Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Lippincott® Reseñas ilustradas: Bioquímica Octava Edición Emine Ercikan Abali, PhD Asistente del Decano del Currículo de Ciencias Básicas Facultad de Medicina de CUNY Nueva York, Nueva York Susan D. Cline, PhD Profesora de Bioquímica Departamento de Ciencias Biomédicas Facultad de Medicina de la Universidad Mercer Macon, Georgia David S. Franklin, PhD Profesor de Bioquímica y Biología Molecular Facultad de Medicina de la Universidad de Tulane Nueva Orleans, Luisiana Susan M. Viselli, PhD Profesora de Bioquímica y Genética Molecular Facultad de Estudios de Posgrado Universidad del Medio Oeste Downers Grove, Illinois ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Editora de adquisiciones: Lindsey Porambo Editora de desarrollo: Andrea Vosburgh Coordinadora editorial: Sean Hanrahan Asistente editorial: Jada Davis Gerente de marketing: Phyllis Hitner Gerente sénior de proyectos de producción: Alicia Jackson Gerente de artes gráficas y diseño: Steve Druding Coordinador de fabricación: Margie Orzech Proveedor de preimpresión: Aptara , Cía. 8ª edición Copyright © 2022 Wolters Kluwer. Copyright © 2017 Wolters Kluwer. Copyright © 2014, 2011, 2008, 2005, 1994, 1987 Lippincott Williams & Wilkins, una empresa de Wolters Kluwer. Reservados todos los derechos. Este libro está protegido por derechos de autor. Ninguna parte de este libro puede reproducirse o transmitirse de ninguna forma o por ningún medio, incluidas las fotocopias o copias escaneadas u otras copias electrónicas, ni utilizarse mediante ningún sistema de almacenamiento y recuperación de información sin el permiso por escrito del propietario de los derechos de autor, excepto por breves citas incorporadas en artículos críticos y reseñas. Los materiales que aparecen en este libro preparados por individuos como parte de sus deberes oficiales como empleados del gobierno de los EE. UU. no están cubiertos por los derechos de autor antes mencionados. 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El editor no brinda asesoramiento ni orientación médica y este trabajo es simplemente una herramienta de referencia. Los profesionales de la salud, y no el editor, son los únicos responsables del uso de este trabajo, incluidos todos los juicios médicos y de los diagnósticos y tratamientos resultantes. Dados los continuos y rápidos avances en la ciencia médica y la información sobre la salud, se debe realizar una verificación profesional independiente de los diagnósticos médicos, las indicaciones, las selecciones y dosis farmacéuticas apropiadas y las opciones de tratamiento, y los profesionales de la salud deben consultar una variedad de fuentes. Al prescribir medicamentos, se recomienda a los profesionales de la salud que consulten la hoja de información del producto (el prospecto del fabricante) que acompaña a cada medicamento para verificar, entre otras cosas, las condiciones de uso, advertencias y efectos secundarios e identificar cualquier cambio en el horario de dosificación o contraindicaciones, particularmente si el medicamento a administrar es nuevo, de uso poco frecuente o tiene un rango terapéutico estrecho. En la medida máxima permitida por la ley aplicable, el editor no asume ninguna responsabilidad por cualquier lesión y/o daño a personas o propiedad, como un asunto de responsabilidad de productos, ley de negligencia o de otra manera, o de cualquier referencia o uso por parte de cualquier persona. de este trabajo tienda.lww.com ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Dedicación Esta edición está dedicada a quienes enseñamos ya quienes nos enseñaron. Emine Ercikan Abali, PhD Dra. Susan D. Cline David S. Franklin, doctorado Dra. Susan M. Viselli ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Expresiones de gratitud Extendemos nuestro agradecimiento a los autores fundadores de este título, la difunta Dra. Pamela Champe y el difunto Dr. Richard Harvey, quienes crearon las primeras cuatro ediciones, y a la Dra. Denise Ferrier, quien fue coautora o autora de las próximas tres ediciones. Nos hemos esforzado por continuar con su tradición de excelencia con la edición actual. Valoramos a los muchos miembros de la Asociación de Educadores de Bioquímica que brindaron una revisión crítica por pares de los nuevos materiales producidos para esta edición. Estamos agradecidos con el equipo de Wolters Kluwer. Agradecemos a Lindsey Porambo por su estímulo y apoyo invaluable a lo largo de este proyecto, a Andrea Vosburgh por su orientación y edición de desarrollo competente, y a Sean Hanrahan por su hábil coordinación editorial. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Editor colaborador, Revisión de la unidad en línea Preguntas Jana M. Simmons, PhD Presidenta, Asociación de Educadores en Bioquímica Profesora Asociada Departamento de Bioquímica y Biología Molecular Universidad Estatal de Michigan, Facultad de Medicina Humana Grand Rapids, Michigan ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Revisores James D. Baleja, PhD Profesor asociado, Departamentos de Educación Médica y Biología del Desarrollo, Molecular y Química Facultad de Medicina de la Universidad de Tufts Boston, Massachusetts Katelyn Carnevale, PhD Profesora Asistente, División de Bioquímica, Departamento de Educación Médica Dr. Kiran C. Patel Facultad de Medicina Alopática Nova Southeastern University Fort Lauderdale, Florida Dra. Gergana Deevska Profesor Asistente de Bioquímica Facultad de Medicina Osteopática de Idaho Meridiano, Idaho José Fontes, PhD Profesor, Departamento de Bioquímica y Biología Molecular Vicedecano de Ciencias Fundamentales, Oficina de Educación Médica Facultad de Medicina de la Universidad de Kansas ciudad de kansas, kansas N. Kevin Krane, MD, FACP, FASN Vicedecano de Asuntos Académicos Profesor de Medicina Facultad de Medicina de la Universidad de Tulane Nueva Orleans, Luisiana Michael A. Lea, PhD Profesor, Departamento de Bioquímica y Biología Molecular Rutgers New Jersey Medical School Newark, New Jersey Pasquale Manzerra, PhD Vicedecano, Asuntos Estudiantiles de Medicina y Admisiones Profesor Asistente de Bioquímica y Director de Investigación de Estudiantes de Medicina Escuela de Medicina de Sanford la universidad de dakota del sur Bermellón, Dakota del Sur ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Richard O. McCann, PhD Decano Asociado de Admisiones Profesor de Bioquímica Facultad de Medicina de la Universidad Mercer Macon, Georgia Dra. Darla McCarthy Vicedecana de Currículo Profesor Asociado de Enseñanza, Bioquímica Departamento de Ciencias Médicas Básicas escuela de Medicina Universidad de Missouri-Kansas City Kansas City, Misuri Dra. Gwynneth Offner Vicedecano de Admisiones Director, Programa de Ciencias Médicas Profesor Asociado de Medicina Facultad de Medicina de la Universidad de Boston Boston, Massachusetts Dra. Chante Richardson Profesor Asociado de Bioquímica Colegio de Medicina Osteopática de Alabama Dothan, Alabama Scott Severance, PhD Profesor Asistente de Bioquímica Departamento de Ciencias Moleculares y Celulares Facultad de Medicina Osteopática universidad de la libertad Lynchburg (Virginia) Luigi Strizzi, MD, PhD Profesor Asociado de Patología Facultad de Estudios de Posgrado Universidad del Medio Oeste Downers Grove, Illinois Dra. Tharun Sundaresan Profesor Asociado de Bioquímica Director, Programa de Posgrado en Biología Molecular y Celular (MCB) Universidad de Servicios Uniformados de Ciencias de la Salud (USUHS) Bethesda, Maryland ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Prefacio La bioquímica es el estudio de cómo nuestros cuerpos utilizan las sustancias nutricionales en nuestra dieta para fabricar bloques de construcción, combustibles y moléculas de comunicación para nuestras células. También incluye los procesos mediante los cuales convertimos sustancias químicas dentro de nuestros cuerpos y eliminamos sustancias químicas de nuestros cuerpos. Este libro proporciona una revisión sucinta e ilustrativa de estos complejos mecanismos. Al hacerlo, el libro también ofrece ejemplos de una herramienta organizativa útil llamada mapa conceptual. Aquí hay una explicación de los mapas conceptuales para que pueda usarlos mientras estudia bioquímica y tal vez crear sus propios mapas conceptuales en sus estudios. Mapas conceptuales Los estudiantes a veces ven la bioquímica como una lista de hechos o ecuaciones para memorizar, en lugar de un cuerpo de conceptos para entender en el contexto de la persona en su totalidad. Los detalles proporcionados para enriquecer la comprensión de estos conceptos se convierten inadvertidamente en distracciones. Lo que parece faltar es una guía, o un tipo de hoja de ruta, una que le proporcione al estudiante una comprensión del contexto de cómo encajan varios temas para contar una historia. En este texto, se han creado una serie de mapas conceptuales bioquímicos para ilustrar gráficamente las relaciones entre las ideas y las conexiones entre los conceptos. Estos se presentan cerca del final de cada capítulo para mostrar cómo se puede agrupar u organizar la información. Un mapa conceptual es, por tanto, una herramienta para visualizar las conexiones entre conceptos. El material se representa de forma jerárquica, con los conceptos más inclusivos y generales en la parte superior del mapa y los conceptos más específicos y menos generales dispuestos debajo. Los mapas conceptuales funcionan idealmente como plantillas o guías para organizar la información, de modo que el estudiante pueda encontrar fácilmente las mejores formas de ayudar con la integración de nueva información con el conocimiento que ya posee. La construcción del mapa conceptual se describe a continuación. A: Cajas de concepto y enlaces Los educadores definen los conceptos como “regularidades percibidas en eventos u objetos”. En los mapas bioquímicos, los conceptos incluyen abstracciones (p. ej., energía libre), procesos (p. ej., fosforilación oxidativa) y compuestos (p. ej., glucosa 6-fosfato). Estos conceptos ampliamente definidos se priorizan con la idea central ubicada en la parte superior de la página. Los conceptos que se derivan de esta idea central se dibujan luego en recuadros (ver figura, parte A). El tamaño de la letra indica la importancia relativa de cada idea. Se dibujan líneas entre los cuadros de conceptos para mostrar cuáles están relacionados. La etiqueta en la línea define la relación entre dos conceptos, por lo que se lee como una declaración válida (es decir, la conexión crea significado). Las líneas con puntas de flecha indican en qué dirección debe leerse la conexión. B: Enlaces a otras partes de un mapa ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A diferencia de los esquemas o diagramas de flujo lineales, los mapas conceptuales pueden contener enlaces cruzados que permiten al lector visualizar relaciones complejas entre ideas representadas en diferentes partes del mapa (ver figura, parte B) o entre el mapa y otros capítulos de este libro (ver figura, parte C) oa otros libros de la serie Lippincott® Illustrated Reviews (p. ej., Lippincott® Illustrated Reviews: Cell and Molecular Biology). Estos enlaces pueden ayudar a identificar conceptos que son centrales para más de un tema en bioquímica, capacitando a los estudiantes para ser efectivos en situaciones clínicas y en exámenes de licencias profesionales que requieren la integración de material. Estos mapas con enlaces proporcionan una ayuda visual para representar relaciones no lineales entre hechos, en contraste con las referencias cruzadas dentro de textos y conceptos lineales. El primer ejemplo de un mapa conceptual completo se puede encontrar al final del Capítulo 1 (Fig. 1.13). Uso recomendado de este libro de texto y otros recursos Este libro es una revisión completa de la bioquímica. Además de los mapas conceptuales y las figuras ilustrativas, se incluyen recuadros clínicos para ofrecer a los estudiantes aplicaciones biológicas o médicas de los conceptos. También se alienta a los estudiantes a desafiar su comprensión de la información que han leído completando las preguntas de estudio en el ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google final de cada capítulo y en el banco de preguntas más grande disponible en línea. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Contenido Dedicación Expresiones de gratitud Editor colaborador, Preguntas de revisión de la unidad en línea Revisores Prefacio UNIDAD I: Estructura y Función de las Proteínas Capítulo 1: Aminoácidos y el papel del pH Capítulo 2: Estructura de la proteína Capítulo 3: Proteínas globulares Capítulo 4: Proteínas fibrosas Capítulo 5: Enzimas UNIDAD II: Bioenergética y Metabolismo de Hidratos de Carbono Capítulo 6: Bioenergética y fosforilación oxidativa Capítulo 7: Introducción a los carbohidratos Capítulo 8: Introducción al metabolismo y la glucólisis Capítulo 9: Ciclo del ácido tricarboxílico y complejo piruvato deshidrogenasa Capítulo 10: Gluconeogénesis Capítulo 11: Metabolismo del glucógeno Capítulo 12: Metabolismo de monosacáridos y disacáridos Capítulo 13: Vía de las pentosas fosfato y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato Capítulo 14: Glicosaminoglucanos, proteoglucanos y glicoproteínas UNIDAD III: Metabolismo de Lípidos Capítulo 15: Metabolismo de los lípidos en la dieta Capítulo 16: Metabolismo de los ácidos grasos, triacilglicerol y cuerpos cetónicos Capítulo 17: Metabolismo de fosfolípidos, glicoesfingolípidos y eicosanoides Capítulo 18: Colesterol, lipoproteínas y metabolismo de esteroides UNIDAD IV: Metabolismo del Nitrógeno Capítulo 19: Aminoácidos: eliminación de nitrógeno Capítulo 20: Aminoácidos: degradación y síntesis Capítulo 21: Aminoácidos: conversión a productos especializados Capítulo 22: Metabolismo de nucleótidos UNIDAD V: Integración del Metabolismo Capítulo 23: Efectos metabólicos de la insulina y el glucagón Capítulo 24: El ciclo de alimentación y ayuno Capítulo 25: Diabetes mellitus Capítulo 26: Obesidad ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google UNIDAD VI: Nutrición Médica Capítulo 27: Nutrición: descripción general y macronutrientes Capítulo 28: Micronutrientes: vitaminas Capítulo 29: Micronutrientes: Minerales UNIDAD VII: Almacenamiento y Expresión de Información Genética Capítulo 30: Estructura, replicación y reparación del ADN Capítulo 31: Estructura, síntesis y procesamiento del ARN Capítulo 32: Síntesis de proteínas Capítulo 33: Regulación de la expresión génica Capítulo 34: Biotecnología y enfermedades humanas Capítulo 35: Coagulación de sangre Apéndice Índice Fuentes de figuras ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google UNIDAD I: Estructura y función de proteínas ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Los aminoácidos y el papel del pH 1 I. VISIÓN GENERAL Las proteínas son las moléculas más abundantes y funcionalmente diversas en los sistemas vivos. Prácticamente todos los procesos de la vida dependen de esta clase de macromoléculas. Por ejemplo, las enzimas y las hormonas polipeptídicas dirigen y regulan el metabolismo del cuerpo, mientras que las proteínas contráctiles del músculo permiten el movimiento. En los huesos, la proteína colágeno forma un marco para la deposición de cristales de fosfato de calcio, actuando como los cables de acero en el hormigón armado. En el torrente sanguíneo, las proteínas, como la hemoglobina y la albúmina, transportan moléculas esenciales para la vida, mientras que las inmunoglobulinas combaten las bacterias y los virus infecciosos. En resumen, las proteínas muestran una increíble diversidad de funciones, pero todas comparten la característica estructural común de ser polímeros lineales de aminoácidos. Este capítulo describe las propiedades de los aminoácidos y la importancia del pH para el funcionamiento normal del cuerpo y las proteínas. El Capítulo 2 explora cómo estos componentes básicos simples se unen para formar proteínas que tienen estructuras tridimensionales únicas, lo que las hace capaces de realizar funciones biológicas específicas. II. ESTRUCTURA Aunque se han descrito más de 300 aminoácidos diferentes en la naturaleza, solo 20 se encuentran comúnmente como constituyentes de proteínas de mamíferos. Estos 20 aminoácidos estándar son los únicos aminoácidos codificados por el ADN, el material genético de la célula. Los aminoácidos no estándar se producen por modificación química de aminoácidos estándar. Cada aminoácido tiene un grupo carboxilo, un grupo amino primario (excepto la prolina, que tiene un grupo amino secundario) y una cadena lateral distintiva o grupo R unido al átomo de carbono ÿ. A pH fisiológico (ÿ7.4), el grupo carboxilo de un aminoácido se disocia, formando el ion carboxilato con carga negativa (ÿCOOÿ ), y el grupo amino se protona (ÿNH3 combinado a través de un enlace +) (Fig. 1.1A). En las proteínas, casi todos estos grupos carboxilo y amino son peptídico y, en general, no son disponibles para la reacción química excepto para la formación de enlaces de hidrógeno o enlaces iónicos (Fig. 1.1B). Los aminoácidos dentro de las proteínas se denominan residuos en referencia a la estructura residual que queda después de la formación de enlaces peptídicos entre aminoácidos consecutivos dentro de una cadena peptídica. la naturaleza de las cadenas laterales que en última instancia dicta el papel que juega un aminoácido en una proteína Por lo tanto, es útil clasificar los aminoácidos de acuerdo con las propiedades de sus cadenas laterales, es decir, si son no polares, con una distribución uniforme de electrones, o polares con una distribución desigual de electrones, como ácidos y bases (Figs. 1.2 y 1.3). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 1.1 A, B: Características estructurales de los aminoácidos. A. Aminoácidos con cadenas laterales no polares Cada uno de los aminoácidos de esta categoría tiene una cadena lateral que no gana ni pierde protones ni participa en enlaces de hidrógeno o iónicos (ver Fig. 1.2). Las cadenas laterales de estos aminoácidos pueden considerarse como "aceitosas" o similares a los lípidos, una propiedad que promueve las interacciones hidrofóbicas (ver Fig. 2.10). 1. Ubicación en las proteínas: en las proteínas que se encuentran en ambientes polares, como las soluciones acuosas, las cadenas laterales de los aminoácidos no polares tienden a agruparse en el ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google interior de la proteína (Fig. 1.4). Este fenómeno se conoce como efecto hidrofóbico y es el resultado de la hidrofobicidad de los grupos R no polares, que actúan como gotas de aceite que se unen en un ambiente acuoso. Al ocupar el interior de la proteína plegada, estos grupos R no polares ayudan a dar a las proteínas su forma tridimensional. Figura 1.2 La clasificación de los 20 aminoácidos estándar, según la carga y la polaridad de sus cadenas laterales a pH ácido, se muestra aquí y continúa en la Figura 1.3. Cada aminoácido se muestra en su forma completamente protonada, con iones de hidrógeno disociables representados en rojo. Los valores de pK para los grupos ÿ-carboxilo y ÿ-amino de los aminoácidos no polares son similares a los que se muestran para la glicina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 1.3 Clasificación de los 20 aminoácidos estándar, según la carga y polaridad de sus cadenas laterales a pH ácido (continuación de la Fig. 1.2). (Nota: a pH fisiológico (7,35 a 7,45), los grupos carboxilo ÿ, las cadenas laterales ácidas y la cadena lateral de histidina libre se desprotonan). Para las proteínas ubicadas en un entorno hidrofóbico, como dentro del núcleo hidrofóbico de una membrana de fosfolípidos, los grupos R no polares se encuentran en la superficie exterior de la proteína, interactuando con el entorno lipídico (ver Fig. 1.4). La importancia de estas interacciones hidrofóbicas en la estabilización de la estructura de la proteína se analiza en el Capítulo 2. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 1.4 Ubicación de aminoácidos no polares en proteínas solubles y de membrana. La anemia de células falciformes, una enfermedad que hace que los glóbulos rojos adquieran forma de hoz en lugar de disco, resulta del reemplazo del glutamato polar con valina no polar en la sexta posición en la subunidad ÿ de la hemoglobina A ( capítulo 4). 2. Características únicas de la prolina: la prolina se diferencia de otros aminoácidos en que su cadena lateral y el nitrógeno ÿ-amino forman una estructura de anillo rígida de cinco miembros (fig. 1.5). La prolina, entonces, tiene un grupo amino secundario (en lugar de primario) y con frecuencia se la denomina “iminoácido”. La geometría única de la prolina contribuye a la formación de la estructura fibrosa extendida del colágeno (consulte el Capítulo 4, II Colágeno B. Estructura), pero interrumpe las hélices ÿ que se encuentran en las proteínas globulares más compactas (consulte el Capítulo 2, III Estructura secundaria) . Figura 1.5 ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Comparación del grupo amino secundario que se encuentra en la prolina con el grupo amino primario que se encuentra en otros aminoácidos como la alanina. B. Aminoácidos con cadenas laterales polares sin carga Estos aminoácidos tienen carga neta cero a un pH fisiológico de aproximadamente 7,4, aunque las cadenas laterales de cisteína y tirosina pueden perder un protón a un pH alcalino (v . fig. 1.3). La serina, la treonina y la tirosina contienen cada una un grupo hidroxilo polar que puede participar en la formación de enlaces de hidrógeno (fig. 1.6). Las cadenas laterales de la asparagina y la glutamina contienen cada una un grupo carbonilo y un grupo amida, los cuales también pueden participar en los enlaces de hidrógeno. 1. Formación de enlaces disulfuro: la cadena lateral de la cisteína contiene un grupo sulfhidrilo (tiol) (ÿSH), que es un componente importante dentro del sitio activo de muchas enzimas. En las proteínas, los grupos –SH de dos cisteínas se pueden oxidar para formar un enlace cruzado covalente llamado enlace disulfuro (ÿS– S–). Dos residuos de cisteína que forman un enlace disulfuro se denominan cistina. (Ver Capítulo 2 Sección IV. B. para una discusión adicional sobre la formación de enlaces disulfuro.) Figura 1.6 Enlace de hidrógeno entre el grupo hidroxilo fenólico de la tirosina y otra molécula que contiene un grupo carbonilo. Muchas proteínas extracelulares se estabilizan mediante enlaces disulfuro. La albúmina, una proteína que funciona en el transporte de una variedad de moléculas en la sangre, es un ejemplo. El fibrinógeno, una proteína de la sangre convertida en fibrina para estabilizar los coágulos de sangre, es otro ejemplo. 2. Cadenas laterales como sitios de unión para otros compuestos: el grupo hidroxilo polar de serina, treonina y tirosina puede servir como sitio de unión para grupos fosfato. Las quinasas son enzimas que catalizan reacciones de fosforilación. Las fosfatasas son enzimas que eliminan el grupo fosfato. Los cambios en el estado de fosforilación de las proteínas (ya sea que estén fosforiladas o no), ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google especialmente de enzimas, altera su estado de activación; algunas enzimas son más activas cuando están fosforiladas mientras que otras son menos activas. Además, el grupo amida de la asparagina, así como el grupo hidroxilo de la serina o la treonina, pueden servir como sitio de unión para las cadenas de oligosacáridos en las glicoproteínas (véase también el Capítulo 14, Sección VII). C. Aminoácidos con cadenas laterales ácidas Los aminoácidos ácido aspártico y ácido glutámico son donantes de protones. A pH fisiológico, las cadenas laterales de estos aminoácidos están completamente ionizadas y contienen un grupo carboxilato cargado negativamente (ÿCOOÿ ). Las formas completamente ionizadas se llaman aspartato y glutamato. D. Aminoácidos con cadenas laterales básicas Las cadenas laterales de los aminoácidos básicos aceptan protones (ver Fig. 1.3). A pH fisiológico, los grupos R de lisina y arginina están completamente ionizados y cargados positivamente. Por el contrario, el aminoácido libre histidina es débilmente básico y en gran medida sin carga a pH fisiológico. Sin embargo, cuando la histidina se incorpora a una proteína, su grupo R puede estar cargado positivamente (protonado) o neutral, según el entorno iónico proporcionado por la proteína. Esta importante propiedad de la histidina contribuye al papel amortiguador que desempeña en el funcionamiento de las proteínas, incluida la hemoglobina (consulte el Capítulo 3). La histidina es el único aminoácido con una cadena lateral que puede ionizarse dentro del rango de pH fisiológico (7,35 a 7,45). Aplicación clínica 1.1: Insulina de acción más lenta y prolongada creada mediante la sustitución de aminoácidos La insulina glargina se aprobó por primera vez para su uso en los Estados Unidos en el año 2000. Es una forma de insulina de acción más lenta creada en el laboratorio reemplazando la asparagina normalmente en la posición 21 en la cadena A de la insulina con glicina y extendiendo la carboxi terminal por dos residuos de arginina adicionales. El resultado de estos cambios es una forma de insulina menos soluble en agua con una carga neta de +0,2, que está más cerca de 0, lo que provoca una absorción más lenta de la insulina glargina desde el lugar de la inyección. La sustitución de glicina evita la desamidación de la asparagina a pH ácido en el espacio subcutáneo neutro. Los residuos de arginina adicionales cambian el punto isoeléctrico de pH 5,4 a pH 6,7, lo que hace que la molécula sea más soluble a pH ácido y menos soluble a pH neutro. Por lo tanto, la insulina glargina es una forma de insulina que actúa lentamente, tiene una actividad más prolongada y requiere inyecciones menos frecuentes. Esta forma de insulina puede ser útil en el tratamiento de la diabetes mellitus y ayudar a los pacientes a lograr un mejor control glucémico. (Consulte el Capítulo 23 para conocer la estructura de la insulina). E. Abreviaturas y símbolos para aminoácidos comunes Cada aminoácido tiene asociada una abreviatura de tres letras y un símbolo de una letra (fig. 1.7). Los códigos de una letra están determinados por las siguientes reglas: 1. Primera letra única: si solo un aminoácido comienza con una letra dada, entonces esa letra se usa como su símbolo. Por ejemplo, V = valina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 2. Los aminoácidos más comunes tienen prioridad: si más de un aminoácido comienza con una letra en particular, el más común de estos aminoácidos recibe esta letra como su símbolo. Por ejemplo, la glicina es más común que el glutamato, por lo que G = glicina. 3. Nombres que suenan similares: algunos símbolos de una letra suenan como el aminoácido ellos representan. Por ejemplo, F = fenilalanina. 4. Letra cercana a la letra inicial: Para los aminoácidos restantes, se asigna un símbolo de una letra que está lo más cerca posible en el alfabeto de la letra inicial del aminoácido, por ejemplo, K = lisina. Además, B se asigna a Asx, que significa ácido aspártico o asparagina; Z se asigna a Glx, que significa ácido glutámico o glutamina; W se usa para triptófano y X se usa para representar un aminoácido no identificado. F. Isómeros de aminoácidos Debido a que el carbono ÿ de un aminoácido está unido a cuatro grupos químicos diferentes, es un átomo asimétrico o quiral. La glicina es la excepción porque su carbono ÿ tiene dos sustituyentes de hidrógeno. Los aminoácidos con un carbono ÿ quiral existen en dos formas isoméricas diferentes, denominadas D y L, que son enantiómeros o imágenes especulares (fig. 1.8). (Nota: los enantiómeros son ópticamente activos. Si un isómero, ya sea D o L, hace que el plano de luz polarizada gire en el sentido de las agujas del reloj, se denomina forma [+].) Todos los aminoácidos que se encuentran en las proteínas de los mamíferos tienen la configuración L. Sin embargo, los aminoácidos D se encuentran en algunos antibióticos y en las paredes celulares bacterianas. (Nota: las racemasas interconvierten enzimáticamente los isómeros D y L de los aminoácidos libres). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 1.7 Abreviaturas y símbolos de los aminoácidos estándar. tercero PROPIEDADES ÁCIDAS Y BÁSICAS Los aminoácidos en una solución acuosa contienen grupos ÿ-carboxilo débilmente ácidos y débilmente ******convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google grupos ÿ-amino básicos. Además, cada uno de los aminoácidos ácidos y básicos contiene un grupo ionizable en su cadena lateral. Así, tanto los aminoácidos libres como algunos aminoácidos combinados en enlaces peptídicos pueden actuar como tampones. Los ácidos pueden definirse como donantes de protones y las bases como aceptores de protones. Los ácidos (o bases) descritos como débiles se ionizan solo en un grado limitado. A pH La concentración de protones ([H+ ]) en solución acuosa se expresa como pH. pH = log 1/ [H+ ] o –log [H+ ] Figura 1.8 Las formas D y L de la alanina son imágenes especulares (enantiómeros). 1. Constantes de disociación: La sal o base conjugada, A ÿ , es la forma ionizada de un ácido débil. Por definición, la constante de disociación del ácido, Ka , es: Cuanto más grande es Ka , más fuerte es el ácido, porque la mayor parte del HA se ha disociado en H+ y A- . Por el contrario, cuanto es el Kaácido. , menos ácido se ha disociado y, por lo tanto, másmenor débil es 2. Ecuación de Henderson-Hasselbalch: resolviendo [H+ ] en la ecuación anterior, tomando el logaritmo de ambos lados de la ecuación, multiplicando ambos lados de la ecuación por ÿ1 y luego sustituyendo pH = ÿlog [H+ ] y pKa = ÿlog Ka , obtenga la ecuación de Henderson- nosotros Hasselbalch: pH = pKa + log [Aÿ] / [HA] Esta ecuación demuestra la relación cuantitativa entre el pH de la solución y la concentración de un ácido débil (HA) y su base conjugada (A ÿ ). B. Amortiguadores ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Un tampón es una solución que resiste un cambio de pH luego de la adición de un ácido o base y se puede crear mezclando un ácido débil (HA) con su base conjugada (A ÿ ). Si se agrega un ácido a un tampón, A ÿ puede neutralizarlo, en HA en el proceso. Si se agrega unaconvirtiéndose base, HA también puede neutralizarla, convirtiéndose en A - en el proceso. La máxima capacidad amortiguadora se produce a un pH igual al pKa , pero un par ácidobase conjugado aún puede servir como un amortiguador efectivo cuando el pH de una solución está dentro de aproximadamente ±1 unidad de pH del pKa . Si las HAcantidades y A ÿ son de iguales, el pH es igual al pKa . Como se muestra en la Figura 1.9, una solución que contiene ácido acético (HA = CH3 – COOH)un y acetato cambio (A de ÿpH = CH3 de 3,8 – COOÿ a 5,8, con ) con una unamortiguación pKa de 4,8 resiste máxima a pH 4,8 . A valores de pH inferiores al pKa, la forma ácida protonada (CH3 – COOH) es la especie predominante en solución. A pH mayor que el pKa , la forma de base desprotonada (CH3 – COOÿ ) es la especie predominante. 1. Disociación del grupo carboxilo: La constante de disociación del grupo carboxilo de un aminoácido se llama K1 , en lugar de Ka , porque molécula grupola titulable. Lacontiene Hasselbalch ecuaciónun desegundo se Hendersonpuede utilizar para analizar la disociación del grupo carboxilo de la alanina: K1 = [H+ ] [II] / [I] donde I es la forma completamente protonada de alanina y II es la forma isoeléctrica de alanina (Fig. 1.10). Esta ecuación se puede reorganizar y convertir a su forma logarítmica para producir: pH = pK1 + log [II] / [I] ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 1.9 Curva de titulación de ácido acético. Figura 1.10 Formas iónicas de alanina en soluciones ácidas, neutras y básicas. 2. Disociación del grupo amino: El segundo grupo titulable de alanina es el grupo amino. Debido a + (ÿNH3 que este es un ácido mucho más débil que el grupo –COOH, tiene una constante de disociación mucho menor, K2 . (Nota: su pKa es, por lo tanto, mayor). La liberación de un H+ del grupo amino protonado de la forma II da como resultado la forma completamente desprotonada de alanina, la forma III. 3. pKs y disociación secuencial: La disociación secuencial de H+ del ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Los grupos carboxilo y amino se resumen en la Figura 1.10 utilizando la alanina como ejemplo. Cada grupo titulable tiene un pKa que es numéricamente igual al pH al cual se ha eliminado exactamente la mitad de los H+ de ese grupo. El pKa del grupo más ácido (ÿCOOH) es pK1 , mientras que el pKa del siguiente grupo más ácido ( ácidos ÿNH3 es ~2, mientras que el pKa del grupo ÿ-amino es ~9). + ) es pK2 . (Nota: El pKa del grupo ÿ-carboxilo de amino Al aplicar la ecuación de Henderson-Hasselbalch a cada grupo ácido disociable, es posible calcular la curva de titulación completa de un ácido débil. La figura 1.11 muestra el cambio de pH que se produce durante la adición de una base a la forma completamente protonada de alanina (I) para producir la forma completamente desprotonada (III). una. Pares de tampones: El par –COOH/–COOÿ puede servir como un tampón en la región de pH + alrededor de pK1 y el –NH3 El par /–NH2 puede amortiguar en la región alrededor de pK2 . b. Cuando pH = pK: Cuando el pH es igual a pK1 (2.3), existen cantidades iguales de formas I y II de alanina en solución. Cuando el pH es igual a pK2 (9,1), están presentes en solución cantidades iguales de las formas II y III. C. Punto isoeléctrico pI: a pH neutro, la alanina existe predominantemente como la forma dipolar II en la que los grupos amino y carboxilo están ionizados, pero la carga neta es cero. El punto isoeléctrico (pI) es el pH en el que un aminoácido es eléctricamente neutro, es decir, cuando la suma de las cargas positivas es igual a la suma de las cargas negativas. Para la alanina, con solo dos hidrógenos disociables (uno del grupo ÿ-carboxilo y otro del grupo ÿ-amino), el pI es el promedio de pK1 y pK2 (pI = [2.3 + 9.1]/2 = 5.7) como se muestra en Figura 1.11. El pI está, por tanto, a medio camino entre pK1 (2,3) y pK2 (9,1). pI corresponde al pH en el que predomina la forma II (con carga neta de cero) y en el que también hay cantidades iguales de las formas I (carga neta de +1) y III (carga neta de -1). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 1.11 La curva de titulación de alanina. En el laboratorio, la separación de proteínas plasmáticas por carga normalmente se realiza a un pH superior al pI de las proteínas principales. Por lo tanto, a un pH alto (alcalino) la carga de las proteínas es negativa. En un campo eléctrico, las proteínas se moverán hacia el electrodo positivo a una velocidad determinada por su carga neta negativa. Las variaciones en el patrón de movilidad son sugestivas de ciertas enfermedades. 4. Carga neta a pH neutro: A pH fisiológico, los aminoácidos tienen una carga negativa, + grupo cargado (ÿCOOÿ ) y un grupo cargado positivamente (ÿNH3 ambos unidos al carbono ÿ. El glutamato, el aspartato, la histidina, la arginina y la lisina tienen grupos potencialmente cargados adicionales en sus cadenas laterales. Sustancias como los aminoácidos que pueden actuar como un ácido o una base se describen como ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google anfótero C. Amortiguación de la sangre, el sistema de amortiguación de bicarbonato El pH dentro de nuestra sangre se mantiene en el rango ligeramente alcalino de 7,35 a 7,45 por el sistema tampón de bicarbonato. La mayoría de las proteínas funcionan de manera óptima a este pH fisiológico y sus constituyentes de aminoácidos existen en forma química; las excepciones incluyen algunas enzimas digestivas que funcionan en el pH ácido del estómago entre pH 1.5 y 3.5. Las enzimas lisosomales también funcionan en un rango de pH ácido entre pH 4,5 y 5,0. Mantener el pH arterial en 7,40 ± 0,5 es importante para la salud; normalmente, el sistema tampón de bicarbonato puede mantener el pH dentro del rango aceptable. La concentración de iones bicarbonato, [HCO3 ÿ ], y la concentración de dióxido de carbono [CO2 ] influyen en el pH de la sangre, como se muestra en la figura 1.12A. La necesidad de un sistema tampón puede apreciarse si se considera que los ácidos orgánicos (p. ej., ácido láctico) se generan durante el metabolismo y que la glucosa y la oxidación de ácidos grasos generan CO2 , la forma anhidra de H2CO3 (ácido carbónico). El CO2 relativamente insoluble ensoluble agua esenconvertido enzima anhidrasa carbónica HCO3 (bicarbonato) agua, quepor se la transporta a través de la sangreenhasta losÿ pulmones, donde se exhala el CO2 disuelto. Por lo tanto, los pulmones regulan la pérdida y retención de CO2 alterando la frecuencia respiratoria. Los riñones también son importantes en la regulación del equilibrio ácidobase. Los riñones retienen o excretan bicarbonato, H+ , amoníaco y otros ácidos/bases que pueden aparecer en la sangre. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 1.12 La ecuación de Henderson-Hasselbalch se usa para predecir: (A) cambios en el pH a medida que se modifican las concentraciones de bicarbonato (HCO3 ÿ ) o dióxido de carbono (CO2 ) y (B) las formas iónicas de los fármacos. D. pH y absorción de fármacos Muchos fármacos se administran por vía oral y deben transportarse a través de las células epiteliales intestinales para ser absorbidos por la sangre. La mayoría de los fármacos son ácidos débiles o bases débiles. Los fármacos ácidos (HA) liberan un H+ , lo que hace que bases se forme débiles un(BH+ anión) cargado también (Apueden ) . Las liberar un H+ ; sin embargo, la forma protonada de las drogas básicas suele estar cargada y la pérdida de un protón produce la base sin carga (B). HA ÿ ÿ H+ + A ÿ BH+ ÿ ÿ B + H+ Los fármacos se absorben mejor a un pH en el que la disociación de sus cadenas laterales da como resultado la molécula más neutra. La concentración efectiva de la forma permeable de cada fármaco en su sitio de absorción está determinada por las concentraciones relativas de las formas cargada y no cargada. (Figura 1.12B). Se cree que el transporte de fármacos se produce a través de proteínas de transporte y, a menudo, a través del transporte activo, aunque los sistemas no están bien caracterizados. 1 E. Gases en sangre y pH Como consecuencia de ciertos procesos de enfermedad o venenos, el pH de la sangre puede volverse anormal. La acidemia se define como un pH arterial <7,35 y la alcalemia se define como un pH arterial >7,45. En el sistema amortiguador de bicarbonato, el CO2 es un ácido y el bicarbonato es una base. Debido a que el amortiguador de bicarbonato es un sistema abierto y el CO2 se libera en la respiración, los cambios en la respiración pueden afectar el equilibrio ácido-base del cuerpo. La hiperventilación puede provocar la liberación de demasiado ácido, provocando alcalosis; por otro lado, la generación de ácidos metabólicos en exceso (p. ej., acidosis láctica o cetoacidosis que pueden acompañar a la diabetes mellitus tipo 1) puede causar acidosis. La pérdida del exceso de ácido a través del vómito también puede causar una alteración acidobásica. Ni la compensación renal ni la compensación por cambios en la frecuencia respiratoria (compensación respiratoria) devolverán el pH al rango fisiológico normal si se ha generado un exceso de ácidos metabólicos. Cabe señalar que ni los pulmones ni los riñones pueden compensar por completo o sobrecompensar los desequilibrios de pH. La medición de CO2 y bicarbonato junto con el pH puede ayudar a determinar el desequilibrio ácido-base que puede estar presente en un paciente (Tabla 1.1). Cuadro 1.1 Alteraciones en el equilibrio ácido-base ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 1.13 Mapa conceptual clave para aminoácidos. (Nota: *La histidina libre se desprotona en gran medida a pH fisiológico, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google pero cuando se incorpora a una proteína, puede protonarse o desprotonarse según el entorno local). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google IV. Resumen del capítulo Cada aminoácido tiene un grupo ÿ-carboxilo y un grupo ÿ-amino primario (excepto la prolina, que tiene un grupo amino secundario) (fig. 1.13). Debido a que el carbono ÿ de cada aminoácido (excepto la glicina) está unido a cuatro grupos químicos diferentes, es asimétrico (quiral) y los aminoácidos existen en formas isoméricas D y L que son imágenes especulares ópticamente activas (enantiómeros). La forma L de los aminoácidos se encuentra en las proteínas sintetizadas por el cuerpo humano. A pH fisiológico, el grupo ÿ-carboxilo se disocia, formando el ion carboxilato cargado negativamente (ÿCOO ÿ ), y el grupo ÿ+ amino se protona (ÿNH3). Cada aminoácido también contiene una de). las 20 cadenas laterales distintivas unidas al ÿ -átomo de carbono. La naturaleza química de este grupo R determina la función de un aminoácido en una proteína y proporciona la base para la clasificación de los aminoácidos como no polares , polares sin carga, ácidos (polar negativo) o básicos (polar positivo). Todos los aminoácidos libres, además de los aminoácidos cargados en cadenas peptídicas, pueden servir como amortiguadores. La relación cuantitativa entre el pH de una solución y la concentración de un ácido débil (HA) y su base conjugada (A ÿ ) se describe mediante la ecuación de Henderson-Hasselbalch. La amortiguación ocurre dentro de ±1 unidad de pH del pKa y es máxima cuando pH = pKa , en el cual [A ÿ ] = [HA]. El pH dentro de la sangre se mantiene en el rango ligeramente alcalino de 7,4 ± 0,5 por el sistema tampón de bicarbonato; los pulmones regulan el CO2 ácido alterando la frecuencia respiratoria y los riñones retienen o liberan ácidos y bases. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 1.1 El péptido Val-Cys-Glu-Ser-Asp-Arg-Cys: A. Contiene asparagina. B. Contiene una cadena lateral con un grupo amino secundario. C. Contiene una cadena lateral que se puede fosforilar. D. No puede formar un enlace disulfuro interno. E. No puede moverse hacia el cátodo durante la electroforesis a pH 5. Respuesta correcta = C. El grupo hidroxilo de la serina puede aceptar un grupo fosfato. Asp es aspartato, no asparagina. La prolina contiene un grupo amino secundario y no está dentro de este péptido. Los dos residuos de cisteína pueden, en condiciones oxidantes, formar un enlace disulfuro. La carga neta del péptido a pH 5 es negativa y se movería hacia el ánodo. 1.2 Un aminoácido tiene un grupo amino secundario que es geométricamente incompatible con una espiral hacia la derecha de una hélice alfa. Se observa que inserta una torcedura en la cadena de aminoácidos e interfiere con la estructura helicoidal normalmente suave de la hélice alfa, y se encuentra en alta concentración en el colágeno. El aminoácido descrito es: A. Ala B. Cys C. Gly D. Pro Ser E. Respuesta correcta = D. La prolina se diferencia de otros aminoácidos en que su cadena lateral y el nitrógeno a-amino forman una estructura de anillo rígida de 5 miembros y, por lo tanto, contiene un grupo amino secundario. Interrumpe las hélices ÿ en las proteínas globulares, contribuye a la estructura del colágeno y se encuentra en alta concentración en el colágeno. ninguno de los otros ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Los aminoácidos tienen estas propiedades. 1.3 Un aminoácido que puede tener su cadena lateral fosforilada por la acción de una quinasa es: A. Arg B. Cys C. Gly D. Thr E.Val Respuesta correcta = D. El grupo hidroxilo polar que se encuentra dentro de Ser, Thr y Tyr puede servir como sitio de unión para los grupos fosfato. Las quinasas son enzimas que catalizan reacciones de fosforilación. Ninguno de los otros aminoácidos contiene un grupo hidroxilo susceptible de fosforilación por una quinasa. 1.4 Con respecto a la curva de titulación para un aminoácido no polar donde las letras A a D designan ciertas regiones en la curva de abajo, A. El punto A representa la región donde se desprotona el aminoácido. B. El punto B representa una región de amortiguamiento mínimo. C. El punto C representa la región donde la carga neta del aminoácido es cero. D. El punto D representa el pK del grupo carboxilo del aminoácido. E. El aminoácido podría ser lisina. Respuesta correcta = C. El punto C representa el punto isoeléctrico, o pI, y como tal está a medio camino entre pK1 y pK2 para un aminoácido no polar. El aminoácido está completamente protonado en el punto A. El punto B representa una región de máxima amortiguación, al igual que el punto D. La lisina es un aminoácido básico y la lisina libre tiene una cadena lateral ionizable además de los ÿ-amino y ÿ-amino ionizables. grupos carboxilo. 1.5 Una mujer de 18 años con antecedentes de diabetes mellitus tipo 1 desde hace 15 años es llevada al servicio de urgencias para evaluar náuseas, vómitos y alteración de la conciencia. Su glucosa en sangre es de 560 mg/dl (rango de referencia para glucosa aleatoria, <200 mg/ dl). El pH de su sangre arterial es de 7,15 (el rango de referencia es de 7,35 a 7,45) y el bicarbonato es de 12 mEq/l (rango de referencia, de 22 a 28 mEq/l). ¿Cuál de los siguientes es el tipo esperado de compensación en su cuerpo en respuesta a este desequilibrio ácido-base? A. Respiración aumentada B. Liberación renal aumentada de ácido C. Retención renal aumentada de base D. Respiración disminuida E. Liberación renal disminuida de ácido Respuesta correcta = A. En respuesta a una acidosis metabólica, la compensación es respiratoria. El aumento de la respiración elimina el ácido en forma de CO2 del cuerpo. Dado que el ácido se genera metabólicamente (diabético ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google sospecha de cetoacidosis) la liberación renal alterada de ácido o la retención de base no serían compensatorias. 1Para obtener más información sobre el transporte de fármacos, consulte LIR Cell and Molecular Biology, 2.ª edición, capítulo 16. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Estructura de la proteína 2 I. VISIÓN GENERAL Las proteínas están compuestas de aminoácidos que se unen mediante enlaces peptídicos en una secuencia lineal y luego se pliegan en una forma tridimensional única que determina la función. La complejidad de la estructura de la proteína se analiza mejor considerando la molécula en términos de cuatro niveles de organización: primario, secundario, terciario y cuaternario (Fig. 2.1). Un examen de estas jerarquías de complejidad creciente ha revelado que ciertos elementos estructurales se repiten en una amplia variedad de proteínas, lo que sugiere que existen reglas generales con respecto a las formas en que las proteínas alcanzan su forma nativa (funcional). Estos elementos estructurales repetidos van desde combinaciones simples de hélices ÿ y láminas ÿ que forman pequeños motivos hasta el plegamiento complejo de dominios polipeptídicos de proteínas multifuncionales (ver Capítulo 2, Sección IV). II. ESTRUCTURA PRIMARIA La secuencia lineal de aminoácidos en una proteína es la estructura primaria de la proteína. Muchas enfermedades genéticas dan como resultado proteínas con secuencias de aminoácidos anormales, lo que provoca un plegamiento inadecuado y la pérdida o el deterioro de la función normal. Si se conocen las estructuras primarias de las proteínas normales y mutadas, esta información puede usarse para diagnosticar o estudiar la enfermedad. A. Enlace peptídico En las proteínas, los aminoácidos adyacentes se unen de forma covalente mediante enlaces peptídicos, que son enlaces amida entre el grupo ÿ-carboxilo de un aminoácido y el grupo ÿ-amino del siguiente aminoácido. Por ejemplo, la valina y la alanina pueden formar el dipéptido valilalanina mediante la formación de un enlace peptídico (fig. 2.2). Los enlaces peptídicos son resistentes a las condiciones que desnaturalizan las proteínas, como el calor y las altas concentraciones de urea. Se requiere una exposición prolongada a un ácido o base fuerte a temperaturas elevadas para romper estos enlaces de forma no enzimática. 1. Nombrar el péptido: Por convención, el extremo amino libre (N-terminal) de la cadena peptídica se escribe a la izquierda y el extremo carboxilo libre (C-terminal) a la derecha. Por lo tanto, todas las secuencias de aminoácidos se leen desde el extremo N- hasta el extremo C terminal. Por ejemplo, en la figura 2.2A, el orden de los aminoácidos en el dipéptido es valina, alanina. El enlace de 50 o más aminoácidos a través de enlaces peptídicos da como resultado una cadena no ramificada llamada polipéptido o proteína. Cada aminoácido componente se llama residuo, porque es la porción del aminoácido que queda después de que los átomos de agua se pierden durante la formación del péptido ****** ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google vínculo. Cuando se nombra un péptido, todos los residuos de aminoácidos tienen sus sufijos (-ine, -an, -ic o -ate) cambiados a -yl, con la excepción del aminoácido C-terminal. Por ejemplo, un tripéptido compuesto por una valina Nterminal, una glicina y una leucina C-terminal se denomina valilglicileucina. Figura 2.1 ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Cuatro jerarquías de estructura de proteínas. 2. Características del enlace peptídico: El enlace peptídico tiene un carácter parcial de doble enlace; es decir, es más corto que un enlace simple y es rígido y plano (Fig. 2.2B). Esto evita la rotación libre alrededor del enlace entre el carbono carbonílico y el nitrógeno del enlace peptídico. Sin embargo, los enlaces entre los carbonos ÿ y los grupos ÿ-amino o ÿ-carboxilo pueden rotar libremente (aunque están limitados por el tamaño y el carácter de los grupos R). Esto permite que la cadena polipeptídica asuma una variedad de conformaciones posibles. El enlace peptídico casi siempre está en configuración trans (en lugar de cis; véase la Fig. 2.2B), en gran parte debido a la interferencia estérica de los grupos R (cadenas laterales) cuando están en la posición cis. 3. Polaridad del enlace peptídico: como todos los enlaces amida, los grupos ÿC = O y ÿNH del enlace peptídico no están cargados y no aceptan ni liberan protones en el rango de pH de 2 a 12. Los grupos cargados presentes en los polipéptidos consisten únicamente del grupo N-terminal (ÿ-amino), el grupo C-terminal (ÿ-carboxilo) y cualquier grupo ionizado presente en las cadenas laterales de los aminoácidos constituyentes. Sin embargo, los grupos ÿC = O y ÿNH del enlace peptídico son polares y están involucrados en enlaces de hidrógeno (p. ej., en hélices ÿ y láminas ÿ), como se describe en la página 17. B. Determinación de la composición de aminoácidos de un polipéptido El primer paso para determinar la estructura primaria de un polipéptido es identificar y medir sus aminoácidos constituyentes. Una muestra purificada del polipéptido que se va a analizar se hidroliza primero con un ácido fuerte para romper los enlaces peptídicos y liberar los aminoácidos individuales. Estos pueden luego ser separados por cromatografía de intercambio catiónico. Los aminoácidos se unen a la columna de cromatografía con diferentes afinidades, dependiendo de sus cargas, hidrofobicidad y otras características. Luego, cada aminoácido se libera secuencialmente de la columna de cromatografía eluyendo con soluciones de fuerza iónica y pH crecientes (Fig. 2.3), y los aminoácidos separados se cuantifican espectrofotométricamente. El análisis descrito anteriormente se realiza utilizando un analizador de aminoácidos, una máquina automatizada cuyos componentes se muestran en la Figura 2.3. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.2 A: Formación de un enlace peptídico, que muestra la estructura del dipéptido valilalanina. B: Características del enlace peptídico. (Nota: los enlaces peptídicos relacionados con la prolina pueden tener una configuración cis). C. Secuenciación del péptido desde su extremo N-terminal La secuenciación es un proceso gradual de identificación del aminoácido específico en cada posición de la cadena peptídica, comenzando en el extremo N-terminal. Ahora se utilizan secuenciadores automatizados; el proceso histórico para producir derivados de aminoácidos se muestra en la Figura 2.4. D. Escisión del polipéptido en fragmentos más pequeños Muchos polipéptidos tienen una estructura primaria compuesta por más de 100 aminoácidos. Tales moléculas no se pueden secuenciar directamente de un extremo a otro. Sin embargo, estas moléculas grandes se pueden escindir en sitios específicos y secuenciar los fragmentos resultantes (fig. 2.5). Las enzimas que hidrolizan enlaces peptídicos se denominan peptidasas o proteasas. (Nota: las exopeptidasas se cortan en los extremos de las proteínas y se clasifican en aminopeptidasas y carboxipeptidasas. Las carboxipeptidasas se usan para determinar el aminoácido C-terminal. Las endopeptidasas se escinden dentro de una proteína). E. Determinación de la estructura primaria de una proteína mediante secuenciación de ADN La secuencia de nucleótidos en una región codificante de proteínas del ADN especifica la secuencia de aminoácidos de un polipéptido. Por lo tanto, si se puede determinar la secuencia de nucleótidos, el conocimiento del código genético permite traducir la secuencia de nucleótidos a la correspondiente secuencia de aminoácidos de ese polipéptido. Este proceso indirecto, aunque se utiliza de forma rutinaria para obtener las secuencias de aminoácidos de las proteínas, tiene las limitaciones de no poder predecir las posiciones de los enlaces disulfuro en la cadena plegada y de no identificar ningún aminoácido que se modifique tras su incorporación al polipéptido. (modificación post-traduccional). Por lo tanto, la secuenciación directa de proteínas es una herramienta extremadamente importante para determinar el verdadero carácter de la secuencia primaria de muchos polipéptidos. (Ver también el Capítulo 34 para una discusión de técnicas relacionadas.) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.3 Determinación de la composición de aminoácidos de un polipéptido utilizando un analizador de aminoácidos. tercero ESTRUCTURA SECUNDARIA El esqueleto del polipéptido no asume una estructura tridimensional aleatoria sino que, en cambio, generalmente forma arreglos regulares de aminoácidos que están ubicados uno cerca del otro en la secuencia lineal. Estos arreglos se denominan estructura secundaria del polipéptido. La hélice ÿ, la hoja ÿ y el giro ÿ (o giro ÿ) son ejemplos de estructuras secundarias que se encuentran comúnmente en las proteínas. Cada uno está estabilizado por enlaces de hidrógeno entre los átomos del esqueleto peptídico. (Nota: la hélice de la cadena ÿ de colágeno, otro ejemplo de estructura secundaria, se analiza en el Capítulo 4). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.4 Determinación del residuo amino (N)-terminal de un polipéptido por degradación de Edman. PTH = feniltiohidantoína. A. ÿ-hélice En la naturaleza se encuentran varias hélices polipeptídicas diferentes, pero la hélice ÿ es la más común. Es una estructura rígida en espiral dextrógira, que consta de un núcleo central polipeptídico enrollado y muy compacto, con las cadenas laterales de los L-aminoácidos componentes que se extienden hacia fuera desde el eje central para evitar que interfieran estéricamente entre sí (fig. 2.6). ). Un grupo muy diverso de proteínas contiene hélices ÿ. Por ejemplo, las queratinas son una familia de proteínas fibrosas, rígidas y estrechamente relacionadas, cuya estructura es casi enteramente ÿ-helicoidal. Son un componente importante de los tejidos como el cabello y la piel. En contraste con la queratina, la mioglobina, cuya estructura también es altamente ÿ-helicoidal, es una molécula globular y flexible que se encuentra en los músculos (ver Capítulo 3 Sección II. B.). 1. Enlaces de hidrógeno: una hélice ÿ se estabiliza mediante un extenso enlace de hidrógeno entre los oxígenos de carbonilo del enlace peptídico y los hidrógenos de amida que forman parte del esqueleto polipeptídico (v . fig. 2.6). Los enlaces de hidrógeno se extienden hacia arriba y son paralelos a la espiral desde el oxígeno del carbonilo de un enlace peptídico hasta el grupo –NH de un enlace peptídico cuatro residuos por delante en el polipéptido. Esto asegura que todos los componentes del enlace peptídico, excepto el primero y el último, estén unidos entre sí a través de enlaces de hidrógeno dentro de la cadena. Los puentes de hidrógeno son débiles individualmente, pero colectivamente sirven para estabilizar la hélice. 2. Aminoácidos por vuelta: Cada vuelta de una hélice ÿ contiene 3,6 aminoácidos. Por lo tanto, los aminoácidos separados por tres o cuatro residuos en la secuencia primaria están espacialmente juntos cuando se pliegan en la hélice ÿ. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.5 Superposición de péptidos producidos por la acción de escisión de la tripsina y el bromuro de cianógeno. 3. Aminoácidos que interrumpen una hélice ÿ: el grupo R de un aminoácido determina su propensión a estar en una hélice ÿ. La prolina interrumpe una hélice ÿ porque su grupo amino secundario rígido no es compatible geométricamente con la espiral dextrógira de la hélice ÿ. En cambio, inserta una torcedura en la cadena, lo que interfiere con la estructura helicoidal suave. La glicina, con hidrógeno como grupo R, confiere una gran flexibilidad. Además, los aminoácidos con grupos R cargados o voluminosos, como el glutamato y el triptófano, respectivamente, y aquellos con una ramificación en el carbono ÿ, el primer carbono del grupo R (p. ej., valina), tienen menos probabilidades de encontrarse en un ÿhélice. B. Hoja ÿ La lámina ÿ es otra forma de estructura secundaria en la que todos los componentes del enlace peptídico participan en los enlaces de hidrógeno (fig. 2.7A). Debido a que las superficies de las hojas ÿ parecen estar plegadas o formar "pliegues", a menudo se les llama pliegues ÿ ******convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google hojas. El plisado es el resultado de que los carbonos ÿ sucesivos estén ligeramente por encima o por debajo del plano de la hoja. Las ilustraciones de la estructura de la proteína suelen mostrar las hebras ÿ como flechas anchas (fig. 2.7B). Figura 2.6 Estructura de una hélice ÿ. 1. Formación: una hoja ÿ está formada por dos o más cadenas peptídicas (hebras ÿ) alineadas lateralmente y estabilizadas por enlaces de hidrógeno entre los grupos carboxilo y amino de aminoácidos que están muy separados en un solo polipéptido (enlaces intracadena) o están en diferentes cadenas polipeptídicas (enlaces entre cadenas). Las hebras ÿ adyacentes están dispuestas en forma antiparalela entre sí (con los extremos N alternando como se muestra en la figura 2.7B) o paralelas entre sí (con los extremos N juntos como se muestra en la figura 2.7C). En cada cadena ÿ, los grupos R de los aminoácidos adyacentes se extienden en direcciones opuestas, por encima y por debajo del plano de la hoja ÿ. Las hojas ÿ no son planas y tienen una curvatura hacia la derecha (giro) cuando se observan a lo largo de la columna vertebral del polipéptido. 2. Comparación de hélices ÿ y láminas ÿ: en las láminas ÿ, las cadenas ÿ están casi completamente extendidas y los enlaces de hidrógeno entre las cadenas son perpendiculares al esqueleto polipeptídico (ver Fig. 2.7A). Por el contrario, en las hélices ÿ, el polipéptido está enrollado y los enlaces de hidrógeno son paralelos a la columna vertebral (ver Fig. 2.6). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La orientación de los grupos R de los residuos de aminoácidos tanto en la hélice ÿ como en la hoja ÿ puede dar como resultado la formación de lados polares y no polares en estas estructuras secundarias, lo que las vuelve anfipáticas. C. Curvas ÿ Las curvas ÿ, también llamadas giros inversos y giros ÿ, invierten la dirección de una cadena polipeptídica, ayudándola a formar una forma globular compacta. Por lo general, se encuentran en la superficie de las moléculas de proteína y, a menudo, incluyen residuos cargados. Las curvas ÿ recibieron este nombre porque a menudo conectan hebras sucesivas de láminas ÿ antiparalelas. Por lo general, se componen de cuatro aminoácidos, uno de los cuales puede ser la prolina, el aminoácido que causa una torcedura en la cadena polipeptídica. La glicina, el aminoácido con el grupo R más pequeño, también se encuentra con frecuencia en las curvas ÿ. Las curvas ÿ se estabilizan mediante la formación de enlaces de hidrógeno entre el primer y el último residuo de la curva. D. Estructura secundaria no repetitiva Aproximadamente la mitad de una proteína globular promedio está organizada en estructuras repetitivas, como la hélice ÿ y la lámina ÿ. Se describe que el resto de la cadena polipeptídica tiene una conformación de bucle o espiral. Estas estructuras secundarias no repetitivas no son aleatorias, sino que simplemente tienen una estructura menos regular que las descritas anteriormente. El término “espiral aleatorio” se refiere a la estructura desordenada que se obtiene cuando las proteínas se desnaturalizan (ver Capítulo 2 Sección IV. D.). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.7 A: Estructura de una hoja ÿ. B: una hoja ÿ antiparalela con las cadenas ÿ representadas como flechas anchas. C: una hoja ÿ paralela formada a partir de una única cadena polipeptídica que se repliega sobre sí misma. E. Estructuras supersecundarias (motivos) Las proteínas globulares se construyen mediante la combinación de elementos estructurales secundarios que incluyen hélices ÿ, láminas ÿ y bobinas, lo que produce patrones o motivos geométricos específicos. Estos forman principalmente la región central (interior) de la molécula. Están conectados por regiones de bucle (p. ej., curvas ÿ) en la superficie de la proteína. Las estructuras supersecundarias generalmente se producen mediante el empaquetado compacto de cadenas laterales de elementos estructurales secundarios adyacentes. Por ejemplo, las hélices ÿ y las láminas ÿ que son adyacentes en la secuencia de aminoácidos también suelen ser (pero no siempre) adyacentes en la proteína plegada final. Algunos de los motivos más comunes se ilustran en la Figura 2.8. Figura 2.8 Motivos estructurales comunes que involucran hélices ÿ y láminas ÿ. Los nombres describen su apariencia esquemática. Los motivos pueden estar asociados con funciones particulares. Las proteínas que se unen al ADN contienen un número limitado de motivos. El motivo hélice-bucle-hélice es un ejemplo que se encuentra en varias proteínas que funcionan como factores de transcripción ( capítulo 31). IV. ESTRUCTURA TERCIARIA La estructura primaria de una cadena polipeptídica determina su estructura terciaria. El término terciario se refiere tanto al plegamiento de los dominios (las unidades básicas de estructura y función; véase A. a continuación) como a la disposición final de los dominios en el polipéptido. La estructura terciaria de las proteínas globulares en solución acuosa es compacta, con una alta densidad (empaquetamiento compacto) de los átomos en el núcleo de la molécula. Las cadenas laterales hidrofóbicas están enterradas en el interior, mientras que los grupos hidrofílicos generalmente se encuentran en la superficie de la molécula. A. Dominios Los dominios son las unidades estructurales funcionales y tridimensionales fundamentales de los polipéptidos. Las cadenas polipeptídicas que tienen más de 200 aminoácidos de longitud generalmente constan de dos o más dominios. El núcleo de un dominio se construye a partir de ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google combinaciones de elementos estructurales supersecundarios (motivos). El plegamiento de la cadena peptídica dentro de un dominio generalmente ocurre independientemente del plegamiento en otros dominios. Por lo tanto, cada dominio tiene las características de una proteína globular pequeña y compacta que es estructuralmente independiente de los otros dominios en la cadena polipeptídica. Figura 2.9 Formación de un enlace disulfuro por la oxidación de dos residuos de cisteína, produciendo un residuo de cistina. O2 = oxígeno. B. Interacciones estabilizadoras La estructura tridimensional única de cada polipéptido está determinada por su secuencia de aminoácidos. Las interacciones entre las cadenas laterales de aminoácidos guían el plegamiento del polipéptido para formar una estructura compacta. Los siguientes cuatro tipos de interacciones cooperan en la estabilización de las estructuras terciarias de las proteínas globulares. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 1. Enlaces disulfuro: un enlace disulfuro (–S–S–) es un enlace covalente formado a partir del grupo sulfhidrilo (ÿSH) de cada uno de los dos residuos de cisteína para producir un residuo de cistina (fig. 2.9). Las dos cisteínas pueden estar separadas entre sí por muchos aminoácidos en la secuencia primaria de un polipéptido o incluso pueden estar ubicadas en dos polipéptidos diferentes. El plegamiento de los polipéptidos acerca los residuos de cisteína y permite la unión covalente de sus cadenas laterales. Un enlace disulfuro contribuye a la estabilidad de la forma tridimensional de la molécula de proteína y evita que se desnaturalice en el entorno extracelular. Por ejemplo, muchos enlaces disulfuro se encuentran en proteínas como las inmunoglobulinas que son secretadas por las células. Cabe señalar que la proteína disulfuro isomerasa rompe y reforma los enlaces disulfuro durante el plegamiento. Figura 2.10 Interacciones hidrofóbicas entre aminoácidos con cadenas laterales no polares. 2. Interacciones hidrófobas: los aminoácidos con cadenas laterales no polares tienden a ubicarse en el interior de la molécula polipeptídica, donde se asocian con otros aminoácidos hidrófobos (fig. 2.10). Por el contrario, los aminoácidos con cadenas laterales polares o cargadas tienden a ubicarse en la superficie de la molécula en contacto con el solvente polar. En cada caso, ocurre una segregación de grupos R que es energéticamente más favorable. 3. Enlaces de hidrógeno: las cadenas laterales de aminoácidos que contienen hidrógeno unido a oxígeno o nitrógeno, como en los grupos alcohólicos de serina y treonina, pueden formar enlaces de hidrógeno con átomos ricos en electrones, como el oxígeno de un grupo carboxilo o carbonilo. de un enlace peptídico (fig. 2.11; véase también la fig. 1.6). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La formación de enlaces de hidrógeno entre los grupos polares en la superficie de las proteínas y el disolvente acuoso mejora la solubilidad de la proteína. 4. Interacciones iónicas: los grupos cargados negativamente, como el grupo carboxilato (ÿCOOÿ ) en la cadena lateral del aspartato o el glutamato, pueden interactuar con grupos cargados positivamente, como el grupo amino (ÿNH3 (ver Fig. 2.11). + ) en la cadena lateral de la lisina C. plegamiento de proteínas Las interacciones entre las cadenas laterales de los aminoácidos determinan cómo se pliega una cadena polipeptídica lineal en la intrincada forma tridimensional de la proteína funcional. El plegamiento de proteínas, que ocurre dentro de la célula en segundos o minutos, implica vías ordenadas no aleatorias. A medida que un péptido se pliega, se forman estructuras secundarias impulsadas por el efecto hidrofóbico; Los grupos hidrófobos se unen a medida que se libera agua. Estas pequeñas estructuras se combinan para formar estructuras más grandes. Eventos adicionales estabilizan la estructura secundaria e inician la formación de la estructura terciaria. En la última etapa, el péptido alcanza su forma nativa (funcional) totalmente plegada, caracterizada por un estado de baja energía (fig. 2.12). Algunas proteínas biológicamente activas o segmentos de las mismas carecen de una estructura terciaria estable y se denominan proteínas intrínsecamente desordenadas. Figura 2.11 ******Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google Interacciones de cadenas laterales de aminoácidos a través de enlaces de hidrógeno y enlaces iónicos (puentes salinos). D. Desnaturalización de proteínas La desnaturalización da como resultado el despliegue y la desorganización de las estructuras secundaria y terciaria de una proteína sin la hidrólisis de los enlaces peptídicos. Los agentes desnaturalizantes incluyen calor, urea, solventes orgánicos, ácidos o bases fuertes, detergentes e iones de metales pesados como el plomo. La desnaturalización puede, en condiciones ideales, ser reversible, de modo que la proteína se repliega en su estructura nativa original cuando se elimina el agente desnaturalizante. Sin embargo, la mayoría de las proteínas permanecen permanentemente desordenadas una vez desnaturalizadas. Las proteínas desnaturalizadas a menudo son insolubles y precipitan de la solución. E. Chaperonas en el plegamiento de proteínas La información necesaria para el correcto plegamiento de proteínas está contenida en la estructura primaria del polipéptido. Sin embargo, la mayoría de las proteínas desnaturalizadas no recuperan sus conformaciones nativas incluso en condiciones ambientales favorables. Esto se debe a que, para muchas proteínas, el plegamiento es un proceso facilitado que requiere la hidrólisis de ATP y un grupo especializado de proteínas, denominadas chaperonas moleculares. Las chaperonas, también conocidas como proteínas de choque térmico (HSP), interactúan con un polipéptido en varias etapas durante el proceso de plegamiento. Algunas chaperonas se unen a regiones hidrofóbicas de un polipéptido extendido y son importantes para mantener la proteína desplegada hasta que se complete su síntesis (p. ej., Hsp70). Otros forman estructuras macromoleculares en forma de jaula compuestas por dos anillos apilados. La proteína parcialmente plegada entra en la jaula, se une a la cavidad central a través de interacciones hidrofóbicas, se pliega y se libera (p. ej., Hsp60 mitocondrial). Las chaperonas, entonces, facilitan el plegamiento correcto de proteínas al unirse y estabilizar las regiones hidrofóbicas propensas a la agregación expuestas en polipéptidos nacientes y desnaturalizados, evitando el plegamiento prematuro. V. ESTRUCTURA CUATERNARIA Mientras que muchas proteínas constan de una sola cadena polipeptídica y se definen como proteínas monoméricas, otras proteínas constan de dos o más cadenas polipeptídicas que pueden ser estructuralmente idénticas o totalmente independientes. La disposición de estas subunidades polipeptídicas es la estructura cuaternaria de la proteína. Las subunidades se mantienen unidas principalmente por interacciones no covalentes que incluyen enlaces de hidrógeno, enlaces iónicos e interacciones hidrofóbicas. Las subunidades pueden funcionar independientemente unas de otras o pueden trabajar en cooperación, como en la hemoglobina, en la que la unión del oxígeno a una subunidad del tetrámero aumenta la afinidad de las otras subunidades por el oxígeno (ver Capítulo 3, Sección II. E. 1.). Todas las isoformas de proteínas particulares realizan la misma función pero tienen estructuras primarias diferentes. Pueden surgir de diferentes genes o del procesamiento específico de tejido del producto de un solo gen. Si el ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google las proteínas funcionan como enzimas, se denominan isoenzimas (consulte la página 70). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.12 Pasos en el plegamiento de proteínas (simplificado). VI. PLEGAMIENTO INCORRECTO DE PROTEÍNAS El plegamiento de proteínas es un proceso complejo que a veces puede resultar en moléculas mal plegadas. Estas proteínas mal plegadas suelen etiquetarse y degradarse dentro de la célula (consulte el Capítulo 19, Sección II). Sin embargo, este sistema de control de calidad no es perfecto y pueden acumularse agregados intracelulares o extracelulares de proteínas mal plegadas, particularmente a medida que las personas envejecen. Los depósitos de proteínas mal plegadas están asociados con una serie de enfermedades. A. Enfermedades amiloides El mal plegamiento de las proteínas puede ocurrir espontáneamente o ser causado por una mutación en un gen particular, que luego produce una proteína alterada. Además, algunas proteínas aparentemente normales pueden, después de una escisión proteolítica anormal, adquirir una conformación única que conduce a la formación espontánea de ensamblajes proteicos fibrilares largos que consisten en láminas plegadas ÿ. La acumulación de estos agregados de proteínas fibrosas insolubles, llamados amiloides, se ha implicado en trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer (EA) y la enfermedad de Parkinson. El componente dominante de la placa amiloide que se acumula en la EA es el amiloide ÿ (Aÿ), un péptido extracelular que contiene de 40 a 42 residuos de aminoácidos con una estructura secundaria de lámina plegada ÿ en fibrillas no ramificadas. Este péptido, cuando se agrega en una conformación de hoja plegada ÿ, es neurotóxico y es el evento patógeno central que conduce al deterioro cognitivo característico de la enfermedad. El Aÿ que se deposita en el cerebro en la EA se deriva por escisión enzimática (mediante secretasas) de la proteína precursora amiloide más grande, una proteína transmembrana única que se expresa en la superficie celular del cerebro y otros tejidos (fig. 2.13). Los péptidos Aÿ se agregan, generando el amiloide que se encuentra en el parénquima cerebral y alrededor de los vasos sanguíneos. La mayoría de los casos de AD no tienen una base genética, aunque al menos el 5% de los casos son familiares. Un segundo factor biológico involucrado en el desarrollo de la EA es la acumulación de ovillos neurofibrilares dentro de las neuronas. Un componente clave de estas fibras enredadas es una forma anormal de la proteína tau (ÿ) que está hiperfosforilada e insoluble; en su versión saludable, ÿ ayuda a ensamblar y estabilizar la estructura de los microtúbulos. La proteína ÿ defectuosa parece bloquear las acciones de su contraparte normal. En la enfermedad de Parkinson, el amiloide se forma a partir de la proteína sinucleína ÿ. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.13 A–C: Formación de placas amiloides que se encuentran en la enfermedad de Alzheimer (EA). (Nota: las mutaciones en la presenilina, la subunidad catalítica de la ÿ-secretasa, son la causa más común de EA familiar). B. Enfermedades priónicas Los priones o partículas infecciosas proteináceas están asociados con ciertas enfermedades. La proteína priónica (PrP) es el agente causal de las encefalopatías espongiformes transmisibles (EET), incluida la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob en humanos, la tembladera en ovejas y la encefalopatía espongiforme bovina, conocida popularmente como “enfermedad de las vacas locas”, en el ganado. La infectividad del agente que causa la tembladera en las ovejas está asociada con una sola especie de proteína que no se acomplejó con ácido nucleico detectable. Esta proteína infecciosa se denomina PrP Sc (Sc = scrapie). Es muy resistente a la degradación proteolítica y tiende a formar agregados insolubles de fibrillas, similar al amiloide que se encuentra en algunas otras enfermedades del cerebro. Una forma nocodificada infecciosapor deel PrP mismo C (Cgen = celular), que el agente infeccioso, está presente en cerebros de mamíferos normales en la superficie de las neuronas y las células gliales. Por lo tanto, PrP C es una proteína huésped. No se han encontrado diferencias de estructura primaria o modificaciones postraduccionales alternativas normalene la infecciosa de la proteína. Aparentemente, clave para volverse infecciosa entre radicalas enformas los cambios conformación tridimensional de la PrP C.laLa investigación ha demostrado que varias hélices ÿ presentes en la PrP C no infecciosa se reemplazan por láminas ÿ en la forma infecciosa (fig. 2.14). Esta diferencia conformacional es presumiblemente lo que confiere una resistencia relativa a la degradación proteolítica de los priones infecciosos y les permite distinguirlos de la PrP C normal en el tejido infectado. El agente infeccioso es, por tanto, una versión alterada de una proteína normal, que actúa como molde para convertir la proteína normal en la conformación patógena. Las EET son invariablemente fatales y actualmente no hay ningún tratamiento disponible que pueda alterar este resultado. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.14 Un mecanismo propuesto para la multiplicación de priones infecciosos. PrP = proteína priónica; PrPC = prión proteína celular; PrP Carolina del Sur = proteína priónica prurigo lumbar. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VIII. Resumen del capítulo La confirmación nativa de una proteína es la estructura proteica completamente plegada y funcional (fig. 2.15). La estructura tridimensional única de una proteína está determinada por su estructura primaria o secuencia de aminoácidos. Las interacciones entre las cadenas laterales de aminoácidos guían el plegamiento de la cadena polipeptídica para formar estructuras secundarias, terciarias y, a veces , cuaternarias , que cooperan en la estabilización de la conformación nativa de la proteína. Se requiere un grupo especializado de proteínas denominadas chaperonas para el plegamiento adecuado de muchas especies de proteínas. La desnaturalización de proteínas da como resultado el despliegue y la desorganización de la estructura de la proteína, que no va acompañada de hidrólisis de enlaces peptídicos. La enfermedad puede ocurrir cuando una proteína aparentemente normal asume una conformación que es citotóxica, como en el caso de la enfermedad de Alzheimer (AD) y las encefalopatías espongiformes transmisibles (TSE), incluida la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob. En la EA, las proteínas normales, después de un procesamiento químico anormal, adquieren un estado conformacional único que conduce a la formación de conjuntos de péptido ÿ amiloide (Aÿ) neurotóxicos que consisten en láminas plegadas ÿ. En TSE, el agente infeccioso es una versión alterada de una proteína priónica normal que actúa como molde para convertir la proteína normal en la conformación patógena. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 2.15 Mapa de conceptos clave para la estructura de proteínas. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 2.1 Al considerar la estructura de la proteína: A. Las proteínas con un polipéptido tienen una estructura cuaternaria estabilizada por enlaces covalentes. B. Los enlaces peptídicos que unen los aminoácidos se presentan con mayor frecuencia en la configuración cis. C. Los enlaces disulfuro en las proteínas se encuentran entre residuos de cisteína adyacentes en la estructura primaria. D. La desnaturalización de las proteínas conduce a la pérdida irreversible de elementos estructurales secundarios. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google E. La principal fuerza impulsora del plegamiento de proteínas es el efecto hidrofóbico. Respuesta correcta = E. El efecto hidrofóbico, o la tendencia de las entidades no polares a asociarse en un entorno polar, es la principal fuerza impulsora del plegamiento de proteínas. La estructura cuaternaria requiere más de un polipéptido y, cuando está presente, se estabiliza principalmente mediante enlaces no covalentes. El enlace peptídico es casi siempre trans. Los dos residuos de cisteína que participan en la formación de enlaces disulfuro pueden estar separados por una gran distancia en la secuencia de aminoácidos de un polipéptido (o en dos polipéptidos separados), pero se acercan mucho por el plegamiento tridimensional del polipéptido. La desnaturalización puede ser reversible o irreversible. 2.2 Una mutación puntual particular da como resultado la interrupción de la estructura helicoidal ÿ en un segmento de la proteína mutante. los el cambio más probable en la estructura primaria de la proteína mutante es: A. Glutamato a aspartato. B. Lisina a arginina. C. Metionina a prolina. D. Valina a alanina. Respuesta correcta = C. La prolina, debido a su grupo amino secundario, es incompatible con una hélice ÿ. El glutamato, el aspartato, la lisina y la arginina son aminoácidos cargados y la valina es un aminoácido ramificado. Los aminoácidos cargados y ramificados (voluminosos) pueden alterar una hélice ÿ. La flexibilidad del grupo R de la glicina (una H) también puede alterar una hélice ÿ. 2.3 ¿Qué enunciado es cierto solo para las hojas ÿ y no para las hélices ÿ? A. Pueden encontrarse en proteínas globulares típicas. B. Están estabilizados por enlaces de hidrógeno entre cadenas. C. Son ejemplos de estructura secundaria. D. Pueden encontrarse en estructuras supersecundarias. Respuesta correcta = B. La lámina ÿ se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno intercatenarios formados entre cadenas polipeptídicas separadas y mediante enlaces de hidrógeno intracatenarios formados entre regiones de un solo polipéptido. La hélice ÿ, sin embargo, se estabiliza solo mediante enlaces de hidrógeno intracatenarios. Las afirmaciones A, C y D son verdaderas para estos dos elementos estructurales secundarios. 2.4 La estabilidad de la estructura de la proteína terciaria la proporciona en parte: A. Hélices alfa. B. Aminopeptidasas. C. Beta meandros. D. Formación de enlaces disulfuro. Respuesta correcta = D. Los enlaces disulfuro junto con las interacciones hidrofóbicas, los enlaces de hidrógeno y las interacciones iónicas se utilizan para estabilizar la estructura terciaria de las proteínas. Las hélices alfa y los meandros beta son ejemplos de estructuras secundarias. Las aminopeptidasas son enzimas que escinden los aminoácidos del extremo N de las proteínas y no estabilizan la estructura terciaria. 2.5 Varón de 80 años con deterioro de la función intelectual y alteraciones del comportamiento. Su familia reportó desorientación progresiva y pérdida de memoria en los últimos 6 meses. No hay antecedentes familiares de demencia. El paciente fue diagnosticado tentativamente con enfermedad de Alzheimer (EA). Si este diagnóstico es correcto, entonces su condición: A. Involucra ÿ-amiloide, una proteína anormal con una secuencia de aminoácidos alterada. B. Resultante de la acumulación de proteínas desnaturalizadas con conformaciones aleatorias. C. Ocurrió como resultado de la acumulación de proteína precursora de amiloide. D. Se asocia con el depósito de agregados de péptido ÿ amiloide neurotóxico. E. Se adquirió por daños ambientales no relacionados con la genética del individuo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Respuesta correcta = D. La AD se asocia con ensamblajes de proteínas fibrilares largas que consisten en láminas plegadas ÿ que se encuentran en el cerebro y en otros lugares. La enfermedad está asociada con el procesamiento anormal de una proteína normal. La proteína alterada acumulada se presenta en una conformación de hoja plegada ÿ que es neurotóxica. El amiloide ÿ que se deposita en el cerebro en la EA se deriva por escisión proteolítica de la proteína precursora de amiloide más grande, una proteína transmembrana única que se expresa en la superficie celular del cerebro y otros tejidos. La mayoría de los casos de AD son esporádicos, aunque al menos el 5% de los casos son familiares. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 3 Proteinas globulares I. VISIÓN GENERAL El capítulo anterior describió los tipos de estructuras secundarias y terciarias que son los ladrillos y la argamasa de la arquitectura proteica. Al disponer estos elementos estructurales fundamentales en diferentes combinaciones, se pueden construir proteínas muy diversas capaces de varias funciones especializadas. Dos estructuras proteicas importantes son las proteínas globulares y las proteínas fibrosas (o escleroproteínas). Como su nombre lo indica, las proteínas globulares son esféricas (o "como un globo") en forma general. Por lo general, son algo solubles en agua y poseen muchos aminoácidos hidrofílicos en su superficie externa, frente al ambiente acuoso. Más aminoácidos no polares miran hacia el interior de la proteína, proporcionando interacciones hidrofóbicas para estabilizar aún más la estructura globular. Esto contrasta con las proteínas fibrosas, que forman largos filamentos en forma de varilla, son relativamente inertes o insolubles en agua y proporcionan soporte estructural en el entorno extracelular. Este capítulo examina la relación entre la estructura y la función de hemoproteínas globulares clínicamente importantes, como la hemoglobina y la mioglobina. Las proteínas estructurales fibrosas, como el colágeno y la elastina, se analizan en el capítulo 4. II. HEMEPROTEÍNAS GLOBULARES Las hemoproteínas son un grupo de proteínas globulares especializadas que contienen hemo como un grupo protésico fuertemente unido (consulte la página 59 para una discusión sobre los grupos protésicos). La función del grupo hemo está dictada por la estructura tridimensional de la proteína. En la cadena de transporte de electrones mitocondrial, la estructura de la proteína del citocromo permite la transferencia de electrones de oxidación-reducción rápida y reversible del hierro coordinado con hemo, 2+ 3+ en transición reversible entre su ferroso (Fe la enzima ) y férrico (Fe ) afirma (ver p. 83). En catalasa, el grupo hemo es estructuralmente parte del sitio activo de la enzima, que cataliza la descomposición del peróxido de hidrógeno (ver pág. 163). La estructura proteica de la hemoglobina 2+ puede afectar la alineación del ferroso ( Plano Fe del grupo protésico hemo ) hierro Loscon cambios respecto en esta a la alineación pueden afectar la afinidad de unión y el transporte de oxígeno por parte de la hemoglobina entre los pulmones y los tejidos. A. Estructura del hemo 2+ ) El hemo es una estructura plana, compuesta por un anillo de porfirina con hierro ferroso (Fe coordinado en el centro del anillo de porfirina, como se muestra en la Figura 3.1. El hierro se mantiene en el centro de la molécula de hemo mediante enlaces a cuatro nitrógenos del anillo de porfirina. 2+ El hemo Fe puede formar enlaces adicionales, uno a cadaal lado del anillo plano de porfirina.En la hemoglobina, una dedos estas posiciones está coordinada lado ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google cadena de un residuo de histidina de la molécula de globina, mientras que la otra posición está disponible para unirse al O2 (fig. 3.2). B. Estructura y función de la mioglobina La mioglobina, una hemoproteína presente en el corazón y el músculo esquelético, funciona tanto como reservorio de oxígeno como transportador de oxígeno que aumenta la tasa de transporte de oxígeno dentro de la célula muscular. La mioglobina consta de una sola cadena polipeptídica que es estructuralmente similar a las cadenas polipeptídicas individuales de la molécula de hemoglobina tetramérica. Esta homología convierte a la mioglobina en un modelo útil para interpretar algunas de las propiedades más complejas de la hemoglobina. 1. Contenido de hélice ÿ: la mioglobina es una molécula compacta, con ~80% de su cadena polipeptídica plegada en ocho tramos de hélice ÿ. Estas regiones de hélice ÿ, etiquetadas de la A a la H en la figura 3.2A, están terminadas por la presencia de prolina, cuyo anillo de cinco miembros no puede acomodarse en una hélice ÿ (ver pág. 16) o por curvas y bucles ÿ. estabilizado por enlaces de hidrógeno y enlaces iónicos (ver pág. 19). (Nota: los enlaces iónicos también se denominan interacciones electrostáticas o puentes salinos). 2. Ubicación de los residuos de aminoácidos polares y no polares: el interior de la molécula de mioglobina globular está compuesto casi en su totalidad por aminoácidos no polares. Los aminoácidos no polares están empaquetados muy juntos, formando una estructura estabilizada por interacciones hidrofóbicas entre estos residuos agrupados (ver pág. 19). Por el contrario, los aminoácidos polares se encuentran casi exclusivamente en la superficie, donde pueden formar enlaces de hidrógeno, tanto entre sí como con el agua. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.1 A: hemoproteína (citocromo c). B: Estructura del hemo. 3. Unión del grupo hemo: el grupo prostético hemo de la molécula de mioglobina se asienta en una grieta, que está revestida con aminoácidos no polares. Las excepciones notables son dos residuos de histidina, que son aminoácidos básicos (fig. 3.2B). Uno de los dos residuos de histidina, la histidina proximal (F8), se une directamente a ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 2+ de hemo. La segunda, o histidina distal (E7), no interactúa directamente con el Fe. Por lo tanto, la 2+ con el grupo hemo pero ayuda a estabilizar la unión del O2 a la proteína Fe, o globina, una porción de la mioglobina crea un microambiente especial para el grupo hemo que permite la oxigenación, la unión reversible de una molécula de oxígeno. La pérdida 2+ simultánea de electrones por Fe (oxidación al férrico [Fe 3+ ] formulario) se produce sólo en raras ocasiones. Figura 3.2 A: Modelo de mioglobina que muestra las hélices ÿ A a H. B: Diagrama esquemático del sitio de unión de oxígeno de la mioglobina. Figura 3.3 A: Estructura de la hemoglobina que muestra los esqueletos polipeptídicos. B: dibujo simplificado que muestra las hélices ÿ. C. Estructura y función de la hemoglobina La hemoglobina se encuentra exclusivamente en los glóbulos rojos (GR), donde su función principal es transportar el O2 desde los pulmones hasta los capilares de los tejidos. La hemoglobina A (HbA), la principal hemoglobina en adultos, se compone de cuatro cadenas polipeptídicas (dos cadenas ÿ y dos cadenas ÿ) que se mantienen unidas por interacciones no covalentes (fig. 3.3 Cada cadena (subunidad) tiene tramos de estructura helicoidal ÿ y un bolsillo de unión al hemo hidrofóbico similar al descrito para la mioglobina. Sin embargo, la molécula de hemoglobina tetramérica es estructural y funcionalmente más compleja que la mioglobina. Por ejemplo, la hemoglobina puede transportar protones (H+ ) y dióxido de carbono (CO2 ) desde los tejidos hasta los pulmones y puede transportar cuatro moléculas de O2 desde los pulmones hasta las células del cuerpo. Además, las propiedades de unión de oxígeno de la hemoglobina están reguladas por la interacción con efectores alostéricos (v. pág. 30). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La obtención de O2 de la atmósfera únicamente por difusión limita en gran medida el tamaño de los organismos. Los sistemas circulatorios superan esto, pero también se requieren moléculas de transporte como la hemoglobina porque el O2 es solo ligeramente soluble en soluciones acuosas como la sangre. 1. Estructura cuaternaria: el tetrámero de hemoglobina se puede imaginar compuesto por dos dímeros idénticos, ÿÿ1 y ÿÿ2 . Las dos cadenas polipeptídicas dentro de cada dímero se mantienen estrechamente unidas principalmente por interacciones hidrofóbicas (Fig. 3.4). (Nota: en este caso, los residuos de aminoácidos hidrófobos se localizan no solo en el interior de la molécula, sino también en una región de la superficie de cada subunidad. Múltiples interacciones hidrofóbicas intercatenarias forman fuertes asociaciones entre la subunidad ÿ y la subunidad ÿ en cada uno de los dímeros). En contraste, los dos dímeros se mantienen unidos principalmente por enlaces polares. Las interacciones más débiles entre los dímeros les permiten moverse entre sí. Este movimiento hace que los dos dímeros ocupen posiciones relativas diferentes en la desoxihemoglobina en comparación con la oxihemoglobina (v . fig. 3.4). Figura 3.4 Diagrama esquemático que muestra los cambios estructurales resultantes de la oxigenación y desoxigenación de la hemoglobina. una. Forma T: La forma desoxida de la hemoglobina se llama "T" o forma tensa (tiempo). En la forma T, los dos dímeros ÿÿ interactúan a través de una red de enlaces iónicos y enlaces de hidrógeno que restringen el movimiento de las cadenas polipeptídicas. La conformación 2+ ) se extrae de la estructura plana del hemo. La t de hierro (Fe es la forma de hemoglobina con baja afinidad por el oxígeno. b. Forma R: La unión del O2 a la hemoglobina provoca la ruptura de algunos de los 2+ con enlaces polares entre los dos dímeros ÿÿ, permitiendo el movimiento del Fe respecto a la estructura hemo plana. Específicamente, la unión de O2 al 2+ hemo Fe empuja el hierro más directamente hacia el ligado plano a de lahistidina estructura del anillo hemo (figura 3.5B). Debidode a que el hierro de también está proximal (F8), el movimiento resultante las cadenas globinalaaltera la interfase. