descarboxilasa, Biosíntesis de desoxirribonucleótidos Para la síntesis de DNA se precisan desoxirribonucleótidos. La reducción de ribonucleótidos difosfato se lleva a cabo por reacciones análogas a los nucleótidos de purina mediante la acción de ribonucleótido reductasa o nucleósido difosfato reductasas, que utilizan NADPH como fuente reductora y tiorredoxina (Figura 9.28). La ribonucleótido reductasa reduce los cuatronucleótidos, ADP, GDP; CDP y UDP, a sus correspondientes desoxirribonucleótidos, los cuales son luego transformados en dATP, dGTp y dCTP para la síntesis de DNA. El dUTP es

fermedades, desde el año 400 A.C. Consideró que el material reproductivo del hombre procede de todas las partes del cuerpo, esto es, que las características para órganos como hígado, cerebro, corazón, etc., se heredan en forma directa de los mismos. Aristóteles, 350 años A.C, observó el parecido que tienen los nietos con los abuelos y concluyó que la mujer aporta el material de la herencia, el hombre lo define y el embrión lo asume. Ya en nuestra era, en base al conocimiento de que para generar un nuevo organismo los progenitores contribuyen con una célula cada uno (espermatozoides y óvulo), se trató de explicar cómo a través de dichas células se podía transferir la herencia a la descendencia. Se hicieron muchas elucubraciones al respecto. Se pensaba que en el espermatozoide viajaba un pequeño hombrecillo (homúnculo) que se alimentaba, en sus estadios iniciales, del vitelo del óvulo y que al llegar a la matriz lo único que hacía era crecer. Es decir, la herencia viajaba en forma de un homúnculo (Figura 9.1). De sobra está decir que a la luz de los hallazgos científicos, esta suposición fue insostenible; nunca se observó tal hombrecillo. Si la herencia no viajaba de esta forma, ¿cómo lo hacía entonces?. Ya sin hombrecillo, el espermatozoide y el óvulo quedaban reducidos sólo a moléculas; algún tipo de molécula debería transportar pues, esta información. Llegó el momento de investigar a mayor profundidad, es decir, entrar en los dominios de la química. Ya en 1807, a las sustancias aisladas de tejidos vivos se les llamó sustancias orgánicas; a las obtenidas del mundo inanimado, sustancias inorgánicas. Hacia 1820 ya era habitual dividir las sustancias orgánicas en tres grupos: carbohidratos, lípidos y proteínas. A mediados del siglo XIX, parecía indudable que, de las tres, las proteínas eran las de estructura más complicada y función más importante (proteína, del griego: primordial).

Figura 9.1. Homúnculo en espermatozoide humano (tomado de Hartsoeker, Essai de dioptrique. París, 1694. pág. 230).

La complejidad de las proteínas se refleja en la fragilidad de la sustancia; los carbohidratos y los lípidos resisten tratamientos que las proteínas no soportan. En realidad, las proteínas parecen ser la materia misma de la vida ¡tan frágiles y delicadas como un ser viviente!

Figura 9.27. Biosíntesis de bases y nucleótidos de pirimidina.

hidrolizado a dUMP para evitar que el dUTP participe en la síntesis de DNA. El dTTP, necesario también para la síntesis de DNA, proviene del dUTP mediante una reacción catalizada por la timidilato sintetasa y la participación de metilen-FH4 como donador coenzimático de metilos. El dihidrofolato (FH2) resultante se reduce nuevamente a tetrahidrofolato (FH4 por acción de la dihidrofolato reductasa (Figura 9.29). Esta última reacción requiere NADPH y es inhibida por análogos de ácido fólico como aminopterina y ametoptenna (metotrexato), en tanto que fluorodesoxiuridina inhiben la timidilato sintetasa.

Orótico aciduria. La única enfermedad del metabolismo de pirimidinas bien descritas hasta la fecha es la aciduria orótico u orótico aciduria. Es una alteración genética debida a deficiencia severa de orotato fosforribosil transferasa (también llamada orotidilato pirofosforilasa) y orotidina-5-fosfato descarboxilasa. La forma primaria de la enfermedad se acompaña de enanismo, astenia, anemia hipocrómica megaloblástica que no mejora con Fe, piridoxina, B12, ácido fólico, o ácido ascórbico; además se presenta leucopenia y retraso mental. Los niños afectados no pue-

Figura 9.28. Biosíntesis de desoxirribonucleótidos.

Tigura 9.29. Bi. den sintetizar nucleótidos de pirimidina y excretan grandes cantidades de orotato por la orina. La administración de uridina (2-4 g/día) mejora la cantidad de hemoglobina, cura la anemia y aumenta el crecimiento corporal. Para los individuos afectados la uridina viene a convertirse en una vitamina que hay que administrar de por vida. La forma secundaria de aciduria orótica puede presentarse en pacientes tratados con el antineoplásico 6-azauridina, que se convierte en ácido 6-azauridilico el cual es un inhibidor competitivo de la actividad descarboxilasa. El ribótido de alopurinol. proveniente del alopurinol usado en la gota, también inhibe competitivamente la actividad descarboxilasa. Modelo clínico: aciduria orótica primaria Un niño tuvo nacimiento normal y a término, pero a los 5 meses de edad presentó diarrea pastosa, pálida y de olor fétido que obligó a llevarlo al hospital. Se le encontró anemia grave (eritrocitos: 2.5 millones/ml y hemoglobina: 6 g/100 mi). Fue tratado con gluconato de fierro, ácido ascórbico, ácido fólico, Bj2 y concentrado de hígado, diariamente. Mejoró durante dos meses, pero recayó por afección

íntesis d e d T T P .

respiratoria de vías superiores y fue rehospitalizado. A pesar del tratamiento, la anemia empeoró, la médula era hipercelular e indicaba anemia perniciosa pero no respondía a B¡2, ácido fólico ni piridoxina. Se detectó la presencia de un sedimento cristalino en orina que fue identificado como ácido orótico (1.5 g/día). Al ser tratado con extracto de levadura conteniendo ácido uridílico y citidílico presentó una notable reducción de la oroticuria; los eritrocitos circulantes aumentaron y la hemoglobina se elevó a 14 g/100 mi. Otros pacientes han respondido mejor con uridina que con levadura. 9.3.2.2 Degradación de pirimidinas En la ruta degradativa los nucleótidos se convierten primero en nucleósidos y éstos en la base libre uracilo o timina. La citidina y la desoxicitidina se desaminan a uridina y desoxiuridina respectivamente por medio de un nucleósido desaminasa. El uracilo y la timina continúan degradándose hasta los productos finales que se indican en la figura 9.30. El uracilo se degrada hasta P-alanina, C02 y NH3; la degradación

de la timina conduce a ácido P-aminoisobutírico, NH3 y CO2. El ácido P-aminoisobutírico se excreta en la orina; la excreción puede aumentar en leucemias y después de exposición a quimioterapia o radioterapia antineoplásica. Se puede estimar el recambio de DNA o de timina midiendo la producción de p-aminoisobutirato. ALrededor de 25 % de personas con ancestros chinos o japoneses excretan en forma constante cantidades excesivas de P-aminoisobutirato. A diferencia de los metabolitos de purina, los productos del catabolismo de pirimidinas son muy solubles en agua. Dado que ninguna enzima humana cataliza la hidrólisis de seudouridina, este nucleósido proveniente del RNAt se excreta sin cambio en la orina normalmente. 9.4 ESTRUCTURA DE DNA y RNA En un principio, las observaciones de Levene sugerían que el grupo prostético de las nucleoproteínas eran tetranucleótidos. Durante los años 40 se obtuvieron cadenas más y más largas; en los 50 se obtenían muestras de RNA hasta de mil nucleótidos y muestras de DNA que contenían veinte mil nucleótidos. Poco a poco, se puso de manifiesto que la teoría de la estructura tetranucleótida del ácido nucleico era errónea. Con el tiempo se apreciaron ciertas regularidades de carácter general que parecían comunes a todas las especies, desde el hombre hasta los virus: 1. Los estudios de Erwin Chargaff en los que establecía la equivalencia de adenina con timina y guanina con citosina. Además, el total de purinas (adenina más guanina) era igual al total de pirimidinas (timina más citosina). Eran estas regularidades importantes pistas para descubrir la estructura del ácido nucleico. 2. La aportación crucial llegó en 1953, cuando el físico inglés Maurice Wilkins y su

colaboradora Rosalind Franklin estudiaron fibras de DNA por difracción de rayos X. Ellos encontraron una estructura que era congruente con una hélice en forma de escalera de caracol mal llamada "de espiral". Ya en 1951, los químicos norteamericanos Linus Pauling y R.B. Corey habían demostrado que las cadenas polipeptídicas de una proteína estaban dispuestas en hélices estabilizadas por puentes de hidrógeno. (Por este trabajo, Pauling recibió el Premio Nobel de Química en 1954). Estos y otros hallazgos permitieron al inglés Francis Crick y al norteamericano James Watson presentar el modelo de DNA que conocemos actualmente. (Por su labor en este campo, Wilkins, Watson y Crick compartieron el Premio Nobel de Medicina y Fisiología en 1962). El descubrimiento de que el DNA es una doble hélice ha sido uno de los mayores acontecimientos de la biología molecular. Los aspectos más importantes del modelo planteado por Watson y Crick son: 1. Dos cadenas helicoidales antiparalelas de polinucleótidos enrolladas a lo largo de un eje común (Figura 9.31). 2. Las bases de purina y piridimina están ubicadas en el interior de la hélice, mientras que las unidades de fosfato y desoxirribosa se encuentran en el exterior. Los planos que forman las bases son perpendiculares al eje de la hélice. Las desoxirribosas se encuentran formando ángulos casi rectos con los de las bases (Figura 9.32). 3. Las dos cadenas permanecen unidas por puentes de hidrógeno entre ambas bases. La adenina forma pareja con timina a través de dos puentes de hidrógeno. La guanina con citosina a través de 3 puentes de hidrógeno. 4. La secuencia precisa de bases constituye la información genética. Todo lo anterior explica el fenómeno hipercrómico a 260 nm cuando se desnaturaliza el DNA; es decir, cuando sus dos cadenas

Figura 9.30. Degradación de pirimidinas.

Figura 9..31. Cadenas antiparalelas en el DNA. Reproducción modificada con autorización de: R. Montgomery y cois., Biochemistry. A case oriented approach, 4a. edición, pág. C. V. Mosby, Co., St.Louis,l985.

se separan por el calor (ruptura de los enlaces por puente de hidrógeno). La temperatura a la cual ocurre esto se denomina punto de fusión. También, el modelo explica la mayor estabilidad al calor de un DNA rico en pares C-G y el proceso de hibridización (DNARNA). En la actualidad se han encontrado otras conformaciones del DNA llamadas A, B, C, D , E y Z (tabla 9.3). El modelo de Watson y Crick se basa en el estudio de difracción de rayos X del DNAB, que constituye la mayor proporción del DNA. No obstante, el DNA puede adoptar las conformaciones DNA-A y DNA-Z (Figura 9.33); las otras conformaciones (C, D y E) no se han encontrado en la naturaleza y sólo se han producido experimentalmente. La hélice del DNA-A es más ancha y corta que la del DNA-B. Esta forma de DNA-A es biológicamente interesante ya que es

probable que sea la adoptada por los híbridos DNA-RNA. La conformación DNA-Z produce una secuencia alterna donde los grupos fosfato externos forman zig-zag, de ahí el nombre. El significado biológico del DNA-Z aún no está claro; pudiera tener función reguladora ya que proteínas que se unen al DNA-B no se unen al DNA-Z. El DNA tiene 2 grandes funciones: la replicación y la expresión. La expresión tiene lugar a través de intermediarios de RNA, es decir, el RNA es un intermediario entre el DNA y la síntesis de proteínas. Los tres tipos de RNA son el RNA de transferencia (RNAt o RNAs), el RNA mensajero (RNAm) y el RNA ribosomal (RNAr). Todos están comprometidos en la síntesis de proteínas. El RNAt (15% del total) transporta los aminoácidos a un sitio del ribosoma, partícula compuesta por RNAr (80% del total) y proteína. El RNAm (5% del total) copia la información contenida en el DNA del núcleo y la lleva al citoplasma para ser traducida en términos de secuencia polipeptídica. 9.4.1

Localización intracelu lar

La mayor proporción del DNA de las células de un organismo se localiza en los cromosomas del núcleo. En contraste, la mayor parte del RNA se localiza en el citoplasma. En términos aproximados, la cantidad de DNA del genoma de un organismo es proporcional a la complejidad de ese organismo. El DNA de los cromosomas se encuentra empaquetado y asociado con proteínas histonas y no histonas. El cromosoma está constituido por fibras de nucleoproteína que reciben el nombre de cromatina. La cromatina contiene casi el doble de proteínas que de DNA. La parte proteica de los cromosomas corresponde a 5 grupos de histonas (H1, H2A, H2B, H3 y H4) que forman un octámero que se pone en contacto con el DNA en la siguiente secuencia:

0.34 nm

2.0 nm Figura 9.32. Estructura helicoidal del DNA. (M.H.F. Wilkins, Medical Research Council, Biophysics Unit, King's College. London.).

