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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 Propiedades fisicoquímicas y fisiológicas del agua
2.2 Electrólitos
2.3 Regulación del equilibrio hidroelectrolítico
2.4 Desequilibrio hidroelectrolítico. Alteraciones del equilibrio hídrico
2.5 Regulación del equilibrio ácido base
2.6 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
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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 :
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.
En 1983, al modo de un símbolo, el viejo
acción bélica, la vitamina C derrotaba al escorbuto. 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
288
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.
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,
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.
2.4 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:
C02 + H20
anhidrasa
;
^
carbónica
H2C03
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 +
ion dipolar
...... .
(Zwittenon)
R-CH-COOH
|
NH3+ cr
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
<
H 2 C0 3
^
NaHC03
i
l
¿céC<?2-Na • HCa
-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, secunda riamente, 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 tempeR-O
N
grupo hidroxilo
H
/
grupo carbonilo
II
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 <fr) que, en las
proteínas naturales, presentan poca variabilidad en sus valores. Esto trae como consecuencia que, en un péptido, los enlaces
peptídicos presentan una alternancia que determina una secuencia en zig-zag (fig. 3.10).
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 organismo. Las sustancias que inducen la producTalasemias
ción 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-
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 inmunoglobulina más común, la IgG, su
contribuyeron a vencer el obstáculo.
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
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).
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.
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
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
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
coenzimática conocida.
ra su actividad.
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.
4.2.4. Enzimas oligoméricas e isoenzimas
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
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.
4.2.5. Complejos multienzimáticos
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.
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
formas activas 24,25 -dihidroxicolecalciferol y 1,25-dihidroxicolecalciferol.
5.4 FOSFORILACIÓN
(FORMACIÓN DE ATP)
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.
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
5.5.1 Reacciones del ciclo. Enzimas y
Coenzimas
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
—
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.
5.2.1.
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
RT
=
m
°' ~nF
(1.987) (298) _ , .
-»
MALATO"2+NAD+
AEQ-+0.154V
Aplicando la ecuación:
Sustituyendo los valores se tiene:
„
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
OXALACETATO^+NADH+H*
AF'° = -n3AE0
hlKeq
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:
•
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:
-*
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".
6.2 CLASIFICACIÓN GENERAL Y
NOMENCLATURA
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
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-
6.3.1 Actividad óptica e isomería
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-
O^
/—v
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
1 CHO
2 CH-OH
3 (JH-OH
4 CH2-OH
D - eritrosa (-24.6°)
CHO
HO-CH
CH-OH
CH2-OH
D - treosa (-4°)
11
_L
CHO
HÓ-CH
HO-CH
CH-OH
CH2-OH
D-lix osa (-14°)
I
l
CHO
HO-CH
CH-OH
CH-OH
CH2-Or-
CHO
QH-OH
HO-CH
CH-OH
CH2-OH
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.
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-
camento puede durar varias horas en plasma
ocasionando hipoglucemia.
Biguanidas
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.
7.5.1.4 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.
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
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.
7.2.3 De transporte
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.
posee tres carbonos y estos se designan con
números arábigos o letras griegas.
loa
CH2-OH
2o p CH-OH
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
I
C H J - O - C H ^ R J CH 2 -OH
CH-OH
CH-OH
I
i
CH2-OH
Glicerol
I
CH-O-CO-CH^R,
I
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
75.4°C
Aceite de
cacahuate
79.95°C
grasas de
semillas y
aceites de
animales
marinos
84.2°C
Aceite de
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.
7.8.7.3 Tratamiento de las enfermedades
lisosomales
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
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.
7.8.8
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.
Hiperargininemia. Este defecto (dos cae intoxicación por amoniaco. Esta intoxicación 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.
Nucleótidos
Si se hace reaccionar un nucleósido con
ácido fosfórico, se forma un nucleótido. Si
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.
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
VYV^
l^DIMERO
i
OülJllilULITTTTTTTI
/
^
|
ONA POLIMERASA I
[
nfflnnmmnfflii
Y>^^
EXONUCLEASA
1
llllül.l..Ui.ülTTTTrTTT
\
ONA LIGASA
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).
El RNAm es traducido en la misma direcAsí, las aminoacil-RNAt sintetasa tienen
que 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
el AUG del RNAm, que corresponde a meATP.
(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.