H2A-H2B-H4-H3-H3-H4-H2B-H2A Este complejo DNA-histonas se denomina nucleosoma. La histona Hl se une al DNA y sella una sección de dos vueltas (161 pares de bases) generando el nucleosoma de forma discoide (Figura 9.34). La histona H4

es idéntica en plantas y animales y representa un caso de conservación evolutiva. La organización del nucleosoma (subunidad básica) es universal en todas las células eucarióticas. No todo el DNA celular se encuentra en el núcleo; una parte se localiza en mitocon-

* La forma más abundante. drías. Curiosamente, el RNA y DNA mitocondrial guardan un mayor parecido con el ácido nucleico de las células bacterianas. El DNA mitocondrial es circular y no forma nucleosomas. Se ha llegado a postular que en la célula primitiva las bacterias invasoras coexistieron en simbiosis hasta transformarse evolutivamente en mitocondrias. El DNA mitocondrial codifica la síntesis de todos los componentes de la cadena respiratoria y del sistema de fosforilación oxidativa. No obstante, la mayor parte de las proteínas mitocondriales están codificadas por genes del núcleo. Debido a que las mitocondrias se heredan del citoplasma, un individuo no recibe DNA mitocondrial en la misma proporción de cada progenitor. De hecho, las mitocondrias se heredan por herencia materna. Miopatía óptica hereditaria de Leber. Esta enfermedad es producida por defectos en el genoma mitocondrial (miopatía mitocondrial). Produce ceguera en varones jóvenes. Consiste en la mutación de una sola base que modifica un codón de arginina por histidina en la NADH-coenzima Q oxidorreductasa del complejo I de la cadena respiratoria. A excepción del RNAm que se sintetiza en el núcleo y luego llega al citoplasma donde, en conjunto con el RNAr y los RNA de transferencia, desempeña la función de sín-

tesis de proteínas, la localización de la mayor parte de los RNAs es citoplásmica. Los componentes del RNAr se sintetizan en el nucléolo y se concentran en el sistema retículo endoplásmieo, asociados al RNAm en forma depolisomas. 9.5 REPLICACIÓN, TRANSCRIPCIÓN Y TRADUCCIÓN DE LA INFORMACIÓN GENÉTICA Las relaciones del DNA con el RNA y con las proteínas pronto condujo al "dogma central" de la genética molecular. Este concepto fue propuesto por Crick en 1958 y establece el flujo de la información genética en el sentido DNA RNA proteínas, y no puede invertirse. Sin embargo, el descubrimiento de DNA polimerasas RNA dependientes (transeripiosas inversas) obligaron a revisar en 1970 el dogma central y adaptarlo a la forma: DNA -

RNA

. Proteínas

Los tres procesos que establecen la conservación y transmisión de la información genética son (1) replicación o copiado del DNA para formar moléculas hijas idénticas (2) transcripción, proceso por el cual el mensaje genético contenido en el DNA se

Surco

—

Z DNA

B DNA

3,4 A 2.56A

Forma A

Figura 9.33. Diversas geometrías de la doble hélice del D N A .

Dobk hélice

- ^ W O ^ ^

Nucleosomas

Fibra de cromatina constituida por nucleosomas empaquetados

Sección extendida del cromosoma

Sección condensad» del cromosoma

Cromosoma en metafase

2 nra

11 nm

30 nm

300 nm

700 nm

1400 nm

Figura 9.34 Distintos niveles de empaquetamiento de la cromatina, que constituye un cromosoma en metafase.

Por lo tanto, no fue una sorpresa para los bioquímicos descubrir que la naturaleza de los cromosomas es eminentemente proteica. ¿Qué otra cosa que no fuera el compuesto de "importancia primordiar lo que determina la herencia del organismo? por la naturaleza del mensaje que habría de transportar, la molécula portadora del mismo debería ser grande, compleja y con gran posibilidad de variación. De esta manera, parecía lógico pensar que esta función de ser portadoras de la herencia biológica, residiera en las proteínas. La proteína de los cromosomas es una proteína conjugada. En 1869, un joven químico alemán llamado Friedrich Miescher aisló de las células de pus una sustancia que, por haberla obtenido de células nucleadas, la llamó nucleína. Luego se demostró que poseía propiedades acidas, y se le denominó ácido nucleico. Esta sustancia estaba unida a la proteína (conjugada) de los cromosomas, por lo que se le dio el nombre de nucleoproteína. En 1935, el bioquímico norteamericano Wendell M. Stanley aisló el virus del mosaico del tabaco en forma de cristales de naturaleza proteica (Stanley compartió, por este descubrimiento, el Premio Nobel de Fisiología y Medicina de 1946). Luego resultó que este virus no era solo proteína, sino también contenía ácido nucleico, era una nucleoproteína. En 1940, se habían descubierto dos entidades que se reproducían: los cromosomas y los virus. ¡Y las dos eran nucleoproteínas! Sin embargo, para los químicos de 1940 la proteína tenía precedencia sobre la nucleoproteína. Bastaba considerar la gran variabilidad de las proteínas como integrantes de las enzimas y anticuerpos. Cada especie tiene miles de enzimas todas diferentes y al parecer, no existe límite para el número de anticuerpos que pueden producirse. Por esto, muchos científicos, más que buscar a la molécula portadora de la información genética, se dieron a la tarea de demostrar que las proteínas eran dichas moléculas; sin embargo, ningún bioquímico

pudo conseguir que una proteína corriente produjera un duplicado de sí misma. Por el contrario, empezaron a surgir hallazgos que sugerían que el ácido desoxirribonucleico (DNA) podía ser el responsable de esta importante función. Estos hallazgos fueron los siguientes: a) La cantidad de DNA en las células de un organismo es constante y no se altera por circunstancias ambientales, cambios en la nutrición, en el metabolismo, o en el estado de salud del mismo. b) Los gametos femenino (óvulo) y el masculino (espermatozoide) poseen sólo la mitad de la cantidad de DNA presente en las células somáticas. c) Aunque en forma aproximada, el contenido de DNA de las células de una especie, coincide con el grado de complejidad de la misma. d) Se observó que las longitudes de onda de la luz ultravioleta que producen más mutaciones, son las que más se absorben completamente por los ácidos nucleicos. Las anteriores, si bien eran evidencias, no probaban de manera directa que el DNA era el portador de la herencia biológica. Los primeros estudios que apoyaron esta idea, fueron realizados por el investigador inglés Fred Griffith en 1928. Griffith trabajó con dos cepas de neumococo; una patógena que poseía cápsula (cepa S) y otra, no patógena, incapaz de formar cápsula (cepa R). Griffith observó que la adición de células S virulentas, muertas por calor, a células R no virulentas vivas, provocaba que algunas células R se transformaran de manera permanente en células S con cápsula. Esto significaba que las células incapaces de formar cápsula, recibían la información para sintetizar la enzima necesaria para elaborar dicha cápsula. Era claro que, si toda la información de lo que es capaz de hacer a nivel molecular una célula se encuentra en su material hereditario, la cepa R estaba recibiendo de la cepa S, una porción de dicho material. Saber qué era

transcribe al RNA mensajero y (3) traducción, proceso por el que el mensaje genético es llevado a los ribosomas donde el RNA mensajero, actuando como plantilla o molde, dirige la secuencia específica de aminoácidos durante la biosíntesís de proteínas (Figura 9.35). La mayor parte de las bases moleculares de la transmisión de la información genética se obtuvieron en procariotes, principalmente Escherichia coli y bacteriófagos cuyo ciclo vital asexual, con un solo cromosoma, ocurre en estado haploide. Así, la genética bacteriana se puede estudiar sin las complicaciones de dominancia y recesividad mendeliana de las células eucarióticas diploídes. REPLICACION

Aunque los patrones moleculares de la replicación, transcripción y traducción parecen ser idénticos en procariotes y eucariotes, en estos últimos se superponen complicaciones especiales. Los organismos eucariotes contienen más información genética, se reproducen por conjugación sexual durante la cual hay recombinación, es decir, intercambio de genes que se incorporan en el genoma de la progenie. Genoma es un término que indica el patrimonio genético de una célula de un organismo o una célula de vida libre. Los procariotes también muestran recombinación, pero no es un proceso normal. Además, los eucariotes contienen DNA no sólo en el núcleo, sino también en mitocon-

TRANSCRIPCIÓN

TRADUCCIÓN

Figura 9.35. Resumen de eventos en la transmisión y expresión genética.

drías y otros organelos. (cloroplastos). Este DNA extranuclear está implicado en la herencia citoplásmica o extracromosómica, proceso aún poco conocido. 9.5.1

Replicación del DNA

El aspecto más notable del modelo de Watson y Crick desde el punto de vista genético es que los dos filamentos del DNA son complementarios y que cada uno de los DNA de doble filamento resultantes son copia fiel y exacta del original. Cuando una célula o un organismo se reproduce, la información contenida en el DNA debe pasar íntegra a la nueva célula u organismo generado. La forma de lograr esto, es produciendo copias exactas del DNA progenitor. Se plantearon tres hipótesis para explicar como se llevaba a cabo la replicación: 1. Hipótesis de la réplica conservativa del DNA en la cual, una doble hélice precursora "original" da origen a una nueva, quedando íntegra la original. 2. Hipótesis de la réplica semiconservativa en la cual la doble cadena precursora da origen a dos cadenas dobles teniendo cada una de ellas un filamento nuevo y uno original. 3. Hipótesis de la réplica dispersora según ésta, la doble cadena precursora se rompe en fragmentos a determinados intervalos y los segmentos replicados nuevos se combinan en una misma fibra con la progeni tora (Figura 9.36). Las experiencias de Messleson y Stahl en 1958, demostraron que la hipótesis semiconservativa era la correcta. Para ello cultivaron bacterias (E. coli) en un medio conteniendo nitrógeno pesado ( 15 N) en lugar del nitrógeno corriente ( 14 N). Después de un cierto tiempo cada molécula de ácido nucleico contenía dos filamentos 15-15. Estas bacterias con DNA 15-15 fueron trasladadas

a un medio con 14 N y se las mantuvo durante dos generaciones. En la primera generación todo el DNA resultó con una densidad desde luego intermedia 15-14), lo que indica que el modelo semiconservativo es el correcto (Figura 9.37). La replicación del DNA es más compleja de lo que se creyó en un principio. Uno de los problemas planteados es ¿cómo se separan las cadenas de doble hélice? En una célula de crecimiento rápido, se ha calculado que durante el desenrollamiento, la molécula debería girar a 10,000 rpm, velocidad muy improbable. El problema lo solucionan tres tipos de proteínas que actúan antes de las polimerasa y que se encargan de desenrollar y mantener separadas las dos cadenas del DNA original. Estas proteínas son las DNA topoisomerasas que rompen un enlace éster de una cadena y permiten el giro de la cadena que permaneció intacto; las helicasas desenrollan el DNA y las proteínas fijadoras, o desestabilizantes del DNA (pubs) se unen a una cadena del DNA e impiden que se una con la complementaria, de esta manera mantienen las dos cadenas del DNA separadas en llamado horquilla o tenedor de replicación, lugar donde la replicación se está llevando a cabo por la DNA polimerasa (Figura 9.38). Una vez separadas las dos cadenas del DNA, la DNA polimerasa catalizará la incorporación de los desoxirribonucleósidos trifosfato usando como molde una de las cadenas. Todas las DNA polimerasas añaden nucleótidos al extremo 3' de un cebador existente. En este punto es necesario distinguir entre molde y cebador. El término molde se refiere a una secuencia estructural que proporciona eí patrón para ía síntesis de otra molécula de secuencia complementaria. El término cebador se refiere a una molécula que determina el punto de crecimiento para la ulterior adición de unidades monoméricas. Un buen ejemplo de cebador es el glucógeno al que se añaden unidades de glucosa; sin

Figura 9.36. Hipótesis planteadas para explicar la replicación del DNA cadenas originales cadenas hijas

Figura 9.37. Resultados obtenidos por Messelson y DNA 15-15 y la línea fina el DNA 14-14.

a distintos tiempos. La linea gruesa representa el

embargo, el glucógeno carece de actividad continuo, en dirección 3' -* 5'; la cadena de molde. El DNA posee ambas actividades, llamada retardada, duplicada en fragmentos molde y cebador. Los bioquímicos han bus- llamados fragmentos de Okazaki, sigue la cado infructuosamente una enzima capaz de dirección contraria al tenedor de replicaagregar desoxirribonucleótidos al extremo ción. 5' de un DNA cebador, lo cual plantea otro Tanto la cadena continua (lider) como la de los problemas: ¿cómo se sintetizan si- discontinua (retardada) utilizan un RNA cemultáneamente ambas cadenas de DNA? bador para iniciar la síntesis de DNA. el En 1968, Reiji Okazaki demuestra que en RNA cebador es eliminado del DNA desE. coli el DNA sintetizado lo hace en frag- pués de su síntesis por acción de la DNA pomentos que luego se unen en un modelo de limerasa I, que posee actividad de nucleasa replicación discontinua. La cadena, llamada (para degradar el RNA) y actividad polimeconductora o líder, se duplica en un modelo rasa (que sintetiza el DNA complementa-

polimerasa a aumenta enormemente en el hígado en regeneración y otras células de división rápida. La polimerasa P es más pequeña y es indudablemente una enzima de reparación. La DNA polimerasa gama es la responsable de la síntesis de DNA mitocondrial y del DNA de algunos virus.

Horquilla o tenedor de replicación

Mecanismos de reparación del DNA DNA paterno

Horquilla o tenedor de replicación

Fragmentos de Okazaki

Figura 9.38. Replicación del DNA.

rio). La unión de los fragmentos de DNA lo lleva a cabo una DNA ligasa (Figura 9.39). La enzima que sintetiza el corto segmento de RNA es la primasa, en rigor una RNA polimerasa. La velocidad de duplicación del DNA en mamíferos es 10 veces más lenta que en bacterias, los fragmentos de Okazaki son más pequeños. Las DNA polimerasas de células animales son la DNA polimerasa a, p, y y. La DNA polimerasa a es la mas importante, su concentración es mayor que la de las otras dos y una de sus subunidades posee actividad de primasa, pero carece de actividad de nucleasa. Esta enzima comparte muchas propiedades funcionales con la DNA polimerasa III de E. coli. La síntesis de DNA

En raras ocasiones se puede cambiar o modificar una base en la secuencia del DNA, es decir, se puede producir una mutación. Las mutaciones son las responsables de las enfermedades genéticas conocidas. Estas pueden ser producidas por agentes físicos o químicos. Entre los agentes físicos se encuentran las radiaciones ionizantes. La acción de los rayos X es indirecta ya que produce radicales libres los cuales producen mutaciones, al reaccionar con el DNA, o roturas cromosómicas. Grandes dosis de luz ultravioleta pueden lesionar al DNA. La lesión química consiste en la formación de dímeros de timina en la misma cadena de DNA (Figura 9.40). De no corregirse o eliminarse, estos dímeros de timina interfieren con la síntesis de DNA. Como la mayoría de las mutaciones son muy dañinas, hasta los organismos más sencillos poseen sistemas enzimáticos que reparan el DNA lesionado. Los mecanismos de reparación pueden ser: (1) la fotorreactivación enzimática, según la cual una enzima es activada por luz visible (azul) que rompe el ciclobutano del dímero de timina; (2) la reparación en la oscuridad que consiste en un mecanismo de "corte-parche-corte-sello" llevada a cabo por: una endonucleasa (corte) que rompe por el extremo 5' de los dímeros; una actividad DNA polimerasa que sustituye la porción de la cadena de DNA que contenía el dímero (parche); una exonucleasa que elimina después el fragmento de DNA con el

—AZÚCAR—(P)

AZÚCAR

-

Figura 9.40. Formación de dímeros de timina.

dímero (corte) y, finalmente, una DNA ligasa (sello) vuelve a unir la cadena reparada (Figura 9.41). Estos sistemas de reparación son importantes ya que defectos genéticos en las enzimas de reparación pueden ocasionar enfermedades en el ser humano como son, el xeroderma pigmentosum, la enfermedad de

Bloom, la anemia de Fanconi, la progeria y la ataxia telangiectasia entre otras. El xeroderma pigmentosum es una enfermedad genética autosómica recesiva que se caracteriza porque la piel es anormalmente sensible a los rayos ultravioleta de la luz solar y por la tendencia a desarrollar múltiples neoplasias de la piel. El defecto molecular

-S2 ^™™'

ENDONUCLEASA

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ONA POLIMERASA I

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EXONUCLEASA

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Figura 9.41. Reparación del DNA que ha sido inactívado por dimeros de timina producidos por luz ultravioleta. Reproducción autorizada con modificaciones de: R. Montgomery y cois., Bíochemistry. A case-oriented approach, 4a. edición, pág. 616, C. V. Mosby, Col., St. Louis, 1983.

radica en la falta de la endonucleasa que participa en la reparación del DNA. Se presenta con una frecuencia de 1:250,000 nacimientos, sobre todo en parejas consanguíneas. Pueden presentarse también manifestaciones neurológicas como deficiencia mental, sordera progresiva, ataxia y retraso del crecimiento. Los cánceres más frecuentes en el xeroderma son el carcinoma de células básales y el de células escamosas, así como melanomas malignos. Es frecuente la presencia de una excesiva cantidad de pecas en pacientes con xeroderma pigmentosum. Un defecto en la DNA ligasa parece ser responsable de la enfermedad de Bloom que

se caracteriza por fotosensibilidad y lesiones faciales. No se ha aislado ninguno de los genes responsables de las enfermedades por defectos genéticos en la reparación del DNA. Se conocen virus que causan cáncer en animales como el virus del sarcoma de Rous en pollos, el virus de la mieloblastosis aviaria y el virus que produce cáncer mamario en roedores, H. M. Temin postuló que el RNA de estos virus debía ser transcrito bajo la forma de DNA a fin de incorporarse en el genoma celular del huésped. En efecto, estas partículas virales contienen las llamadas transeriptasas inversas, es decir, DNA polimerasas que usan RNA como molde. Al igual que las otras DNA polimerasas, fabrican DNA en dirección 5' -* 3', requiere nucleósidos trifosfato y RNA plantilla-cebador. Estas enzimas han sido aisladas de células malignas de animales y pacientes con leucemia. 9.5.1.1 Código genético Hasta aquí hemos visto como se almacena la información en el DNA y cómo se transmite ese cúmulo de información a las células hijas. Pero ¿cómo se pasa del ácido nucleico a la proteína? ¿de qué forma la secuencia de bases en el DNA se traduce en secuencia de aminoácidos de una proteína? Para dar respuesta, hagámonos primero este planteamiento: con raras excepciones, podemos afirmar que todos los eventos metabólicos están mediados directa o indirectamente por proteínas en sus diferentes formas: acarreadores, enzimas, hormonas, etc. Por lo tanto, podemos afirmar somos lo que nuestras proteínas son, por lo que el DNA deberá poseer la información para la síntesis de las mismas. Hoy sabemos que así es. Los diferentes segmentos de DNA codifican para diferentes proteínas. La forma en que se consigue esto radica en el hecho de

que debe existir un código o clave diferente para cada uno de los 21 aminoácidos que forman parte de las proteínas. De esta manera, si tenemos una proteína de 120 aminoácidos que comience con Gli-Glu-Ser..., en el DNA estará al principio de la información la clave para glicina, luego la clave para glutámico y posteriormente la de serina. Como vemos, si se tiene un código inequívoco para cada uno de los 21 aminoácidos, podemos tener la clave para elaborar cualquier proteína. El orden del código cambiará según el orden de los aminoácidos de la proteína. Pero, ¿cómo es posible que la información suministrada por cuatro elementos baste para explicar lo que han de hacer veintiuno? Estamos acostumbrados a códigos en los que cada letra representa otra letra como en los criptogramas. No obstante, los código más usuales no se rigen por este principio. El idioma español consta de 28 letras, que son suficientes para formar más de 400,000 palabras. Es más, bastarían dos símbolos, 1 y 0, para el mismo fin como ocurre en las computadoras. En el RNA mensajero (o en el DNA del gene) hay sólo 4 nucleótidos diferentes; pero existen 4 x 4 = 16 combinaciones dinucleotídicas y 4 x 4 x 4 = 64 combinaciones trinucleotídicas (triple), lo que plantea inmediatamente un nuevo problema. Hay pocos dipletes para los 21 aminoácidos y sobran tripletes. Con este planteamiento quedan dos posibilidades: que 33 tripletes sean "formularios en blanco" o que quizá dos o incluso tres tripletes diferentes correspondan a un mismo aminoácido. Los experimentos realizados apoyan la segunda alternativa. De un código en el que dos o más combinaciones correspondan a una misma cosa se dice que es degenerado. El código genético pertenece a esta clase. Esta situación da las siguientes ventajas. a) Una mutación que cambie un triplete por otro, cambiará la información del aminoácido que va en ese sitio, pero es preferi-

ble que se cambie un aminoácido por otro a que se cambie un aminoácido por nada, como ocurriría si los 33 tripletes sobrantes no codificaran para nada y el triplete cambiando fuera uno de ellos. b) Frecuentemente las mutaciones afectan una sola de las bases de un triplete, por lo que se pasa de una clave a otra pero del mismo aminoácido. De hecho, la degeneración no se establece al azar. Para especificar un aminoácido, las bases más importantes del triplete son la primera y la segunda; si la tercera base es una pirimidina, el resultado es el mismo y los codones resultantes se denominan codones sinónimos. Un codón es un triplete del RNAm que codifica para un aminoácido particular. Si consideramos una proteína de 120 aminoácidos, la información de la misma estará contenida en 120 tripletes, es decir, 120 * 3 = 360 bases. Actualmente se conoce la clave que codifica para los 21 aminoácidos. Además, se identificaron tripletes "sin sentido" (UGA) y tripletes que interrumpen la síntesis de proteínas y significan "punto y aparte" (UAA, UAG). Se identificaron también tripletes de "inicio" de síntesis (AUG, GUG) (Tabla 9.4) Un aspecto notable del código genético es su universalidad, es decir, que rige para todos los organismos desde el pino más alto o el mamífero más grande hasta el más pequeño de los virus. La prueba más clara de esto es que numerosos virus que infectan células de otro organismo, utilizando cada uno su propio RNA mensajero, se reproducen codificando sus propias proteínas en el sistema informático de la célula. Al parecer, la célula "entiende" el lenguaje de los distintos virus. Con excepción de los codones mitocondriales, el código genético es universal. Por razones no conocidas, las mitocondrias usan ciertos codones de modo diferente (tabla 9-5)

Tabla 9.4 Código genético. Reproducción con autorización de J. M. Orten y O.W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a, edición, pág. 197, C. V. Mosby, Co. St. Louis, 1982

Tripleta de iniciación. 9.5.2

Transcripción del DNA

El proceso de elaboración de cadenas de RNA a partir de un molde de DNA se denomina transcripción; las enzimas que participan se denominan RNA polimerasas. Si

bien el proceso bioquímico de síntesis de DNA y RNA son muy similares, el significado biológico es bastante diferente. La replicación del DNA representa la duplicación de todo el genoma, la transcripción se limita a determinadas regiones de éste. Una unidad

de transcripción es la porción de DNA que codifica la síntesis de un RNAm. Los tres tipos de RNA que se sintetizan son el RNA mensajero (RNAm), el RNA de transferencia (RNAt) y el RNA ribosomal (RNAr), todos comprometidos en la síntesis de proteínas. La RNA polimerasa dependiente de DNA se parece a la DNA polimerasa en que la adición se inicia en el extremo 3' y se requiere el DNA como molde y los cuatro ribonucleósídos trifosfato (excepto que es UTP en lugar de TTP). En este caso no se requiere de RNA cebador. En los procariotes, los RNAm tienen una vida media muy corta (unos pocos minutos) y son sintetizados sólo cuando la célula necesita las proteínas. Después de algunos cic l o s d e t r a d u c c i ó n , los R N A m s o n degradados por nucleasas celulares. En eucariotes, el perfil, de los RNAm es más constante, son mucho más estables y poseen vidas medias que van desde varias horas a varios días. En los cromosomas de procariotes los genes se transcriben en un solo RNAm policistrónico, que comprende varios genes. En eucariotes, las proteínas están codificadas por RNAm monocistrónicos que contienen información para un único polipéptido. En procariotes, la síntesis de todos los RNA (RNAm, RNAr y RNAt) está catalizada por una sola RNA polimerasa. En orga-

nismos eucariotes, la transcripción del DNA ocurre en el núcleo y la traducción se realiza en el citoplasma; los RNAm son sintetizados en forma de precursores, modificados antes de su transporte al citoplasma. Otra diferencia notable es que en eucariotes la síntesis de RNA se lleva a cabo por tres polimerasas distintas. La RNA polimerasa I (del nucléolo) transcribe los RNA ribosómicos 28S, 18S y 5.8S; la RNA polimerasa II sintetiza los precursores del RNAm y la RNA polimerasa III sintetiza los RNAt y el RNAr 5S (Figura 9,42). RNA mensajero. El DNA es un "prototipo nuclear", equivalente al prototipo internacional del sistema métrico, que se conserva como una barra de platino iridiado en una cámara acorazada con aire acondicionado, en París, asi se guarda, bien protegido, el DNA en el núcleo. Debido a los riesgos de daño que implica el que la información (DNA) salga al citoplasma, se toma lo que equivaldría a una fotocopia de esta información (RNAm) la que sale al citoplasma con el mensaje, mientras el original permanece en el núcleo sin riesgo a daños. Hasta se puede invocar una razón para explicar que el DNA lleve timina donde el RNA lleva uracilo. Podría ser que el uracilo sirva simplemente para identificar al RNA.

lo que la cepa R recibía de la cepa S era de importancia crucial, pues equivalía a saber cuál era la molécula que transportaba la información genética. En 1944, tres bioquímicos del Instituto Rockefeller, Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty consiguieron transformar bacterias R en S utilizando una solución de ácido nucleico, sin proteína alguna; cuando el ácido nucleico era tratado con DNAsa, no era capaz de inducir la transformación. Con esto consiguieron demostrar que el gene era ácido nucleico. Imposible seguir dudando: la información genética sólo podía transmitirla el ácido nucleico. Aunque al principio no fueron aceptadas estas evidencias como definitivas, abrumadores hallazgos posteriores no dejaron duda de que el DNA era el portador de la información genética. Una de las evidencias más importantes fue dada por Alfred Hershey y Martha Chase en sus trabajos con bacteriófagos marcados. Ahora bien, una cosa era saber cuál era la molécula responsable de transmitir la información genética y otra muy diferente era saber en qué forma lo hace. Es decir, ¿cómo funciona el DNA?. Difícil era saber cómo funcionaba esta molécula si se desconocía su estructura. En casi todo sistema molecular, conocer la estructura es un requisito previo que ayuda mucho a aclarar la función. Esta asevera-

ción reviste una especial validez en el caso del DNA ya que en cuanto se aclaró su estructura, su función y mecanismo de acción se explicaron correctamente. 9.2 ESTRUCTURA DE LOS COMPONENTES QUÍMICOS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS Cuando, en 1944, el ácido desoxirribonucleico entró en su apogeo, ya hacía tres cuartos de siglos que se había descubierto. Poco después de ser descubierto, se averiguó que el DNA contenía fósforo. Se sabía que algunas proteínas contenían fósforo en pequeña cantidad: la caseína de la leche, uno por ciento; la lecitina de la yema de huevo, 3 por ciento. Pero el ácido nucleico es más rico en este elemento; contiene 9 por ciento de fósforo. El fósforo se combina con 4 átomos de oxígeno, tres de los cuales se combinan con hidrógenos fácilmente disociables, para formar la molécula de ácido fosfórico (H3PO4). Para simplificar se puede adoptar una forma convencional para indicar, no ya el fósforo sino el radical fosforilo por un P rodeada de un círculo (Figura 9.2). En 1910, el bioquímico norteamericano de origen ruso Phoebus Levene identificó la ribosa como uno de los componentes del ácido nucleico; antes se ignoraba que exis-

Figura 9.2. Estructura del fosfato (molécula y radical).

Fig. 9.42. Síntesis de RNAr, RNAt y RNAm.

Después de todo, el DNA permanece en los cromosomas mientras el RNAm sale. Cualquiera que sea el mecanismo que permite salir del núcleo al RNA y mantener aquí al DNA, tiene que poder distinguirlos. ¿Por qué no utilizar, como identificación, la carencia en el RNA de un insignificante grupo methVque se encuentra en el DNA? En 1960, se habían reunido ya pruebas concluyentes de la existencia del RNA mensajero, en el Instituto Pasteur de París. En 1962 se aisló por primera vez RNAm de células de mamífero. Alfred Mirsky y Vincent Allfrey lo obtuvieron de timo de ternera. Síntesis de RNA mensajero La RNA polimerasa de procariotes consta de 5 subunidades (dos subunidades a idénticas y tres subunidades diferentes p, p' y a).

La subunidad o sólo forma parte de la RNA polimerasa en el momento de iniciar la transcripción, disociándose cuando empieza el proceso de elongación. Para iniciar la transcripción la RNA polimerasa debe interaccionar primero con secuencias específicas, del DNA llamadas promotores. En este punto la enzima queda firmemente unida al DNA para iniciar la síntesis de RNA. Los promotores bacterianos están constituidos por dos secuencias de seis nucleótidos situadas a 10 y 35 bases del punto de inicio de la transcripción, las cuales se conocen como caja Pribnow (TATAAT) y consenso (TTGACA). A continuación se produce el desenrollamiento de 12 a 17 pares de bases a partir de la caja Pribnow de manera que el DNA molde queda expuesto para ser transcrito. Una vez iniciado el proceso de transcripción, se

va desplazando la RNA polimerasa hasta encontrar determinadas secuencias denominadas terminadores. En algunos casos, la

terminación requiere de una proteína llamada factor p (rho) (Figura 9.43).

Fig. 9.43. Síntesis de RNA mensajero en procariotes.

La rifamicina y derivados semisintéticos (rifampicina) inhiben la RNA polimerasa de procariotes y mitocondrias uniéndose a la subunidad P de la RNA polimerasa. La subunidad P está involucrada en la formación del primer enlace intranucleotídico. La rifampicina es útil en el tratamiento de la tuberculosis y es también uno de los pocos agentes antivirales. Las RNA polimerasas eucarióticas no son sensibles a la rifampicina. En los procariotes las modificaciones postranscripcionales afectan únicamente a los RNAr y RNAt; en eucariotes todos los RNA funcionales son sujetos a modificaciones. Los RNAm eucariotes se sintetizan en el núcleo a partir del RNA heterogéneo nuclear (RNAhn). Estos últimos presentan una modificación que consiste en la adición al ex-

tremo 5' de un residuo 7-metilguanosina trifosfato llamado cap (caperuza) mediante un enlace trifosfato, el cual parece estar involucrado en la protección del RNAm del ataque de nucleasas como en su unión a los ribosomas. En el extremo 3' se une una cola de poli A de unos 100 a 200 residuos. Excepcionalmente, algunos RNAm no poseen cola de poli A, como los que codifican para las histonas. Otra característica de los precursores de RNAm es que contienen intrones (secuencias intermedias) que separan genes estructurales llamados exones. Los intrones son eliminados por corte y empalme (fig. 9.44). Es evidente que el proceso de eliminación de intrones debe ser preciso ya que un error de una base en el punto de corte y empalme destruiría por completo la lectura del

Fig. 9.44. Formación de RNAm en eucariotes.

RNAm. Los intrones son eliminados de forma secuencial, de manera que la escisión de un intrón no se produce hasta que el anterior ya ha sido eliminado. Muchas setas (hongos) son tóxicas. Una de las más peligrosas son las de género Amanita phalloides, cuya ingestión produce espasmos abdominales, vómitos y diarrea en 12 a 24 horas. La toxina a-amanitina, que no se elimina por cocción, es un potente inhibidor de la RNA polimerasa II; la polimerasa III es menos sensible y la polimerasa I no se inhibe en absoluto. El quimioterapéutico anticanceroso actinomiana D inhibe el alargamiento de la cadena de RNA de eucariotes por unión a un D N A molde y de esta manera inhibe la transcripción pero no la traducción. Los promotores de la RNA polimerasa II presentan una secuencia en la posición 30 conocida como caja TATA o caja Hogness, similar en secuencia a la caja Pribnow procariota. Otros promotores son la caja CAAT y la caja GC. La P-talasemia proviene de un defecto hereditario de la síntesis de hemoglobina producida por una mutación de la caja ATA del promotor de la p-globina (ATAAAA muta a ATGAAA); esto da como resultado una disminución del 80% del RNAm de p-globina. 9.5.3

Traducción del RNA mensajero

Se denomina traducción al proceso por el cual la información genética contenida en el RNAm se expresa en una proteína; se denomina traducción porque la información tiene que ser transferida del lenguaje de cuatro letras de los ácidos nucleicos al idioma de 20 letras de los aminoácidos que constituyen las proteínas. Dentro de la misma analogía con el lenguaje, las secuencias de bases se escriben, por convención, de izquierda a derecha, desde el extremo 5' al 3 ' , mientras que las se-

cuencias de aminoácidos se escriben, también por convención, de izquierda a derecha desde el amino-terminal del aminoácido inicial al carboxilo-terminal. Ya veremos que existe una correspondencia en esta direccionalidad entre el RNAm y las proteínas. Biosíntesis de proteínas La síntesis de proteínas implica la convergencia de información secuencial del RNAm, aminoácidos, RNAt, energía en forma de GTP y diversos factores proteicos. El proceso tiene lugar en la superficie de los ribosomas (complejos nucleoproteicos) con la participación de enzimas. En virtud de que los aminoácidos no tienen especial afinidad por los ácidos nucleicos, el verdadero elemento traductor es aquel que transporta cada aminoácido específico y lo hace coincidir con su respectivo codón en el RNAm. Este elemento es el RNAt. El hecho de que haya 61 codones hizo pensar en un principio que serían necesarios 61 RNAt, uno para cada codón. Sin embargo, pronto se descubrió que un aminoacil-RNAt, por ejemplo, el Ala-RNAt podía reconocer varios codones diferentes, lo cual es posible gracias a que el anticodón del RNAt posee inosina, que establece puentes de hidrógeno con más de una base del codón. Así, el apareamiento de bases entre el último nucleótido del codón y el nucleótido correspondiente al anticodón no es estricto. Este fenómeno se denomina bamboleo o balanceo, propuesto por Crick en 1966. Por ejemplo, los codones para la glicina, GGU, GGC y GGA pueden acoplarse al anticodón CCI. Este hecho no sólo se ha observado con inosina, sino también con guanina y uracilo. Existen así al menos tres RNAt para los seis codones de la serina: UCU, UCC, UCA, UCG, AGU y AGC. De acuerdo con la hipótesis del balanceo se necesitaría un mínimo de 32 RNAt para traducir los 61 codones con sentido del código genético.

Estructura del RNA de transferencia. Los RNAt son los RNA celulares más pequeños; constituyen alrededor del 15% del RNA total. Es característico su alto porcentaje de bases no usuales producto de modificaciones postranscripcionales. En la actualidad se conoce la secuencia de RNAt de orígenes muy variados pero el primero en ser caracterizado fue el Ala-RNAt de levadura (fig. 9.45). Llama la atención la semejanza de estructuras secundarias como consecuencia de apareamiento de bases dentro de la misma

molécula de RNAt. Esto permite la existencia de brazos en regiones no apareadas que le dan al RNAt el aspecto bidimensional de "hoja de trébol". En el "tallo" del trébol se encontrarían los extremos 3' y 5' de la cadena única; el nucleótido 5' es casi siempre G y el extremo 3' es siempre CCA-OH. El aminoácido transportado por el RNAt se une a la adenosina terminal 3' por lo que dicha secuencia CCA es un requerimiento absoluto para su funcionalidad. Otro es el brazo T^FC (ribotimina-pseudoúridina-citidina) que interviene en la unión del aminoacil-RNAt a la superficie ri-

Fig. 9.45. Estructura bidimensional del RNAt de alanina. (De Helley R. y cois. Science, 147: 1462, 1965. Copyright 1965 American Association for Advance of Science).

bosómica durante la síntesis de proteínas. El brazo D contiene 8-12 bases no apareada donde una o dos son dihidrouridina (Dh). El brazo D es el sitio de reconocimiento de un RNAt por la aminoacil-RNA sintetasa correspondiente. El brazo correspondiente al anticodón presenta 7 bases no apareadas y está ubicado a la mitad de la molécula. Es una región que aparea con el codón del RNAm de manera antiparalela. El anticodón del Ala-RNAt es IGC, de modo que el codón GCG en un RNAm especificaría la alanina. Al igual que el trébol de la buena suerte, se encuentra en algunos RNAt un brazo extra, de tamaño variable, entre el brazo T^C y el brazo anticodón.

Existen otras interacciones además del apareamiento intramolecular que pliegan la estructura de hoja de trébol a otra más compacta en forma de L (fig. 9.46). El grupo aceptor del aminoácido CCA queda en un extremo de la L, mientras que el anticodón queda en el opuesto. Estructura del RNA ribosomal Los ribosomas son estructuras nucleoproteicas que posibilitan la interacción de los RNAm con los distintos aminoacil-RNAt con lo cual la información genética se traduce en la correspondiente proteica. El lugar de síntesis del RNAr es el nucléolo; cada nucléolo contiene DNA circular

brazo TiJ»C

brazo DHU

Anticodón

Fig. 9.46. Estructura tridimensional del RNAt demostrada por cristalografía de rayos X

simple. En células eucatióticas el RNAr tiene como precursor un filamento de 45S, el cual debe ser metilado, igual que el RNAt. La metilación requiere S-adenosilmetionina.

nes del nucleoplasma. La falta de RNAr 5S en un ribosoma hace que éste sea inactivo. El RNAr 5.8S no se encuentra en procariotes. La síntesis de cadenas polipeptídicas se lleva a cabo en cuatro etapas: activación, NH.

S-adenosilmetionina.

Con la metilación, el precursor 45 S del RNAr se convierte en sustrato de nucleasas nucleolares que escinden la molécula en fragmentos de 23S, 18S y 5.8S. Los ribosomas de eucariotes y procariotes están compuestos por dos subunidades. El ribosoma de E. coli (uno de los mejores estudiados) y el de mitocondria, tiene un tamaño de 200 A y un coeficiente de sedimentación de 70S. Consta de 2 subunidades, una grande de SOS y una pequeña de 30S. La subunidad 50S está compuesta de RNAr 23Sy5S, y 31 proteínas, mientras que la subunidad 30S contiene RNAr 16S y 21 proteínas diferentes. Los ribosomas de eucariotes son ligeramente más grandes y presentan mayor complejidad estructural. Su coeficiente de sedimentación es de 80S y sus dos subunidades contienen RNAr 28S, 5.8S y 5S (subunidad grande, 60S) más 50 proteínas y RNAr 18S más 30 proteínas (subunidad pequeña, 40S) (fig. 9.47). El RNAr 5S no se transcribe en el nucléolo sino a partir de ge-

iniciación, alargamiento y terminación. Activación. Esta etapa ocurre en el citosol y consiste en la unión del aminoácido con su correspondiente RNAt. Cada uno de los 20 aminoácidos codificados tiene una aminoacil-RNAt sintetasa específica pero, de acuerdo a la hipótesis del bamboleo, cada aminoacil-RNAt sintetasa reconoce uno o varios RNAt que poseen anticodones afines para un aminoácido específico. La sintetasa posee un sitio específico para el aminoácido y un sitio para el RNAt. Existe un tercer sitio común para el ATP (Figura 9.48). Una vez unido el RNAt, el aminoácido no participa en el reconocimiento del codón y la colocación de éste en la proteína es responsabilidad absoluta de la interacción codón-anticodón. Esto quedó demostrado mediante un elegante experimento que consistió en tratar cisteína-RNAt con hidrógeno, con lo que se transformó en alanina-RNAt. De esta manera, se incorporó alanina al polipéptido en el lugar donde debería estar cisterna.

NÚCLEO

Figura 9.47. Formación del ribosoma 8o 3 ',n eucariotes.

Figura 9.48. Formación de aminoacil-RNAt. Modificada con autorización de J. M. Orten y O. W. Neuhaus, Human Biochemistry, 10a. edición, pág. 200, C. V. Mosby Co., St. Louis, 1982.

RNAt y al RNAm. El FI-2 unido al complejo permite la unión de GTP, así como la unión simultánea del codón de iniciación y del aminoacil-RNAt (Figura 9.49). Así, las aminoacil-RNAt sintetasa tienen El RNAm es traducido en la misma direcque ser muy específicas. Sólo reconocen L- ción en que es transcrito; es decir, el extreaminoácidos, no los D-isómeros, y con gru- mo 5' del .RNAm corresponde al extremo pos amino en posición a. Las sintetasas amino de la proteína codificada por dicho también tienen elevada especificidad para el RNAm. El codón o triplete de iniciación es ATP. el AUG del RNAm, que corresponde a me(1) Aminoácido + enzima + ATP —enz- tionina. En procariotes, es absolutamente impresaminoacil adenilato + PPi cindible que la metionina se encuentre for(2) Enz-aminoacil adenilato + RNAt milada; en eucariotes, sin embargo, la aminoacil-RNAt + enz "aa activado" Iniciación. Los aminoacil-RNAr se unen síntesis de proteínas se inicia con metionina a los ribosomas. El ensamble de ribosomas y no formilada. En procariotes, la metionina RNAm ocurre en etapas. El RNAm y el ami- puedeM activarse con dos tipos de RNAtnoacil-RNAt iniciador no se pueden unir di- RNA y RNAF. Después de unida la metiorectamente al ribosoma. Se requiere para nina a estos RNAt, el segundo es formilado ello de proteínas denominadas factores de después de activado, nunca antes: iniciación (FI). Estas no son proteínas estructurales del ribosoma. La unión del transformilasa RNAm a la subunidad ribosómica 40S reNiO-formil-FHt + Met-RNAf • quiere del factor de iniciación 3 (FI-3). Para fMet-RNAf + FH4 ello se requiere que el ribosoma se encuentre disociado lo cual se logra por unión de la Las células eucarióticas no poseen transfracción 40S (o 30S en procariotes) con el factor de iniciación l(FI-l). Este complejo formilasa y no es posible formilar la Metdepreiniciación: 30S.FI-1.FI-3 requiere del RNAt para iniciar la síntesis de proteínas. factor de iniciación 2 (FI-2) para unirse al Sin embargo, todas las cadenas polipeptídi-

dos distintos de la metionina en sus extremos amino terminales. F El Met-RNA de procariotes sólo actúa en la iniciación. Por el contrario, el MetRNA

fMet-RNAt

COMPLEJO DE INICIACIÓN

50 S

Figura 9.49. Inicio de la biosíntesis de proteínas.

cas empiezan con metionina. Este residuo de metionina es escindido después de crecer un poco la cadena polipeptídica y las proteínas aisladas de las células contienen aminoáci-

es necesario para el alargamiento y

no coloca metionina en posición inicial (el M Met-RNA no es reconocido por el FI-2). El codón AUG más cercano al casquete 5' (7 metil-GTP) es siempre el codón de iniciación. Los codones AUG siguientes codifican metioninas durante el proceso de alargamiento. En la figura 9.49 puede observarse que el Met-RNA se fija en el sitio P del 80S (o 70S en procariotes). El sitio A es el lugar de entrada para los nuevos aminoacil-RNAt. Alargamiento. El alargamiento comienza cuando los factores de iniciación se disocian del complejo y el ribosoma se encuentra con sus dos subunidades integradas. En este momento el aminoacil-RNAt (o el peptidil RNAt) está unido al sitio P y el sitio A está libre (Figura 9.50). En un principio se pensó que se requería un ribosoma para codificar cada una de las proteínas existentes en un organismo. En realidad, el RNAr es un "formulario en blanco"; es decir, es capaz de sintetizar cualquier proteína de la especie en que se encuentra. De cada ribosoma sólo crece una cadena polipeptídica, aunque una cadena de RNAm puede acomodar varios ribosomas formado los polirribosomas o, simplemente, polisomas. Cada ribosoma sostiene una cadena proteica en crecimiento (Figura 9.51). Estos polisomas pueden verse con el microscopio electrónico y es posible contar su número. Este número es proporcional al tamaño de la proteína que está siendo sintetizado. Por ejemplo, una cadena mayor de miosina contiene 1800 restos de aminoácidos y su poli-

tiera en la naturaleza. Emil Fischer la obtuvo por síntesis pero se consideraba una curiosidad científica, carente de valor práctico. De hecho, su nombre fue inventado por Fischer sin otorgarle un significado especial. Más adelante, Levene descubrió que no todas las moléculas de ácido nucleico contienen ribosa; algunas contienen desoxirribosa. La desoxirribosa (Figura 9.3), al igual que la ribosa, había sido sintetizada por Fischer años antes de que se descubriera su existencia en la naturaleza. (Emil Fischer, por sus estudios sobre la estructura peptídica y la

CH2- OH

química de los carbohidratos y las purinas recibió el Premio Nobel de Química en 1902). Los ácidos nucleicos contienen además de fosfato y azúcares, dos tipos de bases introgenadas: púricasy pirimídicas (Figura 9.4). Las bases púricas son la adenina (6-aminopurina) y la guanina (2-amino- 6-oxopurina) (Figura 9.5). Las bases pirimidínicas son citosina (2-oxo -4-aminopirimidina), uracilo (2,4-dioxopirimidina) y timina (2,4-dioxo-metilpirimidina). Se puede considerar a la timina como un uracilo metilado. (Figura 9.6).

CH2- OH

HOH

HOH

2 - Desoxi - D - ribosa Figura 9.3. Estructura de ribosa y desoxirribosa

Anillo purina

Anillo piridimina

Figura 9.4. Estructura de purina y pirimidina.

ARNm

Ribosoma cadenas peptídicas en crecimiento

Figura 9.51. Elongación de proteínas en polisonas.

Figura 9.50. Elongación de una cadena polipeptídica.

rribosoma contiene más de 100 ribosomas monoméricos. Los polirribosomas pueden existir como partículas libres en el citoplasma o pueden estar adheridos a las membranas del sistema retículo endoplásmico. La adherencia de ribosomas al retículo endoplásmico le dan el aspecto "rugoso" que se observa por microscopía electrónica. La unión del nuevo aminoacil-RNAt requiere de los llamados factores de alargamiento (FE-T) que contienen dos subunidades FErTi (inestable) y ¥E- Te (estable). El FE-T se une a GTP y al aminoacil- RNAt para for-

mar un complejo terciario que se une al sitio A (lugar del aminoácido) de la fracción 50S (o 60S). A continuación, una GTPasa hidroliza el nucleótido y libera el FE-Ti-GDP, liberación que es necesaria para que se forme el enlace peptídico que ocurrirá más adelante. El primer enlace peptídico se forma por ataque del grupo amino (-NH2) del aminoacil-RNAt del sitio A al carbonilo del fMetRNAt (Figura 9.52). Esta reacción está catalizada por una enzima peptidil transferasa, que no se ha podido aislar y purificar todavía. Parece ser que se encuentra formada por 10 proteínas ribosómicas distintas de la subunidad grande. La energía para el enlace peptídico al parecer está dado por la ruptura de la unión metionina o formilmetionina a su RNAt.

CH2 CH2 1 S

1

CH3

fMet-RNAt

alargamiento se sucederán hasta que un codón de terminación impida la colocación de un aminoaál RNAt Terminación. En el código genético para los tres codones de terminación: UAA, UAG y UGA, no hay RNAt con el correspondiente anticodón y la elongación se detiene. Sin embargo, el peptidil-RNAt permanece unido al ribosoma y son necesarios factores de liberación para liberar el péptido sintetizado. Los factores de liberación reconocen los codones de terminación; el FR-1 reconoce los codones UAA y UAG, y el FR-2 los UAA y UGA. El enlace éster final es hidrolizado por una peptidil transferasa cuya actividad está influida por los factores de liberación. En la reacción se requiere de hidrólisis de GTP. Muchas de las proteínas recién elaboradas poseen un fragmento próximo al extremo Ntermínal con alto contenido en aminoácidos hidrofóbicos conocido como péptido líder o señal. Al parecer estos péptidos señal identifican a las proteínas que nan de ser exportadas después de su síntesis por el sistema retículo endoplásmico. Las proteínas que no han de ser exportadas, por ejemplo las globinas a y (3 ae la hemoglobina, no tienen péptidos señal. Los polisomas libres en el citosol son los que elaboran las proteínas requeridas para funciones intracelulares. Figura 9.52. Formación del enlace peptídico.

Síntesis no ribosómica

Algunos polipéptidos, sobre todo los de función antibiótica producidos por diversos microorganismos se sintetizan en un proceUna vez formado el enlace peptídico el so independiente de la traducción ribosómiRNAt libre se separa del sitio P y una trans- ca. Ciertas cepas de Bacillus brevis poseen Jocasa desliza $1 pentidil-RNAt v su codón dos enzimas Éi v En capaces de dirigir la al sitio P. Este paso requiere hidrólisis de síntesis del pentapéptido Fen-Pro-Val-OrnGTP. La translocación se lleva a cabo por un Leu que constituye parte del antibiótico grafactor proteico citoplásmico FE-G. El micidina S\ luego, dos pentapéptidos RNAm se desliza a través de un túnel en el formados reaccionan por sus extremos y forribosoma y de esta manera queda protegido man un decapéptido cíclico que constituye del ataque de ribonucleasas. "Los ciclos de e\ antMóúco.

Inhibidores de la síntesis de proteínas Entre los inhibidores de la síntesis proteica, algunos actúan en procariotes, otros en eucariotes y, finalmente, otros actúan sobre los dos (tabla 9.6). Esta diferencia de acción de los inhibidores ha sido utilizada para propósitos clínicos, debido a que muchos antibióticos inhiben específicamente la síntesis de proteínas en procariotes con la consecuente detención del crecimiento o la muerte de la bacteria. Ejemplos de esta clase de inhibidores son los antibióticos tetraciclinas, eritromicina, estreptomicina y cloranfenicol. Las tetraciclinas actúan fijándose al ribosoma procariótico impidiendo la fijación del aminoacil-RNAt al sitio A. La estreptomicina y otros aminoglucósidos interaccionan con la subunidad 30S del ribosoma procariótico produciendo errores de lectura de los tripletes. La neomicina y la kanamicina son

Puromicina

Sí

Sí

Estreptomicina

Sí

No

Cloranfenicol Tetraeiclina

Sí Sí

Sí No

Eritromicina

Sí

No

Acido fusídico Cicloheximida Abrina, ricina Toxina diftérica

Sí No No No

Sí Sí Sí Sí

antibióticos análogos a la estreptomicina. El cloranfenicol inhibe específicamente la peptidiltransferasa de ribosomas 70S procariótica y de ribosomas mitocondriales pero no los citoplásmicos. Esto nos indica reminiscencias del origen bacteriano de las mitocondrias. La eritromicina, del grupo de los macrólidos, interfiere con la subunidad 50S impidiendo la formación del ribosoma 70S pero no con el ribosoma ya formado y en proceso de traducción (Figura 9.53). La cicloheximida inhibe la peptidiltransferasa de eucariotes pero no de procariotes; por ello, se ha usado más bien en la terapia anticancerosa que como antimicrobiano. Las toxinas vegetales abrina y ricina interfieren con la unión del aminoacil-RNAt de eucariotes. La toxina diftérica cataliza la reacción entre NAD + y FE-2 de eucariotes para d a r un c o m p l e j o i n a c t i v o A D P ribosoma-FE-2, bloqueando la translocación.

Terminación prematura del polipéptido al actuar como análogo del aminoacil-tRNA. Inhibe la formación del complejo de iniciación al impedir la unión de fMet-tRNA. También causa errores de lectura. Inhibe a la peptidil transferasa. Inhibe la unión del aminoacil-tRNA a la subunidad 30S. Impide la formación de ribosoma funcional por unión a la subunidad 50S. Inactiva el factor de alargamiento EFG. Inhibe la peptidil transferasa. Inhibe la unión del aminoacil-tRNA. Inactiva el factor de elongación EF2.

Clorantfenicol

RNAm

Q

Eritromicina

Eritromicina RNAm

Figura 9.53. Mecanismo de acción de algunos antibióticos.

Toxina

diftérica 3-ADP

forma peptidü-puromicina que se desprende (inactivo) del ribosoma y se produce una terminación prematura del polipéptido naciente.

La toxina diftérica no inhibe la síntesis de proteínas bacteriana. Es una toxina enzimatica extraordinariamente mortífera, incluso en dosis muy pequeñas. La puromicina tiene una estructura que se parece mucho al extremo 3' de un aminoacil-RNAt (Figura 9.54). Es análogo estructural del tirosinil RNAt e inhibe la síntesis de proteínas tanto en procariotes como en eucariotes. Como este antibiótico semeja un aminoacil-RNAt, reacciona con el peptidil-RNAt y

9.6 REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GENÉTICA Una célula debe ser capaz de responder a los cambios ambientales para poder sobrevivir. Una de las maneras en que las células se adaptan a estos cambios es mediante el control de la expresión genética. El control de la expresión genética protege a la célula de malgastar una cantidad importante de energía ya que la producción de RNA y de pro-

metabólicos no siempre están presentes ya sea porque no existe el sustrato o éste se encuentra en exceso. Sintetizar siempre las enzimas para estas rutas innecesarias, no resulta práctico. La célula sólo sintetiza estas enzimas cuando son requeridas y se conocen como enzimas inducibles. En el caso de las enzimas inducibles, ¿cómo sabe la célula en qué momento debe sintetizarlas? La respuesta a esta pregunta la dieron en 1961 Francois Jacob y Jacques Monod quienes experimentaron sobre el mecanismo de regulación de la expresión genética en bacterias. La conclusión de su trabajo fueron los siguientes: 1) Cuando E. coli crece en un medio que contiene glucosa como fuente de carbono, no necesita p-galactosidasa. Cuando este microorganismo se transfiere a un medio cuya única fuente de carbono es lactosa, después de un corto tiempo empiezan a aparecer cantidades apreciables de P-galactosidasa (fig. 9.55) Si se elimina la lactosa del medio y se proporciona glucosa, la síntesis de esta enzima se detiene tan rápido como empezó. teínas consume grandes cantidades de ATP. Mutantes con defectos en estos mecanismos de control gastan energía innecesariamente y son desplazados de la población normal de la que derivan. En este subcapítulo se revisarán los mecanismos moleculares que determinan cuándo y hasta qué punto se expresa un determino gene. 9.6.1 Concepto y función de gene estructural, gene operador, operón y represor La célula posee rutas metabólicas que siempre deben estar presentes, como el ciclo de Krebs, por lo que las enzimas para catalizar dichas rutas también deberán estar presentes. Dichas enzimas reciben el nombre de enzimas constitutivas. Otras rutas o pasos

2) Se encontró que cuando se inducía la síntesis de p-ealactosidasa, también se inducían en cantidades equimoleculares otras enzimas: galactósido permeasa y tiogalactósido transacetilasa los genes correspondientes se denominan Z, para la p-ealactosidasa: B, para la permeasa y A, para la transacetilasa. Se dedujo que estos genes se regulaban juntos y deberían estar contiguos en forma policistrónica. El cistrón es la unidad más pequeña de expresión genética. Esto significa que el concepto "un gene, una enzima" no es necesariamente válido para enzimas que constan de dos o más subunidades. Este concepto debe ser considerado más exactamente como "un cistrón, una subunidad polipeptídica". Jacob y Monod describieron en 1961 su modelo de operón en un trabajo clásico por el cual recibieron el Premio Nobel de medicina en 1965. De acuerdo a su teoría del operón, la regulación de las enzimas involucradas tiene lugar a nivel de la transcripción. Los genes que trascriben un RNAm policistrónico que a su vez codifica para enzimas coordinadamente inducidas o reprimidas se denominan genes estructurales. El modelo presupone que la transcripción de genes estructurales está controlado por un gene operador y un sitio promotor (donde se une la RNA polimerasa) formando la unidad llamada operón. Un operón puede definirse como la región genética constituida por uno o varios genes y las secuencias asociadas responsables de su regulación. Otro gene, llamado regulador, codifica para una proteína represora del gene operador, la cual puede estar localizada en un sitio distante del operador. Los operones catabólicos son, en general, inducibles, en tanto que los sistemas anabólicos son reprimibles. El operón lactosa (operón LAC) y el operón triptófano (operón TRI) son ejemplos de operón catabólico y anabólico, respectivamente. No existe lo que podría llamarse el "operón general".

Cabe señalar que los sistemas de control descritos han sido establecidos en sistemas bacterianos (en particular, E. coli). No se conocen aún los que operan en animales superiores. El operón LAC de E. coli es uno de los más estudiados y consta de las tres enzimas ya mencionadas. La síntesis del RNAm transcurre desde el operador a través del operón entero. La proteína represora que actúa sobre el operador, evita la formación del RNAm de todo el operón LAC. Cuando se dan inductores como la lactosa o análogos, se deforma el represor y el operón LAC se transcribe y traduce (Figura 9.56). El control del operón LAC tiene otro elemento efector positivo, el AMPc. Células con glucosa en el medio tienen bajos niveles de AMPc. Al inducir con lactosa, el AMPc se une a una proteína catabólica activadora del gene (CAP) y este complejo se une al sitio promotor del DNA de tal manera que la RNA polimerasa puede iniciar la síntesis de RNA. Así, la expresión del operón LAC requiere del inductor y de AMPc. La región reguladora del operón LAC funciona muy pobremente como promotor. Esta ineficacia se corrige por la potenciación del promotor que lleva a cabo el complejo CAP-AMPc. Puesto que las concentraciones de AMPc son bajas en presencia de glucosa y puesto que CAP requiere del nucleótido cíclico para ser funcional, las enzimas LAC se expresan a velocidad reducida en un medio con glucosa. A esto se le llama represión por cabatolitos, aunque parece más correcto llamarla control por catabolitos. Otro sistema de control por producto final, contrario al mecanismo anterior, se ejemplifica con el operón triptófano (operón TRI). En éste, las enzimas involucradas en la vía biosintética de triptófano siempre se están produciendo y el producto final, triptófano, frena la síntesis de dichas enzimas, en lugar de inducirlas como en el caso del operón LAC.

Figura 9.56. Inducción enzimática en el operón LAC de E. coli, L = lactosa; CAP = proteína catabólica activadora del gene.

La síntesis de triptófano a partir de corismato se lleva a cabo por cinco enzimas codificadas por cinco genes ligados a una transcripción policistrónica. En base al modelo del operón, el apo-represor, un homotetrámero, que se está produciendo no se puede unir al gene operador y sólo lo hace cuando se une al correpresor, en este caso, el triptófano (Figura 9.57). El control de la transcripción es un eficaz sistema de regulación de la expresión genética. Sin embargo, son mecanismos que no responden con rapidez a las señales fisiológicas. Por ello, otros procesos que intervienen en la formación de RNA son objetivos interesantes para la regulación. Hay muy po-

cos ejemplos de control de la expresión genética por medio de la regulación en la traducción, si acaso, en sistemas genéticos muy sencillos como los bacteriófagos. 9.6.2 Regulación genética en eucariotes Al ser la transcripción y la traducción más complejas en eucariotes, ofrecen mayor número de mecanismos reguladores que en procariotes. La maduración del RNAm y su transporte desde el núcleo, así como la vida media del RNAm están sujetos a múltiples mecanismos reguladores. Los RNAm que codifican proteínas requeridas en gran canti-

CORREPRESOR Figura 9.57. Represión de síntesis enzimática en el operón TRI.

dad poseen vidas medias muy largas y promotores muy eficientes. En años recientes se ha demostrado la amplificación de regiones genéticas específicas en células cultivadas eucariótica inducida por medicamentos. EL modelo aceptado actualmente propone la síntesis de un elemento regulador intermediario, llamado activador, capaz de activar la transcripción de conjuntos de genes. Según este modelo, por acción de un efector (hormonal, por ejemplo) se estimula la síntesis de diversos activadores que pueden actuar sobre conjuntos de genes (Figura 9.58). En pacientes que están recibiendo metotrexato para el tratamiento del cáncer, se ha demostrado que las células malignas pueden desarrollar resistencia al medicamento incrementando genes para la dihidrofolato reductasa, blanco del metotrexato.

Aunque el control de la expresión génica a nivel de la transcripción es la forma más frecuente de regulación, la síntesis proteica puede estar regulada a nivel de la traducción. Uno de estos tipos de regulación en la fase inicial de la traducción es la biosíntesis de hemoglobina, que requiere que las subunidades proteicas y el grupo hemo se encuentren en cantidades estequiométricas. Cuando la concentración del hemo disminuye, la velocidad de síntesis de la hemoglobina lo hace de forma paralela. 9.7 BIOLOGÍA MOLECULAR E INGENIERÍA GENÉTICA La comprensión de los fenómenos biológicos a nivel molecular es lo que se conoce como biología molecular. Esto incluye la base

Proteína P

Proteína Q

Proteína R

Proteína S

Figura 9.58. Regulación de la síntesis de proteínas en eucariotes por activadores intermediarios.

molecular de las mutaciones, de la herencia, de las enfermedades, etc. La bioquímica tiene como objetivo describir y explicar, en términos moleculares, todos los procesos químicos de las células vivas. Con esta definición, la bioquímica abarca extensas áreas de la biología celular y toda la biología molecular. Los fundamentos de la genétiaa molecular descansan en la bioquímica de los ácidos nucleicos. Como beneficio de la investigación básica descrita en este capítulo se tuvo la tecnología del DNA recombinante. La recombinación del DNA es un fenómeno general durante el cual se entremezclan dos moléculas de DNA "paternas", dando lugar a un nuevo DNA que contiene información

genética de ambos filamentos. En la actualidad es posible aislar un gene, reproducirlo e insertarlo in vitro en fragmentos de DNA de otro origen, de manera que ese gene extraño se exprese en otra célula. A esto se le conoce como tecnología del DNA recombinante, popularmente llamada ingeniería genética. El potencial de esta nueva tecnología es enorme. Muy pronto podrán llevarse a cabo experimentos de terapia génica en el hombre, donde algunas enfermedades moleculares se curarán por transferencia del DNA normal para sustituir la función de un gene dañado; las proteínas humanas podrán producirse en abundancia con fines terapéuticos; podrán obtenerse proteínas puras para vacunas y para pruebas de diagnóstico; se

podrán diagnosticar enfermedades existentes y predecir su desarrollo. 9.7.1 Tecnología de recombinación del DNA

El gene introducido en un vector puede reproducirse millones de veces, proceso conocido como clonación del DNA. De esta manera, ese vector puede utilizarse para obtener grandes cantidades de una proteína. Esto es posible porque las células bacterianas contienen muchas copias del gene recombinante y porque la síntesis de RNAm y proteínas en las bacterias se hace muy rápidamente. Así, pues, un gene eucariótico (para la insulina, por ejemplo) puede aislarse y clonarse en un vector procariótico (una bacteria) que proporcionará grandes cantidades del gene eucariótico ya sea para su análisis molecular (secuenciación), ya sea por su producto (insulina) o bien para insertarlo en un individuo con defecto en ese gene (diabético tipo I). Si lo que se pretende por ingeniería genética es obtener grandes cantidades de una proteína particular, lo mejor es empezar con el RNAm y no con el DNA del que procede, puesto que éste puede contener intrones que agrandan su tamaño y dificultan su clonación. Actualmente se producen grandes cantidades de varios productos génicos terapéuticos (insulina, interleucinas, interferones, hormonas del crecimiento) a partir de genes clonados.

El gran descubrimiento de una enzima de Haemophylus influenzae denominada de restricción y modificación (DNAsa) que corta el DNA en sitios específicos fue uno de los hallazgos decisivos en el desarrollo de la ingeniería genética. En la naturaleza las bacterias usan dichas enzimas como un mecanismo de defensa para degradar el DNA extraño que llega a su interior. El sitio específico donde ocurre el rompimiento de los dos filamentos de DNA, por acción de las endonucleasas de restricción, debe ser capicúa o palindrómico (que se lee igual en ambos sentidos). De esta manera, el fragmento resultante ofrecerá dos extremos ensamblables. Por ejemplo, la enzima EcoRI corta en las porciones indicadas por las flechas en la figura 9.59. Las enzimas de restricción más útiles son aquellas que den extremos cohesivos o adherentes, los cuales pueden emparejar las bases y mantener el DNA unido mientras la DNA Úgasa las une covalentemente. Si la misma endonucleasa de restricción que ha roto Análisis molecular de la enfermedad un DNA circular de un plásmido, es usada para fragmentar un DNA humano que contiene La localización de genes puede definir un un gene, los dos extremos del fragmento se mapa del genoma humano. Los biólogos ensamblan con los extremos del plásmido, se moleculares de todo el mundo se han prounen con una ligasa, y tendremos entonces puesto como objetivo obtener la secuencia un gene humano incorporado en el plásmido de todos los genes de todos los cromosomas bacteriano. Los bacteriófagos o los plásmi- humanos. Esto se conoce como Proyecto dos que contienen DNA extraño incorpora- Genoma Humano que se propone secuendo de esta manera, se denominan vectores. ciar los 23 cromosomas (2,400 millones de A veces el gene puede obtenerse a partir de iares de bases) y estuvo a cargo del prof. DNA, pero en otros casos se tiene el RNAm ames Watson. El proyecto es estimable, ya originado del gene; en estas circunstancias 3ue permitirá analizar todas las enfermeades genéticas humanas. Las secuencias se sintetiza el gene en el laboratorio por medio de la transcriptasa inversa. El DNA proporcionarán también la información necesaria para el tratamiento genético. obtenido se llama DNA copia (DNAc).

Í

Fig. 9.6. Estructura de citosina, uracilo y timina.

Las bases púricas pueden formar parte del DNA y del RNA. De las pirimidinas, sólo la citosina forma parte de ambos ácidos nucleicos; la timina generalmente sólo forma parte del DNA (aunque se la puede encontrar en ciertos tipos de RNA) y el uracilo sólo del RNA. En algunos tipos de ácidos ribonucleicos se pueden encontrar bases nitrogenadas mo-

dificadas como son 2-metiladenina, 1 -metilguanina, 5-metilcitosína, seudouridina, etc. Además, existen otras 3 purinas que, aunque solo una de ellas forma parte de algunos ácidos nucleicos y las otras son productos de excreción es importante recordarlas por su relación con dichos ácidos. Estos purinas son: hipoxantina, xantina y ácido úrico (Figura 9.7).

Figura 9.59. Ruptura de un fragmento de DNA por una endonucleasa de restricción (Eco RI) y ensamble del fragmento en un plásmido.

El ejemplo clásico de una enfermedad causada por una mutación en una base (T por A) del sexto codón del gene de la p-globina que afecta toda la hemoglobina. Otras

mutaciones en el mismo gene disminuyen o incluso anulan la producción de P-globina, como es el caso de las talasemias.

Diagnóstico prenatal El DNA de células colectadas de cantidades pequeñas de líquido amniótico puede analizar por una variante de la tecnología de DNA recombinante llamada polimorfismo de longitud del fragmento restrictivo (PLFR). Cuando el DNA de un paciente con anemia de células falciformes se digiere con la enzima de restricción MSt II, los fragmentos se separan y se hibridizan con DNA normal de globina humana radiactivo, se encuentra un fragmento de 376 pares de bases, en vez del normal con 175 pares de bases. Esto indica que hay un punto que no es reconocido por la enzima de restricción por haber un cambio en la secuencia (Figura 9.60). Este análisis puede detectar prenatalmente la enfermedad de células falciformes, ya que el DNA de todas las células, incluyendo las amnióticas, llevan el DNA defectuoso. En genética humana, el término genética inversa se utiliza actualmente para determi-

nar la causa de una enfermedad genética, comenzando con el gene responsable hasta encontrar la enzima defectuosa. Anteriormente los genetistas reconocían primero la enzima defectuosa y luego localizaban el gene responsable. Esta técnica se ha utilizado para enfermedades como la distrofia muscular de Duchesnne, la corea de Huntington y la enfermedad poliquística renal. Terapia génica Gracias a la información obtenida a partir del clonaje de genes, se han desarrollado nuevos métodos para diagnosticar enfermedades genéticas. En el momento actual se conocen más de 3000 enfermedades genéticas (errores congénitos del metabolismo). El clonaje de genes ha permitido identificar las mutaciones de los factores de coagulación IX y VIII, que causan varios tipos de hemofilias, las de la hipoxantina-guanina-fosfo-

DNA falciforme (376 pb) Figura 9.60. Análisis por enzima de restricción Mst II de la anemia de células falciformes. Para mayor explicación, ver el texto.

rribosiltransferasa (HGPRT) asociadas al síndrome de Lesch-Nyhan y las mutaciones de las hemoglobinas que causan la anemia de células falciformes y varios tipos de talasemia. Muchas enfermedades genéticas podrán curarse durante el transcurso de la vida de un individuo mediante la sustitución del gene defectuoso por este proceso denominado terapia génica. La estrategia consiste en clonar un gene en un vector que pueda captarlo con facilidad y ser incorporado en el genoma de células del paciente. El gene introducido empezará a expresarse en la proteína faltante o defectuosa y se corregirá el defecto. Es obvio que esta restitución no podría ser heredada a la descendencia. Para ello se han ideado otras estrategias que han resultado exitosas en animales de laboratorio. El método más empleado consiste en la microinyección de DNA dentro del núcleo de un huevo fertilizado que posteriormente es implantado en una hembra receptora. De esta manera, el gene introducido puede heredarse de forma estable. Un organismo en el que se produce la integración estable (heredable) de genes extraños se denomina organismo transgénico. En la actualidad, se han logrado producir animales transgénicos. Drosophila y ratón han sido los experimentos más exitosos y se está probando el producir cerdos, cabras,

pollos y peces transgénicos. El método transgénico se ha empleado recientemente para corregir una deficiencia genética (hipogonadismo) en ratones. 9.7.2

Oncogenesy cáncer

El descubrimiento de los mecanismos moleculares causantes de la transformación tumoral ha sido uno de los grandes logros de la biología molecular en los últimos años. El crecimiento celular es un proceso muy regulado. Cuando el control que regula la multiplicación celular se rompe, las células se multiplican y origina una masa de células clónales llamada tumor o cáncer. El cáncer es la segunda causa de muerte en muchos países, después de las enfermedades cardiovasculares, y su frecuencia aumenta con la edad. Muchos cánceres se relacionan con la producción anormal de enzimas, proteínas y hormonas, moléculas que se conocen como marcadores tumorales (tabla 9.7). Sin embargo, ningún marcador por sí solo es útil para todos los tipos de cáncer y, desafortunadamente, se identifican con mayor frecuencia en estadios avanzados y no en los tempranos. Los agentes que causan cáncer pueden clasificarse en tres grupos: radiaciones, compuestos químicos y virus. Los rayos ultravioleta, los rayos X y los rayos gama (ga-

ma) son mutágenos y carcinógenos (cancerígenos). La lesión del DNA parece ser el mecanismo básico de la carcinogénesis. Aparte de los efectos directos sobre el DNA, los rayos X y los y provocan la formación de radicales libres que contribuyen a los efectos carcinógenos. Los compuestos químicos ambientales son responsables hasta del 80% de los cánceres humanos. Estos compuestos pueden ser contaminantes alimenticios como el hidrocarburo cíclico aflatoxina, producido por Aspergillus flavus, o el benzantraceno, presente en el humo del cigarro y en los alimentos asados al carbón (Figura 9.61). Generalmente los productos químicos que producen mutaciones mutágenos, son cancerígenos y viceversa. Las moléculas inorgánicas también pueden ser carcinógenos. Algunas, como la mostaza nitrogenada, interactúan directamente con las moléculas blanco {carcinógenos directos), otros requieren ser metabolizados primero (procarcinógenos) para ser carcinógenos, por un proceso llamado activación metabólica. El carcinógeno final es con frecuencia altamente reactivo. Estos son generalmente electrófilos (deficientes en electrones) que atacan grupos nucleófilos (ricos en electrones) como el DNA, RNA y proteínas. La prueba de que en un compuesto químico es carcinógeno es demostrando que causa

Benzopireno

Benzantraceno

tumores en animales, proceso técnico lento y costoso. Sin embargo, un análisis que se basa en la mutagenicidad bacteriana, el análisis de Ames, ha probado ser útil en identificar carcinógenos potenciales. Este análisis identifica al 90% de los carcinógenos conocidos y se está convirtiéndose en prueba de rutina para compuestos recién sintetizados que van a ser utilizados en la industria farmacéutica y otras. La carcinogénesis química puede dividirse en dos etapas en la piel u el hígado. Primero, un agente iniciador, por ejemplo benzopireno, seguido de la aplicación de un agente promotor, por ejemplo aceite de crotón, dan origen en unos meses al proceso de carcinogénesis. Ambos compuestos aplicados por separado no producen tumores. Fenobarbital y sacarina pueden actuar como promotores en varios órganos. Existe una variedad de virus llamados oncogénicos, como los de la leucemia, sarcoma de Rous, poliomavirus, SV40 y papiloma, que son capaces de inducir cáncer en el huésped. La infección de células con estos virus pueden causar transformación maligna. La característica general de células transformados es que continúan creciendo cuando las células normales dejan de hacerlo. La cuestión es ¿qué genes son responsables de la transformación de células normales en células cancerosas?. Estos virus oncogénicos son

2-Acetaminofluoreno

Figura 9.61. Estructura de algunos carcinógenos químicos.

portadores de genes inductores de cáncer, u oncogenes, en su genoma; pueden ser tanto virus DNA como virus RNA (retrovirus). Los oncogenes de retrovirus son genes de origen celular que por recombinación se han integrado en el genoma viral. El suceso de recombinación implica la participación de elementos genéticos móviles llamados transposones, que codifican las enzimas que catalizan el proceso de transposición (transposasas). El oncogene se define como un fragmento de DNA capaz de provocar la transformación tumoral. Los genes celulares no oncogénicos, protooncogenes u oncogenes celulares (onc-c) representan la versión normal del oncogene. La activación de un protooncogene lo convierte en un gene canceroso. Un protooncogene puede ser capturado y modificado por un retrovirus para crear un oncogene viral (onc-v). Hasta el momento hay descritos unos 30 protooncogenes, la mayoría relacionados con oncogenes asociados a virus. Los protooncogenes tienen un papel muy importante en el crecimiento y proliferación celulares; es posible que algunos oncogenes transformen la célula desestabilizando los controles de la división celular. Los oncogenes codifican proteínas con actividad enzimática que podrían explicar la forma en que un virus tumoral puede causar los efectos de la transformación cancerosa. La clase I de oncogenes engloba proteincinasas, la mayoría de las cuales fosforila restos de tirosina de otras proteínas celulares. Los oncogenes de la clase II codifican para proteínas de unión al GTP (proteínas G) con un probable papel en muchos tumores humanos. La clase III codifica productos oncogénicos localizados en el núcleo. La clase IV está integrada por proteínas oncogénicas que son factores del crecimiento. En época reciente, se han reconocido genes diferentes a los oncogenes. Estos son los genes supresores del crecimiento; la pérdida de éstos anula ciertos mecanismos de control

de la proliferación. Estos genes supresores de la proliferación se designan también antioncogenes o genes supresores del tumor. Ha sido demostrada ya la importancia de la pérdida de antioncogenes en la génesis de un tipo de cáncer mamario, del tumor de Wilms del riñon y del carcinoma de células pequeñas del pulmón. La investigación de antioncogenes y la identificación de sus modos de acción son un reto en los estudios actuales sobre cáncer. Una vez que una célula se convierte en célula tumoral, tiene tendencia al aumento de su malignidad, aumento de la proliferación e incremento de la tendencia a invadir y formar metástasis. El perfil bioquímico de las células malignas puede ser muy diferente del de las células normales. Las células de crecimiento rápido tienden a optimizar los procesos anabólicos implicados en la proliferación (síntesis de DNA y RNA) y economía de las funciones catabólicas (catabolismo de pirimidinas). También muestran cambios bioquímicos que reflejan una alteración de la regulación de genes, como la síntesis de ciertas proteínas fetales (marcadores tumorales, como el antígeno carcinoembrionario). La metástasis es la diseminación de las células cancerosas, desde su origen primario a otros tejidos donde proliferan como tumores secundarios. Gran parte de los estudios actuales se ha enfocado a comparar los cambios bioquímicos de las superficies membranales de células normales y de las malignas, cambios que se relacionan en formas directa con el problema de la metástasis. La posible terapia molecular que elimine los efectos moleculares del proceso tumoral y de la transformación celular puede lograrse a través de una fructífera combinación entre ingeniería genética e inmunología con los llamados anticuerpos quimera. Las nuevas posibilidades de los anticuerpos monoclonales han hecho revivir el interés de la inmunoterapia. No es difícil imaginar que se pueden producir anticuer-

pos específicos contra tumores inyectando proteínas de membrana de un tumor human o e n r a t o n e s . Estos a n t i c u e r p o s antitumorales podrían usarse como terapia en humanos si fuéramos capaces de eliminar los problemas de hipersensibilidad (alergia) y rechazo a dichos anticuerpos. La ingeniería genética propone la elaboración de un anticuerpo híbrido entre ratón y humano (anticuerpo quimera) que lleve la parte variable (especificidad) de ratón y el resto humano, como una manera de eliminar la hipersensibilidad. Puede irse todavía más lejos. Sustituyendo la región constante del anticuerpo por a l g o t a n d i s p a r c o m o la nucleasa de estafilococos. Estos anticuerpos bifuncionales pueden reconocer células tumorales, y al llegar a ellas descargar su actividad nucleasa y destruir la célula. La posibilidad de usar estos anticuerpos quimera contra células tumorales abre nuevos horizontes en la terapia del cáncer. Mutágenos y carcinógenos Puede definirse una mutación como un cambio estable en la estructura del DNA de un gene, el cual se expresa en forma de un cambio fenotípico en un organismo. Las mutaciones son fundamentalmente sucesos aleatorios; ninguna mutación es selectiva en el sentido de que pueda mutar específicamente un gene y no otro. Durante el proceso de la evolución, mutaciones beneficiosas proporcionaron a los organismos primitivos una ventaja de supervivencia sobre los competidores, hasta la aparición final de seres inteligentes. Por tanto, en una especie tan evolucionada como la especie humana, la mayoría de las mutaciones sólo producen efectos nocivos. Las mutaciones pueden clasificarse en transiciones, transversiones y desplazamiento de marco de lectura. Cuando se sustituye

una purina por otra o una pirimidina por otra, el cambio se denomina transición. Una transversión consiste en el cambio de una purina por una pirimidina o de una pirimidina por una purina. Las mutaciones de desplazamiento de marco de lectura, las más radicales, son resultado de inserción de un nuevo par de bases o la eliminación de un par o de un grupo de pares de bases de la secuencia de bases del DNA del gene. La irradiación y ciertos compuestos químicos son los principales mutágenos. Tanto la radiación ultravioleta como los rayos X son medios muy efectivos para producir mutaciones. Los rayos ultravioleta forman dímeros entre restos adyacentes de tirnina en la misma cadena de DNA (ver "mecanismos de reparación del DNA"). La acción de los rayos X es indirecta. Produce radicales libres que reaccionan con el DNA y se provocan mutaciones p u n t u a l e s o roturas cromosómicas. Muchas de las mutaciones causadas por análogos de bases producidos artificialmente son transiciones. Los análogos también pueden inhibir la síntesis de DNA y la multiplicación celular. Análogos u s a d o s en la quimioterapia del cáncer y que también son mutágenos, son las 6-mercaptopurina y la 2aminopurina. Los agentes alquilantes que h a n s i d o utilizados en el t r a t a m i e n t o quimioterapéutico del cáncer, como la ciclofosfamida y el bisulfán, también son mutágenos. C H 2 — C H 2 — Cl p

p

CH2

Ciclofosfamida

CH2

Cl

C H 3 - S 0 3 - (CH 2 ) 4 - S 0 3 - C H 3 Bisulfán Las mostazas nitrogenadas o de azufre producen principalmente transversiones. Los

colorantes de acridina, como el antipalúdico quinacrina, se intercalan o insertan entre las bases apiladas de la hélice del DNA. La quinacrina resulta útil en citogenética humana, ya que se intercala en la heterocromatina del cromosoma Y, haciéndolo fluorescer (determinación prenatal del sexo).

HN

Hipoxantina (forma parte del RNAt)

Xantina

Acido úrico (forma de excreción de purinas)

Figura 9.7. Estructura de hipoxantina, xantina y ácido úrico.

Existen también bases nitrogenadas análogas a las anteriores, las cuales se utilizan para inhibir enzimas involucradas en las síntesis de ácidos nucleicos y, de esta forma, impedir la división celular. Estas sustancias se usan como drogas antineoplásicas que, desafortundamente, también inhiben la división de las células normales, sobre todo

aquellas que se reproducen rápidamente: células sanguíneas, de la piel y mucosas, etc. Entre estas tenemos a la 6-mercaptopurina, 6-tioguanina, 5-fíuorouracilo, azaguanina y alopurinol (Figura 9.8), este último no se emplea como antineoplástico sino en el tratamiento de la gota (ver adelante).

H2N H 6 - tioguanina

6-mercaptopurina

Alopurinol Figura 9.8. Estructura de algunos análogos de bases nitrogenadas.

Por otro lado, existen bases no usuales en el RNAt (de transferencia) como son: seudouracilo (\y), dihidrouracilo (Dh), hipoxantina (inosina), metilguanina y otras (fig. 9.9). Estas bases raras llegan a constituir casi el 5 % del total de bases RNA,.

9.2.1

Nucleósidos y nucleótidos

La unión de una base nitrogenada con la pentosa, forma un nucleósido. Si la pentosa

Seudouracilo

es la ribosa, recibirán el nombre de ribonucleósidos; si la pentosa es la desoxirribosa, se formarán los desoxirribonucleósidos. La base que forman parte de los ribonucleósidos, son aquellas que integran el RNA y las que forma parte de los desoxirribonucleósidos son las que integran el DNA. En la figura 9.10, se muestra la estructura de un ribonucleósido de una base púrica y un desoxirribonucleósido de base pirimídica. De estas estructuras hay que hacer notar lo siguiente:

Dihidrouracilo Fig. 9.9 Estructura de algunas bases raras.

NH

NH

C H 2 - OH

Adenosina

Desoxicitidina

Figura 9.10. Estructura de un ribonucleósido y un desoxirribonucleósido.