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google entre los dímeros ÿÿ, lo que lleva a una estructura llamada “R” o forma relajada (ver Fig. 3.4). La conformación R es la forma de hemoglobina con alta afinidad por el oxígeno. Figura 3.5 2+ Movimiento del hierro hemo (ligado al Fe. B: En ). A: Fuera del plano del hemo cuando el oxígeno (O2 ) no está el plano del hemo al unirse el O2 . D. Unión del oxígeno a la mioglobina y la hemoglobina La mioglobina puede unirse solo a una molécula de O2 , porque contiene solo un grupo hemo. Por el contrario, la hemoglobina puede unirse a cuatro moléculas de O2 , unacuatro en cada grupos uno de hemo. sus El grado de saturación (Y) de estos sitios de unión de oxígeno en todas las moléculas de mioglobina o hemoglobina puede variar entre cero (todos los sitios están vacíos) y 100% (todos los sitios están llenos), como se muestra en la figura 3.6. (Nota: la oximetría de pulso es un método indirecto no invasivo para medir la saturación de oxígeno de la sangre arterial en función de las diferencias en la absorción de luz por parte de la oxihemoglobina y la desoxihemoglobina). 1. Curva de disociación de oxígeno: Un gráfico del grado de saturación (Y) medido a diferentes presiones parciales de oxígeno (pO2 ) se denomina curva de disociación de oxígeno. (Nota: la pO2 también puede representarse como PO2 ). Las curvas de mioglobina y hemoglobina muestran diferencias importantes (v . fig. 3.6). Este gráfico ilustra que la mioglobina tiene una mayor afinidad por el oxígeno en todos los valores de pO2 que la hemoglobina. La presión parcial de oxígeno necesaria para alcanzar la mitad de la saturación de ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google los sitios de unión (P50 ) son ~1 mm Hg para la mioglobina y 26 mm Hg para la hemoglobina. Cuanto mayor sea la afinidad por el oxígeno (es decir, cuanto más fuerte se una el O2 ), menor será la P50 . una. Mioglobina: la curva de disociación del oxígeno para la mioglobina tiene una forma hiperbólica (v . fig. 3.6). Esto refleja el hecho de que la mioglobina se une de manera reversible a una sola molécula de O2 . Por lo tanto, la mioglobina oxigenada (MbO2 ) y desoxigenada (Mb) existe en un equilibrio simple: Mb + O2 ÿ MbO2 El equilibrio se desplaza hacia la derecha o hacia la izquierda a medida que se agrega o elimina O2 del sistema. (Nota: la mioglobina está diseñada para unir el O2 liberado por la hemoglobina a la pO2 baja que se encuentra en el músculo. La mioglobina, a su vez, libera O2 dentro de la célula muscular en respuesta a la demanda de oxígeno). Figura 3.6 Curvas de disociación de oxígeno para mioglobina y hemoglobina (Hb). b. Hemoglobina: la curva de disociación de oxígeno de la hemoglobina tiene forma sigmoidal (v . fig. 3.6), lo que indica que las subunidades cooperan en la unión del O2 . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La unión cooperativa de O2 por las cuatro subunidades de hemoglobina significa que la unión de una molécula de oxígeno a una subunidad aumenta la afinidad por el oxígeno de las subunidades restantes en el mismo tetrámero de hemoglobina (fig. 3.7). Aunque es más difícil que la primera molécula de oxígeno se una a la hemoglobina, la unión subsiguiente de las moléculas de oxígeno ocurre con gran afinidad, como lo muestra la pronunciada curva ascendente en la región cercana a los 20 a 30 mm Hg (v . fig. 3.6). Figura 3.7 La hemoglobina (Hb) se une a moléculas sucesivas de oxígeno (O2 ) con afinidad creciente. E. Efectores alostéricos La capacidad de la hemoglobina para unirse reversiblemente al O2 se ve afectada por la pO2 , el pH del medio ambiente, la presión parcial del dióxido de carbono (pCO2 ) y la concentración de 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG). Estos se denominan colectivamente efectores alostéricos ("otros sitios"), porque su interacción en un sitio de la molécula de hemoglobina tetramérica provoca cambios estructurales que afectan la unión del O2 al hierro hemo en ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google otros sitios de la molécula. (Nota: la unión de O2 a la mioglobina monomérica no está influenciada por efectores alostéricos). 1. Oxígeno: la curva de disociación de oxígeno sigmoidal refleja cambios estructurales específicos que se inician en una subunidad y se transmiten a otras subunidades en el tetrámero de hemoglobina. El efecto neto de esta cooperatividad es que la afinidad de la hemoglobina por la última molécula de oxígeno unida es unas 300 veces mayor que su afinidad por la primera molécula de oxígeno unida. El oxígeno, entonces, es un efector alostérico de la hemoglobina. Estabiliza la forma R. una. Carga y descarga de oxígeno: la unión cooperativa de O2 permite que la hemoglobina entregue más O2 a los tejidos en respuesta a cambios relativamente pequeños en la pO2 . Esto se puede ver en la Figura 3.6, que indica la pO2 en los alvéolos del pulmón y los capilares de los tejidos. Por ejemplo, en el pulmón, la concentración de oxígeno es alta y la hemoglobina se satura virtualmente (o “carga”) con O2 . Por el contrario, en los tejidos periféricos donde la pO2 es mucho menor que en los pulmones, la oxihemoglobina libera (o “descarga”) gran parte de su O2 para utilizarlo en el metabolismo oxidativo de los tejidos (fig. 3.8). b. Importancia de la curva de disociación de oxígeno sigmoidal: la pendiente pronunciada de la curva de disociación de oxígeno en el rango de concentraciones de oxígeno que ocurren entre los pulmones y los tejidos permite que la hemoglobina transporte y entregue O2 de manera eficiente desde sitios de pO2 alto a sitios de bajo . Una molécula con una curva hiperbólica de disociación de oxígeno, como la mioglobina, no podría lograr el mismo grado de liberación de O2 dentro de este rango de pO2 . En cambio, tendría una afinidad máxima por el O2 en todo este rango de presión de oxígeno y, por lo tanto, no entregaría O2 a los tejidos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.8 Transporte de oxígeno y dióxido de carbono por la hemoglobina. Fe = hierro. 2. Efecto Bohr: la liberación de O2 de la hemoglobina aumenta cuando se reduce el pH (aumenta la concentración de protones [H+ ]) o cuando la hemoglobina está en presencia de una pCO2 aumentada . Ambos provocan una disminución de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno y, por tanto, un desplazamiento hacia la derecha de la curva de disociación del oxígeno (fig. 3.9). Ambos, entonces, estabilizan la forma T (desoxi). Este cambio en la unión de oxígeno se llama efecto Bohr. Por el contrario, elevar el pH o disminuir la concentración de CO2 da como resultado una mayor afinidad por el oxígeno, un desplazamiento hacia la izquierda en la curva de disociación del oxígeno y la estabilización de la forma R (oxi). una. Fuente de los protones que reducen el pH: la concentración de H+ y CO2 ******ebook convertidor DEMO Watermarks****** Machine Translated by Google en los capilares de los tejidos metabólicamente activos es mayor que la observada en los capilares alveolares de los pulmones, donde se libera CO2 en el aire espirado. En los tejidos, la anhidrasa carbónica que contiene zinc convierte el CO2 en ácido carbónico: CO2 + H2O ÿ H2CO3 que se ioniza espontáneamente a bicarbonato (el principal amortiguador sanguíneo) y H+ : H2CO3 ÿ HCO3 ÿ + H+ Figura 3.9 Efecto del pH sobre la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina. Los protones son efectores alostéricos de la hemoglobina. El H+ producido por este par de reacciones contribuye a la disminución del pH. Este gradiente de pH diferencial (es decir, pulmones con un pH más alto y tejidos con un pH más bajo) favorece la descarga de O2 en los tejidos periféricos y la carga de O2 en el pulmón. Por lo tanto, la afinidad por el oxígeno de la molécula de hemoglobina responde a pequeños cambios en el pH entre los pulmones y los tejidos que consumen oxígeno, lo que hace que la hemoglobina sea un transportador de O2 más eficiente . b. Mecanismo del efecto Bohr: El efecto Bohr refleja el hecho de que la desoxihemoglobina tiene una mayor afinidad por H+ que la oxihemoglobina. Esto es causado por grupos funcionales ionizables, como cadenas laterales específicas de histidina que tienen un pKa más alto (ver pág. 7) en la desoxihemoglobina que en la oxihemoglobina. Por lo tanto, un aumento en la concentración de H+ (lo que resulta en una disminución del pH) hace que estos grupos se protonen (carguen) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google y capaz de formar enlaces iónicos (puentes salinos). Estos enlaces estabilizan preferentemente la desoxihemoglobina, produciendo una disminución de la afinidad por el oxígeno. (Nota: la hemoglobina, entonces, es un amortiguador sanguíneo importante). El efecto Bohr se puede representar esquemáticamente como: HbO2 + H+ ÿ HbH + O2 Oxihemoglobina Doxihemoglobina donde un aumento en la concentración de H+ (o una pO2 más baja ) desplaza el equilibrio hacia la derecha (favoreciendo a la desoxihemoglobina), mientras que un aumento en la pO2 (o una disminución en la concentración de H+ ) desplaza el equilibrio hacia la izquierda. Figura 3.10 2ÿ Síntesis de 2,3-bisfosfoglicerato. (Nota: en la es un grupo fosforilo, PO3 .) En mayores literatura, el 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) puede denominarse 2,3difosfoglicerato (2,3-DPG). 3. Efecto del 2,3-BPG sobre la afinidad por el oxígeno: el 2,3-BPG es un importante regulador de la ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Unión del O2 a la hemoglobina. Es el fosfato orgánico más abundante en los glóbulos rojos, donde su concentración es aproximadamente la de la hemoglobina. El 2,3-BPG se sintetiza a partir de un intermediario de la vía glucolítica (fig. 3.10; véase un análisis de la síntesis de 2,3-BPG en la glucólisis en la pág. 32). una. Unión del 2,3-BPG a la desoxihemoglobina: El 2,3-BPG disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno al unirse a la desoxihemoglobina pero no a la oxihemoglobina. Esta unión preferencial estabiliza la conformación T de la hemoglobina. El efecto de la unión de 2,3-BPG se puede representar esquemáticamente como: HbO2 + 2,3-BPG ÿ Hb ÿ 2,3-BPG + O2 Oxihemoglobina doxihemoglobina Figura 3.11 Unión de 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) por desoxihemoglobina. b. Sitio de unión de 2,3-BPG: una molécula de 2,3-BPG se une a un bolsillo, formado por las dos cadenas de globina ÿ, en el centro del tetrámero de desoxihemoglobina (fig. 3.11). Este bolsillo contiene varios aminoácidos con carga positiva que forman enlaces iónicos con los grupos fosfato con carga negativa del 2,3-BPG. (Nota: el reemplazo de uno de estos aminoácidos puede dar lugar a variantes de hemoglobina con una afinidad por el oxígeno anormalmente alta que puede compensarse con una mayor producción de glóbulos rojos [eritrocitosis].) La oxigenación de la hemoglobina estrecha la bolsa y hace que se libere 2,3-BPG . C. Desplazamiento de la curva de disociación de oxígeno: hemoglobina de la que se ha extraído 2,3-BPG ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google eliminado tiene alta afinidad por el oxígeno. Sin embargo, la presencia de 2,3-BPG reduce significativamente la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina, desplazando la curva de disociación del oxígeno hacia la derecha (fig. 3.12). Esta afinidad reducida permite que la hemoglobina libere O2 de manera eficiente a las presiones parciales que se encuentran en los tejidos. Figura 3.12 Efecto alostérico del 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) sobre la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina. La línea verde indica la presión parcial de oxígeno en los tejidos . La línea morada indica la presión parcial de oxígeno en los pulmones a gran altura . d. Niveles de 2,3-BPG en hipoxia crónica o anemia: la concentración de 2,3-BPG en los glóbulos rojos aumenta en respuesta a la hipoxia crónica, como la que se observa en la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) como el enfisema, o en altitudes elevadas, donde la pO2 es más baja y la hemoglobina circulante puede tener dificultades para recibir suficiente O2 . Los niveles intracelulares de 2,3-BPG también están elevados en la anemia crónica, en la que hay menos glóbulos rojos de lo normal disponibles para satisfacer las necesidades de oxígeno del cuerpo. Los niveles elevados de 2,3-BPG reducen la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina, lo que permite una mayor descarga de O2 en los capilares de los tejidos (v . fig. 3.12). mi. 2,3-BPG en sangre transfundida: El 2,3-BPG es esencial para la función normal de transporte de oxígeno de la hemoglobina. Sin embargo, la sangre almacenada en el banco de sangre se agota gradualmente en 2,3-BPG. En consecuencia, la sangre almacenada muestra una afinidad por el oxígeno anormalmente alta y no descarga adecuadamente el O2 ligado a los tejidos. Por lo tanto, la hemoglobina deficiente en 2,3-BPG actuaría como una "trampa" de oxígeno en lugar de un sistema de suministro de oxígeno. Los glóbulos rojos transfundidos pueden restaurar sus suministros agotados de 2,3-BPG en 6 a 24 horas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Sin embargo, los pacientes gravemente enfermos pueden verse comprometidos si se les transfunden grandes cantidades de sangre empobrecida en 2,3-BPG. La sangre almacenada, por lo tanto, se trata con una solución de "rejuvenecimiento" que restaura rápidamente el 2,3-BPG. (Nota: el rejuvenecimiento también restaura el ATP perdido durante el almacenamiento). Aplicación clínica 3.1: 2,3-BPG descarga oxígeno a los tejidos Para ilustrar el uso de 2,3-BPG para descargar oxígeno a los tejidos, considere dos condiciones: una persona que vive al nivel del mar con 5 mmol/L de 2,3-BPG, que viaja a una gran altura donde la pO2 es más baja, y otro individuo que vive a gran altura y lo compensa elevando sus niveles de 2,3-BPG a 8 mmol/L. La hemoglobina en los pulmones del individuo con 5 mmol/L de 2,3-BPG se saturará por completo al nivel del mar (fig. 3.12). En los tejidos, su hemoglobina está saturada en un 60% (indicado por la línea verde), entregando un 40% del oxígeno ligado a sus tejidos. En altitudes elevadas con 5 mmol/L de 2,3BPG, la hemoglobina de este mismo individuo estará saturada solo en un 90 % en los pulmones (indicado por la línea morada), por lo que el suministro de oxígeno a sus tejidos es solo del 30 %. Sin embargo, el individuo que vive a gran altura se ha adaptado a tener hemoglobina con 8 mmol/L de 2,3-BPG. La curva de unión de oxígeno se desplaza hacia la derecha. La saturación de oxígeno en los pulmones ahora es solo de ~80 % (indicado por la línea morada) y la saturación de oxígeno en los tejidos es de ~40 % (indicado por la línea verde), proporcionando un suministro similar del 40 % del oxígeno ligado a los tejidos por el aumento de los niveles de 2,3-BPG. El cambio en la afinidad de unión de O2 permitió un suministro de oxígeno comparable del 40% a los tejidos. 4. Unión de CO2 : la mayor parte del CO2 producido en el metabolismo se hidrata y transporta como ion bicarbonato (ver Fig. 1.12 en la pág. 9). Sin embargo, parte del CO2 se transporta como carbamato unido a los grupos amino terminales de la hemoglobina (formando carbaminohemoglobina como se muestra en la figura 3.8), que puede representarse esquemáticamente de la siguiente manera: Hb ÿ NH2 + CO2 ÿ Hb ÿ NH ÿ COOÿ + H+ La unión de CO2 estabiliza la forma T, o desoxi, de la hemoglobina, lo que provoca una disminución de su afinidad por el oxígeno (v. pág. 30) y un desplazamiento a la derecha de la curva de disociación del oxígeno. En los pulmones, el CO2 se disocia de la hemoglobina y se libera en la respiración. 5. Unión de CO: el monóxido de carbono (CO) se une fuertemente (pero de manera reversible) al hierro de la hemoglobina, formando carboxihemoglobina. Cuando el CO se une a uno o más de los cuatro sitios hemo, la hemoglobina cambia a la conformación R, lo que hace que los sitios hemo restantes se unan al O2 con gran afinidad. Esto desplaza la curva de disociación de oxígeno hacia la izquierda y cambia la forma sigmoidea normal hacia una hipérbola. Como resultado, la hemoglobina afectada no puede liberar O2 a los tejidos (fig. 3.13). (Nota: la afinidad de la hemoglobina por el CO es 220 veces mayor que por el O2 . En consecuencia, incluso las concentraciones mínimas de CO en el medio ambiente pueden producir concentraciones tóxicas de carboxihemoglobina en la sangre. Por ejemplo, se encuentran niveles elevados de CO en la sangre de tabaco ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google fumadores La toxicidad por CO parece ser el resultado de una combinación de hipoxia tisular y daño directo mediado por CO a nivel celular). La intoxicación por CO se trata con O2 al 100% a alta presión (terapia con oxígeno hiperbárico), que facilita la disociación del CO de la hemoglobina. (Nota: el CO también inhibe el complejo IV de la cadena de transporte de electrones (ver pág. 84).) El gas óxido nítrico (NO) también es transportado por la hemoglobina. El NO es un potente vasodilatador (v. pág. 166). Se puede tomar (recuperar) o liberar de los glóbulos rojos, modulando así la disponibilidad de NO e influyendo en el diámetro de los vasos sanguíneos. Figura 3.13 Efecto del monóxido de carbono (CO) sobre la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina. El CO compite con el O2 por unir el hierro hemo. CO-Hb = carboxihemoglobina (monoxihemoglobina de carbono). F. Hemoglobinas menores Es importante recordar que la HbA humana es sólo un miembro de una familia de proteínas relacionadas funcional y estructuralmente, las hemoglobinas (fig. 3.14). Cada una de estas proteínas transportadoras de oxígeno es un tetrámero, compuesto por dos polipéptidos de globina ÿ (o similares a ÿ) y dos polipéptidos de globina ÿ (o similares a ÿ). La HbF se sintetiza durante el desarrollo fetal, pero se representa como <2% de la hemoglobina en la sangre de un adulto. La HbF se concentra en los glóbulos rojos conocidos como células F. La HbA2 también se sintetiza en el adulto, aunque en niveles bajos en comparación con la HbA. La HbA puede modificarse mediante la adición covalente de una hexosa (HbA1c , véase II.F.3. a continuación). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.14 Hemoglobinas humanas encontradas en sangre de adultos. HbA1c es un subtipo de HbA (o HbA1 ). (Nota: las cadenas ÿ en estas hemoglobinas son idénticas). Hb = hemoglobina. 1. Hemoglobina fetal: la HbF es un tetrámero que consta de dos cadenas ÿ idénticas a las que se encuentran en la HbA, más dos cadenas ÿ (ÿ2ÿ2 ; véase la fig. 3.14). Las cadenas ÿ son miembros de la familia de genes de la globina ÿ (v. pág. 36). una. Síntesis de HbF durante el desarrollo: en el primer mes después de la concepción, las hemoglobinas embrionarias como la Hb Gower 1, compuesta por dos cadenas zeta (ÿ) similares a ÿ y dos cadenas épsilon (ÿ) similares a ÿ (ÿ2ÿ2 ), son sintetizadas por el embrión. saco vitelino En la quinta semana de gestación, el sitio de síntesis de globina cambia, primero al hígado y luego a la médula, y el producto principal es la HbF. La HbF es la principal hemoglobina que se encuentra en el feto y el recién nacido y representa aproximadamente el 60% de la hemoglobina total en los glóbulos rojos durante los últimos meses de vida fetal (fig. 3.15). La síntesis de HbA comienza en la médula ósea alrededor del octavo mes de embarazo y reemplaza gradualmente a la HbF. La figura 3.15 muestra la producción relativa de cada tipo de cadena de hemoglobina durante la vida fetal y posnatal. b. Unión de 2,3-BPG a HbF: en condiciones fisiológicas, la HbF tiene una mayor afinidad por el oxígeno que la HbA como resultado de la unión débil de HbF a 2,3-BPG. (Nota: las cadenas de globina ÿ de HbF carecen de algunos de los aminoácidos cargados positivamente que son responsables de unir 2,3-BPG en las cadenas de globina ÿ). Debido a que el 2,3-BPG sirve para reducir la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina, la interacción más débil entre el 2,3-BPG y la HbF da como resultado una mayor afinidad por el oxígeno para la HbF en relación con la HbA. Por el contrario, si tanto la HbA como la HbF pierden su 2,3-BPG, tienen una afinidad por el oxígeno similar. La mayor afinidad por el oxígeno de la HbF facilita la transferencia de O2 desde la circulación materna a través de la placenta hasta los glóbulos rojos del feto. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.15 Cambios en el desarrollo de la producción de globina. 2. Hemoglobina A2 : la HbA2 es un componente menor de la hemoglobina adulta normal, aparece por primera vez poco antes del nacimiento y, en última instancia, constituye aproximadamente el 2% de la hemoglobina total. Está compuesto por dos cadenas de globina ÿ y dos cadenas de globina ÿ (ÿ2ÿ2 ; véase la fig. 3.14). 3. Hemoglobina A1c : en condiciones fisiológicas, las moléculas de azúcar, predominantemente glucosa, se agregan de forma no enzimática a la HbA en un proceso denominado glicación. El grado de glicación depende de la concentración plasmática de la hexosa. La forma más abundante de hemoglobina glicosilada es la HbA1c . En HbA1c , los residuos de glucosa están unidos a los grupos amino de las valinas N-terminales de las cadenas de globina ÿ (fig. 3.16). Se encuentran mayores cantidades de HbA1c en los glóbulos rojos de pacientes con diabetes mellitus, porque su HbA1c tiene contacto con concentraciones de glucosa más altas durante los 120 días de vida de estas células (consulte la página 340 para una discusión sobre el uso de los niveles de HbA1c en la evaluación de los niveles sanguíneos promedio ). niveles de glucosa en pacientes con diabetes). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.16 Adición no enzimática de glucosa a la hemoglobina. La adición no enzimática de un azúcar a una proteína se conoce como glicación. tercero ORGANIZACIÓN DEL GEN DE LA GLOBINA Para comprender las enfermedades resultantes de alteraciones genéticas en la estructura o síntesis de la hemoglobina, es necesario comprender cómo los genes de la hemoglobina, que dirigen la síntesis de las diferentes cadenas de globina, se organizan estructuralmente en familias de genes, y también cómo se expresan. La expresión de un gen de globina comienza en los precursores de glóbulos rojos, donde se transcribe la secuencia de ADN que codifica el gen. Se separan dos intrones para unir tres exones en el ARNm maduro para la traducción. En la Unidad VII, Capítulos 30, 31 y 32 , se presenta una descripción más detallada de la expresión génica . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.17 Organización de las familias de genes de globina. Hb = hemoglobina. A. Familia de genes ÿ Los genes que codifican las subunidades de globina ÿ y globina ÿ de las cadenas de hemoglobina se encuentran en dos grupos (o familias) de genes separados ubicados en dos cromosomas diferentes (fig. 3.17). El grupo de genes ÿ en el cromosoma 16 contiene dos genes para las cadenas de globina ÿ. También contiene el gen ÿ que se expresa temprano en el desarrollo como un componente similar a la globina ÿ de la hemoglobina embrionaria. (Nota: las familias de genes de globina también contienen genes similares a globina que no se expresan, es decir, su información genética no se usa para producir cadenas de globina. Estos se denominan pseudogenes). B. Familia de genes ÿ El grupo de genes ÿ contiene un solo gen para la cadena de globina ÿ, ubicado en el cromosoma 11 (v . fig. 3.17). Hay cuatro genes similares a la globina ÿ adicionales dentro del grupo de genes: el gen ÿ (que, al igual que el gen ÿ, se expresa temprano en el desarrollo embrionario), dos genes ÿ (Gÿ y Aÿ que se expresan en HbF) y el gen ÿ que codifica la cadena de globina que se encuentra en la hemoglobina adulta menor, HbA2 . IV. HEMOGLOBINOPATÍAS Las hemoglobinopatías se definen como un grupo de trastornos genéticos causados por la producción de una molécula de hemoglobina estructuralmente anormal, la síntesis de cantidades insuficientes de hemoglobina normal o, en raras ocasiones, ambas. La anemia de células falciformes (HbS), la enfermedad de la hemoglobina C (HbC), la enfermedad de la hemoglobina SC (HbS + HbC = HbSC) y las talasemias son hemoglobinopatías representativas que pueden tener consecuencias clínicas graves. Las primeras tres condiciones resultan de la producción de hemoglobina con una secuencia de aminoácidos alterada (una hemoglobinopatía cualitativa), mientras que las talasemias son causadas por una producción disminuida de hemoglobina normal (una hemoglobinopatía cuantitativa). A. Anemia de células falciformes (enfermedad de la hemoglobina S) La anemia de células falciformes es un trastorno genético causado por la sustitución de un solo nucleótido (una mutación puntual, vea la pág. 449) en el gen de la globina ÿ. La alteración en la secuencia de aminoácidos de la HbS hace que la morfología de los glóbulos rojos adopte formas de hoz o de media luna, en lugar de la forma redonda bicóncava de un glóbulo rojo normal que expresa HbA normal. Esta morfología celular anormal se conoce como falcificación. La anemia de células falciformes es el trastorno sanguíneo hereditario más común en los Estados Unidos y afecta a 50 000 estadounidenses. Ocurre principalmente en la población afroamericana y afecta a 1 de cada 500 afroamericanos. La anemia de células falciformes es un trastorno autosómico recesivo. Ocurre en individuos que han heredado dos alelos mutantes (uno de cada padre) que ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google codifican para la síntesis de las cadenas ÿ de las moléculas de globina. (Nota: la cadena de globina S sedrepanocítica conoce comose2 , ÿ mutante se denomina ÿ S y la hemoglobina resultante, ÿ2ÿ HbS). ). La anemia caracteriza por episodios de dolor de por vida (“crisis”), anemia hemolítica crónica con hiperbilirrubinemia asociada (v. pág. 316) y mayor susceptibilidad a las infecciones, que por lo general comienza en la infancia. (Nota: la vida útil de los glóbulos rojos en la anemia de células falciformes es <20 días, en comparación con los 120 días de los glóbulos rojos normales, por lo tanto, la anemia). Otros síntomas incluyen síndrome torácico agudo, apoplejía, disfunción renal y esplénica, y cambios óseos debido a hiperplasia medular. La esperanza de vida se reduce (mediana de los 40 años). Los heterocigotos, que representan 1 de cada 12 afroamericanos, tienen un alelo de células falciformes y uno normal. Las células sanguíneas de tales heterocigotos contienen tanto HbS como HbA, y estos individuos tienen el rasgo de células falciformes, no la enfermedad de células falciformes. Por lo general, no muestran signos o síntomas clínicos (pero pueden hacerlo en condiciones de esfuerzo físico extremo con deshidratación) y pueden tener una vida normal. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.18 Sustituciones de aminoácidos en la hemoglobina S (HbS) y la hemoglobina C (HbC). 1. Sustitución de aminoácidos en las cadenas ÿ de HbS: en un paciente con anemia de células falciformes, una molécula de HbS contiene dos cadenas de globina ÿ normales y dos cadenas de globina ÿ mutantes (ÿ S), en las que se reemplazó el glutamato en la posición seis. con valina (fig. 3.18). El intercambio resultante de residuos de glutamato polar con carga negativa por residuos de valina no polar neutral en las dos cadenas ÿ hace que la HbS tenga una carga menos negativa que la HbA. Por lo tanto, durante la electroforesis a pH alcalino, la HbS migra más lentamente hacia el ánodo (electrodo positivo) que la HbA (fig. 3.19). La electroforesis de la hemoglobina obtenida a partir de glóbulos rojos lisados es ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google se utiliza de forma rutinaria en el diagnóstico del rasgo de células falciformes y anemia de células falciformes (o enfermedad de células falciformes). El análisis de ADN también se usa para diagnosticar la anemia de células falciformes (vea pág. 544). Figura 3.19 Diagrama de las hemoglobinas HbA, HbS y HbC después de la electroforesis. 2. Anoxia falciforme y tisular: el reemplazo del glutamato cargado con la valina no polar forma una protuberancia hidrofóbica en la cadena ÿ que encaja en un sitio hidrofóbico complementario en la cadena ÿ de otra molécula de HbS en la célula (fig. 3.20). A baja tensión de oxígeno, la HbS desoxigenada se polimeriza dentro de los glóbulos rojos, formando una red de polímeros fibrosos insolubles que endurecen y distorsionan la célula, produciendo glóbulos rojos rígidos en forma de hoz. Tales células falciformes frecuentemente bloquean el flujo de sangre en los capilares estrechos. Esta interrupción en el suministro de O2 conduce a una anoxia (privación de oxígeno) localizada en el tejido, lo que provoca dolor y, finalmente, la muerte isquémica (infarto) de las células cercanas a la obstrucción. La anoxia también conduce a un aumento de la HbS desoxigenada. (Nota: el diámetro medio de los glóbulos rojos es de 7,5 ÿm, mientras que el de la microvasculatura es de 3 a 4 ÿm. En comparación con los glóbulos rojos normales, las células falciformes tienen una menor capacidad para deformarse y una mayor tendencia a adherirse a las paredes de los vasos. Esto dificulta el movimiento a través de los vasos pequeños, lo que provoca una oclusión microvascular). 3. Variables que aumentan la drepanocitosis: la extensión de la drepanocitosis y, por tanto, la gravedad de la enfermedad aumentan con cualquier variable que aumente la proporción de HbS en el estado desoxi (es decir, reduzca la afinidad por el oxígeno de la HbS). Estas variables incluyen disminución de pO2 , aumento de pCO2 , disminución de pH, deshidratación y una mayor concentración de 2,3-BPG en los glóbulos rojos. 4. Tratamiento: la terapia incluye hidratación adecuada, analgésicos, terapia antibiótica agresiva si hay infección y transfusiones en pacientes con alto riesgo de oclusión fatal de los vasos sanguíneos. Transfusiones intermitentes con concentrados de glóbulos rojos ******ebook convertidor DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google reducen el riesgo de apoplejía, pero los beneficios deben sopesarse frente a las complicaciones de la transfusión, que incluyen la sobrecarga de hierro que puede provocar hemosiderosis (v. pág. 451), infecciones transmitidas por la sangre y complicaciones inmunológicas. La hidroxiurea (hidroxicarbamida), un fármaco antitumoral, es terapéuticamente útil porque aumenta los niveles circulantes de HbF, lo que disminuye la formación de glóbulos rojos. Esto conduce a una disminución de la frecuencia de las crisis dolorosas y reduce la mortalidad. El trasplante de células madre es posible. (Nota: la morbilidad y la mortalidad asociadas con la anemia de células falciformes han llevado a su inclusión en los paneles de detección de recién nacidos para permitir que la terapia antibiótica profiláctica comience poco después del nacimiento de un niño afectado). 5. Posible ventaja selectiva del estado heterocigoto: La alta frecuencia de la mutación S entre los africanos negros, a pesar heterocigotos. de susPor efectos ejemplo, dañinos los heterocigotos en el estado homocigoto para el gen ÿ, desugiere célulasque falciformes existe una sonventaja menosselectiva susceptibles paraalos la individuos malaria grave causada por el parásito Plasmodium falciparum. Este organismo pasa una parte obligatoria de su ciclo de vida en los glóbulos rojos. Una teoría es que debido a que estas células en individuos heterocigotos para HbS, como las de los homocigotos, tienen una vida más corta de lo normal, el parásito no puede completar la etapa intracelular de su desarrollo. Esto puede proporcionar una ventaja selectiva a los heterocigotos que viven en regiones donde la malaria es una de las principales causas de muerte. Por ejemplo, en África, la distribución geográfica de la anemia de células falciformes es similar a la de la malaria. B. Enfermedad de la hemoglobina C Al igual que la HbS, la HbC es una variante de la hemoglobina que tiene una sustitución de un solo aminoácido en la sexta posición de la cadena de globina ÿ (v . fig. 3.18). En HbC, sin embargo, el glutamato se sustituye por una lisina (en comparación con una sustitución de valina en HbS). (Nota: esta sustitución hace que la HbC se desplace más lentamente hacia el ánodo que la HbA o la HbS [v . fig. 3.19].) Los pacientes raros homocigóticos para la HbC suelen tener una anemia hemolítica crónica relativamente leve. No experimentan crisis de infarto, y no se requiere terapia específica. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.20 Eventos moleculares y celulares que conducen a la crisis de células falciformes. HbS = hemoglobina S. C. Enfermedad de la hemoglobina SC La enfermedad HbSC es otra de las enfermedades falciformes de los glóbulos rojos. En esta enfermedad, algunas cadenas de globina ÿ tienen la mutación de células falciformes, mientras que otras cadenas de globina ÿ portan la mutación que se encuentra en la enfermedad de HbC. (Nota: los pacientes con enfermedad de HbSC son doblemente heterocigotos. Se les llama heterocigotos compuestos porque ambos genes de globina ÿ son anormales, aunque diferentes entre sí). Los niveles de hemoglobina tienden a ser más altos en la enfermedad de HbSC que en la anemia de células falciformes y pueden incluso estar en el extremo inferior del rango normal. El curso clínico de los adultos con anemia por HbSC difiere del de la anemia de células falciformes en que se presentan síntomas como crisis dolorosas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google menos frecuentes y menos graves. Sin embargo, existe una variabilidad clínica significativa. D. Metahemoglobinemias 2+ a Fe 3+ La oxidación del hierro hemo en la hemoglobina a partir de Fe produce metahemoglobina, que no puede unirse al O2 . Esta oxidación puede ser adquirida y causada por la acción de ciertos fármacos, como los nitratos, o de productos endógenos como las especies reactivas del oxígeno (v. pág. 163). La oxidación también puede deberse a defectos congénitos, por ejemplo, una deficiencia de NADHcitocromo b5 reductasa (también llamada NADH-metahemoglobina reductasa), la enzima responsable de la conversión de 2+), conduce a la acumulación de metahemoglobina (Fe 3+) a hemoglobina (Fe metahemoglobina (fig. 3.21). (Nota: los glóbulos rojos de los recién nacidos tienen aproximadamente la mitad de la capacidad de los adultos para reducir la metahemoglobina). Además, raras mutaciones en la cadena de globina ÿ o ÿ pueden causar la producción de HbM , una hemoglobina anormal que es resistente a la reductasa. Las metahemoglobinemias se caracterizan por “cianosis de chocolate” (una coloración azul de la piel y las membranas mucosas y sangre de color marrón) como resultado de la metahemoglobina de color oscuro. Los síntomas están relacionados con el grado de hipoxia tisular e incluyen ansiedad, dolor de cabeza y disnea En casos raros, puede ocurrir coma y muerte. El tratamiento es con azul de metileno, que se oxida como Fe 3+ y se reduce de nuevo a Fe 2+ . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.21 A: Formación de metahemoglobina y su reducción a hemoglobina por NADH-citocromo b5 reductasa. B: Metahemoglobinemia. E. Talasemias Las talasemias son enfermedades hemolíticas hereditarias en las que se produce un desequilibrio en la síntesis de cadenas de globina. Como grupo, son los trastornos de un solo gen más comunes en humanos. Normalmente, la síntesis de las cadenas de globina ÿ y ÿ está coordinada, de modo que cada cadena de globina ÿ tiene un compañero de cadena de globina ÿ. Esto conduce a la formación de ÿ2ÿ2 (HbA). En las talasemias, la síntesis de la cadena de globina ÿ o ÿ es defectuosa y se reduce la concentración de hemoglobina. Una talasemia puede ser causada por una variedad de mutaciones, que incluyen deleciones de genes completos o sustituciones o deleciones de uno de los muchos nucleótidos en el ADN. (Nota: cada talasemia se puede clasificar como un trastorno en el que no se producen 0 - o ÿ (ÿ 0 -talasemia), cadenas de globina en un nivel oreducido en el que [ÿ se sintetizan algunas cadenas pero + + - o ÿ -talasemia].) 1. ÿ-talasemias: en estos trastornos, la síntesis de cadenas de globina ÿ está disminuida o ausente, típicamente como resultado de mutaciones puntuales que afectan la producción de ARNm funcional. Sin embargo, la síntesis de la cadena de globina ÿ es normal. Exceso de globina ÿ ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google las cadenas no pueden formar tetrámeros estables y, por lo tanto, precipitar, provocando la muerte prematura de las células inicialmente destinadas a convertirse en glóbulos rojos maduros. También se produce un aumento de ÿ2ÿ2 (HbA2 ) y ÿ2ÿ2 (HbF). Solo hay dos copias del gen de la globina ÿ en cada célula (una en cada cromosoma 11). Por lo tanto, las personas con defectos en el gen de la globina ÿ tienen el rasgo de talasemia ÿ (talasemia ÿ menor) si solo tienen un gen de globina ÿ defectuoso o talasemia ÿ mayor (anemia de Cooley) si ambos genes son defectuosos (fig. 3.22). . Debido a que el gen de la globina ÿ no se expresa hasta el final del desarrollo prenatal, las manifestaciones físicas de las talasemias ÿ aparecen solo varios meses después del nacimiento. Aquellos individuos con ÿ-talasemia minor fabrican algunas cadenas ÿ y generalmente no requieren tratamiento específico. Sin embargo, los bebés que nacen con ÿ-talasemia mayor aparentemente están sanos al nacer, pero se vuelven severamente anémicos debido a la ineficacia de la eritropoyesis, por lo general durante el primer o segundo año de vida. También se observan cambios esqueléticos como resultado de la hematopoyesis extramedular. Estos pacientes requieren transfusiones regulares de sangre. (Nota: aunque este tratamiento salva vidas, el efecto acumulativo de las transfusiones es una sobrecarga de hierro. El uso de la terapia de quelación de hierro ha mejorado la morbilidad y la mortalidad). La única opción curativa disponible es el trasplante de células madre hematopoyéticas. Figura 3.22 A: Mutaciones del gen de la globina ÿ en las talasemias ÿ. B: Tetrámeros de hemoglobina (Hb) formados en talasemias ÿ. 2. Talasemias ÿ: en estos trastornos, la síntesis de cadenas de globina ÿ está disminuida o ausente, típicamente como resultado de mutaciones por deleción. Como el genoma de cada individuo contiene cuatro copias del gen de la globina ÿ (dos en cada cromosoma 16), hay varios niveles de deficiencias en la cadena de la globina ÿ (fig. 3.23). Si uno de ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google los cuatro alelos codifican una proteína de globina defectuosa, el individuo se denomina portador “silencioso” de talasemia ÿ, porque no se presentan manifestaciones físicas de la enfermedad. Si dos alelos de globina ÿ codifican proteínas de globina defectuosas, se considera que el individuo tiene el rasgo de talasemia ÿ. Si tres alelos de globina ÿ codifican proteínas de globina defectuosas, el individuo tiene enfermedad de hemoglobina H (ÿ4), una anemia hemolítica de gravedad variable. Si los cuatro alelos de globina ÿ codifican proteínas de globina defectuosas, se produce la enfermedad de Bart de la hemoglobina (ÿ4 ) con hidropesía fetal y muerte fetal, porque se requieren cadenas de globina ÿ para la síntesis de HbF. (Nota: la ventaja heterocigota contra la malaria se observa en las talasemias ÿ y ÿ). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.23 A: deleciones del gen de la globina ÿ en las talasemias ÿ. B: Tetrámeros de hemoglobina (Hb) formados en talasemias ÿ. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google V. Resumen del capítulo La hemoglobina A (HbA), la principal hemoglobina en adultos, está compuesta por cuatro cadenas polipeptídicas (dos cadenas ÿ y dos cadenas ÿ, ÿ2ÿ2 ) que se mantienen unidas por interacciones no covalentes (fig. 3.24). Las subunidades ocupan diferentes posiciones relativas en la desoxihemoglobina en comparación con la oxihemoglobina. La forma desoxida de la Hb se denomina conformación en "T" o tensa (tiempo) . Tiene una estructura restringida que limita el movimiento de las cadenas polipeptídicas. La forma T es la forma de Hb con baja afinidad por el oxígeno . La unión del oxígeno (O2 ) al hierro hemo provoca la ruptura de algunos de los enlaces iónicos y de hidrógeno y el movimiento de los dímeros. Esto conduce a una estructura llamada "R", o conformación relajada . La forma R es la forma de Hb con alta afinidad por el oxígeno . La curva de disociación del oxígeno para la Hb tiene forma sigmoidea (en contraste con la de la mioglobina, que es hiperbólica), lo que indica que las subunidades cooperan en la unión del O2 . La unión de una molécula de oxígeno a un grupo hemo aumenta la afinidad por el oxígeno de los grupos hemo restantes en la misma molécula de Hb (cooperatividad). La capacidad de la Hb para unir O2 de forma reversible se ve afectada por la presión parcial de oxígeno (pO2 ), el pH del medio ambiente, la presión parcial de dióxido de carbono (pCO2 ) y la disponibilidad de 2,3-bisfosfoglicerato (2,3BPG) . Por ejemplo, la liberación de O2 de la Hb aumenta cuando se reduce el pH o aumenta la pCO2 (el efecto Bohr), como en el ejercicio muscular, y la curva de disociación del oxígeno de la Hb se desplaza hacia la derecha. Para hacer frente a los efectos a largo plazo de la hipoxia crónica o la anemia, aumenta la concentración de 2,3-BPG en los glóbulos rojos . El 2,3-BPG se une a la Hb y disminuye su afinidad por el oxígeno. Por lo tanto, también desplaza la curva de disociación de oxígeno hacia la derecha. La hemoglobina fetal (HbF) se une al 2,3-BPG con menos fuerza que la HbA y tiene una mayor afinidad por el oxígeno. El monóxido de carbono (CO) se une fuertemente (pero de forma reversible) al hierro Hb, formando carboxihemoglobina. Las hemoglobinopatías son trastornos causados principalmente por la producción de una molécula de Hb estructuralmente anormal, como en la anemia de células falciformes, o por la síntesis de cantidades insuficientes de subunidades normales de Hb, como en las talasemias (fig. 3.25). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.24 Mapa conceptual clave para la estructura y función de la hemoglobina. Fe 2+ = hierro ferroso. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 3.1 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre las hemoglobinas es correcta? A. HbA es la hemoglobina más abundante en adultos normales. B. La sangre fetal tiene una menor afinidad por el oxígeno que la sangre adulta porque la HbF tiene una mayor afinidad por el 2,3bisfosfoglicerato. C. La composición de la cadena de globina de HbF es ÿ2ÿ2 . D. La HbA1c se diferencia de la HbA por una única sustitución de aminoácidos determinada genéticamente. E. HbA2 aparece temprano en la vida fetal. Respuesta correcta = A. La HbA representa más del 90 % de la hemoglobina en un adulto normal. Si se incluye HbA1c , el porcentaje aumenta a ~97%. Debido a que el 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) reduce la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, la interacción más débil entre el 2,3-BPG y la HbF da como resultado una mayor afinidad por el oxígeno por la HbF en relación con la HbA. HbF consta de ÿ2ÿ2 . HbA1c es una forma glicosilada de HbA, formada de forma no enzimática en los glóbulos rojos. La HbA2 es un componente menor de la hemoglobina adulta normal, que aparece por primera vez poco antes del nacimiento y aumenta a niveles adultos (ÿ2% de la hemoglobina total) a los 6 meses de edad. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 3.25 Mapa conceptual clave para las hemoglobinopatías. Hb = hemoglobina; Fe = hierro; O2 = oxígeno. 3.2 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la capacidad de la acidosis para precipitar una crisis en la anemia drepanocítica? la anemia es correcta? A. La acidosis reduce la solubilidad de la HbS. B. La acidosis aumenta la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina. C. La acidosis favorece la conversión de la hemoglobina de la conformación tensa a la relajada. D. La acidosis desplaza la curva de disociación de oxígeno hacia la izquierda. E. La acidosis reduce la capacidad del 2,3-bisfosfoglicerato para unirse a la hemoglobina. Respuesta correcta = A. La HbS es significativamente menos soluble en la forma desoxigenada, en comparación con la oxihemoglobina S. La disminución del pH (acidosis) hace que la curva de disociación del oxígeno se desplace hacia la derecha, lo que indica una disminución de la afinidad por el oxígeno (aumento del suministro). Esto favorece la formación de la forma desoxi, o tensa, de hemoglobina y puede precipitar una crisis de células falciformes. La unión de 2,3-bisfosfoglicerato aumenta porque se une solo a la forma desoxi de la hemoglobina. 3.3 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la unión del oxígeno por la hemoglobina es correcta? A. El efecto Bohr da como resultado una menor afinidad por el oxígeno a valores de pH más altos. B. El dióxido de carbono aumenta la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina. C. La afinidad por el oxígeno de la hemoglobina aumenta a medida que aumenta el porcentaje de saturación. D. El tetrámero de hemoglobina se une a cuatro moléculas de 2,3-bisfosfoglicerato. E. La oxihemoglobina y la desoxihemoglobina tienen la misma afinidad por los protones. Respuesta correcta = C. La unión de oxígeno a un grupo hemo aumenta la afinidad por el oxígeno de los grupos hemo restantes en la misma molécula. Un aumento en el pH da como resultado una mayor afinidad por el oxígeno. El dióxido de carbono disminuye la afinidad por el oxígeno porque reduce el pH. Además, la unión del dióxido de carbono a los extremos N estabiliza la tensión, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google forma desoxi. La hemoglobina se une a una molécula de 2,3-bisfosfoglicerato. La desoxihemoglobina tiene una mayor afinidad por los protones que la oxihemoglobina. 3.4 ÿ-Lisina 82 en HbA es importante para la unión de 2,3-bisfosfoglicerato. En la Hb Helsinki, este aminoácido básico con carga positiva ha sido reemplazado por el aminoácido sin carga metionina. ¿Cuál de los siguientes debería ser cierto con respecto a Hb Helsinki? A. Debe estabilizarse en forma tensa, en lugar de relajada. B. Debería disminuir el suministro de oxígeno a los tejidos. C. La curva de disociación de oxígeno de Hb Helsinki debe desplazarse hacia la derecha en relación con la HbA. D. Resulta en anemia. E. Debería disminuir la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno. Respuesta correcta = B. La sustitución de la lisina cargada positivamente por metionina neutra disminuye la capacidad de los grupos fosfato cargados negativamente en el 2,3-bisfosfoglicerato (2,3-BPG) para unirse a las subunidades ÿ de la hemoglobina. Debido a que el 2,3-BPG disminuye la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno, una reducción en el 2,3-BPG debería dar como resultado un aumento de la afinidad por el oxígeno y una disminución del suministro de oxígeno (O2 ) a los tejidos. La forma relajada es la forma de hemoglobina con alta afinidad por el oxígeno. El aumento de la afinidad por el oxígeno (disminución del suministro) da como resultado un desplazamiento hacia la izquierda en la curva de disociación del oxígeno. La disminución del aporte de O2 se compensa con el aumento de la producción de glóbulos rojos. 3.5 Un hombre de 67 años se presentó en el servicio de urgencias con antecedentes de angina de 1 semana y dificultad para respirar. Se quejó de que su cara y sus extremidades se habían puesto de un color azul. Entre sus antecedentes médicos destacaba angina crónica estable tratada con dinitrato de isosorbida y nitroglicerina. La sangre obtenida para el análisis era marrón. ¿Cuál de los siguientes es el diagnóstico más probable? A. Carboxihemoglobinemia B. Enfermedad SC de la hemoglobina C. Metahemoglobinemia D. Anemia de células falciformes E. ÿ-Talasemia Respuesta correcta = C. Oxidación de la hemoglobina ferrosa (Fe) 2+) hierro al férrico (Fe 3+) estado en el grupo protésico hemo de forma metahemoglobina. Esto puede ser causado por la acción de ciertos medicamentos como los nitratos. Las metahemoglobinemias se caracterizan por cianosis chocolate (una coloración azul de la piel y las membranas mucosas y color chocolate sangre) como resultado de la metahemoglobina de color oscuro. Los síntomas están relacionados con la hipoxia tisular e incluyen ansiedad, dolor de cabeza y disnea. En casos raros, puede ocurrir coma y muerte. (Nota: benzocaína, una amina aromática utilizada como anestésico tópico , es una causa de metahemoglobinemia adquirida.) 3.6 ¿Por qué la enfermedad de la hemoglobina C es una enfermedad no falciforme? En la HbC, el glutamato polar se reemplaza por lisina polar en lugar de por valina no polar como en la HbS. 3.7 ¿Qué sería cierto acerca de la extensión de la falcificación de glóbulos rojos en individuos con HbS y persistencia hereditaria? de HbF? Se reduciría porque la HbF reduce la concentración de HbS. También inhibe la polimerización de desoxi HbS. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Proteínas fibrosas 4 I. VISIÓN GENERAL Las proteínas fibrosas generalmente se pliegan en filamentos extendidos o estructuras similares a láminas, con secuencias de aminoácidos repetidas. Son relativamente insolubles y brindan una función estructural o protectora en nuestros tejidos, como los tejidos conectivos, los tendones, los huesos y las fibras musculares. El colágeno y la elastina son ejemplos de proteínas fibrosas de la matriz extracelular (ECM) bien caracterizadas que se encuentran comúnmente. El colágeno y la elastina cumplen funciones estructurales en el cuerpo y son componentes de la piel, el tejido conectivo, las paredes de los vasos sanguíneos y la esclerótica y la córnea del ojo. Cada proteína fibrosa exhibe propiedades mecánicas especiales, como resultado de su estructura única, que se obtiene al combinar aminoácidos específicos en elementos estructurales secundarios repetidos. Esto contrasta con las proteínas globulares (discutidas en el Capítulo 3), cuyas formas son el resultado de interacciones complejas entre elementos estructurales secundarios, terciarios y, a veces, cuaternarios. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 4.1 Hélice de colágeno de triple cadena formada por tres cadenas ÿ. (Nota: las propias cadenas ÿ tienen una estructura helicoidal). II. COLÁGENO El colágeno es la proteína más abundante en el cuerpo humano. Una molécula de colágeno típica es una estructura larga y rígida en la que tres polipéptidos (denominados cadenas ÿ) se enrollan entre sí en una triple hélice similar a una cuerda (fig. 4.1). Aunque esta triple hélice se encuentra en todas las moléculas de colágeno en todo el cuerpo, los muchos subtipos de colágeno están más organizados y dictados por el papel estructural que desempeña el colágeno en un órgano en particular. En algunos tejidos, el colágeno se puede dispersar como un gel que da soporte a la estructura, como en la MEC o el humor vítreo del ojo. En otros tejidos, el colágeno puede ser ******convertidor de libros electrónicos DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google agrupados en fibras estrechas y paralelas que proporcionan una gran resistencia, como en los tendones. En la córnea del ojo, el colágeno se acumula para transmitir la luz con un mínimo de dispersión. El colágeno del hueso se presenta como fibras dispuestas en ángulo entre sí para resistir el corte mecánico desde cualquier dirección. A. Tipos La superfamilia de proteínas del colágeno incluye >25 tipos de colágeno, así como proteínas adicionales que tienen dominios similares al colágeno. Las tres cadenas polipeptídicas ÿ se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre cadenas. Las variaciones en la secuencia de aminoácidos de las cadenas ÿ dan como resultado componentes estructurales que tienen aproximadamente el mismo tamaño (unos 1000 aminoácidos de largo) pero con propiedades ligeramente diferentes. Estas cadenas ÿ se combinan para formar los diversos tipos de colágeno que se encuentran en los tejidos. Por ejemplo, el colágeno más común, el tipo I, contiene dos cadenas llamadas ÿ1 y una cadena llamada ÿ2 (ÿ12ÿ2), mientras que el colágeno tipo II contiene tres cadenas ÿ1 Los colágenos se pueden organizar en tres grupos, según su ubicación y funciones en el cuerpo (Fig. 4.2). 1. Colágenos formadores de fibrillas: los tipos I, II y III son los colágenos fibrilares, con una estructura similar a una cuerda descrita anteriormente para una molécula de colágeno típica. En el microscopio electrónico, estos polímeros lineales de fibrillas tienen patrones de bandas característicos, lo que refleja el empaquetamiento escalonado regular de las moléculas de colágeno individuales en la fibrilla (Fig. 4.3). Las fibras de colágeno tipo I (compuestas por fibrillas de colágeno) se encuentran en elementos de soporte de alta resistencia a la tracción (p. ej., tendones y córneas), mientras que las fibras formadas a partir de moléculas de colágeno tipo II están restringidas a estructuras cartilaginosas. Las fibras derivadas del colágeno tipo III prevalecen en tejidos más distensibles como los vasos sanguíneos. 2. Colágenos que forman redes: los tipos IV y VIII forman una malla tridimensional, en lugar de fibrillas diferenciadas (fig. 4.4). Por ejemplo, las moléculas de tipo IV se ensamblan en una lámina o malla que constituye la mayor parte de las membranas basales. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 4.2 Los tipos de colágeno más abundantes. (Nota: *Los colágenos asociados a fibrillas con hélices triples interrumpidas se conocen como FACIT). Las membranas basales son estructuras delgadas en forma de lámina que brindan soporte mecánico a las células adyacentes y funcionan como una barrera de filtración semipermeable para macromoléculas en órganos como el riñón y el pulmón. 3. Colágenos asociados a fibrillas: los tipos IX y XII se unen a la superficie de las fibrillas de colágeno, uniendo estas fibrillas entre sí y con otros componentes de la MEC (fig. 4.2). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 4.3 Las fibrillas de colágeno de la derecha tienen un patrón de bandas característico, que refleja el empaquetamiento regularmente escalonado de las moléculas de colágeno individuales en la fibrilla. B Estructura A diferencia de la mayoría de las proteínas globulares que se pliegan en estructuras compactas, el colágeno, una proteína fibrosa, tiene una estructura alargada de triple hélice que se estabiliza mediante enlaces de hidrógeno entre cadenas. 1. Secuencia de aminoácidos: el colágeno es rico en prolina y glicina, los cuales son importantes en la formación de la hélice de triple cadena. La prolina facilita la formación de la conformación helicoidal de cada cadena ÿ porque su estructura de anillo provoca "torceduras" en la cadena peptídica. (Nota: la presencia de prolina dicta que la conformación helicoidal de la cadena ÿ no puede ser una hélice ÿ [ver pág. 16]). La glicina, el aminoácido más pequeño, se encuentra en cada tercera posición de cada cadena polipeptídica. La glicina encaja en los espacios restringidos donde se unen las tres cadenas de la hélice. Los residuos de glicina forman parte de una secuencia repetitiva, ÿGly–X–Y–, donde X suele ser prolina e Y suele ser hidroxiprolina (pero puede ser hidroxilisina, fig. 4.5). Por lo tanto, la mayor parte de la cadena ÿ se puede considerar como un politripéptido cuya secuencia se puede representar como (ÿGly– Pro–Hyp–)333 . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 4.4 Micrografía electrónica de una red poligonal formada por asociación de colágeno tipo IV monómeros. 2. Hidroxiprolina e hidroxilisina: el colágeno contiene hidroxiprolina e hidroxilisina, que son aminoácidos no estándar (ver pág. 1) que no están presentes en la mayoría de las otras proteínas. Estos aminoácidos únicos resultan de la hidroxilación de algunos de los residuos de prolina y lisina después de su incorporación a las cadenas polipeptídicas (fig. 4.6). Por tanto, la hidroxilación es una modificación postraduccional (v. pág. 509). (Nota: la presencia de hidroxiprolina maximiza la formación de enlaces de hidrógeno entre cadenas que estabilizan la estructura de triple hélice). Figura 4.5 Secuencia de aminoácidos de una porción de la cadena ÿ1 de colágeno. Hip, hidroxiprolina; Hyl, hidroxilisina. 3. Glicosilación: el grupo hidroxilo de los residuos de hidroxilisina del colágeno puede glicosilarse enzimáticamente. Por lo general, la glucosa y la galactosa se unen secuencialmente a la cadena polipeptídica antes de la formación de la triple hélice (fig. 4.7). C. Biosíntesis Los precursores polipeptídicos de la molécula de colágeno se sintetizan en fibroblastos (o en los osteoblastos de hueso y condroblastos de cartílago relacionados). Se modifican enzimáticamente y forman la triple hélice, que se secreta en la MEC. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Después de una modificación enzimática adicional, las fibrillas de colágeno extracelulares maduras se agregan y se entrecruzan para formar fibras de colágeno. 1. Formación de la cadena pro-ÿ: el colágeno es una de las muchas proteínas que normalmente funcionan fuera de las células. Como la mayoría de las proteínas producidas para la exportación, los precursores polipeptídicos recién sintetizados de las cadenas ÿ (cadenas prepro-ÿ) contienen una secuencia de aminoácidos especial en sus extremos amino (N)-terminales. Esta secuencia actúa como una señal que, en ausencia de señales adicionales, se dirige al polipéptido que se sintetiza para su secreción desde la célula. La secuencia señal facilita la unión de los ribosomas al retículo endoplásmico rugoso (RER) y dirige el paso de la cadena prepro-ÿ hacia la luz del RER. La secuencia señal se escinde rápidamente en la luz para producir un precursor del colágeno denominado cadena pro-ÿ (fig. 4.7). Figura 4.6 Hidroxilación de residuos de prolina en cadenas pro-ÿ de colágeno por prolil hidroxilasa. (Nota: Fe 2+ 3+ (cofactor de hidroxilasa) está protegido de la oxidación a Fe por ascorbato [vitamina C].) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 4.7 Síntesis de colágeno. RER, retículo endoplásmico rugoso; ARNm, ARN mensajero. 2. Hidroxilación: las cadenas pro-ÿ son procesadas por una serie de enzimas dentro ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google la luz del RER mientras los polipéptidos aún se están sintetizando (Fig. 4.7). Los residuos de prolina y lisina que se encuentran en la posición Y de la secuencia –Gly–X–Y– pueden hidroxilarse para formar residuos de hidroxiprolina e hidroxilisina. Estas reacciones de hidroxilación requieren oxígeno molecular, hierro ferroso (Fe que 2+), y el agente las enzimas hidroxilantes, prolil hidroxilasa y lisil hidroxilasa, pueden funcionar (ver reductor vitamina C (ácido ascórbico, ver no pág. 427), sin Fig. 4.6). En el caso de deficiencia de ácido ascórbico (y, por lo tanto, falta de prolina y la hidroxilación de lisina), se deterioran la formación de enlaces de H entre cadenas y la formación de una triple hélice estable. Además, las fibrillas de colágeno no pueden reticularse (ver 7. a continuación), lo que reduce en gran medida la resistencia a la tracción de la fibra ensamblada. la enfermedad de deficiencia resultante se conoce como escorbuto. Los pacientes con escorbuto a menudo muestran equimosis (decoloraciones similares a hematomas) y petequias en las extremidades como resultado de la extravasación subcutánea (fuga) de sangre debido a la fragilidad capilar (Fig. 4.8). Otros síntomas también incluyen enfermedad de las encías, aflojamiento de los dientes y mala cicatrización de heridas. 3. Glicosilación: algunos residuos de hidroxilisina se modifican mediante glicosilación con glucosa o glucosil-galactosa (fig. 4.7). 4. Ensamblaje y secreción: después de la hidroxilación y la glicosilación, tres cadenas proÿ forman procolágeno, un precursor del colágeno que tiene una región central de triple hélice flanqueada por las extensiones no helicoidales N- y carboxilo (C)-terminal llamadas propéptidos (Fig. 4.7). La formación de procolágeno comienza con la formación de enlaces disulfuro intercatenarios entre las extensiones C-terminales de las cadenas pro-ÿ. Esto lleva a las tres cadenas ÿ a una alineación favorable para la formación de la triple hélice. Las moléculas de procolágeno se mueven a través del aparato de Golgi, donde se empaquetan en vesículas secretoras. Las vesículas se fusionan con la membrana celular, provocando la liberación de moléculas de procolágeno al espacio extracelular. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 4.8 Las piernas de un hombre de 46 años con escorbuto. 5. Escisión extracelular de las moléculas de procolágeno: después de su liberación, las moléculas de procolágeno de triple hélice son escindidas por las peptidasas de procolágeno N y C, que eliminan los propéptidos terminales y producen moléculas de tropocolágeno. 6. Formación de fibrillas de colágeno: las moléculas de tropocolágeno se asocian espontáneamente para formar fibrillas de colágeno. Las fibrillas forman una matriz ordenada y paralela, con moléculas de colágeno adyacentes dispuestas en un patrón escalonado formado por aproximadamente tres cuartas partes de cada molécula que se superponen a la molécula vecina (Fig. 4.7). 7. Formación de enlaces cruzados: la matriz de moléculas de fibrillas de colágeno sirve como sustrato para la lisil oxidasa. Esta enzima extracelular que contiene cobre desamina oxidativamente algunos de los residuos de lisina e hidroxilisina en el colágeno. Los aldehídos reactivos (alisina e hidroxialdehído) que resultan de las reacciones de desaminación pueden condensarse espontáneamente con residuos de lisina o hidroxilisina en moléculas de colágeno vecinas para formar enlaces cruzados covalentes y, por tanto, fibras de colágeno maduras (fig. 4.9). (Nota: también se pueden formar enlaces cruzados entre dos residuos de alisina). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 4.9 Formación de enlaces cruzados en colágeno. (Nota: la lisil oxidasa es inhibida irreversiblemente por una toxina presente en las semillas de Lathyrus odoratus [guisante dulce], lo que lleva a una condición 2+ conocida como latirismo que se caracteriza por problemas óseos y vasculares). Cu amoníaco; H2O2 , , cobre; NH3 , peróxido de hidrógeno. La lisil oxidasa es una de varias enzimas que contienen cobre. Otros incluyen ceruloplasmina (vea pág. 451), citocromo c oxidasa (vea pág. 84), dopamina hidroxilasa (vea pág. 318), superóxido dismutasa (vea pág. 163) y tirosinasa (vea pág. 303). La alteración de la homeostasis del cobre provoca deficiencia de cobre (síndrome de Menkes ligado al cromosoma X) o sobrecarga (enfermedad de Wilson) (v. pág. 449). D. Degradación Las fibras de colágeno normales son moléculas muy estables, con vidas medias de varios años. Sin embargo, el tejido conectivo es dinámico y se remodela constantemente, a menudo en respuesta al crecimiento o lesión del tejido. La descomposición de las fibras de colágeno depende de la acción proteolítica de las colagenasas, que forman parte de una gran familia de metaloproteinasas de matriz. Para el colágeno tipo I, la escisión ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google el sitio es específico, generando fragmentos de tres cuartos y un cuarto de longitud. Estos fragmentos son degradados aún más por otras proteinasas de la matriz. E. Colagenopatías Los defectos en cualquiera de los muchos pasos en la síntesis de fibras de colágeno pueden dar como resultado una enfermedad genética que implica una incapacidad del colágeno para formar fibras correctamente y, por lo tanto, una incapacidad para proporcionar a los tejidos la fuerza de tensión necesaria que normalmente proporciona el colágeno. Se han identificado más de 1000 mutaciones en 23 genes que codifican 13 de los tipos de colágeno. Los siguientes son ejemplos de enfermedades (colagenopatías) que son el resultado de una síntesis defectuosa de colágeno. 1. Síndrome de Ehlers-Danlos: el síndrome de Ehlers-Danlos (SED) es un grupo heterogéneo de trastornos del tejido conjuntivo que resultan de defectos hereditarios en el metabolismo de las moléculas de colágeno fibrilar. El SED puede ser causado por una deficiencia de las enzimas que procesan el colágeno (p. ej., lisil hidroxilasa o N-procolágeno peptidasa) o por mutaciones en las secuencias de aminoácidos de los tipos de colágeno I, III y V. La forma clásica de SED, causada por defectos en el colágeno tipo V, se caracteriza por la extensibilidad y fragilidad de la piel e hiperlaxitud articular (fig. 4.10). La forma vascular, debida a defectos en el colágeno tipo III, es la forma más grave de SED porque se asocia con una ruptura arterial potencialmente letal. (Nota: las formas clásica y vascular muestran una herencia autosómica dominante). El colágeno que contiene cadenas mutantes puede tener una estructura, secreción o distribución alteradas, y con frecuencia se degrada. (Nota: la incorporación de una sola cadena mutante puede provocar la degradación de la triple hélice. Esto se conoce como efecto negativo dominante). Figura 4.10 Piel elástica del síndrome de Ehlers-Danlos clásico y mecanismo de los bisfosfonatos. 2. Osteogénesis imperfecta: este síndrome, conocido como “enfermedad de los huesos quebradizos”, es un trastorno genético de la fragilidad ósea caracterizado por huesos que se fracturan con facilidad, con un traumatismo menor o nulo (fig. 4.11). Más del 80% de los casos de osteogénesis ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google imperfecta (OI) son causadas por mutaciones dominantes en los genes que codifican las cadenas ÿ1 o ÿ2 en el colágeno tipo I. Las mutaciones más comunes provocan el reemplazo de la glicina (en –Gly–X–Y–) por aminoácidos con cadenas laterales voluminosas. Las cadenas ÿ estructuralmente anormales resultantes impiden la formación de la conformación de triple hélice requerida. La gravedad fenotípica varía de leve a letal. La OI tipo I, la forma más común, se caracteriza por fragilidad ósea leve, pérdida de audición y esclerótica azul. El tipo II, la forma más grave, suele ser letal en el período perinatal como resultado de complicaciones pulmonares. Se ven fracturas en el útero (Fig. 4.11, izquierda). El tipo III también es una forma grave y se caracteriza por múltiples fracturas al nacer, baja estatura, curvatura de la columna que conduce a una apariencia jorobada (cifótica) y escleróticas azules. La dentinogénesis imperfecta, un trastorno del desarrollo dental, puede verse en la OI. La OI se trata con bisfosfonatos (fig. 4.11, derecha), que funcionan inactivando los osteoclastos, las células que descomponen el tejido óseo. Los bisfosfonatos también aumentan la apoptosis (muerte celular) de los osteoclastos y, por lo tanto, inhiben la reabsorción del material óseo. Los bisfosfonatos también reducen la apoptosis de los osteoblastos, las células que forman nueva matriz ósea. Figura 4.11 A: Forma letal (tipo II) de osteogénesis imperfecta en la que las fracturas aparecen en el útero, como lo revela esta radiografía de un feto que nació muerto. B: Mecanismo de acción de los bisfosfonatos para tratar pacientes con OI. OI, osteogénesis imperfecta. 3. Síndrome de Alport: este es un grupo de trastornos hereditarios heterogéneos de las membranas basales del riñón y, con frecuencia, de la cóclea y el ojo, caracterizado por glomerulonefritis, hematuria, proteinuria, hipertensión y progresión a enfermedad renal en etapa terminal (ESRD) y hipoacusia entre la segunda y la cuarta década de la vida. Este trastorno es el resultado de mutaciones en los genes del colágeno tipo IV, con una frecuencia genética de aproximadamente 1 caso en 5.000. La forma más común se hereda como autosómica dominante ligada al cromosoma X. El patrón de herencia y los síntomas difieren según el gen de colágeno tipo IV involucrado. tercero ELASTINA A diferencia del colágeno, que forma fibras que son duras y tienen una alta resistencia a la tracción, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La elastina es una proteína fibrosa con propiedades similares al caucho que se encuentra en el tejido conectivo. Las fibras elásticas compuestas de microfibrillas de elastina y glicoproteína se encuentran en los pulmones, las paredes de las arterias grandes y los ligamentos elásticos. Se pueden estirar varias veces su longitud normal, pero recuperan su forma original cuando se relaja la fuerza de estiramiento. Figura 4.12 Enlace cruzado de desmosina exclusivo de la elastina. Una estructura La elastina es un polímero de proteína insoluble generado a partir de un precursor, la tropoelastina, que es un polipéptido soluble compuesto de ~700 aminoácidos que son principalmente pequeños y no polares (p. ej., glicina, alanina y valina). La elastina también es rica en prolina y lisina, pero contiene poca hidroxiprolina e hidroxilisina. La tropoelastina es secretada por la célula a la MEC. Allí, interactúa con microfibrillas de glicoproteínas específicas, como la fibrilina, que funcionan como un andamio sobre el que se deposita la tropoelastina. Algunas de las cadenas laterales de lisil de los polipéptidos de tropoelastina son desaminadas oxidativamente por la lisil oxidasa, formando residuos de alisina. Tres de las cadenas laterales de alilo más una cadena lateral de lisil inalterada del mismo polipéptido o de los vecinos forman un enlace cruzado de desmosina (fig. 4.12). Esto produce elastina, una red gomosa ampliamente interconectada que puede estirarse y doblarse en cualquier dirección cuando se somete a tensión, dando elasticidad al tejido conjuntivo (fig. 4.13). Las mutaciones en la proteína fibrilina-1 son responsables del síndrome de Marfan, un trastorno del tejido conectivo caracterizado por una integridad estructural deteriorada en el esqueleto, el ojo y el sistema cardiovascular. Con esta enfermedad, la proteína fibrilina anormal se incorpora a las microfibrillas junto con la fibrilina normal, lo que inhibe la formación de microfibrillas funcionales. Los pacientes con síndrome de Marfan suelen ser altos, con brazos, piernas, dedos de manos y pies largos y delgados. Tendrán articulaciones flexibles y pueden tener escoliosis. El corazón y la aorta a menudo también se ven afectados, y hay un aumento ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google riesgo de prolapso de la válvula mitral o aneurisma aórtico. (Nota: los pacientes con síndrome de Marfan, OI o EDS pueden tener esclerótica azul debido al adelgazamiento del tejido que permite que se vea el pigmento subyacente). Figura 4.13 Fibras de elastina en conformaciones relajadas y estiradas. B. ÿ1-antitripsina en la degradación de elastina La sangre y otros fluidos corporales contienen una proteína, ÿ1 -antitripsina (AAT), que inhibe varias enzimas proteolíticas (llamadas peptidasas, proteasas o proteinasas) que hidrolizan y destruyen proteínas. (Nota: el inhibidor se denominó originalmente AAT porque inhibe la actividad de la tripsina, una enzima proteolítica sintetizada como tripsinógeno por el páncreas [vea la pág. 274].) La AAT tiene la importante función fisiológica de inhibir la elastasa de neutrófilos, una poderosa proteasa que es libera en el espacio extracelular y degrada la elastina de las paredes alveolares, así como otras proteínas estructurales en una variedad de tejidos (Fig. 4.14). La mayor parte de la AAT que se encuentra en el plasma es sintetizada y secretada por el hígado. También se produce la síntesis extrahepática. 1. ÿ1-antitripsina en los pulmones: en el pulmón normal, los alvéolos están expuestos de manera crónica a niveles bajos de elastasa de neutrófilos liberada por neutrófilos activados y en degeneración. La actividad proteolítica de la elastasa puede destruir la elastina de las paredes alveolares si no se opone a la acción de la AAT, el inhibidor más importante de la elastasa de los neutrófilos (fig. 4.14). Debido a que el tejido pulmonar no puede regenerarse, la destrucción del tejido conectivo de las paredes alveolares provocada por un desequilibrio entre la proteasa y su inhibidor da como resultado una enfermedad pulmonar. 2. Deficiencia de ÿ1-antitripsina y enfisema: en Estados Unidos, ~2 a 5% de los pacientes con enfisema están predispuestos a la enfermedad por defectos hereditarios en AAT. Se sabe que varias mutaciones diferentes en el gen de la AAT causan una ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google deficiencia de la proteína, pero una sola mutación de la base de purina (GAG a AAG, que resulta en la sustitución de ácido glutámico por lisina en la posición 342 de la proteína) es clínicamente la más generalizada y grave. (Nota: la proteína mutada se denomina variante Z). La mutación hace que la proteína AAT normalmente monomérica se pliegue incorrectamente, se polimerice y se agregue dentro del RER de los hepatocitos, lo que da como resultado una disminución de la secreción de AAT por parte del hígado. La deficiencia de AAT es, por lo tanto, una enfermedad de proteínas mal plegadas. (Nota: el polímero que se acumula en los hepatocitos puede provocar cirrosis. Dicho daño hepático es una de las principales causas de insuficiencia hepática terminal pediátrica, que requiere un trasplante de hígado). Debido a que el hígado secreta menos AAT, los niveles sanguíneos de AAT se reducen , como lo es la cantidad de AAT que está disponible para los tejidos pulmonares. En los Estados Unidos, la mutación AAT es más común en los caucásicos de ascendencia del norte de Europa. Un individuo debe heredar dos alelos AAT anormales para estar en riesgo de desarrollar enfisema. En un heterocigoto, con un alelo normal y otro defectuoso, los niveles de AAT son suficientes para proteger los alvéolos del daño. (Nota: se requiere metionina 358 en AAT para la unión del inhibidor a sus proteasas diana. Fumar provoca la oxidación y posterior inactivación de la metionina, lo que hace que el inhibidor sea incapaz de neutralizar la elastasa. Los fumadores con deficiencia de AAT, por lo tanto, tienen una considerable tasa elevada de destrucción pulmonar y una tasa de supervivencia más pobre que los no fumadores con la deficiencia.) La deficiencia del inhibidor de elastasa se puede tratar con una terapia de refuerzo semanal, es decir, la administración intravenosa de AAT. La AAT se difunde desde la sangre hacia el pulmón, donde alcanza niveles terapéuticos en el líquido que rodea las células epiteliales del pulmón. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 4.14 Destrucción del tejido alveolar por la elastasa liberada por los neutrófilos activados como parte de la respuesta inmunitaria a los patógenos transportados por el aire. Figura 4.15 Mapa conceptual clave para las proteínas fibrosas colágeno y elastina. cobre ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* 2+ , cobre. Machine Translated by Google IV. Resumen del capítulo El colágeno y la elastina son proteínas fibrosas estructurales de la matriz extracelular (fig. 4.15). El colágeno contiene una gran cantidad de prolina, lisina y glicina, esta última en una de cada tres posiciones de la estructura primaria. También contiene hidroxiprolina, hidroxilisina e hidroxilisina glicosilada, cada una formada por modificación postraduccional. El colágeno fibrilar tiene una estructura larga y rígida, en la que tres cadenas de polipéptidos de colágeno ÿ se enrollan una alrededor de la otra en una triple hélice similar a una cuerda estabilizada por enlaces de hidrógeno entre cadenas. Las enfermedades de la síntesis de colágeno fibrilar afectan los huesos, las articulaciones, la piel y los vasos sanguíneos. La elastina es una proteína del tejido conectivo con propiedades similares al caucho en tejidos como el pulmón. La ÿ1 -antitripsina (AAT), producida principalmente por el hígado, inhibe la degradación de elastina catalizada por elastasa en las paredes alveolares. Una deficiencia de AAT aumenta la degradación de elastina y puede causar enfisema y, en algunos casos, cirrosis hepática. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 4.1 Una mujer de 30 años de ascendencia del norte de Europa presenta disnea progresiva (dificultad para respirar). Ella niega el uso de cigarrillos. Los antecedentes familiares revelan que su hermana también tiene problemas con los pulmones. ¿Cuál de las siguientes etiologías explica con mayor probabilidad los síntomas pulmonares de este paciente? A. Deficiencia de vitamina C en la dieta B. Deficiencia de ÿ1 -antitripsina C. Deficiencia de prolil hidroxilasa D. Disminución de la actividad de la elastasa E. Aumento de la actividad de la colagenasa Respuesta correcta = B. La deficiencia de ÿ1 -antitripsina (AAT) es un trastorno genético que puede causar daño pulmonar y enfisema incluso en ausencia del consumo de cigarrillos. Una deficiencia de AAT permite que la actividad elastasa aumentada destruya la elastina en las paredes alveolares. La deficiencia de AAT debe sospecharse cuando la enfermedad pulmonar obstructiva crónica se desarrolla en un paciente menor de 45 años que no tiene antecedentes de bronquitis crónica o tabaquismo o cuando varios miembros de la familia desarrollan enfermedad pulmonar obstructiva a una edad temprana. Las opciones A, C y E se refieren al colágeno, no a la elastina. 4.2 Un niño de 7 meses “se cayó” mientras gateaba y ahora presenta una pierna hinchada. Las imágenes revelan una fractura de un fémur arqueado, secundaria a un traumatismo menor, y huesos delgados (ver radiografía a la derecha). También se observan escleróticas azules. A la edad de 1 mes, el bebé tenía múltiples fracturas en varios estados de curación (clavícula derecha, húmero derecho y radio derecho). Una cuidadosa historia familiar ha descartado un traumatismo no accidental (maltrato infantil) como causa de las fracturas óseas. ¿Qué combinación de una molécula defectuosa (o deficiente) y la patología resultante se ajusta mejor a esta descripción clínica? ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A. Elastina y enfisema B. Fibrilina y enfermedad de Marfan C. Colágeno tipo I y osteogénesis imperfecta D. Colágeno tipo V y síndrome de Ehlers-Danlos E. Vitamina C y escorbuto Respuesta correcta = C. Lo más probable es que el niño tenga osteogénesis imperfecta. La mayoría de los casos surgen de un defecto en los genes que codifican el colágeno tipo I. Los huesos de los pacientes afectados son delgados, osteoporóticos, a menudo arqueados y extremadamente propensos a las fracturas. No se ven problemas pulmonares en este niño. Las personas con síndrome de Marfan tienen una integridad estructural deteriorada del esqueleto, los ojos y el sistema cardiovascular. Los defectos en el colágeno tipo V causan la forma clásica del síndrome de Ehlers-Danlos caracterizado por extensibilidad y fragilidad de la piel e hiperlaxitud articular. El escorbuto causado por la deficiencia de vitamina C se caracteriza por la fragilidad capilar. 4.3 ¿Cuál es la base diferencial de la patología hepática y pulmonar que se observa en la deficiencia de ÿ1 -antitripsina? Con la deficiencia de ÿ1 -antitripsina (AAT), la cirrosis que puede resultar se debe a la polimerización y retención de AAT en el hígado, su sitio de síntesis. El daño alveolar se debe a la deficiencia basada en la retención de AAT (un inhibidor de la serina proteasa) en el pulmón, de modo que la elastasa (una serina proteasa) no tiene oposición. 4.4 ¿Cómo y por qué se hidroxila la prolina en el colágeno? La prolina es hidroxilada por la prolil hidroxilasa, una enzima del retículo endoplásmico que requiere oxígeno, hierro ferroso y vitamina C. La hidroxilación aumenta la formación de enlaces de hidrógeno entre cadenas, fortaleciendo la triple hélice del colágeno. La deficiencia de vitamina C altera la hidroxilación. 4.5 Un varón sin hogar de 60 años acude a la sala de urgencias quejándose de fatiga progresiva, dolor en las piernas y debilidad generalizada. Tiene heces con sangre, dificultad para respirar, moretones fáciles, hinchazón en las piernas y una erupción roja en los brazos y las piernas. No está tomando medicamentos. Al interrogarlo más, revela que su dieta consiste completamente en pan, carne enlatada y cerveza. Un examen más detallado de las erupciones en las piernas revela pelos en espiral y extravasación subepidérmica de glóbulos rojos que rodean los folículos pilosos. ¿Cuál es el problema de fondo en este paciente? A. Mutación del colágeno tipo V B. Mutación del colágeno tipo I C. Disminución de la actividad de prolil hidroxilasa y lisil hidroxilasa D. Disminución de los niveles circulantes de AAT E. Mutación de la fibrilina ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Respuesta correcta = C. El paciente tiene escorbuto, causado por una deficiencia de vitamina C. La vitamina C es necesaria para la actividad de prolil hidroxilasa y lisil hidroxilasa. La hidroxilación de residuos de prolina y lisina en la secuencia –Gly-XY- del colágeno es esencial para la formación de enlaces H entre cadenas y una triple hélice de colágeno estable. Una mutación en el colágeno tipo V es característica del SED. Una mutación en el colágeno tipo I es característica de la OI. Los niveles reducidos de AAT circulante son la base de la deficiencia de AAT, lo que da como resultado un posible daño pulmonar y síntomas de enfisema, o insuficiencia hepática terminal pediátrica. Una mutación en la fibrilina es característica del síndrome de Marfan. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Enzimas 5 I. VISIÓN GENERAL Prácticamente todas las reacciones en el cuerpo están mediadas por enzimas, que son catalizadores de proteínas, generalmente dentro de las células, que aumentan la velocidad de las reacciones sin cambiar el proceso general. Entre las muchas reacciones biológicas que son energéticamente posibles, las enzimas canalizan selectivamente reactivos o sustratos hacia vías útiles. Por lo tanto, las enzimas dirigen todos los eventos metabólicos. Este capítulo examina la naturaleza de estas moléculas catalíticas y sus mecanismos de acción. II. NOMENCLATURA A cada enzima se le asignan dos nombres. El primero es su nombre corto y recomendado, conveniente para el uso diario. El segundo es el nombre sistemático más completo, que se utiliza cuando una enzima debe identificarse sin ambigüedad. A. Nombre recomendado Los nombres de enzimas más utilizados tienen el sufijo "-ase" adjunto al sustrato de la reacción, como glucosidasa y ureasa. Los nombres de otras enzimas incluyen una descripción de la acción realizada, por ejemplo, lactato deshidrogenasa (LDH) y adenilil ciclasa. Algunas enzimas conservan sus nombres triviales originales, que no dan ninguna pista de la reacción enzimática asociada, por ejemplo, tripsina y pepsina. B. Nombre sistemático En el sistema de nombres sistemáticos, las enzimas se dividen en seis clases principales (fig. 5.1), cada una con numerosos subgrupos. Para una enzima determinada, el sufijo -asa se adjunta a una descripción bastante completa de la reacción química catalizada, incluidos los nombres de todos los sustratos, por ejemplo, lactato:nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+ ) oxidorreductasa. (Nota: a cada enzima también se le asigna un número de clasificación. Lactato:NAD+ oxidorreductasa es 1.1.1.27). Los nombres sistemáticos son inequívocos e informativos, pero con frecuencia son demasiado engorrosos para ser de uso general. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.1 Las seis clases principales de enzimas con ejemplos. NAD(H), dinucleótido de nicotinamida y adenina; THF, tetrahidrofolato; CoA, coenzima A; CO2adenosina; , dióxido de , amoníaco; ADP Difosfato de Picarbono; , fosfato NH3 inorgánico. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.2 Representación esquemática de una enzima con un sitio activo que se une a una molécula de sustrato. La nomenclatura de enzimas potencialmente confusa incluye enzimas con nombres similares pero diferentes funciones o mecanismos. Por ejemplo, las sintetasas requieren ATP, mientras que las sintasas no requieren ATP. Las fosfatasas usan agua para eliminar un grupo fosfato, mientras que las fosforilasas usan + fosfato para romper un enlace y generar un producto fosforilado. Las deshidrogenasas (que utilizan NAD o dinucleótido de flavina y adenina, FAD) aceptan electrones en una reacción redox. Las oxidasas usan oxígeno como aceptor, sin átomos de oxígeno incorporados en el sustrato, mientras que las oxigenasas incorporan átomos de oxígeno en sus sustratos. tercero PROPIEDADES Una enzima es un catalizador de proteína específico y eficiente que se combina con un sustrato en el sitio activo de la enzima y realiza la química en ese sustrato para convertirlo en un producto. Sin las enzimas, la mayoría de las reacciones bioquímicas no ocurrirían lo suficientemente rápido como para tener importancia fisiológica en el cuerpo humano. Si bien las enzimas aumentan la velocidad de una reacción química, no se consumen durante la reacción. (Nota: algunos ácidos ribonucleicos [ARN] pueden catalizar reacciones que afectan la fosfodiesterasa y los enlaces peptídicos. Los ARN con actividad catalítica se denominan ribozimas y son mucho menos comunes que los catalizadores de proteínas). A. Sitio activo Las moléculas de enzima contienen un bolsillo o hendidura especial llamado sitio activo que se forma por el plegamiento de la proteína. El sitio activo contiene residuos de aminoácidos cuyas cadenas laterales participan en la unión al sustrato y la catálisis (fig. 5.2). El sustrato primero se une a la enzima, formando un complejo enzima-sustrato (ES). Se cree que la unión provoca un cambio conformacional en la enzima (modelo de ajuste inducido) que permite una conversión rápida del ES en un complejo enzima-producto (EP) que posteriormente se disocia en enzima libre y producto. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. Eficiencia Las reacciones catalizadas por enzimas son altamente eficientes, procediendo de 10 3 a 10 8 veces más rápido que las reacciones no catalizadas. El número de moléculas de sustrato convertidas en producto por molécula de enzima por segundo se denomina número de recambio, o 2 la conversión kcat , y 4 de segundos ÿ1 a 10. (Nota: kcat es la constante de velocidad para típicamente es 10 ES a E + P.) C. Especificidad Las enzimas son altamente específicas y son capaces de interactuar con uno o muy pocos sustratos y pueden catalizar solo un tipo de reacción química. El conjunto de enzimas sintetizadas dentro de una célula determina qué reacciones ocurren en esa célula. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.3 La ubicación intracelular de algunas vías bioquímicas importantes. TCA, ácido tricarboxílico; PP, pentosa fosfato. D. Holoenzimas, apoenzimas, cofactores y coenzimas Algunas enzimas requieren componentes no proteicos para tener actividad enzimática. El término holoenzima se refiere al componente proteico de la enzima junto con su componente no proteico, mientras que la enzima sin su resto no proteico se denomina apoenzima y es inactiva. Para las enzimas que requieren componentes no proteicos, esos componentes deben estar presentes para que la enzima funcione en la catálisis. Si el resto no proteico es un ion metálico, como zinc (Zn, un cofactor. 2+) o hierro (Fe 2+), se llama Si es una molécula orgánica pequeña, se denomina coenzima. Las coenzimas o cosustratos solo se asocian transitoriamente con la enzima y se disocian de la enzima en un estado alterado ( por ejemplo, NAD+ ). Si la coenzima se asocia permanentemente con la enzima y vuelve a su forma original, se denomina grupo prostético (por ejemplo, FAD). Las coenzimas comúnmente se derivan de las vitaminas. Por ejemplo, NAD+ contiene niacina, y FAD contiene riboflavina. E. Reglamento La actividad enzimática a menudo se puede aumentar o disminuir, de modo que la velocidad de formación del producto responda a las necesidades celulares presentes. F. Ubicación dentro de la celda La mayoría de las enzimas funcionan dentro de las células, dentro de los límites de las membranas plasmáticas. Muchas enzimas se localizan en orgánulos específicos dentro de la célula (fig. 5.3). Tal compartimentación sirve para aislar el sustrato o producto de reacción de otras reacciones competidoras. Esto proporciona un entorno favorable para la reacción y organiza las miles de enzimas presentes en la célula en vías útiles. IV. MECANISMO DE ACCIÓN ENZIMÁTICA El mecanismo de acción de las enzimas puede verse desde dos perspectivas diferentes. El primero trata la catálisis en términos de cambios de energía que ocurren durante la reacción. Es decir, las enzimas proporcionan una vía de reacción alternativa energéticamente favorable diferente de la reacción no catalizada. La segunda perspectiva describe cómo el sitio activo facilita químicamente la catálisis. A. Cambios de energía que ocurren durante la reacción. Prácticamente todas las reacciones químicas tienen una barrera de energía que separa los reactivos y los productos. Esta barrera, denominada energía de activación (Ea ), es la diferencia de energía entre la de los reactivos y un intermedio de alta energía, el estado de transición. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google (T*), que se forma durante la conversión de reactivo a producto. La figura 5.4 muestra los cambios de energía durante la conversión de una molécula del reactivo A al producto B a medida que pasa por el estado de transición. A ÿ T* ÿ B 1. Energía de activación: El pico de energía en la figura 5.4 es la diferencia de energía libre entre el reactivo y T*, en el que se forma el intermedio de vida corta y alta energía durante la conversión del reactivo en producto. Debido a la alta Ea , las velocidades de las reacciones químicas no catalizadas suelen ser lentas. Figura 5.4 Efecto de una enzima sobre la energía de activación (Ea ) de una reacción. ÿG, cambio en la energía libre. 2. Velocidad de reacción: para que las moléculas reaccionen, deben contener suficiente energía para superar la barrera energética del estado de transición. En ausencia de una enzima, solo una pequeña proporción de una población de moléculas puede poseer ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google energía suficiente para lograr el estado de transición entre el reactivo y el producto. La velocidad de reacción está determinada por el número de tales moléculas energizadas. En general, cuanto más bajo es Ea , más moléculas tienen suficiente energía para pasar por el estado de transición y, por lo tanto, más rápida es la velocidad de la reacción. 3. Vía de reacción alternativa: una enzima permite que una reacción se desarrolle rápidamente en las condiciones que prevalecen en la célula al proporcionar una vía de reacción alternativa con un Ea más bajo (ver Fig. 5.4). La enzima no cambia las energías libres de los reactivos (sustratos) o productos y, por lo tanto, no cambia el equilibrio de la reacción. Sin embargo, acelera la velocidad a la que se alcanza el equilibrio. B. Química del sitio activo El sitio activo no es un receptáculo pasivo para unir el sustrato, sino que es una máquina molecular compleja que puede emplear diversos mecanismos químicos para facilitar la conversión del sustrato en producto. Varios factores son responsables de la eficiencia catalítica de las enzimas, incluidos los siguientes ejemplos. 1. Estabilización del estado de transición: el sitio activo a menudo actúa como una plantilla molecular flexible que se une al sustrato e inicia su conversión al estado de transición, una estructura en la que los enlaces no son como los del sustrato o el producto (ver T* en la parte superior de la curva en la Fig. 5.4). Al estabilizar el estado de transición, la enzima aumenta considerablemente la concentración del intermedio reactivo que puede convertirse en producto y, por lo tanto, acelera la reacción. (Nota: el estado de transición no se puede aislar). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.5 Representación esquemática de los cambios de energía que acompañan a la formación de un complejo enzima-sustrato y la subsiguiente formación de un estado de transición. 2. Catálisis: el sitio activo puede proporcionar grupos catalíticos que aumentan la probabilidad de que se forme el estado de transición. En algunas enzimas, estos grupos pueden participar en la catálisis ácido-base general en la que los residuos de aminoácidos proporcionan o aceptan protones. En otras enzimas, la catálisis puede implicar la formación transitoria de un complejo ES covalente. El mecanismo de acción de la quimotripsina, una enzima de la digestión de proteínas en el intestino, incluye catálisis básica general, ácida general y covalente. Una histidina en el sitio activo de la enzima gana (base general) y pierde (ácido general) protones, mediada por el pK de la histidina en proteínas que está cerca del pH fisiológico. La serina en el sitio activo forma un enlace covalente transitorio con el sustrato. 3. Visualización del estado de transición: la conversión de sustrato en producto catalizada por enzimas puede representarse como algo similar a quitarle un suéter (grupo químico) a un bebé que no coopera (sustrato) (fig. 5.5). El proceso tiene una Ea alta porque la única estrategia razonable para quitarse la prenda requiere que ambos brazos estén completamente extendidos sobre la cabeza, una postura poco probable que se adopte sin un catalizador. Podemos imaginar a un padre actuando como una enzima, primero entrando en contacto con el bebé (formando ES) y luego guiando los brazos del bebé a una posición vertical extendida, análoga al estado de transición. Esta postura (conformación) del bebé facilita la remoción del pulóver, formando el bebé desvestido, que representa el producto. (Nota: el sustrato unido a la enzima [ES] tiene una energía ligeramente menor que el sustrato no unido [S] y explica la pequeña caída en la curva en ES). V. FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA REACCIÓN Las enzimas se pueden aislar de las células y estudiar sus propiedades en un tubo de ensayo, es decir, in vitro. Diferentes enzimas muestran diferentes respuestas a cambios en la concentración de sustrato, temperatura y pH. Esta sección describe los factores que influyen en la velocidad de reacción de las enzimas. Las respuestas enzimáticas a estos factores nos dan pistas valiosas sobre cómo funcionan las enzimas en las células vivas, es decir, in vivo. A. Concentración de sustrato 1. Velocidad máxima: La tasa o velocidad de una reacción (v) es el número de moléculas de sustrato convertidas en producto por unidad de tiempo. La velocidad generalmente se expresa como ÿmol de producto formado por segundo. La velocidad de una reacción catalizada por enzimas aumenta con la concentración de sustrato hasta que se alcanza una velocidad máxima (Vmax ) (Fig. 5.6). La nivelación de la velocidad de reacción a altas concentraciones de sustrato ******ebook convertidor DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google refleja la saturación con sustrato de todos los sitios de unión disponibles en las moléculas de enzima presentes. Figura 5.6 Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad de reacción. 2. Forma de la curva de la cinética de la enzima: la mayoría de las enzimas siguen la cinética de Michaelis-Menten (consulte la página 62), en la que un gráfico de la velocidad de reacción inicial (vo ) frente a la concentración de sustrato es hiperbólico (forma similar a la de la curva de disociación del oxígeno). de mioglobina; véase el Capítulo 3). Por el contrario, las enzimas alostéricas no siguen la cinética de Michaelis-Menten y, en cambio, muestran una curva sigmoidal (v . fig. 5.6) que tiene una forma similar a la curva de disociación de oxígeno de la hemoglobina. B Temperatura 1. Aumento de la velocidad con la temperatura: La velocidad de reacción aumenta con la temperatura hasta que se alcanza una velocidad máxima (Fig. 5.7). Este aumento es el resultado del mayor número de moléculas de sustrato que tienen suficiente energía para atravesar la barrera de energía y formar los productos de la reacción. 2. Disminución de la velocidad con temperatura más alta: una mayor elevación de la temperatura provoca una disminución en la velocidad de reacción como resultado de la desnaturalización de la enzima inducida por la temperatura (ver Fig. 5.7). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.7 Efecto de la temperatura en una reacción catalizada por enzimas. La temperatura normal del cuerpo es de 37°C. La temperatura óptima para la mayoría de las enzimas humanas está entre 35° y 40°C. Las enzimas humanas comienzan a desnaturalizarse a temperaturas superiores a los 40 °C, pero las bacterias termófilas que se encuentran en las aguas termales tienen temperaturas óptimas de 70 °C. C pH 1. Efecto del pH sobre la ionización del sitio activo: La concentración de protones ([H+ ]) afecta la velocidad de reacción de varias maneras. Primero, el proceso catalítico generalmente requiere que la enzima y el sustrato tengan grupos químicos específicos en un estado ionizado o unionizado para poder interactuar. Por ejemplo, la actividad catalítica puede requerir que un grupo amino de la enzima esté en forma protonada (ÿNH3) Debido a que + ). este grupo se desprotona a pH alcalino, la velocidad de la reacción disminuye. 2. Efecto del pH sobre la desnaturalización de la enzima: Los extremos del pH también pueden conducir a la desnaturalización de la enzima, porque la estructura de la molécula de proteína catalíticamente activa depende del carácter iónico de las cadenas laterales de aminoácidos. 3. Óptimo de pH variable: el pH en el que se logra la actividad enzimática máxima es diferente para diferentes enzimas y, a menudo, refleja la [H+ ] a la que funciona la enzima en el cuerpo. Por ejemplo, la pepsina, una enzima digestiva del estómago, es máximamente activa a un pH de 2, mientras que otras enzimas, diseñadas para funcionar a un pH neutro, se desnaturalizan en un entorno tan ácido (fig. 5.8). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.8 Efecto del pH en las reacciones catalizadas por enzimas. VI. MICHAELIS–MENTEN CINÉTICA En un artículo publicado en 1913, Leonor Michaelis y Maud Menten propusieron un modelo que explica la mayoría de las características de muchas reacciones catalizadas por enzimas. En este modelo, la enzima se combina reversiblemente con su sustrato para formar un complejo ES que posteriormente produce el producto, regenerando la enzima libre. El modelo de reacción, que involucra una molécula de sustrato, se representa a continuación: Donde S es el sustrato; E es la enzima; ES es el complejo enzima-sustrato; P es el producto; k1 , kÿ1 y k2 (o kcat) son constantes de velocidad. A. Ecuación de Michaelis-Menten La ecuación de Michaelis-Menten describe cómo varía la velocidad de reacción con la concentración de sustrato: Donde vo = velocidad de reacción inicial; Vmax = velocidad máxima = kcat [E]Total ; ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Km = Constante de Michaelis = (kÿ1 + k2 )/k1 ; [S] = concentración de sustrato; Se hacen las siguientes suposiciones al derivar la ecuación de tasa de Michaelis-Menten. 1. Concentraciones relativas de enzima y sustrato: la concentración de sustrato ([S]) es mucho mayor que la concentración de enzima, por lo que el porcentaje de sustrato total unido por la enzima en cualquier momento es pequeño. 2. Suposición de estado estacionario: La concentración del complejo ES no cambia con el tiempo (la suposición de estado estacionario), es decir, la tasa de formación de ES es igual a la de descomposición de ES (a E + S y a E + P). En general, se dice que un intermedio en una serie de reacciones está en estado estacionario cuando su tasa de síntesis es igual a su tasa de degradación. 3. Velocidad inicial: Las velocidades de reacción iniciales (vo ) se utilizan en el análisis de reacciones enzimáticas. Esto significa que la velocidad de la reacción se mide tan pronto como se mezclan la enzima y el sustrato. En ese momento, la concentración de producto es muy pequeña y, por lo tanto, se puede ignorar la velocidad de la reacción inversa del producto al sustrato. B. Conclusiones importantes 1. Características de Km : Km, la constante de Michaelis, es característica de una enzima y su sustrato particular y refleja la afinidad de la enzima por ese sustrato. Km es numéricamente igual a la concentración de sustrato a la que la velocidad de reacción es igual a la mitad de Vmax . Km no varía con la concentración de enzima. una. Km pequeña : una Km numéricamente pequeña (baja) refleja una alta afinidad de la enzima por el sustrato, porque se necesita una concentración baja de sustrato para saturar la enzima a la mitad, es decir, para alcanzar una velocidad que es la mitad de Vmax (Fig. 5.9). ). b. Gran Km: Un Km numéricamente grande (alto) refleja una baja afinidad de la enzima por el sustrato porque se necesita una alta concentración de sustrato para saturar la enzima a la mitad. 2. Relación de la velocidad con la concentración de la enzima: la velocidad de la reacción es directamente proporcional a la concentración de la enzima porque [S] no es limitante. Por ejemplo, si la concentración de enzima se reduce a la mitad, las velocidades iniciales de la reacción (vo ) y la de Vmax se reducen a la mitad de la original. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.9 Efecto de la concentración de sustrato sobre las velocidades de reacción de dos enzimas: la enzima 1 con una constante de Michaelis pequeña (Km) y la enzima 2 con una Km grande. Vmax , velocidad máxima. 3. Orden de reacción: cuando [S] es mucho menor (<<) que Km, la velocidad de la reacción es aproximadamente proporcional a la concentración de sustrato (Fig. 5.10). Entonces se dice que la velocidad de reacción es de primer orden con respecto al sustrato. Cuando [S] es mucho mayor (>>) que Km, la velocidad es constante e igual a Vmax . La velocidad de reacción es entonces independiente de la concentración de sustrato porque la enzima está saturada con sustrato y se dice que es de orden cero con respecto a la concentración de sustrato (ver Fig. 5.10). C. Gráfica de Lineweaver-Burk Cuando vo se grafica frente a [S], no siempre es posible determinar cuándo se ha alcanzado Vmax debido a la pendiente ascendente gradual de la curva hiperbólica a altas concentraciones de sustrato. Sin embargo, como Hans Lineweaver y Dean Burk describieron por primera vez en 1934, si se grafica 1/vo frente a 1/[S], entonces se obtiene una línea recta (Fig. 5.11). Esta gráfica, la gráfica de Lineweaver-Burk, también llamada gráfica de doble recíproco, se puede utilizar para calcular Km y Vmax , así como para determinar el mecanismo de acción de los inhibidores enzimáticos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La ecuación que describe el diagrama de Lineweaver-Burk es: donde el intercepto en el eje x es igual a ÿ 1/Km, y el intercepto en el eje y es igual a 1/Vmax . (Nota: La pendiente = Km/Vmax .) Figura 5.10 Efecto de la concentración de sustrato sobre la velocidad de reacción para una reacción catalizada por enzimas. Vmax , velocidad máxima; Km, constante de Michaelis. VIII. INHIBICIÓN ENZIMÁTICA Cualquier sustancia que pueda disminuir la velocidad de una reacción catalizada por enzimas se considera un inhibidor. Los inhibidores pueden ser reversibles o irreversibles. Irreversible ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google los inhibidores se unen a las enzimas a través de enlaces covalentes. El plomo, por ejemplo, puede actuar como un inhibidor irreversible de algunas enzimas. Forma enlaces covalentes con la cadena lateral sulfhidrilo de la cisteína en las proteínas. La ferroquelatasa, una enzima involucrada en la síntesis de hemo, es inhibida irreversiblemente por el plomo. Los inhibidores reversibles se unen a las enzimas a través de enlaces no covalentes formando un complejo enzima-inhibidor. La dilución del complejo enzima-inhibidor da como resultado la disociación del inhibidor unido de forma reversible y la recuperación de la actividad enzimática. Los dos tipos más comunes de inhibición reversible son competitivos y no competitivos. A. Inhibición competitiva Este tipo de inhibición ocurre cuando el inhibidor se une reversiblemente al mismo sitio que normalmente ocuparía el sustrato y, por lo tanto, compite con el sustrato por unirse al sitio activo de la enzima. 1. Efecto sobre la Vmax : El efecto de un inhibidor competitivo se invierte aumentando la concentración de sustrato. A una [S] lo suficientemente alta, la velocidad de reacción alcanza la Vmax observada en ausencia de inhibidor, es decir, la Vmax no cambia en presencia de un inhibidor competitivo (Fig. 5.12). 2. Efecto sobre la Km: Un inhibidor competitivo aumenta la Km aparente para un sustrato dado. Esto significa que, en presencia de un inhibidor competitivo, se necesita más sustrato para alcanzar la mitad de Vmax . Figura 5.11 Diagrama de Lineweaver-Burk. vo , velocidad de reacción inicial; Vmax , velocidad máxima; Km, constante de Michaelis; [S], concentración de sustrato. 3. Efecto en el gráfico de Lineweaver-Burk: la inhibición competitiva muestra un gráfico característico de Lineweaver-Burk en el que los gráficos de las reacciones inhibidas y no inhibidas se cruzan en el eje y en 1/Vmax (Vmax no cambia). Las reacciones inhibidas y no inhibidas muestran diferentes intersecciones con el eje x, lo que indica que la Km aparente aumenta en presencia del inhibidor competitivo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google porque ÿ 1/Km se acerca a cero desde un valor negativo (ver Fig. 5.12). (Nota: un grupo importante de inhibidores competitivos son los análogos del estado de transición, moléculas estables que se aproximan a la estructura del estado de transición y, por lo tanto, se unen a la enzima con más fuerza que el sustrato). Figura 5.12 A: efecto de un inhibidor competitivo en el gráfico de velocidad de reacción versus concentración de sustrato ([S]). B: diagrama de Lineweaver-Burk de la inhibición competitiva de una enzima. (Nota: la pendiente aumenta si aumenta la concentración de inhibidor). 4. Las estatinas como ejemplos de inhibidores competitivos: las estatinas son agentes reductores del colesterol que inhiben competitivamente el paso limitante de la velocidad (más lento) en la biosíntesis del colesterol. Esta reacción es catalizada por la hidroximetilglutaril coenzima A reductasa (HMG CoA reductasa; véase el Capítulo 19). Las estatinas, como la atorvastatina y la pravastatina, son análogos estructurales del sustrato natural de esta enzima y compiten eficazmente para inhibir la HMG CoA reductasa. Al hacerlo, inhiben la síntesis de colesterol de novo (fig. 5.13). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.13 La pravastatina compite con la hidroximetilglutaril coenzima A (HMG CoA) por el sitio activo de la HMG CoA reductasa. B. Inhibición no competitiva Este tipo de inhibición se reconoce por su efecto característico que provoca una disminución de la Vmax (fig. 5.14). La inhibición no competitiva ocurre cuando el inhibidor y el sustrato se unen en diferentes sitios de la enzima. El inhibidor no competitivo puede unirse a la enzima libre o al complejo ES, evitando así que ocurra la reacción (fig. 5.15). 1. Efecto sobre la Vmax : los efectos de un inhibidor no competitivo no se pueden superar aumentando la concentración de sustrato. Por lo tanto, los inhibidores no competitivos disminuyen la Vmax aparente de la reacción. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.14 A: efecto de un inhibidor no competitivo en el gráfico de velocidad de reacción versus concentración de sustrato ([S]). B: Gráfica de Lineweaver-Burk de la inhibición no competitiva de una enzima. (Nota: la pendiente aumenta si aumenta la concentración de inhibidor). 2. Efecto sobre la Km: Los inhibidores no competitivos no interfieren con la unión del sustrato a la enzima. Por tanto, la enzima muestra la misma Km en presencia o ausencia del inhibidor no competitivo, es decir, la Km no cambia en presencia de un inhibidor no competitivo. 3. Efecto en el gráfico de Lineweaver-Burk: la inhibición no competitiva se diferencia fácilmente de la inhibición competitiva mediante el gráfico de 1/vo frente a 1/[S] y observando que la Vmax aparente disminuye en presencia de un inhibidor no competitivo, mientras que Km no cambia (ver Fig . 5.14). C. Inhibidores de enzimas como fármacos Al menos la mitad de los 10 medicamentos recetados con mayor frecuencia en los Estados Unidos actúan como inhibidores de enzimas. Por ejemplo, los antibióticos ÿ-lactámicos ampliamente recetados, como la penicilina y la amoxicilina, actúan inhibiendo las enzimas involucradas en la síntesis de la pared celular bacteriana. Los fármacos también pueden actuar inhibiendo las reacciones extracelulares. Esto se ilustra con los inhibidores de la enzima convertidora de angiotensina (ECA). Disminuyen la presión arterial al bloquear la ECA plasmática que escinde la angiotensina I para formar el potente vasoconstrictor, la angiotensina II. Estos fármacos, entre los que se encuentran el captopril, el enalapril y el lisinopril, provocan vasodilatación y, por tanto, una reducción de la presión arterial. La aspirina, un fármaco de venta libre, inhibe de forma irreversible la síntesis de prostaglandinas y tromboxanos al inhibir la ciclooxigenasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.15 Un inhibidor no competitivo que se une tanto a la enzima libre como al complejo enzima-sustrato (ES). VIII. REGULACIÓN ENZIMÁTICA La regulación de la velocidad de reacción de las enzimas es esencial para que un organismo coordine sus numerosos procesos metabólicos. Las velocidades de la mayoría de las enzimas responden a los cambios en la concentración de sustrato, porque el nivel intracelular de muchos sustratos está en el rango de la Km. Por lo tanto, un aumento en la concentración de sustrato provoca un aumento en la velocidad de reacción, que tiende a normalizar la concentración de sustrato. Además, algunas enzimas con funciones reguladoras especializadas responden a efectores alostéricos y/o modificación covalente o muestran tasas alteradas de síntesis (o degradación) de enzimas cuando se modifican las condiciones fisiológicas. A. Enzimas alostéricas Las enzimas alostéricas no siguen la cinética de Michaelis-Menten, sino que están reguladas por moléculas llamadas efectoras que se unen a ellas de forma no covalente en un sitio distinto del sitio activo. Estas enzimas casi siempre están compuestas por múltiples subunidades, y el sitio regulador (alostérico) que se une al efector es distinto del sitio de unión al sustrato y puede estar ubicado en una subunidad que no es en sí misma catalítica. Los efectores que inhiben la actividad enzimática se denominan efectores negativos, mientras que los que aumentan la actividad enzimática se denominan efectores positivos. Los efectores positivos y negativos pueden afectar la afinidad de la enzima por su sustrato (K0.5 ), modificar la ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google actividad catalítica máxima de la enzima (Vmax ), o ambas (fig. 5.16). Tenga en cuenta que las enzimas alostéricas frecuentemente catalizan el paso comprometido, a menudo el paso limitante de la velocidad, al principio de una vía. Figura 5.16 Efectos de efectores negativos o positivos sobre una enzima alostérica. A: La velocidad máxima (Vmax ) está alterada. B: La concentración de sustrato que da la mitad de la velocidad máxima (K0.5 ) está alterada. 1. Efectores homotrópicos: cuando el propio sustrato actúa como efector, se dice que el efecto es homotrópico, o lo mismo que el sustrato. Muy a menudo, un sustrato alostérico funciona como un efector positivo. En tal caso, la presencia de una molécula de sustrato en un sitio de la enzima mejora las propiedades catalíticas de los otros sitios de unión al sustrato. Es decir, sus sitios de unión cooperan entre sí para unirse al sustrato y se dice que muestran cooperatividad. Estas ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google las enzimas muestran una curva sigmoidal cuando vo se grafica frente a la concentración de sustrato, como se muestra en la figura 5.16. Esto contrasta con la curva hiperbólica característica de las enzimas que siguen la cinética de Michaelis-Menten, como se discutió anteriormente. (Nota: el concepto de cooperatividad de la unión del sustrato es análogo a la unión del oxígeno a la hemoglobina [consulte el Capítulo 3].) 2. Efectores heterotrópicos: cuando el efector es una molécula diferente al sustrato, se dice que es heterotrópico. Por ejemplo, considere la inhibición por retroalimentación que se muestra en la figura 5.17. La enzima que convierte D en E tiene un sitio alostérico que se une al producto final, G. Si la concentración de G aumenta (p. ej., porque no se usa tan rápido como se sintetiza), el primer paso irreversible exclusivo de la vía es típicamente inhibido. La inhibición por retroalimentación proporciona a la célula las cantidades adecuadas de un producto que necesita al regular el flujo de moléculas de sustrato a través de la vía que sintetiza ese producto. Los efectores heterotrópicos se encuentran comúnmente. Por ejemplo, la enzima glucolítica fosfofructoquinasa-1 es inhibida alostéricamente por el citrato, que no es un sustrato para la enzima. Figura 5.17 Inhibición por retroalimentación de una vía metabólica. B. Modificación covalente Muchas enzimas están reguladas por modificación covalente, más a menudo por la adición o eliminación de grupos fosfato de residuos específicos de serina, treonina o tirosina de la enzima. La fosforilación de proteínas se reconoce como una de las principales formas en que se regulan los procesos celulares. 1. Fosforilación y desfosforilación: las reacciones de fosforilación son catalizadas por una familia de enzimas denominadas proteína cinasas que catalizan la adición de un grupo fosfato a su sustrato proteico o enzimático, utilizando ATP como donante de fosfato. Las fosfoproteínas fosfatasas son enzimas que escinden grupos fosfato de proteínas y enzimas fosforiladas (fig. 5.18). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.18 2ÿ Modificación covalente por adición y eliminación de grupos fosfato. (Nota: HPO4 se representa como Pi y PO3 2ÿ mayo como P.) ADP, difosfato de adenosina. 2. Respuesta enzimática a la fosforilación: dependiendo de la enzima específica, la forma fosforilada de una enzima puede ser más o menos activa que la enzima no fosforilada. Por ejemplo, la fosforilación mediada por hormonas de la glucógeno fosforilasa, una enzima que degrada el glucógeno, aumenta su actividad, mientras que la fosforilación de la glucógeno sintasa, una enzima que sintetiza glucógeno, disminuye su actividad ( capítulo 11). C. Síntesis de enzimas Los mecanismos reguladores descritos anteriormente pueden modificar la actividad de las moléculas enzimáticas existentes. Sin embargo, las células también pueden regular la cantidad de enzima presente alterando la tasa de degradación de la enzima o, más típicamente, la tasa de síntesis de la enzima. El aumento (inducción) o disminución (represión) de la síntesis de enzimas conduce a una alteración en la población total de sitios activos. Las enzimas sujetas a la regulación de la síntesis son a menudo aquellas que se necesitan en una sola etapa de desarrollo o en condiciones fisiológicas seleccionadas. Por ejemplo, los niveles elevados de insulina como resultado de niveles altos de glucosa en sangre provocan un aumento en la síntesis de enzimas clave involucradas en el metabolismo de la glucosa (ver Capítulo 23). Por el contrario, las enzimas que están en uso constante por lo general no se regulan alterando la tasa de síntesis de enzimas. Las alteraciones en los niveles de enzimas como resultado de la inducción o represión de la síntesis de proteínas son lentas (horas a días), en comparación con los cambios en la actividad enzimática regulados alostéricamente o covalentemente, que ocurren en segundos a minutos. La tabla 5.1 resume las formas comunes en que se regula la actividad enzimática. Cuadro 5.1 Mecanismos para regular la actividad enzimática Regulador Evento Típico Efector Resultados ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Tiempo requerido para Cambio Machine Translated by Google Disponibilidad de sustrato Sustrato Cambio de velocidad (Vo ) Inmediato Inhibición del producto producto de reacción Cambio en Vmax y/o Km Inmediato Cambio en control alostérico producto final de ruta Vmax y/o K0.5 Modificación covalente otra enzima Cambio en Vmax y/o Km Inmediato a minutos Síntesis o degradación de la enzima. Hormona o metabolito Cambio en la cantidad de enzima. Inmediato Horas a dias Nota: La inhibición por el producto final de la vía también se conoce como inhibición por retroalimentación. IX. ENZIMAS EN LA SANGRE HUMANA Si bien la mayoría de las enzimas funcionan intracelularmente, las enzimas se pueden encontrar fuera de las células en los fluidos, incluido el plasma sanguíneo, la porción líquida de la sangre. Las enzimas que aparecen en el plasma sanguíneo de personas sanas se pueden clasificar en dos grandes grupos. Primero, un grupo relativamente pequeño de enzimas es secretado activamente en la sangre por ciertos tipos de células. Por ejemplo, el hígado secreta zimógenos (precursores inactivos) de las enzimas proteasas involucradas en la coagulación de la sangre. Tales proteasas pueden activarse y tener una función enzimática en la sangre. En segundo lugar, las enzimas se liberan de las células durante el recambio celular normal. Estas enzimas casi siempre funcionan solo intracelularmente y no tienen capacidad para catalizar reacciones en el plasma sanguíneo. En individuos sanos, los niveles de estas enzimas son bastante constantes y representan un estado estable en el que la tasa de liberación de las células dañadas al plasma se equilibra con una tasa igual de eliminación del plasma. El aumento de los niveles de estas enzimas en el plasma sanguíneo puede indicar daño tisular y muerte celular mayor que la muerte celular por recambio normal (fig. 5.19). El plasma sanguíneo es la fracción líquida no celular de la sangre. Los ensayos de laboratorio de la actividad enzimática suelen utilizar suero, que es el líquido obtenido por centrifugación de sangre entera después de que se le ha permitido coagular. El plasma es un fluido fisiológico, mientras que el suero es un fluido preparado en el laboratorio a partir de una muestra de sangre total del paciente. A. Niveles de enzimas en plasma sanguíneo en estados patológicos Muchas enfermedades causan daño tisular que incluye la ruptura de las membranas plasmáticas y la lisis de las células del tejido. Como resultado, las células dañadas liberan su contenido en los fluidos, incluido el plasma sanguíneo, lo que provoca un aumento de la concentración de enzimas en el plasma. Estas enzimas normalmente son intracelulares y no pueden catalizar reacciones cuando están presentes fuera de su ubicación celular normal. Sin embargo, estas enzimas se miden de forma rutinaria en las muestras de sangre del paciente con fines de diagnóstico. El nivel de actividad enzimática específica en el plasma frecuentemente se correlaciona con la extensión del daño tisular. Por lo tanto, determinar la extensión de la elevación de una actividad enzimática particular en el plasma sanguíneo suele ser útil para evaluar la extensión del daño tisular, la respuesta a las terapias y el pronóstico para el paciente. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.19 Liberación de enzimas de células normales (A) y enfermas o traumatizadas (B) . Tabla 5.2 Algunas enzimas clínicamente útiles Enzima Abreviatura de tejido principal Útil para Evaluar Fuentes) Alanina aminotransferasa ALT Hígado Daño o enfermedad del hígado hígado, hueso Enfermedades del hígado y de los huesos Fosfatasa alcalina MONTAÑA Amilasa Amilasa Páncreas Enfermedades del páncreas aspartato aminotransferasa AST hígado, músculo Enfermedades hepáticas y musculares Creatina quinasa CK Músculo Daño muscular o enfermedad gamma glutamil transferasa GGT Hígado, vía biliar Lipasa Lipasa enfermedad hepatobiliar (ictericia obstructiva) Lactato deshidrogenasa LDH Páncreas Enfermedades del páncreas glóbulos rojos, hígado, Marcador general de muerte celular; músculo—la mayoría de las células particularmente en la hemólisis, enfermedades hepáticas o musculares 5' Nucleotidasa 5'NT Hígado enfermedad hepatobiliar (ictericia obstructiva) La aparición de estas enzimas en la sangre puede indicar daño a las células en el tejido donde normalmente se encuentra la enzima. funciones B. Enzimas plasmáticas como herramientas de diagnóstico Algunas enzimas muestran una actividad relativamente alta en solo uno o unos pocos tejidos (Tabla 5.2). Por lo tanto, la presencia de niveles elevados de estas enzimas en el plasma sanguíneo refleja el daño al tejido correspondiente. Por ejemplo, la enzima alanina La aminotransferasa (ALT) es una de las muchas enzimas que abundan en el hígado. los la aparición de niveles elevados de ALT en plasma señala un posible daño al hígado tejido. La medición de la ALT liberada en la sangre de un paciente a partir de células moribundas es parte del panel de pruebas de función hepática. Aumentos en los niveles plasmáticos de enzimas con una amplia distribución tisular proporciona una indicación menos específica del sitio de la lesión celular y limita su valor diagnóstico. C. Isoenzimas Las isoenzimas son formas variantes de una enzima particular que catalizan el mismo ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google pero tienen propiedades físicas ligeramente diferentes debido a las diferencias genéticamente determinadas en la secuencia de aminoácidos. Por esta razón, las isoenzimas pueden contener cantidades diferentes de aminoácidos cargados, lo que les permite separarse entre sí mediante electroforesis (el movimiento de partículas cargadas en un campo eléctrico) (fig. 5.20). Diferentes órganos comúnmente contienen proporciones características de diferentes isoenzimas. La LDH se encuentra en concentraciones relativamente altas en la mayoría de los tejidos; Existen cinco formas de isoenzimas de LDH, LD 1–5, con LD5 prevalente en hígado y músculo esquelético, LD2 en glóbulos rojos y LD1 en músculo miocárdico, por ejemplo. El patrón de isoenzimas encontrado en el plasma sanguíneo puede, por lo tanto, servir como un medio para identificar el sitio del daño tisular. Los niveles plasmáticos de varias formas de isoenzimas de LDH y de creatina quinasa (CK) varían en diferentes estados de enfermedad. 1. Estructura cuaternaria de la isoenzima: las isoenzimas de una enzima dada a menudo contienen diferentes subunidades en varias combinaciones. Por ejemplo, la LDH se presenta como cinco isoenzimas y cada una existe como un tetrámero, que contiene cuatro subunidades (combinaciones de subunidades llamadas H y M para el corazón y el músculo esquelético donde se descubrieron por primera vez) tales que LD1 = HHHH, LD2 (HHHM), LD3 ( HHMM), LD4 (HMMM) y LD5 (MMMM). La CK se presenta como tres isoenzimas. Cada isoenzima CK es un dímero compuesto por dos subunidades polipeptídicas (llamadas subunidades B y M para el cerebro y el músculo esquelético) asociadas en una de tres combinaciones: CK1 = BB, CK2 = MB y CK3 = MM. Cada isoenzima CK muestra una movilidad electroforética característica (v . fig. 5.20). (Nota: prácticamente toda la CK en el cerebro es la isoforma BB, mientras que en el músculo esquelético es MM. En el músculo cardíaco, la mayoría de la CK es MM, pero la presencia de CK MB es exclusiva del miocardio). 2. Uso histórico en el diagnóstico de infarto de miocardio: la medición de los niveles sanguíneos de isoenzimas con especificidad cardíaca (biomarcadores) tuvo un uso importante en el diagnóstico de IM antes del advenimiento de las pruebas de proteínas cardíacas conocidas como troponinas (ver más abajo). Debido a que el músculo miocárdico es el único tejido que contiene >5% de la actividad total de CK como isoenzima CK MB (CK2), su aparición en el plasma sanguíneo es prácticamente específica de daño al músculo miocárdico y se observa después de un infarto agudo de miocardio (IM o ataque al corazón). Después de un infarto de miocardio agudo, la CK MB aparece en el plasma sanguíneo de un paciente dentro de las 4 a 8 horas posteriores al inicio del dolor torácico, alcanza un pico de actividad en aproximadamente 24 horas y regresa a la línea base después de 48 a 72 horas (Fig. 5.21). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.20 Composición de subunidades, movilidad electroforética y actividad enzimática de las isoenzimas de la creatina quinasa (CK). Aplicación Clínica 5.1: Uso Diagnóstico de Troponinas Las troponinas T (TnT) e I (TnI) son proteínas reguladoras implicadas en la contractilidad muscular. Las isoformas cardíacas específicas (cTn) de las troponinas se liberan en el plasma en respuesta al daño cardíaco. y existe una indicación altamente sensible y específica de daño al tejido cardíaco. La cTn aparece en el plasma dentro de las 4 a 6 horas posteriores a un IM, alcanza su punto máximo en 24 a 36 horas y permanece elevada durante 3 a 10 días. La cTn elevada, en combinación con la presentación clínica y los cambios característicos en el ECG, se considera actualmente el "estándar de oro" en el diagnóstico de un IM. Si bien las características de apariencia de la cTN en el plasma sanguíneo después de un IM agudo son similares a las de la CK MB, el cambio de los valores basales a los máximos es mucho mayor para la cTN (v . fig. 5.21). Figura 5.21 Aspecto de la isoenzima CK-MB de la creatina cinasa y de la troponina cardíaca en el plasma después de un infarto de miocardio. (Nota: se puede medir la troponina cardíaca T o I). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google X. Resumen del capítulo Las enzimas son catalizadores de proteínas que aumentan la velocidad de una reacción química al proporcionar una vía de reacción alternativa con una energía de activación más baja (Fig. 5.22). Las enzimas contienen una hendidura especializada llamada sitio activo, que se une al sustrato, formando un complejo ES, con conversión a producto (ES ÿ EP ÿ E + P). La mayoría de las enzimas muestran la cinética de Michaelis-Menten, y una gráfica de la velocidad de reacción inicial (vo ) contra [S] tiene una forma hiperbólica ; Las enzimas alostéricas muestran una curva sigmoidal . Un gráfico Lineweaver-Burk o de doble recíproco de 1/v y 1/[S] transforma la curva de forma hiperbólica en una línea recta y permite una determinación más fácil de Vmax (velocidad máxima) y Km (constante de Michaelis, que refleja la afinidad por el sustrato) . Un inhibidor es cualquier sustancia que puede disminuir la velocidad de una reacción catalizada por enzimas. Los dos tipos más comunes de inhibición enzimática son competitivos, que aumentan la Km aparente y no competitivos , que disminuyen la Vmax aparente . Las enzimas alostéricas se componen de subunidades y están reguladas por efectores que se unen de forma no covalente en un sitio distinto al sitio activo. Los efectores alostéricos positivos aumentan la actividad enzimática y los efectores negativos disminuyen la actividad enzimática. Las enzimas también se pueden regular mediante modificación covalente, más a menudo a través de la fosforilación catalizada por proteínas quinasas, mientras que las fosfoproteínas fosfatasas eliminan los grupos fosfato. La regulación también puede ocurrir por cambios en la tasa de síntesis o degradación. Dado que la mayoría de las enzimas funcionan intracelularmente, su aparición en el plasma sanguíneo puede indicar daño a un tejido correspondiente, lo que les da a las enzimas un valor de diagnóstico en medicina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 5.22 Mapa conceptual clave para las enzimas. S, sustrato; [S], concentración de sustrato; P, producto; E, enzima; vo , velocidad inicial; Vmax , velocidad máxima; máxima.Km, constante de Michaelis; K0.5 , concentración de sustrato que da la mitad de la velocidad Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 5.1 En los casos de intoxicación por etilenglicol y su acidosis metabólica característica, el tratamiento implica la corrección de la acidosis, la eliminación de cualquier resto de etilenglicol y la administración de un inhibidor de la alcohol deshidrogenasa (ADH), la enzima que oxida el etilenglicol a los ácidos orgánicos que causar la acidosis. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google El etanol (alcohol de grano) es frecuentemente el inhibidor que se administra para tratar el envenenamiento por etilenglicol. Los resultados de los experimentos que utilizan ADH con y sin etanol se muestran a la derecha. Con base en estos datos, ¿qué tipo de inhibición provoca el etanol? A. Competitivo B. Retroalimentación C. Irreversible D. No competitivo Sustrato Concentración con Velocidad de reacción (mol/l/seg) Sustrato Velocidad de reacción Concentración (mol/l/seg) sin etanol Etanol (mM) 5 3,0 × 10 ÿ7 5 8,0 × 10 ÿ7 10 5,0 × 10 ÿ7 10 1,2 × 10 ÿ6 20 1,0 × 10 ÿ6 20 1,8 × 10 ÿ6 40 1,6 × 10 ÿ6 40 1,9 × 10 ÿ6 80 2,0 × 10 ÿ6 80 2,0 × 10 ÿ6 Respuesta correcta = A. Un inhibidor competitivo aumenta la Km aparente para un sustrato dado. Esto significa que, en presencia de un inhibidor competitivo, se necesita más sustrato para alcanzar la mitad de la Vmax . El efecto de un inhibidor competitivo se revierte aumentando la concentración de sustrato ([S]). A una [S] suficientemente alta, la velocidad de reacción alcanza la Vmax observada en ausencia de inhibidor. 5.2 La alcohol deshidrogenasa (ADH) requiere dinucleótido de nicotinamida y adenina oxidado (NAD) En la + ) para la actividad + catalítica. se reduce a NADH y reacción catalizada por la ADH, un alcohol se oxida a un aldehído a medida que el NAD se disocia de la + enzima. El NAD A. apoenzima B. coenzima-cosustrato está funcionando C. coenzima-grupo como un/una: prostético D. cofactor E. efector heterotrópico Respuesta correcta = B. Las coenzimas-cosustratos son pequeñas moléculas orgánicas que se asocian transitoriamente con una enzima y dejan la enzima en una forma modificada. Los grupos prostéticos de coenzima son pequeñas moléculas orgánicas que se asocian permanentemente con una enzima y vuelven a su forma original en la enzima. Los cofactores son iones metálicos. Los efectores heterotrópicos no son sustratos. Para las Preguntas 5.3 y 5.4, use el siguiente gráfico que muestra los cambios en la energía libre cuando un reactivo se convierte en un producto en presencia y ausencia de una enzima. Seleccione la letra que mejor represente: 5.3 La energía de activación de la reacción directa catalizada. 5.4 La energía libre de la reacción. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Respuestas correctas = B; D. Las enzimas (catalizadores de proteínas) proporcionan una vía de reacción alternativa con una energía de activación más baja. Sin embargo, no cambian la energía libre del reactivo o producto. A es la energía de activación de la reacción no catalizada. C es la energía de activación de la reacción inversa catalizada. 5.5 Si se incluye un inhibidor no competitivo en la reacción de una enzima con su sustrato, entonces: A. la adición de concentraciones suficientes de sustrato superará la inhibición. B. La Km disminuirá debido a la reducción de la afinidad enzima-sustrato. C. el inhibidor y el sustrato se unirán a diferentes sitios de la enzima. D. la curva al trazar la velocidad versus [sustrato] se volverá sigmoidal. E. Vmax permanecerá igual que para la reacción no inhibida. Respuesta correcta = C; Los inhibidores no competitivos no se unen al sitio activo de la enzima sino a otros sitios de unión de la enzima. Los sustratos se unen a los sitios activos de las enzimas. Debido a que la unión es a un sitio diferente, la adición de sustrato no superará la inhibición. Km seguirá siendo el mismo ya que el sustrato continuará uniéndose al sitio activo, sin embargo, será un complejo inactivo cuando también se une un inhibidor no competitivo. Para las enzimas que siguen la cinética de Michaelis-Menten, la curva de forma hiperbólica se desplazará a una Vmax más baja en presencia de un inhibidor no competitivo. 5.6 En una reacción catalizada por enzimas, la Proteína Q es el sustrato de la Enzima X, una cinasa. El producto de esta reacción estarán: A ATP B. Enzima X desfosforilada C. Enzima X fosforilada D. Proteína Q desfosforilada E. Proteína Q fosforilada Respuesta correcta = E; El sustrato de una quinasa se convertirá en su forma fosforilada como resultado de la reacción. El ATP se usa como donante de fosfato y se hidrolizará a ADP durante el curso de la reacción. La propia enzima quinasa no se verá alterada por la reacción. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 5.7 Las sulfamidas pueden ser eficaces para limitar las infecciones bacterianas en humanos sin producir efectos tóxicos en las células humanas. Para tener en cuenta estas características, es muy probable que las sulfamidas actúen como: A. efector alostérico que aumenta la acción catalítica de una enzima bacteriana. B. antimetabolito que interrumpe la replicación en todos los tipos de células en división. C. inhibidor competitivo de una enzima requerida por las bacterias pero no por las células humanas. D. inhibidores no competitivos de varios pasos reguladores de la glucólisis. E. efector alostérico positivo de una enzima en la síntesis de la pared celular bacteriana. Respuesta correcta = C; Actuando como un inhibidor competitivo de una enzima requerida solo por las bacterias, las sulfonamidas y otros antibióticos pueden detener el crecimiento bacteriano sin dañar las células humanas. Los agentes como los antimetabolitos que interrumpen todas las células en división dañarían las células humanas anfitrionas y las bacterias. La mayoría de los fármacos que actúan como inhibidores de enzimas son competitivos y están diseñados para parecerse estructuralmente al sustrato para poder unirse al sitio activo. Tanto las células humanas como las bacterianas se someten a glucólisis. Los efectores alostéricos que aumentan la función catalítica de una enzima son efectores positivos. Los efectores alostéricos positivos mejoran la actividad enzimática y no la inhiben. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google UNIDAD II: Bioenergética y Metabolismo de Hidratos de Carbono ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Bioenergéticos y Oxidativos Fosforilación 6 I. VISIÓN GENERAL La bioenergética describe la transferencia y utilización de energía en sistemas biológicos y se refiere a los estados de energía inicial y final de los componentes de la reacción. La bioenergética hace uso de algunas ideas básicas del campo de la termodinámica, particularmente el concepto de energía libre. Debido a que los cambios en la energía libre proporcionan una medida de la factibilidad energética de una reacción química, permiten predecir si una reacción o proceso puede tener lugar. En resumen, la bioenergética predice si un proceso es posible, mientras que la cinética mide la velocidad de reacción. II. ENERGÍA GRATIS La dirección y el grado en que procede una reacción química están determinados por el grado en que dos factores cambian durante la reacción. Estos son la entalpía (ÿH, una medida del cambio [ÿ] en el contenido de calor de los reactivos y productos) y la entropía (ÿS, una medida del cambio en la aleatoriedad o el desorden de los reactivos y productos), como se muestra en la figura 6.1. Ninguna de estas cantidades termodinámicas por sí sola es suficiente para determinar si una reacción química procederá espontáneamente en la dirección en que está escrita. Sin embargo, cuando se combinan matemáticamente (ver Fig. 6.1), la entalpía y la entropía se pueden usar para definir una tercera cantidad, la energía libre (G), que predice la dirección en la que procederá espontáneamente una reacción. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.1 Relación entre cambios en energía libre (G), entalpía (H) y entropía (S). T es la temperatura absoluta en Kelvin (K), donde K = °C + 273. tercero CAMBIO DE ENERGÍA GRATIS El cambio en la energía libre se representa de dos formas, ÿG y ÿG0 . El primero, ÿG (sin el superíndice “0”), representa el cambio en la energía libre y, por lo tanto, la dirección de una reacción a cualquier concentración específica de productos y reactivos. ÿG, entonces, es una variable. Esto contrasta con el cambio de energía libre estándar, ÿG0 (con el superíndice “0”), que es el cambio de energía cuando los reactivos y los productos están en una concentración de 1 mol/l. (Nota: se supone que la concentración de protones [H+] es de 10 ÿ7 mol/ l [es decir, pH = 7]. Esto puede mostrarse con un signo principal [ÿ], por ejemplo, ÿG0 ÿ). Aunque ÿG0 es una constante, representa los cambios de energía en estas concentraciones no fisiológicas de reactivos y productos, sin embargo, es útilfácilmente para comparar de energía de diferentes reacciones. Además, ÿG° se puede , determinar a partirlos decambios la medición de la constante de equilibrio. A. ÿG y dirección de reacción El signo de ÿG se puede utilizar para predecir la dirección de una reacción a constante ******ebook convertidor DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google temperatura y presión. Considere la reacción: AÿB Si ÿG es negativo, la reacción se considera exergónica con una pérdida neta de energía. En este caso, la reacción transcurre espontáneamente como está escrita, con A convertida en B (figura 6.2A). Si ÿG es positivo, la reacción es endergónica con una ganancia neta de energía. Se debe agregar energía al sistema para que tenga lugar la reacción de B a A (figura 6.2B). En los casos en que ÿG = 0, la reacción está en equilibrio. Tenga en cuenta que cuando una reacción procede espontáneamente (ÿG es negativo), la reacción continuará hasta que ÿG llegue a cero y se establezca el equilibrio. B. ÿG de las reacciones directa e inversa La energía libre de la reacción directa (A ÿ B) es igual en magnitud pero de signo opuesto a la de la reacción inversa (B ÿ A). Por ejemplo, si ÿG de la reacción directa es ÿ5 kcal/mol, entonces el de la reacción inversa es +5 kcal/mol. (Nota: ÿG también se puede expresar en kilojulios por mol o kJ/mol[1 kcal = 4,2 kJ].) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.2 Cambio en la energía libre (ÿG) durante una reacción. R: El producto tiene una energía libre (G) más baja que el reactivo. B: El producto tiene mayor energía libre que el reactivo. C. ÿG y concentraciones de reactivo y producto El ÿG de la reacción A ÿ B depende de las concentraciones del reactivo y del producto. A temperatura y presión constantes, se puede derivar la siguiente relación: ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google donde ÿG0 es el cambio de energía libre estándar (ver D. a continuación) R es la constante de los gases (1,987 cal/mol K) T es la temperatura absoluta (K) [A] y [B] son las concentraciones reales del reactivo y el producto ln representa el logaritmo natural. Una reacción con un ÿG° positivo puede proceder en la dirección directa si la relación de productos a reactivos ([B]/[A]) es lo suficientemente pequeña (es decir, la relación de reactivos a productos es grande) para hacer que ÿG sea negativo. Por ejemplo, considere la reacción: Glucosa 6-fosfato ÿ fructosa 6-fosfato La figura 6.3A muestra las condiciones de reacción en las que la concentración del reactivo, glucosa 6fosfato, es alta en comparación con la concentración del producto, fructosa 6-fosfato. Esto significa que la relación entre el producto y el reactivo es pequeña y la RT ln ([fructosa 6-fosfato]/[glucosa 6-fosfato]) es grande y negativa, lo que hace que ÿG sea negativo a pesar de que ÿG0 sea positivo. Por lo tanto, la reacción puede proceder en la dirección directa. D. Cambio de energía libre estándar El cambio de energía libre estándar, ÿG0 es igual al, cambio de energía libre, ÿG, en condiciones estándar, cuando los reactivos y los productos están en concentraciones de 1 mol/l (figura 6.3B). En estas condiciones, el logaritmo natural de la relación de productos a reactivos es cero (ln1 = 0) y, por lo tanto, la ecuación que se muestra al pie de la página anterior se convierte en: ÿG = ÿG0 + 0 1. ÿG0 y dirección de la reacción: en condiciones estándar, ÿG° se puede utilizar para predecir la dirección en la que procede una reacción porque, en estas condiciones, ÿG0 es igual a ÿG. Sin embargo, ÿG° no puede predecir la dirección de una reacción en condiciones fisiológicas porque se compone únicamente de constantes (R, T y Keq [ver 2. a continuación]) y, por lo tanto, no se altera por cambios en las concentraciones de producto o sustrato. 2. Relación entre ÿG0 y Keq : En una reacción A ÿ B, se alcanza un punto de equilibrio en el que no tiene lugar ningún cambio químico neto adicional. En este estado, la proporción de [B] a [A] es constante, independientemente de las concentraciones reales de los dos compuestos: ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google donde Keq es la constante de equilibrio y [A]eq y [B]eq son las concentraciones de A y B en el equilibrio. Si se permite que la reacción A ÿ B alcance el equilibrio a temperatura y presión constantes, entonces, en el equilibrio, el ÿG total es cero (figura 6.3C). Por lo tanto, donde las concentraciones reales de A y B son iguales a las concentraciones de equilibrio de reactivo y producto ([A]eq y [B]eq ), y su relación es igual a Keq . De este modo, ÿG0 = –RT ln Keq Esta ecuación permite algunas predicciones simples: Si Keq = 1, entonces ÿG0 = 0 Si Keq > 1, entonces ÿG0 < 0 Si Keq < 1, entonces ÿG0 > 0 ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.3 El cambio de energía libre (ÿG) de una reacción depende de la concentración de reactivo y producto. Para la conversión de glucosa 6-fosfato en fructosa 6-fosfato, ÿG es negativo cuando la proporción de reactivo a producto es grande (arriba, panel A), es positiva en condiciones estándar (centro, panel B) y es cero en el equilibrio (abajo, panel C). ÿG 0 = cambio de energía libre estándar. 3. ÿG0s de dos reacciones consecutivas: Los ÿG0s son aditivos en cualquier secuencia de reacciones consecutivas, al igual que los ÿGs. Por ejemplo: 4. ÿGs de una ruta: La propiedad aditiva de ÿG es muy importante en las rutas bioquímicas a través de las cuales los sustratos deben pasar en una dirección particular (p. ej., A ÿ B ÿ C ÿ D ÿ …). Siempre que la suma de los ÿG de las reacciones individuales sea negativa, la vía puede continuar como está escrita, incluso si algunas de las reacciones individuales de la vía tienen un ÿG positivo. Sin embargo, las velocidades reales de las reacciones dependen de la disminución de las energías de activación (Ea ) por parte de las enzimas que catalizan las reacciones. IV. ATP: UN PORTADOR DE ENERGÍA Las reacciones con un ÿG positivo grande son posibles al acoplar el movimiento endergónico de iones con un segundo proceso espontáneo con un ÿG negativo grande, como la hidrólisis exergónica de ATP (ver pág. 96). La figura 6.4 muestra un modelo mecánico de acoplamiento de energía. El ejemplo más simple de acoplamiento de energía en reacciones biológicas ocurre cuando las reacciones que requieren energía y las que producen energía comparten un intermediario común. A. Intermedios comunes Dos reacciones químicas tienen un intermedio común cuando ocurren secuencialmente en el sentido de que el producto de la primera reacción es un sustrato para la segunda. Por ejemplo, dadas las reacciones A+BÿC+D D+XÿY+Z D es el intermedio común y puede servir como portador de energía química entre las dos reacciones. (Nota: el intermedio puede estar vinculado a una enzima). Muchas reacciones acopladas usan ATP para generar un intermediario común. Estas reacciones pueden implicar la transferencia de un grupo fosfato del ATP a otra molécula. Otras reacciones involucran la transferencia de fosfato de un intermediario rico en energía a ADP, formando ATP. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.4 Modelo mecánico del acoplamiento de procesos favorables y desfavorables. A: El engranaje con peso adjunto gira espontáneamente en la dirección que alcanza el estado de energía más bajo. B: El movimiento inverso es energéticamente desfavorable (no espontáneo). C: El movimiento energéticamente favorable puede impulsar al desfavorable. ÿG = cambio en la energía libre. B. Energía transportada por ATP El ATP consta de una molécula de adenosina a la que se unen tres grupos fosfato (fig. 6.5). La eliminación de un fosfato produce ADP y la eliminación de dos fosfatos produce monofosfato de adenosina (AMP). Para el ATP, el ÿG0 de la hidrólisis es de aproximadamente ÿ7,3 kcal/mol para cada uno de los dos grupos fosfato terminales. Debido a este gran ÿG0 negativo de hidrólisis, el ATP se denomina compuesto de fosfato de alta energía. (Nota: los nucleótidos de adenina se interconvierten [2 ADP ÿ ATP + AMP] por la adenilato quinasa). V. CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Las moléculas ricas en energía, como la glucosa, se metabolizan mediante una serie de reacciones de oxidación que finalmente producen dióxido de carbono y agua (H2O) (fig. 6.6). Los intermediarios metabólicos de estas reacciones donan electrones a coenzimas específicas, nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+ ) y flavina adenina dinucleótido (FAD), para formar las formas reducidas ricas en energía, NADH y flavina adenina dinucleótido (FADH2 ). Estas coenzimas reducidas pueden, a su vez, cada una de ellas donar un par de electrones a un conjunto especializado de transportadores de electrones, denominados colectivamente cadena de transporte de electrones (ETC), que se describe en esta sección. A medida que los electrones pasan por el ETC, pierden gran parte de su energía libre. Esta energía se utiliza para mover H+ a través de la membrana mitocondrial interna, creando un gradiente de H+ que impulsa la producción de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico (Pi). El acoplamiento del transporte de electrones con la síntesis de ATP se denomina fosforilación oxidativa, a veces denominada OXPHOS. Procede continuamente en todos los tejidos que contienen mitocondrias. Tenga en cuenta que la energía libre no atrapada como ATP se utiliza para impulsar reacciones auxiliares, como el transporte de iones de calcio a las mitocondrias y generar calor. A. Cadena de transporte de electrones mitocondrial El ETC (excepto el citocromo c) está ubicado en la membrana mitocondrial interna y es la vía final común por la cual los electrones derivados de diferentes combustibles del cuerpo fluyen a oxígeno (O2 ), reduciéndolo a H2O (ver Fig. 6.6). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.5 A: trifosfato de adenosina (ATP). B: Hidrólisis de ATP. 1. Membranas mitocondriales: las mitocondrias tienen una membrana externa e interna separadas por el espacio intermembrana. La membrana externa contiene canales especializados formados por la proteína porina, lo que la hace libremente permeable a la mayoría de los iones y moléculas pequeñas. La membrana interna es una estructura , moléculas especializada que es impermeable a la mayoría de los iones pequeños,pequeñas incluidos H+ como y ATP, ADP, piruvato y otros metabolitos importantes para la función mitocondrial (fig. 6.7). Se requieren proteínas de transporte para mover iones o moléculas a través de esta membrana. La membrana mitocondrial interna es inusualmente rica en proteínas, más de la mitad de las cuales están directamente involucradas en la fosforilación oxidativa. También contiene circunvoluciones, llamadas crestas, que aumentan mucho su superficie. área. 2. Matriz mitocondrial: La solución gelatinosa del interior de las mitocondrias se denomina matriz y también es rica en proteínas. Estos incluyen las enzimas responsables de la oxidación del piruvato, los aminoácidos y los ácidos grasos (por oxidación ÿ), así como las del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). La síntesis de glucosa, urea y hemo ocurre parcialmente en la matriz de las mitocondrias. Además, la matriz contiene NAD+ y FAD (las formas oxidadas de los dos ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google coenzimas que se requieren como aceptores de electrones), y ADP y Pi , que se utilizan para producir ATP. (Nota: la matriz también contiene ácido desoxirribonucleico mitocondrial [ADNmt], ácido ribonucleico [ARNmt] y ribosomas). Figura 6.6 La descomposición metabólica de las moléculas productoras de energía. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; FAD(H2 ) = dinucleótido de flavina y adenina; ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico; CO2 = dióxido de carbono. B. Organización La membrana mitocondrial interna contiene cuatro complejos proteicos separados, denominados Complejos I, II, III y IV, cada uno de los cuales contiene parte del ETC (fig. 6.8). Estos complejos aceptan o donan electrones a la coenzima Q (CoQ) y al citocromo c, portadores de electrones relativamente móviles . Cada portador en el ETC puede recibir electrones de un donante de electrones y posteriormente puede donar electrones al siguiente aceptor en la cadena. Los electrones finalmente se combinan con O2 y H+ para formar H2O. Este requerimiento de O2 hace que el proceso de transporte de electrones sea la cadena respiratoria, que representa la mayor parte del uso de O2 por parte del cuerpo . C. Reacciones Con la excepción de CoQ, que es una quinona liposoluble, todos los miembros de la ETC son proteínas. Estos pueden funcionar como enzimas como es el caso de los flavin****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google que contiene deshidrogenasas, puede contener hierro como parte de un centro de hierro-azufre (Fe-S), puede contener hierro como parte del grupo prostético de porfirina del hemo como en los citocromos, o puede contener cobre (Cu) como lo hace el citocromo a + complejo a3 . 1. Formación de NADH: NAD+ se reduce a NADH mediante deshidrogenasas que eliminan dos átomos de hidrógeno de su sustrato. (Nota: para ver ejemplos de estas reacciones, consulte la discusión sobre las deshidrogenasas del ciclo TCA, p. 123). Ambos electrones, pero solo un H+ (es decir, un ion hidruro [:Hÿ ]) se transfieren al NAD+ , formando NADH más un H+ libre . 2. NADH deshidrogenasa: el H+ libre más el ion hidruro transportado por NADH se transfieren a NADH deshidrogenasa, un complejo proteico (Complejo I) incrustado en la membrana mitocondrial interna. El complejo I tiene una molécula estrechamente unida de mononucleótido de flavina (FMN), una coenzima estructuralmente relacionada con FAD que acepta los dos átomos de hidrógeno (dos electrones + dos H+ ), convirtiéndose en FMNH2 . La NADH deshidrogenasa también contiene subunidades peptídicas con centros Fe-S (Fig. 6.9). En el Complejo I, los electrones se mueven de NADH a FMN al hierro de los centros Fe-S y luego a CoQ. A medida que los electrones fluyen, pierden energía. Esta energía se utiliza para bombear cuatro H+ a través de la membrana mitocondrial interna, desde la matriz hasta el espacio intermembrana. 3. Succinato deshidrogenasa: en el complejo II, los electrones de la oxidación de succinato a fumarato catalizada por succinato deshidrogenasa se mueven desde la proteína Fe-S hasta la CoQ. debido a que no se pierde FADH2 , en este proceso, no se(Nota: bombea H+ en el Complejo II). energía de coenzima, 4. Coenzima Q: CoQ, también conocida como ubiquinona, es un derivado de quinona con una larga cola isoprenoide hidrofóbica, hecha de un intermediario de la síntesis de colesterol (ver Capítulo 18). CoQ es un transportador de electrones móvil y puede aceptar electrones de NADH deshidrogenasa (Complejo I), de succinato deshidrogenasa (Complejo II) y de otras deshidrogenasas mitocondriales, como glicerol 3-fosfato deshidrogenasa y acil CoA deshidrogenasas. CoQ transfiere electrones al Complejo III (citocromo bc1 ). Por lo tanto, una función de la CoQ es unir las flavoproteínas deshidrogenasas a los citocromos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.7 ******Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google Estructura de una mitocondria que muestra una representación esquemática de la cadena de transporte de electrones y el complejo sintetizador de ATP en la membrana interna. (Nota: a diferencia de la membrana interna, la membrana externa es altamente permeable y el medio del espacio intermembrana es como el del citosol). mt = mitocondrial; ARN = ácido ribonucleico; ADP = difosfato de adenosina; TCA = ácido tricarboxílico. 5. Citocromos: los miembros restantes de la ETC son proteínas de citocromo. Cada uno contiene un grupo hemo que es un anillo de porfirina más hierro. A diferencia de los grupos hemo de la hemoglobina, el citocromo hierro se convierte reversiblemente de su 3+ 2+ aceptor férrico ) a(Fe su yferroso donador (Fede electrones. electrones pasan a lode largo de la cadena ) formaLos como una parte normal su función como un desde el citocromo bc1 (Complejo III), al citocromo c, y luego a los citocromos a + a3 ( [Complejo IV], véase la Fig. 6.8). A medida que fluyen los electrones, se bombean cuatro H+ a través de la membrana mitocondrial interna en el Complejo III y dos en el Complejo IV. (Nota: el citocromo c está ubicado en el espacio intermembrana, vagamente asociado con la membrana mitocondrial externa ). cara de la membrana interna. Como se ve con CoQ, el citocromo c es un transportador de electrones móvil.) Figura 6.8 Cadena de transporte de electrones. El flujo de electrones se muestra con flechas magenta. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; FMN = mononucleótido de flavina; FAD = dinucleótido de flavina y adenina; Fe-S = hierro-azufre; CoQ = coenzima Q; Cu = cobre. 6. Citocromo a + a3 : debido a que este complejo de citocromo (Complejo IV) es el único transportador de electrones en el que el hierro hemo tiene un sitio de coordinación disponible que puede reaccionar directamente el Complejo con O2IV, , también el H+ libre se denomina se une y elcitocromo O2 es losc electrones oxidasa. En (Nota: se requieren cuatro electrones transportados, para reducir una O2molécula , reducidos de O2 a H2O a dos (ver moléculas Fig. 6.8).de H2O). La citocromo c oxidasa contiene átomos de Cu que se requieren para que ocurra esta complicada reacción. Los electrones se mueven de CuA al citocromo a al citocromo a3 (en asociación con CuB) al O2 . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.9 Centro de hierro-azufre (Fe-S) del complejo I. (Nota: los complejos II y III también contienen centros de Fe-S). NADH = dinucleótido de nicotinamida y adenina; Cys = cisteína. 7. Inhibidores específicos del sitio: se han identificado inhibidores de sitios específicos en el ETC y se ilustran en la figura 6.10. Estos inhibidores respiratorios impiden el paso de electrones al unirse a un componente de la cadena, bloqueando la reacción de oxidación-reducción. Por lo tanto, todos los portadores de electrones antes del bloque se reducen por completo, mientras que los que se encuentran después del bloque se oxidan. (Nota: la inhibición de la ETC inhibe la síntesis de ATP porque estos procesos están estrechamente acoplados). La fuga de electrones del ETC produce especies reactivas de oxígeno (ROS), como superóxido (O2 ÿ ), peróxido de hidrógeno (H2O2 ) y radicales hidroxilo (OH). ROS daña el ADN y las proteínas y causa la peroxidación de lípidos. Las enzimas como la superóxido dismutasa (SOD), la catalasa y la glutatión peroxidasa son defensas celulares contra las ROS (ver pág. 163). D. Liberación de energía libre durante el transporte de electrones. La energía libre liberada como electrones se transfiere a lo largo del ETC desde un donador de electrones (agente reductor o reductor) a un aceptor de electrones (agente oxidante u oxidante) que se usa para bombear H+ en los Complejos I, III y IV. (Nota: los electrones se pueden transferir como iones de hidruro a NAD+ , como átomos de hidrógeno a FMN, CoQ y FAD, o como electrones a los citocromos). 1. Pares redox: La oxidación (pérdida de electrones) de una sustancia siempre va acompañada de la reducción (ganancia de electrones) de una segunda. Por ejemplo, la figura 6.11 muestra la oxidación de NADH a NAD+ por la NADH deshidrogenasa en ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Complejo I, acompañado de la reducción de FMN, el grupo protésico, a FMNH2 . Tales reacciones redox se pueden escribir como la suma de dos semirreacciones separadas, una de oxidación y la otra de reducción (ver Fig. 6.11). NAD+ y NADH forman un par redox, al igual que FMN y FMNH2 . Los pares redox difieren en su tendencia a perder electrones. Esta tendencia es una característica de un par redox particular y puede especificarse cuantitativamente mediante una constante, E0 (el potencial de reducción estándar), con unidades en voltios. 2. Potencial de reducción estándar: el E0 de varios pares redox se puede ordenar del E0 más negativo al más positivo. Cuanto más negativo sea el E0 de un par redox, mayor será la tendencia del miembro reductor de ese par a perder electrones. Cuanto más positivo sea el E0 , mayor será la tendencia aceptar del miembro electrones. oxidante Por lode tanto, ese par los a electrones fluyen del par con el E0 más negativo al que tiene el E0 más positivo . Los valores de E0 para algunos miembros del ETC se muestran en la Figura 6.12. (Nota: los componentes de la cadena están dispuestos en orden de valores E0 cada vez más positivos). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.10 Inhibidores específicos del sitio del transporte de electrones que se muestran usando un modelo mecánico para el acoplamiento += de reacciones de oxidación-reducción. (Nota: se ilustra la dirección normal del flujo de electrones). NAD nicotinamida adenina dinucleótido; FMN = mononucleótido de flavina; CoQ = coenzima Q; Cito = citocromo; CN ÿ = cianuro; CO = monóxido de carbono; H2S = sulfuro de hidrógeno; NaN3 = azida de sodio. 3. Relación de ÿG0 a ÿE0 : El ÿG0 está relacionado directamente con la magnitud de la cambio en E0 : ÿG0 = ÿnF ÿE0 , donde n = número de electrones transferidos (1 para un citocromo, 2 para NADH, FADH2 y CoQ) F = constante de Faraday (23,1 kcal/voltio mol) ÿE0 = E0 del par aceptador de electrones menos E0 del par donador de electrones ÿG0 = cambio en la energía libre estándar 4. ÿG0 de ATP: El ÿG° para la fosforilación de ADP a ATP es +7,3 kcal/mol. El transporte de un par de electrones del NADH al O2 a través de la ETC libera 52,6 kcal. Por lo tanto, se dispone de energía más que suficiente para producir tres ATP a partir de tres ADP y tres Pi (3 × 7,3 = 21,9 kcal/mol), a veces expresada como una relación P/O (ATP producido por átomo de O reducido) de 3:1. Las calorías restantes se utilizan para reacciones auxiliares o se liberan como calor. (Nota: el P:O para FADH2 es 2:1 porque se omite el Complejo I). VI. FOSFORILACIÓN DE ADP A ATP La transferencia de electrones por el ETC se ve favorecida energéticamente porque el NADH es un fuerte donante de electrones y el O2 es un ávido aceptor de electrones. Sin embargo, el flujo de electrones no da como resultado directamente la síntesis de ATP. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.11 Oxidación de NADH por FMN, separada en semirreacciones de dos componentes. NAD(H) = nicotinamida ÿ dinucleótido de adenina; FMN(H2 ) = mononucleótido de flavina; e = electrón; H + = protón; E0 = estándar potencial de reducción. A. Hipótesis quimiosmótica La hipótesis quimiosmótica (también conocida como hipótesis de Mitchell) explica cómo la energía libre generada por el transporte de electrones por parte de la ETC se utiliza para producir ATP a partir de ADP + Pi . 1. Bomba de protones: el transporte de electrones se acopla a la fosforilación de ADP mediante el bombeo de H+ a través de la membrana mitocondrial interna, desde la matriz hasta el espacio intermembrana, en los complejos I, III y IV. Por cada par de electrones se bombean 10 H+ . Esto crea gradiente eléctrico transferido de NADH a O2 (con más cargas positivas en el un lado citosólico de la membrana que en el lado de la matriz) y un gradiente de pH (químico) (el lado citosólico de la membrana tiene un pH más bajo que el lado de la matriz), como se muestra en la Figura 6.13. La energía (fuerza motriz de protones) generada por estos gradientes es suficiente para impulsar la síntesis de ATP. Por lo tanto, el gradiente de H+ sirve como intermediario común que acopla la oxidación con la fosforilación. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.12 Potenciales de reducción estándar (E0 ) de algunas reacciones. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; FMN(H2 ) = mononucleótido de flavina; Fe = hierro. 2. ATP sintasa: la enzima multisubunitaria ATP sintasa ([Complejo V], fig. 6.14) sintetiza ATP utilizando la energía del gradiente de H+ . Contiene un dominio de membrana (Fo ) que se extiende por la membrana mitocondrial interna y un dominio extramembranoso (F1 ) que aparece como una esfera que sobresale en la matriz mitocondrial (ver Fig. 6.13). La hipótesis quimiosmótica propone que después de que los H+ han sido bombeados al lado citosólico de la membrana mitocondrial interna, vuelven a entrar en la matriz pasando a través de un canal de H+ en el dominio Fo , impulsando la rotación del anillo c de Fo y, al mismo tiempo, disipando el pH y los gradientes eléctricos. La rotación en Fo provoca cambios conformacionales en las tres subunidades ÿ de F1 que les permiten unir ADP + Pi , fosforilar ADP en ATP y liberar ATP. Una rotación completa del anillo c produce tres ATP. (Nota: la ATP sintasa también se denomina F1 /Fo -ATPasa porque la enzima también puede catalizar la hidrólisis de ATP a ADP y Pi ). una. Acoplamiento en la fosforilación oxidativa: en las mitocondrias normales, la síntesis de ATP está acoplada al transporte de electrones a través del gradiente de H+ . Aumentar (o disminuir) un proceso tiene el mismo efecto en el otro. Por ejemplo, la hidrólisis de ATP a ADP y Pi en reacciones que requieren energía aumenta la ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google disponibilidad de sustratos para la ATP sintasa y, por lo tanto, aumenta el flujo de H+ a través de la enzima. El transporte de electrones y el bombeo de H+ por parte del ETC aumentan para mantener el gradiente de H+ y permitir la síntesis de ATP. Figura 6.13 Cadena de transporte de electrones que se muestra en asociación con + ) bombeo. Diez H + son el protón (H bombeado por cada dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH) oxidado. (Nota: los H + ÿ no se bombean en el Complejo II). =e electrón; complejo V = ATP sintasa. b. Oligomicina: este fármaco se une al dominio Fo (de ahí la letra “o”) de la ATP sintasa, cerrando el canal H+ y evitando la reentrada de H+ en la matriz, inhibiendo así la fosforilación de ADP a ATP. Debido a que los gradientes eléctricos y de pH no pueden disiparse en presencia de este inhibidor de la fosforilación, el transporte de electrones se detiene debido a la dificultad de bombear más H+ contra el gradiente de concentración pronunciado. Esta dependencia de la respiración celular de la capacidad de fosforilar ADP a ATP se conoce como control respiratorio y es la consecuencia del estrecho acoplamiento de estos procesos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.14 ATP sintasa (F1Fo -ATPasa). (Nota: el cring de los vertebrados contiene ocho subunidades. Una vuelta completa del anillo está impulsada por ocho + (protones) moviéndose a través del Fo dominios H. Los cambios conformacionales resultantes en las tres subunidades ÿ del dominio F1 permiten la fosforilación de tres difosfatos de adenosina [ADP] a tres ATP). Pi = fosfato inorgánico. C. Proteínas desacopladoras: las proteínas desacopladoras (UCP) se producen en la membrana mitocondrial interna de los mamíferos, incluidos los humanos. Estas proteínas forman canales que permiten que H+ vuelva a entrar en la matriz mitocondrial sin que la energía sea capturada como ATP (fig. 6.15). La energía se libera en forma de calor y el proceso se denomina termogénesis sin escalofríos. UCP1, también llamada termogenina, es responsable de la producción de calor en los adipocitos marrones ricos en mitocondrias de los mamíferos. (Nota: el frío provoca la activación dependiente de catecolaminas de la expresión de UCP1). En la grasa parda, a diferencia de la grasa blanca más abundante, ~90% de su energía respiratoria se usa para la termogénesis en los lactantes en respuesta al frío. Por lo tanto, la grasa parda está involucrada en el gasto de energía, mientras que la grasa blanca está involucrada en el almacenamiento de energía. (Nota: recientemente se ha demostrado que los depósitos de grasa parda están presentes en adultos). d. Desacopladores sintéticos: el transporte de electrones y la fosforilación de ADP también pueden ser desacoplados por compuestos que transportan H+ a través de la membrana mitocondrial interna, disipando el gradiente. El ejemplo clásico es el 2,4-dinitrofenol, un portador de H+ lipófilo (ionóforo) que se difunde fácilmente a través de la membrana mitocondrial (fig. 6.16). Este desacoplador hace que el transporte de electrones avance a una velocidad rápida sin establecer un gradiente de H+ , como lo hace la UCP. Nuevamente, la energía se libera como calor en lugar de usarse para sintetizar ATP. (Nota: en dosis altas, la aspirina y otros salicilatos desacoplan la fosforilación oxidativa, lo que explica la fiebre que ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google acompaña a las sobredosis tóxicas de estos fármacos.) Figura 6.15 Transporte de protones a través de la membrana mitocondrial por una proteína desacopladora. ADP = difosfato de adenosina; mi = electrones. ÿ B. Sistemas de transporte de membrana La membrana mitocondrial interna es impermeable a la mayoría de las sustancias cargadas o hidrófilas. Sin embargo, contiene numerosas proteínas de transporte que permiten el paso de ciertas moléculas desde el citosol a la matriz mitocondrial. 1. Transporte de ATP y ADP: la membrana interna requiere transportadores especializados para transportar ADP y Pi desde el citosol (donde el ATP se hidroliza a ADP en muchas reacciones que requieren energía) hacia las mitocondrias, donde se puede resintetizar el ATP. Un antiportador de nucleótido de adenina importa un ADP del citosol a la matriz, mientras exporta un ATP de la matriz al citosol (v . fig. 6.13). Un simportador transporta Pi y H+ desde el citosol hacia la matriz. 2. Reducción del transporte equivalente: la membrana mitocondrial interna carece de un transportador de NADH y el NADH producido en el citosol (p. ej., en la glucólisis; consulte la pág. 111) no puede entrar directamente en la matriz mitocondrial. Sin embargo, los equivalentes reductores de NADH se transportan desde el citosol a la matriz utilizando lanzaderas de sustrato. En la lanzadera de glicerol 3-fosfato (fig. 6.17A), la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa citosólica transfiere dos electrones del NADH al fosfato de dihidroxiacetona. El glicerol 3-fosfato ******ebook convertidor DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google producido es oxidado por la isoenzima mitocondrial a medida que FAD se reduce a FADH2 . CoQ del ETC oxida el FADH2 . Por lo tanto, la lanzadera de glicerol 3fosfato da como resultado la síntesis de dos ATP por cada NADH citosólico oxidado. Esto contrasta con la lanzadera de malato-aspartato (fig. 6.17B), que produce NADH (en lugar de FADH2 ) en la matriz mitocondrial, lo que produce tres ATP por cada NADH citosólico oxidado por la malato deshidrogenasa a medida que el oxaloacetato se reduce a malato. Una proteína de transporte mueve el malato hacia la matriz mitocondrial. Figura 6.16 2,4-Dinitrofenol (DNP), se forma un protón +) portador, mostrado en su forma reducida (DNPH) y oxidada (H (DNP – ). C. Defectos hereditarios en la fosforilación oxidativa Trece de los ~90 polipéptidos necesarios para la fosforilación oxidativa son codificados por mtDNA y sintetizados en las mitocondrias, mientras que las proteínas restantes son codificadas por DNA nuclear, sintetizadas en el citosol y luego transportadas al interior. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google mitocondrias Es más probable que los defectos en la fosforilación oxidativa sean el resultado de alteraciones en el ADNmt, que tiene una tasa de mutación unas 10 veces mayor que la del ADN nuclear. Las células en los tejidos con altos requerimientos de ATP incluyen las del cerebro, los nervios, la retina, el músculo esquelético y cardíaco, y el hígado es particularmente vulnerable. Las deficiencias en la fosforilación oxidativa suelen causar acidosis láctica, en particular en los músculos, el sistema nervioso central y la retina. Las manifestaciones clínicas de los trastornos de la fosforilación oxidativa incluyen convulsiones, oftalmoplejía, debilidad muscular y miocardiopatía (tabla 6.1). Se sabe que algunos medicamentos afectan la función mitocondrial y deben evitarse en personas con trastornos mitocondriales. (Nota: el mtDNA se hereda por vía materna porque las mitocondrias del esperma no sobreviven al proceso de fertilización y solo las del ovocito sobreviven en el embrión en desarrollo y en el individuo adulto). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.17 Lanzaderas de sustrato para el transporte de equivalentes reductores a través de la membrana mitocondrial interna. A: lanzadera de glicerol 3-fosfato. B: lanzadera malato-aspartato. DHAP = fosfato de dihidroxiacetona; NAD(H) = + = protón; DAP(H2 ) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; H flavina adenina dinucleótido; CoQ = coenzima Q. Cuadro 6.1 Trastornos de la fosforilación oxidativa mitocondrial Enfermedad Características Síndrome de Kearns-Sayre • Debilidad o parálisis de los músculos oculares con párpados caídos (ptosis), pérdida de la visión, defectos de la conducción cardíaca, inestabilidad al caminar (ataxia), debilidad muscular en las extremidades, problemas renales, deterioro de la función cognitiva (demencia) y baja estatura • Aparecen rasgos antes de los 20 años • Causada por mutación en el mtDNA • Pérdida bilateral de la visión central causada por desprendimiento de retina • Inicio generalmente entre los 20 y los 30 años del paciente • Causada por herencia mitocondrial Neuropatía óptica hereditaria a lo largo de la línea materna, sin embargo cuatro de Leber (LHON) veces más hombres se ven afectados que mujeres enfermedad de leigh • Trastorno neurológico severo que se manifiesta en el primer año de vida. Problemas progresivos de deglución, poco aumento de peso, hipotonía, debilidad, ataxia, nistagmo y atrofia óptica acompañan a la acidosis láctica. • La muerte generalmente ocurre entre los 2 y 3 años de edad por insuficiencia respiratoria • Causada por mutaciones en el ADN nuclear o mtDNA • Neurodegeneración progresiva • Encefalomiopatía Episodios repetidos de acidosis láctica y miopatía • Las células a menudo contienen ADNmt mitocondrial, acidosis láctica y episodios similares a accidentes mutante y de tipo salvaje y la expresión es variable cerebrovasculares (MELAS) Epilepsia mioclónica con fibras • Condición progresiva • rojas irregulares (MERRF) Contracciones musculares descontroladas, demencia, ataxia y miopatía • Causada por mutación en el mtDNA; la expresión de la enfermedad es variable Neuropatía, ataxia y retinosis • Condición progresiva • pigmentaria (NARP) Neuropatía sensorial con entumecimiento u hormigueo en las extremidades, debilidad muscular, ataxia y pérdida de la visión, deterioro cognitivo y convulsiones • Causada por una mutación en el ADNmt que altera la ATP sintasa y reduce la capacidad para hacer ATP D. Mitocondrias y apoptosis El proceso de apoptosis o muerte celular programada puede iniciarse a través de la vía intrínseca o mediada por mitocondrias en respuesta a un daño irreparable dentro de la célula. Durante este proceso, las proteínas del canal (Bax o Bak) se insertan en la membrana mitocondrial externa y permiten que el citocromo c abandone el espacio intermembrana y entre al citosol. Allí, el citocromo c, en asociación con factores proapoptóticos, forma una estructura llamada apoptosoma que luego activa una familia de enzimas proteolíticas (las caspasas), provocando la escisión de proteínas clave y dando como resultado los cambios morfológicos y bioquímicos característicos de la apoptosis.* ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VIII. Resumen del capítulo El cambio en la energía libre (ÿG) que ocurre durante una reacción predice la dirección en la que la reacción procederá espontáneamente (Fig. 6.18). Si ÿG es negativo, entonces la reacción es espontánea como está escrito. Si ÿG es positivo, entonces la reacción no es espontánea. Si ÿG = 0, entonces la reacción está en equilibrio. El ÿG de la reacción directa es igual en magnitud pero de signo opuesto al de la reacción inversa. Las reacciones con un ÿG grande y positivo son posibles mediante el acoplamiento con aquellas que tienen un ÿG grande y negativo, como la hidrólisis de ATP. Cada una de las coenzimas reducidas NADH y FADH2 dona un par de electrones a un conjunto especializado de transportadores de electrones, que consta de FMN, centros Fe-S, CoQ y una serie de citocromos que contienen hemo , denominados colectivamente ETC. Esta vía está presente en la membrana mitocondrial interna y es la vía común final por la cual los electrones derivados de diferentes combustibles del cuerpo fluyen hacia el O2 , que tiene un gran potencial de reducción positivo (E0 ), reduciéndolo a agua. El citocromo terminal, la citocromo c oxidasa, es el único citocromo capaz de unirse al O2 . + ) a través de la membrana mitocondrial interna desde El transporte de electrones da como resultado el bombeo de protones + (H de la matriz al espacio intermembrana, 10 H Este procesopor crea NADH oxidado. gradientes eléctricos y de pH a través de la membrana mitocondrial interna. Después de que el H se transfiere al lado citosólico + tener de la membrana, vuelven a entrar en la matriz pasando a través del fo H + canal en la ATP sintasa (Complejo V), disipando el pH y los gradientes eléctricos y provocando cambios conformacionales en las subunidades F1 ÿ de la sintasa que resultan en la síntesis de ATP a partir de ADP + fosfato inorgánico. El transporte de electrones y la fosforilación están estrechamente acoplados en la fosforilación oxidativa. Estos procesos pueden ser desacoplados por UCP1 de la membrana mitocondrial interna de los adipocitos marrones y por compuestos sintéticos como + el 2,4-dinitrofenol y la aspirina, todos los cuales disipan el H. En las mitocondrias desacopladas, la energía producidadegradado. por el transporte de electrones se libera como calor en lugar de que ser utilizado para sintetizar ATP. Los defectos en la fosforilación oxidativa suelen ser el resultado de alteraciones en el mtDNA. Las deficiencias en la fosforilación oxidativa suelen causar acidosis láctica, en particular en los músculos, el sistema nervioso central y la retina. Las manifestaciones clínicas de los trastornos de la fosforilación oxidativa incluyen convulsiones, oftalmoplejía, debilidad muscular y miocardiopatía. La liberación de citocromo c de las mitocondrias al citosol estimula la generación del apoptosoma y la subsiguiente activación de las caspasas proteolíticas que dan como resultado la muerte celular por apoptosis. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 6.18 Mapa conceptual clave para la fosforilación oxidativa (OXPHOS). (Nota: el flujo de electrones [e ÿ ] y la síntesis de ATP se muestran como conjuntos de engranajes entrelazados para enfatizar el acoplamiento). TCA = ácido tricarboxílico; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; FAD(H2 ) = dinucleótido de flavina y adenina; FMN = mononucleótido de flavina; ADP = difosfato de adenosina. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 6.1 El 2,4-dinitrofenol (DNP), un desacoplador de la fosforilación oxidativa, se usó como agente de pérdida de peso en el ******conversor de libros electrónicos DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google 1930 Los informes de sobredosis fatales llevaron a su interrupción en 1939. ¿Cuál de los siguientes sería más probable que sea cierto con respecto a las personas que toman 2,4-DNP? A. Los niveles de ATP en las mitocondrias son mayores de lo normal. B. La temperatura corporal está elevada como resultado del hipermetabolismo. C. El cianuro no tiene efecto sobre el flujo de electrones. D. El gradiente de H+ a través de la membrana mitocondrial interna es mayor de lo normal. E. La tasa de transporte de electrones es anormalmente baja. Respuesta correcta = B. Cuando la fosforilación se desacopla del flujo de electrones, se espera una disminución en el gradiente de protones a través de la membrana mitocondrial interna y, por lo tanto, una síntesis de ATP alterada. En un intento de compensar este defecto en la captura de energía, se incrementa el metabolismo y el flujo de electrones al oxígeno. Este hipermetabolismo irá acompañado de una temperatura corporal elevada porque la energía de los combustibles se desperdicia en gran medida y aparece como calor. La cadena de transporte de electrones aún será inhibida por el cianuro. 6.2 ¿Cuál de los siguientes tiene la mayor tendencia a ganar electrones? A. Coenzima Q B. Citocromo c C. Dinucleótido de flavina y adenina D. Dinucleótido de nicotinamida y adenina E. Oxígeno Respuesta correcta = E. El oxígeno es el aceptor terminal de electrones en la cadena de transporte de electrones (ETC). Los electrones fluyen por el ETC al oxígeno porque tiene el potencial de reducción (E0) más alto (más positivo ). Las otras opciones preceden al oxígeno en el ETC y tienen valores E0 más bajos. 6.3 Explique por qué y cómo la lanzadera de malato-aspartato mueve los equivalentes reductores del dinucleótido de nicotinamida y adenina desde el citosol hasta la matriz mitocondrial. No hay transportador para el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH) en la membrana mitocondrial interna. + Sin embargo, el NADH citoplasmático puede oxidarse a NAD por la malato deshidrogenasa cuando el oxaloacetato (OAA) se reduce a malato. El malato se transporta a través de la membrana interna a la matriz, donde la isoenzima mitocondrial de la malato deshidrogenasa lo oxida a OAA a medida que el + NAD mitocondrial se reduce a NADH. Este NADH puede ser oxidado por el Complejo I de la cadena de transporte través de de electrones, los procesos generando acopladostres de ATP a fosforilación oxidativa. 6.4 El monóxido de carbono (CO) se une e inhibe el Complejo IV de la cadena de transporte de electrones. ¿Qué efecto, si lo hay, debería tener este inhibidor respiratorio sobre la fosforilación del difosfato de adenosina (ADP) a ATP? La inhibición del transporte de electrones por inhibidores respiratorios como el CO da como resultado una incapacidad para mantener el flujo de protones. + ) degradado. Por lo tanto, se inhibe la fosforilación de ADP a ATP, al igual que las reacciones auxiliares como el calcio + (Absorción de H por las mitocondrias, porque también requieren el H degradado. 6.5 Las personas con defectos en la fosforilación oxidativa con mayor frecuencia desarrollaron su condición a partir de A. daño adquirido a los genes autosómicos. B. herencia de una mutación en mtDNA. C. mutaciones heredadas de su padre. D. Herencia ligada al cromosoma X de su madre. Respuesta correcta = B. Es más probable que los defectos en la fosforilación oxidativa sean el resultado de alteraciones en el ADNmt, que tiene una tasa de mutación unas 10 veces mayor que la del ADN nuclear. Las mitocondrias y el mtDNA se heredan exclusivamente de la madre. La herencia ligada al cromosoma X es de ADN nuclear, no de ADNmt. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google *Para obtener más información sobre la apoptosis, consulte LIR Cell and Molecular Biology, 2.ª edición, capítulo 23. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Introducción a los carbohidratos 7 I. VISIÓN GENERAL Los carbohidratos son las moléculas orgánicas más abundantes en la naturaleza. Tienen una amplia gama de funciones, que incluyen proporcionar una fracción significativa de las calorías dietéticas para la mayoría de los organismos, actuar como una forma de almacenamiento de energía en el cuerpo y servir como componentes de la membrana celular que median algunas formas de comunicación intercelular. Los carbohidratos también sirven como componente estructural de muchos organismos, incluidas las paredes celulares de las bacterias, el exoesqueleto de los insectos y la celulosa fibrosa de las plantas. La fórmula empírica para muchos de los carbohidratos más simples es (CH2O)n , donde n ÿ3, de ahí el nombre “hidrato de carbono”. II. CLASIFICACIÓN Y ESTRUCTURA Los monosacáridos o azúcares simples se pueden clasificar según el número de átomos de carbono que contienen. En la figura 7.1 se enumeran ejemplos de algunos monosacáridos que se encuentran comúnmente en los seres humanos . También se pueden clasificar por el tipo de grupo carbonilo que contienen. Los carbohidratos que tienen un aldehído como grupo carbonilo se denominan aldosas, mientras que los que tienen un ceto como grupo carbonilo se denominan cetosas (fig. 7.2). Por ejemplo, el gliceraldehído es una aldosa, mientras que la dihidroxiacetona es una cetosa. Los carbohidratos que tienen un grupo carbonilo libre tienen el sufijo -osa. (Nota: las cetosas tienen una “ul” adicional en su sufijo, como la xilulosa. Hay excepciones a esta regla, como la fructosa). Los monosacáridos se pueden unir mediante enlaces glucosídicos para crear estructuras más grandes (Fig. 7.3). Los disacáridos contienen dos unidades de monosacáridos, los oligosacáridos contienen de 3 a 10 unidades de monosacáridos y los polisacáridos contienen más de 10 unidades de monosacáridos y pueden tener cientos de unidades de azúcar de longitud. Figura 7.1 Ejemplos de monosacáridos encontrados en humanos, clasificados según el número de carbonos que contienen. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 7.2 Ejemplos de azúcar aldosa (A) y cetosa (B) . A. Isómeros y epímeros Los compuestos que tienen la misma fórmula química pero diferente estructura son isómeros entre sí. Por ejemplo, la fructosa, la glucosa, la manosa y la galactosa tienen la misma fórmula química, C6H12O6 , con diferentes carbohidratos estructuras.que Losdifieren isómeros en la de configuración alrededor de un solo átomo de carbono específico (con la excepción del carbono carbonílico, véase C. 1. a continuación) se definen como epímeros entre sí. Por ejemplo, la glucosa y la galactosa son epímeros C-4 porque sus estructuras difieren solo en la posición del grupo –OH (hidroxilo) en el carbono 4. (Nota: los carbonos en los azúcares se numeran comenzando por el extremo que contiene el carbono carbonilo [ es decir, el grupo aldehído o ceto], como se muestra en la figura 7.4.) La glucosa y la manosa son epímeros C-2. Sin embargo, debido a que la galactosa y la manosa difieren en la posición de los grupos –OH en dos carbonos (carbonos 2 y 4), son isómeros en lugar de epímeros (ver Fig. 7.4). Figura 7.3 Enlace glucosídico entre dos hexosas que producen un disacárido. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. Enantiómeros Un tipo especial de isomería se encuentra en los pares de estructuras que son imágenes especulares entre sí. Estas imágenes especulares se denominan enantiómeros, y los dos miembros del par se designan como azúcar D y azúcar L (fig. 7.5). La gran mayoría de los azúcares en humanos son D-isómeros. En la forma D-isomérica, el grupo –OH del carbono asimétrico (un carbono unido a cuatro átomos o grupos diferentes) más alejado del carbono carbonílico está a la derecha, mientras que en el isómero L está a la izquierda. La mayoría de las enzimas son específicas para la forma D o L , pero las enzimas conocidas como isomerasas pueden interconvertir los isómeros D y L. C. Ciclación de monosacáridos Menos del 1% de cada uno de los monosacáridos con cinco o más carbonos existe en forma de cadena abierta (acíclica) en solución. Más bien, se encuentran predominantemente en forma de anillo o cíclica, en la que el grupo aldehído (o ceto) ha reaccionado con un grupo hidroxilo en el mismo azúcar, formando el carbono carbonilo (carbono 1 para una aldosa, carbono 2 para una cetosa) asimétrico. Este carbono asimétrico se denomina carbono anomérico. 1. Anómeros: la creación de un carbono anomérico (el antiguo carbono carbonilo) genera un nuevo par de isómeros, las configuraciones ÿ y ÿ del azúcar (p. ej., ÿ-Dglucopiranosa y ÿ-D-glucopiranosa), como se muestra en la Figura 7.6, que son anómeros entre sí. (Nota: en la configuración ÿ, el grupo –OH en el carbono anomérico se proyecta hacia el mismo lado que el anillo en una fórmula de proyección de Fischer modificada [ver Fig. 7.6A] y es trans al grupo CH2OH en una fórmula de proyección de Haworth [ véase la figura 7.6B]. Las formas ÿ y ÿ no son imágenes especulares y se denominan diastereoisómeros.) Las enzimas pueden distinguir entre estas dos estructuras y utilizar una u otra preferentemente. Por ejemplo, el glucógeno se sintetiza a partir de la ÿ-D-glucopiranosa, mientras que la celulosa se sintetiza a partir de la ÿ-D-glucopiranosa. Los anómeros cíclicos ÿ y ÿ de un azúcar en solución forman espontáneamente (pero lentamente) una mezcla en equilibrio, un proceso conocido como mutarotación (ver Fig. 7.6). (Nota: para la glucosa, la forma ÿ constituye el 36 % de la mezcla). 2. Azúcares reductores: si el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un azúcar ciclado no está unido a otro compuesto por un enlace glucosídico (ver E. a continuación), el anillo puede abrirse. El azúcar puede actuar como agente reductor y se denomina azúcar reductor. Dichos azúcares pueden reaccionar con agentes cromogénicos (p. ej., el reactivo de Benedict) provocando que el reactivo se reduzca y coloree a medida que el grupo aldehído del azúcar acíclico se oxida a un grupo carboxilo. Todos los monosacáridos, pero no todos los disacáridos, son azúcares reductores. (Nota: la fructosa, una cetosa, es un azúcar reductor porque puede isomerizarse a una aldosa). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 7.4 Epímeros de carbono-2 (C-2) y C-4 y un isómero de glucosa. Una prueba colorimétrica puede detectar un azúcar reductor en la orina. Un resultado positivo es indicativo de una patología subyacente (porque los azúcares normalmente no están presentes en la orina) y puede ser seguido por pruebas más específicas para identificar el azúcar reductor. D. Unión de monosacáridos Los monosacáridos se pueden unir para formar disacáridos, oligosacáridos y ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google polisacáridos. Los disacáridos importantes incluyen lactosa (galactosa + glucosa), sacarosa (glucosa + fructosa) y maltosa (glucosa + glucosa). Los polisacáridos importantes incluyen glucógeno ramificado (de origen animal) y almidón (de origen vegetal) y celulosa no ramificada (de origen vegetal). Cada uno es un polímero de glucosa. Figura 7.5 Enantiómeros (imágenes especulares) de la glucosa. La designación de D y L es en comparación con una triosa, gliceraldehído. (Nota: los carbonos asimétricos se muestran en verde). E. Enlaces glucosídicos Los enlaces que unen los azúcares se llaman enlaces glucosídicos. Están formadas por enzimas conocidas como glicosiltransferasas que utilizan azúcares nucleótidos (azúcares activados) como la uridina difosfato glucosa como sustratos. Los enlaces glucosídicos entre azúcares se nombran de acuerdo con el número de carbonos conectados y con respecto a la posición del grupo hidroxilo anomérico del primer azúcar involucrado en el enlace. Si este hidroxilo anomérico está en la configuración ÿ, entonces el enlace es un enlace ÿ. Si está en la configuración ÿ, entonces el enlace es un enlace ÿ. La lactosa, por ejemplo, se sintetiza formando un enlace glucosídico entre el carbono 1 de la ÿ galactosa y el carbono 4 de la glucosa. Por lo tanto, el enlace es un enlace glucosídico ÿ(1ÿ4) (ver Fig. 7.3). (Nota: debido a que el extremo anomérico del residuo de glucosa no está involucrado en el enlace glucosídico, [y, por lo tanto, la lactosa] sigue siendo un azúcar reductor). Figura 7.6 A: La interconversión (mutarotación) de las formas anoméricas ÿ y ÿ de glucosa mostradas como fórmulas de proyección de Fischer modificadas. B: La interconversión mostrada como fórmulas de proyección de Haworth. (No hay té ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google el azúcar con un anillo de seis miembros [5 C + 1 O] se denomina piranosa, mientras que uno con un anillo de cinco miembros [4 C + 1 O] es una furanosa. Prácticamente toda la glucosa en solución está en forma de piranosa). F. Enlace de carbohidratos a no carbohidratos Los carbohidratos se pueden unir mediante enlaces glucosídicos a estructuras que no son carbohidratos, incluidas bases de purina y pirimidina en ácidos nucleicos, anillos aromáticos como los que se encuentran en los esteroides, proteínas y lípidos. Si el grupo en la molécula que no es carbohidrato a la que está unido el azúcar es un grupo –NH2, entonces el enlace se denomina enlace glucosídico N. Si el grupo es un –OH, entonces el enlace es un enlace O-glucosídico (Fig. 7.7). (Nota: todos los enlaces glucosídicos azúcar-azúcar son enlaces tipo O). tercero DIGESTIÓN DIETÉTICA DE CARBOHIDRATOS Los sitios principales de digestión de los carbohidratos de la dieta son la boca y la luz intestinal. Esta digestión es rápida y está catalizada por enzimas conocidas como glucósido hidrolasas (glucosidasas) que hidrolizan los enlaces glucosídicos (fig. 7.8). Debido a que hay pocos monosacáridos presentes en las dietas mixtas de origen animal y vegetal, las enzimas son principalmente endoglicosidasas que hidrolizan polisacáridos y oligosacáridos y disacaridasas que hidrolizan trisacáridos y disacáridos en sus componentes de azúcares reductores. Las glucosidasas suelen ser específicas para la estructura y configuración del residuo de glucosilo que se va a eliminar, así como para el tipo de enlace que se va a romper. Los productos finales de la digestión de carbohidratos son los monosacáridos glucosa, galactosa y fructosa que son absorbidos por las células (enterocitos) del intestino delgado. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 7.7 Ejemplos de enlaces N- y O-glucosídicos en glicoproteínas. A. Alfa-amilasa salival Los principales polisacáridos dietéticos consumidos por los seres humanos son de origen vegetal (almidón, compuesto por amilosa y amilopectina) y animal (glucógeno). Durante la masticación o la masticación, la ÿ-amilasa salival actúa brevemente sobre el almidón y el glucógeno de la dieta, hidrolizando enlaces aleatorios ÿ(1ÿ4). (Nota: hay endoglucosidasas ÿ[1ÿ4] y ÿ[1ÿ4] en la naturaleza, pero los humanos no producen esta última. Por lo tanto, no podemos digerir la celulosa, un carbohidrato de origen vegetal que contiene enlaces glucosídicos ÿ[1ÿ4] entre los residuos de glucosa). Debido a que la amilopectina ramificada y el glucógeno también contienen enlaces ÿ(1ÿ6), que la ÿ-amilasa no puede hidrolizar, el digerido resultante de su acción contiene una mezcla de oligosacáridos cortos, ramificados y no ramificados conocidos como dextrinas (fig. 7.9). (Nota: los disacáridos también están presentes ya que también son resistentes a la amilasa). La digestión de carbohidratos se detiene temporalmente en el estómago, porque la alta acidez inactiva la ÿ-amilasa salival. B. ÿ-amilasa pancreática Cuando los contenidos ácidos del estómago llegan al intestino delgado, son neutralizados por el bicarbonato secretado por el páncreas, y la ÿ-amilasa pancreática continúa el proceso. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google proceso de digestión del almidón. Figura 7.8 Hidrólisis de un enlace glucosídico. C. Disacaridasas intestinales Los procesos digestivos finales ocurren principalmente en el revestimiento mucoso del duodeno y el yeyuno superior e incluyen la acción de varias disacaridasas (v . fig. 7.9). Por ejemplo, la isomaltasa rompe el enlace ÿ(1ÿ6) en la isomaltosa y la maltasa rompe el enlace ÿ(1ÿ4) en la maltosa y la maltotriosa, cada una de las cuales produce glucosa. La sacarasa rompe el enlace ÿ(1ÿ2) en la sacarosa, produciendo glucosa y fructosa, y la lactasa (ÿgalactosidasa) rompe el enlace ÿ(1ÿ4) en la lactosa, produciendo galactosa y glucosa. (Nota: los sustratos de la isomaltasa son más amplios de lo que sugiere su nombre e hidroliza la mayor parte de la maltosa). La trehalosa, un disacárido ÿ(1ÿ1) de la glucosa que se encuentra en las setas y otros hongos, es escindida por la trehalasa. Estas enzimas son proteínas transmembrana del borde en cepillo en la superficie luminal (apical) de los enterocitos. La sacarasa y la isomaltasa son actividades enzimáticas de una sola proteína dividida en dos subunidades funcionales que permanecen asociadas en la membrana celular y forman el complejo sacarasa-isomaltasa (SI). Por el contrario, la maltasa es una de las dos actividades enzimáticas de la proteína de membrana única maltasa, la glucoamilasa (MGA) que no se escinde. Su segunda actividad enzimática, la glucoamilasa, escinde los enlaces glucosídicos ÿ(1ÿ4) en las dextrinas. D. Absorción intestinal de monosacáridos El yeyuno superior absorbe la mayor parte de los productos monosacáridos de la digestión. Sin embargo, diferentes azúcares tienen diferentes mecanismos de absorción (Fig. 7.10). Por ejemplo, la galactosa y la glucosa se introducen en los enterocitos mediante un transporte activo secundario + ) iones. que requiere una captación simultánea (simporte) de sodio (la proteína de transporte de Na es el los cotransportador de glucosa dependiente de sodio 1 (SGLT-1). (Nota: el transporte de azúcar es impulsado por Entonces un ] + gradiente creado por el Na ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* + -potasio [K + Machine Translated by Google ATPasa que mueve Na + del enterocito y la absorción de K + en [ver Fig. 7.10].) Transportador + utiliza una energía y Na (GLUT-5). Los tres monosacáridos de monosacáridos son independiente de fructosa transportados desde los enterocitos a la circulación portal por otro transportador, GLUT-2. (Nota: Ver las páginas 106 y 107 para una discusión de estos transportadores.) Figura 7.9 Digestión de carbohidratos. (Nota: la celulosa no digerible ingresa al colon y se excreta). E. Degradación anormal de disacáridos El proceso general de digestión y absorción de carbohidratos es tan eficiente en individuos sanos que, por lo general, todos los carbohidratos digeribles de la dieta se absorben cuando el material ingerido llega al yeyuno inferior. Sin embargo, debido a que sólo se absorben los monosacáridos, cualquier deficiencia (genética o adquirida) en una actividad disacaridasa específica de la mucosa intestinal provoca el paso de carbohidratos no digeridos al intestino grueso. Como consecuencia de la presencia de este material osmóticamente activo, el agua se extrae de la mucosa hacia el intestino grueso, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google causando diarrea osmótica. Esto se ve reforzado por la fermentación bacteriana del carbohidrato restante a compuestos de dos y tres carbonos (que también son osmóticamente activos) más grandes volúmenes de dióxido de carbono y gas hidrógeno (H2 ), lo que provoca calambres abdominales, diarrea y flatulencia. 1. Deficiencias de enzimas digestivas: Las deficiencias genéticas de las disacaridasas individuales dan como resultado una intolerancia a los disacáridos. Las alteraciones en la degradación de disacáridos también pueden ser causadas por una variedad de enfermedades intestinales, desnutrición y medicamentos que dañan la mucosa del intestino delgado. Por ejemplo, las enzimas del borde en cepillo se pierden rápidamente en individuos normales con diarrea intensa, lo que provoca una deficiencia enzimática adquirida temporal. Por lo tanto, los pacientes que sufren o se recuperan de tal trastorno no pueden beber o comer cantidades significativas de productos lácteos o sacarosa sin exacerbar la diarrea. Figura 7.10 Absorción por los enterocitos de los productos monosacáridos de la digestión de carbohidratos. GLUT = transportador + + de glucosa; SGLT-1 = sodio (Na potasio. cotransportador de glucosa dependiente de ). k = 2. Intolerancia a la lactosa: más del 60% de los adultos del mundo experimentan malabsorción de lactosa porque carecen de la enzima lactasa (fig. 7.11). Las personas de herencia del norte de Europa tienen más probabilidades de mantener la capacidad de digerir la lactosa en la edad adulta. Hasta el 90% de los adultos de ascendencia africana o asiática tienen deficiencia de lactasa. En consecuencia, son menos capaces de metabolizar la lactosa que los individuos de origen del norte de Europa. La pérdida de actividad de la lactasa dependiente de la edad que comienza aproximadamente a los 2 años representa una reducción en la cantidad de enzima producida. Se cree que es causado por pequeñas variaciones en la secuencia de ADN de una región en el cromosoma 2 que controla la expresión del ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google gen para la lactasa, también en el cromosoma 2. El tratamiento para este trastorno consiste en reducir el consumo de leche; comer yogur y algunos quesos (la acción bacteriana y el proceso de maduración disminuyen el contenido de lactosa), así como vegetales verdes, como el brócoli, para asegurar una ingesta adecuada de calcio; usar productos tratados con lactasa; o tome lactasa en forma de píldora antes de comer. Se conocen casos raros de deficiencia congénita de lactasa. Figura 7.11 Metabolismo anormal de la lactosa. CO2 = dióxido de carbono; H2 = hidrógeno gaseoso. 3. Deficiencia de sacarasa-isomaltasa: la deficiencia de SI produce intolerancia a la sacarosa ingerida. Esta condición se consideraba bastante rara, más común en los inuit de Alaska y Groenlandia; ahora, se estima que hasta el 9% de los estadounidenses de ascendencia europea se ven afectados por una forma de deficiencia de SI. Inicialmente considerado como un trastorno exclusivamente autosómico recesivo, aquellos con una mutación (portadores) a veces expresan manifestaciones de la enfermedad. Ahora, se conocen 25 mutaciones diferentes en el gen de la sacarosa humana. Los individuos homocigotos para mutaciones expresan deficiencia congénita de SI y experimentan diarrea osmótica, esteatorrea leve, irritabilidad y vómitos después de consumir sacarosa. Los portadores heterocigotos a menudo tienen síntomas que incluyen diarrea crónica, dolor abdominal e hinchazón. El tratamiento incluye la dieta ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google restricción de sacarosa y terapia de reemplazo enzimático. 4. Diagnóstico de deficiencias enzimáticas: la identificación de una deficiencia enzimática específica se puede obtener realizando pruebas de tolerancia oral con los disacáridos individuales. La medición de H2 en el aliento es una prueba confiable para determinar la cantidad de carbohidratos ingeridos que no son absorbidos por el cuerpo, pero que son metabolizados por la flora intestinal (ver Fig. 7.11). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google IV. Resumen del capítulo Los monosacáridos (fig. 7.12) que contienen un grupo aldehído se llaman aldosas, y los que tienen un grupo ceto se llaman cetosas. Los disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos consisten en monosacáridos unidos por enlaces glucosídicos. Los compuestos que tienen la misma fórmula química pero distinta estructura se denominan isómeros. Dos isómeros de monosacáridos que difieren en la configuración alrededor de un átomo de carbono específico (no el carbono del carbonilo) se definen como epímeros. En los enantiómeros (imágenes especulares), los miembros del par de azúcares se designan como isómeros D y L. Cuando el grupo aldehído de un azúcar acíclico se oxida a medida que se reduce un agente cromogénico, ese azúcar es un azúcar reductor. Cuando un azúcar se cicla, se crea un carbono anomérico a partir del carbono carbonílico del grupo aldehído o ceto. El azúcar puede tener dos configuraciones, formando anómeros ÿ o ÿ. Un azúcar puede tener su carbono anomérico unido a un grupo –NH2 o –OH en otra estructura a través de enlaces N y Oglucosídicos, respectivamente. La ÿ-amilasa salival inicia la digestión de los polisacáridos de la dieta (p. ej., almidón o glucógeno), produciendo oligosacáridos. La ÿ-amilasa pancreática continúa el proceso. Los procesos digestivos finales ocurren en el revestimiento mucoso del intestino delgado. Varias disacaridasas (p. ej., lactasa [ÿ-galactosidasa], sacarasa, isomaltasa y maltasa) producen monosacáridos (glucosa, galactosa y fructosa). Estas enzimas son proteínas transmembrana del borde en cepillo luminal de las células de la mucosa intestinal (enterocitos). La absorción de los monosacáridos requiere transportadores específicos. Si la degradación de carbohidratos es deficiente (como resultado de herencia, enfermedad o fármacos que lesionan la mucosa intestinal), los carbohidratos no digeridos pasarán al intestino grueso, donde pueden causar diarrea osmótica. La fermentación bacteriana del material produce grandes volúmenes de dióxido de carbono y gas hidrógeno, lo que provoca calambres abdominales, diarrea y flatulencia. La intolerancia a la lactosa, causada principalmente por la pérdida de lactasa dependiente de la edad (hipolactasia de tipo adulto), es con mucho la más común de estas deficiencias. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 7.12 Mapa conceptual clave para la clasificación y estructura de los monosacáridos y la digestión de los carbohidratos de la dieta. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 7.1 La glucosa es A. un epímero C-4 de galactosa. B. una cetosa y generalmente existe como un anillo de furanosa en solución. C. producido a partir del almidón de la dieta por la acción de la ÿ-amilasa. D. utilizado en sistemas biológicos solo en la forma L-isomérica. Respuesta correcta = A. Debido a que la glucosa y la galactosa difieren solo en la configuración alrededor del carbono 4, son epímeros C-4 que son interconvertibles por la acción de una epimerasa. La glucosa es un azúcar de aldosa que normalmente existe como un anillo de piranosa en solución. La fructosa, sin embargo, es una cetosa con un anillo de furanosa. La ÿ-amilasa no produce monosacáridos. La forma D-isomérica de los carbohidratos es la forma que normalmente se encuentra en los sistemas biológicos, en contraste con los aminoácidos que normalmente se encuentran en la forma L-isomérica. 7.2 Un hombre de 28 años se presenta en el consultorio con una queja principal de hinchazón y diarrea recurrentes. Sus ojos están hundidos y el médico nota signos adicionales de deshidratación. La temperatura del paciente es normal. Explica que el episodio más reciente ocurrió anoche poco después de que comiera helado de postre. Lo más probable es que este cuadro clínico esté causado por una deficiencia en la actividad de: A. isomaltasa. B. lactasa. C. ÿ-amilasa pancreática. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google D. ÿ-amilasa salival. E. sacarasa. Respuesta correcta = B. Los síntomas físicos sugieren una deficiencia en una enzima responsable de la degradación de carbohidratos. Los síntomas observados tras la ingestión de productos lácteos sugieren que el paciente tiene deficiencia de lactasa como resultado de la reducción de la expresión de la enzima dependiente de la edad. 7.3 El examen de rutina de la orina de un paciente pediátrico asintomático mostró una reacción positiva con Clinitest (un método de reducción de cobre para detectar azúcares reductores) pero una reacción negativa con la prueba de glucosa oxidasa para detectar glucosa. Usando estos datos, muestre en el cuadro a continuación cuáles de los azúcares podrían (SÍ) o no (NO) estar presentes en la orina de este individuo. Azúcar Sí No Fructosa galactosa Glucosa Lactosa sacarosa xilulosa Cada uno de los azúcares enumerados, a excepción de la sacarosa y la glucosa, podría estar presente en la orina de este individuo. Clinitest es una prueba inespecífica que produce un cambio de color si la orina es positiva para sustancias reductoras como azúcares reductores (fructosa, galactosa, glucosa, lactosa, xilulosa). Debido a que la sacarosa no es un azúcar reductor, Clinitest no la detecta. La prueba de glucosa oxidasa detectará solo glucosa y no puede detectar otros azúcares. La prueba de glucosa oxidasa negativa junto con una prueba de azúcar reductora positiva significa que la glucosa no puede ser el azúcar reductor en la orina del paciente. 7.4 Explique por qué los inhibidores de la ÿ-glucosidasa, como la acarbosa y el miglitol, que se toman con las comidas, se pueden usar en el tratamiento de algunos pacientes con diabetes mellitus. ¿Qué efecto deberían tener estos fármacos sobre la digestión de la lactosa? Los inhibidores de la ÿ-glucosidasa retardan la producción de glucosa a partir de los carbohidratos de la dieta, lo que reduce el aumento posprandial de la glucosa en sangre y facilita un mejor control de la glucosa en sangre en pacientes diabéticos. Estos fármacos no tienen efecto sobre la digestión de la lactosa porque el disacárido lactosa contiene un enlace glucosídico ÿ, no un enlace glucosídico ÿ. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Introducción al Metabolismo y la Glucólisis 8 I. VISIÓN GENERAL DEL METABOLISMO En el Capítulo 5, se analizaron reacciones enzimáticas individuales para explicar los mecanismos de catálisis. Sin embargo, en las células, estas reacciones rara vez ocurren de forma aislada. En cambio, están organizados en secuencias de varios pasos llamadas vías, como la de la glucólisis (Fig. 8.1). En una vía, el producto de una reacción sirve como sustrato de la reacción subsiguiente. La mayoría de las vías se pueden clasificar como catabólicas (degradativas) o anabólicas (sintéticas). Las vías catabólicas descomponen moléculas complejas, como proteínas, polisacáridos y lípidos, en unas pocas moléculas simples (p. ej., dióxido de carbono, amoníaco y agua). Las vías anabólicas forman productos finales complejos a partir de precursores simples, por ejemplo, la síntesis del polisacárido glucógeno a partir de la glucosa. Diferentes caminos pueden cruzarse, formando una red integrada y útil de reacciones químicas. El metabolismo es la suma de todos los cambios químicos que ocurren en una célula, un tejido o el cuerpo. Los metabolitos son productos intermedios del metabolismo. Los siguientes capítulos se centran en las vías metabólicas centrales que intervienen en la síntesis y degradación de carbohidratos, lípidos y aminoácidos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.1 Glucólisis, un ejemplo de vía metabólica. (Nota: el piruvato a fosfoenolpiruvato requiere dos reacciones). Las flechas de reacción curvas ( ) indican directas ePinversas que son catalizadas porreacciones diferentes enzimas. = fosfato. A. Mapa metabólico El metabolismo se comprende mejor examinando las vías de sus componentes. Cada vía está compuesta por secuencias multienzimáticas y cada enzima, a su vez, puede exhibir características catalíticas o reguladoras importantes. En la Figura 8.2 se presenta un mapa metabólico que contiene las vías centrales importantes del metabolismo energético . Esta vista de “panorama general” del metabolismo es útil para rastrear las conexiones entre las vías, visualizar el movimiento intencional de los metabolitos y representar el efecto sobre el flujo de intermediarios si una vía es inhibida o bloqueada, por ejemplo, por un fármaco o una deficiencia hereditaria de metabolitos. una enzima A lo largo de las próximas tres unidades de este libro, cada vía en discusión se presentará repetidamente como parte del mapa metabólico principal que se muestra en la Figura 8.2. B. Vías catabólicas Las reacciones catabólicas sirven para capturar energía química en forma de ATP a partir de la degradación de moléculas de combustible ricas en energía. La generación de ATP por degradación de moléculas complejas ocurre en tres etapas, como se muestra en la Figura 8.3. (Nota: catabólico ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Las vías suelen ser oxidativas y requieren coenzimas oxidadas como el dinucleótido de nicotinamida y adenina [NAD+ ]). El catabolismo también permite que las moléculas de la dieta o las moléculas de nutrientes almacenadas en las células se conviertan en componentes básicos necesarios para la síntesis de moléculas complejas. El catabolismo, entonces, se describe como un proceso convergente en el que una amplia variedad de moléculas se transforman en unos pocos productos finales comunes. Figura 8.2 Reacciones importantes del metabolismo intermediario. Se destacan varias vías importantes que se discutirán en capítulos posteriores. Las flechas de reacción curvas ( ) indican reacciones directas e inversas que son catalizadas por diferentes enzimas. Las flechas rectas ( ) indican reacciones catalizadas directas por laemisma inversas enzima. que son Texto azul = intermediarios del metabolismo de los carbohidratos; texto marrón = intermediarios del metabolismo de los lípidos; texto verde = intermediarios del metabolismo de las proteínas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google UDP = difosfato de uridina; P = fosfato; CoA = coenzima A; CO2 = dióxido de carbono; HCO3 bicarbonato; NH3 = amoníaco. = Figura 8.3 Tres etapas del catabolismo. CoA = coenzima A; TCA = ácido tricarboxílico; CO2 = dióxido de carbono. 1. Hidrólisis de moléculas complejas: en la primera etapa, las moléculas complejas se descomponen en sus componentes básicos. Por ejemplo, las proteínas se degradan a aminoácidos, los polisacáridos a monosacáridos y las grasas (triacilgliceroles) a ácidos grasos libres y glicerol. 2. Conversión de bloques de construcción en intermediarios simples: en la segunda etapa, estos diversos bloques de construcción se degradan aún más a acetil coenzima A (CoA) y algunas otras moléculas simples. Parte de la energía se captura como ATP, pero la cantidad es pequeña en comparación con la energía producida durante la tercera etapa del catabolismo. 3. Oxidación de acetil CoA: El ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) (consulte el Capítulo 9) es la vía común final en la oxidación de moléculas de combustible que producen acetil CoA. La oxidación de acetil CoA genera grandes cantidades de ATP a través de la fosforilación oxidativa a medida que los electrones fluyen desde el NADH y el dinucleótido de flavina y adenina (FADH2 ) al oxígeno ([O2 ], consulte el Capítulo 6). C. Vías anabólicas A diferencia del catabolismo, el anabolismo es un proceso divergente en el que unos pocos precursores biosintéticos (como los aminoácidos) forman una amplia variedad de productos poliméricos o complejos (como las proteínas [fig. 8.4]). Las reacciones anabólicas requieren energía (son endergónicas), que generalmente es proporcionada por la hidrólisis de ATP a difosfato de adenosina (ADP) y fosfato inorgánico (Pi). (Nota: las reacciones catabólicas generan energía [son exergónicas]). Las reacciones anabólicas a menudo implican reducciones químicas en las que el poder reductor lo proporciona con mayor frecuencia el donante de electrones NADPH (NADH fosforilado, véase el capítulo 13). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.4 Comparación de vías catabólicas y anabólicas. NADH = dinucleótido de nicotinamida y adenina. II. REGULACIÓN DEL METABOLISMO Las vías del metabolismo deben coordinarse para que la producción de energía o la síntesis de productos finales satisfagan las necesidades de la célula. Además, las células individuales funcionan como parte de una comunidad de tejidos que interactúan, no de forma aislada. Así, ha evolucionado un sofisticado sistema de comunicación para coordinar las funciones del cuerpo. Las señales reguladoras que informan a una célula individual sobre el estado metabólico del cuerpo como un todo incluyen hormonas, neurotransmisores y la disponibilidad de nutrientes. Estos, a su vez, influyen en las señales generadas dentro de la célula (fig. 8.5). A. Comunicación intracelular La velocidad de una vía metabólica puede responder a las señales reguladoras que surgen desde el interior de la célula. Por ejemplo, la velocidad puede estar influenciada por la disponibilidad de sustratos, la inhibición del producto o alteraciones en los niveles de activadores o inhibidores alostéricos. Estas señales intracelulares provocan típicamente respuestas rápidas y son importantes para la regulación del metabolismo momento a momento. B. Comunicación intercelular La capacidad de responder a las señales intercelulares es esencial para el desarrollo ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google y supervivencia de los organismos. La señalización entre células proporciona una integración de largo alcance del metabolismo y, por lo general, da como resultado una respuesta, como un cambio en la expresión génica, que es más lento de lo que se observa con las señales intracelulares. La comunicación entre células puede estar mediada, por ejemplo, por el contacto de superficie a superficie y, en algunos tejidos, por la formación de uniones comunicantes, lo que permite la comunicación directa entre los citoplasmas de las células adyacentes. Sin embargo, para el metabolismo energético, la vía de comunicación más importante es la señalización química entre las células por medio de hormonas transportadas por la sangre o por neurotransmisores. Figura 8.5 Algunos mecanismos comúnmente utilizados para la transmisión de señales reguladoras entre células. C. Receptores ligados a proteínas G y sistemas de segundos mensajeros Las hormonas y los neurotransmisores pueden considerarse como señales y sus receptores como detectores de señales. Los receptores son proteínas que a menudo se encuentran incrustadas en las membranas plasmáticas de sus células diana. Responden a un ligando unido a ellos iniciando una serie de reacciones que finalmente resultan en respuestas intracelulares específicas. Muchos receptores que regulan el metabolismo están vinculados a ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google proteínas de unión a GTP intracelulares llamadas proteínas G y se conocen como receptores acoplados a proteína G (GPCR). Este tipo de receptor regula la producción de moléculas denominadas segundos mensajeros, que reciben este nombre porque intervienen entre el mensajero extracelular original (el neurotransmisor u hormona) y el efecto intracelular final. Los segundos mensajeros son parte de la cascada de eventos que convierte (transduce) la unión del ligando en una respuesta. Dos de los sistemas de segundos mensajeros más ampliamente reconocidos regulados por proteínas G son el sistema de fosfolipasa C que involucra el sistema de calcio y fosfatidilinositol y el sistema de adenilil ciclasa (adenilato ciclasa), que es particularmente importante en la regulación de las vías del metabolismo intermediario. Ambos sistemas se inician mediante la unión de ligandos hormonales, como la epinefrina o el glucagón, a GPCR específicos incrustados en la membrana plasmática de la célula diana que responderá a la hormona. Figura 8.6 Estructura de un receptor acoplado a proteína G típico de la membrana plasmática. Los GPCR se caracterizan por un dominio de unión a ligando extracelular, siete hélices ÿ transmembrana y un dominio intracelular que interactúa con proteínas G heterotriméricas compuestas de subunidades ÿ, ÿ y ÿ (fig. 8.6). (Nota: la insulina, otro regulador clave del metabolismo, no emite señales a través de GPCR, sino que a ) actúa a través de un receptor con actividad de tirosina cinasa [consulte el Capítulo 23]. D. Adenilil ciclasa Unión del ligando hormonal por algunos GPCR, incluidos los ÿ- y ÿ2****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google receptores adrenérgicos, provoca un aumento o una disminución de la actividad de la adenilil ciclasa. Esta es una enzima unida a la membrana que convierte el ATP en 3ÿ,5ÿ- monofosfato de adenosina (AMP cíclico o cAMP) cuando está activo. 1. Proteínas reguladoras dependientes de trifosfato de guanosina o proteínas G: el efecto del GPCR activado y ocupado en la formación de segundos mensajeros está mediado por proteínas G heterotriméricas especializadas (subunidades ÿ, ÿ y ÿ) que se encuentran en la cara interna de la membrana plasmática. Las proteínas G se nombran porque su subunidad ÿ se une al trifosfato de guanosina (GTP) cuando se activa. En la forma inactiva de una proteína G, la subunidad ÿ está unida a GDP (fig. 8.7). La unión del ligando provoca un cambio conformacional en el receptor, provocando el reemplazo de este GDP con GTP. La forma unida a GTP de la subunidad ÿ se disocia de las subunidades ÿÿ y se traslada a la enzima adenilil ciclasa unida a la membrana, lo que afecta su actividad enzimática. Muchas moléculas de proteína Gÿ activa están formadas por un receptor activado. (Nota: la capacidad de una hormona o neurotransmisor para estimular o inhibir la adenilil ciclasa depende del tipo de proteína Gÿ que está unida al receptor. Un tipo, denominado Gs , estimula adenilil la adenilil ciclasa ciclasa . [no mostrado].) [ver Fig. 8.7] mientras que Gi inhibe la La adenilil ciclasa activada convierte el trifosfato de adenosina (ATP) en el segundo mensajero AMPc o monofosfato de adenosina cíclico. Luego, el AMPc activa la proteína quinasa de serina/treonina conocida como proteína quinasa A (PKA), que se describe a continuación. Las acciones del complejo Gÿ-GTP son de corta duración porque Gÿ tiene una actividad GTPasa inherente, lo que da como resultado la rápida hidrólisis de GTP a GDP. Esto provoca la inactivación de Gÿ, su disociación de la adenilil ciclasa y su reasociación con el dímero ÿÿ. Las toxinas de Vibrio cholerae (cólera) y Bordetella pertussis (tos ferina) provocan una activación inapropiada de la adenilil ciclasa a través de la modificación covalente (ribosilación de ADP) de diferentes proteínas G que interactúan con la adenilil ciclasa. Con la toxina del cólera, la actividad GTPasa de Gÿs se inhibe en las células intestinales. Con la tos ferina, la toxina de la tos ferina inactiva Gÿi en las células del tracto respiratorio. El resultado en ambas situaciones es un aumento de la actividad de la adenilil ciclasa y una producción excesiva del segundo mensajero, cAMP. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.7 El reconocimiento de señales químicas por parte de ciertos receptores de membrana desencadena un aumento (o, con menor frecuencia, una disminución) de la actividad de la adenilil ciclasa. GDP y GTP = guanosina di- y trifosfatos; AMPc = monofosfato de adenosina cíclico. 2. Proteínas cinasas: el siguiente paso en el sistema de segundos mensajeros de AMPc es la activación de una familia de enzimas denominadas proteínas cinasas dependientes de AMPc, incluida la PKA, como se muestra en la figura 8.8. El AMPc activa la PKA al unirse a sus dos subunidades reguladoras, lo que provoca la liberación de sus dos subunidades catalíticamente activas. La PKA activa es una serina/treonina quinasa porque funciona para transferir fosfato del ATP a residuos específicos de serina o treonina de sus sustratos proteicos específicos. Las proteínas fosforiladas pueden actuar directamente sobre los canales iónicos de la célula o, si son enzimas, pueden activarse o inhibirse. (Nota: no todos los tipos de proteínas quinasas dependen del AMPc; por ejemplo, la proteína quinasa C, activada en respuesta a la señalización de la fosfolipasa C, depende del calcio). 3. Proteínas fosfatasas: los grupos fosfato añadidos a las proteínas por las proteínas cinasas son eliminados por las fosfoproteínas fosfatasas, enzimas que escinden hidrolíticamente los ésteres de fosfato (v . fig. 8.8). Las acciones de las fosfatasas aseguran que los cambios en la actividad de la proteína inducidos por la fosforilación no sean permanentes. 4. Hidrólisis de AMPc: la fosfodiesterasa de AMPc hidroliza rápidamente el AMPc a 5ÿAMP que escinde el enlace 3ÿ,5ÿ-fosfodiéster cíclico. 5ÿ- AMP no es una molécula de señalización intracelular. Por lo tanto, los efectos de los aumentos de AMPc mediados por neurotransmisores u hormonas terminan rápidamente si se elimina la señal extracelular. (Nota: la fosfodiesterasa cAMP es inhibida por la cafeína, un derivado de la metilxantina). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.8 Acciones del monofosfato de adenosina cíclico (cAMP). = fosfato; ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico. tercero DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA GLUCOLISIS La vía glucolítica es utilizada por todos los tejidos para la oxidación de glucosa para proporcionar energía (como ATP) e intermediarios para otras vías metabólicas. La glucólisis está en el centro del metabolismo de los carbohidratos porque prácticamente todos los azúcares, ya sea que surjan de la dieta o de reacciones catabólicas en el cuerpo, pueden convertirse finalmente en glucosa (Fig. 8.9A). El piruvato es el producto final de la glucólisis en células con mitocondrias y un suministro adecuado de O2 . Esta serie de 10 reacciones se denomina glucólisis aeróbica porque se requiere O2 para reoxidar el NADH formado durante la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato (figura 8.9B). La glucólisis aeróbica prepara el escenario para la oxidación ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google descarboxilación de piruvato a acetil CoA, un combustible principal del ciclo TCA. Alternativamente, el piruvato se reduce a lactato cuando el NADH se oxida a NAD+ (fig. 8.9C). Esta conversión de glucosa a lactato se llama glucólisis anaeróbica porque puede ocurrir sin la participación de O2 . La glucólisis anaeróbica permite la producción de ATP en tejidos que carecen de mitocondrias (p. ej., glóbulos rojos [RBC] y partes del ojo) o en células privadas de suficiente O2 (hipoxia). IV. TRANSPORTE DE GLUCOSA A LAS CÉLULAS La glucosa no puede difundirse directamente en las células, sino que entra por uno de dos sistemas de transporte: un sodio (sistema +)- y sistema de transporte independiente de ATP o un Na + - y dependiente de ATP de cotransporte de Na. Figura 8.9 A: La glucólisis se muestra como una de las vías esenciales del metabolismo energético. B: Reacciones de la glucólisis aeróbica. C: Reacciones de la glucólisis anaeróbica. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; P = fosfato. A. Sistema de transporte independiente de sodio y ATP Este sistema pasivo está mediado por una familia de 14 isoformas transportadoras de glucosa (GLUT) que se encuentran en las membranas celulares. Se designan GLUT-1 a GLUT-14. Estos transportadores de proteínas monoméricas existen en la membrana en dos estados conformacionales (fig. 8.10). La glucosa extracelular se une al transportador, que luego altera su conformación, transportando la glucosa a través de la membrana celular a través de la difusión facilitada. Debido a que los GLUT transportan una molécula a la vez, son uniportadores. b 1. Especificidad de tejido: GLUT muestra un patrón de expresión específico de tejido (consulte la Tabla 8.1 para ver ejemplos de algunos GLUT). Por ejemplo, GLUT-1 es abundante en la mayoría de los tejidos, mientras que GLUT-4 es abundante en músculo y tejido adiposo, y GLUT-5 transporta fructosa. (Nota: la cantidad de transportadores GLUT-4 activos en estos tejidos aumenta con la insulina [ver p. 345 para una discusión sobre la insulina ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google y transporte de glucosa].) GLUT-2 es abundante en el hígado, riñones y células ÿ pancreáticas. Las otras isoformas de GLUT también tienen especificidad de tejido. distribuciones. Figura 8.10 Representación esquemática del transporte facilitado de glucosa a través de una membrana celular. (Nota: las proteínas transportadoras de glucosa son monoméricas y contienen 12 hélices ÿ transmembrana). 2. Funciones especializadas: en difusión facilitada, glucosa mediada por transportador el movimiento es a favor de un gradiente de concentración (es decir, de una alta concentración a una inferior, por lo que no necesita energía). Por ejemplo, GLUT-1, GLUT-3 y Los GLUT-4 participan principalmente en la absorción de glucosa de la sangre. A diferencia de, GLUT-2, en el hígado y los riñones, puede transportar glucosa a estas células cuando los niveles de glucosa en sangre son altos o transportan glucosa desde estas células cuando los niveles de glucosa en sangre son bajos (p. ej., durante el ayuno). GLUT-5 es inusual porque es el principal transportador de fructosa (no glucosa) en el intestino delgado y el testículos Cuadro 8.1 Distribución tisular de GLUT seleccionados Ubicación Función km (mM) GLUT-1 La mayoría de los tejidos Captación de glucosa basal 1 GLUT-2 Hígado, riñones, páncreas Elimina el exceso de glucosa de la sangre 15–20 GLUT-3 La mayoría de los tejidos Captación de glucosa basal GLUT-4 músculo y grasa Elimina el exceso de glucosa de la sangre 5 GLUT-5 Intestino delgado, testículos Transporte de fructosa ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* 1 10 Machine Translated by Google B. Cotransporte de glucosa dependiente de sodio y ATP Este tipo de cotransporte de glucosa con sodio ocurre en las células epiteliales del intestino, los túbulos renales y el plexo coroideo. Este es un proceso que requiere energía que transporta la glucosa contra (hacia arriba) su gradiente de concentración, desde concentraciones extracelulares bajas hasta concentraciones intracelulares más altas, + mientras que el Na se transporta a favor de su gradiente electroquímico. Hay una + ATPasa concentración extracelular de Na mucho mayor que de la intracelular, Na +–K ++ .que es el resultado de la , + El gradiente de concentración de Na impulsa el transporte de glucosa contra su gradiente de concentración; La hidrólisis de ATP es una fuente de energía indirecta porque es + necesaria para establecer el gradiente transporte de Na. (veractivo también secundario la Fig. 7.10). de glucosa Debidorequiere a que este la captación concurrente (simporte) de Na, el transportador es un cotransportador de glucosa + dependiente sodio (SGLT). (Nota: el plexo coroideo, parte de la barrera hematoencefálica, , tambiéndecontiene GLUT-1). C La proteína cotransportadora de glucosa dependiente de sodio 2 (SGLT2) funciona en los riñones y es el principal transportador para la reabsorción de glucosa en la sangre. Las gliflozinas son inhibidores de SGLT2, que reducen la reabsorción de glucosa en el riñón y, por lo tanto, reducen el azúcar en la sangre. Los inhibidores de SGLT2 se usan para tratar la hiperglucemia en personas con diabetes tipo II. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.11 Dos fases de la glucólisis aeróbica. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; ADP = difosfato de adenosina. V. REACCIONES DE GLUCOLISIS La conversión de glucosa en piruvato se produce en dos etapas (fig. 8.11). Las primeras cinco reacciones de la glucólisis corresponden a una fase de inversión de energía en la que las formas fosforiladas de los intermediarios se sintetizan a expensas del ATP. Las reacciones posteriores de la glucólisis constituyen una fase de generación de energía en la que se forma una red de dos moléculas de ATP por fosforilación a nivel de sustrato por molécula de glucosa metabolizada. A. Fosforilación de glucosa Las moléculas de azúcar fosforiladas no penetran fácilmente en las membranas celulares porque no existen transportadores transmembrana específicos para estos compuestos y porque son demasiado polares para difundirse a través del núcleo lipídico de las membranas. Por tanto, la fosforilación irreversible de la glucosa (fig. 8.12) atrapa eficazmente el azúcar como glucosa 6-fosfato citosólica y la compromete a un mayor metabolismo en la c Los mamíferos tienen cuatro isoenzimas (I-IV) de la enzima hexoquinasa que catalizan la fosforilación de glucosa a glucosa 6-fosfato. 1. Hexocinasas I–III: en la mayoría de los tejidos, la fosforilación de glucosa es catalizada por una de estas isoenzimas de hexocinasa, que es una de las tres enzimas reguladoras de la glucólisis (junto con la fosfofructocinasa [PFK] y la piruvato cinasa [PK]). Son inhibidos por el producto de reacción glucosa 6-fosfato, que se acumula cuando se reduce el metabolismo adicional de esta hexosa fosfato. Las hexocinasas I-III tienen una constante de Michaelis baja (Km) y, por tanto, una gran afinidad (v. pág. 63) por la glucosa. Esto permite la fosforilación eficaz y el subsiguiente metabolismo de la glucosa incluso cuando las concentraciones tisulares de glucosa son bajas (fig. 8.13). Sin embargo, debido a que estas isoenzimas tienen una velocidad máxima baja ([Vmax ], consulte la página 61) para la glucosa, no secuestran (atrapan) el fosfato celular en forma de glucosa fosforilada ni fosforilan más glucosa de la que la célula puede usar. (Nota: estas isoenzimas tienen una amplia especificidad de sustrato y pueden fosforilar varias hexosas además de la glucosa). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.12 Fase de inversión de energía: fosforilación de glucosa. (Nota: las quinasas utilizan ATP complejado con un ion metálico divalente, generalmente magnesio). ADP = difosfato de adenosina; = fosfato. 2. Hexocinasa IV: en las células del parénquima hepático y las células ÿ del páncreas, la glucocinasa (la isoenzima de la hexocinasa IV) es la enzima predominante responsable de la fosforilación de la glucosa. En las células ÿ, la glucocinasa funciona como sensor de glucosa y determina el umbral para la secreción de insulina (v. pág. 343). (Nota: la hexoquinasa IV también sirve como sensor de glucosa en las neuronas hipotalámicas y juega un papel clave en la respuesta adrenérgica a la hipoglucemia [ver pág. 350].) En el hígado, la enzima facilita la fosforilación de la glucosa durante la hiperglucemia. A pesar del nombre popular pero engañoso de glucoquinasa, la especificidad de azúcar de la enzima es similar a la de otras isoenzimas de hexoquinasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.13 Efecto de la concentración de glucosa en la tasa de fosforilación catalizada por hexocinasa y glucocinasa. Km = constante de Michaelis; Vmax = velocidad máxima. una. Cinética: la glucocinasa se diferencia de las hexocinasas I-III en varias propiedades importantes. Por ejemplo, tiene una Km mucho más alta, lo que requiere una concentración de glucosa más alta para la saturación media (ver Fig. 8.13). Por lo tanto, la glucocinasa funciona solo cuando la concentración intracelular de glucosa en el hepatocito es elevada, como durante el breve período posterior al consumo de una comida rica en carbohidratos, cuando se envían altos niveles de glucosa al hígado a través de la vena porta. La glucoquinasa tiene una Vmax alta , lo que permite que el hígado elimine de manera efectiva la avalancha de glucosa que entrega la sangre portal. Esto evita que grandes cantidades de glucosa ingresen a la circulación sistémica después de una comida de este tipo, lo que minimiza la hiperglucemia durante el período de absorción. (Nota: GLUT-2 asegura que la glucosa en sangre se equilibre rápidamente a través de la membrana del hepatocito). b. Regulación: la glucosa 6-fosfato no inhibe directamente la actividad de la glucoquinasa como lo hacen las otras hexoquinasas. En cambio, es inhibida indirectamente por la fructosa 6-fosfato (que está en equilibrio con la glucosa 6-fosfato, un producto de la glucoquinasa) y es estimulada indirectamente por la glucosa (un sustrato de la glucoquinasa). La regulación se logra mediante la unión reversible a la proteína reguladora de la proteína hepática glucoquinasa (GKRP). En presencia de fructosa 6-fosfato, la glucocinasa se une fuertemente a GKRP y se transloca al núcleo, lo que inactiva la enzima (fig. 8.14). cuando la glucosa ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google los niveles en la sangre (y también en el hepatocito, como resultado de GLUT-2) aumentan, la GKRP libera glucocinasa y la enzima vuelve a entrar en el citosol donde fosforila glucosa a glucosa 6-fosfato. (Nota: GKRP es un inhibidor competitivo del uso de glucosa por parte de la glucocinasa). Figura 8.14 Regulación de la actividad de la glucocinasa por la proteína reguladora de la glucocinasa. GLUT = transportador de glucosa. La glucoquinasa funciona como un sensor de glucosa en la homeostasis de la glucosa en sangre. Las mutaciones inactivadoras de la glucoquinasa son la causa de una forma rara de diabetes, la diabetes del joven tipo 2 de inicio en la madurez (MODY 2), que se caracteriza por una alteración de la secreción de insulina e hiperglucemia. B. Isomerización de glucosa 6-fosfato La isomerización de glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato es catalizada por la fosfoglucosa isomerasa (fig. 8.15). La reacción es fácilmente reversible y no es un paso limitador de velocidad o regulado. C. Fosforilación de fructosa 6-fosfato La reacción de fosforilación irreversible catalizada por PFK-1 es el punto de control más importante y el paso limitante y comprometido de la glucólisis (fig. 8.16). La PFK 1 está controlada por las concentraciones disponibles de los sustratos ATP y fructosa 6-fosfato, así como por otras moléculas reguladoras. 1. Regulación por niveles de energía intracelular: PFK-1 es inhibido alostéricamente por ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google niveles elevados de ATP, que actúan como una señal rica en energía que indica una abundancia de compuestos de alta energía. Los niveles elevados de citrato, un intermediario en el ciclo TCA (ver pág. 122), también inhiben la PFK-1. (Nota: la inhibición por citrato favorece el uso de glucosa para la síntesis de glucógeno [ver pág. 138].) Por el contrario, la PFK-1 se activa alostéricamente por altas concentraciones de AMP, lo que indica que las reservas de energía de la célula están agotadas. Figura 8.15 Isomerización aldosa-cetosa de glucosa 6-fosfato a fructosa 6-fosfato. = fosfato. 2. Regulación por la fructosa 2,6-bisfosfato: la fructosa 2,6-bisfosfato es el activador más potente de la PFK-1 (v . fig. 8.16) y es capaz de activar la enzima incluso cuando los niveles de ATP son altos. Se forma a partir de la fructosa 6-fosfato por la PFK 2. A diferencia de la PFK-1, la PFK-2 es una proteína bifuncional que tiene tanto la actividad quinasa que produce la fructosa 2,6-bisfosfato como la actividad fosfatasa que desfosforila la fructosa 2,6-bisfosfato. a la fructosa 6-fosfato. En la isoenzima hepática, la fosforilación de PFK-2 inactiva el dominio cinasa y activa el dominio fosfatasa (fig. 8.17). Lo contrario se ve en la isoenzima cardiaca. El PFK-2 esquelético no está regulado covalentemente. (Nota: la fructosa 2,6-bisfosfato es un inhibidor de la fructosa 1,6-bisfosfatasa, una enzima de la gluconeogénesis. Las acciones recíprocas de la fructosa 2,6-bisfosfato sobre la glucólisis [activación] y la gluconeogénesis [inhibición] aseguran que ambos ** ****ebook convertidor DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google las vías no están completamente activas al mismo tiempo, evitando un ciclo inútil de oxidación de glucosa a piruvato seguido de resíntesis de glucosa a partir de piruvato). una. Durante el estado de buena alimentación: Los niveles reducidos de glucagón y los niveles elevados de insulina (como ocurre después de una comida rica en carbohidratos) provocan un aumento de la fructosa 2,6-bisfosfato hepática (PFK-2 se desfosforila) y, por lo tanto, en la tasa de glucólisis (ver Fig. 8.17). Por lo tanto, la fructosa 2,6-bisfosfato actúa como una señal intracelular de abundancia de glucosa. b. Durante el ayuno: por el contrario, los niveles elevados de glucagón y los niveles bajos de insulina que se producen durante el ayuno (v. pág. 364) provocan una disminución de la fructosa 2,6-bisfosfato hepática (la PFK-2 está fosforilada). Esto da como resultado la inhibición de la glucólisis y la activación de la gluconeogénesis. Figura 8.16 Fase de inversión energética (continuación): conversión de fructosa 6-fosfato a triosa fosfatos. = fosfato; AMP y ADP = mono- y difosfatos de adenosina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.17 Efecto de la concentración elevada de insulina sobre la concentración intracelular de fructosa 2,6-bisfosfato en el hígado. PFK-2 = fosfofructoquinasa-2; FBP-2 = fructosa 2,6bisfosfatasa; AMP y ADP = mono- y difosfatos de adenosina; AMPc = AMP cíclico; = fosfato. D. Escisión de fructosa 1,6-bisfosfato La aldolasa escinde la fructosa 1,6-bifosfato en dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y gliceraldehído 3-fosfato (fig. 8.16). La reacción es reversible y no regulada. (Nota: la aldolasa B, la isoforma hepática, también escinde la fructosa 1-fosfato y funciona en el metabolismo de la fructosa en la dieta). E. Isomerización del fosfato de dihidroxiacetona La triosa fosfato isomerasa interconvierte DHAP y gliceraldehído 3-fosfato (fig. 8.16). DHAP debe isomerizarse a gliceraldehído 3-fosfato para su posterior metabolismo por la vía glucolítica. Esta isomerización da como resultado la producción neta de dos moléculas de gliceraldehído 3-fosfato a partir de los productos de escisión de la fructosa 1,6-bisfosfato. (Nota: DHAP se utiliza en la síntesis de triacilglicerol). F. Oxidación de gliceraldehído 3-fosfato La conversión de gliceraldehído 3-fosfato en 1,3-bisfosfoglicerato (1,3-BPG) por la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa es la primera reacción de oxidación-reducción de la glucólisis (fig. 8.18). (Nota: debido a que hay una cantidad limitada de NAD+ en la célula, el NADH formado por la reacción de la deshidrogenasa debe oxidarse para que continúe la glucólisis. Dos mecanismos principales para oxidar el NADH a NAD+ son la reducción del piruvato a lactato por la lactato deshidrogenasa [LDH ] anaeróbico y la cadena de transporte de electrones ([ETC] aeróbico). Debido a que el NADH no puede cruzar la membrana mitocondrial interna, el ETC requiere los transportadores de sustrato de malato-aspartato y glicerol 3-fosfato para mover los equivalentes reductores de NADH ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google en la matriz mitocondrial). 1. Síntesis de 1,3-bisfosfoglicerato: la oxidación del grupo aldehído del gliceraldehído 3-fosfato a un grupo carboxilo está acoplada a la unión de Pi al grupo carboxilo. Este grupo fosfato, unido al carbono 1 del producto 1,3-BPG por un enlace de alta energía, conserva gran parte de la energía libre producida por la oxidación del gliceraldehído 3-fosfato. Este fosfato de alta energía impulsa la síntesis de ATP en la siguiente reacción de la glucólisis. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.18 Fase generadora de energía: conversión de gliceraldehído 3-fosfato en piruvato. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; = fosfato; Pi = fosfato inorgánico; ÿ = enlace de alta energía; ADP = difosfato de adenosina. Aplicación clínica 8.1: Envenenamiento por arsénico La toxicidad del arsénico se debe principalmente a la inhibición por parte del arsénico trivalente (arsenito) de enzimas como el complejo piruvato deshidrogenasa (PDHC), que requieren ácido lipoico como coenzima (ver pág. 121). Sin embargo, el arsénico pentavalente (arseniato) puede prevenir la producción neta de ATP y NADH por glucólisis sin inhibir la vía en sí. Lo hace compitiendo con Pi como sustrato de la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, formando un complejo que se hidroliza espontáneamente para formar 3-fosfoglicerato (v . fig. 8.18). Al pasar por alto la síntesis y la transferencia de fosfato del 1,3-BPG, la célula se ve privada de la energía que normalmente se obtiene de la vía glucolítica. (Nota: el arseniato también compite con la unión de Pi al dominio F1 de la ATP sintasa, lo que da como resultado la formación de arseniato de ADP que se hidroliza rápidamente). 2. Síntesis de 2,3-bisfosfoglicerato en glóbulos rojos: parte del 1,3-BPG se convierte en 2,3-BPG por acción de la bifosfoglicerato mutasa (fig. 8.18). El 2,3-BPG, que se encuentra solo en pequeñas cantidades en la mayoría de las células, está presente en altas concentraciones en los glóbulos rojos y sirve para aumentar el suministro de O2 . El 2,3-BPG es hidrolizado por una fosfatasa a 3-fosfoglicerato, que también es un intermediario en la glucólisis (fig. 8.18). En los glóbulos rojos, la glucólisis se modifica mediante la inclusión de estas reacciones de derivación. G. Síntesis de 3-fosfogliceratos y producción de ATP Cuando el 1,3-BPG se convierte en 3-fosfoglicerato, el grupo fosfato de alta energía del 1,3-BPG se utiliza para sintetizar ATP a partir de ADP (fig. 8.18). Esta reacción es catalizada por la fosfoglicerato quinasa que, a diferencia de la mayoría de las otras quinasas, es fisiológicamente reversible. Debido a que se forman dos moléculas de 1,3-BPG a partir de cada molécula de glucosa, esta reacción de cinasa reemplaza las dos moléculas de ATP consumidas por la formación anterior de glucosa 6-fosfato y fructosa 1,6-bisfosfato. (Nota: esta reacción es un ejemplo de fosforilación a nivel de sustrato, en la que la energía necesaria para la producción de un fosfato de alta energía proviene de un sustrato en lugar de la ETC [consulte J. a continuación para ver otros ejemplos]). H. Desplazamiento del grupo fosfato El cambio del grupo fosfato del carbono 3 al carbono 2 del fosfoglicerato por la fosfoglicerato mutasa es libremente reversible. I. Deshidratación de 2-fosfogliceratos La deshidratación del 2-fosfoglicerato por la enolasa redistribuye la energía dentro del sustrato, formando fosfoenolpiruvato (PEP), que contiene una sustancia de alta energía. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google fosfato de enol (fig. 8.18). La reacción es reversible, a pesar de la naturaleza de alta energía del producto. (Nota: el fluoruro inhibe la enolasa y la fluoración del agua reduce la producción de lactato por parte de las bacterias bucales, lo que disminuye la caries dental). J. Síntesis de piruvato y producción de ATP La conversión de PEP a piruvato, catalizada por PK, es la tercera reacción irreversible de la glucólisis. El fosfato de enol de alta energía en PEP se usa para sintetizar ATP a partir de ADP y es otro ejemplo de fosforilación a nivel de sustrato (fig. 8.18). 1. Regulación anticipada: la PK es activada por la fructosa 1,6-bisfosfato, el producto de la reacción de la PFK-1. Esta regulación de retroalimentación (en lugar de la retroalimentación más habitual) tiene el efecto de vincular las dos actividades de quinasa: el aumento de la actividad de PFK-1 da como resultado niveles elevados de fructosa 1,6-bisfosfato, que activa PK. (Nota: PK es inhibida por ATP.) Figura 8.19 La modificación covalente de la piruvato cinasa hepática provoca la inactivación de la enzima. AMPc = monofosfato de adenosina cíclico; PEP = fosfoenolpiruvato; pirofosfato; ADP = fosfato; PPi = = difosfato de adenosina. 2. Regulación covalente en el hígado: fosforilación por conductores de PKA dependientes de cAMP ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google a la inactivación de la isoenzima hepática de PK (fig. 8.19). Cuando los niveles de glucosa en sangre son bajos, el glucagón elevado aumenta el nivel intracelular de AMPc, lo que provoca la fosforilación e inactivación de PK solo en el hígado. Por lo tanto, la PEP no puede continuar en la glucólisis y, en cambio, ingresa en la vía de la gluconeogénesis. Esto explica en parte la inhibición observada de la glucólisis hepática y la estimulación de la gluconeogénesis por parte del glucagón. La desfosforilación de PK por una fosfatasa da como resultado la reactivación de la enzima. 3. Deficiencia de piruvato quinasa: debido a que los glóbulos rojos maduros carecen de mitocondrias, dependen completamente de la glucólisis para la producción de ATP. Se requiere ATP para satisfacer las necesidades metabólicas de los glóbulos rojos y para alimentar las bombas de iones necesarias para el mantenimiento de la forma bicóncava flexible que les permite pasar a través de capilares estrechos. La anemia observada en las deficiencias de enzimas glucolíticas es consecuencia de la reducción de la tasa de glucólisis, lo que conduce a una disminución de la producción de ATP por fosforilación a nivel de sustrato. Las alteraciones resultantes en la membrana de los glóbulos rojos conducen a cambios en la forma celular y, en última instancia, a la fagocitosis por parte de las células del sistema de fagocitos mononucleares, en particular los macrófagos esplénicos. La muerte prematura y la lisis de los glóbulos rojos dan como resultado una anemia hemolítica de leve a grave, y la forma grave requiere transfusion Entre los pacientes con defectos genéticos raros de las enzimas glucolíticas, la mayoría tiene una deficiencia de PK. (Nota: la PK del hígado está codificada por el mismo gen que la isoenzima RBC. Sin embargo, las células hepáticas no muestran ningún efecto porque pueden sintetizar más PK y también pueden generar ATP mediante la fosforilación oxidativa). La gravedad depende del grado de deficiencia de la enzima (generalmente 5% a 35% de los niveles normales) y en la medida en que los glóbulos rojos compensan al sintetizar niveles elevados de 2,3-BPG (ver pág. 32). Casi todas las personas con deficiencia de PK tienen una enzima mutante que muestra una cinética alterada o una estabilidad disminuida (fig. 8.20). Los individuos heterocigotos para la deficiencia de PK tienen resistencia a las formas más graves de paludismo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.20 Alteraciones observadas con varias formas mutantes de piruvato quinasa. Km = constante de Michaelis; Vmax = velocidad máxima; ADP = difosfato de adenosina. La expresión específica de tejido de PK en RBC y el hígado resulta del uso de diferentes sitios de inicio en la transcripción (v. pág. 473) del gen que codifica la enzima. K. Reducción de piruvato a lactato El lactato, formado a partir del piruvato por la LDH, es el producto final de la glucólisis anaeróbica en las células eucariotas (fig. 8.21). La reducción a lactato es el principal destino del piruvato en tejidos que están escasamente vascularizados (p. ej., el cristalino y la córnea del ojo y el ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google médula renal) o en glóbulos rojos que carecen de mitocondrias. 1. Formación de lactato en el músculo: al ejercitar el músculo esquelético, la producción de NADH (por la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa y por las tres deshidrogenasas ligadas a NAD+ del ciclo TCA, véase también el capítulo 9) supera la capacidad oxidativa de la ETC. Esto da como resultado una proporción elevada de NADH/NAD+ , lo que favorece la reducción de piruvato a lactato por LDH. Por lo tanto, durante el ejercicio intenso, el lactato se acumula en el músculo, provocando una caída en el pH intracelular, lo que puede provocar calambres. Gran parte de este lactato eventualmente se difunde en el torrente sanguíneo y puede ser utilizado por el hígado para producir glucosa. Figura 8.21 Interconversión de piruvato y lactato por lactato deshidrogenasa (LDH). NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina. 2. Utilización del lactato: La dirección de la reacción de la LDH depende de las concentraciones intracelulares relativas de piruvato y lactato y de la proporción de NADH/NAD+ . Por ejemplo, en el hígado y el corazón, esta relación es menor que en el músculo ejercitado. En consecuencia, el hígado y el corazón oxidan el lactato (obtenido de la sangre) a piruvato. En el hígado, el piruvato se convierte en glucosa por gluconeogénesis o se convierte en acetil CoA que se oxida en el ciclo TCA. El músculo cardíaco oxida exclusivamente el lactato a dióxido de carbono y agua a través del ciclo TCA. 3. Acidosis láctica: Las concentraciones elevadas de lactato en el plasma, denominadas acidosis láctica (un tipo de acidosis metabólica), ocurren cuando hay un colapso del sistema circulatorio, como infarto de miocardio, embolia pulmonar y hemorragia no controlada, o cuando un individuo está en estado de shock. La incapacidad para llevar cantidades adecuadas de O2 a los tejidos da como resultado una fosforilación oxidativa alterada y una síntesis de ATP disminuida. Para sobrevivir, las células dependen de la glucólisis anaeróbica para generar ATP, produciendo ácido láctico al final. Machine Translated by Google producto. (Nota: la producción de cantidades incluso mínimas de ATP puede salvar vidas durante el período requerido para restablecer el flujo sanguíneo adecuado a los tejidos). El O2 adicional requerido para recuperarse de un período en el que la disponibilidad de O2 ha sido inadecuada se denomina deuda de O2 . (Nota: la deuda de O2 a menudo se relaciona con la morbilidad o mortalidad del paciente. En muchas situaciones clínicas, la medición de los niveles de ácido láctico en sangre permite la detección rápida y temprana de la deuda de O2 en los pacientes y el seguimiento de su recuperación). L. Rendimiento energético de la glucólisis A pesar de la producción de algo de ATP por fosforilación a nivel de sustrato durante la glucólisis, el producto final, piruvato o lactato, todavía contiene la mayor parte de la energía contenida originalmente en la glucosa. Se requiere el ciclo TCA para liberar esa energía por completo. 1. Glucólisis anaeróbica: se genera una red de dos moléculas de ATP por cada molécula de glucosa convertida en dos moléculas de lactato (fig. 8.22). No hay producción ni consumo neto de NADH. 2. Glucólisis aeróbica: la generación de ATP es la misma que en la glucólisis anaeróbica (es decir, una ganancia neta de dos ATP por molécula de glucosa). También se producen dos moléculas de NADH por molécula de glucosa. La glucólisis aeróbica en curso requiere la oxidación de la mayor parte de este NADH por parte del ETC, produciendo tres ATP por cada molécula de NADH que ingresa a la cadena (ver pág. 85). (Nota: el NADH no puede cruzar la membrana mitocondrial interna y se requieren lanzaderas de sustrato). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.22 Resumen de la glucólisis anaeróbica. Se indican las reacciones que implican la producción o el consumo de ATP o dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH). Las tres reacciones irreversibles de la glucólisis se muestran con flechas gruesas. DHAP = fosfato de dihidroxiacetona; ADP = difosfato de adenosina; P = fosfato. VI. REGULACIÓN HORMONAL La regulación de la actividad de las enzimas glucolíticas irreversibles por activación/inhibición alostérica o fosforilación/desfosforilación covalente es a corto plazo (es decir, los efectos se producen en minutos u horas). Superpuestos a estos efectos sobre la actividad de las moléculas enzimáticas preexistentes están los efectos hormonales a largo plazo sobre el número de nuevas moléculas enzimáticas. Estos efectos hormonales pueden resultar en aumentos de 10 a 20 veces en la síntesis de enzimas que generalmente ocurren en horas o días. El consumo regular de comidas ricas en carbohidratos o la administración de insulina inicia un aumento en la cantidad de glucocinasa, PFK-1 y PK en el hígado (fig. 8.23). El cambio refleja un aumento en la transcripción de genes, lo que resulta en una mayor síntesis de enzimas. La mayor disponibilidad de estas tres enzimas favorece la conversión de glucosa en piruvato, una característica del estado de absorción. (Nota: los efectos transcripcionales de la insulina y los carbohidratos [específicamente la glucosa] están mediados por los factores de transcripción proteína de unión al elemento regulador de esteroles 1c y proteína de unión al elemento de respuesta a carbohidratos, respectivamente. Estos factores también regulan la transcripción de genes involucrados en la síntesis de ácidos grasos. .) Por el contrario, la expresión génica de las tres enzimas disminuye cuando el glucagón plasmático es alto y la insulina es baja (p. ej., como se observa en el ayuno o la diabetes). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.23 Efecto de la insulina y el glucagón sobre la expresión de enzimas clave de la glucólisis en el hígado. P = fosfato. VIII. DESTINO ALTERNO DEL PIRUVATO El piruvato se puede metabolizar a productos distintos del lactato. A. Descarboxilación oxidativa a acetil CoA La descarboxilación oxidativa del piruvato por parte del PDHC es una vía importante en tejidos con una gran capacidad oxidativa, como el músculo cardíaco (fig. 8.24). PDHC convierte irreversiblemente el piruvato, el producto final de la glucólisis aeróbica, en acetil CoA, un sustrato del ciclo TCA y la fuente de carbono para la síntesis de ácidos grasos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. Carboxilación a oxaloacetato La carboxilación de piruvato a oxaloacetato por la piruvato carboxilasa es una reacción dependiente de biotina (fig. 8.24). Esta reacción irreversible es importante porque repone el intermedio del ciclo TCA y proporciona sustrato para la gluconeogénesis. C. Reducción a etanol (microorganismos) La reducción de piruvato a etanol se produce mediante las dos reacciones resumidas en la figura 8.24. La descarboxilación del piruvato a acetaldehído por la piruvato descarboxilasa que requiere tiamina ocurre en levaduras y otros microorganismos, pero no en humanos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VIII. Resumen del capítulo La mayoría de las vías se pueden clasificar como catabólicas (degradan moléculas complejas a unos pocos productos simples con la producción de ATP) o anabólicas (sintetizan productos finales complejos a partir de precursores simples con hidrólisis de ATP). La señalización intercelular proporciona la integración del metabolismo. La ruta principal de esta comunicación es la señalización química (p. ej., por hormonas o neurotransmisores). Las moléculas de segundo mensajero se regulan en respuesta a GPCR y transducen una señal química a respondedores intracelulares apropiados. La adenilil ciclasa es una enzima de la membrana celular regulada por GPCR que cataliza la síntesis de cAMP cíclico en respuesta a las hormonas glucagón y epinefrina. El cAMP producido activa la PKA, que fosforila una variedad de enzimas en los residuos de serina/treonina, provocando su activación o desactivación. La fosforilación es revertida por fosfoproteína fosfatasas. La glucólisis aeróbica, en la que el piruvato es el producto final, se produce en células con mitocondrias y un suministro adecuado de oxígeno ([O2 ], fig. 8.25). La glucólisis anaeróbica, en la que el ácido láctico es el producto final, se produce en células que carecen de mitocondrias y en células privadas de suficiente O2 . La glucosa se transporta pasivamente a través de las membranas mediante GLUT que tienen distribuciones específicas de tejido. La oxidación de la glucosa a piruvato (glucólisis, véase la figura 8.25) ocurre a través de una fase de inversión de energía en la que se sintetizan intermediarios fosforilados a expensas de ATP y una fase de generación de energía en la que se produce ATP por fosforilación a nivel de sustrato. La hexocinasa tiene una alta afinidad ( Km baja) y una velocidad máxima baja (Vmax ) por la glucosa y es inhibida por la glucosa 6-fosfato. La glucoquinasa tiene una Km alta y una Vmax alta para la glucosa. Está regulado indirectamente por la fructosa 6-fosfato (inhibe) y la glucosa (activa) a través de GKRP. La glucosa 6-fosfato se isomeriza a fructosa 6-fosfato, que es fosforilada a fructosa 1,6-bisfosfato por PFK-1. Se utilizan un total de dos ATP durante esta fase de la glucólisis. La fructosa 1,6-bisfosfato se escinde para formar dos triosas que luego se metabolizan mediante la vía glucolítica, formando piruvato. Durante esta fase, se producen cuatro ATP y dos NADH por molécula de glucosa. El paso final en la síntesis de piruvato a partir de PEP es catalizado por PK. La deficiencia de PK representa la mayoría de todos los defectos hereditarios de las enzimas glucolíticas. Los efectos se limitan a los glóbulos rojos y se presentan como anemia hemolítica crónica de leve a grave . La transcripción del gen glicolítico se ve reforzada por la insulina y la glucosa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 8.24 Resumen de los destinos metabólicos del piruvato. TPP = pirofosfato de tiamina. TCA = ácido tricarboxílico; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; CoA = coenzima A; CO2 = dióxido de carbono. Figura 8.25 Mapa conceptual clave para la glucólisis. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; AMPc = monofosfato de adenosina cíclico; CoA = coenzima A; TCA = ácido tricarboxílico; CO2 = dióxido de carbono. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 8.1 ¿Cuál de los siguientes describe mejor el nivel de actividad y el estado de fosforilación de las enzimas hepáticas enumeradas en un individuo que consumió una comida rica en carbohidratos hace aproximadamente una hora? PFK-1 = fosfofructoquinasa-1; PFK2 = fosfofructoquinasa-2; = fosforilado. Respuesta correcta = C. Inmediatamente después de una comida, aumentan los niveles de glucosa en sangre y la absorción hepática de glucosa. La glucosa se fosforila a glucosa 6-fosfato y se utiliza en la glucólisis. En respuesta al aumento de la glucosa en sangre, aumenta la relación insulina/ glucagón. Como resultado, el dominio quinasa de PFK-2 se desfosforila y se activa. Su producto, la fructosa 2,6-bisfosfato, activa alostéricamente a la PFK-1. (PFK-1 no está regulado covalentemente). La PFK-1 activa produce fructosa 1,6-bisfosfato que es un activador de avance de la piruvato quinasa. La piruvato cinasa hepática está regulada covalentemente y el aumento de la insulina favorece la desfosforilación y la activación. 8.2 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera solo para las vías anabólicas? A. Sus reacciones irreversibles (fuera del equilibrio) están reguladas. B. Se llaman ciclos si regeneran un intermedio. C. Son convergentes y generan pocos productos simples. D. Son sintéticos y requieren energía. E. Típicamente requieren coenzimas oxidadas. Respuesta correcta = D. Los procesos anabólicos son sintéticos y requieren energía (endergónicos). Las declaraciones A y B se aplican tanto a los procesos anabólicos como catabólicos, mientras que C y E se aplican solo a los procesos catabólicos. 8.3 En comparación con el estado de reposo, el músculo esquelético que se contrae vigorosamente muestra: A. disminución de la relación AMP/ATP. B. niveles reducidos de fructosa 2,6-bisfosfato. C. disminución de NADH/NAD D. + relación. mayor disponibilidad de oxígeno. E. mayor reducción de piruvato a lactato. Respuesta correcta = E. El músculo esquelético que se contrae vigorosamente muestra un aumento en la reducción de piruvato a lactato en comparación con el músculo en reposo. Los niveles de nicotinamida adenina dinucleótido reducido (NADH) aumentan y superan la capacidad oxidativa de la cadena de transporte de electrones. En consecuencia, aumentan los niveles de monofosfato de adenosina (AMP). La concentración de fructosa 2,6-bisfosfato no es un factor regulador clave en el músculo esquelético. 8.4 Elija la afirmación correcta. El transporte de glucosa hacia: A. las células cerebrales se realiza a través del transporte activo. B. las células de la mucosa intestinal requieren insulina. C. las células hepáticas involucran un transportador de glucosa. D. la mayoría de las células es por difusión simple. Respuesta correcta = C. La captación de glucosa en el hígado, el cerebro, los músculos y el tejido adiposo se ha reducido en una concentración ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google gradiente, y el transporte es facilitado por transportadores de glucosa específicos de tejido (GLUT). En los tejidos adiposo y muscular, se requiere insulina para la captación de glucosa. Mover glucosa contra un gradiente de concentración requiere energía y se observa con el cotransportador de glucosa dependiente de sodio 1 (SGLT1) de las células de la mucosa intestinal. A excepción de algunos gases, el transporte de la membrana al interior de las células no se produce por difusión simple. Todo el transporte de glucosa utiliza proteínas de transporte GLUT. 8.5 Dado que la Km de la glucoquinasa para la glucosa es de 10 mM, mientras que la de la hexoquinasa es de 0,1 mM, ¿cuál isoenzima se acercará más a la Vmax a la concentración normal de glucosa en sangre de 5 mM? Respuesta correcta = Hexoquinasa. Km (constante de Michaelis) es la concentración de sustrato que da la mitad de Vmax (velocidad máxima). Cuando la concentración de glucosa en sangre es de 5 mM, la hexocinasa (Km = 0,1 mM) se saturará, pero no la glucocinasa (Km = 10 mM). 8.6 En pacientes con infección por tos ferina y tos ferina, Gÿi se inhibe. ¿Cómo conduce esto a un aumento en el ciclo monofosfato de adenosina (cAMP)? Respuesta correcta = Las proteínas G del tipo Gÿi inhiben la adenilil ciclasa (AC) cuando su receptor acoplado a proteína G asociado se une a un ligando. Si Gÿi es inhibido por la toxina de la tos ferina, la producción de AC de AMPc se activa de manera inapropiada. aPara obtener más información sobre la señalización de GPCR y los segundos mensajeros, consulte LIR Cell and Molecular Biology, 2.ª ed. bPara obtener más información sobre el transporte de glucosa, consulte LIR Cell and Molecular Biology, 2nd Ed., Capítulo 15. cPara obtener más información, consulte LIR Cell and Molecular Biology, 2nd Editions, Capítulos 14 y 15. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Ciclo del ácido tricarboxílico y piruvato Complejo deshidrogenasa 9 I. DESCRIPCIÓN GENERAL DEL CICLO El ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo TCA) también puede denominarse ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs, y desempeña varias funciones en el metabolismo. Es la ruta final donde converge el catabolismo oxidativo de carbohidratos, aminoácidos y ácidos grasos, y sus esqueletos de carbono se convierten en dióxido de carbono (CO2 ), como se muestra en la Figura 9.1. Esta oxidación proporciona energía para la producción de la mayoría de ATP en la mayoría de los animales, incluidos los humanos. Debido a que el ciclo TCA ocurre totalmente en las mitocondrias, está muy cerca de la cadena de transporte de electrones ([ETC]), que oxida las coenzimas reducidas nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) y flavina adenina dinucleótido (FADH2 ) producidas por el ciclo. El ciclo TCA es una vía aeróbica, porque se requiere oxígeno (O2 ) como aceptor final de electrones. Reacciones como el catabolismo de algunos aminoácidos generan intermedios del ciclo y se denominan reacciones anapleróticas (del griego “llenar”). El ciclo TCA también proporciona intermediarios para varias reacciones anabólicas importantes, como la formación de glucosa a partir de los esqueletos de carbono de algunos aminoácidos y la síntesis de algunos aminoácidos (consulte el Capítulo 20, Sección V) y hemo (consulte el Capítulo 21, Sección II B). . Por lo tanto, este ciclo no debe verse como un sistema cerrado, sino como uno abierto con compuestos que entran y salen según sea necesario. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 9.1 El ciclo del ácido tricarboxílico se muestra como parte de las vías esenciales del metabolismo energético. (Nota: consulte la Fig. 8.2 para obtener un mapa más detallado del metabolismo). CO2 = dióxido de carbono; CoA = coenzima A. II. REACCIONES DEL CICLO En el ciclo TCA, el oxaloacetato (OAA) se condensa primero con un grupo acetilo de la acetil coenzima A (CoA) y luego se regenera a medida que se completa el ciclo (ver Fig. 9.1). Dos carbonos entran en el ciclo como acetil CoA y dos salen como CO2 . Por lo tanto, la entrada de un acetil CoA en una ronda del ciclo TCA no conduce a la producción o consumo neto de productos intermedios. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A. Producción de acetil CoA La principal fuente de acetil CoA para el ciclo TCA es la descarboxilación oxidativa del piruvato por el complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa (complejo PDH o PDHC). Sin embargo, el PDHC (descrito a continuación) no es un componente del ciclo TCA. El piruvato, el producto final de la glucólisis, es transportado desde el citosol a la matriz mitocondrial por el transportador mitocondrial de piruvato de la membrana mitocondrial interna. En la matriz, el PDHC convierte el piruvato en acetil CoA. (Nota: la oxidación de ácidos grasos es otra fuente de acetil CoA [consulte el Capítulo 16, Sección IV]). 1. Enzimas del componente PDHC: el PDHC es un agregado proteico de múltiples copias de tres enzimas, piruvato descarboxilasa ([E1] a veces llamada PDH), dihidrolipoil transacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E3). Cada uno cataliza una parte de la reacción general (Fig. 9.2). Su asociación física vincula las reacciones en la secuencia adecuada sin la liberación de intermediarios. Además de las enzimas que participan en la conversión de piruvato en acetil CoA, el PDHC también contiene dos enzimas reguladoras, la piruvato deshidrogenasa cinasa (PDH cinasa) y la piruvato deshidrogenasa fosfatasa (PDH fosfatasa). 2. Coenzimas: El PDHC contiene cinco coenzimas que actúan como transportadores u oxidantes para los intermedios de las reacciones que se muestran en la Figura 9.2. E1 requiere pirofosfato de tiamina (TPP), E2 requiere ácido lipoico y CoA, y E3 requiere FAD y NAD+ . (Nota: TPP, ácido lipoico y FAD están fuertemente ligados a las enzimas y funcionan como coenzimas, grupos prostéticos [ver pág. 58].) Las deficiencias de tiamina o niacina pueden causar problemas graves en el sistema nervioso central. Esto se debe a que las células cerebrales no pueden producir suficiente ATP a través del ciclo TCA si el PDHC está inactivo. Wernicke-Korsakoff, un síndrome de encefalopatía-psicosis debido a la deficiencia de tiamina, se puede observar en personas con trastorno por consumo de alcohol. Figura 9.2 Mecanismo de acción de las enzimas (E) del complejo piruvato deshidrogenasa. (Nota: todas las coenzimas del complejo, excepto el ácido lipoico, se derivan de las vitaminas. TPP es de ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google tiamina, FAD de riboflavina, NAD de niacina y CoA de ácido pantoténico.) CO2 = dióxido de carbono; TPP = pirofosfato de tiamina; L = ácido lipoico; CoA = coenzima A; FAD(H2 ) y NAD(H) = flavina y nicotinamida adenina dinucleótidos; ÿ = enlace de alta energía. 3. Regulación: Las modificaciones covalentes de las dos enzimas reguladoras del PDHC activan e inactivan alternativamente E1. La PDH cinasa fosforila e inactiva E1, mientras que la PDH fosfatasa desfosforila y activa E1 (fig. 9.3). La propia cinasa se activa alostéricamente por ATP, acetil CoA y NADH. Por lo tanto, en presencia de estos productos de alta energía, el PDHC se apaga. (Nota: en realidad es el aumento de ATP/ADP [difosfato de adenosina], NADH/NAD+ , o proporciones de acetil CoA/CoA que afectan la actividad enzimática.) El piruvato es un potente inhibidor de la PDH quinasa. Por lo tanto, si las concentraciones de piruvato 2+ ) es un son elevadas, E1 será máximamente activo. El calcio (Ca es un fuerte activador de la PDH fosfatasa, que estimula la actividad E1. Esto es particularmente importante en el músculo esquelético, donde energía. (Nota: aunque la regulación covalente por laestimula cinasa ylalaPDHC fosfatasa y, por esloprimario, tanto, laelproducción PDHC también de está sujeto a la inhibición del producto [NADH y acetil CoA].) Figura 9.3 Regulación del complejo piruvato deshidrogenasa (PDH). inhibición del producto). = fosfato ( denota 4. Deficiencia: una deficiencia de las subunidades ÿ del componente tetramérico E1 del PDHC, aunque muy rara, es la causa bioquímica más común de acidosis láctica congénita. La deficiencia da como resultado una disminución de la capacidad para convertir el piruvato en acetil CoA, lo que hace que el piruvato se desvíe a lactato a través de la lactato deshidrogenasa (v. pág. 113). Esto crea problemas particulares para el cerebro, que depende del ciclo TCA para la mayor parte de su energía y es particularmente sensible ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google a la acidosis. Los síntomas son variables e incluyen neurodegeneración, espasticidad muscular y, en la forma de inicio neonatal, muerte prematura. El gen de la subunidad ÿ se encuentra en el cromosoma X. La herencia de un solo cromosoma X con la mutación da como resultado la enfermedad; el patrón de herencia es dominante ligado al cromosoma X, y afecta tanto a hombres como a mujeres. Aunque no existe un tratamiento comprobado para la deficiencia de PDHC, la restricción dietética de carbohidratos y la suplementación con tiamina pueden reducir los síntomas en pacientes seleccionados. El síndrome de Leigh (encefalomielopatía necrotizante subaguda) es un trastorno neurodegenerativo raro y progresivo causado por defectos en la producción mitocondrial de ATP, principalmente como resultado de mutaciones en genes que codifican proteínas de PDHC, ETC o ATP sintasa. Tanto el ADN nuclear como el mitocondrial pueden verse afectados. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 9.4 Formación de ÿ-cetoglutarato a partir de acetil coenzima A (CoA) y oxaloacetato. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; CO2 = dióxido de carbono. 5. Envenenamiento por arsénico: como se describió anteriormente (v. pág. 111), el arsénico pentavalente (arseniato) puede interferir con la glucólisis en el paso del gliceraldehído 3-fosfato, lo que reduce la producción de ATP. Sin embargo, el envenenamiento por arsénico se debe principalmente a la inhibición de complejos enzimáticos que requieren ácido lipoico como coenzima, incluidos PDH, ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa (ver E. a continuación) y ÿcetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (ver Capítulo 20, Sección III). El arsenito (la forma trivalente del arsénico) forma un complejo estable con los grupos tiol (ÿSH) del ácido lipoico, lo que hace que ese compuesto no esté disponible para servir como coenzima. Cuando se une al ácido lipoico en el PDHC, el piruvato (y, en consecuencia, el lactato) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google acumula Al igual que con la deficiencia de PDHC, esto afecta particularmente al cerebro, causando trastornos neurológicos y la muerte. B. Síntesis de citrato La condensación irreversible de acetil CoA y OAA para formar citrato (un TCA) es catalizada por la citrato sintasa, la enzima iniciadora del ciclo TCA (fig. 9.4). Esta condensación aldólica tiene un cambio altamente negativo en la energía libre estándar ([ÿG0 ]), lo que favorece fuertemente la formación de citrato. La enzima es inhibida por el citrato (inhibición del producto). La disponibilidad de sustrato es otro medio de regulación de la citrato sintasa. La unión de OAA aumenta en gran medida la afinidad de la enzima por la acetil CoA. (Nota: el citrato, además de ser un intermediario en el ciclo TCA, es una fuente de acetil CoA para la síntesis citosólica de ácidos grasos y colesterol. El citrato también inhibe la fosfofructocinasa-1 [PFK-1], la enzima limitante de la velocidad de la glucólisis y activa la acetil CoA carboxilasa [la enzima limitante de la velocidad de la síntesis de ácidos grasos, consulte el Capítulo 16, Sección III]). C. Isomerización de citrato El citrato se isomeriza a isocitrato a través de la migración del grupo hidroxilo catalizada por la aconitasa (aconitato hidratasa), una proteína de hierro y azufre (v . fig. 9.4). (Nota: la aconitasa es inhibida por el fluoroacetato, una toxina vegetal que se usa como pesticida. El fluoroacetato se convierte en fluoroacetil CoA que se condensa con OAA para formar fluorocitrato, un potente inhibidor de la aconitasa). D. Descarboxilación oxidativa del isocitrato La isocitrato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación oxidativa irreversible del isocitrato a cetoglutarato ÿ, produciendo la primera de tres moléculas de NADH producidas por el ciclo y la primera liberación de CO2 (v . fig. 9.4). Este es uno de los pasos limitantes de la velocidad del ciclo TCA. La enzima es activada alostéricamente por ADP (un 2+ y es energía) y el Ca aumenta cuando inhibida la célula por ATP tiene y NADH, abundantes cuyosreservas niveles son de energía. señales de baja E. Descarboxilación oxidativa de ÿ-cetoglutarato La conversión irreversible de ÿ-cetoglutarato en succinil CoA está catalizada por el complejo ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa, un agregado proteico de múltiples copias de tres enzimas (fig. 9.5). El mecanismo de esta descarboxilación oxidativa es muy similar al utilizado para la conversión de piruvato en acetil CoA por el PDHC. La reacción libera el segundo CO2 y produce el segundo NADH del ciclo. Las coenzimas requeridas son TPP, y CoA. Cada uno funciona como ácido lipoico, FAD, NAD+ que forman parte del mecanismo ,catalítico de forma análoga a la descrita para el PDHC. El gran ÿG0 negativo de la reacción favorece la formación de succinil CoA, un tioéster de alta energía similar al acetil CoA. El complejo ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google es inhibido por sus productos, NADH y succinil CoA, y activado por Ca. Sin embargo, 2+ . no está regulado por reacciones de fosforilación/desfosforilación como las descritas para el PDHC. (Nota: el ÿ-cetoglutarato también se produce mediante la desaminación oxidativa y la transaminación del aminoácido glutamato). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 9.5 Formación de malato a partir de ÿ-cetoglutarato. FAD(H2 ) y NAD(H) = flavina y nicotinamida adenina dinucleótidos; GDP y GTP = guanosina di- y trifosfatos; ÿ = enlace de alta energía; CoA = coenzima A. F. Escisión de succinil CoA La succinato tioquinasa (también llamada succinil CoA sintetasa, llamada así por la reacción inversa) escinde el enlace tioéster de alta energía de la succinil CoA (v . fig. 9.5). Esta reacción está acoplada a la fosforilación de guanosina difosfato (GDP) a guanosina trifosfato (GTP). GTP y ATP son energéticamente interconvertibles por la reacción del nucleósido difosfato quinasa: GTP + ADP ÿ PIB + ATP La generación de GTP por la succinato tioquinasa es otro ejemplo de fosforilación a nivel de sustrato (ver pág. 112). (Nota: la succinil CoA también se produce a partir de propionil CoA derivada del metabolismo de ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono y del metabolismo de varios aminoácidos. Puede convertirse en piruvato para la gluconeogénesis [consulte el Capítulo 10] o usarse en síntesis de hemo [ver Capítulo 21].) G. Oxidación de succinato El succinato se oxida a fumarato por acción de la succinato deshidrogenasa, ya que su coenzima FAD se reduce a FADH2 (v . fig. 9.5). La succinato deshidrogenasa es la única enzima del ciclo TCA que está incrustada en la membrana mitocondrial interna. Como tal, funciona como Complejo II del ETC (ver p. 83). (Nota: FAD, en lugar de NAD+, es el aceptor deNAD+ electrones porque el poder reductor del succinato no es suficiente para , reducir ). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 9.6 Formación (regeneración) de oxaloacetato a partir de malato. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina. H. Hidratación de fumarato El fumarato se hidrata a malato en una reacción libremente reversible catalizada por fumarasa (fumarato hidratasa, véase la figura 9.5). (Nota: el fumarato también se produce en el ciclo de la urea, en la síntesis de purinas [ver Fig. 22.7] y durante el catabolismo de los aminoácidos fenilalanina y tirosina). I. Oxidación del malato El malato se oxida a OAA por acción de la malato deshidrogenasa (fig. 9.6). Esta reacción produce el tercer y último NADH del ciclo. El ÿG0 de la reacción es positivo, pero la reacción es impulsada en la dirección de OAA por la reacción de citrato sintasa altamente exergónica. (Nota: el OAA también se produce por la transaminación del aminoácido ácido aspártico). Figura 9.7 Número de moléculas de ATP producidas a partir de la oxidación de una molécula de acetil coenzima A (CoA) mediante fosforilación oxidativa y a nivel de sustrato. NAD(H) y FAD(H2 ) = dinucleótidos de nicotinamida y flavina adenina; GDP y GTP = guanosina di- y trifosfatos; Pi = fosfato inorgánico. tercero ENERGÍA PRODUCIDA POR EL CICLO Se transfieren cuatro pares de electrones durante una vuelta del ciclo TCA: tres pares que reducen tres NAD+ a NADH y un par que reduce FAD a FADH2 . La oxidación de un NADH por el ETC conduce a la formación de tres ATP, mientras que la oxidación de FADH2 produce dos ATP. El rendimiento total de ATP de la oxidación de un acetil CoA se muestra en la figura 9.7. La figura 9.8 resume las reacciones del ciclo TCA. (Nota: el ciclo no implica el consumo neto o la producción de productos intermedios. Dos carbonos que entran como acetil CoA se equilibran con dos CO2 que salen). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google IV. REGULACIÓN DEL CICLO A diferencia de la glucólisis, que está regulada principalmente por PFK-1, el ciclo TCA está controlado por la regulación de varias enzimas (v . fig. 9.8). Las más importantes de estas enzimas reguladas son aquellas que catalizan reacciones con ÿG0 muy negativo : citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y el complejo ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa. Los equivalentes reductores necesarios para la fosforilación oxidativa son generados por el ciclo PDHC y TCA, y ambos procesos se regulan al alza en respuesta a una disminución en la relación ATP/ADP. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 9.8 A: Producción de coenzimas reducidas, ATP y dióxido de carbono (CO2 ) en el ciclo del ácido tricarboxílico. (Nota: el trifosfato de guanosina [GTP] y el ATP son interconvertidos por la cinasa de difosfato de nucleósido). B: Inhibidores y activadores del ciclo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google V. Resumen del capítulo En el ciclo TCA, también llamado ciclo de Krebs, el PDHC descarboxila oxidativamente el piruvato, lo que produce acetil CoA (fig. 9.9). La multienzima PDHC requiere cinco coenzimas: TPP, ácido lipoico, flavina adenina dinucleótido (FAD), + nicotinamida adenina dinucleótido (NAD PDHC ), yestá CoA.regulada por modificación covalente de E1, por PDH quinasa y PDH fosfatasa: la fosforilación inhibe E1. La PDH quinasa es activada alostéricamente por ATP, acetil CoA y NADH e inhibida por piruvato. La 2+ ). fosfatasa es activada por calcio (Ca Piruvato descarboxilasa) La deficiencia es la causa bioquímica más común de acidosis láctica congénita. El cerebro se ve particularmente afectado en este trastorno dominante ligado al cromosoma X. El envenenamiento por arsénico provoca la inactivación del PDHC al unirse al ácido lipoico. En el ciclo TCA, el citrato se sintetiza a partir de OAA y acetil CoA por la citrato sintasa, que es inhibida por el producto. El citrato se isomeriza a isocitrato por aconitasa (aconitato hidratasa). El isocitrato es oxidativamente descarboxilado por la isocitrato deshidrogenasa a ÿ-cetoglutarato, produciendo CO2 y NADH. La enzima es 2+ . inhibida por ATP y NADH y activada por ADP y Ca. El ÿ-cetoglutarato se descarboxila oxidativamente a succinil CoA por el complejo ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa, produciendo CO2 y NADH. La enzima es muy similar a la PDHC y utiliza el mismo coenzimas. El complejo ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa es activado por Ca pero 2+ e inhibida por NADH y succinil CoA no está regulado covalentemente. La succinil CoA es escindida por la succinato tioquinasa produciendo succinato y GTP. Este es un ejemplo de fosforilación a nivel de sustrato. El succinato se oxida a fumarato por la succinato deshidrogenasa, produciendo FADH2 . El fumarato es hidratado a malato por la fumarasa (fumarato hidratasa), y el malato es oxidado a OAA por la malato deshidrogenasa, produciendo NADH. Tres NADH y un FADH2 se producen en una ronda del ciclo TCA. La generación de acetil CoA por oxidación de piruvato a través del PDHC también produce un NADH. La oxidación de NADH y FADH2 por ETC produce 14 ATP. El fosfato terminal del GTP producido por la fosforilación a nivel de sustrato en el ciclo TCA puede transferirse a ADP por la nucleósido difosfato cinasa, lo que produce otro ATP. Por lo tanto, se producen un total de 15 ATP a partir de la oxidación mitocondrial completa del piruvato a CO2 . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 9.9 Mapa conceptual clave para el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). PDHC = complejo piruvato deshidrogenasa; CoA = coenzima A; CO2 = dióxido de carbono; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; FAD(H2 ) = dinucleótido de flavina y adenina; GDP y GTP = guanosina di- y trifosfatos; ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 9.1 La conversión de piruvato en acetil coenzima A y dióxido de carbono: A. implica la participación de ácido lipoico. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. se activa cuando se fosforila la piruvato descarboxilasa del complejo piruvato deshidrogenasa (PDHC) por la PDH quinasa en presencia de ATP. C. es reversible. D. ocurre en el citosol. E. requiere la coenzima biotina. Respuesta correcta = A. El ácido lipoico es un aceptor intermedio del grupo acetilo formado en la reacción. (Nota: El ácido lipoico unido a un residuo de lisina en E2 funciona como un "brazo oscilante" que permite la interacción con E1 y E3). El PDHC cataliza una reacción irreversible que se inhibe cuando el componente descarboxilasa (E1) es fosforilado. El PDHC se encuentra en la matriz mitocondrial. La biotina es utilizada por las carboxilasas, no descarboxilasas. 9.2 ¿Cuál de las siguientes condiciones disminuye la oxidación de la acetil coenzima A por el ciclo del ácido cítrico? A. Una alta disponibilidad de calcio B. Una relación acetil CoA/CoA alta C. Una relación ATP/ADP baja D. Un NAD bajo +/relación NADH + Respuesta correcta = D. Un NAD bajo /NADH (nicotinamida adenina dinucleótido oxidada a reducida) limita la + tasas de la NAD -que requieren deshidrogenasas. Alta disponibilidad de calcio y sustrato (acetil coenzima A) y una proporción baja de ATP/ADP (trifosfato de adenosina a difosfato) estimula el ciclo. 9.3 Lo siguiente es la suma de tres pasos en el ciclo del ácido cítrico. A + B + FAD + H2O ÿ C + FADH2 + NADH. Elija la respuesta con letras que corresponda a las "A", "B" y "C" que faltan en la ecuación. Reactivo A Reactivo B Producto C A. Succinil CoA PIB succinato B. succinato NAD+ oxaloacetato C. Fumarato NAD+ oxaloacetato D. succinato NAD+ Malato E. Fumarato GTP Malato + Respuesta correcta = B. Succinato + NAD + FAD + H2O ÿ oxalacetato + NADH + FADH2 . 9.4 Un varón de 1 mes muestra problemas neurológicos y acidosis láctica. Un ensayo de actividad enzimática para el piruvato El complejo deshidrogenasa (PDHC) realizado en extractos de fibroblastos de piel cultivados mostró un 5 % de actividad normal con una concentración baja de pirofosfato de tiamina (TPP) pero con un 80 % de la actividad normal cuando el ensayo contenía un concentración mil veces mayor de TPP. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre este paciente es ¿correcto? R. Se espera que la administración de tiamina reduzca su nivel de lactato sérico y mejore sus síntomas clínicos. B. Se esperaría que una dieta alta en carbohidratos sea beneficiosa para este paciente. C. Se espera que aumente la producción de citrato a partir de la glucólisis aeróbica. D. Se espera que la quinasa PDH, una enzima reguladora del PDHC, esté activa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Respuesta correcta = A. El paciente parece tener una deficiencia de PDHC sensible a la tiamina. El componente piruvato descarboxilasa (E1) del PDHC no se une al pirofosfato de tiamina a bajas concentraciones, pero muestra una actividad significativa a altas concentraciones de la coenzima. Esta mutación, que afecta la Km (constante de Michaelis) de la enzima para la coenzima, está presente en algunos, pero no en todos, los casos de deficiencia de PDHC. Debido a que el PDHC es una parte integral del metabolismo de los carbohidratos, se esperaría que una dieta baja en carbohidratos atenuara los efectos de la deficiencia de la enzima. La glucólisis aeróbica genera piruvato, el sustrato del PDHC. La disminución de la actividad del complejo disminuye la producción de acetil coenzima A, un sustrato para la citrato sintasa. Debido a que el piruvato inhibe alostéricamente a la PDH quinasa, está inactiva. 9.5 ¿Qué coenzima-cosustrato utilizan las deshidrogenasas tanto en la glucólisis como en el ciclo del ácido tricarboxílico? Dinucleótido de nicotinamida adenina oxidado (glucólisis +) es utilizado por la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa de de NAD y por isocitrato deshidrogenasa, ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa del ciclo del ácido tricarboxílico. (Nota: E3 del complejo piruvato deshidrogenasa requiere flavina adenina oxidada dinucleótido [FAD] y NAD + .) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Gluconeogénesis 10 I. VISIÓN GENERAL Algunos tejidos, como el cerebro, los eritrocitos, la médula renal, el cristalino y la córnea del ojo, los testículos y el músculo esquelético en ejercicio, requieren un suministro continuo de glucosa como combustible metabólico. El glucógeno hepático, una fuente posprandial esencial de glucosa, puede satisfacer estas necesidades durante menos de 24 h en ausencia de ingesta dietética de hidratos de carbono (v. pág. 137). Sin embargo, durante un ayuno prolongado, las reservas de glucógeno hepático se agotan y la glucosa se elabora a partir de precursores distintos de los carbohidratos. La formación de glucosa no ocurre por una simple inversión de la glucólisis, porque el equilibrio general de la glucólisis favorece fuertemente la formación de piruvato. En cambio, la glucosa se sintetiza de novo mediante una vía especial, la gluconeogénesis, que requiere enzimas tanto mitocondriales como citosólicas. Las deficiencias de enzimas gluconeogénicas causan hipoglucemia. En un ayuno nocturno, aproximadamente el 90 % de la gluconeogénesis ocurre en el hígado y el restante aproximadamente el 10 % ocurre en los riñones. Sin embargo, durante un ayuno prolongado de 48 horas o más, los riñones se convierten en los principales órganos productores de glucosa y contribuyen con aproximadamente el 40% de la producción total de glucosa. El intestino delgado también puede producir glucosa. La figura 10.1 muestra la relación de la gluconeogénesis con otras vías esenciales del metabolismo energético. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 10.1 La gluconeogénesis se muestra como una de las vías esenciales del metabolismo energético. Las reacciones numeradas son exclusivas de la gluconeogénesis. (Nota: consulte la Fig. 8.2 para obtener un mapa más detallado del metabolismo). P = fosfato; CO2 = dióxido de carbono. II. SUSTRATOS Los precursores gluconeogénicos son moléculas que se pueden utilizar para producir una síntesis neta de glucosa. Los precursores gluconeogénicos más importantes son el glicerol, el lactato y los ÿ cetoácidos obtenidos del metabolismo de los aminoácidos glucogénicos. Todos menos dos amino ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Los ácidos (leucina y lisina) son glucogénicos. A. Glicerol El glicerol se libera durante la hidrólisis de los triacilgliceroles (TAG) en el tejido adiposo y es transportado por la sangre al hígado. El glicerol es fosforilado por la glicerol quinasa a glicerol 3-fosfato, que es oxidado por la glicerol 3-fosfato deshidrogenasa a dihidroxiacetona fosfato, un intermediario de la glucólisis y la gluconeogénesis. B. Lactato El lactato de la glucólisis anaeróbica se libera en la sangre por el ejercicio del músculo esquelético y por los eritrocitos, células que carecen de mitocondrias. En el ciclo de Cori, este lactato es captado por el hígado y oxidado a piruvato que se convierte en glucosa, que se libera de nuevo a la circulación (fig. 10.2). C. Aminoácidos Los aminoácidos producidos por la hidrólisis de las proteínas de los tejidos son las principales fuentes de glucosa durante el ayuno. Su metabolismo genera ÿ-cetoácidos, como el piruvato que se convierte en glucosa, o el ÿ-cetoglutarato que puede entrar en el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) y formar oxaloacetato (OAA), un precursor directo del fosfoenolpiruvato (PEP). (Nota: la acetil coenzima A [CoA] y los compuestos que dan lugar solo a acetil CoA [p. ej., acetoacetato, lisina y leucina] no pueden dar lugar a una síntesis neta de glucosa. Esto se debe a la naturaleza irreversible del complejo piruvato deshidrogenasa [PDHC], que convierte el piruvato en acetil CoA. Estos compuestos dan lugar a cuerpos cetónicos y se denominan cetogénicos). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 10.2 El ciclo de Cori entre tejidos vincula la gluconeogénesis con la glucólisis. (Nota: las proteínas de transporte facilitan la difusión de lactato y glucosa a través de las membranas). tercero REACCIONES Siete reacciones glucolíticas son reversibles y se utilizan en la síntesis de glucosa a partir de lactato o piruvato. Sin embargo, tres reacciones glucolíticas son irreversibles y deben ser sorteadas por cuatro reacciones alternas que favorecen energéticamente la síntesis de glucosa. Estas reacciones irreversibles, que juntas son exclusivas de la gluconeogénesis, se describen a continuación. A. Carboxilación de piruvato El primer obstáculo a superar en la síntesis de glucosa a partir de piruvato es la conversión irreversible en la glucólisis de PEP a piruvato por la piruvato quinasa (PK). En la gluconeogénesis, el piruvato es carboxilado por la piruvato carboxilasa (PC) a OAA, que se convierte en PEP por medio de la PEP-carboxiquinasa (PEPCK) (fig. 10.3). 1. Biotina: la PC requiere la coenzima biotina (v. pág. 431) unida covalentemente al grupo amino ÿ de un residuo de lisina en la enzima (v . fig. 10.3). La hidrólisis de ATP impulsa la formación de un intermediario enzima-biotina-dióxido de carbono (CO2 ), que luego carboxila el piruvato para formar OAA. (Nota: HCO3 ÿ proporciona el CO2 .) El ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La reacción de PC ocurre en las mitocondrias de las células hepáticas y renales y tiene dos propósitos: permitir la producción de PEP, un sustrato importante para la gluconeogénesis, y proporcionar OAA que puede reponer los intermediarios del ciclo TCA que pueden agotarse. Las células musculares también contienen PC, pero usan el producto OAA solo con fines de reposición (anaplerótica) y no sintetizan glucosa. (Nota: la proteína transportadora de piruvato mueve el piruvato desde el citosol hacia las mitocondrias). Figura 10.3 Síntesis de PEP en el citosol. (Nota: el proceso mueve los equivalentes reductores de nicotinamida adenina dinucleótido [NADH] requeridos para la gluconeogénesis fuera de las mitocondrias hacia el citosol). MDm y MDc = isozimas mitocondriales y citosólicas de la malato deshidrogenasa; GTP y GDP = trifosfatos y difosfatos de guanosina; ADP = difosfato de adenosina. PC es una de varias carboxilasas que requieren biotina. Otros incluyen acetil CoA carboxilasa (pág. 203), propionil CoA carboxilasa (pág. 215) y metilcrotonil CoA carboxilasa (pág. 295). 2. Regulación alostérica: la PC se activa alostéricamente por acetil CoA. Los niveles elevados de acetil CoA en las mitocondrias indican un estado metabólico en el que se requiere una mayor síntesis de OAA. Por ejemplo, esto ocurre durante el ayuno, cuando se usa OAA para la gluconeogénesis en el hígado y los riñones. Por el contrario, a niveles bajos de acetil CoA, la PC es en gran parte inactiva y el PDHC oxida principalmente el piruvato a acetil CoA que puede oxidarse aún más por el ciclo TCA. B. Transporte de oxaloacetato al citosol Para que continúe la gluconeogénesis, PEPCK debe convertir OAA en PEP. La producción de PEP en el citosol requiere el transporte de OAA fuera de las mitocondrias. Sin embargo, no hay un transportador de OAA en la membrana mitocondrial interna, y el OAA se reduce primero a malato por la malato deshidrogenasa (MD) mitocondrial. Malato es ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google transportado al citosol y reoxidado a OAA por la MD citosólica a medida que el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD+ ) se reduce a NADH (ver Fig. 10.3). El NADH se utiliza en la reducción de 1,3-bisfosfoglicerato a gliceraldehído 3-fosfato por la gliceraldehído 3-fosfato deshidrogenasa, una reacción común a la glucólisis y la gluconeogénesis. (Nota: cuando es abundante, el lactato se oxida a piruvato a medida que se reduce NAD+ . El piruvato se transporta a las mitocondrias y se carboxila mediante PC a OAA, que puede convertirse en PEP mediante la isoenzima mitocondrial de PEPCK. La PEP se transporta al citosol. OAA también se puede convertir en aspartato que se transporta al citosol). C. Descarboxilación de oxaloacetato citosólico OAA es descarboxilado y fosforilado a PEP en el citosol por PEPCK. La reacción está impulsada por la hidrólisis del trifosfato de guanosina (GTP) (ver Fig. 10.3). Las acciones combinadas de PC y PEPCK proporcionan una vía energéticamente favorable desde el piruvato hasta la PEP. Luego, las reacciones de la glucólisis que se desarrollan en sentido inverso actúan sobre la PEP hasta que se convierte en fructosa 1,6-bisfosfato. El emparejamiento de carboxilación con descarboxilación impulsa reacciones que de otro modo serían energéticamente desfavorables. Esta estrategia también se utiliza en la síntesis de ácidos grasos (FA). D. Desfosforilación de fructosa 1,6-bisfosfato La hidrólisis de la fructosa 1,6-bisfosfato por la fructosa 1,6-bisfosfatasa, que se encuentra en el hígado y los riñones, evita la reacción irreversible de la fosfofructoquinasa-1 (PFK-1) de la glucólisis y proporciona una vía energéticamente favorable para la formación de fructosa 6fosfato (fig. 10.4). Esta reacción es un sitio regulador importante de la gluconeogénesis. 1. Regulación por los niveles de energía intracelular: la fructosa 1,6-bisfosfatasa es inhibida por un aumento en la relación de monofosfato de adenosina (AMP) a ATP, llamada relación AMP a ATP, que indica un estado de baja energía en la célula. Por el contrario, los niveles bajos de AMP y altos de ATP estimulan la gluconeogénesis, una vía que requiere energía. 2. Regulación por fructosa 2,6-bisfosfato: La fructosa 1,6-bisfosfatasa es inhibida por la fructosa 2,6-bisfosfato, un efector alostérico cuya concentración está influenciada por la relación insulina/glucagón. Cuando el glucagón es alto, la PFK-2 hepática no produce el efector y, por lo tanto, la fosfatasa está activa (fig. 10.5). (Nota: las señales que inhiben la gluconeogénesis [2,6-bisfosfato de baja energía y alto contenido de fructosa] o activan la gluconeogénesis [2,6-bisfosfato de alta energía y bajo contenido de fructosa] tienen el efecto opuesto sobre la glucólisis, proporcionando un control recíproco de las vías que sintetizar y oxidar la glucosa.) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 10.4 Desfosforilación de fructosa 1,6-bisfosfato. AMP = monofosfato de adenosina; fosfato. = E. Desfosforilación de glucosa 6-fosfato La hidrólisis de glucosa 6-fosfato por glucosa 6-fosfatasa evita la reacción irreversible de hexocinasa/glucocinasa y proporciona una vía energéticamente favorable para la formación de glucosa libre (fig. 10.6). El hígado es el órgano principal que produce glucosa libre a partir de glucosa 6-fosfato. Este proceso requiere un complejo de dos proteínas que se encuentran solo en el tejido gluconeogénico: glucosa 6-fosfato translocasa, que transporta glucosa 6-fosfato a través de la membrana reticular endoplásmica (ER), y glucosa 6-fosfatasa, que elimina el fosfato, produciendo glucosa libre. véase la figura 10.6). Estas proteínas de membrana del RE también son necesarias para el paso final de la degradación del glucógeno. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 10.5 Efecto del glucagón elevado sobre la concentración intracelular de fructosa 2,6-bisfosfato en el hígado. AMP y ADP = mono- y difosfatos de adenosina; AMPc = AMP cíclico; PFK-2 = fosfofructoquinasa-2; FBP-2 = fructosa 2,6-bisfosfatasa; FBP-1 = fructosa 1,6-bisfosfatasa; y = fosfato. Las enfermedades de almacenamiento de glucógeno Ia y Ib, causadas por deficiencias en la fosfatasa y la translocasa, respectivamente, se caracterizan por hipoglucemia grave en ayunas, porque la glucosa libre no puede producirse ni a partir de la gluconeogénesis ni de la glucogenólisis. Los transportadores específicos son responsables de mover la glucosa libre al citosol y luego a la sangre. Figura 10.6 La desfosforilación de la glucosa 6-fosfato permite la liberación de glucosa libre desde los tejidos gluconeogénicos (principalmente el hígado) hacia la sangre. = fosfato. F. Resumen de las reacciones de glucólisis y gluconeogénesis De las 11 reacciones necesarias para convertir el piruvato en glucosa libre, 7 son catalizadas por enzimas glucolíticas reversibles (fig. 10.7). Las 3 reacciones irreversibles, catalizadas por hexocinasa/glucocinasa, PFK-1 y PK, son eludidas por reacciones catalizadas por glucosa 6-fosfatasa, fructosa 1,6-bisfosfatasa, PC y PEPCK. En la gluconeogénesis, los equilibrios de las reacciones glucolíticas reversibles son empujados hacia la síntesis de glucosa como resultado de la formación esencialmente irreversible de PEP, fructosa 6-fosfato y glucosa por parte de las enzimas gluconeogénicas. (Nota: la estequiometría de la gluconeogénesis a partir de dos moléculas de piruvato acopla la escisión de seis enlaces fosfato de alta energía y la oxidación de dos NADH con la formación de una molécula de glucosa [ver Fig. 10.7]). IV. REGULACIÓN La regulación momento a momento de la gluconeogénesis está determinada principalmente por el nivel circulante de glucagón y por la disponibilidad de sustratos gluconeogénicos. En ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Además, los cambios adaptativos lentos en la cantidad de enzima resultan de una alteración en la velocidad de síntesis o degradación de la enzima, o de ambas. (Nota: el control hormonal del sistema glucorregulador se presenta en el Capítulo 23). A. Glucagón Esta hormona peptídica de las células ÿ de los islotes pancreáticos (v. pág. 347) estimula la gluconeogénesis mediante tres mecanismos. 1. Cambios en los efectores alostéricos: el glucagón reduce la fructosa 2,6-bifosfato hepática, lo que provoca la activación de la fructosa 1,6-bisfosfatasa y la inhibición de la PFK-1, lo que favorece la gluconeogénesis sobre la glucólisis (v . fig. 10.5). 2. Modificación covalente de la actividad enzimática: el glucagón se une a su receptor acoplado a proteína G y, a través de una elevación en el nivel de AMP cíclico (cAMP) y la actividad de la proteína quinasa A dependiente de cAMP, estimula la conversión de PK hepática a su forma inactiva (fosforilada) . Esto disminuye la conversión de PEP en piruvato, lo que tiene el efecto de desviar la PEP hacia la gluconeogénesis (fig. 10.8). 3. Inducción de la síntesis de enzimas: el glucagón aumenta la transcripción del gen para PEPCK a través de la proteína de unión al elemento de respuesta cAMP (CREB) del factor de transcripción, lo que aumenta la disponibilidad de esta enzima a medida que aumentan los niveles de su sustrato durante el ayuno. El cortisol, un glucocorticoide, también aumenta la expresión del gen, mientras que la insulina la disminuye. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 10.7 Resumen de las reacciones de glucólisis y gluconeogénesis, mostrando los requerimientos energéticos de la gluconeogénesis. Las reacciones numeradas son exclusivas de la gluconeogénesis. P = fosfato; GDP y GTP = guanosina di- y trifosfatos; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; ADP = difosfato de adenosina. B. Disponibilidad de sustrato La disponibilidad de precursores gluconeogénicos, particularmente aminoácidos glucogénicos, influye significativamente en la tasa de síntesis de glucosa. Los niveles reducidos de insulina favorecen la movilización de aminoácidos de la proteína muscular para proporcionar los esqueletos de carbono para la gluconeogénesis. Las coenzimas ATP y NADH requeridas para la gluconeogénesis son proporcionadas principalmente por la oxidación de FA. C. Activación alostérica por acetil CoA La activación alostérica de la PC hepática por acetil CoA ocurre durante el ayuno. Como resultado de ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google aumento de la hidrólisis de TAG en el tejido adiposo, el hígado se inunda con FA. La tasa de formación de acetil CoA por ÿ-oxidación de estos AG excede la capacidad del hígado para oxidarlos a CO2 y agua. Como resultado, el acetil CoA se acumula y activa la PC. (Nota: el acetil CoA inhibe la PDHC [mediante la activación de la PDH cinasa]. Por lo tanto, este único compuesto puede desviar el piruvato hacia la gluconeogénesis y alejarlo del ciclo TCA [fig. 10.9]). D. Inhibición alostérica por AMP La fructosa 1,6-bisfosfatasa es inhibida por AMP, un compuesto que activa la PFK-1. Esto da como resultado la regulación recíproca de la glucólisis y la gluconeogénesis que se observó anteriormente con la fructosa 2,6-bisfosfato (v. pág. 122). Por lo tanto, el AMP elevado estimula las vías productoras de energía e inhibe las que requieren energía. Figura 10.8 La modificación covalente de la piruvato quinasa da como resultado la inactivación de la enzima. (Nota: solo la isoenzima hepática está sujeta a regulación covalente). OAA = oxaloacetato; PEP = fosfoenolpiruvato; PPi = pirofosfato; = fosfato; AMP y ADP = mono- y difosfatos de adenosina; AMPc = AMP cíclico. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 10.9 La acetil coenzima A (CoA) desvía el piruvato de la oxidación y lo dirige hacia la gluconeogénesis. PDH = piruvato deshidrogenasa; TCA = ácido tricarboxílico. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google V. Resumen del capítulo Los precursores gluconeogénicos incluyen glicerol liberado durante la hidrólisis de TAG en el tejido adiposo, lactato liberado por células que carecen de mitocondrias y al ejercitar el músculo esquelético, y ÿ-cetoácidos (p. ej., ÿcetoglutarato y piruvato) derivados del metabolismo de aminoácidos glucogénicos (fig. 10.10). Siete de las reacciones de la glucólisis son reversibles y se utilizan para la gluconeogénesis en el hígado y los riñones. Tres reacciones, catalizadas por PK, PFK-1 y glucoquinasa/hexoquinasa, son fisiológicamente irreversibles y deben evitarse. El piruvato se convierte en OAA y luego en PEP mediante PC y PEPCK. PC requiere biotina y ATP y se activa alostéricamente por acetil CoA y PEPCK requiere GTP. La fructosa 1,6-bisfosfato se convierte en fructosa 6-fosfato mediante la fructosa 1,6-bisfosfatasa. Esta enzima es inhibida por una proporción alta de AMP/ATP y por la fructosa 2,6-bisfosfato, el principal activador alostérico de la glucólisis. La glucosa 6-fosfato es desfosforilada a glucosa por la glucosa 6-fosfatasa. Esta enzima de la membrana del RE cataliza el paso final de la gluconeogénesis y de la degradación del glucógeno. Su deficiencia produce hipoglucemia severa en ayunas. Figura 10.10 Mapa de conceptos clave para la gluconeogénesis. TCA = ácido tricarboxílico. CoA = coenzima A; AMPc = monofosfato de adenosina cíclico; P = fosfato; (B)PG = (bis)fosfoglicerato; G = gliceraldehído; F = fructosa; CO2 = dióxido de carbono. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 10.1 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la gluconeogénesis es correcta? R. Es un proceso productor de energía (exergónico). B. Es importante para mantener la glucosa en sangre durante un ayuno de 2 días. C. Se inhibe por una caída en la relación insulina/glucagón. D. Ocurre en el citosol de las células musculares. E. Utiliza esqueletos de carbono proporcionados por la degradación de ácidos grasos. Respuesta correcta = B. Durante un ayuno de 2 días, las reservas de glucógeno se agotan y la gluconeogénesis mantiene la glucosa en sangre. Esta es una vía que requiere energía (endergónica) (tanto ATP como GTP se hidrolizan) que ocurre principalmente en el hígado, y los riñones se convierten en los principales productores de glucosa en ayuno prolongado. La gluconeogénesis utiliza enzimas mitocondriales y citosólicas y es estimulada por una caída en la relación insulina/glucagón. La degradación de los ácidos grasos produce acetil coenzima A (CoA), que no se puede convertir en glucosa. Esto se debe a que no hay una ganancia neta de carbonos del acetil CoA en el ciclo del ácido tricarboxílico y el complejo de piruvato deshidrogenasa es fisiológicamente irreversible. Son los esqueletos de carbono de la mayoría de los aminoácidos los que son glucogénicos. 10.2 ¿Qué reacción del siguiente diagrama se inhibiría en presencia de grandes cantidades de avidina, una clara de huevo proteína que se une y secuestra biotina? Respuesta correcta = C. El piruvato es carboxilado a oxaloacetato por la piruvato carboxilasa, una enzima que requiere biotina. B (complejo de piruvato deshidrogenasa) requiere pirofosfato de tiamina, ácido lipoico, flavina y nicotinamida adenina dinucleótidos (FAD y + NAD fosfato; E (lactato deshidrogenasa) requiere NADH. , respectivamente) y coenzima A; D (transaminasa) requiere piridoxal 10.3 ¿Cuál de las siguientes reacciones es exclusiva de la gluconeogénesis? A. 1,3-bisfosfoglicerato ÿ 3-fosfoglicerato B. Lactato ÿ piruvato C. Oxaloacetato ÿ fosfoenolpiruvato D. Fosfoenolpiruvato ÿ piruvato Respuesta correcta = C. Las otras reacciones son comunes tanto a la gluconeogénesis como a la glucólisis. 10.4 Use el cuadro a continuación para mostrar el efecto del monofosfato de adenosina (AMP) y la fructosa 2,6-bifosfato en las enzimas de gluconeogénesis y glucólisis enumeradas. Enzima Fructosa 2,6-bisfosfato AMP Fructosa 1,6-bisfosfatasa ******ebook convertidor DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google Fosfofructoquinasa-1 Tanto la fructosa 2,6-bisfosfato como la adenosina monofosfato inhiben la fructosa 1,6-bisfosfatasa de la gluconeogénesis y activan la fosfofructoquinasa-1 de la glucólisis. Esto da como resultado una regulación recíproca de las dos vías. 10.5 El metabolismo del etanol por la alcohol deshidrogenasa produce una proporción reducida de nicotinamida adenina (NADH) de la gluconeogénesis oxidada (NAD? Explique. + ) forma. ¿Qué efecto tiene la caída en el NAD +dinucleótido/NADH que se espera tenga en El aumento de NADH a medida que se oxida el etanol reduce la disponibilidad de oxaloacetato (OAA) porque la oxidación reversible de malato a OAA por la malato deshidrogenasa del ciclo del ácido tricarboxílico es impulsada en dirección inversa por el NADH. Además, la reducción reversible de piruvato a lactato por la lactato deshidrogenasa es impulsada a lactato por NADH. Así, dos sustratos gluconeogénicos importantes, OAA y piruvato, disminuyen como resultado del aumento de NADH durante el metabolismo del etanol. En consecuencia, la gluconeogénesis disminuye. 10.6 Dado que la acetil coenzima A no puede ser un sustrato para la gluconeogénesis, ¿por qué su producción en ácidos grasos oxidación esencial para la gluconeogénesis? La acetil coenzima A inhibe el complejo piruvato deshidrogenasa y activa la piruvato carboxilasa, empujando al piruvato a la gluconeogénesis y lejos de la oxidación. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Metabolismo del glucógeno 11 I. VISIÓN GENERAL Una fuente constante de glucosa en sangre es un requisito absoluto para la vida humana. La glucosa es la fuente de energía preferida por el cerebro y la fuente de energía necesaria para las células con pocas o ninguna mitocondria, como los glóbulos rojos maduros. La glucosa también es esencial como fuente de energía para ejercitar los músculos, donde es el sustrato para la glucólisis anaeróbica. La glucosa en sangre se puede obtener de tres fuentes principales: la dieta, la degradación del glucógeno y la gluconeogénesis. La ingesta dietética de glucosa y precursores de glucosa, como el almidón (un polisacárido), los disacáridos y los monosacáridos, es esporádica y, dependiendo de la dieta, no siempre es una fuente fiable de glucosa en sangre. Por el contrario, la gluconeogénesis puede proporcionar una síntesis sostenida de glucosa, pero es algo lenta en responder a una disminución del nivel de glucosa en sangre. Por lo tanto, el cuerpo ha desarrollado mecanismos para almacenar un suministro de glucosa en una forma rápidamente movilizada, a saber, glucógeno. En ausencia de una fuente dietética de glucosa, este azúcar se libera rápidamente a la sangre a partir del glucógeno hepático. De manera similar, el glucógeno muscular se degrada en gran medida durante el ejercicio muscular para proporcionar a ese tejido una importante fuente de energía. Cuando se agotan las reservas de glucógeno, tejidos específicos sintetizan glucosa de novo, utilizando glicerol, lactato, piruvato y aminoácidos como fuentes de carbono para la gluconeogénesis ( capítulo 10). La figura 11.1 muestra las reacciones de síntesis y degradación del glucógeno como parte de las vías esenciales del metabolismo energético. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.1 Síntesis y degradación de glucógeno como parte de las vías esenciales del metabolismo energético. (Nota: consulte la Fig. 8.2 para obtener un mapa más detallado del metabolismo). P = fosfato; UDP = difosfato de uridina. II. ESTRUCTURA Y FUNCIÓN Las principales reservas de glucógeno se encuentran en el músculo esquelético y el hígado, aunque la mayoría de las demás células almacenan pequeñas cantidades de glucógeno para su propio uso. La función del glucógeno muscular es servir como reserva de combustible para la síntesis de ATP durante la contracción muscular, mientras que el propósito del glucógeno hepático es mantener la concentración de glucosa en sangre, especialmente durante las primeras etapas del ayuno (fig. 11.2). (Nota: el glucógeno hepático puede mantener la glucosa en sangre durante <24 horas). A. Cantidades en hígado y músculo ******ebook convertidor DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google Aproximadamente 400 g de glucógeno constituyen del 1% al 2% del peso fresco del músculo en reposo, y ~100 g de glucógeno constituyen hasta el 10% del peso fresco de un hígado adulto bien alimentado. Lo que limita la producción de glucógeno a estos niveles no está claro. Sin embargo, en algunas enfermedades por almacenamiento de glucógeno (GSD, por sus siglas en inglés) (ver Fig. 11.8), la cantidad de glucógeno en el hígado y/o el músculo puede ser significativamente mayor. (Nota: en el cuerpo, la masa muscular es mayor que la masa del hígado. En consecuencia, la mayor parte del glucógeno del cuerpo se encuentra en el músculo esquelético). B Estructura El glucógeno es un polisacárido de cadena ramificada hecho exclusivamente de ÿ-D-glucosa. El enlace glucosídico primario es un enlace ÿ(1ÿ4). Después de un promedio de 8 a 14 residuos de glucosilo, hay una rama que contiene un enlace ÿ(1ÿ6) (Fig. 11.3). Una sola molécula de glucógeno puede contener hasta 55.000 residuos de glucosilo. Estos polímeros de glucosa existen como gránulos (partículas) citoplasmáticos grandes y esféricos que también contienen la mayoría de las enzimas necesarias para la síntesis y degradación del glucógeno. Figura 11.2 Funciones del glucógeno muscular y hepático. (Nota: la presencia de glucosa 6-fosfatasa en el hígado permite la liberación de glucosa a la sangre). P = fosfato; Pi = fosfato inorgánico. C. Fluctuación de las reservas de glucógeno Las reservas de glucógeno hepático aumentan durante el estado de buena alimentación y se agotan durante el ayuno. El glucógeno muscular no se ve afectado por períodos cortos de ayuno (unos pocos días) y solo disminuye moderadamente en ayunos prolongados (semanas). El glucógeno muscular se sintetiza para reponer las reservas musculares después de que se hayan agotado tras el ejercicio extenuante. (Nota: la síntesis y la degradación del glucógeno continúan continuamente. La diferencia entre las tasas de estos dos procesos determina los niveles de ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google glucógeno almacenado durante estados fisiológicos específicos). tercero SÍNTESIS (GLUCOGÉNESIS) El glucógeno se sintetiza a partir de moléculas de ÿ-D-glucosa. El proceso ocurre en el citosol y requiere energía suministrada por ATP (para la fosforilación de la glucosa) y trifosfato de uridina (UTP). A. Síntesis de glucosa de difosfato de uridina La ÿ-D-glucosa unida al difosfato de uridina (UDP) es la fuente de todos los residuos de glucosilo que se agregan a la molécula de glucógeno en crecimiento. La UDP-glucosa (fig. 11.4) se sintetiza a partir de glucosa 1-fosfato y UTP mediante la UDP-glucosa pirofosforilasa (fig. 11.5). El pirofosfato (PPi), el segundo producto de la reacción, se hidroliza a dos fosfatos inorgánicos (Pi) por la pirofosfatasa. La hidrólisis es exergónica, lo que asegura que la reacción de UDP-glucosa pirofosforilasa proceda en la dirección de la producción de UDP-glucosa. (Nota: la glucosa 1-fosfato se genera a partir de la glucosa 6-fosfato mediante la fosfoglucomutasa. La glucosa 1,6-bisfosfato es un intermediario obligatorio en esta reacción reversible [Fig. 11.6].) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.3 Estructura ramificada del glucógeno, que muestra los enlaces glucosídicos ÿ(1ÿ4) y ÿ(1ÿ6). B. Requerimiento y síntesis del cebador La glucógeno sintasa cataliza los enlaces ÿ(1ÿ4) en el glucógeno. Esta enzima no puede iniciar la síntesis de cadenas utilizando glucosa libre como aceptor de una molécula de glucosa a partir de UDP-glucosa. En cambio, solo puede alargar las cadenas de glucosa ya existentes y, por lo tanto, requiere un cebador. Un fragmento de glucógeno puede servir como cebador. En ausencia de un fragmento, la proteína homodimérica glucogenina puede servir como aceptor de glucosa de la UDP-glucosa (v . fig. 11.5). El grupo hidroxilo de la cadena lateral de la tirosina-194 en la proteína es el sitio en el que se une la unidad de glucosilo inicial. Debido a que la reacción es catalizada por la propia glucogenina a través de la autoglucosilación, la glucogenina es una enzima. Luego, la glucogenina cataliza la transferencia de al menos cuatro moléculas de glucosa desde la UDP-glucosa, produciendo una cadena de glucosilo unida a (1ÿ4) corta. Esta cadena corta sirve como cebador que puede ser alargado por la glucógeno sintasa, que es reclutada por la glucogenina, como se describe en C. a continuación. (Nota: la glucogenina permanece asociada y forma el núcleo de un gránulo de glucógeno). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.4 La estructura de UDP-glucosa, un azúcar de nucleótido. C. Alargamiento por glucógeno sintasa El alargamiento de una cadena de glucógeno implica la transferencia de glucosa de la UDP-glucosa al extremo no reductor de la cadena en crecimiento, formando un nuevo enlace glucosídico entre el grupo hidroxilo anomérico del carbono 1 de la glucosa activada y el carbono 4 del residuo de glucosilo aceptor (ver Figura 11.5). (Nota: el extremo no reductor de una cadena de carbohidrato es aquel en el que el carbono anomérico del azúcar terminal está unido por un enlace glucosídico a otra molécula, lo que hace que el azúcar terminal no se reduzca). La enzima responsable de producir el ÿ(1ÿ4) enlaces en el glucógeno es la glucógeno sintasa. (Nota: el UDP liberado cuando se forma el nuevo enlace glucosídico ÿ[1ÿ4] puede ser fosforilado a UTP por la nucleósido difosfato quinasa [UDP + ATP ÿ UTP + ADP]). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.5 Síntesis de glucógeno. UDP y UTP = uridina di- y trifosfatos; PPi = pirofosfato; Pi = fosfato inorgánico. Figura 11.6 Interconversión de glucosa 6-fosfato y glucosa 1-fosfato por fosfoglucomutasa. y = fosfato. D. Formación de ramas Si ninguna otra enzima sintética actuara sobre la cadena, la estructura resultante sería una cadena lineal (no ramificada) de residuos de glucosilo unidos por enlaces ÿ(1ÿ4). Tal compuesto se encuentra en los tejidos de las plantas y se llama amilosa. Por el contrario, el glucógeno tiene ramificaciones ubicadas, en promedio, separadas por ocho residuos de glucosilo, lo que da como resultado una estructura similar a un árbol muy ramificada (ver Fig. 11.3) que es mucho más soluble que la amilosa no ramificada. La ramificación también aumenta el número de extremos no reductores a los que se pueden agregar nuevos residuos de glucosilo (y también, como se describe en IV. a continuación, de los que se pueden eliminar estos residuos), lo que acelera en gran medida la velocidad a la que puede ocurrir la síntesis de glucógeno y aumenta drásticamente el tamaño de la molécula de glucógeno. 1. Síntesis de ramas: Las ramas se forman por la acción de la enzima ramificadora amiloÿ(1ÿ4)ÿÿ(1ÿ6)-transglicosilasa. Esta enzima elimina un conjunto de seis a ocho residuos de glucosilo del extremo no reductor de la cadena de glucógeno, rompe un enlace ÿ(1ÿ4) con otro residuo de la cadena y lo une a un residuo de glucosilo no terminal mediante un enlace ÿ(1ÿ 6) enlace, funcionando así como una transferasa 4:6. El nuevo extremo no reductor resultante (ver "i" en la figura 11.5), así como el extremo anterior no reductor del que se eliminaron los seis a ocho residuos (ver "o" en la figura 11.5), ahora se puede alargar aún más mediante glucógeno sintasa. 2. Síntesis de ramificación adicional: una vez que se ha logrado la elongación de estos dos extremos, sus seis a ocho residuos de glucosilo terminales pueden eliminarse y ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google utilizado para hacer ramas adicionales. IV. DEGRADACIÓN (GLUCOGÉNÓLISIS) La vía de degradación que moviliza el glucógeno almacenado en el hígado y el músculo esquelético no es una reversión de las reacciones sintéticas. En cambio, se requiere un conjunto separado de enzimas citosólicas. Cuando se degrada el glucógeno, el producto principal es la glucosa 1-fosfato, que se obtiene al romper los enlaces glucosídicos ÿ(1ÿ4). Además, se libera glucosa libre de cada residuo de glucosilo unido a ÿ(1ÿ6) (punto de ramificación). A. Acortamiento de cadena La glucógeno fosforilasa escinde secuencialmente los enlaces glucosídicos ÿ(1ÿ4) entre los residuos de glucosilo en los extremos no reductores de las cadenas de glucógeno mediante fosforólisis simple (que produce glucosa 1-fosfato) hasta que quedan cuatro unidades de glucosilo en cada cadena en un punto de ramificación (fig. 11.7). La estructura resultante se denomina dextrina límite y la fosforilasa no puede degradarla más (fig. 11.8). (Nota: la fosforilasa requiere fosfato de piridoxal [un derivado de la vitamina B6 ] como coenzima). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.7 Escisión de un enlace glucosídico ÿ(1ÿ4). PLP = fosfato de piridoxal; Pi = fosfato inorgánico; = fosfato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.8 Degradación de glucógeno, que muestra algunas de las enfermedades por almacenamiento de glucógeno (GSD). (Nota: GSD tipo IV: la enfermedad de Andersen es causada por defectos en la enzima de ramificación, una enzima de síntesis, que produce cirrosis hepática que puede ser fatal en la primera infancia). Pi = fosfato inorgánico; P = fosfato. B. Eliminación de ramas Las ramas son eliminadas por las dos actividades enzimáticas de una única proteína bifuncional, la enzima desramificadora (v . fig. 11.8). En primer lugar, la actividad oligo-ÿ(1ÿ4)ÿÿ(1ÿ4)glucantransferasa elimina los tres exteriores de los cuatro residuos de glucosilo que quedan en una rama. Luego los transfiere al extremo no reductor de otra cadena, alargándola en consecuencia. Por lo tanto, se rompe un enlace ÿ(1ÿ4) y se forma un enlace ÿ(1ÿ4), y la enzima funciona como una transferasa 4:4. A continuación, el resto de glucosa unido en un enlace ÿ(1ÿ6) se elimina hidrolíticamente mediante la actividad de amilo ÿ(1ÿ6)-glucosidasa, liberando glucosa libre (no fosforilada). La cadena de glucosilo ahora está disponible nuevamente para la degradación por parte de la glucógeno fosforilasa hasta que se alcanzan cuatro unidades de glucosilo en la siguiente rama. C. Isomerización de glucosa 1-fosfato a glucosa 6-fosfato La glucosa 1-fosfato, producida por la glucógeno fosforilasa, se isomeriza en el citosol a glucosa 6fosfato por acción de la fosfoglucomutasa (v . fig. 11.6). En el hígado, la glucosa 6-fosfato se transporta al retículo endoplásmico (RE) mediante la glucosa 6-fosfato translocasa. Allí, se desfosforila a glucosa por acción de la glucosa 6-fosfatasa (la misma enzima utilizada en el último paso de la gluconeogénesis; véase la pág. 131). Luego, la glucosa se transporta desde el RE al citosol. Los hepatocitos liberan glucosa derivada del glucógeno en la sangre para ayudar a mantener los niveles de glucosa en sangre hasta que la vía gluconeogénica produce glucosa de forma activa. (Nota: el músculo carece de glucosa 6-fosfatasa. En consecuencia, la glucosa 6-fosfato no se puede desfosforilar y enviar a la sangre. En cambio, ingresa a la glucólisis, proporcionando la energía necesaria para la contracción muscular). D. Degradación lisosomal Una pequeña cantidad (1% a 3%) de glucógeno es degradada por la enzima lisosomal, ácido ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ÿ(1ÿ4)-glucosidasa (maltasa ácida). Se desconoce el propósito de esta vía autofágica. Sin embargo, una deficiencia de esta enzima provoca la acumulación de glucógeno en las vacuolas de los lisosomas, lo que da lugar a la grave GSD tipo II: enfermedad de Pompe (v. tabla 11.1 y fig. 11.8). (Nota: la enfermedad de Pompe, causada por deficiencia de maltasa ácida, es la única GSD que es una enfermedad de almacenamiento lisosomal). Cuadro 11.1 Descripciones de las enfermedades por almacenamiento de glucógeno Escribe un Enzima deficiente Principales Signos/Síntomas I – Enfermedad de Von Gierke Glucosa-6-fosfatasa Acidosis láctica, hipoglucemia, hiperuricemia, Deterioro del crecimiento, adelgazamiento de los huesos II – Enfermedad de Pompe a Alfa-glucosidasa ácida (maltasa Exceso de glucógeno en los lisosomas. Azúcar en sangre ácida) normales. Hígado y corazón agrandados; debilidad muscular y problemas cardíacos en formas graves Hígado agrandado, retraso en el crecimiento, III – Enfermedad de Coria Enzima desramificadora de glucógeno hipoglucemia en ayunas, estructura anormal del glucógeno, grasa (transferasa 4:4) elevada en la sangre, posible debilidad muscular Retraso en el crecimiento, hígado agrandado, miopatía; muerte a los 5 años por lo IV – Enfermedad de Andersen V – Enfermedad de McArdle a Enzima ramificadora de glucógeno (transferasa general Debilidad muscular y calambres después del ejercicio; 4:6) generalmente una condición crónica relativamente benigna Agrandamiento Glucógeno fosforilasa muscular (miofosforilasa) del hígado; hipoglucemia; retraso en el desarrollo Calambres musculares inducidos por el ejercicio, retraso en el desarrollo, anemia hemolítica en VI – Enfermedad de ella Fosforilasa de glucógeno hepático VII – Enfermedad de Tarui Fosfofructoquinasa muscular algunos aEsto describe 7 de los 15 tipos de GSD. Véase también la Figura 11.3. Las enfermedades de almacenamiento lisosomal son trastornos genéticos caracterizados por la acumulación de cantidades anormales de carbohidratos o lípidos principalmente debido a su disminución de la degradación lisosomal como resultado de la ausencia, o disminución de la actividad o cantidad de la hidrolasa ácida lisosomal específica que normalmente es responsable de su degradación. V. GLUCOGÉNESIS Y REGULACIÓN DE GLUCOGENÓLISIS Debido a la importancia de mantener los niveles de glucosa en sangre, la síntesis y degradación de su forma de almacenamiento de glucógeno están estrictamente reguladas. En el hígado, la glucogénesis se acelera durante los períodos en que el cuerpo ha estado bien alimentado, mientras que la glucogenólisis se acelera durante los períodos de ayuno. En el músculo esquelético, la glucogenólisis ocurre durante el ejercicio activo y la glucogénesis comienza tan pronto como el músculo vuelve a estar en reposo. La regulación de la síntesis y la degradación se logra en dos niveles. En primer lugar, la glucógeno sintasa y la glucógeno fosforilasa están reguladas hormonalmente (mediante fosforilación/desfosforilación covalente) para satisfacer las necesidades del organismo en su conjunto. En segundo lugar, estas mismas enzimas están reguladas alostéricamente (por moléculas efectoras) para satisfacer las necesidades de un tejido en particular. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A. Activación covalente de la glucogenólisis La unión de hormonas, como el glucagón o la epinefrina, a los receptores acoplados a la proteína G de la membrana plasmática señala la necesidad de degradar el glucógeno, ya sea para elevar los niveles de glucosa en sangre o para proporcionar energía para el ejercicio muscular. 1. Activación de proteína cinasa A: la unión de glucagón o epinefrina a su GPCR de hepatocito específico, o de epinefrina a un GPCR de miocito específico, da como resultado la activación de adenilil ciclasa mediada por proteína G. Esta enzima cataliza la síntesis de monofosfato de adenosina cíclico (AMPc), que activa la proteína quinasa A dependiente de AMPc (PKA). cAMP se une a las dos subunidades reguladoras de la PKA tetramérica, liberando dos subunidades catalíticas individuales que están activas (Fig. 11.9). La PKA luego fosforila varias enzimas del metabolismo del glucógeno, afectando su actividad. (Nota: cuando se elimina el AMPc, se reforma el tetrámero inactivo de PKA). 2. Activación de la fosforilasa quinasa: la fosforilasa quinasa existe en dos formas: una forma "b" inactiva y una forma "a" activa. La PKA activa fosforila la forma “b” inactiva de la fosforilasa cinasa, produciendo la forma “a” activa (v . fig. 11.9). 3. Activación de la glucógeno fosforilasa: la glucógeno fosforilasa también existe en una forma “b” inactiva desfosforilada y en una forma “a” activa fosforilada. La fosforilasa cinasa a es la única enzima que fosforila la glucógeno fosforilasa b a su forma “a” activa, que luego inicia la glucogenólisis (v . fig. 11.9). Figura 11.9 Estimulación e inhibición de la degradación del glucógeno. AMP = monofosfato de adenosina; AMPc = AMP cíclico; GTP = trifosfato de guanosina;reguladora; = fosfato; PPi pirofosfato;catalítica. R = subunidad C == subunidad ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 4. Amplificación de la señal: la cascada de reacciones descrita anteriormente activa la glucogenólisis. La gran cantidad de pasos secuenciales sirve para amplificar el efecto de la señal hormonal, es decir, unas pocas moléculas de hormonas que se unen a su GPCR dan como resultado la activación de varias moléculas de PKA que pueden activar muchas moléculas de fosforilasa quinasa. Esto provoca la producción de muchas moléculas de glucógeno fosforilasa activa que pueden degradar el glucógeno. 5. Mantenimiento del estado fosforilado: los grupos fosfato agregados a la fosforilasa quinasa y la fosforilasa en respuesta al AMPc se mantienen porque la enzima que elimina hidrolíticamente el fosfato, la proteína fosfatasa-1 (PP1), es inactivada por proteínas inhibidoras que también se fosforilan y activan en respuesta al AMPc (v . fig. 11.9). Debido a que la insulina también activa la fosfodiesterasa que degrada el AMPc, se opone a los efectos del glucagón y la epinefrina. B. Inhibición covalente de la glucogénesis La enzima regulada en la glucogénesis, la glucógeno sintasa, también existe en dos formas, la forma activa "a" y la forma inactiva "b". Sin embargo, a diferencia de la fosforilasa cinasa y la fosforilasa, la forma activa de la glucógeno sintasa se desfosforila, mientras que la forma inactiva se fosforila en varios sitios de la enzima, con un nivel de inactivación proporcional al grado de fosforilación (fig. 11.10). La fosforilación es catalizada por varias proteínas quinasas diferentes en respuesta a cAMP (por ejemplo, PKA y fosforilasa quinasa) u otros mecanismos de señalización (ver C. a continuación). La glucógeno sintasa b puede reconvertirse a la forma "a" por PP1. La figura 11.11 resume la regulación covalente del metabolismo del glucógeno. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.10 Regulación hormonal de la síntesis de glucógeno. (Nota: a diferencia de la glucógeno fosforilasa, la = glucógeno sintasa se inactiva por fosforilación). AMPc = monofosfato de adenosina cíclico; fosfato; PPi = pirofosfato; R = subunidad reguladora; C = subunidad catalítica; ADP = difosfato de adenosina. C. Regulación alostérica de la glucogénesis y la glucogenólisis Además de las señales hormonales, la glucógeno sintasa y la glucógeno fosforilasa responden a los niveles de metabolitos y necesidades energéticas de la célula. La glucogénesis se estimula cuando los niveles de glucosa y energía son altos, mientras que la glucogenólisis aumenta cuando los niveles de glucosa y energía son bajos. Esta regulación alostérica permite una respuesta rápida a las necesidades de una célula y puede anular los efectos de la regulación covalente mediada por hormonas. (Nota: Las formas “a” y “b” de las enzimas alostéricas del metabolismo del glucógeno están en equilibrio entre las conformaciones R [relajada, más activa] y T [tensa, menos activa] [ver pág. 29]. la unión de efectores cambia el equilibrio y altera la actividad enzimática sin alterar directamente la modificación covalente). 1. Regulación en el estado de buena alimentación: en el estado de buena alimentación, la glucógeno sintasa b tanto en el hígado como en el músculo se activa alostéricamente por la glucosa 6-fosfato, que está presente en concentraciones elevadas (fig. 11.12). Por el contrario, la glucógeno fosforilasa a es inhibida alostéricamente por la glucosa 6-fosfato, así como por ATP, una señal de alta energía. Tenga en cuenta que en el hígado, pero no en el músculo, la glucosa libre también es un inhibidor alostérico de la glucógeno fosforilasa a. 2. Activación de la glucogenólisis por AMP: la glucógeno fosforilasa muscular (miofosforilasa), pero no la isoenzima hepática, es activa en presencia de las altas concentraciones de AMP que se producen en condiciones extremas de anoxia y agotamiento de ATP. El AMP se une a la glucógeno fosforilasa b, provocando su activación sin fosforilación (v . fig. 11.9). Recuerde que el AMP también activa la fosfofructoquinasa-1 de la glucólisis, lo que permite oxidar la glucosa de la glucogenólisis. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.11 Resumen de la regulación covalente mediada por hormonas del metabolismo del glucógeno. AMPc = monofosfato de adenosina cíclico; PKA = proteína quinasa A. 2+ ) se libera en el 3. Activación de la glucogenólisis por calcio: Calcio (Ca sarcoplasma en las células musculares (miocitos) en respuesta a la estimulación neural y en el hígado en respuesta a la unión de la epinefrina a los receptores Miembro adrenérgicos distribuido ÿ1 .de El una 2+ se familia une aCa la de calmodulina pequeños,(CaM), el Ca desencadena la más ampliamente un cambio 2+ tal que el complejo Ca 2+-CaM activado se une y activa moléculas conformacional de -Proteínas de unión. La unión de cuatro moléculas de Ca 2+ calmar proteína, a menudo enzimas que están inactivas en ausencia de este complejo (Fig. 11.13) . CaM funciona como una subunidad esencial de muchas proteínas complejas, una de ellas es la fosforilasa quinasa tetramérica, cuya forma "b" se activa por la unión de Ca a su subunidad ÿ (CaM) sin necesidad de que la quinasa sea fosforilada por 2+ PKA . (Nota: la epinefrina en los receptores ÿ-adrenérgicos señala a través de un aumento en cAMP, no 2+ a través de un aumento en Ca .) una. Activación de la fosforilasa quinasa muscular: Durante la contracción muscular, existe una necesidad rápida y urgente de ATP. Es suministrado por la degradación del glucógeno muscular a glucosa 6-fosfato, que entra en la glucólisis. Los impulsos nerviosos 2+elseCa liberan de la causa de la despolarización de la membrana, lo que promueve que 2+ se una al retículo sarcoplásmico en el sarcoplasma de los miocitos. La subunidad Ca CaM y el complejo activan la fosforilasa cinasa muscular b (v . fig. 11.9). b. Activación de la fosforilasa quinasa hepática: durante el estrés fisiológico, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google la epinefrina se libera de la médula suprarrenal y señala la necesidad de glucosa en sangre. Esta glucosa proviene inicialmente de la glucogenólisis hepática. La unión de epinefrina al hepatocito ÿ1 - GPCR adrenérgico activa un 2+ de la cascada dependiente de fosfolípidos da como resultado el movimiento de Ca ER hacia el citoplasma. Se forma un complejo Ca 2+-CaM y activa elque 2+ hepático que también ayuda a activar la fosforilasa quinasa b. Tenga en cuenta que la proteína quinasa C inactivar la glucógeno sintasa a. liberada Ca que puede fosforilar e Figura 11.12 Regulación alostérica de la glucogénesis y la glucogenólisis en el hígado (A) y el músculo (B). P = fosfato; AMP = monofosfato de adenosina. VI. ENFERMEDADES DE ALMACENAMIENTO DE GLUCÓGENO Las GSD son un grupo de enfermedades genéticas causadas por defectos en las enzimas necesarias para la degradación del glucógeno o, más raramente, para la síntesis de glucógeno. Los síntomas más comunes son hipoglucemia (nivel bajo de glucosa en la sangre), agrandamiento del hígado, crecimiento lento y pérdida de masa muscular. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google debilidad o calambres. Estos trastornos dan como resultado la formación de glucógeno que tiene una estructura anormal o la acumulación de cantidades excesivas de glucógeno normal en tejidos específicos como resultado de una degradación alterada. Una enzima en particular puede ser defectuosa en un solo tejido, como el hígado (lo que produce hipoglucemia) o el músculo (que causa debilidad muscular), o el defecto puede ser más generalizado y afectar una variedad de tejidos, como el corazón y los riñones. La gravedad varía desde fatal en la primera infancia hasta trastornos leves que no ponen en peligro la vida. En general, hay 15 tipos reconocidos de GSD; algunos son bastante raros. Los tipos más prevalentes de GSD se describen en la Tabla 11.1 y tres de los GSD más comunes se ilustran en la Figura 11.8. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.13 La calmodulina media muchos efectos del calcio intracelular (Ca quinasa en el hígado y los músculos). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* 2+ ). (Nota: CA 2+ activa la fosforilasa Machine Translated by Google VIII. Resumen del capítulo Las principales reservas de glucógeno en el cuerpo se encuentran en el músculo esquelético, donde sirven como reserva de combustible para la síntesis de ATP durante la contracción muscular , y en el hígado, donde se utilizan para mantener la concentración de glucosa en sangre , particularmente durante los primeros meses. etapas de un ayuno. El glucógeno es un polímero altamente ramificado de ÿ-D-glucosa. La UDP-glucosa, el componente básico del glucógeno, se sintetiza a partir de glucosa 1-fosfato y UTP mediante la UDPglucosa pirofosforilasa (fig. 11.14). La glucosa de la UDP-glucosa se transfiere a los extremos no reductores de las cadenas de glucógeno mediante la glucógeno sintasa que requiere un cebador , que forma los enlaces ÿ(1ÿ4). El cebador está hecho de glucogenina. Las ramificaciones están formadas por amilo-ÿ(1ÿ4)ÿÿ(1ÿ6)-transglicosilasa (una transferasa 4:6), que transfiere un conjunto de seis a ocho residuos de glucosilo desde el extremo no reductor de la cadena de glucógeno (rompiendo un enlace ÿ[1ÿ4]), y hacer un enlace ÿ(1ÿ6) a otro residuo en la cadena. La glucógeno fosforilasa escinde los enlaces ÿ(1ÿ4) entre los residuos de glucosilo en los extremos no reductores de las cadenas de glucógeno, produciendo glucosa 1-fosfato. La glucosa 1-fosfato se convierte en glucosa 6-fosfato mediante la fosfoglucomutasa. En el músculo, la glucosa 6-fosfato entra en la glucólisis. En el hígado, el fosfato es eliminado por la glucosa 6fosfatasa, liberando glucosa libre que puede usarse para mantener los niveles de glucosa en sangre al comienzo de un ayuno. Una deficiencia de la fosfatasa causa la enfermedad de von Gierke y da como resultado una incapacidad del hígado para proporcionar glucosa libre al cuerpo durante un ayuno. Afecta tanto a la degradación del glucógeno como a la gluconeogénesis. La síntesis y la degradación de glucógeno se regulan recíprocamente para satisfacer las necesidades de todo el cuerpo mediante las mismas señales hormonales, es decir, un nivel elevado de insulina da como resultado un aumento general de la glucogénesis y una disminución de la glucogenólisis, mientras que un nivel elevado de glucagón o epinefrina provoca los efectos opuestos. Las enzimas clave son fosforiladas por proteínas quinasas, algunas de las cuales dependen de cAMP, un compuesto aumentado por el glucagón y la epinefrina. Los grupos fosfato son eliminados por PP-1. Además de esta regulación covalente, la glucógeno sintasa, la fosforilasa quinasa y la fosforilasa se regulan alostéricamente para satisfacer las necesidades de los tejidos. En el estado de buena alimentación, la glucosa 6-fosfato activa la glucógeno sintasa, pero la glucosa 6-fosfato y el ATP inhiben la glucógeno fosforilasa. En el hígado, la glucosa libre también actúa como inhibidor alostérico de la glucógeno fosforilasa. El aumento de calcio en el músculo durante el ejercicio y en el hígado en respuesta a la epinefrina activa la fosforilasa quinasa al unirse a la subunidad CaM de la enzima. Esto permite que la enzima active la glucógeno fosforilasa, provocando así la degradación del glucógeno. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 11.14 Mapa conceptual clave para el metabolismo del glucógeno en el hígado. (Nota: la glucógeno fosforilasa se fosforila por la fosforilasa quinasa, cuya forma “b” puede ser activada por el calcio.) UDP y UTP = uridina di y trifosfatos; P = fosfato; AMP = monofosfato de adenosina. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. Para las Preguntas 11.1 a 11.4, relacione la enzima deficiente con el hallazgo clínico en enfermedades de almacenamiento de glucógeno seleccionadas (GSD). Elección GSD Enzima deficiente A Enfermedad de von Gierke tipo Ia Glucosa 6-fosfatasa B Enfermedad de Pompe tipo II maltasa ácida C Enfermedad de Cori Tipo III Transferasa 4:4 D Enfermedad de Andersen Tipo IV Transferasa 4:6 mi Enfermedad de McArdle tipo V miofosforilasa F Enfermedad de Hers tipo VI Fosforilasa hepática 11.1 Intolerancia al ejercicio, sin elevación del lactato sanguíneo durante el ejercicio Respuesta correcta = E. Deficiencia de miofosforilasa (la isoenzima muscular de la glucógeno fosforilasa) (o, McArdle enfermedad) previene la degradación del glucógeno en el músculo, privando al músculo de la glucosa derivada del glucógeno, lo que resulta en disminución de la glucólisis y su producto anaeróbico, el lactato. 11.2 Cirrosis progresiva y fatal y glucógeno con cadenas externas más largas de lo normal Respuesta correcta = D. 4:6 Deficiencia de transferasa (enzima ramificadora) (enfermedad de Andersen), un defecto en el glucógeno ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google síntesis, da como resultado glucógeno con menos ramificaciones y menor solubilidad. 11.3 Acumulación generalizada de glucógeno, hipotonía grave y muerte por insuficiencia cardíaca Respuesta correcta = B. La deficiencia de maltasa ácida (ÿ[1ÿ4]-glucosidasa ácida) (o enfermedad de Pompe) impide la degradación de cualquier glucógeno introducido en los lisosomas. Una variedad de tejidos se ven afectados, y la patología más grave resulta del daño cardíaco. 11.4 Hipoglucemia severa en ayunas, acidemia láctica, hiperuricemia e hiperlipidemia Respuesta correcta = A. La deficiencia de glucosa 6-fosfatasa (enfermedad de von Gierke) impide que el hígado libere glucosa libre a la sangre, lo que provoca hipoglucemia grave en ayunas, acidemia láctica, hiperuricemia e hiperlipidemia. 11.5 ¿Qué efecto tienen tanto la epinefrina como el glucagón sobre el metabolismo del glucógeno hepático? A. Ambos fosforilan y activan la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintasa. B. Ambos fosforilan e inactivan la glucógeno fosforilasa y la glucógeno sintasa. C. Ambos provocan un aumento de la degradación de glucógeno y una disminución de la síntesis en el hígado. D. Ambos hacen que la síntesis de glucógeno tenga un aumento neto. Respuesta correcta = C. Tanto la epinefrina como el glucagón provocan una mayor degradación del glucógeno y una disminución de la síntesis en el hígado a través de la modificación covalente (fosforilación) de enzimas clave del metabolismo del glucógeno. La glucógeno fosforilasa está fosforilada y activa (forma "a"), mientras que la glucógeno sintasa está fosforilada e inactiva (forma "b"). El glucagón no provoca un aumento del calcio. 11.6 Al contraerse el músculo esquelético, una elevación repentina de la concentración de calcio sarcoplásmico dará como resultado: A. la activación de la proteína quinasa A dependiente del monofosfato de adenosina cíclico (AMPc). B. conversión de cAMP a AMP por fosfodiesterasa. C. activación directa de la glucógeno sintasa b. D. activación directa de la fosforilasa quinasa b. E. inactivación de la fosforilasa quinasa a por la acción de la proteína fosfatasa-1. 2+ Respuesta correcta = D. Calcio (Ca ) liberado del retículo sarcoplásmico durante el ejercicio se une al subunidad de calmodulina de la fosforilasa quinasa, lo que activa alostéricamente la forma "b" desfosforilada de esta enzima. Las otras 2+ .quinasa 2+ (Nota: CA opciones no son causadas por una elevación del Ca citosólico que también activa la fosforilasa b hepática). 11.7 Explique por qué la hipoglucemia que se observa en la enfermedad de von Gierke tipo 1 (deficiencia de glucosa 6-fosfatasa) es grave, mientras que la que se observa en la enfermedad de Hers tipo VI (deficiencia de fosforilasa hepática) es leve. Con la enfermedad de von Gierke, el hígado no puede generar glucosa libre ni a partir de la glucogenólisis ni de la gluconeogénesis porque ambos procesos producen glucosa 6-fosfato. Con la enfermedad de Hers, el hígado aún puede producir glucosa libre a partir de la gluconeogénesis, pero la glucogenólisis está inhibida. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Monosacárido y Disacárido Metabolismo 12 I. VISIÓN GENERAL La glucosa es el monosacárido más común consumido por los humanos; su metabolismo ya ha sido discutido. Otros dos monosacáridos, fructosa y galactosa, también se encuentran en cantidades significativas en la dieta, principalmente en disacáridos, y contribuyen de manera importante al metabolismo energético. Además, la galactosa es un componente importante de las proteínas glicosiladas. La figura 12.1 muestra el metabolismo de la fructosa y la galactosa como parte de las vías esenciales del metabolismo energético. II. METABOLISMO DE LA FRUCTOSA Alrededor del 10% de las calorías en la dieta occidental típica son aportadas por la fructosa (ÿ55 g/día). La principal fuente de fructosa es el disacárido sacarosa que, cuando se escinde en el intestino, libera cantidades equimolares de fructosa y glucosa. La fructosa también se encuentra como monosacárido libre en muchas frutas, en la miel y en el jarabe de maíz con alto contenido de fructosa (por lo general, 55 % de fructosa y 45 % de glucosa), que se usa para endulzar refrescos y muchos alimentos. El transporte de fructosa a las células no depende de la insulina (a diferencia de la glucosa a ciertos tejidos) y, a diferencia de la glucosa, la fructosa no promueve la secreción de insulina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 12.1 Metabolismo de galactosa y fructosa como parte de las vías esenciales del metabolismo energético. (Nota: consulte la Fig. 8.2 para obtener un mapa más detallado del metabolismo). UDP = difosfato de uridina; P = fosfato. A. Fosforilación Para que la fructosa entre en las vías del metabolismo intermediario, primero debe fosforilarse (fig. 12.2). Esto se puede lograr mediante acciones de hexoquinasa o fructoquinasa. La hexoquinasa fosforila la glucosa en la mayoría de las células del cuerpo y varias hexosas adicionales pueden servir como sustratos para esta enzima. Sin embargo, tiene una baja afinidad (una alta Km) por la fructosa. Por lo tanto, a menos que la concentración intracelular de fructosa se vuelva inusualmente ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google alto, la presencia normal de concentraciones saturadas de glucosa significa que la hexocinasa fosforila poca fructosa. La fructoquinasa proporciona el mecanismo principal para la fosforilación de la fructosa (ver Fig. 12.2). La enzima tiene una Km baja para la fructosa y una Vmax alta (velocidad máxima). Se encuentra en el hígado (que procesa la mayor parte de la fructosa de la dieta), los riñones y el intestino delgado y convierte la fructosa en fructosa 1-fosfato, utilizando ATP como donante de fosfato. (Nota: estos tres tejidos también contienen aldolasa B, discutida en la sección B). B. Escisión de fructosa 1-fosfato La fructosa 1-fosfato no se fosforila a fructosa 1,6-bisfosfato como la fructosa 6-fosfato (vea la pág. 109), pero la aldolasa B (también llamada fructosa 1-fosfato aldolasa) la escinde en dos triosas, dihidroxiacetona fosfato (DHAP) y gliceraldehído. (Nota: los seres humanos expresan tres isoenzimas de aldolasa distintas, los productos de tres genes diferentes: aldolasa A en la mayoría de los tejidos, aldolasa B en el hígado, los riñones y el intestino delgado, y aldolasa C en el cerebro. Todos escinden la fructosa 1,6-bisfosfato producido durante la glucólisis a DHAP y gliceraldehído 3-fosfato, pero solo la aldolasa B escinde la fructosa 1-fosfato) . C. Cinética La tasa de metabolismo de la fructosa es más rápida que la de la glucosa porque la producción de triosa a partir de la fructosa 1-fosfato pasa por alto a la fosfofructoquinasa-1, el principal paso limitante de la tasa en la glucólisis. D. Trastornos Una deficiencia de una de las enzimas clave requeridas para la entrada de fructosa en las vías metabólicas puede resultar en una condición benigna como resultado de la deficiencia de fructoquinasa (fructosuria esencial) o una alteración grave del metabolismo hepático y renal como resultado de la deficiencia de aldolasa B. , o intolerancia hereditaria a la fructosa (HFI), que ocurre en aproximadamente 1:20 000 nacidos vivos (v . fig. 12.3). Los primeros síntomas de HFI aparecen cuando un bebé es destetado de la leche que contiene lactosa y comienza a ingerir alimentos que contienen sacarosa o fructosa. La fructosa 1-fosfato se acumula, lo que provoca un descenso del nivel de fosfato inorgánico (Pi) y, por tanto, de la producción de ATP. A medida que cae el ATP, aumenta el monofosfato de adenosina (AMP). El AMP se degrada, causando hiperuricemia y acidemia láctica. La menor disponibilidad de ATP hepático disminuye la gluconeogénesis (causando hipoglucemia con vómitos) y la síntesis de proteínas (causando una disminución de los factores de coagulación de la sangre y otras proteínas esenciales). La reabsorción renal de Pi también está disminuida. (Nota: la caída de Pi también inhibe la glucogenólisis). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 12.2 Productos de fosforilación de fructosa y su escisión. difosfato. = fosfato; ADP = adenosina El diagnóstico de HFI se puede hacer sobre la base de la fructosa en la orina, el ensayo enzimático utilizando células hepáticas o mediante pruebas basadas en el ADN ( capítulo 34). Con HFI, la sacarosa, así como la fructosa, deben eliminarse de la dieta para prevenir la insuficiencia hepática y la posible muerte. Tenga en cuenta que las personas con HFI tienden a mostrar una aversión a los dulces de por vida. Figura 12.3 Resumen del metabolismo de la fructosa. P = fosfato; Pi = fosfato inorgánico; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; ADP = difosfato de adenosina. E. Conversión de manosa a fructosa 6-fosfato La manosa, el epímero C-2 de la glucosa, es un componente importante de las glicoproteínas. La hexoquinasa fosforila manosa, produciendo manosa 6-fosfato, que, a su vez, se isomeriza de forma reversible a fructosa 6-fosfato por la fosfomanosa isomerasa. (Nota: la mayor parte de la manosa intracelular se sintetiza a partir de la fructosa o es manosa preexistente producida por la degradación de glicoproteínas y recuperada por la hexocinasa. Los carbohidratos de la dieta contienen poca manosa). F. Conversión de glucosa en fructosa vía sorbitol La mayoría de los azúcares se fosforilan rápidamente tras su entrada en las células. Por lo tanto, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google quedan atrapados dentro de las células porque los fosfatos orgánicos no pueden cruzar libremente las membranas sin transportadores específicos. Un mecanismo alternativo para metabolizar un monosacárido es convertirlo en un poliol (alcohol de azúcar) mediante la reducción de un grupo aldehído, produciendo así un grupo hidroxilo adicional. 1. Síntesis de sorbitol: la aldosa reductasa reduce la glucosa y produce sorbitol (o glucitol; fig. 12.4), pero la Km es alta. Esta enzima se encuentra en muchos tejidos, incluidos la retina, el cristalino, los riñones, los nervios periféricos, los ovarios y las vesículas seminales. Una segunda enzima, la sorbitol deshidrogenasa, puede oxidar el sorbitol a fructosa en las células del hígado, los ovarios y las vesículas seminales (v . fig. 12.4). La ruta de dos reacciones de la glucosa a la fructosa en las vesículas seminales beneficia a los espermatozoides, que utilizan la fructosa como principal fuente de energía de carbohidratos. La vía del sorbitol a la fructosa en el hígado proporciona un mecanismo por el cual cualquier sorbitol disponible se convierte en un sustrato que puede entrar en la glucólisis. 2. Hiperglucemia y metabolismo del sorbitol: debido a que no se requiere insulina para la entrada de glucosa en las células de la retina, el cristalino, los riñones y los nervios periféricos, grandes cantidades de glucosa pueden ingresar a estas células durante los períodos de hiperglucemia (p. ej., en la diabetes mal controlada). mellitus). Una concentración elevada de glucosa intracelular y un suministro adecuado de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido (NADPH) hacen que la aldosa reductasa produzca un aumento significativo de sorbitol dentro de la célula, que no puede pasar de manera eficiente a través de las membranas celulares y, por lo tanto, queda atrapado dentro de la célula (ver Higo. 12.4). Esto se exacerba cuando la producción de sorbitol deshidrogenasa es baja o nula. Como resultado, el sorbitol se acumula en estas células, provocando fuertes efectos osmóticos e inflamación celular debido a la entrada y retención de agua. Algunas de las alteraciones patológicas asociadas con la diabetes mellitus pueden atribuirse en parte a este estrés osmótico, incluida la formación de cataratas, neuropatía periférica y problemas microvasculares que conducen a nefropatía y retinopatía. El uso de NADPH en la reacción de la aldosa reductasa disminuye la generación de glutatión reducido, un importante antioxidante, y también puede estar relacionado con complicaciones de la diabetes. tercero METABOLISMO DE GALACTOSA La principal fuente dietética de galactosa es la lactosa (galactosil ÿ-1,4-glucosa) obtenida de la leche y los productos lácteos. (Nota: la digestión de la lactosa por la ÿ-galactosidasa, también llamada lactasa, se analizó en la página 97). También se puede obtener algo de galactosa por degradación lisosomal de glicoproteínas y glicolípidos. Al igual que la fructosa (y la manosa), el transporte de galactosa a las células no depende de la insulina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 12.4 Metabolismo del sorbitol. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato. A. Fosforilación Al igual que la fructosa, la galactosa debe fosforilarse antes de que pueda metabolizarse más. La mayoría de los tejidos tienen una enzima específica para este fin, la galactocinasa, que produce galactosa 1-fosfato (fig. 12.5). Al igual que con otras quinasas, el ATP es el donante de fosfato. B. Formación de difosfato de uridina-galactosa La galactosa 1-fosfato no puede entrar en la vía glucolítica a menos que primero se convierta en uridina difosfato (UDP)-galactosa (fig. 12.6). Esto ocurre en una reacción de intercambio, en la que la UDP-glucosa reacciona con la galactosa 1-fosfato, produciendo UDP-galactosa y glucosa 1-fosfato (v . fig. 12.5). La reacción es catalizada por galactosa 1-fosfato uridililtransferasa (GALT). (Nota: el producto de glucosa 1fosfato se puede isomerizar a glucosa 6-fosfato, que puede entrar en la glucólisis o desfosforilarse). Figura 12.5 Metabolismo de la galactosa. UDP y UTP = uridina di- y trifosfatos; P = fosfato; PPi = pirofosfato; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; ADP = difosfato de adenosina. C. Conversión de UDP-galactosa a UDP-glucosa Para que la UDP-galactosa entre en la corriente principal del metabolismo de la glucosa, primero debe ser ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google isomerizado a su epímero C-4, UDP-glucosa, por UDP-hexosa 4-epimerasa. Esta “nueva” UDP-glucosa (producida a partir de la UDP-galactosa original) puede participar en reacciones biosintéticas (p. ej., glucogénesis) así como en la reacción GALT. (Nota: consulte la Fig. 12.5 para obtener un resumen de las interconversiones). Figura 12.6 Estructura de UDP-galactosa. UDP = difosfato de uridina. D. UDP-galactosa en reacciones biosintéticas La UDP-galactosa puede servir como donante de unidades de galactosa en varias rutas sintéticas, incluida la síntesis de lactosa (ver IV. a continuación), glicoproteínas, glicolípidos y glucosaminoglucanos. (Nota: si la dieta no proporciona galactosa [p. ej., cuando no se puede liberar de la lactosa debido a la falta de ÿ-galactosidasa en personas que son intolerantes a la lactosa], todos los requisitos tisulares de UDP-galactosa pueden satisfacerse mediante la acción de UDP-hexosa 4-epimerasa en UDP-glucosa, que se produce eficientemente a partir de glucosa 1-fosfato y trifosfato de uridina [ver Fig. 12.5].) E. Trastornos GALT es muy deficiente en individuos con galactosemia clásica (v . fig. 12.5). En este trastorno se acumula galactosa 1-fosfato y, por tanto, galactosa. Las consecuencias fisiológicas son similares a las encontradas en HFI, pero se ve afectado un espectro más amplio de tejidos. La galactosa acumulada se desvía hacia vías secundarias, como la producción de galactitol. Esta reacción es catalizada por la aldosa reductasa, la misma enzima que reduce la glucosa a sorbitol. La deficiencia de GALT es parte del panel de detección de recién nacidos. El tratamiento de la galactosemia requiere la eliminación de galactosa y lactosa de la dieta. Las deficiencias de galactocinasa y epimerasa provocan trastornos menos graves del metabolismo de la galactosa, aunque las cataratas son frecuentes (v . fig. 12.5). IV. SÍNTESIS DE LACTOSA ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La lactosa es un disacárido que consta de una molécula de ÿ-galactosa unida por un enlace ÿ(1ÿ4) a la glucosa. Por lo tanto, la lactosa es galactosil ÿ(1ÿ4)-glucosa. Debido a que la lactosa, el azúcar de la leche, es producida por las glándulas mamarias lactantes (productoras de leche), la leche y otros productos lácteos son las fuentes dietéticas de lactosa. La lactosa sintasa (UDP-galactosa:glucosa galactosiltransferasa) cataliza la síntesis de lactosa en el aparato de Golgi. Esta enzima, compuesta por proteínas A y B, transfiere galactosa de UDP-galactosa a glucosa, liberando UDP (fig. 12.7). La proteína A es una ÿ-D galactosiltransferasa y se encuentra en varios tejidos corporales. En tejidos distintos de la glándula mamaria lactante, esta enzima transfiere galactosa de UDP-galactosa a N -acetil-D-glucosamina, formando el mismo enlace ÿ(1ÿ4) que se encuentra en la lactosa y produciendo N-acetil-lactosamina, un componente estructuralmente glicoproteínas ligadas a N importantes (ver pág. 185). Por el contrario, la proteína B se encuentra solo en las glándulas mamarias lactantes. Es ÿ lactoalbúmina, y su síntesis es estimulada por la hormona peptídica prolactina. La proteína B forma un complejo con la enzima, la proteína A, cambiando la especificidad de esa transferasa (al disminuir la Km de la glucosa) de manera que se produce lactosa, en lugar de N-acetil-lactosamina (v . fig. 12.7). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 12.7 Síntesis de lactosa. UDP = difosfato de uridina. Aplicación clínica 12.1: Intolerancia a la lactosa La intolerancia a la lactosa, también llamada malabsorción de lactosa, afecta hasta al 60 % de los adultos con ascendencia distinta del norte de Europa. Es el resultado de la deficiencia de ÿ-galactosidasa o lactasa en el intestino delgado. Recuerde (ver pág. 97 y Fig. 7.11) que con lactasa insuficiente hay una incapacidad para digerir completamente los productos lácteos. Después de consumir productos lácteos, las personas intolerantes a la lactosa pueden experimentar calambres, diarrea e hinchazón. Los suplementos de lactasa y evitar los productos lácteos pueden ser efectivos para tratar la afección. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google V. Resumen del capítulo La principal fuente de fructosa es el disacárido sacarosa que, cuando se escinde, libera cantidades equimolares de fructosa y glucosa (fig. 12.8). El transporte de fructosa a las células es independiente de la insulina. La fructosa primero es fosforilada a fructosa 1-fosfato por la fructoquinasa y luego es escindida por la aldolasa B a DHAP y gliceraldehído. Estas enzimas se encuentran en el hígado, los riñones y el intestino delgado. Una deficiencia de fructocinasa provoca una afección benigna, la fructosuria esencial, mientras que una deficiencia de aldolasa B provoca IHF, en la que la hipoglucemia grave y la insuficiencia hepática conducen a la muerte si no se elimina la fructosa (y la sacarosa) de la dieta. La manosa, un componente importante de las glicoproteínas, es fosforilada por la hexocinasa a manosa 6-fosfato, que se isomeriza reversiblemente a fructosa 6-fosfato por la fosfomanosa isomerasa. La glucosa se puede reducir a sorbitol (glucitol) mediante la aldosa reductasa en muchos tejidos, incluidos el cristalino, la retina, los nervios periféricos, los riñones, los ovarios y las vesículas seminales. En el hígado, los ovarios y las vesículas seminales, una segunda enzima, la sorbitol deshidrogenasa, puede oxidar el sorbitol para producir fructosa. La hiperglucemia da como resultado la acumulación de sorbitol en aquellas células que carecen de sorbitol deshidrogenasa. Los eventos osmóticos resultantes causan inflamación celular y pueden contribuir a la formación de cataratas, neuropatía periférica, nefropatía y retinopatía que se observan en la diabetes. La principal fuente dietética de galactosa es la lactosa. El transporte de galactosa a las células es independiente de la insulina. La galactosa se fosforila primero a galactosa 1-fosfato por la galactoquinasa, cuya deficiencia produce cataratas. La galactosa 1-fosfato se convierte en UDP-galactosa por GALT, con el nucleótido suministrado por UDP glucosa. Una deficiencia de esta enzima causa la galactosemia clásica. Se acumula galactosa 1-fosfato y la aldosa reductasa convierte el exceso de galactosa en galactitol . Esto causa daño hepático, daño cerebral y cataratas. El tratamiento requiere la eliminación de galactosa (y lactosa) de la dieta. Para que la UDP-galactosa entre en la corriente principal del metabolismo de la glucosa, primero debe isomerizarse a glucosa UDP mediante la UDP-hexosa 4-epimerasa. Esta enzima también se puede utilizar para producir UDP-galactosa a partir de UDPglucosa cuando se requiere la primera para la síntesis de glicoproteínas y glicolípidos. La lactosa es un disacárido de la galactosa y la glucosa. Los productos lácteos son las fuentes dietéticas de lactosa. La lactosa es sintetizada por la lactosa sintasa a partir de UDP-galactosa y glucosa en la glándula mamaria lactante. La enzima tiene dos subunidades, la proteína A (que es una galactosiltransferasa que se encuentra en la mayoría de las células donde sintetiza N-acetilactosamina) y la proteína B (ÿ-lactoalbúmina, que se encuentra solo en las glándulas mamarias lactantes, y cuya síntesis es estimulada por la hormona peptídica prolactina). Cuando ambas subunidades están presentes, la transferasa produce lactosa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 12.8 Mapa conceptual clave para el metabolismo de la fructosa y la galactosa. GALT = galactosa 1-fosfato uridililtransferasa; UDP = difosfato de uridina; P = fosfato. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 12.1 Una mujer con galactosemia clásica que sigue una dieta libre de galactosa da a luz a un bebé a término. ella es capaz de producir lactosa en su leche materna porque: A. la galactosa se puede producir a partir de la fructosa por isomerización. B. galactosa se puede producir a partir de un metabolito de glucosa por epimerización. C. hexoquinasa puede fosforilar eficientemente galactosa a galactosa 1-fosfato. D. la enzima afectada en la galactosemia es activada por una hormona de la glándula mamaria. Respuesta correcta = B. La uridina difosfato (UDP)-glucosa se convierte en UDP-galactosa mediante la UDP-hexosa 4-epimerasa, lo que proporciona la forma apropiada de galactosa para la síntesis de lactosa. La isomerización de fructosa a galactosa no ocurre en el cuerpo humano. La galactosa no se convierte en galactosa 1-fosfato por la hexocinasa. Una dieta libre de galactosa no proporciona galactosa. La galactosemia es el resultado de una deficiencia de una enzima (galactosa 1-fosfato uridililtransferasa). 12.2 Un niño de 6 meses de edad es llevado a su pediatra por vómitos, sudores nocturnos y temblores. La historia revela que estos síntomas comenzaron después de que se introdujeran los jugos de frutas en su dieta cuando estaba siendo destetado de la leche materna. Al examen físico destacaba hepatomegalia. Las pruebas en su orina fueron positivas para reducir el azúcar pero negativas para la glucosa. Lo más probable es que el bebé tenga una deficiencia de: A. aldolasa B. B. fructoquinasa. C. galactoquinasa. D. ÿ-galactosidasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Respuesta correcta = A. Los síntomas sugieren intolerancia hereditaria a la fructosa, una deficiencia de aldolasa B. Las deficiencias en fructoquinasa o galactoquinasa resultan en condiciones relativamente benignas caracterizadas por niveles elevados de fructosa o galactosa en la sangre y la orina. La deficiencia de ÿ-galactosidasa (lactasa) da como resultado una menor capacidad para degradar la lactosa (azúcar de la leche). La deficiencia congénita de lactasa es bastante rara y se habría presentado mucho antes en este bebé (y con síntomas diferentes). La deficiencia típica de lactasa (intolerancia a la lactosa del adulto) se presenta a una edad más avanzada. 12.3 En la síntesis de lactosa: A. La hormona prolactina disminuye la expresión de ÿ-lactoalbúmina. B. la galactosiltransferasa cataliza la transferencia de galactosa de galactosa 1-fosfato a glucosa. C. La proteína A se utiliza exclusivamente. D. La ÿ-lactoalbúmina disminuye la afinidad de la proteína A por la glucosa. E. La prolactina estimula la expresión de la proteína B. Respuesta correcta = D. La hormona prolactina aumenta la expresión de ÿ-lactoalbúmina (proteína B). La uridina difosfato-galactosa es la forma utilizada por la galactosiltransferasa (proteína A). La proteína A también participa en la síntesis del aminoazúcar N-acetillactosamina. La proteína B disminuye la constante de Michaelis (Km) y, por tanto, aumenta la afinidad de la proteína A por la glucosa. 12.4 Se evalúa a un niño de 3 meses por ojos nublados. Su examen físico revela cataratas. Aparte de no tener una sonrisa social o ser capaz de rastrear objetos visualmente, todos los demás aspectos de su examen son normales. Las pruebas en su orina son positivas para reducir el azúcar pero negativas para la glucosa. ¿Qué enzima es más probable que sea deficiente en este niño? A. Aldolasa B B. Fructoquinasa C. Galactoquinasa D. Galactosa 1-fosfato uridililtransferasa Respuesta correcta = C. El niño tiene deficiencia de galactoquinasa y no puede fosforilar la galactosa adecuadamente. La galactosa se acumula en la sangre (y en la orina). En el cristalino del ojo, la aldosa reductasa reduce la galactosa a galactitol, un alcohol de azúcar, que causa efectos osmóticos que resultan en la formación de cataratas. La deficiencia de galactosa 1-fosfato uridililtransferasa también produce cataratas, pero se caracteriza por daño hepático y efectos neurológicos. La deficiencia de fructoquinasa es una condición benigna. La deficiencia de aldolasa B es grave, con efectos en varios tejidos, pero normalmente no se observan cataratas. 12.5 En una persona con glucosa en sangre elevada y un suministro adecuado de NADPH, ¿cuál de los siguientes será producidos en alta concentración y luego quedan atrapados en la célula? A. fructosa B. galactosa C. lactosa D. sorbitol E. sacarosa Respuesta correcta = D. El sorbitol estará elevado en esta situación. Una concentración de glucosa intracelular elevada y un suministro adecuado de NADPH reducido hacen que la aldosa reductasa produzca un aumento significativo de sorbitol, que no puede atravesar de manera eficiente las membranas celulares y, por lo tanto, queda atrapado dentro de la célula. El sorbitol atrapado en las células contribuye a las complicaciones de la diabetes mellitus, incluida la formación de cataratas, la neuropatía periférica y los problemas microvasculares. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Vía de las pentosas fosfato y Nicotinamida adenina dinucleótida Fosfato 13 I. VISIÓN GENERAL La vía de las pentosas fosfato, también conocida como derivación de hexosa monofosfato, proporciona ribosa 5-fosfato para la biosíntesis de nucleótidos y es importante como fuente principal del cuerpo de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH), un reductor bioquímico. NADPH es la fuente celular de equivalentes reductores para la biosíntesis de ácidos grasos y colesterol y para la reducción del peróxido de hidrógeno (H2O2 ) formado en respuesta al estrés oxidativo y como subproducto del metabolismo aeróbico. La glucosa-6 fosfato deshidrogenasa (G6PD) cataliza el primer paso limitante de la velocidad de la vía; La herencia ligada al cromosoma X de la deficiencia de G6PD da como resultado NADPH insuficiente, particularmente en los glóbulos rojos, lo que los hace susceptibles a la lisis en respuesta al estrés oxidativo. La vía no produce ni consume ATP. Las reacciones de esta vía ocurren en el citosol e incluyen una fase oxidativa irreversible, seguida de una serie de interconversiones azúcar-fosfato reversibles (fig. 13.1). En la fase oxidativa, el carbono 1 de una molécula de glucosa 6-fosfato se libera como dióxido de carbono (CO2 ) y se produce una pentosa de azúcar-fosfato más dos NADPH reducidos. La velocidad y la dirección de las reacciones reversibles están determinadas por la oferta y la demanda de intermediarios de la vía. La vía de las pentosas fosfato también produce ribosa 5-fosfato, necesaria para la biosíntesis de nucleótidos (véase también el Capítulo 22 III.), y proporciona un mecanismo para la conversión de azúcares de pentosa en triosa y hexosa intermedios de la glucólisis. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.1 Vía de las pentosas fosfato mostrada como componente del mapa metabólico. (Nota: consulte la Fig. 8.2 para obtener un mapa más detallado del metabolismo). P = fosfato; DHAP = fosfato de dihidroxiacetona. II. REACCIONES OXIDATIVAS IRREVERSIBLES La porción oxidativa de la vía de las pentosas fosfato consta de tres reacciones irreversibles que conducen a la formación de ribulosa 5-fosfato, CO2 y dos moléculas de NADPH por cada molécula de glucosa 6-fosfato oxidada la vía (fig.es 13.2). particularmente Esta porción de importante en el hígado, las glándulas mamarias lactantes y el tejido adiposo para la biosíntesis de ácidos grasos dependiente de NADPH (véase también el Capítulo 15 III.); en los testículos, ovarios, placenta y corteza suprarrenal para la biosíntesis de hormonas esteroides dependiente de NADPH (véase también el Capítulo 18); y en glóbulos rojos para la reducción de glutatión dependiente de NADPH. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.2 Reacciones de la ruta de las pentosas fosfato. Las enzimas enumeradas anteriormente son: (1, 2) glucosa 6fosfato deshidrogenasa y 6-fosfogluconolactona hidrolasa, (3) 6-fosfogluconato deshidrogenasa, (4) ribosa 5fosfato isomerasa, (5) fospentosa epimerasa, (6, 8) transcetolasa (coenzima: pirofosfato de tiamina), y (7) carbonos se transfieren deÿ3C un donante cetosa a un , dosde transaldolasa. aceptor de aldosa ÿ2C en reacciones transcetolasa; Reacción . Esto sede puede representar carbonos en la transaldolasa , seÿtransfieren como: azúcar 5C + azúcar 5C ÿ azúcar 7C + azúcar 3C azúcar 4C tres + azúcar 6C. NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; , fosfato; CO2 , dióxido de carbono. A. Deshidrogenación de glucosa 6-fosfato La glucosa 6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) cataliza la oxidación de glucosa 6+ fosfato a 6-fosfogluconolactona a medida que la coenzima NADP se reduce NADPH. a Esta reacción inicial es el paso comprometido, limitador de velocidad y regulado de la vía. NADPH es un potente inhibidor competitivo de G6PD, y la proporción de NADPH/ + NADP es suficientemente alta para inhibir sustancialmente la enzima la mayoría de las condiciones metabólicas. Sin embargo, con elen aumento de la demanda de NADPH, la proporción de NADPH/NADP disminuye y el flujo a través de la vía aumenta +eninsulina respuesta a la mayor actividad G6PD. Cabeyseñalar la de aumenta la expresión delde gen de G6PD el flujo aque través la vía aumenta en el estado de absorción (véase también el Capítulo 24 III.). B. Formación de ribulosa 5-fosfato La 6-fosfogluconolactona es hidrolizada por la 6-fosfogluconolactona hidrolasa en el segundo paso. La descarboxilación oxidativa del producto, 6-fosfogluconato, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google es catalizada por la 6-fosfogluconato deshidrogenasa. Este tercer paso irreversible produce ribulosa 5-fosfato, un azúcar-fosfato de pentosa, CO2 (del carbono 1 de la glucosa) y una segunda molécula de NADPH (v . fig. 13.2). tercero REACCIONES NOOXIDATIVAS REVERSIBLES Las reacciones no oxidativas de la ruta de las pentosas fosfato ocurren en todos los tipos de células sintetizando nucleótidos y ácidos nucleicos. Estas reacciones catalizan la interconversión de azúcares que contienen de tres a siete carbonos (ver Fig. 13.2). Estas reacciones reversibles permiten que la ribulosa 5-fosfato producida por la porción oxidativa de la vía se convierta en ribosa 5-fosfato necesaria para la síntesis de nucleótidos (véase también el Capítulo 22 III.) o en intermediarios de la glucólisis, fructosa 6-fosfato y gliceraldehído 3 -fosfato. Figura 13.3 Formación de ribosa 5-fosfato a partir de intermediarios de la glucólisis. P = fosfato; DHAP = fosfato de dihidroxiacetona. Muchas células que llevan a cabo reacciones biosintéticas reductoras tienen una mayor necesidad de NADPH que de ribosa 5-fosfato. En este caso, la transcetolasa, que transfiere dos unidades de carbono en una reacción que requiere pirofosfato de tiamina (TPP), y la transaldolasa, que transfiere unidades de tres carbonos, convierten la ribulosa 5-fosfato producida como producto final de la fase oxidativa en gliceraldehído 3 -fosfato y fructosa 6- fosfato. Por el contrario, cuando la demanda de ribosa para nucleótidos y ácidos nucleicos es mayor que la necesidad de NADPH, las reacciones no oxidativas pueden proporcionar la ribosa 5-fosfato a partir del gliceraldehído 3-fosfato y la fructosa 6fosfato en ausencia de los pasos oxidativos (Fig. 13.3). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Además de la transcetolasa, el TPP es requerido por los complejos multienzimáticos piruvato deshidrogenasa (ver también Capítulo 9 II.), ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa del ciclo del ácido tricarboxílico (ver también Capítulo 9 II.) y ÿ-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada. del catabolismo de aminoácidos de cadena ramificada (véase también el Capítulo 20 III.). IV. USOS DEL NADPH La coenzima NADPH se diferencia del dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH) solo por la presencia de un grupo fosfato en una de las unidades de ribosa (fig. 13.4). Este cambio aparentemente pequeño en la estructura permite que NADPH interactúe con enzimas específicas de NADPH que tienen funciones únicas en la célula. Por ejemplo, en el citosol de los hepatocitos, + /NADPH esde ÿ0.1, lo que favorece el uso de NADPH en las reacciones biosintéticas reductoras NADP en estado estacionario. Esto contrasta con el elevado cociente NAD+/NADH (ÿ1.000), que favorece un papel oxidativo del NAD+ . Esto resume algunas funciones específicas importantes de NADPH en la biosíntesis reductora y las reacciones de desintoxicación. Figura 13.4 Estructura del dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina reducido (NADPH). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.5 ÿ A: Formación de intermedios reactivos a partir de oxígeno. e G- = electrones. B: Acciones de las enzimas antioxidantes. SH = glutatión reducido; GSSG = glutatión oxidado. (Nota: consulte la Fig. 13.6B para la regeneración de G-SH). A. Biosíntesis reductiva Al igual que el NADH, se puede pensar en el NADPH como una molécula de alta energía. Sin embargo, los electrones de NADPH se utilizan para la biosíntesis reductora, en lugar de para la transferencia a la cadena de transporte de electrones como se ve con NADH (ver Capítulo 6 V.). En las transformaciones metabólicas de la ruta de las pentosas fosfato, parte de la energía de la glucosa 6-fosfato se conserva en NADPH, una molécula con un potencial de reducción negativo (ver Capítulo 6), que, por lo tanto, puede usarse en reacciones que requieren un donador de electrones. , tales como ácidos grasos (ver Capítulo 16 III.), colesterol y síntesis de hormonas esteroides (ver también Capítulo 18 III. y VII.). Figura 13.6 A: Estructura del glutatión reducido (G-SH). (Nota: el glutamato está vinculado a la cisteína a través de un carboxilo ÿ, en lugar de un carboxilo ÿ). B: Las funciones del G-SH y el fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido (NADPH) en la reducción del peróxido de hidrógeno (H2O2 ) a agua. GSSG = glutatión oxidado. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. Reducción de H2O2 H2O2 pertenece a una familia de especies reactivas de oxígeno (ROS) que se forman a partir de la reducción parcial del oxígeno molecular, O2 (figura 13.5A). Estos compuestos se generan continuamente como subproductos del metabolismo aeróbico, a través de reacciones con medicamentos y toxinas ambientales, o cuando el nivel de antioxidantes disminuye, todo lo cual crea la condición de estrés oxidativo. Estos intermedios de oxígeno altamente reactivos pueden causar daños químicos graves en el ADN, las proteínas y los lípidos insaturados y pueden provocar la muerte celular. Las ROS se han implicado en una serie de procesos patológicos, que incluyen lesiones por reperfusión, cáncer, enfermedades inflamatorias y envejecimiento. La célula tiene varios mecanismos de protección que minimizan el potencial tóxico de estos compuestos. Las ROS también se pueden generar en la destrucción de microbios por parte de los glóbulos blancos (consulte la Sección D, en la página 165). 1. Enzimas que catalizan reacciones antioxidantes: el glutatión reducido (G-SH), un tripéptidotiol (ÿ-glutamilcisteinilglicina) presente en la mayoría de las células, puede desintoxicar químicamente el H2O2 (fig. 13.5B). Esta reacción, catalizada por la glutatión peroxidasa, forma glutatión oxidado (GSSG), que ya no tiene propiedades protectoras. La célula regenera G-SH en una reacción catalizada por la glutatión reductasa, utilizando NADPH como fuente de equivalentes reductores. Por lo tanto, NADPH indirectamente proporciona electrones para la reducción de H2O2 (Fig. 13.6). Enzimas adicionales, como la superóxido dismutasa y la catalasa, catalizan la conversión de otras ROS en productos inofensivos (v . fig. 13.5B). Como grupo, estas enzimas sirven como un sistema de defensa para protegerse contra los efectos tóxicos de las ROS. 2. Sustancias químicas antioxidantes: varios agentes reductores intracelulares, como el ascorbato o la vitamina C, la vitamina E y el ÿ-caroteno, pueden reducir y, por lo tanto, detoxificar las ROS en el laboratorio. El consumo de alimentos ricos en estos compuestos antioxidantes se ha correlacionado con un menor riesgo de ciertos tipos de cáncer, así como con una menor frecuencia de otros problemas de salud crónicos. Por lo tanto, es tentador especular que los efectos de estos compuestos son, en parte, una expresión de su capacidad para sofocar el efecto tóxico de las ERO. Sin embargo, los ensayos clínicos con antioxidantes como suplementos dietéticos no han demostrado efectos beneficiosos claros. En el caso de la suplementación dietética con ÿ-caroteno, la tasa de cáncer de pulmón en fumadores aumentó en lugar de disminuir. Por lo tanto, los efectos que promueven la salud de las frutas y verduras dietéticas probablemente reflejen una interacción compleja entre muchos compuestos naturales, que no ha sido duplicada por el consumo de compuestos antioxidantes aislados (ver también el Capítulo 28). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.7 Ciclo catalítico de la monooxigenasa del citocromo P450 (CYP) (simplificado). Los electrones (e ÿ ) se mueven del fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADPH) al dinucleótido de flavina y adenina (FAD) al mononucleótido de flavina y adenina (FMN) de la reductasa y luego al hierro hemo (Fe) de la ÿ enzima CYP microsomal. (Nota: en el sistema mitocondrial, pasar e luego de FAD a laaenzima una proteína CYP). de hierro-azufre y C. Sistema de monooxigenasa del citocromo P450 Las monooxigenasas (oxidasas de función mixta) incorporan un átomo de O2 en un sustrato (creando un grupo hidroxilo), y el otro átomo se reduce a agua (H2O). En el sistema de monooxigenasa del citocromo P450 (CYP), NADPH proporciona ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google los equivalentes reductores requeridos por esta serie de reacciones (Fig. 13.7). Este sistema realiza diferentes funciones en dos ubicaciones separadas en las celdas. La reacción global catalizada por una enzima CYP es RÿH + O2 + NADPH + H+ ÿ RÿOH + H2O + NADP + donde R puede ser un esteroide, una droga u otra sustancia química. Las enzimas CYP son en realidad una superfamilia de monooxigenasas relacionadas que contienen hemo que participan en una amplia variedad de reacciones. El P450 en el nombre refleja la absorbancia a 450 nm de la proteína. 1. Sistema mitocondrial: una función importante del sistema de monooxigenasa CYP que se encuentra asociado con la membrana mitocondrial interna es la biosíntesis de hormonas esteroides. En tejidos esteroidogénicos, como la placenta, los ovarios, los testículos y la corteza suprarrenal, se usa para hidroxilar los intermediarios en la conversión del colesterol en hormonas esteroides, un proceso que hace que estos compuestos hidrofóbicos sean más solubles en agua (ver Capítulo 18 VII.). El hígado usa este mismo sistema en la síntesis de ácidos biliares (ver Capítulo 18 V.) y la hidroxilación de colecalciferol a 25-hidroxicolecalciferol (vitamina D3 ; ver Capítulo 28 XII.), y el riñón lo usa para hidroxilar la vitamina D3 a su forma biológicamente activa . forma 1,25-dihidroxilada. 2. Sistema microsomal: el sistema microsomal CYP monooxigenasa que se encuentra asociado con la membrana del retículo endoplásmico liso, particularmente en el hígado, funciona principalmente en la desintoxicación de compuestos extraños o xenobióticos. Estos incluyen numerosas drogas y contaminantes tan variados como productos derivados del petróleo y pesticidas. Las enzimas CYP del sistema microsomal, por ejemplo, CYP3A4, pueden usarse para hidroxilar estas toxinas (fase I). El propósito de estas modificaciones es doble. En primer lugar, puede activar o desactivar por sí mismo un fármaco y, en segundo lugar, hacer que un compuesto tóxico sea más soluble, facilitando así su excreción en la orina o las heces. Sin embargo, con frecuencia, el nuevo grupo hidroxilo servirá como sitio para la conjugación con una molécula polar, como el ácido glucurónico (ver Capítulo 14 III), lo que aumentará significativamente la solubilidad del compuesto (fase II). Cabe señalar que los polimorfismos ( capítulo 34) en los genes de las enzimas CYP pueden conducir a diferencias en el metabolismo de los fármacos. D. Fagocitosis de glóbulos blancos y eliminación de microbios La fagocitosis es la ingestión por endocitosis mediada por receptores de microorganismos, partículas extrañas y restos celulares por leucocitos como neutrófilos y macrófagos (monocitos). Es un importante mecanismo de defensa, particularmente en infecciones bacterianas. Los neutrófilos y los monocitos están armados con mecanismos tanto independientes como dependientes del oxígeno para matar bacterias. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.8 Fagocitosis y la vía de destrucción microbiana dependiente del oxígeno (O2 ). IgG = inmunoglobulina G; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; O2 ÿ = hidrógeno; superóxido;HOCl H2O2= =ácido peróxido hipocloroso; de OH• = radical hidroxilo 1. Independiente del oxígeno: los mecanismos independientes del oxígeno usan cambios de pH en fagolisosomas y enzimas lisosomales para destruir patógenos. 2. Dependiente de oxígeno: los mecanismos dependientes de oxígeno incluyen las enzimas NADPH oxidasa y mieloperoxidasa (MPO) que trabajan juntas para matar bacterias (fig. 13.8). En general, el sistema MPO es el más potente de los mecanismos bactericidas. Una bacteria invasora es reconocida por el sistema inmunitario y atacada por anticuerpos que la unen a un receptor en una célula fagocítica. Una vez que ha ocurrido la internalización del microorganismo, la NADPH oxidasa, ubicada en la membrana celular de los leucocitos, se activa y reduce el O2 del tejido circundante a superóxido (O2- ) , un radical libre ROS, a medida que se oxida NADPH. El rápido consumo de O2 que acompaña a su formación se denomina estallido respiratorio. (Nota: la NADPH oxidasa activa es un complejo asociado a la membrana que contiene un flavocitocromo más péptidos adicionales que se translocan desde el citoplasma tras la activación del leucocito. Los electrones se mueven de NADPH a O2 a través del nucleótido de flavina adenina [FAD] y hemo, generando O2 ÿ .]) Las deficiencias genéticas raras en la NADPH oxidasa causan la enfermedad granulomatosa crónica (CGD) caracterizada por infecciones graves y persistentes y la formación de granulomas (áreas nodulares de inflamación) que secuestran las bacterias que no fueron destruidas. A continuación, el O2 ÿ se convierte en H2O2 (también un ROS), ya sea de forma espontánea o catalizada por la superóxido dismutasa. En presencia de MPO, una enzima lisosomal que contiene hemo presente en el fagolisosoma, los iones de peróxido y cloruro se convierten en ácido hipocloroso, HOCl, el principal componente de la lejía doméstica, que mata las bacterias. El peróxido también puede reducirse parcialmente al radical hidroxilo (OH•), un ROS, o puede reducirse completamente a H2O mediante catalasa o glutatión peroxidasa. Las deficiencias en MPO no confieren una mayor susceptibilidad a la infección porque el peróxido de la NADPH oxidasa es bactericida. E. Síntesis de óxido nítrico El óxido nítrico (NO) se reconoce como un mediador en una amplia gama de sistemas biológicos. El NO es el factor relajante derivado del endotelio que causa vasodilatación al relajar el músculo liso vascular. También actúa como neurotransmisor, previene la agregación plaquetaria y juega un papel esencial en la función de los macrófagos. Tiene una vida media muy corta en los tejidos (3 a 10 segundos) porque reacciona con el O2 y se convierte en nitratos y nitritos, incluido el peroxinitrito (O = NOOÿ ), una especie de nitrógeno reactivo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google (RNS). Tenga en cuenta que el NO es un gas de radicales libres que a menudo se confunde con el óxido nitroso (N2O), el "gas de la risa" que se usa como anestésico y es químicamente estable. 1. Óxido nítrico sintasa: la arginina, el O2 y el NADPH son sustratos de la NO sintasa citosólica ([NOS], fig. 13.9). El mononucleótido de flavina (FMN), FAD, hemo y tetrahidrobiopterina (v . capítulo 20 V.) son coenzimas, y el NO y la citrulina son productos de la reacción. Se han identificado tres isoenzimas NOS, cada una producto de un gen diferente. Dos son constitutivos (sintetizados a una velocidad constante), calcio (Ca Capítulo 11 V.). Se encuentran principalmente 2+ en el endotelio (eNOS) y tejido neural (nNOS) y producen constantemente niveles (ver muy bajos de )-calmodulina (CaM)-enzimas dependientes NO para vasodilatación y neurotransmisión. Un inducible, Ca 2+ La enzima independiente (iNOS) se puede expresar en muchas células, incluidos los macrófagos y los neutrófilos, como una defensa temprana contra los patógenos. Los inductores específicos para iNOS varían con el tipo de célula e incluyen citocinas proinflamatorias, como el factor de necrosis tumoral-ÿ (TNF-ÿ) y el interferónÿ (IFN-ÿ), y endotoxinas bacterianas como el lipopolisacárido (LPS). Estos compuestos promueven la síntesis de iNOS, lo que puede resultar en la producción de grandes cantidades de NO durante horas o incluso días. 2. Óxido nítrico y endotelio vascular: el NO es un mediador importante en el control del tono del músculo liso vascular. El NO es sintetizado por eNOS en las células endoteliales y se difunde al músculo liso vascular, donde activa la forma citosólica de la guanilil ciclasa (o guanilato ciclasa) para formar monofosfato de guanosina cíclico (cGMP). Esta reacción es análoga a la formación de monofosfato de adenosina cíclico (cAMP) por la adenilil ciclasa (ver Capítulo 8 II. D.). El aumento resultante en cGMP provoca la activación de la proteína quinasa G, que 2+ en canales lisos, lo que provoca una disminución de la entrada de Ca fosforila Ca las células 2+ musculares. Esto disminuye la activación de Ca 2+-CaM de la cinasa de cadena ligera de miosina, lo que disminuye la contracción del músculo liso y favorece la relajación. Los nitratos vasodilatadores, como la nitroglicerina, se metabolizan a NO, lo que provoca la relajación del músculo liso vascular y, por lo tanto, reduce la presión arterial. Por lo tanto, el NO puede concebirse como un nitrovasodilatador endógeno. Tenga en cuenta que en condiciones hipóxicas, el nitrito (NO2 ÿ ) se puede reducir a NO, que se une a la desoxihemoglobina. El NO se libera en la sangre, provocando vasodilatación y aumentando el flujo sanguíneo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.9 Síntesis y algunas acciones del óxido nítrico (NO). (Nota: el mononucleótido de flavina, el dinucleótido de adenina de flavina, el hemo y la tetrahidrobiopterina son coenzimas adicionales requeridas por NOS). NADP(H) = nicotinamidaadenina dinucleótido fosfato. 3. Actividad bactericida del óxido nítrico y los macrófagos: en los macrófagos, la actividad de iNOS es normalmente baja, pero la síntesis de la enzima es estimulada significativamente por el LPS bacteriano y por la liberación de IFN-ÿ y TNF-ÿ en respuesta a la infección. Los macrófagos activados forman radicales que se combinan con el NO para formar intermediarios que se descomponen, produciendo el radical OH• altamente bactericida. 4. Funciones adicionales: el NO es un potente inhibidor de la adhesión y agregación plaquetaria (mediante la activación de la vía cGMP). También se caracteriza por ser un neurotransmisor en el sistema nervioso central y periférico. V. DEFICIENCIA DE G6PD La deficiencia de G6PD, una condición hereditaria que afecta principalmente a hombres, se caracteriza por anemia hemolítica cuando el individuo afectado se expone a estrés oxidativo. La anemia es causada por la incapacidad de los glóbulos rojos (eritrocitos) para desintoxicar los agentes oxidantes. Con la deficiencia de G6PD, hay menos NADPH disponible para mantener una reserva de glutatión reducido para desintoxicar el H2O2 generado en respuesta al estrés oxidativo. A. Papel de G6PD en los eritrocitos Se requiere una actividad adecuada de G6PD para que las células formen NADPH, esencial para el mantenimiento de la reserva de G-SH. Aunque la deficiencia de G6PD ocurre en todas las células del individuo afectado, es más grave en los eritrocitos, donde la ruta de las pentosas fosfato proporciona el único medio para generar NADPH. Además, dado que los glóbulos rojos no tienen núcleo ni ribosomas, no pueden renovar su suministro de la enzima, lo que deja a los eritrocitos particularmente vulnerables a las variantes enzimáticas con estabilidad disminuida. Otros tejidos tienen una vía alternativa para producir NADPH (a través de NADP + malato deshidrogenasa dependiente [enzima málica]; ver Capítulo 16 III.). Aplicación clínica 13.1: Características de la deficiencia de G6PD Heredado como un rasgo ligado al cromosoma X, la deficiencia de G6PD afecta principalmente a los hombres y es la enfermedad más común que produce anomalías enzimáticas en los seres humanos. Más de 400 millones de personas se ven afectadas en todo el mundo. Esta deficiencia enzimática tiene la prevalencia más alta en personas cuyos ancestros provienen del Medio Oriente, África tropical y Asia, y partes del Mediterráneo. La deficiencia de G6PD es en realidad una familia de deficiencias causadas por varias mutaciones diferentes en el gen G6PD. Solo algunas de las variantes de proteínas resultantes causan síntomas clínicos. Además de los episodios periódicos de anemia hemolítica en respuesta al estrés oxidativo, una manifestación clínica común de la deficiencia de G6PD es la ictericia neonatal que aparece de 1 a 4 días después del nacimiento. La ictericia, que puede ser grave, suele ser el resultado de una mayor producción de bilirrubina no conjugada (véase el Capítulo 21 II.). La esperanza de vida de las personas con una forma grave de deficiencia de G6PD puede acortarse un poco como resultado de las complicaciones derivadas de la hemólisis crónica. Este efecto negativo de la deficiencia de G6PD ha sido ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google equilibrado en la evolución por una mayor resistencia a la malaria causada por Plasmodium falciparum. La infección de los glóbulos rojos por el parásito induce estrés oxidativo, lo que resulta de la lisis de los glóbulos rojos y protege al huésped del desarrollo de la malaria. Figura 13.10 Vías del metabolismo de la glucosa 6-fosfato en el eritrocito. NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; G-SH = glutatión reducido; GSSG = glutatión oxidado; H2O2 = peróxido de hidrógeno; PPP = ruta de las pentosas fosfato. La deficiencia de G6PD altera el proceso de desintoxicación de radicales libres y peróxidos formados dentro de la célula (fig. 13.10). G-SH también ayuda a mantener los estados reducidos de los grupos sulfhidrilo en las proteínas, incluida la hemoglobina. La oxidación de esos grupos sulfhidrilo conduce a la formación de proteínas desnaturalizadas que forman masas insolubles llamadas cuerpos de Heinz que se adhieren a las membranas de los glóbulos rojos (fig. 13.1 La oxidación adicional de las proteínas de membrana hace que las membranas de los eritrocitos se vuelvan rígidas (menos deformables), y los macrófagos las eliminan de la circulación en el bazo y el hígado. Figura 13.11 Dibujo que muestra la apariencia de los cuerpos de Heinz en los eritrocitos de un paciente con deficiencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa. B. Factores precipitantes en la deficiencia de G6PD Los hombres que heredan una mutación de G6PD en su único cromosoma X se consideran hemicigotos para el rasgo de deficiencia de G6PD, ya que solo tienen una ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google cromosoma X. Los individuos afectados normalmente permanecerán asintomáticos a menos o hasta que experimenten un fuerte estrés oxidativo, que puede deberse al tratamiento con un fármaco oxidante, la ingestión de habas o una infección grave. La lisis de glóbulos rojos y la anemia hemolítica dan como resultado individuos con deficiencia de G6PD en respuesta a agentes inductores de estrés oxidativo. 1. Medicamentos oxidantes: los medicamentos que pueden causar estrés oxidativo y producir anemia hemolítica en pacientes con deficiencia de G6PD a menudo se encuentran en categorías que comienzan con la letra A: algunos antibióticos (particularmente sulfonamidas), algunos antipalúdicos, algunos analgésicos y algunos antipiréticos. Solo ciertos medicamentos en cada categoría están implicados. Las listas de medicamentos están disponibles para los prescriptores que incluyen agentes generalmente seguros y aquellos que es mejor evitar en personas con deficiencia de G6PD. 2. Favismo: las personas con algunas formas de deficiencia de G6PD, especialmente la variante mediterránea, son particularmente susceptibles al efecto hemolítico de las habas o habas, un alimento básico en la región mediterránea. El favismo, el efecto hemolítico de la ingestión de habas, no se observa en todos los individuos con deficiencia de G6PD, pero todos los pacientes con favismo tienen deficiencia de G6PD. 3. Infección: La infección es un factor precipitante común de hemólisis en personas con deficiencia de G6PD. La respuesta inflamatoria a la infección da como resultado la generación de radicales libres en los macrófagos. Los radicales pueden difundirse en los glóbulos rojos y causar daño oxidativo. C. Variantes del gen G6PD La clonación y secuenciación del gen G6PD (véase el Capítulo 34) ha llevado a la identificación de más de 400 variantes de G6PD que provocan la deficiencia de la enzima G6PD. Algunas mutaciones no afectan la actividad enzimática. La mayoría de las mutaciones que resultan en una función baja de la enzima G6PD son mutaciones puntuales sin sentido (véase el Capítulo 32 II.); algunas causan una disminución de la actividad catalítica, otras una disminución de la estabilidad, mientras que otras mutaciones de G6PD + o tetrámero. alteran la afinidad de unión por NADP o glucosa 6-fosfato. La enzima G6PD activa Lasexiste mutaciones como homodímero en la interfaz entre las subunidades pueden afectar la estabilidad de la enzima. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.12 Clasificación de las variantes de deficiencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa (G6PD). (Nota: las variantes de Clase V (no se muestran) dan como resultado una sobreproducción de G6PD). * = más común. La gravedad de la anemia hemolítica en personas con deficiencia de G6PD generalmente se correlaciona con la cantidad de actividad enzimática residual en los glóbulos rojos del paciente. Las variantes de G6PD se pueden clasificar como se muestra en la Figura 13.12. G6PD A : es el prototipo de la forma moderada (clase III) de la enfermedad. Los glóbulos rojos contienen una G6PD inestable pero cinéticamente normal, con la mayor parte de la actividad enzimática presente en los reticulocitos y los glóbulos rojos más jóvenes (fig. 13.13). Los glóbulos rojos más antiguos tienen el nivel más bajo de actividad de G6PD y se eliminan preferentemente en un episodio hemolítico. Debido a que la hemólisis no afecta a las células más jóvenes, los episodios son autolimitados. G6PD Mediterranean es el prototipo de una deficiencia más grave (clase II). Las mutaciones de clase I (raras) son las más graves y se relacionan con anemia hemolítica no esferocítica crónica, incluso en ausencia de estrés oxidativo. Tanto la proteína mediterránea G6PD A ÿ como la G6PD representan enzimas mutantes que difieren de las respectivas variantes normales en un solo aminoácido. No se han identificado deleciones grandes o mutaciones de cambio de marco, lo que sugiere que la ausencia total de actividad de la enzima G6PD es probablemente letal. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.13 Disminución de la actividad de la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa (G6PD) de los eritrocitos con la edad celular para las tres formas más comunes de la enzima. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VI. Resumen del capítulo La vía de las pentosas fosfato es la principal productora de NADPH en el organismo (fig. 13.14). No se usa ni consume ATP en la vía. La vía incluye una fase oxidativa irreversible seguida de una serie de interconversiones reversibles de azúcar-fosfato. Las reacciones no oxidativas reversibles interconvierten los azúcares. La ribulosa 5-fosfato se convierte en ribosa 5-fosfato, necesaria para la síntesis de nucleótidos y ácidos nucleicos, o en fructosa 6-fosfato y gliceraldehído 3-fosfato (intermedios glicolíticos). La porción oxidativa productora de NADPH de la vía proporciona equivalentes reductores para la biosíntesis reductora y las reacciones de desintoxicación. En esta parte de la vía, la glucosa 6-fosfato se convierte irreversiblemente en ribulosa 5-fosfato y se producen dos NADPH . El paso regulado es catalizado por G6PD, que es fuertemente inhibido por un aumento en NADPH/NADP + relación. NADPH es una fuente de equivalentes reductores en la biosíntesis reductora, como la producción de ácidos grasos en el hígado, el tejido adiposo y la glándula mamaria; colesterol en el hígado; y hormonas esteroides en la placenta, los ovarios, los testículos y la corteza suprarrenal. Los eritrocitos también requieren NADPH para la reducción del H2O2 producido como consecuencia del metabolismo aeróbico. G-SH es utilizado por la glutatión peroxidasa para reducir el peróxido a agua. El glutatión oxidado (GS SG) producido es reducido por la glutatión reductasa, usando NADPH como fuente de electrones. NADPH proporciona equivalentes reductores para el sistema de monooxigenasa del citocromo P450 mitocondrial, que se utiliza en la síntesis de hormonas esteroides en tejido esteroidogénico, la síntesis de ácidos biliares en el hígado y la activación de la vitamina D en el hígado y los riñones. El sistema microsomal usa NADPH para desintoxicar xenobióticos, como drogas y una variedad de contaminantes. NADPH proporciona los equivalentes reductores para los fagocitos involucrados en la eliminación de microorganismos invasores. La NADPH oxidasa utiliza oxígeno molecular (O2 ) y electrones de NADPH para producir radicales superóxido que, a su vez, pueden convertirse en peróxido mediante la superóxido dismutasa. La deficiencia de G6PD, una enfermedad ligada al cromosoma X que afecta principalmente a los hombres, afecta la capacidad de los eritrocitos para formar NADPH, esencial para mantener la reserva de G-SH. Los eritrocitos son los más afectados porque no tienen fuentes adicionales de NADPH. Se caracteriza por anemia hemolítica causada por la producción de radicales libres y peróxidos después de la exposición al estrés oxidativo, incluidas infecciones graves, fármacos oxidantes o habas. La extensión de la anemia depende de la cantidad de enzima residual. Los recién nacidos con deficiencia de G6PD pueden experimentar ictericia neonatal prolongada. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 13.14 Mapa de conceptos clave para la vía de las pentosas fosfato y el fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADPH). Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 13.1 En preparación para un viaje a un área de la India, a un hombre joven se le administra profilácticamente un fármaco antipalúdico. Varios días después del inicio de esta terapia, desarrolla ictericia y se le diagnostica anemia. ¿Un nivel bajo de cuál de los siguientes es una consecuencia de la deficiencia enzimática más probable y la causa subyacente de la presentación del paciente? A. Glucosa 6-fosfato B. Forma oxidada de nicotinamida adenina dinucleótido C. Forma reducida de glutatión D. Ribosa 5-fosfato Respuesta correcta = C. El glutatión (G-SH) es esencial para la integridad de los glóbulos rojos y se mantiene en esta forma reducida (funcional) por la glutatión reductasa dependiente de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). El NADPH proviene de la porción oxidativa de la ruta de las pentosas fosfato. Las personas con una deficiencia de la enzima regulada de esta vía, la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa (G6PD), tienen una menor capacidad para generar NADPH y, por lo tanto, una menor capacidad para mantener reducido el G-SH. Cuando se tratan con algunos antipalúdicos que inducen estrés oxidativo, algunos pacientes con deficiencia de G6PD desarrollan anemia hemolítica. Los niveles de glucosa 6-fosfato no se alteran. El dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD[H]) no es producido por la vía ni utilizado como coenzima por la G-SH reductasa. Una disminución en la ribosa 5-fosfato no causa ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google hemólisis. 13.2 La presión arterial baja (hipotensión) es un signo de shock séptico, resultado de una respuesta inflamatoria severa a una infección bacteriana. Según esta información, una causa probable de esta hipotensión es: A. Activación de la óxido nítrico sintasa endotelial que provoca una disminución del óxido nítrico. B. La larga vida media del óxido nítrico promueve una vasoconstricción excesiva a largo plazo. C. La lisina, la fuente de nitrógeno para la síntesis de óxido nítrico, es desaminada por bacterias. D. Endotoxina bacteriana que promueve la síntesis de iNOS y provoca un aumento de la producción de NO. Respuesta correcta = D. La sobreproducción de óxido nítrico (NO) de vida corta por la óxido nítrico sintasa inducible independiente del calcio (iNOS) da como resultado una vasodilatación excesiva que lleva a la hipotensión. La enzima endotelial (eNOS) es constitutiva y produce niveles bajos de NO a un ritmo constante. NOS utiliza arginina, no lisina, como fuente de nitrógeno. 13.3 Se aconseja a una persona a la que recientemente se le haya recetado un fármaco (atorvastatina) para reducir los niveles de colesterol que limite el consumo de jugo de toronja, ya que, según se informa, una ingesta elevada de jugo produce un aumento del nivel del fármaco en la sangre, lo que aumenta el riesgo de efectos secundarios. efectos La atorvastatina es un sustrato para la enzima CYP3A4 del citocromo P450, y el jugo de toronja inhibe la enzima. Con base en esta información, lo más probable es que las enzimas CYP: A. Aceptan electrones del dinucleótido de nicotinamida y adenina reducido. B. Catalizar la hidroxilación de moléculas hidrofóbicas. C. Difieren de la óxido nítrico sintasa en que contienen hemo. D. Función en asociación con una oxidasa. Respuesta correcta = B. Las enzimas CYP hidroxilan compuestos hidrofóbicos, haciéndolos más solubles en agua. El dinucleótido fosfato de nicotinamida y adenina reducido (NADPH) de la ruta de las pentosas fosfato es el donante de electrones. Tanto las enzimas CYP como las isoenzimas de la óxido nítrico sintasa contienen hemo. 13.4 En los varones que son hemicigotos por deficiencia de glucosa 6-fosfato deshidrogenasa, las consecuencias fisiopatológicas son más evidentes en los glóbulos rojos que en otras células, como en el hígado. La mejor explicación para estos hallazgos es que: A. El exceso de glucosa 6fosfato en el hígado, pero no en los glóbulos rojos, puede canalizarse hacia el glucógeno, evitando así el daño celular. B. Las células hepáticas, a diferencia de los glóbulos rojos, tienen mecanismos alternativos para suministrar la cantidad reducida nicotinamida adenina dinucleótido fosfato necesario para mantener la integridad celular. C. La producción de ATP requerida por los glóbulos rojos para mantener la integridad celular depende exclusivamente de la derivación de glucosa 6-fosfato a la ruta de las pentosas fosfato. D. A diferencia de las células hepáticas, la actividad de la glucosa 6-fosfatasa de los glóbulos rojos disminuye el nivel de glucosa 6-fosfato, lo que provoca daño celular. Respuesta correcta = B. El daño celular está directamente relacionado con la disminución de la capacidad de la célula para regenerar el glutatión reducido, para lo cual se necesitan grandes cantidades de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido (NADPH), y los glóbulos rojos no tienen otro medio que la vía de la pentosa fosfato. de generar NADPH. Es la disminución del producto (NADPH), no el aumento del sustrato (glucosa 6-fosfato), ese es el problema. Los glóbulos rojos no tienen glucosa 6-fosfatasa. La vía de las pentosas fosfato no genera ATP. 13.5 Una coenzima esencial para varias enzimas del metabolismo se deriva de la vitamina tiamina. ¿El estado de tiamina en el cuerpo se puede determinar usando una medición de la actividad de qué enzima? A. Transcetolasa B. Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa C. Piruvato deshidrogenasa D. Glutatión peroxidasa Respuesta correcta = B. Los glóbulos rojos no tienen mitocondrias y, por lo tanto, no contienen enzimas mitocondriales. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google como la piruvato deshidrogenasa que requiere la coenzima pirofosfato de tiamina (TPP) derivada de la tiamina. Sin embargo, contienen la transcetolasa citosólica que requiere TPP, cuya actividad se usa clínicamente para evaluar el estado de tiamina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Glicosaminoglicanos, Proteoglicanos y Glicoproteínas 14 I. DESCRIPCIÓN GENERAL DE GLICOSAMINOGLICANOS Los glicosaminoglicanos (GAG) son grandes complejos de cadenas de heteropolisacáridos con carga negativa. Por lo general, se asocian con una pequeña cantidad de estructuras formadoras de proteínas conocidas como proteoglicanos, que generalmente consisten en hasta un 95 % de carbohidratos. Los GAG tienen la capacidad especial de unir grandes cantidades de agua, produciendo la matriz similar a un gel que forma la base de la sustancia fundamental del cuerpo, la cual, junto con proteínas estructurales fibrosas como colágeno, elastina y fibrilina-1, y proteínas adhesivas como como fibronectina, constituye la matriz extracelular (MEC). Los GAG hidratados sirven como soporte flexible para la MEC, interactuando con las proteínas estructurales y adhesivas, y como tamiz molecular, influyendo en el movimiento de materiales a través de la ME Las propiedades viscosas y lubricantes de las secreciones mucosas también resultan de la presencia de GAG, lo que condujo al nombre original de estos compuestos como mucopolisacáridos. Figura 14.1 Unidad repetitiva de disacáridos de glicosaminoglicanos. II. ESTRUCTURA Los GAG son heteropolisacáridos largos, no ramificados, compuestos por cadenas repetidas de disacáridos donde uno de los azúcares es un aminoazúcar N-acetilado, ya sea N -acetilglucosamina (GlcNAc) o N-acetilgalactosamina (GalNAc) (Fig. 14.1), y el otro es un azúcar ácido . azúcar. Una única excepción es el sulfato de queratán, que contiene galactosa en lugar de un azúcar ácido. El aminoazúcar es D-glucosamina o D- ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google galactosamina, en la que se suele acetilar el grupo amino, eliminando su carga positiva. El aminoazúcar también puede estar sulfatado en el carbono 4 o 6 o en un nitrógeno no acetilado. El azúcar ácido es ácido D-glucurónico o su epímero C-5 ácido L-idurónico (fig. 14.2). Estos azúcares urónicos contienen grupos carboxilo que están cargados negativamente a pH fisiológico y, junto 2ÿ ), otorgan a los GAG su fuerte con los grupos sulfato (ÿSO4 naturaleza negativa. Figura 14.2 Algunas unidades de monosacáridos que se encuentran en los glicosaminoglicanos. A. Relación estructura-función Debido a la alta concentración de cargas negativas, estas cadenas repetitivas de disacáridos tienden a extenderse en solución. Se repelen entre sí y están rodeados por una capa de moléculas de agua. Cuando se juntan, se deslizan uno al lado del otro, como dos imanes con la misma polaridad parecen deslizarse uno al lado del otro. Esto produce la consistencia resbaladiza de las secreciones mucosas y el líquido sinovial. Cuando se comprime una solución que contiene GAG, el agua se exprime y los GAG se ven obligados a ocupar un volumen menor. Cuando se libera la compresión, los GAG vuelven a su volumen hidratado original debido a la repulsión de sus cargas negativas. Esta propiedad contribuye a la resiliencia del cartílago, el líquido sinovial y el humor vítreo del ojo (fig. 14.3). B. Clasificación Los seis tipos principales de GAG se dividen según la composición monomérica, el tipo ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google de enlaces glucosídicos, y grado y ubicación de unidades de sulfato. La estructura de los GAG y su distribución en el cuerpo se ilustra en la Figura 14.4. Todos los GAG, excepto el ácido hialurónico, están sulfatados y se encuentran unidos covalentemente a proteínas, formando monómeros de proteoglicanos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.3 Resiliencia de glucosaminoglucanos. C. Proteoglicanos Los proteoglicanos se encuentran en la MEC y en la superficie externa de las células. 1. Estructura del monómero: un monómero de proteoglicano que se encuentra en el cartílago consta de una proteína central a la que se unen covalentemente hasta 100 cadenas lineales de GAG. Estas cadenas, cada una de las cuales puede estar compuesta por hasta 200 unidades de disacárido, se extienden desde el núcleo de la proteína y permanecen separadas entre sí debido a la repulsión de carga. La estructura resultante se asemeja a un cepillo para botellas (Fig. 14.5). En los proteoglicanos del cartílago, el sulfato de condroitina y el sulfato de queratán son los principales tipos de GAG. Tenga en cuenta que los proteoglicanos se agrupan en familias de genes que codifican proteínas centrales con características estructurales comunes. La familia de los agrecanos (agrecano, versicano, neurocano y brevicano), abundante en cartílago, es un ejemplo. 2. Enlace GAG-proteína: los GAG unidos a la proteína central a través de un enlace covalente son más comúnmente a través de un trihexósido (galactosa-galactosa-xilosa) y un residuo de serina en la proteína. Se forma un enlace O-glucosídico entre la xilosa y el grupo hidroxilo de la serina (fig. 14.6). Aplicación clínica 14.1: Proteoglicanos, cartílago y osteoartritis La osteoartritis afecta a millones de personas en todo el mundo. En esta enfermedad, el cartílago articular se degrada y se pierden los proteoglicanos que normalmente ayudan a proporcionar un amortiguador para la articulación. Sin la resiliencia del cartílago que protege la articulación, hay dolor, rigidez e hinchazón, con un empeoramiento progresivo de los signos y síntomas. Se ha informado que la glucosamina y la condroitina alivian el dolor y detienen la progresión de la osteoartritis. Estos compuestos están fácilmente disponibles como suplementos dietéticos de venta libre en los Estados Unidos. Según varios estudios clínicos bien controlados, parece que el sulfato de glucosamina (pero no el clorhidrato de glucosamina) y el sulfato de condroitina pueden tener un efecto pequeño a moderado en el alivio de los síntomas de la osteoartritis. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.4 Estructura de unidades repetitivas y distribución de glicosaminoglicanos (GAG). Los grupos sulfato ( ) se muestran en todas las posiciones posibles. GlcUA e IdUA = ácidos glucurónico e idurónico; GalNAc = N-acetilgalactosamina; GlcNAc = N-acetilglucosamina; GlcN = glucosamina; Gal = galactosa. 3. Formación de agregados: muchos monómeros de proteoglicanos pueden asociarse con una molécula de ácido hialurónico para formar agregados de proteoglicanos. La asociación no es covalente y ocurre principalmente a través de interacciones iónicas entre la proteína central y el ácido hialurónico. La asociación se estabiliza mediante pequeñas proteínas adicionales denominadas proteínas de enlace (fig. 14.7). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.5 Modelo de cepillo de biberón de un monómero de proteoglicano de cartílago. tercero SÍNTESIS Las cadenas de heteropolisacáridos se alargan mediante la adición secuencial de azúcares amino y ácidos alternos donados principalmente por sus derivados de uridina difosfato (UDP). Las reacciones son catalizadas por una familia de glicosiltransferasas específicas. Como los GAG se producen para su exportación desde la célula, su síntesis se produce principalmente en el Golgi. A. Síntesis de aminoazúcares Los aminoazúcares son componentes esenciales de los glicoconjugados, como los proteoglucanos, las glicoproteínas y los glicolípidos. La ruta sintética de los aminoazúcares (hexosaminas) es muy activa en los tejidos conectivos, donde hasta el 20 % de la glucosa fluye a través de esta ruta. 1. N-acetilglucosamina y N-acetilgalactosamina: el monosacárido fructosa 6-fosfato es el precursor de GlcNAc y GalNAc. Un grupo hidroxilo en la fructosa se reemplaza por el nitrógeno amídico de una glutamina, y el producto glucosamina 6-fosfato se acetila, isomeriza y activa, produciendo el azúcar nucleótido UDP-GlcNAc (fig. 14.8). UDP-GalNAc se genera mediante la epimerización de UDP-GlcNAc. Son estas formas de azúcar de nucleótido de los azúcares amino las que se utilizan para alargar las cadenas de carbohidratos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.6 Regiones de unión de glicosaminoglicanos. Figura 14.7 Agregado de proteoglicanos. GAG = glicosaminoglicano. Figura 14.8 Síntesis de los aminoazúcares. ADP = difosfato de adenosina; UTP y UDP = tri- y difosfatos de uridina; CoA = coenzima A; PEP = fosfoenolpiruvato; CTP y CMP = tri y monofosfatos de citidina; PPi = pirofosfato. 2. Ácido N-acetilneuramínico: NANA, un monosacárido ácido de nueve carbonos (v . fig. 17.15), es un miembro de la familia de los ácidos siálicos, cada uno de los cuales está acilado en ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google un sitio diferente Estos compuestos generalmente se encuentran como residuos de carbohidratos terminales de cadenas laterales de oligosacáridos de glicoproteínas, de glicolípidos o, con menor frecuencia, de GAG. La N-acetilmanosamina 6-fosfato (derivada de la fructosa 6-fosfato) y el fosfoenolpiruvato (un intermediario en la glucólisis) son las fuentes inmediatas de carbono y nitrógeno para la síntesis de NANA (ver Fig. 14.8). Antes de que se pueda agregar NANA a un oligosacárido en crecimiento, debe activarse a monofosfato de citidina (CMP)-NANA al reaccionar con trifosfato de citidina (CTP). La CMP-NANA sintetasa cataliza la reacción. CMP-NANA es el único azúcar de nucleótido en el metabolismo humano en el que el nucleótido transportador es un monofosfato en lugar de un difosfato. B. Síntesis de azúcares ácidos El ácido D-glucurónico, cuya estructura es la de la glucosa con un carbono 6 oxidado (ÿCH2OH ÿ ÿCOOH), y su epímero C-5, el ácido L-idurónico, son componentes esenciales de los GAG. El ácido glucurónico también se requiere para la desintoxicación de compuestos lipofílicos, como la bilirrubina, los esteroides y muchos fármacos, incluidas las estatinas, porque la conjugación con glucuronato (glucuronidación) aumenta la solubilidad en agua. En las plantas y los mamíferos (aparte de los conejillos de indias y los primates, incluidos los humanos), el ácido glucurónico es un precursor del ácido ascórbico (vitamina C), como se muestra en la figura 14.9. Esta vía del ácido urónico también proporciona un mecanismo por el cual la D-xilulosa de la dieta puede entrar en las vías metabólicas centrales. 1. Ácido glucurónico: El ácido glucurónico se puede obtener en pequeñas cantidades de la dieta y de la degradación lisosomal de los GAG. También se puede sintetizar por la vía del ácido urónico, en la que la glucosa 1-fosfato reacciona con el trifosfato de uridina (UTP) y se convierte en UDPglucosa. La oxidación de UDP-glucosa produce ácido UDP-glucurónico, la forma que suministra ácido glucurónico para la síntesis y glucuronidación de GAG (fig. 14.10). El producto final del metabolismo del ácido glucurónico en los seres humanos es la D-xilulosa 5-fosfato, que puede entrar en la vía de las pentosas fosfato y producir los intermedios glucolíticos gliceraldehído 3fosfato y fructosa 6-fosfato (v . fig. 14.9; véase también la fig. 13.2). . Figura 14.9 Metabolismo del ácido glucurónico. NADPH = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido; CO2 = dióxido de carbono. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.10 Oxidación de UDP-glucosa a ácido UDP-glucurónico. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina. 2. Ácido L-idurónico : la síntesis del ácido L-idurónico se produce después de que el ácido D-glucurónico se haya incorporado a la cadena de carbohidratos. La uronosil 5-epimerasa provoca la epimerización del azúcar D a L. C. Síntesis de proteínas centrales La proteína central es producida por los ribosomas en el retículo endoplasmático rugoso (RER), ingresa a la luz del RER y luego se mueve al aparato de Golgi, donde es glicosilada por glicosiltransferasas unidas a la membrana. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google D. Síntesis de cadenas de carbohidratos La formación de la cadena de carbohidratos se inicia mediante la síntesis de un conector corto en la proteína central en la que se producirá la síntesis de la cadena de carbohidratos. El conector más común es un trihexósido formado por la transferencia de una xilosa de la UDP-xilosa al grupo hidroxilo de una serina (o treonina) catalizada por xilosiltransferasa. Luego se agregan dos moléculas de galactosa, completando el trihexósido. A esto le sigue la adición secuencial de azúcares ácidos y amino azúcares alternos (fig. 14.11) y la epimerización de algunos residuos de D-glucuronilo a L-iduronilo. E. Adición de grupo sulfato La sulfatación de un GAG se produce después de que el monosacárido a sulfatar se haya incorporado a la cadena de carbohidrato en crecimiento. La fuente del sulfato es el 3ÿfosfoadenosil-5ÿ-fosfosulfato (PAPS), una molécula de monofosfato de adenosina con un grupo sulfato unido al 5ÿ-fosfato; véase también la fig. 17.16. La reacción de sulfatación es catalizada por sulfotransferasas. La síntesis del sulfato de condroitina GAG sulfatado se muestra en la Figura 14.11. Tenga en cuenta que PAPS también es el donante de azufre en la síntesis de glicoesfingolípidos. IV. DEGRADACIÓN Los GAG se degradan en los lisosomas, que contienen enzimas hidrolíticas que son más activas a un pH de ~5. Por lo tanto, como grupo, estas enzimas se denominan hidrolasas ácidas. El pH óptimo bajo dentro de los lisosomas es un mecanismo protector que evita que las enzimas destruyan la célula en caso de que se produzca una fuga al citosol donde el pH es neutro. b Las vidas medias de los GAG varían de minutos a meses y están influenciadas por el tipo de GAG y su ubicación en el cuerpo. A. GAG y fagocitosis Debido a que los GAG son compuestos extracelulares o de la superficie celular, primero deben ser engullidos por invaginación de la membrana celular (fagocitosis), formando una vesícula dentro de la cual se degradan los GAG. Esta vesícula luego se fusiona con un lisosoma, formando una sola vesícula digestiva en la que los GAG se degradan de manera eficiente. B. Degradación lisosomal La degradación lisosomal de los GAG requiere una gran cantidad de hidrolasas ácidas para una digestión completa. Primero, las cadenas de polisacáridos son escindidas por endoglicosidasas, produciendo oligosacáridos. La degradación adicional de los oligosacáridos ocurre secuencialmente desde el extremo no reductor de cada cadena, el último grupo (sulfato o azúcar) agregado durante la síntesis es el primer grupo eliminado, por acción de sulfatasas o exoglucosidasas. En la figura 14.12 se muestran ejemplos de algunas de estas enzimas y los enlaces que hidrolizan . (Tenga en cuenta que endo- y ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Las exoglucosidasas también están involucradas en la degradación lisosomal de glicoproteínas y glicolípidos. Las deficiencias en estas enzimas dan como resultado la acumulación de carbohidratos parcialmente degradados, lo que provoca daños en los tejidos). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.11 Síntesis de sulfato de condroitina. PAP- = 3ÿ-fosfoadenosil-5ÿ-fosfosulfato; Ser = serina. La deficiencia múltiple de sulfatasa (enfermedad de Austin) es una rara enfermedad de almacenamiento lisosomal en la que todas las sulfatasas no son funcionales debido a un defecto en la formación de formilglicina, un derivado de aminoácido requerido en el sitio activo para que ocurra la actividad enzimática. Figura 14.12 Degradación del heparán sulfato de glicosaminoglicano por enzimas lisosomales, lo que indica sitios de deficiencias enzimáticas en algunas mucopolisacaridosis (MPS) representativas. (Nota: las deficiencias en galactosamina 6-sulfatasa y ÿ-galactosidasa que degradan el queratán sulfato dan como resultado el síndrome de Morquio [MPS IV], [A y B], respectivamente. Las deficiencias en arilsulfatasa B que degradan el dermatán sulfato dan como resultado el síndrome de Maroteaux-Lamy [MPS VI].) GlcUA e IdUA = ácidos glucurónico e idurónico; GalNAc = N- ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google acetilgalactosamina; GlcNAc = N-acetilglucosamina; GlcN = glucosamina; = sulfato. V. MUCOPOLISACARIDOSIS Las mucopolisacaridosis son enfermedades hereditarias (aproximadamente 1:25 000 nacidos vivos) causadas por una deficiencia de cualquiera de las hidrolasas lisosomales normalmente implicadas en la degradación del sulfato de heparán, sulfato de dermatán o sulfato de queratina (resumido en la figura 14.12). Son trastornos progresivos que se caracterizan por la acumulación lisosomal de GAG en varios tejidos, lo que provoca una serie de síntomas, como deformidades esqueléticas y de la MEC, y discapacidad intelectual. Todos son trastornos autosómicos recesivos excepto el síndrome de Hunter, que tiene herencia ligada al cromosoma X. Los niños homocigóticos para cualquiera de estas enfermedades son aparentemente normales al nacer y luego se deterioran gradualmente. En deficiencias severas, la muerte ocurre en la infancia. Actualmente no hay cura. La degradación lisosomal incompleta de los GAG da como resultado la presencia de oligosacáridos en la orina. Estos fragmentos se pueden utilizar para diagnosticar la mucopolisacaridosis específica mediante la identificación de la estructura presente en el extremo no reductor del oligosacárido, porque ese residuo habría sido el sustrato de la enzima faltante. El diagnóstico se confirma midiendo el nivel celular de hidrolasas lisosomales del paciente. Los trasplantes de médula ósea y sangre del cordón umbilical, en los que los macrófagos trasplantados producen las enzimas que degradan los GAG, se han utilizado para tratar los síndromes de Hurler y Hunter, con un éxito limitado. La terapia de reemplazo enzimático está disponible para ambos síndromes, pero no previene el daño neurológico. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.13 Funciones de las glicoproteínas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VI. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LA GLUCOPROTEÍNA Las glicoproteínas son proteínas a las que se unen covalentemente oligosacáridos (glucanos); La glicosilación es la modificación postraduccional más común de las proteínas. (Nota: la adición no enzimática de carbohidratos a las proteínas se conoce como glucosilación). Las glicoproteínas contienen cantidades muy variables de carbohidratos, pero por lo general mucho menos que los proteoglucanos. Por ejemplo, la glicoproteína inmunoglobulina G (IgG) contiene <4 % de su masa como carbohidrato, mientras que el agrecano de proteoglicano contiene >80 %. En las glicoproteínas, el glucano es relativamente corto, generalmente de 2 a 10 residuos de azúcar de longitud, a menudo está ramificado en lugar de lineal; y puede o no tener carga negativa. Las glicoproteínas unidas a la membrana participan en una amplia gama de fenómenos celulares, incluido el reconocimiento de la superficie celular por otras células, hormonas y virus, la antigenicidad de la superficie celular (como los antígenos de los grupos sanguíneos) y como componentes de la MEC y de las mucinas. del tracto gastrointestinal y urogenital, donde actúan como lubricantes biológicos protectores. Además, casi todas las proteínas globulares presentes en el plasma humano son glicoproteínas, aunque la albúmina es una excepción. La figura 14.13 resume algunas funciones de las glicoproteínas. VIII. ESTRUCTURA DE OLIGOSACÁRIDO Los componentes oligosacáridos (glicanos) de las glicoproteínas son generalmente heteropolímeros ramificados compuestos principalmente por D-hexosas, con la adición en algunos casos de ácido neuramínico (una nonosa) y de L-fucosa, una 6-desoxihexosa. A. Enlace carbohidrato-proteína El glicano puede unirse a la proteína a través de un enlace N- u O-glucosídico (ver pág. 95). En el primer caso, la cadena de azúcar está unida al grupo amida de una cadena lateral de asparagina y, en el último caso, al grupo hidroxilo de una cadena lateral de serina o treonina. En el caso del colágeno, existe un enlace O-glucosídico entre la galactosa o glucosa y el grupo hidroxilo de la hidroxilisina. B. Oligosacáridos unidos por N y O Una glicoproteína puede contener solo un tipo de enlace glucosídico (N u O enlazado) o puede tener ambos tipos dentro de la misma molécula. 1. O enlazado: Los glucanos O-enlazados pueden tener uno o más de una amplia variedad de azúcares dispuestos en un patrón lineal o ramificado. Muchos se encuentran en glicoproteínas extracelulares o como componentes de glicoproteínas de membrana. Por ejemplo, los oligosacáridos ligados a O en la superficie de los glóbulos rojos ayudan a proporcionar los determinantes del grupo sanguíneo ABO. Si el azúcar terminal en el glicano es GalNAc, el grupo sanguíneo es A. Si es galactosa, el grupo sanguíneo es B. Si no están presentes ni GalNAc ni galactosa, el grupo sanguíneo es O. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 2. N-linked: Los glicanos N-linked se dividen en dos amplias clases: oligosacáridos complejos y oligosacáridos con alto contenido de manosa. Ambos contienen el mismo núcleo de pentasacárido que se muestra en la figura 14.14, pero los oligosacáridos complejos contienen un grupo diverso de azúcares adicionales, por ejemplo, GlcNAc, GalNAc, L fucosa y NANA, mientras que los oligosacáridos con alto contenido de manosa contienen principalmente manosa. Figura 14.14 Oligosacáridos ligados a N complejos (arriba) y con alto contenido de manosa (abajo) . (NOTA: los miembros de cada clase contienen el mismo núcleo de pentasacárido [se muestra dentro del recuadro].) NANA = ácido Nacetilneuramínico; Gal = galactosa; GlcNAc = N-acetilglucosamina; Hombre = manosa; Fuc = fucosa; Asn = asparagina. VIII. SÍNTESIS DE GLUCOPROTEÍNAS Las proteínas destinadas a funcionar en el citoplasma se sintetizan en el citosol libre. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ribosomas. Sin embargo, las proteínas, incluidas las glucoproteínas, que están destinadas a las membranas celulares, los lisosomas o para ser exportadas desde la célula, se sintetizan en los ribosomas unidos al retículo endoplásmico. Estas proteínas contienen secuencias de señales específicas que actúan como direcciones moleculares, dirigiendo las proteínas a sus destinos adecuados. Una secuencia hidrófoba N-terminal inicialmente dirige estas proteínas al ER, lo que permite que el polipéptido en crecimiento se extruya hacia la luz (v. pág. 505). Luego, las proteínas se transportan a través de vesículas secretoras al aparato de Golgi, que actúa como centro de clasificación (fig. 14.15). En el aparato de Golgi, las glicoproteínas que van a ser secretadas por la célula o destinadas a los lisosomas se empaquetan en vesículas que se fusionan con el plasma o la membrana lisosomal y liberan su contenido. Los que están destinados a convertirse en componentes de la membrana celular se integran en la membrana de Golgi, que brota, formando vesículas que agregan sus glicoproteínas unidas a la membrana celular y se orientan con la porción de carbohidratos hacia el exterior de la célula ( véase la figura 14.15). A. Componentes de carbohidratos Los precursores de los componentes de carbohidratos de las glicoproteínas son los azúcares de nucleótidos, que incluyen UDP-glucosa, UDP-galactosa, UDP-GlcNAc y UDP GalNAc. Además, la guanosina difosfato (GDP)-manosa, GDP-L-fucosa (sintetizada a partir de GDP-manosa) y CMP-NANA pueden donar azúcares a la cadena en crecimiento. Cuando está presente el NANA ácido, el oligosacárido tiene una carga negativa a pH fisiológico. Los oligosacáridos están unidos covalentemente a las cadenas laterales de aminoácidos específicos en la proteína, donde la estructura tridimensional de la proteína determina si un aminoácido específico está glicosilado o no. B. Síntesis de glicoproteína ligada a O La síntesis de las glicoproteínas ligadas a O es muy similar a la de los GAG. Primero, la proteína a la que se unirán los azúcares se sintetiza en el RER y se extruye en su luz. La glicosilación comienza con la transferencia de GalNAc (de UDP-GalNAc) al grupo hidroxilo de un residuo específico de serina o treonina. Las glicosiltransferasas responsables de la síntesis por etapas (a partir de azúcares individuales) de los oligosacáridos están unidas a las membranas del aparato de Golgi. Actúan en un orden específico, sin usar una plantilla como se requiere para la síntesis de ADN, ácido ribonucleico (ARN) y proteínas (ver Unidad VII), sino reconociendo la estructura real del oligosacárido en crecimiento como el sustrato apropiado. C. Síntesis de glicoproteína ligada a N La síntesis de glucoproteínas ligadas a N se produce en la luz del RER y requiere la participación de la forma fosforilada de dolicol (pirofosfato de dolicol), un lípido de la membrana del RER (fig. 14.16). El producto inicial se procesa en el RER y Golgi. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.15 Transporte de glicoproteínas hacia y a través del aparato de Golgi y su posterior secreción o incorporación en un lisosoma o en la membrana celular. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.16 Síntesis de glicoproteínas ligadas a N. • = N-acetilglucosamina; ÿ = manosa; • = glucosa; ÿ = galactosa; ÿ o ÿ = grupo terminal (fucosa o ácido N-acetilneuramínico); ARNm = ARN mensajero; Asn = asparagina. 1. Síntesis de oligosacáridos unidos a dolicol: al igual que con las glicoproteínas unidas a O, la proteína se sintetiza en el RER y entra en su luz. Sin embargo, no se glucosila con azúcares individuales. En cambio, primero se construye un oligosacárido unido a lípidos. Está formado por dolicol, un lípido de la membrana RER elaborado a partir de un intermediario de la síntesis de colesterol (v. pág. 245) unido mediante un enlace pirofosfato a un oligosacárido que contiene GlcNAc, manosa y glucosa. Los azúcares que se agregan secuencialmente al dolicol mediante glicosiltransferasas unidas a membrana son primero GlcNAc, seguido de manosa y glucosa (v . fig. 14.16). El oligosacárido de 14 azúcares completo se transfiere luego del dolicol al nitrógeno amídico de un residuo de asparagina en la proteína para ser glicosilado por una proteína-oligosacárido transferasa presente en el RER. (Nota: el antibiótico tunicamicina inhibe la glicosilación ligada a N). Los trastornos congénitos de la glicosilación (CDG) son síndromes causados principalmente por defectos en la glicosilación de proteínas ligada a N, ya sea en el ensamblaje de oligosacáridos (tipo I) o en el procesamiento (tipo II). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 2. Procesamiento de oligosacáridos ligados a N: después de la adición a la proteína, el oligosacárido ligado a N se procesa mediante la eliminación de residuos específicos de manosilo y glucosilo a medida que la glicoproteína se mueve a través del RER. Finalmente, las cadenas de oligosacáridos se completan en el aparato de Golgi mediante la adición de una variedad de azúcares (p. ej., GlcNAc, GalNAc y manosas adicionales y luego fucosa o NANA como grupos terminales) para producir una glucoproteína compleja. Alternativamente, no se procesan más, dejando cadenas ramificadas que contienen manosa en una glicoproteína con alto contenido de manosa (v . fig. 14.16). El destino final de las glicoproteínas unidas a N es el mismo que el de las glicoproteínas unidas a O (p. ej., pueden ser liberadas por la célula o convertirse en parte de una membrana celular). Además, las glicoproteínas unidas a N pueden dirigirse a los lisosomas. 3. Enzimas lisosomales: las glicoproteínas ligadas a N que se procesan en el aparato de Golgi pueden fosforilarse en el carbono 6 de uno o más residuos de manosilo. UDP GlcNAc proporciona el fosfato en una reacción catalizada por una fosfotransferasa. Los receptores, ubicados en la membrana de Golgi, se unen a los residuos de manosa 6fosfato (M6P) de estas proteínas, que luego se empaquetan en vesículas y se envían a los lisosomas (fig. 14.17). Figura 14.17 Mecanismo de transporte de glicoproteínas unidas a N a los lisosomas. Asn = asparagina; Hombre = manosa; = fosfato; Pi = fosfato inorgánico. Aplicación clínica 14.2: Enfermedad de células I La enfermedad de células I es una rara enfermedad de almacenamiento lisosomal llamada así por los grandes cuerpos de inclusión que se observan en las células de los pacientes con la enfermedad. La GlcNAc fosfotransferasa es deficiente y no se genera manosa 6-fosfato en las proteínas destinadas a los lisosomas. La falta de M6P en los residuos de aminoácidos hace que las hidrolasas ácidas precursoras ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google tráfico a la membrana plasmática y secretarse constitutivamente, en lugar de tráfico a los lisosomas. En consecuencia, las hidrolasas ácidas están ausentes de los lisosomas y los sustratos de macromoléculas para estas enzimas digestivas se acumulan dentro de los lisosomas, generando los cuerpos de inclusión que definen el trastorno. Además, se encuentran altas concentraciones de enzimas lisosomales en el plasma y la orina del paciente, lo que indica que el proceso de direccionamiento a los lisosomas es deficiente. La enfermedad de células I se caracteriza por anomalías esqueléticas, movimiento articular restringido, rasgos faciales toscos (dismórficos) y deterioro psicomotor grave. Debido a que la enfermedad de células I tiene características en común con las mucopolisacaridosis y las esfingolipidosis, se denomina mucolipidosis (ML II). Actualmente, no existe una cura y la muerte por complicaciones cardiopulmonares generalmente ocurre en la primera infancia. La polidistrofia pseudo-Hurler (ML III) es una forma de mucolipidosis menos grave de la enfermedad de células I, en la que la fosfotransferasa mantiene cierta actividad enzimática residual, y se parece sintomáticamente a una forma leve del síndrome de Hurler. IX. DEGRADACIÓN DE LA GLUCOPROTEÍNA LISOSÓMICA La degradación de las glucoproteínas es similar a la de los GAG (v. pág. 179). Cada una de las hidrolasas ácidas lisosomales es generalmente específica para la eliminación de un componente de la glicoproteína. Son principalmente exoenzimas que eliminan sus respectivos grupos en el orden inverso al de su incorporación (último encendido, primero apagado). Si falta alguna de las enzimas degradantes, la degradación por las otras exoenzimas no puede continuar. Un grupo de enfermedades autosómicas recesivas muy raras llamadas enfermedades de almacenamiento de glicoproteínas (oligosacaridosis), causadas por una deficiencia de cualquiera de las enzimas degradantes, da como resultado la acumulación de estructuras parcialmente degradadas en los lisosomas. Por ejemplo, la ÿ-manosidosis tipo 3 es una deficiencia grave, progresiva y mortal de la enzima ÿ-manosidasa. La presentación es similar al síndrome de Hurler, pero también se observa inmunodeficiencia. Fragmentos de oligosacáridos ricos en manosa aparecen en la orina. El diagnóstico se realiza mediante ensayo de actividad enzimática. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google X. Resumen del capítulo Los GAG se sintetizan en el aparato de Golgi como cadenas de heteropolisacáridos no ramificadas, largas, con carga negativa, generalmente compuestas por una unidad repetitiva de disacárido (azúcar ácido-aminoazúcar)n . El aminoazúcar es D-glucosamina o D-galactosamina y el azúcar ácido es ácido Dglucurónico o su epímero C-5 Lácido idurónico. Los GAG se unen al agua, produciendo así la matriz similar a un gel que forma la base de la sustancia fundamental del cuerpo y las propiedades lubricantes de las secreciones mucosas. Hay seis tipos principales de GAG: condroitina 4 y 6 sulfatos, queratán sulfato, dermatán sulfato, heparina, heparán sulfato y ácido hialurónico. Todos los GAG, excepto el ácido hialurónico, se encuentran unidos covalentemente a una proteína central, formando monómeros de proteoglicano. Muchos monómeros de proteoglicanos se asocian con una molécula de ácido hialurónico para formar agregados de proteoglicanos. Los proteoglicanos completos se secretan en la MEC o permanecen asociados con la superficie externa de las células. Los GAG son degradados por hidrolasas ácidas lisosomales. Una deficiencia de cualquiera de las hidrolasas da como resultado una mucopolisacaridosis en la que los GAG se acumulan en los tejidos, lo que provoca síntomas como deformidades esqueléticas y de la MEC y discapacidad intelectual. Ejemplos de estas enfermedades genéticas incluyen los síndromes de Hunter (ligado al cromosoma X) y de Hurler. Las glicoproteínas se sintetizan en el RER y Golgi y son proteínas a las que se unen covalentemente los oligosacáridos (glucanos) . Las glicoproteínas unidas a la membrana participan en el reconocimiento de la superficie celular, la antigenicidad de la superficie celular y como componentes de la MEC y de las mucinas de los tractos gastrointestinal y urogenital, donde actúan como lubricantes biológicos protectores. Casi todas las proteínas globulares presentes en el plasma humano son glicoproteínas. Los precursores de los componentes de carbohidratos de las glicoproteínas son azúcares de nucleótidos. Las glicoproteínas ligadas a O se producen en el aparato de Golgi mediante la transferencia secuencial de azúcares desde sus portadores de nucleótidos al grupo hidroxilo de un residuo Ser o Thr en la proteína. Las glucoproteínas ligadas a N se crean mediante la transferencia de un oligosacárido preformado desde su transportador lipídico de membrana RER, dolicol pirofosfato, a la amida N de un residuo de Asn en la proteína. Contienen cantidades variables de manosa. Una deficiencia de N-acetilglucosamina fosfotransferasa que fosforila los residuos de manosa en el carbono 6 en las enzimas glucoproteicas unidas a N destinadas a los lisosomas da como resultado la enfermedad de células I. Las glicoproteínas normalmente se degradan en los lisosomas por hidrolasas ácidas. Una deficiencia de cualquiera de estas enzimas da como resultado una enfermedad de almacenamiento de glicoproteínas lisosomales, lo que resulta en la acumulación de glicoproteínas parcialmente degradadas en el lisosoma y provoca una variedad de síntomas que incluyen deformidad esquelética y discapacidad intelectual. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 14.18 Mapa conceptual clave para glicosaminoglicanos y glucoproteínas. MEC = matriz extracelular. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 14.1 Las mucopolisacaridosis son enfermedades hereditarias de depósito lisosomal causadas por: A. defectos en la degradación de glicosaminoglicanos. B. orientación anormal de las enzimas hidrolasa ácida a los lisosomas. C. una mayor tasa de síntesis del componente carbohidrato de los proteoglicanos. D. una tasa insuficiente de síntesis de enzimas proteolíticas. E. la síntesis de cantidades anormalmente pequeñas de proteínas centrales. Respuesta correcta = A. Las mucopolisacaridosis son causadas por deficiencias en cualquiera de las hidrolasas ácidas lisosomales responsables de la degradación de glucosaminoglucanos (no proteínas). La enzima se dirige correctamente al lisosoma, por lo que los niveles sanguíneos de la enzima no aumentan, pero no es funcional. En estas enfermedades, la síntesis de los componentes de proteínas y carbohidratos de los proteoglicanos no se ve afectada, tanto en términos de estructura como de cantidad. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 14.2 La presencia del siguiente compuesto en la orina de un paciente sugiere una deficiencia en la que uno de los enzimas enumeradas a continuación? A. Galactosidasa B. Glucuronidasa C. Iduronidasa D. Manosidasa E. Sulfatasa Respuesta correcta = E. La degradación de las glicoproteínas sigue la regla: el último en entrar, el primero en salir. Debido a que la sulfatación es el último paso en la síntesis de esta secuencia, se requiere una sulfatasa para el siguiente paso en la degradación del compuesto que se muestra. 14.3 Un varón de 8 meses tiene rasgos faciales toscos, anomalías esqueléticas y retrasos tanto en el crecimiento como en el desarrollo. Se sospecha enfermedad de células I. ¿Cuál de los siguientes se observará en este paciente si ese diagnóstico es correcto? A. Disminución de la producción de glicoproteínas ligadas a O en la superficie celular. B. Niveles elevados de hidrolasas ácidas en la sangre. C. Incapacidad para N-glicosilar proteínas. D. Aumento de la síntesis de proteoglicanos. E. Oligosacáridos en la orina. Respuesta correcta = B. La enfermedad de células I es una enfermedad de almacenamiento lisosomal causada por la deficiencia de la fosfotransferasa necesaria para la síntesis de la señal de manosa 6-fosfato que dirige las hidrolasas ácidas a la matriz lisosomal. Esto da como resultado la secreción de estas enzimas de la célula y la acumulación de materiales dentro del lisosoma debido a la degradación deteriorada. Ninguna de las otras opciones se relaciona con la enfermedad de células I o la función lisosomal. Los oligosacáridos en la orina son característicos de las muco y polisacaridosis, pero no de la enfermedad de células I (una mucolipidosis de tipo II). 14.4 Un lactante con opacidad corneal tiene dermatán sulfato y heparán sulfato en la orina. ¿La disminución de la actividad de cuál de las enzimas enumeradas a continuación confirmaría el diagnóstico de sospecha del síndrome de Hurler? A. ÿ-L-Iduronidasa B. ÿGlucuronidasa C. Glicosiltransferasa D. Iduronato sulfatasa Respuesta correcta = A. El síndrome de Hurler, un defecto en la degradación lisosomal de los glicosaminoglicanos (GAG) con opacidad corneal, se debe a una deficiencia de ÿ-L-iduronidasa. La ÿ-glucuronidasa es deficiente en el síndrome de Sly y la iduronato sulfatasa es deficiente en el síndrome de Hunter. Las glicosiltransferasas son enzimas de la síntesis de GAG. 14.5 Un varón de 67 años se presenta para evaluación de dolor y rigidez en la rodilla izquierda y se le diagnostica osteoartritis. ¿La disminución en cuál de los siguientes contribuye a sus síntomas? A. Hidrolasas ácidas lisosomales B. Proteoglicanos del cartílago C. Glicoproteínas ligadas a O de la superficie celular D. Fosfotransferasa de Golgi Respuesta correcta = B. Los proteoglicanos contribuyen a la resiliencia del cartílago. En la osteoartritis, el cartílago tiene ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google se degrada y se pierde la protección que normalmente proporcionan los proteoglicanos. La enfermedad no está causada por defectos lisosomales, incluido el tráfico o la función de las hidrolasas ácidas. aPara obtener más información sobre ECM, consulte LIR Cell and Molecular Biology, 2nd Edition, Chapter 2. bPara obtener más información sobre lisosomas, consulte LIR Cell and Molecular Biology, 2nd Ed. Capítulo 5. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google UNIDAD III: Metabolismo de lípidos ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Metabolismo de lípidos en la dieta 15 I. VISIÓN GENERAL Los lípidos son un grupo heterogéneo de moléculas orgánicas insolubles en agua (hidrofóbicas) (fig. 15.1). Debido a su insolubilidad en soluciones acuosas, los lípidos corporales generalmente se encuentran compartimentados, como en el caso de los lípidos asociados a la membrana o las gotas de triacilglicerol (TAG) en los adipocitos, o transportados en la sangre en asociación con proteínas, como en las partículas de lipoproteínas o en la albúmina. . Los lípidos son una fuente importante de energía para el cuerpo y también proporcionan la barrera hidrofóbica que permite la partición del contenido acuoso de las células y las estructuras subcelulares. Los lípidos cumplen funciones adicionales en el cuerpo (p. ej., algunas vitaminas liposolubles tienen funciones reguladoras o coenzimáticas, y las prostaglandinas y las hormonas esteroides desempeñan funciones importantes en el control de la homeostasis del cuerpo). Las deficiencias o los desequilibrios del metabolismo de los lípidos pueden conducir a algunos de los principales problemas clínicos con los que se encuentran los médicos, como la aterosclerosis, la diabetes y la obesidad. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 15.1 Estructuras de algunas clases comunes de lípidos. Las porciones hidrofóbicas de las moléculas se muestran en naranja. II. DIGESTIÓN, ABSORCIÓN, SECRECIÓN Y UTILIZACIÓN La ingesta diaria promedio de lípidos por parte de los adultos estadounidenses es de ~78 g, de los cuales >90 % es TAG, también conocido como triglicérido (TG), que consta de tres ácidos grasos (FA) esterificados en un esqueleto de glicerol (ver Fig. 15.1) . El resto de los lípidos de la dieta consiste principalmente en colesterol, ésteres de colesterilo, fosfolípidos y ácidos grasos no esterificados (libres) (FFA). La digestión de los lípidos de la dieta comienza en el estómago y se completa en el intestino delgado. El proceso se resume en la Figura 15.2. A. Digestión en el estómago ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La digestión de lípidos en el estómago es limitada. Está catalizada por la lipasa lingual que se origina en las glándulas de la parte posterior de la lengua y la lipasa gástrica que es secretada por la mucosa gástrica. Ambas enzimas son relativamente estables a los ácidos, con valores de pH óptimos de 4 a 6. Estas lipasas ácidas hidrolizan los ácidos grasos de las moléculas TAG, en particular las que contienen ácidos grasos de cadena corta o media (ÿ12 carbonos), como los que se encuentran en la grasa de la leche. En consecuencia, estas lipasas juegan un papel particularmente importante en la digestión de lípidos en lactantes para quienes la grasa láctea es la principal fuente de calorías. También se convierten en enzimas digestivas importantes en individuos con insuficiencia pancreática, como aquellos con fibrosis quística (FQ). Las lipasas linguales y gástricas ayudan a estos pacientes a degradar las moléculas TAG (especialmente aquellos con AG de cadena corta a media) a pesar de una ausencia total o casi total de lipasa pancreática (consulte la Sección D.1 a continuación). Figura 15.2 Descripción general de la digestión de lípidos. B. Fibrosis quística La FQ es la enfermedad genética letal más común en los caucásicos de ascendencia del norte de Europa y tiene una prevalencia de aproximadamente 1:3300 nacimientos en los Estados Unidos. La FQ es un trastorno autosómico recesivo causado por mutaciones en el gen de la proteína reguladora de la conductancia transmembrana de la FQ (CFTR) que funciona como un canal de cloruro en el epitelio del páncreas, los pulmones, los testículos y las glándulas sudoríparas. CFTR defectuoso da como resultado una disminución de la secreción de cloruro y una mayor absorción de sodio y agua. En el páncreas, el agotamiento del agua en la superficie celular da como resultado una mucosidad espesa que obstruye los conductos pancreáticos, impidiendo que las enzimas pancreáticas lleguen al intestino, lo que provoca insuficiencia pancreática. Tratamiento ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google incluye el reemplazo de estas enzimas y la suplementación con vitaminas liposolubles. (Nota: la FQ también causa infecciones pulmonares crónicas con enfermedad pulmonar progresiva e infertilidad masculina). C. Emulsificación en el intestino delgado El proceso crítico de emulsificación de lípidos en la dieta ocurre en el duodeno. La emulsificación aumenta el área superficial de las gotitas de lípidos hidrofóbicos para que las enzimas digestivas, que trabajan en la interfaz de la gotita y la solución acuosa circundante, puedan actuar con eficacia. La emulsificación se logra mediante dos mecanismos complementarios, a saber, el uso de las propiedades detergentes de las sales biliares conjugadas y el mezclado mecánico debido al peristaltismo. Las sales biliares, producidas en el hígado y almacenadas en la vesícula biliar, son derivados anfipáticos del colesterol. Las sales biliares conjugadas consisten en una estructura de anillo de esterol hidroxilado con una cadena lateral a la que se une covalentemente una molécula de glicina o taurina mediante un enlace amida (fig. 15.3). Estos agentes emulsionantes interactúan con las gotitas de lípidos de la dieta y el contenido duodenal acuoso, estabilizando así las gotitas a medida que se vuelven más pequeñas debido al peristaltismo y evitando que se unan. (Nota: Consulte el Capítulo 18 para obtener una discusión más completa sobre el metabolismo de las sales biliares). Figura 15.3 Estructura del ácido glucocólico. D. Degradación por enzimas pancreáticas El TAG, los ésteres de colesterilo y los fosfolípidos de la dieta se degradan (digieren) enzimáticamente en el intestino delgado por las enzimas pancreáticas, cuya secreción está controlada hormonalmente. 1. Degradación de triacilglicerol: las moléculas de TAG son demasiado grandes para ser absorbidas ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google eficientemente por las células de la mucosa (enterocitos) de las vellosidades intestinales. Por lo tanto, son hidrolizados por una esterasa, la lipasa pancreática, que preferentemente elimina los ácidos grasos en los carbonos 1 y 3. Los principales productos de la hidrólisis son, por tanto, una mezcla de 2-monoacilglicerol (2-MAG) y FFA (ver Fig. 15.2 ). ). (Nota: la lipasa pancreática se encuentra en altas concentraciones en las secreciones pancreáticas [del 2 % al 3 % de la proteína total presente] y es muy eficaz catalíticamente, lo que garantiza que solo la deficiencia pancreática grave, como la que se observa en la FQ, dé como resultado malabsorción significativa de grasas). Una segunda proteína, la colipasa, también secretada por el páncreas, se une a la lipasa en una proporción de 1:1 y la ancla en la interfase lípido-acuosa. La colipasa restaura la actividad de la lipasa en presencia de sustancias inhibidoras como las sales biliares que se unen a las micelas. (Nota: la colipasa se secreta como zimógeno, procolipasa, que se activa en el intestino por medio de la tripsina). El orlistat, un fármaco contra la obesidad, inhibe las lipasas gástricas y pancreáticas, lo que reduce la absorción de grasa y provoca la pérdida de peso. 2. Degradación del éster de colesterilo: la mayor parte del colesterol dietético está presente en forma libre (no esterificada), con 10% a 15% presente en forma esterificada. Los ésteres de colesterol son hidrolizados por la hidrolasa de éster de colesterilo pancreático (colesterol esterasa), que produce colesterol más FFA (v . fig. 15.2). La actividad de esta enzima aumenta mucho en presencia de sales biliares. 3. Degradación de fosfolípidos: el jugo pancreático es rico en la proenzima de la fosfolipasa A2 que, como la procolipasa, es activada por la tripsina y, como la colesteril éster hidrolasa, requiere sales biliares para una actividad óptima. La fosfolipasa A2 elimina un FA del carbono 2 de un fosfolípido, dejando un lisofosfolípido. Por ejemplo, la fosfatidilcolina (el fosfolípido predominante de la digestión) se convierte en lisofosfatidilcolina. El FA restante en el carbono 1 puede eliminarse mediante lisofosfolipasa, dejando una base de glicerilfosforilo (p. ej., glicerilfosforilcolina, véase la figura 15.2) que puede excretarse en las heces, degradarse más o absorberse. 4. Control: la secreción pancreática de las enzimas hidrolíticas que degradan los lípidos de la dieta en el intestino delgado está controlada hormonalmente (fig. 15.4). Las células enteroendocrinas que se encuentran en todo el intestino delgado secretan varias hormonas, como la colecistoquinina (CCK) y la secretina. Las células enteroendocrinas I en la mucosa del duodeno inferior y el yeyuno producen la hormona peptídica CCK, en respuesta a la presencia de lípidos y proteínas parcialmente digeridas que ingresan a estas regiones del intestino delgado superior. La CCK actúa sobre la vesícula biliar (haciendo que se contraiga y libere bilis, una mezcla de sales biliares, fosfolípidos y colesterol libre) y sobre las células exocrinas del páncreas (haciendo que liberen enzimas digestivas). También disminuye la motilidad gástrica, lo que resulta en una liberación más lenta del contenido gástrico hacia el intestino delgado. Las células S enteroendocrinas producen otra hormona peptídica, la secretina, en respuesta al bajo pH del quimo que ingresa al intestino desde el estómago. La secretina hace que el páncreas libere una solución rica en bicarbonato que ayuda a neutralizar el pH del ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google contenidos intestinales, llevándolos al pH apropiado para la actividad digestiva de las enzimas pancreáticas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 15.4 Control hormonal de la digestión de lípidos en el intestino delgado. (Nota: el intestino delgado se divide en tres partes: el duodeno [5% superior], el yeyuno y el íleon [55% inferior]). E. Absorción por enterocitos FFA, colesterol libre y 2-MAG son los principales productos de la digestión de lípidos en el yeyuno. Éstos, más las sales biliares y las vitaminas liposolubles (A, D, E y K), forman micelas mixtas (es decir, grupos en forma de disco de una mezcla de lípidos anfipáticos que se unen con sus grupos hidrofóbicos en el interior y sus grupos hidrofílicos). en el exterior). Por tanto, las micelas mixtas son solubles en el ambiente acuoso de la luz intestinal (fig. 15.5). Estas partículas se acercan al sitio primario de absorción de lípidos, la membrana del borde en cepillo de los enterocitos. Esta membrana apical rica en microvellosidades está separada del contenido líquido de la luz intestinal por una capa de agua sin agitar que se mezcla mal con el líquido a granel. La superficie hidrófila de las micelas facilita el transporte de los lípidos hidrófobos a través de la capa de agua sin agitar hasta la membrana del borde en cepillo donde son absorbidos. Las sales biliares se absorben en el íleon terminal y <5% se pierde en las heces. (Nota: el colesterol y los esteroles vegetales son absorbidos por los enterocitos a través de la proteína Niemann-Pick C1-like 1 (NPC1L1) en las células del borde en cepillo. La ezetimiba, un fármaco reductor del colesterol, inhibe la NPC1L1 y reduce la absorción de colesterol en el intestino delgado. ) Debido a que los AG de cadena corta y media son solubles en agua, no requieren la ayuda de micelas mixtas para ser absorbidos por la mucosa intestinal. F. Resíntesis de triacilglicerol y éster de colesterilo La mezcla de lípidos absorbida por los enterocitos migra al retículo endoplásmico liso (SER) donde tiene lugar la biosíntesis de lípidos complejos. Los AG de cadena larga se convierten primero en su forma activada por la acilcoenzima A (CoA) sintetasa (tioquinasa) grasa, como se muestra en la figura 15.6. Usando los derivados grasos de acil CoA, el 2-MAG absorbido por los enterocitos se convierte en TAG a través de reacilaciones secuenciales por dos aciltransferasas, acil CoA: MAG aciltransferasa y acil CoA: diacilglicerol aciltransferasa. Los lisofosfolípidos son reacilados para formar fosfolípidos por una familia de aciltransferasas, y el colesterol es acilado principalmente por acil CoA:colesterol aciltransferasa. (Nota: prácticamente todos los AG de cadena larga que ingresan a los enterocitos se utilizan de esta manera para formar TAG, fosfolípidos y ésteres de colesterilo. Los AG de cadena corta y media no se convierten en sus derivados CoA y no se reesterifican a 2-MAG. En cambio, se liberan a la circulación portal, donde son transportados por la albúmina sérica al hígado). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 15.5 Absorción de lípidos contenidos en una micela mixta por una célula de la mucosa intestinal. La micela en sí no se absorbe. (Nota: los ácidos grasos de cadena corta y mediana no requieren la incorporación en las micelas). Figura 15.6 Montaje y secreción de quilomicrones por las células de la mucosa intestinal. (Nota: los ácidos grasos de cadena corta y media no requieren la incorporación a los quilomicrones y entran directamente en la sangre). CoA = coenzima A; AMP = monofosfato de adenosina; PPi = pirofosfato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google G. Secreción de enterocitos Los ésteres de colesterilo y TAG recién resintetizados son muy hidrófobos y se agregan en un entorno acuoso. Por tanto, deben envasarse como partículas de gotitas lipídicas rodeadas de una fina capa compuesta por fosfolípidos, colesterol no esterificado y una molécula de la proteína apolipoproteína (apo) B-48. Esta capa estabiliza la partícula y aumenta su solubilidad, evitando así que se unan múltiples partículas. (Nota: la proteína de transferencia de TG microsomal es esencial para el ensamblaje de todas las partículas que contienen apo B ricas en TAG en el RE). Las partículas de lipoproteína se liberan por exocitosis desde los enterocitos hacia los vasos linfáticos en las vellosidades del intestino delgado. . La presencia de estas partículas en la linfa después de una comida rica en lípidos le da un aspecto lechoso. Esta linfa se denomina quilo (a diferencia de quimo, nombre que se le da a la masa semilíquida de alimentos parcialmente digeridos que pasa del estómago al duodeno), y las partículas se denominan quilomicrones. Los quilomicrones siguen el sistema linfático hasta el conducto torácico y luego se transportan a la vena subclavia izquierda, donde ingresan a la sangre. Los pasos en la producción de quilomicrones se resumen en la figura 15.6. (Nota: una vez que se liberan en la sangre, los quilomicrones [inmaduros] nacientes recogen las apolipoproteínas E y C-II de las lipoproteínas de alta densidad y maduran. [Para obtener una descripción más detallada de la estructura y el metabolismo de los quilomicrones, consulte el Capítulo 18.]) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 15.7 Posibles causas de esteatorrea. H. Malabsorción de lípidos La malabsorción de lípidos, que da lugar a un aumento de lípidos (incluidas las vitaminas liposolubles y los ácidos grasos esenciales, véase el capítulo 16) en las heces, un trastorno conocido como esteatorrea, puede deberse a alteraciones en la digestión y/o absorción de lípidos (fig. 15.7). Dichos trastornos pueden deberse a varias afecciones, incluida la fibrosis quística (que provoca una mala digestión), el síndrome del intestino corto (que provoca una disminución de la absorción) y la cirugía bariátrica (secreción insuficiente de enzimas pancreáticas). La capacidad de los AG de cadena corta y media para ser absorbidos por los enterocitos sin la ayuda de micelas mixtas los ha hecho importantes en la terapia de nutrición médica para personas con trastornos de malabsorción. I. Uso por los tejidos ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La mayor parte del TAG contenido en los quilomicrones se descompone en los lechos capilares del músculo esquelético y cardíaco y del tejido adiposo. El TAG se degrada a FFA y glicerol por la lipoproteína lipasa (LPL). Esta enzima es sintetizada y secretada principalmente por los adipocitos y las células musculares. La LPL secretada se ancla a la superficie luminal de las células endoteliales en los capilares de los tejidos musculares y adiposos. La LPL se activa cuando se une al cofactor ApoCII que reside en las partículas de lipoproteínas circulantes. (Nota: la quilomicronemia familiar [hiperlipoproteinemia tipo I] es un trastorno autosómico recesivo raro causado por una deficiencia de LPL o su coenzima apo C-II [consulte el Capítulo 18]. El resultado es una quilomicronemia en ayunas e hipertriacilglicerolemia grave, que puede causar pancreatitis .) 1. Destino de los ácidos grasos libres: los FFA derivados de la hidrólisis de TAG pueden entrar directamente en las células musculares y adipocitos adyacentes o ser transportados en la sangre en asociación con la albúmina sérica hasta que las células los absorben. (Nota: la albúmina sérica humana es una proteína grande secretada por el hígado. Transporta una serie de compuestos principalmente hidrófobos en la circulación, incluidos los ácidos grasos libres y algunos fármacos). La mayoría de las células pueden oxidar los ácidos grasos ácidos para producir energía. Los adipocitos también pueden reesterificar los ácidos grasos libres para producir moléculas TAG, que se almacenan hasta que el cuerpo los necesita. 2. Destino del glicerol: el glicerol liberado de TAG se toma de la sangre y es fosforilado por la glicerol quinasa hepática para producir glicerol 3-fosfato, que puede entrar en la glucólisis o en la gluconeogénesis por oxidación a fosfato de dihidroxiacetona o usarse en la síntesis de TAG (consulte el Capítulo dieciséis). 3. Destino de los remanentes de quilomicrones: después de eliminar la mayor parte del TAG, los remanentes de quilomicrones (que contienen ésteres de colesterilo, fosfolípidos, apolipoproteínas, vitaminas liposolubles y una pequeña cantidad de TAG) se unen a receptores en el hígado (apo E es el ligando; véase el capítulo 18) y se someten a endocitosis. Los restos intracelulares se hidrolizan a sus partes componentes. El cuerpo puede reciclar el colesterol y las bases nitrogenadas de los fosfolípidos (p. ej., colina). (Nota: si la eliminación de los remanentes por parte del hígado disminuye debido a la alteración de la unión a su receptor, se acumulan en el plasma. Esto se observa en la rara hiperlipoproteinemia tipo III [también llamada disbetalipoproteinemia familiar o enfermedad beta amplia]). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google tercero Resumen del capítulo La digestión de los lípidos de la dieta comienza en el estómago y continúa en el intestino delgado (fig. 15.8). Los ésteres de colesterilo, los fosfolípidos y los TAG que contienen ácidos grasos de cadena larga se degradan en el intestino delgado por acción de las enzimas pancreáticas. Las más importantes de estas enzimas son la colesterol esterasa, la fosfolipasa A2 y la lipasa pancreática. En la FQ, la mucosidad espesa impide que estas enzimas lleguen al intestino. Los TAG en la grasa de la leche contienen ácidos grasos de cadena corta a media y son degradados en el estómago por las lipasas ácidas (lipasa lingual y lipasa gástrica). La naturaleza hidrofóbica de los lípidos requiere que los lípidos dietéticos sean emulsionados para una degradación eficiente. La emulsificación ocurre en el intestino delgado usando acción peristáltica (mezcla mecánica) y sales biliares (detergentes). Los principales productos de la degradación de los lípidos de la dieta son 2-MAG, colesterol no esterificado (libre) y ácidos grasos libres. Estos compuestos, más las vitaminas liposolubles, forman micelas mixtas que facilitan la absorción de los lípidos de la dieta por parte de las células de la mucosa intestinal (enterocitos). Estas células utilizan ácidos grasos de cadena larga activados para regenerar TAG y ésteres de colesterilo y también sintetizan la proteína apo B-48, que luego se ensamblan con las vitaminas liposolubles en partículas de lipoproteína llamadas quilomicrones. Los AG de cadena corta y media entran directamente en la sangre. Los quilomicrones primero se liberan en la linfa y luego ingresan a la sangre, donde su núcleo lipídico es degradado por LPL (con apo C-II como coenzima) en los capilares de los tejidos musculares y adiposos . Así, los lípidos de la dieta se ponen a disposición de los tejidos periféricos. Una deficiencia en la capacidad de degradar los componentes de los quilomicrones, o eliminar los restos de quilomicrones después de que se haya degradado el TAG, da como resultado la acumulación de estas partículas en la sangre. La mala digestión o malabsorción de grasas provoca esteatorrea (lípidos en las heces). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 15.8 Mapa de conceptos clave para el metabolismo de los lípidos de la dieta. TAG = triacilgliceroles. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 15.1 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la digestión de lípidos es correcta? A. Las gotas grandes de lípidos se emulsionan (aumentan su área de superficie) en la boca a través del acto de masticación (masticación). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. La enzima colipasa facilita la unión de las sales biliares a las micelas mixtas, maximizando la actividad de lipasa pancreática. C. La hormona peptídica secretina hace que la vesícula biliar se contraiga y libere bilis. D. Los pacientes con fibrosis quística tienen dificultades con la digestión porque sus secreciones pancreáticas son menos capaces para llegar al intestino delgado, el sitio principal de la digestión de los lípidos. E. La formación de quilomicrones ricos en triacilglicerol es independiente de la síntesis de proteínas en la mucosa intestinal. Respuesta correcta = D. Los pacientes con fibrosis quística, una enfermedad genética que produce una deficiencia de un transportador de cloruro funcional, tienen una mucosidad espesa que impide el flujo de enzimas pancreáticas hacia el duodeno. La emulsificación ocurre a través del peristaltismo, que proporciona una mezcla mecánica y sales biliares que funcionan como detergentes. La colipasa restaura la actividad de la lipasa pancreática en presencia de sales biliares inhibidoras que se unen a las micelas. La colecistoquinina es la hormona que provoca la contracción de la vesícula biliar y la liberación de la bilis almacenada, y la secretina provoca la liberación de bicarbonato. La formación de quilomicrones requiere la síntesis de apolipoproteína B-48. 15.2 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la absorción de lípidos del intestino es correcta? A. El triacilglicerol de la dieta debe hidrolizarse por completo a ácidos grasos libres y glicerol antes de la absorción. B. El triacilglicerol transportado por los quilomicrones es degradado por la lipoproteína lipasa, lo que produce ácidos grasos que son captados por los músculos y los tejidos adiposos y glicerol que es captado por el hígado. C. Los ácidos grasos que contienen ÿ12 átomos de carbono se absorben y entran en la circulación principalmente por vía linfática. sistema. D. Las deficiencias en la capacidad de absorber grasas dan como resultado cantidades excesivas de quilomicrones en la sangre. Respuesta correcta = B. Los triacilgliceroles (TAG) en los quilomicrones son degradados a ácidos grasos (FA) y glicerol por la lipoproteína lipasa en las superficies endoteliales de los capilares en el músculo y el tejido adiposo, proporcionando así una fuente de AG a estos tejidos para su degradación o almacenamiento y proporcionando glicerol para el metabolismo hepático. En el duodeno, los TAG se degradan a un 2-monoacilglicerol + dos FA libres que se absorben. Los AG de cadena media y corta entran directamente en la sangre (no en la linfa) y no requieren micelas ni se empaquetan en quilomicrones. Debido a que los quilomicrones contienen lípidos de la dieta que fueron digeridos y absorbidos, un defecto en la absorción de grasas resultaría en una disminución de la producción de quilomicrones. 15.3 Una niña de 2 años acude al médico debido a infecciones recurrentes de las vías respiratorias, pérdida de peso y diarrea maloliente. Este paciente es más probable que tenga una secreción defectuosa en cuál de los siguientes? A. Colecistocinina B. Enzimas pancreáticas C. Quilomicrón D. Secretina Respuesta correcta: B. Lo más probable es que este paciente tenga fibrosis quística (FQ), que provoca una secreción defectuosa de las enzimas pancreáticas, como la lipasa y la colipasa, debido a mutaciones en el receptor de conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR). Estas enzimas son importantes para la digestión y absorción de lípidos. Las células enteroendocrinas liberan colecistoquinina y secretina. Aunque son importantes para la digestión y absorción de lípidos, no son defectuosos en la FQ. La formación y liberación de quilomicrones en el sistema linfático no se ve afectada en la FQ. 15.4 Una mujer de 45 años acude al servicio de urgencias debido a un dolor agudo, náuseas y vómitos. La tomografía computarizada indica pancreatitis aguda que conduce a una mayor activación de la tripsina. ¿Cuál de los siguientes es más probable que se active en esta condición? A. Lipasa gástrica B. Lipasa pancreática C. Lisofosfolipasa D. Colipasa Respuesta correcta: D. La colipasa se secreta como cimógeno, procolipasa, que se activa en el intestino por medio de la tripsina. La colipasa es importante para la lipasa pancreática para hidrolizar los triacilgliceroles. La lipasa gástrica hidroliza los ácidos grasos de cadena corta y media de la leche, lo que es especialmente importante para los lactantes y los pacientes con insuficiencia pancreática. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La lisofosfolipasa es importante para la digestión de los fosfolípidos. 15.5 Una niña de 22 meses es llevada al médico por sus padres por negarse a comer, diarrea crónica, distensión abdominal y pérdida de peso. Se le diagnostica la enfermedad de retención de quilomicrones, que impide la liberación de quilomicrones en los vasos linfáticos. Este paciente es más probable que tenga una deficiencia en cuál de las siguientes vitaminas? A. Ácido ascórbico B. Betacaroteno C. Folato D. Piridoxina Respuesta correcta: B. El quilomicrón es importante para la absorción de vitaminas liposolubles: vitamina A, D, E y K. El betacaroteno es una provitamina A que se empaqueta en quilomicrones antes de su liberación a los linfáticos. El ácido ascórbico es vitamina C, el folato es vitamina B9 y la piridoxina es vitamina B6. Estas tres vitaminas son solubles en agua. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Ácido graso, triacilglicerol y cetona Metabolismo Corporal dieciséis I. VISIÓN GENERAL Los ácidos grasos existen libres en el cuerpo (es decir, no están esterificados) y como ésteres de acilo graso en moléculas más complejas como los triacilgliceroles (TAG). Los niveles bajos de ácidos grasos libres (FFA) ocurren en todos los tejidos, pero a veces se pueden encontrar cantidades sustanciales en el plasma, particularmente durante el ayuno. Los FFA plasmáticos (transportados en albúmina sérica) están en ruta desde su punto de origen (TAG de tejido adiposo o lipoproteínas circulantes) hasta su sitio de consumo (la mayoría de los tejidos). Los FFA pueden ser oxidados por muchos tejidos, particularmente el hígado y los músculos, para proporcionar energía y, en el hígado, para proporcionar el sustrato para la síntesis de cuerpos cetónicos. Los ácidos grasos también son componentes estructurales de los lípidos de la membrana, como los fosfolípidos y los glucolípidos ( capítulo 17). Los ácidos grasos unidos a ciertas proteínas mejoran la capacidad de esas proteínas para asociarse con las membranas. Los ácidos grasos también son precursores de las prostaglandinas similares a hormonas (ver Capítulo 17). Los ácidos grasos esterificados, en forma de TAG almacenados en el tejido adiposo blanco (WAT), sirven como la principal reserva de energía del cuerpo. Las alteraciones en el metabolismo de los ácidos grasos están asociadas con la obesidad y la diabetes. La figura 16.1 ilustra las vías metabólicas de síntesis y degradación de ácidos grasos y su relación con el metabolismo de los carbohidratos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.1 Síntesis y degradación de triacilglicerol. CoA = coenzima A. II. ESTRUCTURA DE ÁCIDOS GRASOS Un ácido graso consta de una cadena de hidrocarburo hidrofóbico con un grupo carboxilo terminal que tiene un pKa (v. pág. 6) de ~4,8 (fig. 16.2). A pH fisiológico, el grupo carboxilo terminal (–COOH) se ioniza y se convierte en –COOÿ . (Nota: cuando el pH está por encima del pK, predomina la forma desprotonada [ver pág. 7].) Este grupo aniónico tiene afinidad por el agua, lo que le da al ácido graso su naturaleza anfipática (que tiene una región hidrofílica e hidrofóbica). Sin embargo, para los ácidos grasos de cadena larga (LCFA), la porción hidrofóbica es predominante. Estas moléculas son altamente insolubles en agua y deben transportarse en la circulación en asociación con proteínas. Más del 90% de los ácidos grasos que se encuentran en el plasma se encuentran en forma de ésteres de ácidos grasos (principalmente TAG, ésteres de colesterilo y fosfolípidos) contenidos en partículas de lipoproteínas circulantes ( capítulo 18). Los FFA se transportan en la circulación en asociación con la albúmina, la proteína más abundante en ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google suero. Figura 16.2 Estructura de un ácido graso. El carbono junto al grupo carbonilo se designa como alfa (ÿ). El siguiente carbono es el carbono beta (ÿ). Cuando la cadena es más larga, el último carbono de la cadena se denomina carbono ÿ. A. Saturación de ácidos grasos Las cadenas de ácidos grasos pueden no contener dobles enlaces (es decir, estar saturadas) o contener uno o más dobles enlaces (es decir, ser mono o poliinsaturadas). En humanos, la mayoría son saturadas o monoinsaturadas. Cuando hay dobles enlaces, casi siempre están en configuración cis en lugar de trans. La introducción de un doble enlace cis hace que el ácido graso se doble o doble en esa posición (fig. 16.3). Si el ácido graso tiene dos o más enlaces dobles, siempre están espaciados en intervalos de tres carbonos. (Nota: en general, la adición de dobles enlaces disminuye la temperatura de fusión [Tm] de un ácido graso, mientras que el aumento de la longitud de la cadena aumenta la Tm. Debido a que los lípidos de la membrana normalmente contienen LCFA, la presencia de dobles enlaces en algunos ácidos grasos ayuda a mantener la naturaleza fluida de esos lípidos (consulte la página 407 para una discusión sobre la presencia dietética de ácidos grasos insaturados cis y trans). Figura 16.3 Un ácido graso saturado (A) y uno insaturado (B) . Naranja denota porciones hidrofóbicas de las moléculas. (Nota: los dobles enlaces cis hacen que un ácido graso se doble). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. Longitud de la cadena de ácidos grasos y posiciones del doble enlace Los nombres comunes y las estructuras de algunos ácidos grasos de importancia fisiológica se enumeran en la figura 16.4. En los seres humanos, predominan los ácidos grasos con un número par de átomos de carbono (16, 18 o 20), y en el cerebro se encuentran ácidos grasos más largos (>22 carbonos). Los átomos de carbono están numerados, comenzando con el carbono carbonílico como carbono 1. El número antes de los dos puntos indica el número de carbonos en la cadena, y los que están después de los dos puntos indican los números y posiciones (en relación con el extremo carboxilo) de los dobles enlaces. Por ejemplo, como se indica en la figura 16.4, el ácido araquidónico, 20:4(5,8,11,14), tiene 20 carbonos de longitud y cuatro dobles enlaces (entre los carbonos 5–6, 8–9, 11–12 y 14–15). (Nota: el carbono 2, el carbono al que está unido el grupo carboxilo, también se denomina carbono ÿ, el carbono 3 es el carbono ÿ y el carbono 4 es el carbono ÿ. El carbono del grupo metilo terminal se denomina el carbono ÿ independientemente de la longitud de la cadena). Los dobles enlaces en un ácido graso también se pueden referenciar en relación con el extremo ÿ (metilo) de la cadena. El ácido araquidónico se denomina ácido graso ÿ-6 porque el doble enlace terminal está a seis enlaces del extremo ÿ (fig. 16.5A). (Nota: también se puede usar la designación equivalente de n-6 [Fig. 16.5B].) Otro ácido graso ÿ-6 es el ácido linoleico esencial 18:2(9,12). Por el contrario, el ácido ÿ-linolénico, 18:3(9,12,15), es un ácido graso ÿ-3 esencial. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.4 Algunos ácidos grasos de importancia fisiológica. (Nota: un ácido graso que contiene de 2 a 4 carbonos se considera corto; 6 a 12, medio; 14 a 20, largo; y ÿ22, muy largo). C. Ácidos grasos esenciales El ácido linoleico, el precursor del ácido araquidónico ÿ-6 que es el sustrato para la síntesis de prostaglandinas, y el ácido ÿ-linolénico, el precursor de los ácidos grasos ÿ-3 que son importantes para el crecimiento y el desarrollo, son esenciales en la dieta de los humanos porque carecemos de la enzimas que pueden formar dobles enlaces carbono-carbono después del noveno carbono del extremo metilo (ÿ) de un ácido graso. Las plantas nos proporcionan estos ácidos grasos esenciales. (Nota: el ácido araquidónico se vuelve esencial si el ácido linoleico es deficiente en la dieta. Consulte el Capítulo 27 para una discusión sobre la importancia nutricional de los ácidos grasos ÿ-3 y ÿ-6). La deficiencia de ácidos grasos esenciales (poco frecuente) puede provocar una dermatitis seca y escamosa como resultado de la incapacidad para sintetizar moléculas que proporcionan la barrera de agua en la piel (ver pág. 228). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google tercero SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS DE NOVO Los carbohidratos y proteínas obtenidos de la dieta en exceso de las necesidades del cuerpo de estos nutrientes pueden convertirse en ácidos grasos. En adultos, la síntesis de ácidos grasos de novo ocurre principalmente en el hígado y las glándulas mamarias lactantes y, en menor medida, en el tejido adiposo. Este proceso citosólico es endergónico y reductivo. Incorpora carbonos de acetil coenzima A (CoA) en la cadena de ácidos grasos en crecimiento, utilizando ATP y nicotinamida adenina dinucleótido fosfato reducido (NADPH). (Nota: los TAG dietéticos también suministran ácidos grasos. Consulte el Capítulo 24 para una discusión sobre el metabolismo de los nutrientes dietéticos en el estado de buena alimentación). A. Producción citosólica de acetil CoA El primer paso en la síntesis de ácidos grasos es la transferencia de unidades de acetato del acetil CoA mitocondrial al citosol. El acetil CoA mitocondrial se produce por la oxidación del piruvato ( capítulo 9) y por el catabolismo de ciertos aminoácidos ( capítulo 20). Sin embargo, la porción CoA del acetil CoA no puede cruzar la membrana mitocondrial interna y solo la porción acetila ingresa al citosol. Lo hace como parte del citrato producido por la condensación de acetil CoA con oxaloacetato (OAA) por la citrato sintasa (fig. 16.6). (Nota: El transporte de citrato al citosol ocurre cuando la concentración de citrato mitocondrial es alta. Esto se observa cuando la isocitrato deshidrogenasa del ciclo del ácido tricarboxílico [TCA] es inhibida por la presencia de grandes cantidades de ATP, lo que hace que se acumulen citrato e isocitrato. Por lo tanto, el citrato citosólico puede verse como una señal de alta energía. Debido a que se necesita una gran cantidad de ATP para la síntesis de ácidos grasos, el aumento tanto de ATP como de citrato mejora esta vía). En el citosol, el citrato se escinde en OAA y acetil CoA mediante ATP citrato liasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.5 Ácido araquidónico, 20:4(5,8,11,14), que ilustra la posición de los dobles enlaces. R: El ácido araquidónico es un ácido graso ÿ-6 porque el primer doble enlace del extremo ÿ está a 6 carbonos de ese extremo. B: También se le conoce como ácido graso n-6 porque el último doble enlace del extremo carboxilo está a 14 carbonos de ese extremo: 20 ÿ 14 = 6 = n. Por lo tanto, las designaciones “ÿ” y “n” son equivalentes (ver*). B. Carboxilación de acetil CoA a malonil CoA La energía para las condensaciones de carbono a carbono en la síntesis de ácidos grasos proviene de la carboxilación y luego de la descarboxilación de los grupos acilo en el citosol. La carboxilación de acetil CoA a malonil CoA está catalizada por la acetil CoA carboxilasa (ACC) (fig. 16.7). ACC transfiere dióxido de carbono (CO2 ) del bicarbonato (HCO3 ÿ ) en una reacción que requiere ATP. La coenzima es la biotina (vitamina B7 ), que está unida covalentemente a un residuo lisilo de la carboxilasa (v . fig. 28.16). ACC carboxila la biotina unida, que transfiere el grupo carboxilo activado a acetil CoA. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.6 Producción de acetil coenzima A (CoA) citosólica. (Nota: el citrato es transportado por el sistema transportador de tricarboxilato). ADP = monofosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico. 1. Regulación a corto plazo de la acetil CoA carboxilasa: esta carboxilación es tanto el paso limitador de la velocidad como el paso regulado en la síntesis de ácidos grasos (v . fig. 16.7). La forma inactiva de ACC es un protómero (complejo de ÿ2 polipéptidos). La enzima se activa alostéricamente por el citrato, que hace que los protómeros se polimericen, y se inactiva alostéricamente por el palmitoil CoA (el producto final de la vía), que provoca la despolimerización. Un segundo mecanismo de regulación a corto plazo es por fosforilación reversible. La proteína cinasa activada por monofosfato de adenosina (AMPK) fosforila e inactiva la ACC. La propia AMPK es activada alostéricamente por AMP y covalentemente por fosforilación a través de varias quinasas. Al menos una de estas cinasas AMPK es activada por la proteína cinasa A (PKA) dependiente de AMP cíclico (cAMP). Así, en presencia de hormonas contrarreguladoras, como la epinefrina y el glucagón, la ACC se fosforila y se vuelve inactiva (fig. 16.8). En presencia de insulina, el ACC se desfosforila y se activa. (Nota: esto es análogo a la regulación de la glucógeno sintasa [consulte el Capítulo 11].) 2. Regulación a largo plazo de la acetil CoA carboxilasa: el consumo prolongado de una dieta que contiene un exceso de calorías (en particular, dietas altas en carbohidratos y bajas en grasas) provoca un aumento en la síntesis de ACC, lo que aumenta la síntesis de ácidos grasos. Una dieta baja en calorías o alta en grasas y baja en carbohidratos tiene el efecto contrario. (Nota: la síntesis de ACC está regulada al alza por los carbohidratos [específicamente la glucosa] a través de la ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google la proteína de unión al elemento de respuesta a los carbohidratos del factor de transcripción [ChREBP] y por la insulina a través de la proteína de unión al elemento regulador de esteroles del factor de transcripción 1c [SREBP-1c]. La sintasa de ácidos grasos (FAS) [ver C. a continuación] está regulada de manera similar. La función y regulación de SREBP se describen en el Capítulo 18.) La metformina, utilizada en el tratamiento de la diabetes tipo 2, reduce el TAG plasmático a través de la activación de AMPK, lo que da como resultado la inhibición de la actividad de ACC (por fosforilación) y la inhibición de la expresión de ACC y FAS (por disminución de SREBP-1c). La metformina reduce la glucosa en sangre al aumentar la captación de glucosa mediada por AMPK en el músculo. Figura 16.7 Regulación alostérica de la síntesis de malonil coenzima A (CoA) por acetil CoA carboxilasa. El grupo carboxilo aportado por el bicarbonato (HCO3 ÿ ) se muestra en azul. Pi = fosfato inorgánico; ADP = difosfato de adenosina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.8 Regulación covalente de la acetil CoA carboxilasa por AMPK, que a su vez está regulada tanto covalente como alostéricamente. CoA = coenzima A; ADP y AMP = di- y monofosfatos de adenosina;= fosfato; Pi = fosfato inorgánico. C. Ácido graso sintasa eucariota La serie restante de reacciones de síntesis de ácidos grasos en eucariotas es catalizada por la enzima multifuncional homodimérica FAS. El proceso implica la adición de dos carbonos de malonil CoA al extremo carboxilo de una serie de aceptores de acilo. Cada monómero FAS es un polipéptido multicatalítico con seis dominios enzimáticos diferentes más un dominio de proteína transportadora de acilo (ACP) que contiene 4ÿ-fosfopanteteína. La 4ÿ-fosfopanteína, ver un derivado del ácido pantoténico (vitamina B5 , capítulo 28), transporta unidades de acilo en su grupo tiol terminal (–SH) y las presenta a los dominios catalíticos de FAS durante la síntesis de ácidos grasos. También es un componente de CoA. Los números de reacción entre paréntesis a continuación se refieren a la Figura 16.9. (1) Un grupo acetilo se transfiere de acetil CoA al grupo –SH del ACP. (2) A continuación, este fragmento de dos carbonos se transfiere a un sitio de retención temporal. (3) El ACP ahora vacante acepta un grupo malonilo de tres carbonos de malonil CoA. (4) El grupo acetilo en el residuo de cisteína se condensa con el grupo malonilo en ACP con la liberación de CO2 , que originalmente fue agregado unida poralACC. dominio El resultado ACP. es una unidad de cuatro carbonos ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.9 Síntesis de palmitato (16:0) por ácido graso sintasa multifuncional. (Nota: los números entre paréntesis corresponden a los números entre paréntesis en el texto. Una segunda repetición de los pasos se indica mediante números con un asterisco [*]. Los carbonos proporcionados directamente por la acetil coenzima A [CoA] se muestran en rojo). ACP = acilo dominio de proteína transportadora; CO2 = dióxido de carbono; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato. Las tres reacciones siguientes convierten el grupo 3-cetoacilo en el grupo acilo saturado correspondiente mediante un par de reducciones que requieren NADPH y un paso de deshidratación. (5) El grupo ceto se reduce a un alcohol. (6) Se elimina una molécula de agua, creando un doble enlace trans entre los carbonos. 2 y 3 (los carbonos ÿ y ÿ). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google (7) El doble enlace se reduce. Esta secuencia de pasos da como resultado la producción de un grupo de cuatro carbonos (butirilo) cuyos tres carbonos terminales están completamente saturados y que permanecen unidos al dominio ACP. Los pasos se repiten (indicados con un asterisco), comenzando con la transferencia de la unidad butirilo del ACP al residuo de cisteína [2*], la unión de un grupo malonilo al ACP [3*] y la condensación del dos grupos liberando CO2 [4*]. El grupo carbonilo en el carbono ÿ (carbono 3, el tercer carbono del azufre) luego se reduce [5*], se deshidrata [6*] y se reduce [7*], generando hexanoil-ACP. Este ciclo de reacciones se repite hasta que el ácido graso alcanza una longitud de 16 carbonos. La actividad catalítica final de FAS rompe el enlace tioéster y libera una molécula completamente saturada de palmitato (16:0). (Nota: todos los carbonos del ácido palmítico han pasado a través de la malonil CoA, excepto los dos donados por la acetil CoA original [el primer aceptor de acilo], que se encuentran en el extremo metilo [ÿ] del ácido graso. Esto subraya la tasa de naturaleza limitante de la reacción ACC.) Los ácidos grasos de longitud más corta se producen solo en la glándula mamaria lactante. D. Fuentes reductoras La síntesis de un palmitato requiere 14 NADPH, un reductor (agente reductor). La vía de las pentosas fosfato ( capítulo 13) es un importante proveedor de NADPH. Se producen dos NADPH por cada molécula de glucosa 6-fosfato que entra en esta vía. La conversión citosólica de malato a piruvato, en la que el malato es oxidado y descarboxilado por la enzima málica citosólica + (NADP malato deshidrogenasa), también produce NADPH citosólico (y CO2 ), como se-dependiente muestra en la figura 16.10. (Nota: el malato puede surgir de la reducción de OAA por la malato deshidrogenasa dependiente del NADH citosólico [ver Fig. 16.10]. Una fuente del NADH citosólico requerido para esta reacción es la glucólisis. El OAA, a su vez, puede surgir de la escisión del citrato por el citrato de ATP. liasa.) En la figura 16.11 se muestra un resumen de la interrelación entre el metabolismo de la glucosa y la síntesis de palmitato . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.10 Conversión citosólica de oxaloacetato a piruvato con la generación de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH). (Nota: la vía de las pentosas fosfato también es una fuente de NADPH.) NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; CO2 = dióxido de carbono. E. Alargamiento adicional Aunque el palmitato, un LCFA de 16 carbonos completamente saturado (16:0), es el principal producto final de la actividad de FAS, se puede alargar aún más mediante la adición de unidades de dos carbonos al extremo del carboxilato principalmente en el retículo endoplásmico liso. SER). El alargamiento requiere un sistema de enzimas separadas en lugar de una enzima multifuncional. Malonyl CoA es el donante de dos carbonos y NADPH suministra los electrones. El cerebro tiene capacidades adicionales de elongación, lo que le permite producir ácidos grasos de cadena muy larga ([VLCFA] de más de 22 carbonos) que se requieren para la síntesis de lípidos cerebrales. Figura 16.11 Interrelación entre el metabolismo de la glucosa y la síntesis de palmitato. CoA = coenzima A; NAD(H) = nucleótido de nicotinamida y adenina; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico; CO2 = dióxido de carbono; TCA = ácido tricarboxílico; PC = piruvato carboxilasa; PDH = piruvato deshidrogenasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google F. Cadena de desaturación Las enzimas (grasas acil CoA desaturasas) también presentes en la SER son responsables de desaturar el LCFA (es decir, agregar dobles enlaces cis). Las reacciones de desaturación requieren oxígeno (O2 ), NADH, citocromo b5 y su reductasa ligada al dinucleótido de flavina y adenina (FAD). El ácido graso y el NADH H2O. se El oxidan primer doble a medida enlace quenormalmente el O2 se reduce se inserta a entre los carbonos 9 y 10, produciendo principalmente ácido oleico, 18:1(9), y pequeñas cantidades de ácido palmitoleico, 16:1(9). Se puede producir una variedad de ácidos grasos poliinsaturados mediante desaturación adicional combinada con elongación. Los seres humanos tienen desaturasas de carbono 9, 6, 5 y 4, pero carecen de la capacidad de introducir dobles enlaces desde el carbono 10 hasta el extremo ÿ de la cadena. Esta es la base de la esencialidad nutricional del ácido linoleico poliinsaturado ÿ-6 y del ácido linolénico ÿ-3. Figura 16.12 ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Un triacilglicerol con un ácido graso insaturado en el carbono 2. El naranja denota las porciones hidrofóbicas de la molécula. G. Almacenamiento como componentes TAG Los mono, di y triacilgliceroles consisten en una, dos o tres moléculas de ácido graso esterificado a una molécula de glicerol. Los ácidos grasos se esterifican a través de sus grupos carboxilo, lo que provoca una pérdida de carga negativa y la formación de grasa neutra. (Nota: un acilglicerol que es sólido a temperatura ambiente se llama grasa. Si es líquido, es un aceite). 1. Disposición: Los tres ácidos grasos esterificados a una molécula de glicerol para formar un TAG no suelen ser del mismo tipo. El ácido graso del carbono 1 suele estar saturado, el del carbono 2 suele ser insaturado y el del carbono 3 puede ser cualquiera de los dos. Recuerde que la presencia de ácido(s) graso(s) insaturado(s) disminuye(n) la Tm del lípido. En la figura 16.12 se muestra un ejemplo de una molécula TAG . 2. Almacenamiento y función de triacilglicerol: debido a que los TAG son solo ligeramente solubles en agua y no pueden formar micelas estables por sí mismos, se unen dentro de los adipocitos blancos para formar grandes gotas aceitosas que son casi anhidras. Estas gotas de lípidos citosólicos son la principal reserva de energía del cuerpo. (Nota: los TAG almacenados en adipocitos marrones sirven como fuente de calor a través de la termogénesis sin escalofríos [consulte el Capítulo 6].) 3. Síntesis de glicerol 3-fosfato: el glicerol 3-fosfato es el aceptor inicial de ácidos grasos durante la síntesis de TAG. Hay dos vías principales para su producción (Fig. 16.13). (Nota: un tercer proceso [gliceroneogénesis] se describe en la Sección IV A3). Tanto en el hígado (el sitio principal de la síntesis de TAG) como en el tejido adiposo, el glicerol 3-fosfato se puede producir a partir de la glucosa, primero utilizando las reacciones de la vía glucolítica. para producir fosfato de dihidroxiacetona [DHAP]. DHAP es reducido por glicerol 3-fosfato deshidrogenasa a glicerol 3-fosfato. Una segunda vía que se encuentra en el hígado, pero no en el tejido adiposo, utiliza glicerol quinasa para convertir el glicerol libre en glicerol 3-fosfato (ver Fig. 16.13). (Nota: el transportador de glucosa en los adipocitos [GLUT-4] depende de la insulina [consulte el Capítulo 23]. Por lo tanto, cuando los niveles de glucosa en plasma son bajos, los adipocitos solo tienen una capacidad limitada para sintetizar fosfato de glicerol y no pueden producir TAG de novo). Figura 16.13 Vías para la producción de glicerol 3-fosfato en hígado y tejido adiposo. (Nota: Glicerol 3****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google el fosfato también se puede generar por gliceroneogénesis.) NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; ADP = difosfato de adenosina. 4. Activación de ácidos grasos: un FFA debe convertirse a su forma activada (unido a CoA a través de un enlace tioéster) antes de que pueda participar en procesos metabólicos como la síntesis de TAG. Esta reacción, ilustrada en la figura 15.6, es catalizada por una familia de acil CoA sintetasas grasas (tiocinasas). 5. Síntesis de triacilglicerol: esta vía a partir del 3-fosfato de glicerol implica cuatro reacciones, que se muestran en la figura 16.14. Estos incluyen la adición secuencial de dos ácidos grasos a partir de acil graso CoA, la eliminación de fosfato y la adición del tercer ácido graso. H. Destino de triacilglicerol en hígado y tejido adiposo En WAT, TAG se almacena en una forma casi anhidra como gotas de grasa en el citosol de las células. Las gotitas de grasa están cubiertas con una familia de proteínas conocidas como perilipinas que secuestran y protegen a los TAG de la lipólisis hasta que el cuerpo requiere ácidos grasos como combustible. (Las perilipinas pueden desempeñar un papel en condiciones patológicas como la diabetes tipo 2, la aterosclerosis y las enfermedades cardiovasculares). Se almacena poca TAG en el hígado sano. En cambio, la mayor parte se exporta, empaquetada con otros lípidos y apolipoproteínas para formar partículas de lipoproteínas llamadas lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL). Las VLDL nacientes se secretan directamente en la sangre donde maduran y funcionan para entregar los lípidos derivados endógenamente a los tejidos periféricos. (Nota: recuerde del Capítulo 15 que los quilomicrones transportan lípidos dietéticos [derivados exógenamente]. Las lipoproteínas plasmáticas se analizan en el Capítulo 18). IV. MOVILIZACIÓN DE GRASAS Y OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS Los ácidos grasos almacenados en WAT, en forma de TAG neutral, sirven como la principal reserva de almacenamiento de combustible del cuerpo. Los TAG proporcionan reservas concentradas de energía metabólica porque son muy reducidos y en gran parte anhidros. El rendimiento de la oxidación completa de ácidos grasos a CO2 y H2O es de 9 kcal/g de grasa (en comparación con 4 kcal/g de proteína o carbohidrato, véase la figura 27.5). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.14 Síntesis de TAG. R1–R3 = ácidos grasos activados. CoA = coenzima A; Pi = fosfato inorgánico. A. Liberación de ácidos grasos de la grasa La movilización de la grasa almacenada requiere la liberación hidrolítica de FFA y glicerol de su forma TAG. Este proceso de lipólisis se logra mediante perilipinas y lipasas. Es iniciado por la triglicérido lipasa adiposa (ATGL), que genera un diacilglicerol que es el sustrato preferido para la lipasa sensible a hormonas (HSL). La lipasa MAG actúa sobre el producto de monoacilglicerol (MAG) de HSL. 1. Regulación de perilipinas y HSL: tanto las perilipinas como la HSL son fosforiladas por PKA, una proteína cinasa dependiente de cAMP. El AMPc se produce en el adipocito cuando las catecolaminas (como la epinefrina) se unen a los receptores adrenérgicos ÿ de la membrana celular y activan la adenililciclasa (fig. 16.15). El proceso es similar al de la activación de la glucógeno fosforilasa (v . fig. 11.9). La fosforilación de perilipina por PKA permite la translocación y unión de HSL fosforilada (HSL activa) a la gota. (Nota: debido a que la ACC es inhibida por la fosforilación dirigida por hormonas, cuando se activa la cascada mediada por AMPc [ver Fig. 16.8], se desactiva la síntesis de ácidos grasos y se activa la degradación de TAG). En presencia de niveles plasmáticos elevados de insulina, la HSL se desfosforila y se inactiva. La insulina también suprime la expresión de ATGL. 2. Destino del glicerol: el glicerol liberado durante la degradación de TAG no puede ser metabolizado por los adipocitos porque carecen de glicerol quinasa. Más bien, el glicerol se transporta a través de la sangre al hígado, que tiene la quinasa. El glicerol 3-fosfato resultante puede usarse para formar TAG en el hígado o puede convertirse en DHAP por inversión de la reacción de glicerol 3-fosfato deshidrogenasa ilustrada en la figura 16.13. DHAP puede participar en la glucólisis o gluconeogénesis. 3. Destino de los ácidos grasos: Los FFA se desplazan a través de la membrana celular del adipocito y se unen a la albúmina sérica en la sangre. Se transportan a tejidos como los músculos, ingresan a las células, se activan a sus derivados CoA y se oxidan para obtener energía en las mitocondrias. Independientemente de sus niveles, los FFA plasmáticos no pueden ser utilizados como combustible por los glóbulos rojos (RBC), que no tienen mitocondrias. El cerebro no usa ácidos grasos para obtener energía en una medida apreciable, pero las razones son menos claras. (Nota: más del 50 % de los ácidos grasos liberados por el TAG adiposo se reesterifican a glicerol 3-fosfato. WAT no expresa glicerol quinasa, y el glicerol 3-fosfato se produce por gliceroneogénesis, una versión incompleta de la gluconeogénesis: piruvato a OAA a través de piruvato carboxilasa y OAA a fosfoenolpiruvato [PEP] a través de fosfoenolpiruvato carboxicinasa. El PEP se convierte [mediante reacciones comunes a la glucólisis y la gluconeogénesis] en DHAP, que se reduce a glicerol 3-fosfato. El proceso disminuye los FFA plasmáticos, moléculas asociadas con la resistencia a la insulina en la diabetes tipo 2 ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google y obesidad [consulte el Capítulo 25].) Figura 16.15 Regulación hormonal de la degradación de diacilglicerol en el adipocito. (Nota: el triacilglicerol es degradado a diacilglicerol por la triglicérido lipasa adiposa). cAMP = monofosfato de adenosina cíclico; PPi = pirofosfato; ADP = difosfato de adenosina; = fosfato. B. Oxidación ÿ de ácidos grasos La vía principal para el catabolismo de los ácidos grasos es una vía mitocondrial llamada oxidación ÿ, en la que se eliminan sucesivamente fragmentos de dos carbonos del extremo carboxilo del acil CoA graso, produciendo acetil CoA, NADH y FADH2 . 1. Transporte de ácidos grasos de cadena larga al citosol y las mitocondrias: la captación de ácidos grasos puede ocurrir mediante varios mecanismos diferentes. Puede implicar ****** convertidor pasivo de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google difusión o una de varias proteínas de transporte de lípidos, como la translocasa de ácidos grasos (FAT), la proteína de unión a ácidos grasos (FABP) y la proteína de transporte de ácidos grasos (FATP). Los ácidos grasos de cadena larga (LCFA) son absorbidos por FATP. Después de que un LCFA ingresa a una célula, se convierte en el citosol en su derivado CoA mediante la acil CoA sintetasa de cadena larga (tioquinasa), una enzima de la membrana mitocondrial externa. Debido a que la ÿ-oxidación ocurre en la matriz mitocondrial, el ácido graso debe transportarse a través de la membrana mitocondrial interna que es impermeable a la CoA. Por lo tanto, un transportador especializado transporta el grupo acilo de cadena larga desde el citosol hacia la matriz mitocondrial. Este transportador es la carnitina, y este proceso de transporte limitante de la velocidad se denomina lanzadera de carnitina (fig. 16.16). Figura 16.16 Lanzadera de carnitina. El efecto neto es que una acil coenzima A (CoA) grasa de cadena larga (LC) se transporta desde el exterior hacia el interior de las mitocondrias. AMP = monofosfato de adenosina; PPi = pirofosfato. una. Pasos de translocación: primero, el grupo acilo se transfiere de CoA a carnitina mediante la carnitina palmitoiltransferasa I (CPT-I), una enzima de la membrana mitocondrial externa. (Nota: CPT-I también se conoce como CAT-I por carnitina aciltransferasa I). Esta reacción forma una acilcarnitina y regenera CoA libre. En segundo lugar, la carnitina-acilcarnitina translocasa transporta la acilcarnitina hacia la matriz mitocondrial a cambio de carnitina libre. La carnitina palmitoiltransferasa 2 (CPT-II o CAT-II), una enzima de la membrana mitocondrial interna, cataliza la transferencia del grupo acilo de la carnitina a CoA en la matriz mitocondrial, regenerando así la carnitina libre. b. Inhibidor de la lanzadera de carnitina: Malonyl CoA inhibe la CPT-I, evitando así la entrada de grupos acilo de cadena larga en la matriz mitocondrial. Por lo tanto, cuando se produce la síntesis de ácidos grasos en el citosol (como lo indica la presencia de malonil CoA), el palmitato recién producido no puede transferirse a las mitocondrias ni degradarse. (Nota: el tejido muscular, aunque no sintetiza ácidos grasos, contiene la isozima mitocondrial de ACC[ACC2], lo que permite la regulación de la ÿ-oxidación. El hígado contiene ambas isozimas). La oxidación de ácidos grasos también está regulada por la acetil CoA/CoA proporción: a medida que aumenta la proporción, disminuye la reacción de tiolasa que requiere CoA (fig. 16.17). C. Fuentes de carnitina: La carnitina se puede obtener de la dieta, donde se encuentra ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google principalmente en productos cárnicos. También se puede sintetizar a partir de los aminoácidos lisina y metionina mediante una vía enzimática que se encuentra en el hígado y los riñones, pero no en el músculo esquelético o cardíaco. Por tanto, estos últimos tejidos dependen totalmente de la captación de carnitina proporcionada por la síntesis endógena o la dieta y distribuida por la sangre. (Nota: el músculo esquelético contiene aproximadamente el 97 % de toda la carnitina del cuerpo). La carnitina entra en las células a través de transportadores de carnitina. En el corazón, el músculo y el riñón, el transportador de alta afinidad es el transportador de cationes orgánicos novedoso 2 (OCTN2). El hígado tiene un transportador de carnitina diferente, de baja afinidad y alta capacidad. La deficiencia primaria de carnitina se desarrolla debido a un defecto en OCTN2 que resulta en la pérdida urinaria de carnitina y niveles bajos de carnitina sérica y celular. d. Deficiencias de carnitina: tales deficiencias dan como resultado una menor capacidad de los tejidos para usar LCFA como combustible. La deficiencia primaria de carnitina es causada por defectos en un transportador de membrana que impide la absorción de carnitina por el músculo cardíaco y esquelético y los riñones, lo que provoca la excreción de carnitina. El tratamiento incluye suplementos de carnitina. La deficiencia secundaria de carnitina ocurre principalmente como resultado de defectos en la oxidación de ácidos grasos que conducen a la acumulación de acilcarnitinas que se excretan en la orina, lo que reduce la disponibilidad de carnitina. La deficiencia de carnitina secundaria adquirida se puede observar, por ejemplo, en pacientes con enfermedad hepática (síntesis disminuida de carnitina) o aquellos que toman el medicamento anticonvulsivo ácido valproico (reabsorción renal disminuida). (Nota: los defectos en la oxidación mitocondrial también pueden ser causados por deficiencias en CPT-I y CPT-II. La deficiencia de CPT-I afecta al hígado, donde la incapacidad de usar LCFA como combustible afecta en gran medida la capacidad del tejido para sintetizar glucosa [un proceso endergónico ] durante un ayuno. Esto puede conducir a hipoglucemia severa, coma y muerte. La deficiencia de CPT-II puede afectar el hígado y el músculo cardíaco y esquelético. La forma más común [y menos grave] afecta el músculo esquelético. Se presenta como debilidad muscular con mioglobinemia después de ejercicio prolongado. El tratamiento incluye evitar el ayuno y adoptar una dieta rica en carbohidratos y baja en grasas, pero complementada con TAG de cadena media). 2. Entrada de ácidos grasos de cadena más corta en las mitocondrias: los ácidos grasos ÿ12 carbonos pueden cruzar la membrana mitocondrial interna sin la ayuda de la carnitina o del sistema CPT. Una vez dentro de la mitocondria, son activados a sus derivados CoA por las enzimas de la matriz y son oxidados. (Nota: los ácidos grasos de cadena media abundan en la leche humana. Debido a que su oxidación no depende de la CPT-I, el malonil CoA no es inhibitorio). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.17 Enzimas implicadas en la ÿ-oxidación de la acilcoenzima A (CoA) grasa. (Nota: la 2,3-enoil CoA hidratasa requiere un doble enlace trans entre el carbono 2 y el carbono 3). FAD(H2 ) = dinucleótido de flavina y adenina; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina. 3. Reacciones de ÿ-oxidación: el primer ciclo de ÿ-oxidación se muestra en la figura 16.17. Consiste en una secuencia de cuatro reacciones que involucran al carbono ÿ (carbono 3) que da como resultado el acortamiento del ácido graso en dos carbonos en el extremo carboxilato. Los pasos incluyen una oxidación que produce FADH2 , una hidratación, una segunda oxidación que produce NADH y una escisión tiolítica dependiente de CoACoA. que Cada libera paso una molécula es catalizado de acetil por enzimas con especificidad de longitud de cadena. (Nota: para LCFA, los últimos tres pasos son catalizados por una proteína trifuncional). Estos cuatro pasos se repiten para los ácidos grasos saturados de cadenas de carbono pares (n/2) ÿ 1 veces (donde n es el número de carbonos) , produciendo cada ciclo una acetil CoA más una NADH y una FADH2 . El ciclo final produce dos acetil CoA. La acetil CoA se puede oxidar o usar en la cetogénesis hepática (ver V. a continuación). Las coenzimas reducidas son oxidadas por la cadena de transporte de electrones, NADH por el complejo I y FADH2 por la coenzima Q (ver pág. 82). (Nota: Acetil CoA es un efector alostérico positivo de la piruvato carboxilasa [ver el Capítulo 10], lo que vincula la oxidación de ácidos grasos y la gluconeogénesis). Figura 16.18 Resumen del rendimiento energético de la oxidación de palmitoil coenzima A (CoA) (16 carbonos). (Nota: *La activación de palmitato a palmitoil CoA requiere el equivalente de 2 ATP [ATP ÿ AMP + PPi ].) FADH2 = dinucleótido de flavina y adenina; NADH = dinucleótido de nicotinamida y adenina; TCA = ácido tricarboxílico; CoQ = coenzima Q; CO2 = dióxido de carbono. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 4. Rendimiento energético de la ÿ-oxidación: El rendimiento energético de la ÿ-oxidación de ácidos grasos es alto. Por ejemplo, la oxidación de una molécula de palmitoil CoA a CO2 y H2O produce ocho acetil CoA, siete NADH y siete FADH2 , a partir de los cuales se pueden generar 131 ATP. Sin embargo,ácido la activación graso requiere del dos ATP. Por lo tanto, el rendimiento neto del palmitato es de 129 ATP (figura 16.18). En la figura 16.19 se proporciona una comparación de los procesos de síntesis y degradación de ácidos grasos saturados de cadena larga con un número par de átomos de carbono . Figura 16.19 Comparación de la síntesis y degradación de ácidos grasos saturados pares de cadena larga + = nicotinamida adenina ácidos. NADPH = fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina; dinucleótido NAD; FAD = dinucleótido de flavina y adenina; CoA = coenzima A. 5. Deficiencia de acil CoA graso deshidrogenasa de cadena media: en las mitocondrias, hay cuatro especies de acil CoA graso deshidrogenasa, cada una con especificidad distinta pero superpuesta para ácidos grasos de cadena corta, media, larga o muy larga. Se ha observado deficiencia en cada una de estas deshidrogenasas, sin embargo, la deficiencia de acil CoA deshidrogenasa grasa de cadena media (MCAD) es el error congénito más común de la ÿ-oxidación. La deficiencia de MCAD, un trastorno autosómico recesivo, se encuentra en 1:14 000 nacimientos en todo el mundo, con una mayor incidencia en los caucásicos de ascendencia del norte de Europa. Da como resultado una menor capacidad para oxidar ácidos grasos con 6 a 10 carbonos, una menor producción de acetil CoA y una mayor dependencia de la glucosa para obtener energía, lo que provoca una hipoglucemia hipocetósica en los pacientes. Los estudios de orina de laboratorio muestran una acumulación de acil carnitinas de cadena media y ácidos dicarboxílicos de cadena media. El tratamiento incluye evitar el ayuno. 6. Oxidación de ácidos grasos con un número impar de carbonos: este proceso sigue los mismos pasos de reacción que el de los ácidos grasos con un número par de ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google carbonos, hasta llegar a los últimos tres carbonos. Este producto, propionil CoA, se metaboliza mediante una vía de tres pasos (fig. 16.20). (Nota: el propionil CoA también se produce durante el metabolismo de ciertos aminoácidos [ver Fig. 20.11].) una. Síntesis de D-metilmalonil CoA: Primero, se carboxila propionil CoA, formando Dmetilmalonil CoA. La enzima propionil CoA carboxilasa tiene un requerimiento absoluto de las coenzimas biotina y ATP, al igual que ACC y la mayoría de las otras carboxilasas. b. Formación de L-metilmalonil CoA: A continuación, el isómero D se convierte en L formado por la enzima metilmalonil CoA racemasa. C. Síntesis de succinil CoA: finalmente, los carbonos de L-metilmalonil CoA se reorganizan, formando succinil CoA, que puede ingresar al ciclo TCA. (Nota: este es el único ejemplo de un precursor glucogénico generado a partir de la oxidación de ácidos grasos). La enzima metilmalonil CoA mutasa requiere una forma de coenzima de la vitamina B12 (desoxiadenosilcobalamina). La reacción de mutasa es una de las dos únicas reacciones en el cuerpo que requieren vitamina B12 (consulte el Capítulo La otra enzima dependiente de la vitamina B12 es la metionina sintasa, que cataliza la síntesis de metionina a partir de homocisteína. Esta reacción es esencial para el reciclaje del folato y para la conversión de B12 en su forma de coenzima. Como resultado, los primeros signos de deficiencias de folato y vitamina B12 son anomalías hematológicas similares. En etapas posteriores de la deficiencia de vitamina B12 surgen síntomas neurológicos, como parestesias, entumecimiento y ataxia. En pacientes con deficiencia de vitamina B12 , tanto el ácido propiónico como el metilmalónico (MMA) se excretan en la orina. El MMA sérico elevado es una medida diagnóstica útil para distinguir una deficiencia de vitamina B12 de una deficiencia de folato. La acidemia metilmalónica hereditaria y la aciduria pueden surgir de un defecto o déficit en la metilmalonil CoA mutasa o la metionina sintasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.20 Metabolismo de propionil CoA. ADP = difosfato de adenosina; (HCO3 ÿ ) = bicarbonato; Pi = fosfato inorgánico. 7. Oxidación ÿ de ácidos grasos insaturados: la oxidación de ácidos grasos insaturados genera productos intermedios que no pueden servir como sustratos para la 2,3-enoil CoA hidratasa (v . fig. 16.17). En consecuencia, se requieren enzimas adicionales. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La oxidación de un doble enlace en un carbono impar, como 18:1(9) (ácido oleico), requiere una enzima adicional, 3,2-enoil CoA isomerasa, que convierte el derivado 3-cis obtenido después de tres rondas de ÿ-oxidación al derivado 2-trans requerido por la hidratasa. La oxidación de un doble enlace en un carbono par, como 18:2(9,12) (ácido linoleico), requiere una 2,4-dienoil CoA reductasa dependiente de NADPH además de la isomerasa. (Nota: debido a que los ácidos grasos insaturados se reducen menos que los ácidos grasos saturados, se producen menos equivalentes reductores por su oxidación). 8. Oxidación ÿ peroxisomal: los VLCFA de ÿ22 carbonos de longitud experimentan una oxidación ÿ preliminar en los peroxisomas, porque los peroxisomas y no las mitocondrias son el sitio principal de la sintetasa que activa los ácidos grasos de esta longitud. El ácido graso acortado (ligado a la carnitina) se difunde a una mitocondria para una mayor oxidación. A diferencia de la ÿ-oxidación mitocondrial, la deshidrogenación inicial en los peroxisomas es catalizada por una acil CoA oxidasa que contiene FAD. El FADH2 producido es oxidado por O2 , que se reduce a peróxido de hidrógeno (H2O2 ). Por lo tanto, no se genera ATP a partir de este paso. El H2O2 se reduce a H2O por medio de la catalasa (ver Capítulo 13). (Nota: los defectos genéticos en la capacidad de dirigir las proteínas de la matriz a los peroxisomas [lo que da como resultado el síndrome de Zellweger, un trastorno de la biogénesis peroxisomal] o de transportar VLCFA a través de la membrana peroxisomal [lo que da como resultado la adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X] conducen a la acumulación de VLCFA en la sangre. y tejidos.) Figura 16.21 Ácido fitánico, un ácido graso de cadena ramificada de 16 carbonos de longitud. C. Oxidación ÿ peroxisomal El ácido fitánico de cadena ramificada, un producto del metabolismo de la clorofila, no es un ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google sustrato para la acil CoA deshidrogenasa debido al grupo metilo en su carbono ÿ (fig. 16.21). En cambio, se hidroxila en el carbono ÿ por la fitanoil CoA ÿ hidroxilasa (PhyH); el carbono 1 se libera como CO2 ; y el producto, pristanal de 15 carbonos de largo, se oxida a ácido pristánico, que se activa a su derivado CoA y sufre oxidación ÿ. La enfermedad de Refsum es un trastorno autosómico recesivo raro causado por una deficiencia de PhyH peroxisomal. Esto da como resultado la acumulación de ácido fitánico en el plasma y los tejidos. Los síntomas son principalmente neurológicos y el tratamiento consiste en la restricción dietética para detener la progresión de la enfermedad. (Nota: la oxidación ÿ [en el extremo metilo] también se conoce y genera ácidos dicarboxílicos. Normalmente es una vía menor de la SER, su regulación al alza se observa en condiciones como la deficiencia de MCAD que limita la ÿ-oxidación de ácidos grasos). V. CUERPOS CETONICOS: COMBUSTIBLE ALTERNATIVO PARA LAS CÉLULAS Las mitocondrias hepáticas tienen la capacidad de convertir la acetil CoA derivada de la oxidación de ácidos grasos en cuerpos cetónicos. Los compuestos categorizados como cuerpos cetónicos son acetoacetato, 3-hidroxibutirato (también llamado ÿ-hidroxibutirato) y acetona (un producto secundario no metabolizado, fig. 16.22). (Nota: los dos cuerpos cetónicos funcionales son ácidos orgánicos). El acetoacetato y el 3-hidroxibutirato se transportan en la sangre a los tejidos periféricos. Allí pueden reconvertirse en acetil CoA, que puede oxidarse mediante el ciclo TCA. Los cuerpos cetónicos son fuentes importantes de energía para los tejidos periféricos porque (1) son solubles en solución acuosa y, por lo tanto, no necesitan incorporarse a las lipoproteínas ni ser transportados por la albúmina como lo hacen los demás lípidos; (2) se producen en el hígado durante períodos en los que la cantidad de acetil CoA presente supera la capacidad oxidativa del hígado; y (3) son utilizados en proporción a su concentración en la sangre por los tejidos extrahepáticos, como el músculo esquelético y cardíaco, la mucosa intestinal y la corteza renal. Incluso el cerebro puede usar cuerpos cetónicos para ayudar a satisfacer sus necesidades de energía si los niveles en sangre aumentan lo suficiente. Por lo tanto, los cuerpos cetónicos ahorran glucosa, lo que es particularmente importante durante períodos prolongados de ayuno (ver Capítulo 24). (Nota: los trastornos de la oxidación de ácidos grasos se presentan con un cuadro general de hipocetosis [debido a la menor disponibilidad de acetil CoA] e hipoglucemia [debido a una mayor dependencia de la glucosa para obtener energía]). A. Síntesis de cuerpos cetónicos por el hígado: cetogénesis Durante un ayuno, el hígado se inunda de ácidos grasos movilizados del tejido adiposo. La acetil CoA hepática elevada resultante producida por la oxidación de ácidos grasos inhibe la piruvato deshidrogenasa y activa la piruvato carboxilasa (PC). El OAA producido por PC es utilizado por el hígado para la gluconeogénesis en lugar del ciclo TCA. Además, la oxidación de ácidos grasos disminuye la relación NAD+ /NADH y el aumento de NADH cambia el OAA a malato (ver pág. 124). La menor disponibilidad de OAA para la condensación con acetil CoA da como resultado un mayor uso de acetil CoA para la síntesis de cuerpos cetónicos. (Nota: el acetil CoA para la cetogénesis también se genera por el catabolismo de los aminoácidos cetogénicos). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 1. Síntesis de 3-hidroxi-3-metilglutaril CoA: el primer paso, la formación de acetoacetil CoA, se produce por inversión de la reacción final de tiolasa de oxidación de ácidos grasos (v . fig. 16.17). La 3-hidroxi-3-metilglutaril (HMG) CoA sintasa mitocondrial combina una tercera molécula de acetil CoA con acetoacetil CoA para producir HMG CoA. La HMG CoA sintasa es el paso limitante de la velocidad en la síntesis de cuerpos cetónicos y está presente en cantidades significativas solo en el hígado. (Nota: HMG CoA también es un intermediario en la síntesis de colesterol citosólico. Las dos vías están separadas por la ubicación y las condiciones de la célula). 2. Síntesis de cuerpos cetónicos: la HMG CoA liasa escinde la HMG CoA para producir acetoacetato y acetil CoA, como se muestra en la figura 16.22. El acetoacetato se puede reducir para formar 3-hidroxibutirato con NADH como donante de electrones. (Nota: debido a que los cuerpos cetónicos no están vinculados a la CoA, pueden atravesar la membrana mitocondrial interna). El acetoacetato también puede descarboxilarse espontáneamente en la sangre para formar acetona, un compuesto volátil no metabolizado biológicamente que se puede detectar en el aliento. El equilibrio entre acetoacetato y 3-hidroxibutirato está determinado por la relación NAD+ /NADH. Debido a que esta proporción es baja durante la oxidación de ácidos grasos, se favorece la síntesis de 3-hidroxibutirato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.22 Síntesis de cuerpos cetónicos. (Nota: la liberación de CoA en la cetogénesis respalda la oxidación continua de ácidos grasos). CoA = coenzima A; HMG = hidroximetilglutarato; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; CO2 = dióxido de carbono. B. Uso de cuerpos cetónicos por los tejidos periféricos: cetólisis Aunque el hígado sintetiza constantemente niveles bajos de cuerpos cetónicos, su producción aumenta durante el ayuno cuando se necesitan cuerpos cetónicos para proporcionar energía a los tejidos periféricos. El 3-hidroxibutirato es oxidado a acetoacetato por la 3-hidroxibutirato deshidrogenasa, produciendo NADH (fig. 16.23). Luego se proporciona acetoacetato con una molécula de CoA tomada de succinil CoA por succinil CoA: acetoacetato CoA transferasa (tioforasa). Esta reacción es reversible, pero el producto, acetoacetil CoA, se elimina activamente por su escisión en dos acetil CoA por la tiolasa. Esto empuja la reacción hacia adelante. Los tejidos extrahepáticos, incluido el cerebro pero excluyendo las células que carecen de mitocondrias (p. ej., glóbulos rojos), oxidan eficientemente el acetoacetato y el 3-hidroxibutirato de esta manera. Por el contrario, aunque el hígado produce activamente cuerpos cetónicos, carece de tioforasa y, por lo tanto, no puede utilizar los cuerpos cetónicos como combustible. C. Producción excesiva de cuerpos cetónicos en la diabetes mellitus Cuando la tasa de formación de cuerpos cetónicos es mayor que la tasa de su uso, sus niveles comienzan a aumentar en la sangre (cetonemia) y, finalmente, en la orina (cetonuria). Esto se observa con mayor frecuencia en casos de diabetes mellitus tipo 1 (DT1) no controlada, donde la concentración de cuerpos cetónicos en la sangre puede alcanzar los 90 mg/dl (frente a <3 mg/dl en individuos normales) y la excreción urinaria de cuerpos cetónicos puede ser menor. hasta 5.000 mg/24 horas. La elevación de la concentración de cuerpos cetónicos en la sangre puede provocar acidemia. (Nota: el grupo carboxilo de un cuerpo cetónico tiene un pKa de ~4. Por lo tanto, cada cuerpo cetónico pierde un protón [H+ ] a medida que circula en la sangre, lo que reduce el pH. Además, en la diabetes tipo 1 no controlada, la pérdida de glucosa en la orina y cuerpos cetónicos produce deshidratación. Por lo tanto, el aumento del número de H+ que circula en un volumen reducido de plasma puede causar una acidosis grave [cetoacidosis, fig. 16.24] conocida como cetoacidosis diabética [CAD]). olor en el aliento, que resulta de una mayor producción de acetona. También se puede observar cetoacidosis en casos de ayuno prolongado y consumo excesivo de etanol. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.23 Síntesis de cuerpos cetónicos en el hígado y uso en tejidos periféricos. El hígado y los glóbulos rojos no pueden usar cuerpos cetónicos. (Nota: la tioforasa también se conoce como succinil CoA:acetoacetato CoA transferasa). CoA = coenzima A; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; TCA = ácido tricarboxílico; CO2 = dióxido de carbono. Figura 16.24 Mecanismo de cetoacidosis diabética observado en diabetes tipo 1 no controlada. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VI. Resumen del capítulo Un ácido graso, generalmente una cadena hidrocarbonada lineal con un grupo carboxilo terminal, puede ser saturado o insaturado. Dos ácidos grasos insaturados son esenciales en la dieta: los ácidos linoleico y ÿ-linolénico. Los ácidos grasos se sintetizan en el citosol del hígado después de una comida que contiene un exceso de carbohidratos y proteínas. Los carbonos utilizados para sintetizar ácidos grasos los proporciona la acetil CoA, la energía el ATP y los equivalentes reductores el NADPH (fig. 16.25) proporcionados por la vía de las pentosas fosfato y la enzima málica. El citrato transporta unidades de acetilo de dos carbonos desde la matriz mitocondrial hasta el citosol. El paso regulado en la síntesis de ácidos grasos es la carboxilación de acetil CoA a malonil CoA por ACC que requiere biotina y ATP . El citrato activa alostéricamente el ACC y el palmitoil CoA lo inhibe. La ACC también puede ser activada por la insulina e inactivada por la AMPK en respuesta a la epinefrina, el glucagón o un aumento de la AMP. Los pasos restantes en la síntesis de ácidos grasos son catalizados por FAS, que produce palmitoil CoA al agregar unidades de dos carbonos de malonil CoA a una serie de aceptores de acilo. Los ácidos grasos pueden alargarse y desaturarse en el SER. Cuando se requieren ácidos grasos para obtener energía, la HSL (activada por la epinefrina e inhibida por la insulina), junto con otras lipasas, degrada los TAG almacenados en los adipocitos. Los ácidos grasos son transportados por la albúmina sérica al hígado y tejidos periféricos, donde su oxidación proporciona energía. La columna vertebral de glicerol del TAG degradado es transportada por la sangre al hígado, donde sirve como precursor gluconeogénico. La degradación de ácidos grasos (ÿ-oxidación) ocurre en las mitocondrias. La lanzadera de carnitina es necesaria para transportar ácidos grasos de cadena larga desde el citosol hasta la matriz mitocondrial. La malonil CoA inhibe la CPT-I , lo que impide la síntesis y la degradación simultáneas de los ácidos grasos. La ÿ-oxidación de ácidos grasos mitocondriales produce acetil CoA, NADH y FADH2 . El primer paso en la ÿ-oxidación es catalizado por una de cuatro acil CoA deshidrogenasas, cada una con especificidad de longitud de cadena. La deficiencia de MCAD provoca una disminución en la oxidación de ácidos grasos que produce hipocetonemia e hipoglucemia grave. La oxidación de ácidos grasos con un número impar de carbonos produce propionil CoA que se carboxila a metilmalonil CoA (mediante propionil CoA carboxilasa que requiere biotina y ATP), que luego se convierte en succinil CoA (un precursor gluconeogénico) por vitamina B12 , que requiere metilmalonilo CoA mutasa. Un error genético en la deficiencia de mutasa o vitamina B12 provoca acidemia metilmalónica y aciduria. ÿ La oxidación de ácidos grasos insaturados requiere enzimas adicionales. La ÿ-oxidación de VLCFA y la ÿ-oxidación de ácidos grasos de cadena ramificada ocurren en el peroxisoma. Las deficiencias provocan adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X y enfermedad de Refsum, respectivamente. La oxidación ÿ, normalmente una vía menor, ocurre en el SER. Las mitocondrias hepáticas pueden convertir la acetil CoA derivada de la oxidación de ácidos grasos en acetoacetato y 3-hidroxibutirato (cuerpos cetónicos). Los tejidos periféricos que poseen mitocondrias pueden oxidar el 3-hidroxibutirato a acetoacetato, que puede dividirse en dos acetil CoA, lo que produce energía para la célula. A diferencia de los ácidos grasos, los cuerpos cetónicos son utilizados por el cerebro y, por lo tanto, son combustibles importantes durante el ayuno. Debido a que el hígado carece de la tioforasa necesaria para degradar los cuerpos cetónicos, los sintetiza específicamente para los tejidos periféricos. La cetoacidosis ocurre cuando la tasa de formación de cuerpos cetónicos es mayor que la tasa de uso, como se observa en los casos de diabetes mellitus tipo 1 no controlada. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 16.25 Mapa conceptual clave para el metabolismo de ácidos grasos y triacilglicerol. AMPK = proteína cinasa activada por monofosfato de adenosina; PKA = proteína quinasa A; CoA = coenzima A; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; FAD(H2 ) = dinucleótido de flavina y adenina; FAS = ácido graso sintasa; CO2 = dióxido de carbono; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; TCA = ácido tricarboxílico; VLDL = lipoproteína de muy baja densidad. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 16.1 Cuando el ácido oleico, 18:1(9), se desatura en el carbono 6 y luego se alarga, ¿cuál es la representación correcta de ¿el producto? R. 19:2(7,9) B. 20:2 (ÿ-6) C. 20:2(6,9) D.20:2(8,11) Respuesta correcta = D. Los ácidos grasos se alargan en el retículo endoplásmico liso al agregar dos carbonos a la vez al extremo carboxilato (carbono 1) de la molécula. Esto empuja los dobles enlaces en el carbono 6 y el carbono 9 más lejos del carbono 1. El producto 20:2(8,11) es un ácido graso ÿ-9 (n-9). 16.2 Un niño de 4 meses está siendo evaluado por hipoglucemia en ayunas. Las pruebas de laboratorio al ingreso revelan niveles bajos de cuerpos cetónicos (hipoquetonemia), carnitina libre y acilcarnitinas de cadena larga en la sangre. Los niveles de ácidos grasos libres en la sangre estaban elevados. ¿La deficiencia de cuál de los siguientes explicaría mejor estos hallazgos? A. Triglicérido lipasa adiposa B. Transportador de carnitina C. Carnitina palmitoiltransferasa-I D. Deshidrogenasa de ácidos grasos de cadena larga Respuesta correcta = B. Un defecto en el transportador de carnitina (deficiencia primaria de carnitina) daría como resultado niveles bajos de carnitina en la sangre (como resultado de una mayor pérdida urinaria) y niveles bajos en los tejidos. En el hígado, esto disminuye la oxidación de ácidos grasos y la cetogénesis. En consecuencia, aumentan los niveles sanguíneos de ácidos grasos libres. Las deficiencias de la triglicérido lipasa adiposa disminuirían la disponibilidad de ácidos grasos. La deficiencia de carnitina palmitoiltransferasa I daría como resultado un aumento de la carnitina en sangre. Los defectos en cualquiera de las enzimas de la ÿ-oxidación darían como resultado una deficiencia secundaria de carnitina, con un aumento de las acilcarnitinas. 16.3 Un adolescente, preocupado por su peso, intenta mantener una dieta libre de grasas durante un período de varias semanas. Si se examina su capacidad para sintetizar varios lípidos, ¿cuál de los siguientes es más probable que sea más deficiente en su capacidad de síntesis? R. Colesterol. B. Glicolípidos. C. Fosfolípidos. D. Prostaglandinas. E. Triacilglicerol. Respuesta correcta = D. Las prostaglandinas se sintetizan a partir del ácido araquidónico. El ácido araquidónico se sintetiza a partir del ácido linoleico, un ácido graso esencial obtenido por los humanos a partir de los lípidos de la dieta. El adolescente sería capaz de sintetizar todos los demás compuestos pero, presumiblemente, en cantidades algo menores. 16.4 Un varón de 6 meses fue hospitalizado después de una convulsión. La historia reveló que durante varios días antes, su apetito había disminuido debido a un virus estomacal. Al ingreso, su glucosa en sangre era de 24 mg/dl (la edad normal de referencia es de 60 a 100). Su orina fue negativa para cuerpos cetónicos y positiva para una variedad de ácidos dicarboxílicos. Los niveles de carnitina en sangre (libre y unida a acilo) eran normales. Se hace un diagnóstico tentativo de deficiencia de acil coenzima A deshidrogenasa grasa de cadena media (MCAD). En pacientes con deficiencia de MCAD, ¿cuál de las siguientes es la explicación más probable de la hipoglucemia en ayunas? A. Disminución de la producción de acetil coenzima A. B. Disminución de la capacidad para convertir la acetil coenzima A en glucosa. C. Aumento de la conversión de acetil coenzima A en acetoacetato. D. Aumento de la producción de ATP y dinucleótido de nicotinamida y adenina. Respuesta correcta = A. La oxidación alterada de ácidos grasos <12 carbonos de longitud da como resultado una producción reducida de acetilcoenzima A (CoA), que es el activador alostérico de la piruvato carboxilasa, una enzima gluconeogénica; por lo tanto, los niveles de glucosa caen. Acetil CoA nunca se puede utilizar para la síntesis neta de glucosa. El acetoacetato es una cetona. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google y con la deficiencia de acil CoA deshidrogenasa grasa de cadena media, la cetogénesis disminuye como resultado de la disminución de la producción del sustrato, acetil CoA. La oxidación de ácidos grasos alterada significa que se producen menos ATP y nicotinamida adenina dinucleótido, y ambos son necesarios para la gluconeogénesis. 16.5 Una niña de 6 semanas de edad es llevada a la sala de emergencias debido a hipotonía y retraso en el crecimiento. El examen físico muestra rasgos faciales dismórficos y hepatomegalia. Los estudios de laboratorio muestran altos niveles de ácidos grasos de cadena muy larga y ácido fitánico. ¿Cuál de los siguientes es el diagnóstico más probable? A. Adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X B. Enfermedad de Refsum C. Síndrome de Zellweger D. Deficiencia de ácidos grasos de cadena muy larga (VLCFA) Respuesta correcta = C. El síndrome de Zellweger es causado por la incapacidad de dirigir las proteínas de la matriz al peroxisoma. Por lo tanto, todas las actividades peroxisomales se ven afectadas porque no se forman peroxisomas funcionales. Como resultado, los estudios de laboratorio muestran una elevación tanto de VLCA como de ácido fitánico en el suero. Enfermedad de Refsum causada por una deficiencia de PhyH peroxisomal. Esto da como resultado la acumulación de ácido fitánico en el plasma y el tejido. En la adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X, el defecto es la incapacidad de transportar VLCFA al peroxisoma, pero otras funciones peroxisomales, como la oxidación ÿ, son normales. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Fosfolípidos, glicoesfingolípidos y Metabolismo de eicosanoides 17 I. VISIÓN GENERAL DE LOS FOSFOLÍPIDOS Los lípidos de membrana se componen de cuatro tipos principales: fosfolípidos, esfingolípidos, glicolípidos y colesterol. En este capítulo, solo se analizan los lípidos de la membrana polar (fig. 17.1A). Los fosfolípidos son compuestos iónicos formados por un alcohol unido por un enlace fosfodiéster al diacilglicerol (DAG) o a la esfingosina. Al igual que los ácidos grasos (FA), los fosfolípidos son de naturaleza anfipática. Es decir, cada uno tiene una cabeza hidrófila, que es el grupo fosfato más cualquier alcohol que esté unido a él (p. ej., serina, etanolamina y colina; resaltado en azul en la figura 17.1B), y una cola hidrófoba larga que contiene FA o Hidrocarburos derivados de FA (mostrados en naranja en la Fig. 17.1B). Los fosfolípidos son los lípidos predominantes de las membranas celulares. En las membranas, la porción hidrofóbica de una molécula de fosfolípido está asociada con las porciones no polares de otros constituyentes de la membrana, como glicolípidos, proteínas y colesterol. La cabeza hidrófila (polar) del fosfolípido se extiende hacia afuera, interactuando con el entorno acuoso intracelular o extracelular (v . fig. 17.1B). Los fosfolípidos de membrana también funcionan como reservorio de mensajeros intracelulares y, para algunas proteínas, los fosfolípidos sirven como anclas a las membranas celulares. Los fosfolípidos que no son de membrana cumplen funciones adicionales en el cuerpo, por ejemplo, como componentes del surfactante pulmonar y componentes esenciales de la bilis, donde sus propiedades detergentes ayudan a la solubilización del colesterol. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.1 A: Lípidos de la membrana polar. B: Estructuras de algunos glicerofosfolípidos. C: Ácido fosfatídico. = fosfato (un anión). II. ESTRUCTURA DE FOSFOLÍPIDOS Hay dos clases de fosfolípidos: los que tienen glicerol (de la glucosa) como columna vertebral y los que tienen esfingosina (de la serina y el palmitato). Ambas clases se encuentran como componentes estructurales de las membranas y ambas juegan un papel en la generación de moléculas de señalización de lípidos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.2 Estructura de la cardiolipina (difosfatidilglicerol). = fosfato. A. Glicerofosfolípidos Los fosfolípidos que contienen glicerol se denominan glicerofosfolípidos (o fosfoglicéridos). Los glicerofosfolípidos constituyen la clase principal de fosfolípidos y son los lípidos predominantes en las membranas. Todos contienen (o son derivados de) ácido fosfatídico (PA), que es DAG con un grupo fosfato en el carbono 3 (fig. 17.1C). A pesar de la aparente simetría del esqueleto de glicerol de tres carbonos, los fosfolípidos dependen de la dirección y C-1 no es intercambiable con C-3 del esqueleto de glicerol. PA es el fosfoglicérido más simple y es el precursor de los otros miembros de este grupo. 1. A partir de ácido fosfatídico y un alcohol: el grupo fosfato del PA se puede esterificar a un compuesto que contiene un grupo alcohol (v . fig. 17.1). Por ejemplo: serina Etanolamina colina inositol Glicerol + PA ÿ fosfatidilserina (PS) + PA ÿ fosfatidiletanolamina (PE) + PA ÿ fosfatidilcolina (PC) (lecitina) + PA ÿ fosfatidilinositol (PI) + PA ÿ fosfatidilglicerol (PG) 2. Cardiolipina: dos moléculas de PA esterificadas a través de sus grupos fosfato a una molécula adicional de glicerol forman cardiolipina o difosfatidilglicerol (fig. 17.2). La cardiolipina se encuentra en las membranas de procariotas y eucariotas. En eucariotas, la cardiolipina es prácticamente exclusiva de la membrana mitocondrial interna, donde mantiene la estructura y función de ciertos complejos respiratorios de la cadena de transporte de electrones. (Nota: la cardiolipina es antigénica. Un paciente infectado con Treponemapallidum [T. pallidum], la bacteria que ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google causa sífilis desarrolla anticuerpos [Ab] contra la cardiolipina. La prueba de Wasserman para sífilis detecta Ab producido contra T. pallidum al someter el suero del paciente a cardiolipina como antígeno. La fuente de la respuesta antigénica a la cardiolipina no se comprende bien, es decir, la cardiolipina del huésped debido al daño tisular en el huésped o al propio T. pallidum ). 3. Plasmalógenos: cuando el FA en el carbono 1 de un glicerofosfolípido se reemplaza por un grupo alquilo insaturado unido por un enlace éter (en lugar de un éster) a la molécula central de glicerol, se produce un fosfoglicérido de éter conocido como plasmalógeno. Por ejemplo, la fosfatidiletanolamina, que abunda en el tejido nervioso (fig. 17.3A), es el plasmalógeno que tiene una estructura similar a la fosfatidiletanolamina. La fosfatidilcolina abundante en el músculo cardíaco es el otro lípido etéreo cuantitativamente significativo en los mamíferos. (Nota: los plasmalógenos tienen "al" en lugar de "yl" en sus nombres). Figura 17.3 Los glicerofosfolípidos del éter. A: El plasmalógeno fosfatidiletanolamina. B: factor activador de plaquetas. ( es una cadena de hidrocarburo hidrofóbica larga.) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 4. Factor activador de plaquetas: un segundo ejemplo de un glicerofosfolípido de éter es el factor activador de plaquetas (PAF), que tiene un grupo alquilo saturado en un enlace de éter al carbono 1 y un residuo de acetilo (en lugar de un FA) en el carbono 2 de la columna vertebral de glicerol (Fig. 17.3B). PAF es sintetizado y liberado por una variedad de tipos de células. Se une a los receptores de superficie, desencadenando potentes eventos trombóticos e inflamatorios agudos. Por ejemplo, PAF activa las células inflamatorias y media la hipersensibilidad, reacciones inflamatorias agudas y anafilácticas. Hace que las plaquetas se agreguen y activen y que los neutrófilos y los macrófagos alveolares generen radicales superóxido para matar las bacterias (ver Capítulo 13). También reduce la presión arterial. (Nota: PAF es una de las moléculas bioactivas más potentes que se conocen, que causa efectos en concentraciones tan bajas como 10 ÿ11 prostituta.) B. Esfingofosfolípidos: esfingomielina La columna vertebral de la esfingomielina es el aminoalcohol esfingosina, en lugar del glicerol (fig. 17.4). Un FA de cadena larga (LCFA) se une al grupo amino de la esfingosina a través de un enlace amida, produciendo una ceramida, que también puede servir como precursor de glicolípidos. El grupo alcohol en el carbono 1 de la esfingosina se esterifica a fosforilcolina, produciendo esfingomielina, el único esfingofosfolípido importante en humanos. La esfingomielina es un componente importante de la vaina de mielina de las fibras nerviosas y es esencial para la integridad y función de la mielina. (Nota: la vaina de mielina es una estructura membranosa en capas que aísla y protege los axones neuronales del sistema nervioso central [SNC]. También permite la conducción neuronal rápida a lo largo de los axones). Figura 17.4 Estructura de la esfingomielina, que muestra los componentes de esfingosina (en el recuadro verde) y ceramida (en el recuadro punteado). = fosfato. tercero SÍNTESIS DE FOSFOLÍPIDOS La síntesis de glicerofosfolípidos implica la donación de PA de ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google citidinodifosfato (CDP)-DAG a un alcohol o la donación del fosfomonoéster del alcohol de CDPalcohol a DAG (fig. 17.5). En ambos casos, la estructura unida a CDP se considera un intermedio activado y el monofosfato de citidina (CMP) se libera como producto secundario. Por lo tanto, un concepto clave en la síntesis de glicerofosfolípidos es la activación, ya sea de DAG o del alcohol que se va a agregar, por enlace con CDP. (Nota: esto es similar en principio a la activación de los azúcares por su unión al uridindifosfato [UDP] [consulte el Capítulo 11]). con AG saturados que se encuentran típicamente en el carbono 1 y los insaturados en el carbono 2. La mayoría de los fosfolípidos se sintetizan en el retículo endoplásmico liso (SER). Desde allí, se transportan al aparato de Golgi y luego a las membranas de los orgánulos o la membrana plasmática o se secretan de la célula por exocitosis. (Nota: la síntesis de lípidos de éter a partir de fosfato de dihidroxiacetona comienza en los peroxisomas). A. Ácido fosfatídico PA es el precursor de otros glicerofosfolípidos. Los pasos de su síntesis a partir de glicerol 3fosfato y dos moléculas de acil graso coenzima A (CoA) se ilustraron en la figura 16.14, en la que se muestra el PA como precursor del triacilglicerol (TAG). Esencialmente, todas las células excepto los eritrocitos maduros pueden sintetizar fosfolípidos, mientras que la síntesis de TAG ocurre esencialmente solo en el hígado, el tejido adiposo, las glándulas mamarias lactantes y las células de la mucosa intestinal. B. Fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina Los fosfolípidos neutros PC y PE son los fosfolípidos más abundantes en la mayoría de las células eucariotas. La ruta principal de su síntesis utiliza colina y etanolamina obtenidas de la dieta o de la renovación de los fosfolípidos del cuerpo. (Nota: en el hígado, la PC también se puede sintetizar a partir de PS y PE [ver 2. a continuación]). 1. Síntesis a partir de colina y etanolamina preexistentes: estas vías sintéticas implican la fosforilación de colina o etanolamina por quinasas, seguida de conversión a la forma activada, CDP-colina o CDP etanolamina. Por último, el fosfato de colina o fosfato de etanolamina se transfiere del nucleótido (que sale de CMP) a una molécula de DAG (v . fig. 17.5). una. Importancia de la reutilización de colina: La reutilización de colina es importante porque, aunque los humanos pueden sintetizar colina de novo, la cantidad que se produce es insuficiente para nuestras necesidades. Por lo tanto, la colina es un nutriente dietético esencial con una ingesta adecuada (ver pág. 402) de 550 mg para hombres y 425 mg para mujeres. (Nota: la colina también se usa para la síntesis de acetilcolina, un neurotransmisor). Aunque la deficiencia de colina es rara, puede conducir a lesiones musculares. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google daño y enfermedad del hígado graso no alcohólico. b. Fosfatidilcolina en el surfactante pulmonar: La vía descrita anteriormente es la vía principal para la síntesis de dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC o dipalmitoil lecitina). En DPPC, las posiciones 1 y 2 del glicerol están ocupadas por palmitato, un LCFA saturado. La DPPC, producida y secretada por los neumocitos tipo II, es un componente lipídico principal del surfactante pulmonar, que es la capa de líquido extracelular que recubre los alvéolos. El surfactante sirve para disminuir la tensión superficial de esta capa de líquido, lo que reduce la presión necesaria para volver a inflar los alvéolos y, por lo tanto, previene el colapso alveolar (atelectasia). (Nota: el surfactante es una mezcla compleja de lípidos [90 %] y proteínas [10 %], siendo el DPPC el componente principal para reducir la tensión superficial). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.5 La síntesis de glicerofosfolípidos requiere la activación de diacilglicerol o de un alcohol por enlace con citidinodifosfato (CDP). CMP y CTP = mono- y trifosfatos de citidina; Pi = fosfato inorgánico; PPi = pirofosfato. ( cadena.) es un hidrocarburo de ácido graso La madurez pulmonar fetal se puede medir determinando la relación lecitina/esfingomielina (L/S) en el líquido amniótico. Un valor ÿ2 es evidencia de madurez, porque refleja el cambio de esfingomielina a la síntesis de DPPC que ocurre en los neumocitos a las ÿ32 semanas de gestación. C. Madurez pulmonar: el síndrome de dificultad respiratoria (SDR) en bebés prematuros es ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google se asocia con una producción y/o secreción de surfactante insuficiente y es una causa importante de todas las muertes neonatales en los países occidentales. La maduración pulmonar puede acelerarse administrando glucocorticoides a la madre poco antes del parto para inducir la expresión de genes específicos. También se utiliza la administración postnatal de surfactante natural o sintético (por instilación intratraqueal). (Nota: el SDR agudo, que se observa en todos los grupos de edad, es el resultado del daño alveolar [debido a infección, lesión o aspiración] que hace que se acumule líquido en los alvéolos, lo que impide el intercambio de oxígeno [O2 ] y dióxido de carbono [CO2 ].) 2. Síntesis de fosfatidilcolina a partir de fosfatidilserina: el hígado requiere un mecanismo para producir PC, incluso cuando los niveles de colina libre son bajos, porque exporta cantidades significativas de PC en la bilis y como componente de las lipoproteínas plasmáticas. Para proporcionar la PC necesaria, la PS se descarboxila a PE mediante la PS descarboxilasa. Luego, PE sufre tres pasos de metilación para producir PC, como se ilustra en la Figura 17.6. La S-adenosilmetionina es el donante del grupo metilo ( capítulo 20). C. Fosfatidilserina La síntesis de PS en tejidos de mamíferos la proporciona la reacción de intercambio de bases, en la que la etanolamina de PE se intercambia por serina libre (v . fig. 17.6). Esta reacción, aunque reversible, se utiliza principalmente para producir el PS necesario para la síntesis de membranas. PS tiene una carga neta negativa. (Consulte el Capítulo 35 para conocer el papel de la PS en la coagulación). D. Fosfatidilinositol El fosfatidilinositol (PI) se sintetiza a partir de inositol libre y CDP-DAG, como se muestra en la figura 17.5. El PI es un fosfolípido inusual porque contiene con mayor frecuencia ácido esteárico en el carbono 1 y ácido araquidónico en el carbono 2 del glicerol. Por lo tanto, PI sirve como reservorio de ácido araquidónico en las membranas y, por lo tanto, proporciona el sustrato para la síntesis de prostaglandinas (PG) cuando se requiere. Al igual que PS, PI tiene una carga neta negativa. (Nota: hay asimetría en la composición de fosfolípidos de la membrana celular. PS y PI, por ejemplo, se encuentran principalmente en la hoja interna. La asimetría se logra mediante enzimas dependientes de ATP conocidas como "flipasas" y "flopasas".) 1. Papel en la transducción de señales a través de las membranas: la fosforilación del PI unido a la membrana produce polifosfoinosítidos como el fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato ([PIP2 fig. 17.7). La escisión de PIP2 por la fosfolipasa C se ]; produce en respuesta a la unión de varios neurotransmisores, hormonas y factores de crecimiento a los receptores acoplados a proteína G (GPCR), como el receptor adrenérgico ÿ1 , en la membrana celular y la activación de la Gq ÿ . -subunidad (Fig. 17.8). Los productos de esta escisión, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google el inositol 1,4,5-trifosfato (IP3 ) y DAG median la movilización del calcio intracelular y la activación de la proteína quinasa C, que actúan sinérgicamente para provocar respuestas celulares específicas. Por lo tanto, se logra la transducción de señales a través de la membrana. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.6 Síntesis de fosfatidilcolina a partir de fosfatidilserina en el hígado. (cadena de hidrocarburo.) es un acido graso = fosfato; CO2 = dióxido de carbono. 2. Papel en el anclaje de proteínas de membrana: las proteínas específicas se pueden unir covalentemente a través de un puente de carbohidrato al PI unido a la membrana (fig. 17.9). Por ejemplo, la lipoproteína lipasa, una enzima que degrada el TAG en las partículas de lipoproteína (v. pág. 254), se une a las células endoteliales capilares mediante un ancla de glucosil fosfatidilinositol (GPI). (Nota: las proteínas unidas a GPI también se encuentran en una variedad de protozoos parásitos, como los tripanosomas y la leishmania). la superficie extracelular de la membrana plasmática. La proteína se puede escindir de su ancla por la acción de la fosfolipasa C (v . fig. 17.9). (Nota: una deficiencia en la síntesis de GPI en las células hematopoyéticas da como resultado la enfermedad hemolítica hemoglobinuria paroxística nocturna. Algunas de las proteínas ancladas a GPI protegen las células sanguíneas del sistema inmunitario que reconoce sustancias extrañas como virus y bacterias en el cuerpo. El la falta de proteínas ancladas a GPI en los glóbulos rojos ya no se reconocen como "propias" y son susceptibles de destrucción por lisis mediada por el complemento). Figura 17.7 Estructura del fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2 ). La escisión por la fosfolipasa C produce inositol 1,4,5-trifosfato (IP3 ) y diacilglicerol. (cadena de hidrocarburo.) = fosfato. es un acido graso E. Fosfatidilglicerol y cardiolipina El fosfatidilglicerol se encuentra en concentraciones relativamente altas en las mitocondrias. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google membranas y es un precursor de la cardiolipina (difosfatidilglicerol). Se sintetiza a partir de CDP-DAG y glicerol 3-fosfato. La cardiolipina (v . fig. 17.2) se sintetiza mediante la transferencia de DAG 3-fosfato desde CDP-DAG a una molécula preexistente de fosfatidilglicerol. Figura 17.8 Papel del inositol trifosfato y diacilglicerol en la señalización celular. GDP y GTP = guanosina di- y trifosfatos; California 2+ = calcio. F. esfingomielina La esfingomielina, un fosfolípido a base de esfingosina, se encuentra en las membranas celulares y en la vaina de mielina. La síntesis de esfingomielina se muestra en la figura 17.10. Brevemente, el palmitoil CoA se condensa con la serina, ya que se pierden la CoA y el grupo carboxilo (como CO2) de la serina. (Nota: esta reacción, al igual que las reacciones de descarboxilación implicadas en la síntesis de PE a partir de PS y de reguladores a partir de aminoácidos [p. ej., las catecolaminas de la tirosina; véase el Capítulo 21], requiere fosfato de piridoxal [un derivado de la vitamina B6 ] como coenzima. .) El producto se reduce en una reacción que requiere nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) a esfinganina (dihidroesfingosina). La esfinganina se acila en el grupo amino con uno de una variedad de LCFA y luego se desatura para producir una ceramida, el precursor inmediato de la esfingomielina (y otros esfingolípidos, como se describe en la sección V). Las ceramidas juegan un papel clave en el mantenimiento de la barrera de permeabilidad al agua de la piel. Los niveles reducidos de ceramida están asociados con una serie de enfermedades de la piel. La fosforilcolina de PC se transfiere a la ceramida, produciendo esfingomielina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google y DAG. (Nota: la esfingomielina de la vaina de mielina contiene predominantemente ácidos grasos de cadena más larga, como ácido lignocérico y ácido nervónico, mientras que la materia gris del cerebro tiene esfingomielina que contiene principalmente ácido esteárico). Figura 17.9 Ejemplo de un ancla de proteína de membrana de glicosil fosfatidilinositol (GPI). GlcN = glucosamina; ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google = fosfato; PLC = fosfolipasa C. IV. DEGRADACIÓN DE FOSFOLÍPIDOS La degradación de los fosfoglicéridos la realizan las fosfolipasas que se encuentran en todos los tejidos y en el jugo pancreático. (Nota: para una discusión sobre la digestión de fosfolípidos, consulte el Capítulo 15, Sección D.3). Varias toxinas y venenos tienen actividad de fosfolipasa, y varias bacterias patógenas producen fosfolipasas que disuelven las membranas celulares y permiten la propagación de la infección. La esfingomielina es degradada por la fosfolipasa lisosomal, la esfingomielinasa (ver B. a continuación). A. Fosfoglicéridos Las fosfolipasas hidrolizan los enlaces fosfodiéster de los fosfoglicéridos y cada enzima escinde el fosfolípido en un sitio específico. Las principales fosfolipasas se muestran en la figura 17.11. (Nota: la eliminación del FA del carbono 1 o 2 de un fosfoglicérido produce un lisofosfoglicérido, que es el sustrato de las lisofosfolipasas). Las fosfolipasas liberan moléculas que pueden servir como segundos mensajeros (p. ej., DAG e IP3 ) o que son los sustratos para la síntesis de mensajeros (p. ej., ácido araquidónico). Las fosfolipasas son responsables no solo de degradar los fosfolípidos sino también de remodelarlos. Por ejemplo, las fosfolipasas A1 y A2 eliminan los ácidos grasos específicos de los fosfolípidos unidos a la membrana, que pueden reemplazarse con diferentes ácidos grasos mediante la acil-CoA transferasa grasa. Este mecanismo se utiliza como una forma de crear el tensioactivo pulmonar único DPCC y de garantizar que el carbono 2 del PI (ya veces del PC) se una al ácido araquidónico. (Nota: el síndrome de Barth, un trastorno raro ligado al cromosoma X que se caracteriza por miocardiopatía, debilidad muscular y neutropenia, es el resultado de defectos en la remodelación de la cardiolipina). B. Esfingomielina La esfingomielina es degradada por la esfingomielinasa, una enzima lisosomal que elimina la fosforilcolina, dejando una ceramida. La ceramida, a su vez, es escindida por la ceramidasa en esfingosina y un FA libre (fig. 17.12). (Nota: la ceramida y la esfingosina liberadas regulan las vías de transducción de señales, en parte al influir en la actividad de la proteína cinasa C y, por lo tanto, en la fosforilación de sus sustratos proteicos. También promueven la apoptosis). Enfermedad de Niemann-Pick (tipos A y B) Es un trastorno autosómico recesivo causado por la incapacidad de degradar la esfingomielina debido a una deficiencia de esfingomielinasa, un tipo de fosfolipasa C. En la forma infantil grave (tipo A, que muestra <1% de la actividad enzimática normal), el hígado y el bazo son los principales sitios de depósito de lípidos y, por lo tanto, se desarrolla hepatoesplenomegalia. El lípido consiste principalmente en esfingomielina que no puede degradarse (fig. 17.13). Los macrófagos del sistema reticuloendotelial se llenan de esfingomielina, lo que les da un aspecto histológico espumoso. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google apariencia. Los lactantes con esta enfermedad de almacenamiento lisosomal experimentan una neurodegeneración rápida y progresiva como resultado del depósito de esfingomielina en el SNC. Como resultado, se desarrolla una mancha rojo cereza en la mácula del ojo debido al depósito de lípidos y al edema en las células ganglionares de la retina. Estos bebés mueren en la primera infancia. Una variante menos grave (tipo B, que muestra hasta un 10 % de la actividad normal) con una edad de inicio más tardía y un tiempo de supervivencia más prolongado causa poco o ningún daño al tejido neural, pero se ven afectados los pulmones, el bazo, el hígado y la médula ósea. , resultando en una forma crónica de la enfermedad. Aunque la enfermedad de NiemannPick ocurre en todos los grupos étnicos, el tipo A ocurre con mayor frecuencia en la población judía Ashkenazi. (Nota: la enfermedad de Niemann-Pick tipo C [NPC] resulta de mutaciones en NPC1 o NPC2, genes importantes en el procesamiento del colesterol endocitosado, y conduce a la acumulación de colesterol y esfingomielina). V. DESCRIPCIÓN GENERAL DE LOS GLICOLÍPIDOS Los glicolípidos son moléculas que contienen componentes de carbohidratos y lípidos. Al igual que el fosfolípido esfingomielina, los glicolípidos son derivados de las ceramidas en las que un LCFA se une al amino alcohol esfingosina. Por lo tanto, se denominan más precisamente glicoesfingolípidos. (Nota: por lo tanto, las ceramidas son los precursores de los esfingolípidos fosforilados y glicosilados). Al igual que los fosfolípidos, los glicoesfingolípidos son componentes esenciales de todas las membranas del cuerpo, pero se encuentran en mayor cantidad en el tejido nervioso. Se ubican en el velo externo de la membrana plasmática, donde interactúan con el medio extracelular. Como tales, desempeñan un papel en la regulación de las interacciones celulares (p. ej., la adhesión y el reconocimiento), el crecimiento y el desarrollo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.10 Síntesis de esfingomielina. PLP = fosfato de piridoxal; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; FAD(H2 ) = dinucleótido de flavina y adenina; CoA = coenzima A. Los glucoesfingolípidos de membrana se asocian con el colesterol y las proteínas ancladas a GPI para formar balsas lipídicas, microdominios de la membrana plasmática móviles lateralmente que funcionan para organizar y regular las funciones de tráfico y señalización de la membrana. Los glucoesfingolípidos son antigénicos y son la fuente de antígenos del grupo sanguíneo ABO (capítulo 4, sección VII. B), varios antígenos embrionarios específicos para etapas particulares del desarrollo fetal y algunos antígenos tumorales. (Nota: la porción de carbohidratos de un glicolípido es el determinante antigénico y la porción de lípidos sirve como ancla de la membrana). Se han cooptado para su uso como receptores de la superficie celular para las toxinas del cólera y el tétanos, así como para ciertos virus y microbios. Los trastornos genéticos asociados con la incapacidad para degradar adecuadamente los glicoesfingolípidos dan como resultado la acumulación lisosomal de estos compuestos. (Nota: los cambios en la porción de carbohidratos de los glucoesfingolípidos [y las glucoproteínas] son característicos de las células transformadas [células con crecimiento desregulado]). Figura 17.11 Degradación de glicerofosfolípidos por fosfolipasas. PIP2 = fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato; R1 y R2 = ácidos grasos; X = un alcohol. VI. ESTRUCTURA DE GLUCOSFINGOLÍPIDOS Los glucoesfingolípidos se diferencian de la esfingomielina en que no contienen fosfato y la función de cabeza polar la proporciona un monosacárido u oligosacárido unido directamente a la ceramida mediante un enlace O-glucosídico (fig. 17.14). El número y tipo de fracciones de carbohidrato presentes determinan el tipo de glicoesfingolípido. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.12 Degradación de la esfingomielina. (Nota: el tipo B es la forma no neuropática. Tiene una edad de inicio más tardía y un tiempo de supervivencia más prolongado que el tipo A). A. Glicoesfingolípidos neutros Los glucoesfingolípidos neutros más simples son los cerebrósidos. Estos son monosacáridos de ceramida que contienen una molécula de galactosa (que forma ceramida galactosa o galactocerebrósido, el cerebrósido más común que se encuentra en la mielina, como se muestra en la figura 17.14) o glucosa (que forma ceramida-glucosa o glucocerebrósido, un intermediario en la síntesis y degradación de los glicoesfingolípidos más complejos). (Nota: los miembros de un grupo de galacto- o glucocerebrósidos también pueden diferir entre sí en el tipo de FA unido a la esfingosina). Como su nombre lo indica, los cerebrósidos se encuentran predominantemente en el cerebro y los nervios periféricos, con altas concentraciones en el vaina de mielina. Los oligosacáridos de ceramida (o globosidos) se producen uniendo monosacáridos adicionales a un glucocerebrósido, por ejemplo, ceramidaglucosa-galactosa (también conocida como lactosilceramida). Los monosacáridos adicionales pueden incluir azúcares sustituidos como N-acetilgalactosamina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.13 Acumulación de lípidos en las células del bazo de un paciente con enfermedad de Niemann-Pick. B. Glicoesfingolípidos ácidos Los glucoesfingolípidos ácidos tienen carga negativa a pH fisiológico. La carga negativa la proporciona el ácido N-acetilneuramínico ([NANA], un ácido siálico, como se muestra en la figura 17.15) en los gangliósidos o los grupos sulfato en las sulfátidas. 1. Gangliósidos: estos son los glucoesfingolípidos más complejos y se encuentran principalmente en las células ganglionares del SNC, particularmente en las terminaciones nerviosas. Son derivados de oligosacáridos de ceramida y contienen una o más moléculas de NANA (de CMP-NANA). La notación para estos compuestos es G (para gangliósido) más un subíndice M, D, T o Q para indicar si hay una (mono), dos (di), tres (tri) o cuatro (cuatro) moléculas de NANA. en el gangliósido, respectivamente. Números y letras adicionales en el subíndice designan la secuencia monomérica del carbohidrato unido a la ceramida. (Véase la figura 17.15 para ver la estructura de GM2 ). Los gangliósidos son de interés médico porque varios trastornos de almacenamiento de lípidos implican la acumulación de glucoesfingolípidos que contienen NANA en las células (véase la figura 17.19). 2. Sulfatidas: estos sulfoglucosfingolípidos son galactocerebrósidos sulfatados que tienen carga negativa a pH fisiológico. Las sulfatidas se encuentran predominantemente en el cerebro y los riñones. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.14 Estructura de un glicoesfingolípido neutro, galactocerebrósido. (cadena de hidrocarburo.) es un hidrófobo VIII. SÍNTESIS Y DEGRADACIÓN DE GLUCOSFINGOLÍPIDOS La síntesis de glicoesfingolípidos ocurre principalmente en el aparato de Golgi mediante la adición secuencial de monómeros glicosilados transferidos desde donantes de azúcar UDP a la molécula aceptora. El mecanismo es similar al utilizado en la síntesis de glucoproteínas ( capítulo 14). A. Enzimas implicadas en la síntesis Las enzimas involucradas en la síntesis de glicoesfingolípidos son glicosiltransferasas que son específicas para el tipo y ubicación del enlace glucosídico formado. (Nota: estas enzimas pueden reconocer tanto glicoesfingolípidos como glicoproteínas como sustratos). B. Adición de grupo sulfato Una sulfotransferasa agrega un grupo sulfato del transportador de sulfato 3ÿ-fosfoadenosina-5ÿfosfosulfato ([PAPS], Fig. 17.16) al grupo 3ÿ-hidroxilo de la galactosa en un galactocerebroside, formando el sulfatidegalactocerebroside 3-sulfate (Figura 17.17). (Nota: PAPS también es el donante de azufre en la síntesis de glucosaminoglucanos [ver pág. 178] y el catabolismo de hormonas esteroides [ver Capítulo 18].) En la figura 17.18 se muestra una descripción general de la síntesis de esfingolípidos . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.15 Estructura del gangliósido GM2 . ( es una cadena de hidrocarburo hidrofóbico.) C. Degradación de glicoesfingolípidos Los glucoesfingolípidos se internalizan por fagocitosis como se describe para los glucosaminoglucanos ( capítulo 14). Todas las enzimas necesarias para el proceso de degradación están presentes en los lisosomas, que se fusionan con los fagosomas. Las enzimas lisosomales escinden hidrolítica e irreversiblemente enlaces específicos en el glucoesfingolípido. Como se ve con los glicosaminoglicanos y las glucoproteínas, la degradación es un proceso secuencial que sigue la regla "último en entrar, primero en salir", en el que el último grupo agregado durante la síntesis es el primer grupo eliminado en la degradación. Por lo tanto, los defectos en la degradación de las cadenas de polisacáridos en estos tres ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google los glicoconjugados dan como resultado enfermedades de almacenamiento lisosomal. D. Esfingolipidosis En un individuo normal, la síntesis y la degradación de los glucoesfingolípidos están equilibradas, por lo que la cantidad de estos compuestos presentes en las membranas es constante. Si falta parcial o totalmente una hidrolasa ácida lisosomal específica necesaria para la degradación, se acumula un esfingolípido. Las enfermedades de almacenamiento de lípidos lisosomales causadas por estas deficiencias se denominan esfingolipidosis. El resultado de una deficiencia de hidrolasa ácida específica se puede ver dramáticamente en el tejido nervioso, donde el deterioro neurológico puede conducir a una muerte prematura. La figura 17.19 proporciona un esquema de la vía de degradación de los esfingolípidos y descripciones de algunas esfingolipidosis. (Nota: algunas esfingolipidosis también pueden deberse a defectos en las proteínas activadoras de los lisosomas [p. ej., las saposinas] que facilitan el acceso de las hidrolasas a las cadenas cortas de carbohidratos a medida que avanza la degradación). Figura 17.16 Estructura de 3ÿ-fosfoadenosina-5ÿ-fosfosulfato. 1. Propiedades comunes: una enzima hidrolítica lisosomal específica es deficiente en la forma clásica de cada trastorno. Por lo tanto, por lo general, solo se acumula un solo esfingolípido (el sustrato para la enzima deficiente) en los órganos involucrados en cada enfermedad. (Nota: la tasa de biosíntesis de los lípidos acumulados es normal). Los trastornos son progresivos y, aunque muchos son mortales en la infancia, se observa una gran variabilidad fenotípica que conduce a la designación de diferentes tipos clínicos, como los tipos A y B en la enfermedad de Niemann-Pick. La variabilidad genética también se observa porque un trastorno dado puede ser causado por cualquiera de una variedad de mutaciones dentro de un solo gen. Las esfingolipidosis son trastornos autosómicos recesivos, excepto la enfermedad de Fabry, que está ligada al cromosoma X. La incidencia de las esfingolipidosis es baja en la mayoría de las poblaciones, a excepción de las enfermedades de Gaucher y Tay-Sachs, que, al igual que la enfermedad de Niemann-Pick, muestran una alta frecuencia en la población judía asquenazí. (Nota: Tay-Sachs también tiene una alta frecuencia en las poblaciones de irlandeses estadounidenses, francocanadienses y cajún de Luisiana). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.17 Estructura del 3-sulfato de galactocerebrósido. ( es una cadena de hidrocarburo hidrofóbico.) 2. Diagnóstico y tratamiento: una esfingolipidosis específica se puede diagnosticar midiendo la actividad enzimática en cultivos de fibroblastos o leucocitos periféricos del paciente o analizando el ADN del paciente ( capítulo 34). También es útil el examen histológico del tejido afectado. (Nota: en la enfermedad de Tay-Sachs se observan cuerpos de inclusión en forma de concha, y en la enfermedad de Gaucher se observa un aspecto de papel de seda arrugado en el citosol [fig. 17.20].) Está disponible el diagnóstico prenatal mediante cultivo de amniocitos o vellosidades coriónicas. La enfermedad de Gaucher, en la que los macrófagos se llenan de glucocerebrosido, y la enfermedad de Fabry, en la que los globosidos se acumulan en los lisosomas del endotelio vascular del cerebro, el corazón, los riñones y la piel, se tratan con terapia de reemplazo de enzimas humanas recombinantes, pero el costo monetario es extremadamente alto. alto. Gaucher también ha sido tratado mediante trasplante de médula ósea (porque los macrófagos se derivan de células madre hematopoyéticas). También se trata farmacológicamente con miglustat, que reduce el sustrato (glucosilceramida) de la enzima deficiente. Esta estrategia se conoce como terapia de reducción de sustrato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.18 Resumen de la síntesis de esfingolípidos. UDP = uridindifosfato; CMP = monofosfato de citidina; NANA = ácido N-acetilneuramínico; PAPS = 3ÿ-fosfoadenosina-5ÿ-fosfosulfato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.19 Degradación de esfingolípidos que muestra las enzimas lisosomales afectadas en enfermedades genéticas relacionadas, las esfingolipidosis. Todas son enfermedades autosómicas recesivas excepto Fabry, que está ligada al cromosoma X, y todas pueden ser fatales en los primeros años de vida. Cer = ceramida; Gal = galactosa; Glc = glucosa; GalNAc = N2ÿ sulfato; de ERT = enzimade SO4 . acetilgalactosamina; NANA = ácido N-acetilneuramínico; SNC = sistema nervioso central.= Terapia reemplazo VIII. EICOSANOIDES: PROSTAGLANDINAS, TROMBOXANOS Y ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google LEUCOTRIENOS Los PG, los tromboxanos (TX) y los leucotrienos (LT) se conocen colectivamente como eicosanoides para reflejar su origen a partir de ácidos grasos poliinsaturados ÿ-3 y ÿ-6 con 20 carbonos (eicosa = 20). Son compuestos extremadamente potentes que provocan una amplia gama de respuestas, tanto fisiológicas (respuesta inflamatoria) como patológicas (hipersensibilidad). Aseguran la integridad gástrica y la función renal, regulan la contracción del músculo liso (el intestino y el útero son sitios clave) y el diámetro de los vasos sanguíneos, y mantienen la homeostasis plaquetar Aunque se han comparado con las hormonas en cuanto a sus acciones, los eicosanoides se diferencian de las hormonas endocrinas en que se producen en cantidades muy pequeñas en casi todos los tejidos y no en glándulas especializadas y actúan localmente y no después del transporte en la sangre a sitios distantes. Los eicosanoides no se almacenan y tienen una vida media extremadamente corta, siendo rápidamente metabolizados a productos inactivos. Sus acciones biológicas están mediadas por los GPCR de la membrana plasmática (v. pág. 103), que son diferentes en diferentes sistemas de órganos y por lo general provocan cambios en la producción de monofosfato de adenosina cíclico. En la figura 17.21 se muestran ejemplos de estructuras de eicosanoides . Figura 17.20 Células de médula ósea aspiradas de un paciente con enfermedad de Gaucher. A. Síntesis de prostaglandinas y tromboxanos El ácido araquidónico, un FA ÿ-6 que contiene 20 carbonos y cuatro enlaces dobles (un FA eicosatetraenoico), es el precursor inmediato del tipo predominante de PG humano (serie 2 o aquellos con dos enlaces dobles, como se muestra en la figura 17.22). Se obtiene por elongación y desaturación del ácido linoleico FA esencial, también un FA ÿ-6. El ácido araquidónico se incorpora a los fosfolípidos de la membrana (típicamente PI) en el carbono 2, desde donde es liberado por la fosfolipasa A2 (fig. 17.23) en respuesta a ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google una variedad de señales, como un aumento en el calcio. (Nota: los PG de la serie 1 contienen un doble enlace y se derivan de un FA eicosatrienoico ÿ-6, el ácido dihomo-ÿ-linolénico, mientras que los PG de la serie 3 contienen tres enlaces dobles y se derivan del ácido eicosapentaenoico [EPA], un ácido dihomo-ÿ-linolénico FA Véase la página 292.) 1. Prostaglandina H2 sintasa: el primer paso en la síntesis de PG y TX es la ciclación oxidativa del ácido araquidónico libre para producir PGH2 mediante la PGH2 sintasa (o prostaglandina endoperóxido sintasa). Esta enzima es una proteína unida a la membrana del RE que tiene dos actividades catalíticas: ciclooxigenasa de ácidos grasos (COX), que requiere dos moléculas de O2 , y peroxidasa, que requiere glutatión reducido ( capítulo 13). La PGH2 se convierte en una variedad de PG y TX, como se muestra en la figura las17.23, PG contienen medianteun sintasas anillo de específicas cinco carbonos, de células. mientras (Nota: que las TX contienen un anillo de oxano heterocíclico de seis miembros [véase la figura 17.21]). Se conocen dos isoenzimas de la PGH2 sintasa, generalmente denominadas COX-1 y COX-2. La COX-1 se produce de forma constitutiva en la mayoría de los tejidos y se requiere para el mantenimiento del tejido gástrico sano, la homeostasis renal y la agregación plaquetaria. COX-2 es inducible en un número limitado de tejidos en respuesta a productos de células inmunitarias e inflamatorias activadas. (Nota: el aumento en la síntesis de PG posterior a la inducción de COX-2 media el dolor, el calor, el enrojecimiento y la hinchazón de la inflamación y la fiebre de la infección). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.21 Ejemplos de estructuras de eicosanoides. (Nota: las prostaglandinas se nombran de la siguiente manera: PG más una tercera letra (p. ej., E), que designa el tipo y la disposición de los grupos funcionales en la molécula. El número de subíndice indica el número de dobles enlaces en la molécula. PGI2 también se conoce como prostaciclina. Los tromboxanos se designan por TX y los leucotrienos por LT). 2. Inhibición de la síntesis: la síntesis de PG y TX puede ser inhibida por agentes no relacionados ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google compuestos. Por ejemplo, el cortisol (un agente antiinflamatorio esteroideo) inhibe la actividad de la fosfolipasa A2 (v . fig. 17.23) y, por tanto, el ácido araquidónico, el sustrato para la síntesis de PG y TX, no se libera de los fosfolípidos de la membrana. La aspirina, la indometacina y la fenilbutazona (todos los medicamentos antiinflamatorios no esteroideos [AINE]) inhiben tanto la COX-1 como la COX-2 y, por lo tanto, impiden la síntesis de la molécula original, la PGH2 . (Nota: la inhibición sistémica de la COX 1, con el daño subsiguiente al estómago y los riñones y la alteración de la coagulación de la sangre, es la base de la toxicidad de la aspirina). La aspirina (pero no otros AINE) también induce la síntesis de lipoxinas (mediadores antiinflamatorios producidos del ácido araquidónico) y resolvinas y protectinas (mediadores que resuelven la inflamación hechos de EPA). Los inhibidores específicos de la COX-2 (los coxibs) están diseñados para reducir los procesos inflamatorios patológicos mediados por la COX-2 mientras se mantienen las funciones fisiológicas de la COX-1. Actualmente, celecoxib es el único coxib aprobado por la FDA. B. Tromboxanos y prostaglandinas en la homeostasis plaquetaria El tromboxano A2 (TXA2 ) es producido por COX-1 en plaquetas activadas. Promueve la adhesión y agregación de plaquetas y la contracción del músculo liso vascular, lo que promueve la formación de coágulos sanguíneos (trombos). (Consulte el Capítulo 35 en línea). La prostaciclina (PGI2 ), producida por la COX-2 en las células endoteliales vasculares, inhibe la agregación plaquetaria y estimula la vasodilatación y, por tanto, impide la trombogénesis. Los efectos opuestos de TXA2 y PGI2 limitan la formación de trombos a los sitios de lesión vascular. (Nota: la aspirina tiene un efecto antitrombogénico. Inhibe la síntesis de TXA2 por la COX-1 en las plaquetas y la síntesis de PGI2 por la COX-2 en las células endoteliales a través de la acetilación irreversible de estas isoenzimas [fig. 17.24]. La inhibición de la COX-1 no se puede superar en las plaquetas . , que carecen de núcleo. Sin embargo, la inhibición de la COX-2 se puede superar en las células endoteliales porque tienen un núcleo y, por lo tanto, pueden generar más enzima. Esta diferencia es la base de la terapia con aspirina en dosis bajas que se usa para reducir el riesgo de accidentes cerebrovasculares y ataques cardíacos al disminuir la formación de trombos). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.22 Oxidación y ciclación del ácido araquidónico por las dos actividades catalíticas (ciclooxigenasa y peroxidasa) de la PGH2 sintasa (prostaglandina endoperóxido sintasa). G-SH = glutatión reducido; GSSG = glutatión oxidado; PG = prostaglandina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google C. Síntesis de leucotrienos El ácido araquidónico se convierte en una variedad de ácidos hidroperoxi lineales (-OOH) por una vía separada que involucra una familia de lipoxigenasas (LOX). Por ejemplo, la 5-LOX convierte el ácido araquidónico en ácido 5-hidroperoxi-6,8,11,14 eicosatetraenoico ([5HPETE]; véase la figura 17.23). El 5-HPETE se convierte en una serie de LT que contienen cuatro dobles enlaces, y la naturaleza de los productos finales varía según el tejido. Los LT son mediadores de la respuesta alérgica y la inflamación. Los inhibidores de 5-LOX y los antagonistas de los receptores de LT se utilizan en el tratamiento del asma. (Nota: la síntesis de LT es inhibida por el cortisol y no por los NSAID. La enfermedad respiratoria exacerbada por aspirina es una respuesta a la sobreproducción de LT con el uso de NSAID en ~10% de las personas con asma). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.23 Resumen de la biosíntesis y función de algunas prostaglandinas (PG), leucotrienos (LT) y un tromboxano (TX) importantes del ácido araquidónico. (Nota: el ácido araquidónico en el fosfolípido de la membrana se derivó del ácido graso esencial [FA] ÿ-6, linoleico, también un FA ÿ-6). PI = fosfatidilinositol; AINE = medicamentos antiinflamatorios no esteroideos; Glu = glutamato; Cys = cisteína; Gly = glicina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google IX. Resumen del capítulo Los fosfolípidos son compuestos iónicos polares formados por un alcohol (p. ej., colina o etanolamina) unido por un enlace fosfodiéster al DAG, que produce fosfatidilcolina o fosfatidiletanolamina, o al aminoalcohol esfingosina (fig. 17.25). La adición de un ácido graso de cadena larga a la esfingosina produce una ceramida. La adición de fosforilcolina produce el fosfolípido esfingomielina. Los fosfolípidos son los lípidos predominantes de las membranas celulares. Los fosfolípidos que no son de membrana sirven como componentes del surfactante pulmonar y la bilis. La dipalmitoilfosfatidilcolina, también llamada dipalmitoil lecitina, es el principal componente lipídico del surfactante pulmonar. La producción insuficiente de surfactante causa RDS. El PI sirve como reservorio de ácido araquidónico en las membranas. La fosforilación de PI unido a la membrana produce PIP2 . Este compuesto es degradado por la fosfolipasa C en respuesta a la unión de varios neurotransmisores, hormonas y factores de crecimiento a los GPCR de membrana. Los productos de la fosfolipasa C, IP3 y DAG median la movilización del calcio intracelular y la activación de la proteína quinasa C, que actúan sinérgicamente para provocar respuestas celulares. Las proteínas específicas se pueden unir covalentemente a través de un puente de carbohidrato al PI unido a la membrana, formando un ancla GPI. Una deficiencia en la síntesis de GPI en las células hematopoyéticas da como resultado la enfermedad hemolítica hemoglobinuria paroxística nocturna. La degradación de los fosfoglicéridos la realizan las fosfolipasas que se encuentran en todos los tejidos y en el jugo pancreático. La esfingomielina se degrada a una ceramida más fosforilcolina por la enzima lisosomal esfingomielinasa, cuya deficiencia causa la enfermedad de Niemann-Pick (A y B) . Los glicoesfingolípidos son derivados de ceramidas a las que se han unido carbohidratos. Agregar una molécula de azúcar a la ceramida produce un cerebrosido, agregar un oligosacárido produce un globoside y agregar una molécula ácida de NANA produce un gangliósido. Los glicoesfingolípidos se encuentran predominantemente en las membranas celulares del cerebro y el tejido nervioso periférico, con altas concentraciones en la vaina de mielina. son antigénicos. Los glicolípidos se degradan en los lisosomas por hidrolasas ácidas. Una deficiencia de cualquiera de estas enzimas provoca una esfingolipidosis, en la que se acumula un esfingolípido característico. Los PG, TX y LT, los eicosanoides, se producen en cantidades muy pequeñas en casi todos los tejidos, actúan localmente y tienen una vida media extremadamente corta. Los eicosanoides sirven como mediadores de la respuesta inflamatoria. El ácido araquidónico es el precursor inmediato de la clase predominante de PG humanas (las que tienen dos dobles enlaces). Se obtiene por elongación y desaturación del ácido graso esencial ácido linoleico y se almacena en la membrana como componente de un fosfolípido, generalmente PI. El ácido araquidónico es liberado del fosfolípido por la fosfolipasa A2 (inhibida por el cortisol). La síntesis de PG y TX comienza con la ciclación oxidativa del ácido araquidónico libre para producir PGH2 mediante la PGH2 sintasa (o prostaglandina endoperóxido sintasa), una proteína de la membrana reticular endoplásmica que tiene dos actividades catalíticas: ácido graso COX y peroxidasa. Hay dos isoenzimas de PGH2 sintasa: COX-1 (constitutiva) y COX-2 (inducible). La aspirina inhibe irreversiblemente tanto la COX-1 como la COX-2. Los efectos opuestos de PGI2 y TXA2 limitan la formación de coágulos. Los LT son moléculas lineales producidas a partir del ácido araquidónico por la vía 5-LOX . Median la respuesta alérgica. Su síntesis es inhibida por el cortisol y no por la aspirina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.24 Acetilación irreversible de ciclooxigenasa (COX)-1 y COX-2 por aspirina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 17.25 Mapa conceptual clave para fosfolípidos, glucoesfingolípidos y eicosanoides. PLA2 = fosfolipasa A2 ; SO4 2ÿ = ion sulfato; AINE = medicamentos antiinflamatorios no esteroideos. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 17.1 La enfermedad respiratoria exacerbada por aspirina (ERAE) es una reacción grave a los medicamentos antiinflamatorios no esteroideos (AINE) caracterizada por broncoconstricción entre 30 minutos y varias horas después de la ingestión. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre los AINE explica mejor los síntomas observados en pacientes con AERD? ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A. Inhibición de la actividad de la proteína reguladora de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística, lo que da como resultado mucosidad espesa que bloquea las vías respiratorias. B. Inhibición de la ciclooxigenasa pero no de la lipoxigenasa, lo que da como resultado el flujo de ácido araquidónico a leucotrieno síntesis. C. Activación de la actividad ciclooxigenasa de la prostaglandina H2 sintasa, lo que da como resultado una mayor síntesis de prostaglandinas que promueven la vasodilatación. D. Activación de fosfolipasas, lo que resulta en cantidades reducidas de dipalmitoilfosfatidilcolina y alveolar colapso (atelectasia). Respuesta correcta = B. Los AINE inhiben la ciclooxigenasa pero no la lipoxigenasa, por lo que cualquier ácido araquidónico disponible se utiliza para la síntesis de leucotrienos broncoconstrictores. Los AINE no tienen efecto sobre la proteína reguladora de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (FQ), cuyos defectos son la causa de la FQ. Los esteroides, no los AINE, inhiben la fosfolipasa A2 . Los AINE inhiben la ciclooxigenasa, no la activan. Los AINE no tienen efecto sobre las fosfolipasas. 17.2 Un bebé, nacido a las 28 semanas de gestación, rápidamente mostró evidencia de dificultad respiratoria. Los resultados de laboratorio clínico y de imágenes respaldaron el diagnóstico de síndrome de dificultad respiratoria infantil. ¿Cuál de las siguientes es la afirmación más precisa sobre este síndrome? R. No está relacionado con el nacimiento prematuro del bebé. B. Es una consecuencia de muy pocos neumocitos tipo II. C. Es probable que la relación lecitina/esfingomielina en el líquido amniótico sea alta (>2). D. Se esperaría que la concentración de dipalmitoilfosfatidilcolina en el líquido amniótico fuera menor que la de un bebé a término. E. Es un trastorno de fácil tratamiento con baja mortalidad. F. Se trata administrando surfactante a la madre justo antes de dar a luz. Respuesta correcta = D. La dipalmitoilfosfatidilcolina (DPPC o dipalmitoil lecitina) es el surfactante pulmonar que se encuentra en los pulmones sanos y maduros. El síndrome de dificultad respiratoria (SDR) puede ocurrir en los pulmones que producen muy poco de este compuesto. Si la relación lecitina/esfingomielina (L/S) en el líquido amniótico es ÿ2, los pulmones de un recién nacido se consideran lo suficientemente maduros (se esperaría que los pulmones prematuros tuvieran una relación <2). El RDS no se debe a muy pocos neumocitos tipo II, que simplemente estarían secretando esfingomielina en lugar de DPPC a las 28 semanas de gestación. La madre recibe un glucocorticoide, no un surfactante, antes del parto (prenatalmente). Se administraría surfactante al bebé después del nacimiento para reducir la tensión superficial. 17.3 Se evaluó a un niño de 10 años por sensaciones de ardor en los pies y grupos de pequeñas manchas de color rojo púrpura en la piel. Los estudios de laboratorio revelaron proteína en su orina. El análisis enzimático reveló una deficiencia de ÿ galactosidasa y se recomendó terapia de reemplazo enzimático. ¿Cuál de los siguientes es el diagnóstico de trabajo más probable? A. Enfermedad de Fabry B. Enfermedad de Farber C. Enfermedad de Gaucher D. Enfermedad de Krabbe E. Enfermedad de Niemann-Pick Respuesta correcta = A. La enfermedad de Fabry, una deficiencia de ÿ-galactosidasa, es la única esfingolipidosis ligada al cromosoma X. Se caracteriza por dolor en las extremidades, erupción cutánea de color rojo púrpura (angioqueratomas generalizados) y complicaciones renales y cardíacas. La proteína en su orina indica daño renal. La terapia de reemplazo enzimático está disponible. 17.4 Un niño de 5 años es llevado al pediatra por su madre por distensión abdominal y dolor en la pierna. La madre afirma que su hijo comenzó a tener dificultad para caminar y comenzó a caerse repetidamente. El examen físico muestra retraso en el desarrollo y hepatoesplenomegalia. El examen de fondo de ojo muestra manchas rojo cereza en la mácula. ¿Cuál de los siguientes hallazgos histológicos del tejido afectado es más probable que confirme el diagnóstico? A. Cuerpos de inclusión similares a conchas en células neuronales ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. Aspecto de papel de seda arrugado del citosol C. Macrófagos espumosos en la médula ósea D. Cuerpos globoides en los macrófagos Respuesta correcta = C. La enfermedad de Niemann-Pick tipo B es el diagnóstico más probable debido a la presencia de hepatomegalia, defectos neurológicos que conducen a caídas y áreas de color rojo cereza en la mácula. El hallazgo histológico es el aspecto espumoso de los macrófagos del sistema reticuloendotelial por acumulación de esfingomielina. 17.5 El consejo médico actual para las personas que experimentan dolor en el pecho es llamar a los servicios médicos de emergencia y masticar una aspirina sin recubrimiento de concentración normal. ¿Cuál es la base para recomendar la aspirina? La aspirina tiene un efecto antitrombogénico: previene la formación de coágulos de sangre que podrían ocluir los vasos del corazón. La aspirina inhibe la síntesis de tromboxano A2 por la ciclooxigenasa-1 en las plaquetas a través de la acetilación irreversible, lo que inhibe la activación plaquetaria y la vasoconstricción. Masticar una aspirina no recubierta aumenta la velocidad de su absorción. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Colesterol, lipoproteínas y esteroides Metabolismo 18 I. VISIÓN GENERAL El colesterol, el alcohol esteroide principal en los animales, realiza una serie de funciones esenciales en el cuerpo. Por ejemplo, el colesterol es un componente estructural de todas las membranas celulares, modula su fluidez y, en tejidos especializados, el colesterol es un precursor de los ácidos biliares, las hormonas esteroides y la vitamina D. Por lo tanto, es de vital importancia que las células del cuerpo estar seguro de un suministro adecuado de colesterol. Para satisfacer esta necesidad, ha evolucionado una serie compleja de mecanismos de transporte, biosintéticos y reguladores. El hígado juega un papel central en la regulación de la homeostasis del colesterol del cuerpo. Por ejemplo, el colesterol entra en la reserva de colesterol hepático a partir de varias fuentes, incluido el colesterol de la dieta, así como el colesterol sintetizado de novo por los tejidos extrahepáticos y por el propio hígado. El colesterol se elimina del hígado como colesterol no modificado en la bilis, o puede convertirse en sales biliares que se secretan en la luz intestinal. También puede servir como componente de las lipoproteínas plasmáticas que transportan lípidos a los tejidos periféricos. En los seres humanos, el equilibrio entre la entrada y salida de colesterol no es preciso, lo que da como resultado una deposición gradual de colesterol en los tejidos, particularmente en los revestimientos endoteliales de los vasos sanguíneos. Este es un evento potencialmente mortal cuando la deposición de lípidos conduce a la formación de placa, lo que provoca el estrechamiento de los vasos sanguíneos (aterosclerosis) y un mayor riesgo de enfermedad cardiovascular, cerebral y vascular periférica. La figura 18.1 resume las principales fuentes de colesterol hepático y las rutas por las que el colesterol sale del hígado. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.1 Fuentes de colesterol hepático (entrada) y rutas por las que el colesterol sale del hígado (salida). HDL y VLDL = lipoproteínas de alta y muy baja densidad. II. ESTRUCTURA DEL COLESTEROL El colesterol es un compuesto muy hidrofóbico. Consta de cuatro anillos hidrocarbonados fusionados (A-D) llamados núcleo esteroideo, y tiene una cadena hidrocarbonada ramificada de ocho carbonos unida al carbono 17 del anillo D. El anillo A tiene un grupo hidroxilo en el carbono 3, y ******ebook convertidor DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google el anillo B tiene un doble enlace entre el carbono 5 y el carbono 6 (figura 18.2). A. Esteroles Los esteroides con 8 a 10 átomos de carbono en la cadena lateral en el carbono 17 y un grupo hidroxilo en el carbono 3 se clasifican como esteroles. El colesterol es el principal esterol en los tejidos animales. Surge de la síntesis y absorción de novo del colesterol de la dieta. La captación intestinal de colesterol está mediada por la proteína Niemann-Pick C1-like 1, el blanco del fármaco ezetimiba que reduce la absorción del colesterol dietético ( capítulo 15). (Nota: los esteroles vegetales [fitoesteroles], como el ÿsitosterol, son poco absorbidos por los seres humanos [5% absorbido en comparación con el 40% del colesterol]. Después de ingresar a los enterocitos, se transportan activamente de regreso a la luz intestinal. Defectos en el transportador de salida [ABCG5/8] da como resultado la rara condición de sitosterolemia en la que los esteroles vegetales se acumulan en la sangre y los tejidos, lo que reduce el flujo sanguíneo y aumenta el riesgo de ataque cardíaco, accidente cerebrovascular o muerte súbita. Debido a que parte del colesterol también se transporta de regreso, los esteroles vegetales reducen la absorción del colesterol de la dieta. La ingestión diaria de ésteres de esteroles vegetales suministrados, por ejemplo, en pastas para untar, es una de varias estrategias dietéticas para reducir los niveles de colesterol en plasma [consulte el Capítulo 27]). Figura 18.2 Estructura del colesterol y su éster. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google B. Ésteres de colesterol La mayor parte del colesterol plasmático se encuentra en forma esterificada (con un ácido graso [FA] unido al carbono 3, como se muestra en la figura 18.2), lo que hace que la estructura sea aún más hidrofóbica que el colesterol libre (no esterificado). Los ésteres de colesterol no se encuentran en las membranas y normalmente están presentes solo en niveles bajos en la mayoría de las células. Debido a su hidrofobicidad, el colesterol y sus ésteres deben transportarse en asociación con proteínas como componente de una partícula de lipoproteína o ser solubilizados por fosfolípidos y sales biliares en la bilis. tercero SÍNTESIS DE COLESTEROL El colesterol se sintetiza prácticamente en todos los tejidos de los seres humanos, aunque el hígado, el intestino, la corteza suprarrenal y los tejidos reproductivos, incluidos los ovarios, los testículos y la placenta, son los que más contribuyen a la reserva de colesterol. Al igual que con los AG, todos los átomos de carbono en el colesterol son proporcionados por la acetil coenzima A (CoA), y la nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADPH) proporciona los equivalentes reductores. La vía es endergónica y está impulsada por la hidrólisis del enlace tioéster de alta energía del acetil CoA y el enlace fosfato terminal del ATP. La síntesis requiere enzimas en el citosol, la membrana del retículo endoplásmico liso (SER) y el peroxisoma. La vía responde a los cambios en la concentración de colesterol y existen mecanismos reguladores para equilibrar la tasa de síntesis de colesterol frente a la tasa de excreción de colesterol. Un desequilibrio en esta regulación puede conducir a una elevación de los niveles circulantes de colesterol plasmático, con el potencial de enfermedad vascular. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.3 Síntesis de HMG CoA. CoA = coenzima A. A. Síntesis de 3-hidroxi-3-metilglutaril coenzima A Las dos primeras reacciones en la vía biosintética del colesterol son similares a las de la vía que produce cuerpos cetónicos (v . fig. 16.22). Dan como resultado la producción de 3-hidroxi-3-metilglutaril CoA ([HMG CoA], fig. 18.3). Primero, dos moléculas de acetil CoA se condensan para formar acetoacetil CoA. A continuación, la HMG CoA sintasa agrega una tercera molécula de acetil CoA, lo que produce HMG CoA, un compuesto de seis carbonos. (Nota: las células del parénquima hepático contienen dos isoenzimas de la sintasa. La enzima citosólica participa en la síntesis de colesterol, mientras que la enzima mitocondrial funciona en la vía de la síntesis de cuerpos cetónicos). B. Síntesis de mevalonato La HMG CoA se reduce a mevalonato por la acción de la HMG CoA reductasa. Este es el paso limitador de velocidad y regulado clave en la síntesis de colesterol. Ocurre en el citosol, utiliza dos moléculas de NADPH como agente reductor y libera CoA, lo que hace que la reacción sea irreversible (fig. 18.4). (Nota: la HMG CoA reductasa es una proteína de membrana integral del SER, con su dominio catalítico que se proyecta hacia el citosol. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La regulación de la actividad de la reductasa se analiza en D. a continuación). Figura 18.4 Síntesis de mevalonato. HMG CoA = hidroximetilglutaril coenzima A; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato. C. Síntesis de colesterol a partir de mevalonato Las reacciones y enzimas implicadas en la síntesis de colesterol a partir de mevalonato se ilustran en la figura 18.5. (Nota: los números que se muestran entre paréntesis a continuación corresponden a las reacciones numeradas que se muestran en esta figura). [1] El mevalonato se convierte en 5-pirofosfomevalonato en dos pasos, cada uno de los cuales que transfiere un grupo fosfato del ATP. [2] Una unidad de isopreno de cinco carbonos, el pirofosfato de isopentenilo (IPP), se forma por la descarboxilación del 5-pirofosfomevalonato. La reacción requiere ATP. (Nota: IPP es el precursor de una familia de moléculas con diversas funciones, los isoprenoides. El colesterol es un esterol isoprenoide. Los no esterolisoprenoides incluyen dolicol y ubiquinona [o coenzima Q].) [3] El IPP se isomeriza a pirofosfato de 3,3-dimetilalilo (DPP). [4] IPP y DPP se condensan para formar pirofosfato de geranilo (GPP) de 10 carbonos. [5] Luego, una segunda molécula de IPP se condensa con GPP para formar pirofosfato de farnesilo (FPP) de 15 carbonos. (Nota: la unión covalente de farnesilo a proteínas, un proceso conocido como prenilación, es un mecanismo para anclar proteínas [p. ej., ras] a la cara interna de las membranas plasmáticas). [6] Dos moléculas de FPP se combinan, liberan pirofosfato y se reducen, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google formando el compuesto de 30 carbonos escualeno. (Nota: el escualeno se forma a partir de seis unidades isoprenoides. Debido a que se hidrolizan 3 ATP por cada residuo de mevalonato convertido en IPP, se requiere un total de 18 ATP para producir el poliisoprenoide escualeno). [7] El escualeno se convierte en el esterol lanosterol mediante una secuencia de dos reacciones catalizadas por enzimas asociadas a SER que utilizan oxígeno molecular (O2 ) y NADPH. La hidroxilación del escualeno lineal desencadena la ciclación de la estructura a lanosterol. [8] La conversión de lanosterol en colesterol es un proceso de varios pasos que implica el acortamiento de la cadena lateral, la eliminación oxidativa de los grupos metilo, la reducción de los dobles enlaces y la migración de un doble enlace. El síndrome de SmithLemli-Opitz (SLOS), un trastorno autosómico recesivo de la biosíntesis del colesterol, es causado por una deficiencia parcial en 7-dehidrocolesterol-7-reductasa, la enzima que reduce el doble enlace en 7-dehidrocolesterol (7-DHC) , convirtiéndolo así en colesterol. SLOS es uno de varios síndromes de malformación embrionaria multisistémicos asociados con la síntesis alterada de colesterol. (Nota: el 7-DHC se convierte en vitamina D3 en la piel [consulte el Capítulo 28].) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.5 Síntesis de colesterol a partir de mevalonato. ADP = difosfato de = fosfato; ÿ adenosina; = pirofosfato; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato. D. Reacciones de punto de ramificación en la biosíntesis del colesterol. Los intermediarios de la síntesis de colesterol se desvían para modificar otras moléculas. El primer punto de ramificación comienza con el paso 2 anterior, la síntesis de IPP (5C) (Figura 18.6). La adición posterior de unidades de isopreno de 5 carbonos da como resultado la síntesis de geranil-PP (10C), farnesil-PP (15C) y geranilgeranil-PP (20C), respectivamente. Estas moléculas pueden modificar las proteínas para que puedan anclarse en los lípidos de la membrana. La farnesilación del hemo crea el hemo A, un hemo especializado en el citocromo a de la cadena de transporte de electrones. La farnesilación y la geranilgeranilación de proteínas como el oncogén ras pueden conducir a la activación de vías de señalización celular para la proliferación. La geranilgeranilación también produce dolicol, que es importante para la transferencia de azúcar durante la síntesis de glicoproteínas, y ubiquinona, un transportador de electrones soluble en lípidos en la fosforilación oxidativa. Figura 18.6 Reacciones de punto de ramificación en la biosíntesis del colesterol. Las flechas finas indican una conversión enzimática o química a un producto. Las flechas gruesas indican modificaciones de proteínas. Las cursivas debajo de las modificaciones de proteínas indican los procesos en los que están involucrados los productos. PP = pirofosfato. Los bifosfonatos se utilizan para inhibir la resorción ósea en la osteoporosis y la enfermedad de Paget. Se ha demostrado que la nueva generación de bisfosfonatos destruye las células cancerosas al inhibir la síntesis de farnesil-PP y geranilgeranil-PP. E. Regulación de la síntesis de colesterol La HMG CoA reductasa es el principal punto de control para la biosíntesis del colesterol y está sujeta a diferentes tipos de control metabólico. 1. Regulación de la expresión génica dependiente de esteroles: la expresión del gen de la HMG CoA reductasa está controlada por el factor de transacción, regulador de esteroles. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google proteína de unión a elementos 2 (SREBP-2), que se une al ADN en el elemento regulador de esteroles (SRE) que actúa en cis aguas arriba del gen de la reductasa . La SREBP-2 inactiva es una proteína integral de la membrana SER y se asocia con una segunda proteína de membrana SER, la proteína activadora de escisión de SREBP (SCAP). Cuando los niveles de esteroles en el SER son bajos, el complejo SREBP-2-SCAP se mueve del ER al aparato de Golgi. En la membrana de Golgi, dos proteasas actúan secuencialmente sobre SREBP-2, que generan un fragmento soluble que ingresa al núcleo, se une al SRE y funciona como un factor de transcripción. Esto da como resultado un aumento de la síntesis de HMG CoA reductasa y, por lo tanto, un aumento de la síntesis de colesterol 18.7). Sin embargo, si los esteroles son abundantes, se unen a SCAP en su dominio de detección de esteroles e inducen la unión de SCAP a otras proteínas de la membrana del RE, las proteínas génicas inducidas por insulina (INSIG). Esto da como resultado la retención del complejo SCAP-SREBP en el SER, lo que evita la activación de SREBP-2 y conduce a la regulación a la baja de la síntesis de colesterol. (Nota: SREBP-1c aumenta la expresión de enzimas involucradas en la síntesis de ácidos grasos en respuesta a la insulina). Figura 18.7 Regulación de la hidroximetilglutaril coenzima A (HMG CoA) reductasa. SRE = elemento regulador de esteroles; SREBP = proteína de unión a SRE; SCAP = proteína activadora de la escisión de SREBP; AMPK = proteína cinasa activada por monofosfato de adenosina; ADP = difosfato de adenosina; = fosfato; INSIG = proteína génica inducida por insulina. 2. Degradación enzimática acelerada por esteroles: la reductasa en sí es una proteína integral sensible a los esteroles de la membrana SER. Cuando los niveles de esteroles en la SER son altos, la enzima se une a las proteínas INSIG (ver Fig. 18.7). La unión conduce a la transferencia citosólica, la ubiquitinación y la degradación proteasómica de la reductasa ( capítulo 19). 3. Fosforilación/desfosforilación independiente de esteroles: la actividad de la HMG CoA reductasa se controla de forma covalente mediante las acciones de la proteína cinasa activada por monofosfato de adenosina (AMP) (AMPK) y una fosfoproteína fosfatasa (v . fig. 18.7). La forma fosforilada de la enzima es inactiva, mientras que la forma desfosforilada es activa. (Nota: porque AMPK es ******ebook convertidor DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google activada por AMP, la síntesis de colesterol, al igual que la síntesis de FA, disminuye cuando disminuye la disponibilidad de ATP). 4. Regulación hormonal: La actividad de la HMG CoA reductasa se controla hormonalmente. Un aumento de insulina favorece la desfosforilación (activación) de la reductasa, mientras que un aumento de glucagón y epinefrina y niveles elevados de colesterol tienen el efecto contrario (v . fig. 18.7). 5. Inhibición farmacológica: las estatinas (atorvastatina, fluvastatina, lovastatina, pravastatina, rosuvastatina y simvastatina) son análogos estructurales de la HMG CoA y son (o se metabolizan en) inhibidores competitivos reversibles de la HMG CoA reductasa (fig. 18.8). Se utilizan para disminuir los niveles de colesterol en plasma en pacientes con hipercolesterolemia. Los efectos adversos mejor reconocidos de las estatinas incluyen dolor muscular, fatiga, debilidad y rabdomiólisis. Estos efectos pueden deberse a la inhibición de la síntesis de hemo A y ubiquinona, que son esenciales para la fosforilación oxidativa de energía (fig. 18.6). Los polimorfismos genéticos también influyen en la respuesta fisiológica a las estatinas. Por ejemplo, el polipéptido transportador de aniones orgánicos (OATP1B1, también conocido como SLCO1B1) tiene un polimorfismo en el nucleótido 521 T>C que se usa como biomarcador para la miopatía por simvastatina. Figura 18.8 Similitud estructural del ácido hidroximetilglutárico (HMG) y pravastatina, una sustancia clínicamente útil ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Medicamento reductor del colesterol de la familia de las estatinas. CoA = coenzima A. IV. DEGRADACIÓN DEL COLESTEROL Los seres humanos no pueden metabolizar la estructura del anillo de colesterol en dióxido de carbono y agua. Más bien, el núcleo esteroideo intacto se elimina del cuerpo por conversión en ácidos biliares y sales biliares, un pequeño porcentaje de los cuales se excreta en las heces, y por secreción de colesterol en la bilis, que lo transporta al intestino para su eliminación. (Nota: las bacterias modifican parte del colesterol en el intestino antes de excretarlo. Los compuestos principales que se elaboran son los isómeros coprostanol y colestanol, que son derivados reducidos del colesterol. Junto con el colesterol, estos compuestos constituyen la mayor parte de los esteroles fecales neutros. ) V. ÁCIDOS BILIARES Y SALES BILIARES La bilis consiste en una mezcla acuosa de compuestos orgánicos e inorgánicos. La fosfatidilcolina (PC) o lecitina ( capítulo 17) y las sales biliares conjugadas son cuantitativamente los componentes orgánicos más importantes de la bilis. La bilis puede pasar directamente desde el hígado, donde se sintetiza, al duodeno a través del conducto biliar común, o almacenarse en la vesícula biliar cuando no se necesita inmediatamente para la digestión. Una estructura Los ácidos biliares contienen 24 carbonos, con dos o tres grupos hidroxilo y una cadena lateral que termina en un grupo carboxilo (fig. 18.9A). El grupo carboxilo tiene un pKa de ~6. En el duodeno (pHÿ6), este grupo estará protonado en la mitad de las moléculas (los ácidos biliares) y desprotonado en el resto (las sales biliares). Sin embargo, los términos ácido biliar y sal biliar con frecuencia se usan indistintamente. Ambas formas tienen grupos hidroxilo que tienen orientación ÿ (se encuentran por debajo del plano de los anillos) y grupos metilo que son ÿ (se encuentran por encima del plano de los anillos). Por tanto, las moléculas tienen una superficie tanto polar como no polar y pueden actuar como agentes emulsionantes en el intestino, ayudando a preparar la grasa de la dieta (triacilglicerol [TAG]) y otros lípidos complejos para su degradación por las enzimas digestivas pancreáticas (fig. 18.9B). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.9 A: Estructura de los ácidos biliares. Las superficies hidrofóbicas (no polares) e hidrofílicas (polares) ayudan a emulsionar y digerir las grasas en las superficies del intestino. La forma ovalada indica la columna vertebral del colesterol. Las bolas rojas indican los grupos hidroxilo. La bola morada indica el grupo carboxilo. B: Los ácidos biliares más abundantes en la bilis humana: ácido cólico y ácido quenodesoxicólico. B. Síntesis Los ácidos biliares se sintetizan en el hígado a través de una vía de varios orgánulos en varios pasos en la que los grupos hidroxilo se insertan en posiciones específicas de la estructura del esteroide; se reduce el doble enlace del anillo B del colesterol; y la cadena hidrocarbonada se acorta en tres carbonos, introduciendo un grupo carboxilo al final de la cadena. Los compuestos resultantes más comunes, ácido cólico (un triol) y ácido quenodesoxicólico (un diol), como se muestra en la figura 18.9B, se denominan ácidos biliares primarios. El paso limitante de la velocidad en la síntesis de ácidos biliares es la introducción de un grupo hidroxilo en el carbono 7 del núcleo del esteroide por la 7-ÿ-hidroxilasa, una monooxigenasa del citocromo P450 (CYP) asociada a SER que se encuentra solo en el hígado. La expresión de la enzima está regulada a la baja por los ácidos biliares y el colesterol (fig. 18.10). La expresión de colesterol 7alfa hidroxilasa está regulada positivamente por el colesterol y regulada negativamente por los ácidos biliares. Los niveles elevados de colesterol en el hígado estimulan el factor X hepático receptor nuclear (LXR), que aumenta la transcripción de colesterol-7-alfa hidroxilasa. Los niveles elevados de ácidos biliares activan otro receptor nuclear de ácidos biliares (BAR, también conocido como receptor farnesoide X [FXR]) que regula a la baja la transcripción de la colesterol-7-alfa hidroxilasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.10 Síntesis y regulación de los ácidos biliares, ácido cólico y ácido quenodesoxicólico a partir del colesterol. C. Conjugación Antes de que los ácidos biliares abandonen el hígado, se conjugan con una molécula de glicina o taurina (un producto final del metabolismo de la cisteína) mediante un enlace amida entre el grupo carboxilo del ácido biliar y el grupo amino del compuesto agregado. Estas nuevas estructuras incluyen los ácidos glucocólico y glucoquenodesoxicólico y los ácidos taurocólico y tauroquenodesoxicólico (fig. 18.11). La proporción de formas de glicina a taurina en la bilis es ~3/1. La adición de glicina o taurina da como resultado la presencia de un grupo carboxilo con un pKa más bajo (de la glicina) o un grupo sulfonato (de la taurina), los cuales están completamente ionizados (con carga negativa) al pH alcalino de la bilis y el duodeno. Las sales biliares ionizadas conjugadas son detergentes más efectivos que las no conjugadas debido a su naturaleza anfipática mejorada. Por lo tanto, solo las formas conjugadas se encuentran en la bilis. Los individuos con deficiencias genéticas en la conversión de colesterol en ácidos biliares se tratan con ácido quenodesoxicólico suministrado exógenamente. Las sales biliares proporcionan el único mecanismo significativo para la excreción de colesterol, tanto como metabólico ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google producto del colesterol y como solubilizante del colesterol en la bilis. Figura 18.11 Sales biliares conjugadas. Tenga en cuenta "cólico" en los nombres. D. Circulación enterohepática Las sales biliares secretadas en el intestino se reabsorben eficientemente (>95%) y se reutilizan. El hígado segrega activamente sales biliares a través de la bomba de exportación de sales + )-sal biliar biliares. En el intestino, se reabsorben en el íleon terminal a través del cotransportador apical de sodio (Na) y se devuelven a la sangre a través de un sistema de transporte separado. (Nota: el ácido litocólico se absorbe muy poco). hepatocitos a través de una isoforma del cotransportador (Nota: la albúmina se une a las sales biliares y las transporta a través de la sangre como se vio con la FA). a sales biliares secundarias), la captación en el íleon y el retorno subsiguiente al hígado (como una mezcla de formas primaria y secundaria) se denomina circulación enterohepática (fig. 18.12). Entre 15 y 30 g de sales biliares son secretadas por el hígado hacia el duodeno cada día, sin embargo, solo ~0.5 g (<3%) se pierde diariamente en las heces. Aproximadamente 0.5 g/día se sintetizan ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google del colesterol en el hígado para reemplazar la cantidad perdida. Los secuestradores de ácidos biliares, como la colestiramina, se unen a las sales biliares en el intestino y evitan su reabsorción, lo que promueve su excreción. Se utilizan en el tratamiento de la hipercolesterolemia, porque la eliminación de las sales biliares alivia la inhibición de la síntesis de ácidos biliares en el hígado, desviando así el colesterol adicional hacia esa vía. (Nota: la fibra dietética también se une a las sales biliares y aumenta su excreción [consulte el Capítulo 27].) E. Acción bacteriana sobre las sales biliares Después de la circulación enterohepática, una pequeña cantidad de sales biliares secretadas llega al colon, donde el microbioma intestinal expone las sales a la modificación bacteriana. Las bacterias de la microbiota intestinal pueden desconjugar (eliminar la glicina y la taurina) las sales biliares. También pueden deshidroxilar el carbono 7, produciendo ácidos biliares secundarios como el ácido desoxicólico a partir del ácido cólico y el ácido litocólico a partir del ácido quenodesoxicólico. Una pequeña proporción de estos ácidos biliares secundarios son absorbidos por el epitelio colónico y pueden ser conjugados e hidroxilados por las enzimas hepáticas para producir sales biliares secundarias. El resto se eliminan en las heces. Figura 18.12 Circulación enterohepática de sales biliares. (Nota: los ácidos biliares ionizados se denominan sales biliares). F. Deficiencia de sales biliares: colelitiasis El movimiento del colesterol del hígado a la bilis debe ir acompañado de la secreción simultánea de fosfolípidos y sales biliares. Si este proceso dual se interrumpe y hay más colesterol del que puede ser solubilizado por las sales biliares y la PC presentes, el colesterol puede precipitarse en la vesícula biliar y provocar la enfermedad de cálculos biliares de colesterol o colelitiasis (fig. 18.13). Este trastorno generalmente es causado por una disminución de los ácidos biliares en la bilis. La colelitiasis también puede deberse a una mayor secreción de colesterol en la bilis, como se observa con el uso de fibratos (p. ej., gemfibrozil) para reducir el colesterol (y TAG) en la sangre. La colecistectomía laparoscópica (extirpación quirúrgica de la vesícula biliar a través de una pequeña incisión) es ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google actualmente el tratamiento de elección. Sin embargo, para los pacientes que no pueden someterse a cirugía, la administración oral de ácido quenodesoxicólico para complementar el suministro de ácidos biliares del cuerpo da como resultado una disolución gradual (de meses a años) de los cálculos biliares. (Nota: los cálculos de colesterol representan >85% de los casos de colelitiasis, y los cálculos mixtos y de bilirrubina representan el resto). Figura 18.13 Vesícula biliar con cálculos biliares. VI. LIPOPROTEÍNAS PLASMÁTICAS Las lipoproteínas plasmáticas son complejos macromoleculares esféricos de lípidos y proteínas (apolipoproteínas). Las partículas de lipoproteínas incluyen quilomicrones, remanentes de quilomicrones, lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL), remanentes de VLDL, también conocidas como lipoproteínas de densidad intermedia (IDL), lipoproteínas de baja densidad (LDL), lipoproteínas de alta densidad (HDL) y lipoproteína ( a) (Lp[a]). Difieren en la composición de lípidos y proteínas, tamaño, densidad (fig. 18.14) y sitio de origen. (Nota: debido a que las partículas de lipoproteínas intercambian constantemente lípidos y apolipoproteínas, el contenido real de apolipoproteínas y lípidos de cada clase de partículas es algo variable). para transportar su contenido de lípidos hacia (y desde) los tejidos. En los humanos, hay una deposición gradual de lípidos (especialmente colesterol) en los tejidos. Una composición Las lipoproteínas se componen de un núcleo lipídico neutro (que contiene TAG y ésteres de colesterilo) rodeado por una cubierta de apolipoproteínas anfipáticas, fosfolípidos y colesterol no esterificado (libre) (fig. 18.15). Estos compuestos anfipáticos están orientados de manera que sus porciones polares quedan expuestas en la superficie de la lipoproteína, lo que hace que la partícula sea soluble en solución acuosa. El TAG y el colesterol transportados por las lipoproteínas se obtienen de la dieta (fuente exógena) o de la síntesis de novo (fuente endógena). (Nota: el contenido de colesterol [C] de las lipoproteínas plasmáticas ahora se mide de forma rutinaria en sangre en ayunas. Ecuación de Friedewald ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google [LDL-C = Total C – HDL-C ÿ TAG/5] se usa para calcular LDL-C una vez que se miden la C total, HDL y TAG en suero. Esta fórmula supone que la relación TAG/colesterol en VLDL es 5:1. El valor objetivo para el colesterol total es <200 mg/dl.) 1. Tamaño y densidad: Los quilomicrones son las partículas lipoproteicas de menor densidad y mayor tamaño y que contienen el mayor porcentaje de lípidos (como TAG) y el menor porcentaje de proteína. Las VLDL y las LDL son sucesivamente más densas y tienen proporciones más altas de proteína a lípido. Las partículas HDL son las más pequeñas y densas. Las lipoproteínas plasmáticas se pueden separar en función de su movilidad electroforética, como se muestra en la figura 18.16, o en función de su densidad mediante ultracentrifugación. 2. Apolipoproteínas: las apolipoproteínas asociadas con las partículas de lipoproteínas tienen varias funciones diversas, como proporcionar sitios de reconocimiento para los receptores de la superficie celular y servir como activadores o coenzimas para las enzimas involucradas en el metabolismo de las lipoproteínas. Algunas de las apolipoproteínas se requieren como componentes estructurales esenciales de las partículas y no se pueden eliminar (de hecho, las partículas no se pueden producir sin ellas), mientras que otras se transfieren libremente entre las lipoproteínas. Las apolipoproteínas se dividen por estructura y función en varias clases principales, indicadas con letras, y cada clase tiene subclases (p. ej., apolipoproteína [apo] CI, apo C-II y apo C-III). (Nota: aún no se conocen las funciones de todas las apolipoproteínas). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.14 ******Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google Las partículas de lipoproteínas plasmáticas exhiben una variedad de tamaños y densidades, y se muestran los valores típicos. Los anchos de los anillos se aproximan a la cantidad de cada componente. (Nota: aunque el colesterol y sus ésteres se muestran como un componente en el centro de cada partícula, físicamente, el colesterol está en la superficie, mientras que los ésteres de colesterilo están en el interior). B. Metabolismo de quilomicrones Los quilomicrones se ensamblan en las células de la mucosa intestinal y transportan TAG dietético (exógeno), colesterol, vitaminas liposolubles y ésteres de colesterilo a los tejidos periféricos (fig. 18.17). (Nota: los TAG representan cerca del 90 % de los lípidos en un quilomicrón). 1. Síntesis de apolipoproteínas: Apo B-48 es exclusiva de los quilomicrones. Su síntesis comienza en el RE rugoso (RER) y se glucosila a medida que avanza por el RER y Golgi. (Nota: Apo B-48 se llama así porque constituye el 48 % del terminal N de la proteína codificada por el gen de apo B. Apo B-100, que es sintetizada por el hígado y se encuentra en VLDL y LDL, representa la totalidad proteína codificada por este gen.La edición postranscripcional [vea el Capítulo 33] de una citosina a un uracilo en el ARN mensajero [ARNm] de la apo B-100 intestinal crea un codón sin sentido [de parada] [vea el Capítulo 33], lo que permite la traducción de solo el 48% de el ARNm.) 2. Ensamblaje de quilomicrones: muchas enzimas involucradas en la síntesis de TAG, colesterol y fosfolípidos se encuentran en el SER. El ensamblaje de la apolipoproteína y el lípido en quilomicrones requiere proteína microsomal de transferencia de triglicéridos (MTP), que carga la apo B-48 con lípidos. Esto ocurre antes de la transición del RE al aparato de Golgi, donde las partículas se empaquetan en vesículas secretoras. Estos se fusionan con la membrana plasmática liberando las lipoproteínas, que luego ingresan al sistema linfático y, finalmente, a la sangre. (Nota: los quilomicrones salen del sistema linfático a través del conducto torácico que desemboca en la vena sub ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.15 Estructura de una partícula de lipoproteína típica. 3. Modificación del quilomicrón naciente: la partícula liberada por la célula de la mucosa intestinal se denomina quilomicrón naciente porque es funcionalmente incompleta. Cuando llega al plasma, la partícula se modifica rápidamente, recibiendo apo E (que es reconocida por los receptores hepáticos) y apo C. Esta última incluye apo C-II, que es necesaria para la activación de la lipoproteína lipasa (LPL), la enzima que degrada el TAG contenido en el quilomicrón. La fuente de estas apolipoproteínas es la HDL circulante (v . fig. 18.17). (Nota: Apo C-III en lipoproteínas ricas en TAG inhibe la LPL). 4. Degradación de triacilglicerol por lipoproteína lipasa: la LPL es una enzima extracelular que está anclada a las paredes capilares de la mayoría de los tejidos, pero predominantemente a las del tejido adiposo y el músculo cardíaco y esquelético. El hígado adulto no expresa esta enzima. (Nota: una lipasa hepática se encuentra en la superficie de las células endoteliales del hígado. Desempeña un papel en la degradación de TAG en quilomicrones y VLDL y es importante en el metabolismo de HDL). LPL, activada por apo C-II en quilomicrones circulantes, hidroliza el TAG en estas partículas a FA y glicerol. Los FA se almacenan (en el tejido adiposo) o se utilizan como energía (en el músculo). El glicerol es absorbido por el hígado, convertido en fosfato de dihidroxiacetona (un intermediario de la glucólisis) y utilizado en la síntesis de lípidos o g ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google (Nota: los pacientes con una deficiencia de LPL o apo C-II [hiperlipoproteinemia tipo I o quilomicronemia familiar] muestran una acumulación dramática [ÿ1000 mg/dl] de quilomicrón-TAG en el plasma [hipertriacilglicerolemia] incluso en ayunas. tienen un mayor riesgo de pancreatitis aguda. El tratamiento es la reducción de la grasa en la dieta.) Figura 18.16 Movilidad electroforética de partículas de lipoproteínas plasmáticas. (Nota: el orden de las lipoproteínas de baja densidad [LDL] y las lipoproteínas de muy baja densidad [VLDL] se invierte si se utiliza la ultracentrifugación como técnica de separación). HDL = lipoproteínas de alta densidad. 5. Expresión de la lipoproteína lipasa: la LPL se sintetiza en el tejido adiposo y en el músculo cardíaco y esquelético. La expresión de las isoenzimas específicas de tejido está regulada por el estado nutricional y el nivel hormonal. Por ejemplo, en estado posprandial (niveles elevados de insulina), la síntesis de LPL aumenta en el tejido adiposo pero disminuye en el tejido muscular. El ayuno (disminución de la insulina) favorece la síntesis de LPL en el músculo. (Nota: la concentración más alta de LPL se encuentra en el músculo cardíaco, lo que refleja el uso de FA para proporcionar gran parte de la energía necesaria para la función cardíaca). 6. Formación de remanentes de quilomicrones: a medida que circula el quilomicrón y >90% del TAG en su núcleo es degradado por LPL, la partícula disminuye de tamaño y aumenta su densidad. Además, las apolipoproteínas C (pero no las apo B o E) se devuelven a las HDL. La partícula restante, denominada remanente, se elimina rápidamente de la circulación por el hígado, cuyas membranas celulares contienen receptores de lipoproteínas que reconocen la apo E (v . fig. 18.17). Los remanentes de quilomicrones se unen a estos receptores y son llevados a los hepatocitos por endocitosis. La vesícula sometida a endocitosis luego se fusiona con un lisosoma, y las apolipoproteínas, los ésteres de colesterilo y otros componentes del remanente se degradan hidrolíticamente, liberando aminoácidos, colesterol libre y ácidos grasos. El receptor se recicla. (Nota: El mecanismo ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google de endocitosis mediada por receptor se ilustra para LDL en la figura 18.21.) Figura 18.17 Metabolismo de quilomicrones. Apo B-48, apo C-II y apo E son apolipoproteínas que se encuentran como componentes de las partículas de lipoproteínas plasmáticas. Las partículas no están dibujadas a escala (ver Fig. 18.14 para detalles de su tamaño y densidad). TAG = triacilglicerol; C = colesterol; CE = éster de colesterilo; HDL = lipoproteína de alta densidad. C. Metabolismo de las lipoproteínas de muy baja densidad Las VLDL se producen en el hígado (fig. 18.18). Se componen predominantemente de TAG endógenos (ÿ60%) y su función es transportar este lípido desde el hígado (lugar de síntesis) hasta los tejidos periféricos. Allí, el TAG es degradado por LPL, como se discutió para los quilomicrones. (Nota: el hígado graso no alcohólico [esteatosis hepática] ocurre en condiciones en las que existe un desequilibrio entre la síntesis hepática de TAG y la secreción de VLDL. Tales condiciones incluyen la obesidad y la diabetes mellitus tipo 2 [vea el Capítulo 25].) 1. Liberación del hígado: el hígado secreta las VLDL directamente a la sangre como partículas nacientes que contienen apo B-100. Deben obtener la apo C-II y la apo E de las HDL circulantes (v . fig. 18.18). Al igual que con los quilomicrones, se requiere apo C-II para la activación de LPL. (Nota: la abetalipoproteinemia es una hipolipoproteinemia rara causada por un defecto en la MTP, lo que lleva a una incapacidad para cargar la apo B con lípidos. En consecuencia, se forman pocas VLDL o quilomicrones y los TAG se acumulan en el hígado y el intestino. Disminuye la absorción de vitaminas liposolubles. las LDL son ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google bajo.) Figura 18.18 Metabolismo de partículas de lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL) y lipoproteínas de baja densidad (LDL). Apo B-100, C-II y E son apolipoproteínas que se encuentran como componentes de las partículas de lipoproteínas plasmáticas. Las partículas no están dibujadas a escala (ver Fig. 18.14 para detalles de su tamaño y densidad). (Nota: el hígado también puede absorber IDL). TAG = triacilglicerol; HDL e IDL = lipoproteínas de densidad alta e intermedia; C = colesterol; CE = éster de colesterol. 2. Modificación en la circulación: a medida que las VLDL pasan por la circulación, la LPL degrada el TAG, lo que hace que las VLDL disminuyan de tamaño y se vuelvan más densas. Los componentes de la superficie, incluidas las apolipoproteínas C y E, se devuelven a las HDL, pero las partículas retienen la apo B-100. Además, algunos TAG se transfieren de VLDL a HDL en una reacción de intercambio que simultáneamente transfiere ésteres de colesterilo de HDL a VLDL. Este intercambio lo realiza la proteína de transferencia de éster de colesterilo (CETP), como se muestra en la figura 18.19. 3. Conversión a lipoproteínas de baja densidad: con estas modificaciones, las VLDL se convierten en el plasma a LDL. Durante esta transición se forman IDL de diferentes tamaños. Las células hepáticas también pueden absorber IDL a través de endocitosis mediada por receptor que utiliza apo E como ligando. Apo E normalmente está presente en tres isoformas, E-2 (la menos común), E-3 (la más común) y E-4. La apo E-2 se une mal a los receptores y los pacientes que son homocigóticos para la apo E-2 son deficientes en la eliminación de IDL y remanentes de quilomicrones. Estos individuos tienen hiperlipoproteinemia familiar tipo III (disbetalipoproteinemia familiar o enfermedad beta amplia), con hipercolesterolemia y aterosclerosis prematura. (Nota: la isoforma apo E-4 confiere una mayor susceptibilidad a una edad más temprana de aparición de la forma de aparición tardía de la enfermedad de Alzheimer. El efecto depende de la dosis, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google siendo los homocigotos los de mayor riesgo. Las estimaciones del riesgo varían.) Figura 18.19 Transferencia de éster de colesterilo (CE) de HDL a VLDL a cambio de triacilglicerol (TAG). D. Metabolismo de las lipoproteínas de baja densidad Las partículas de LDL contienen mucho menos TAG que sus predecesores de VLDL y tienen una alta concentración de colesterol y ésteres de colesterilo (fig. 18.20). Alrededor del 70% del colesterol plasmático está en LDL. 1. Endocitosis mediada por receptor: la función principal de las partículas de LDL es proporcionar colesterol a los tejidos periféricos (o devolverlo al hígado). Lo hacen uniéndose a los receptores de LDL de la membrana plasmática que reconocen la apo B-100 (pero no la apo B-48). Debido a que estos receptores de LDL también pueden unirse a la apo E, se conocen como receptores apo B-100/apo E. En la figura 18.21 se presenta un resumen de la captación y degradación de las partículas de LDL . (Nota: los números entre paréntesis a continuación se refieren a los números correspondientes en esa figura). Se utiliza un mecanismo similar de endocitosis mediada por receptor para la captación y ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google degradación de restos de quilomicrones e IDL por el hígado. [1] Los receptores de LDL son glicoproteínas cargadas negativamente que se agrupan en hoyos en las membranas celulares. El lado citosólico de la fosa está recubierto con la proteína clatrina, que estabiliza la fosa. [2] Después de la unión, el complejo LDL-receptor sufre endocitosis. (Nota: los defectos en la síntesis de los receptores de LDL funcionales causan una elevación significativa en el LDL-C plasmático. Los pacientes con tales deficiencias tienen hiperlipidemia tipo IIa [hipercolesterolemia familiar (FH)] y aterosclerosis prematura. La hipercolesterolemia autosómica dominante también puede deberse a defectos en la apo B-100 que reducen su unión al receptor y al aumento de la actividad de una proteasa, la proproteína convertasa subtilisina/kexina tipo 9 [PCSK9], que promueve la internalización y la degradación lisosomal del receptor. Los inhibidores de PCSK9 ahora están disponibles para el tratamiento de la hipercolesterolemia). [3] La vesícula que contiene LDL pierde su capa de clatrina y se fusiona con otras vesículas similares, formando vesículas más grandes llamadas endosomas. [4] El pH del endosoma cae (debido a la actividad de bombeo de protones de la ATPasa endosomal), lo que permite la separación de la LDL de su receptor. Luego, los receptores migran hacia un lado del endosoma, mientras que las LDL permanecen libres dentro de la luz de la vesícula. [5] Los receptores se pueden reciclar, mientras que los restos de lipoproteínas en la vesícula se transfieren a los lisosomas y se degradan mediante hidrolasas ácidas lisosomales, liberando colesterol libre, aminoácidos, AG y fosfolípidos. Estos compuestos pueden ser reutilizados por la célula. (Nota: algunas de las enfermedades de almacenamiento lisosomal resultan de deficiencias raras autosómicas recesivas en la capacidad de hidrolizar los ésteres de colesterol lisosomal [enfermedad de Wolman] o de transportar el colesterol libre fuera del lisosoma [enfermedad de Niemann-Pick, tipo C]). 2. Colesterol endocitosado y homeostasis del colesterol: el colesterol derivado de remanentes de quilomicrones, IDL y LDL afecta el contenido de colesterol celular de varias formas (fig. 18.21). Primero, la expresión del gen para la HMG CoA reductasa es inhibida por el colesterol alto y, como resultado, la síntesis de colesterol de novo disminuye. Además, se acelera la degradación de la reductasa. En segundo lugar, la síntesis de la nueva proteína del receptor de LDL se reduce al disminuir la expresión del gen del receptor de LDL, lo que limita la entrada adicional de LDL-C en las células. (Nota: como se vio con el gen de la reductasa , la regulación transcripcional del gen del receptor de LDL implica una SRE y una SREBP-2. Esto permite la regulación coordinada de la expresión de estas proteínas). En tercer lugar, si el colesterol no se requiere de inmediato para algunas funciones estructurales, o propósito sintético, es esterificado por acil CoA:colesterol aciltransferasa (ACAT). ACAT transfiere un FA de un acil CoA graso al colesterol, produciendo un éster de colesterilo que puede almacenarse en la célula (fig. 18.22). La actividad de ACAT se potencia en presencia de un aumento del colesterol intracelular. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 3. Captación por los receptores depuradores de macrófagos: además de la vía mediada por receptores altamente específica y regulada para la captación de LDL descrita anteriormente, los macrófagos poseen altos niveles de actividad de receptores depuradores (SR). Estos receptores, conocidos como receptores depuradores de clase A (SRA), pueden unirse a una amplia gama de ligandos y mediar en la endocitosis de LDL modificadas químicamente en las que se ha oxidado el componente lipídico o apo B. A diferencia del receptor de LDL, el SR no se regula a la baja en respuesta al aumento del colesterol intracelular. Los ésteres de colesterilo se acumulan en los macrófagos y provocan su transformación en células “espumosas”, que participan en la formación de la placa aterosclerótica (fig. 18.23). El LDL-C es la causa principal de la aterosclerosis. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.20 Composición de las partículas de lipoproteínas plasmáticas. Tenga en cuenta la alta concentración de colesterol y ésteres de colesterilo en LDL. Figura 18.21 Captación celular y degradación de partículas de lipoproteínas de baja densidad (LDL). (Nota: el suministro excesivo de colesterol acelera la degradación de la HMG CoA reductasa. También disminuye la transcripción de su gen como se ve con el receptor de LDL). ACAT = acil CoA: colesterol aciltransferasa; HMG CoA = hidroximetilglutaril coenzima A; ARNm = ARN mensajero. E. Metabolismo de lipoproteínas de alta densidad Las HDL comprenden una familia heterogénea de lipoproteínas con un metabolismo complejo que aún no se comprende por completo. Las partículas de HDL se forman en la sangre por la ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google adición de lípidos a la apo A-1, una apolipoproteína producida y secretada por el hígado y el intestino. Apo A-1 representa ~70% de las apolipoproteínas en HDL. Los HDL realizan una serie de funciones importantes, incluidas las siguientes. 1. Suministro de apolipoproteínas: las partículas de HDL sirven como reservorio circulante de apo C-II (la apolipoproteína que se transfiere a VLDL y quilomicrones y es un activador de LPL) y apo E (la apolipoproteína requerida para la endocitosis mediada por receptores de IDL y quilomicrones). restos). 2. Captación de colesterol no esterificado: las HDL nacientes son partículas en forma de disco que contienen principalmente fosfolípidos (principalmente PC) y apo A, C y E. Captan colesterol de tejidos no hepáticos (periféricos) y lo devuelven al hígado como ésteres de colesterilo (Fig. 18.24). (Nota: las partículas de HDL son excelentes aceptoras de colesterol no esterificado como resultado de su alta concentración de fosfolípidos, que son importantes solubilizantes del colesterol). Figura 18.22 Síntesis de éster de colesterilo intracelular por ACAT. (Nota: lecitina: colesterol acil transferasa [LCAT] es la enzima extracelular que esterifica el colesterol usando fosfatidilcolina [lecitina] como fuente del ácido graso). CoA = coenzima A. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 3. Esterificación del colesterol: el colesterol absorbido por las HDL es esterificado inmediatamente por la enzima plasmática lecitina:colesterolaciltransferasa (LCAT, también conocida como PCAT, en la que P significa PC, la fuente de la FA). Esta enzima es sintetizada y secretada por el hígado. LCAT se une a HDL naciente y es activado por apo AI. LCAT transfiere los FA del carbono 2 de PC al colesterol. Esto produce un éster de colesterilo hidrófobo, que se secuestra en el núcleo de las HDL, y lisofosfatidilcolina, que se une a la albúmina. (Nota: la esterificación mantiene el gradiente de concentración de colesterol, lo que permite la salida continua de colesterol a las HDL). A medida que las HDL discoidales nacientes acumulan ésteres de colesterilo, primero se convierten en una HDL3 esférica, relativamente pobre en ésteres de colesterilo y, finalmente, en una HDL2 rica en ésteres de colesterilo. partícula que lleva estos ésteres al hígado. La lipasa hepática, que degrada TAG y fosfolípidos, participa en la conversión de HDL2 a HDL3 (v . fig. 18.24). CETP transfiere algunos de los ésteres de colesterol de HDL a VLDL a cambio de TAG, lo que alivia la inhibición de LCAT por parte del producto. Debido a que las VLDL se catabolizan a LDL, los ésteres de colesterilo transferidos por la CETP finalmente son captados por el hígado. 4. Transporte inverso de colesterol: la transferencia selectiva de colesterol de las células periféricas a las HDL y de las HDL al hígado para la síntesis o eliminación de ácidos biliares a través de la bilis es un componente clave de la homeostasis del colesterol. Este proceso de transporte inverso de colesterol (RCT) es, en parte, la base de la relación inversa observada entre la concentración de HDL en plasma y la aterosclerosis y para la designación de HDL como el transportador de colesterol "bueno". (Nota: el ejercicio y el estrógeno elevan los niveles de HDL). RCT implica la salida de colesterol de las células periféricas a las HDL, la esterificación del colesterol por LCAT, la unión de las HDL ricas en éster de colesterilo (HDL2) al hígado (y, quizás, a las células esteroidogénicas) , transferencia selectiva de los ésteres de colesterilo a estas células y liberación de HDL empobrecido en lípidos (HDL3). La salida de colesterol de las células periféricas está mediada principalmente por la proteína de transporte ABCA1. (Nota: la enfermedad de Tangier es una deficiencia muy rara de ABCA1 y se caracteriza por la ausencia virtual de partículas HDL debido a la degradación de la apo A-1 pobre en lípidos). La captación de éster de colesterilo por parte del hígado está mediada por el receptor barredor de receptores de superficie celular clase B tipo 1 (SR-B1) que se une a HDL (ver la Sección VI D3 para los receptores SR-A). La partícula de HDL en sí no se absorbe. En cambio, hay una captación selectiva del éster de colesterilo de la partícula de HDL. (Nota: el HDL C bajo es un factor de riesgo para la aterosclerosis). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.23 Papel de las partículas de lipoproteínas de baja densidad (LDL) oxidadas en la formación de placa en una pared arterial. Figura 18.24 Metabolismo de partículas de lipoproteínas de alta densidad (HDL). Apo = apolipoproteína; ABCA1 = proteína de transporte de cassette de unión a ATP; C = colesterol; CE = éster de colesterilo; LCAT = lecitina:colesterolaciltransferasa; VLDL, IDL y LDL = lipoproteínas de densidad muy baja, intermedia y baja; CETP = proteína de transferencia de éster de colesterilo; SR-B1 = receptor depurador B1. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ABCA1 es una proteína de casete de unión a ATP (ABC). Las proteínas ABC utilizan la energía de la hidrólisis de ATP para transportar materiales, incluidos los lípidos, dentro y fuera de las células ya través de los compartimentos intracelulares. Además de la enfermedad de Tangier, los defectos en proteínas ABC específicas dan como resultado sitosterolemia, fibrosis quística, adrenoleucodistrofia ligada al cromosoma X, síndrome de dificultad respiratoria debido a la disminución de la secreción de surfactante y enfermedad hepática debido a la disminución de la secreción de sales biliares. F. Lipoproteína (a) y cardiopatía Lp(a), tiene una estructura casi idéntica a una partícula LDL. Su característica distintiva es la presencia de una molécula de apolipoproteína adicional, apo(a), que está unida covalentemente en un solo sitio a la apo B-100. La apo(a) es estructuralmente homóloga al plasminógeno, el precursor de una proteasa sanguínea cuyo objetivo es la fibrina. La fibrina es el principal componente proteico de los coágulos sanguíneos (ver Capítulo 35). La Lp(a) es un factor de riesgo independiente de enfermedad coronaria. El componente apo(a) de las partículas de Lp(a) está indicado para promover la aterogénesis. Los niveles circulantes de Lp(a) están determinados principalmente por la genética. Sin embargo, la dieta puede desempeñar algún papel, ya que se ha informado que los ácidos grasos trans aumentan la Lp(a). Por otro lado, la niacina reduce la Lp(a), así como el LDL C y el TAG, pero eleva el HDL-C. VIII. HORMONAS ESTEROIDES El colesterol es el precursor de todas las clases de hormonas esteroides: glucocorticoides (p. ej., cortisol), mineralocorticoides (p. ej., aldosterona) y hormonas sexuales (p. ej., andrógenos, estrógenos y progestágenos), como se muestra en la figura 18.25. (Nota: los glucocorticoides y los mineralocorticoides se denominan colectivamente corticosteroides). La síntesis y la secreción se producen en la corteza suprarrenal (cortisol, aldosterona y andrógenos), los ovarios y la placenta (estrógenos y progestágenos) y los testículos (testosterona). Las hormonas esteroides son transportadas por la sangre desde sus sitios de síntesis hasta sus órganos diana. Debido a su hidrofobicidad, deben formar complejos con una proteína plasmática. La albúmina puede actuar como un portador inespecífico y transporta aldosterona. Sin embargo, las proteínas plasmáticas transportadoras de esteroides específicas se unen a las hormonas esteroides con más fuerza que la albúmina (p. ej., la globulina transportadora de corticosteroides, o transcortina, es responsable del transporte de cortisol). Varias enfermedades genéticas son causadas por deficiencias en pasos específicos en la biosíntesis de hormonas esteroides. Algunas enfermedades representativas se describen en la figura A. Síntesis La síntesis implica el acortamiento de la cadena hidrocarbonada del colesterol y la hidroxilación del núcleo esteroideo. La reacción inicial y limitante de la velocidad convierte el colesterol en pregnenolona de 21 carbonos. Es catalizada por la enzima de escisión de la cadena lateral del colesterol, una oxidasa de función mixta del citocromo P450 (CYP) de la membrana mitocondrial interna que también se conoce como P450scc y desmolasa. Se requieren NADPH y O2 para la reacción. El sustrato de colesterol puede sintetizarse recientemente, tomarse de lipoproteínas o liberarse por una esterasa de ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ésteres de colesterilo almacenados en el citosol de los tejidos esteroidogénicos. El colesterol se mueve a la membrana mitocondrial externa. Un punto de control importante es el movimiento posterior de la membrana mitocondrial externa a la interna. Este proceso está mediado por la proteína reguladora aguda esteroidogénica (StAR). La pregnenolona es el compuesto original de todas las hormonas esteroides (v . fig. 18.26). Se oxida y luego se isomeriza a progesterona, que luego se modifica a otras hormonas esteroides mediante reacciones de hidroxilación catalizadas por la proteína CYP en el SER y las mitocondrias. Un defecto en la actividad o cantidad de una enzima en esta vía puede conducir a una deficiencia en la síntesis de hormonas más allá del paso afectado y a un exceso de hormonas o metabolitos antes de ese paso. Dado que todos los miembros de la vía tienen una actividad biológica potente, se producen desequilibrios metabólicos graves con las deficiencias enzimáticas (v . fig. 18.26). En conjunto, estos trastornos se conocen como hiperplasia suprarrenal congénita (CAH), porque dan como resultado glándulas suprarrenales agranda (Nota: la enfermedad de Addison, debido a la destrucción autoinmune de la corteza suprarrenal, se caracteriza por insuficiencia adrenocortical). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.25 Hormonas esteroides clave. B. Hormonas esteroides corticales suprarrenales Las hormonas esteroides se sintetizan y secretan en respuesta a señales hormonales. Los corticosteroides y los andrógenos se fabrican en diferentes regiones de la corteza suprarrenal y se secretan a la sangre en respuesta a diferentes señales. (Nota: la médula suprarrenal produce catecolaminas [consulte el Capítulo 21].) Figura 18.26 Síntesis de hormonas esteroides y enfermedades asociadas. (Nota: la 3-ÿ-hidroxiesteroide deshidrogenasa, CYP17 y CYP11B2 son enzimas multifuncionales. La síntesis de testosterona y estrógenos ocurre principalmente fuera de la glándula suprarrenal). NADPH = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; CYP = citocromo P450. 1. Cortisol: su producción en la capa media (zona fasciculada) de la corteza suprarrenal está controlada por el hipotálamo, al que está unida la glándula pituitaria (fig. 18.27). En respuesta a un estrés intenso (p. ej., una infección), la hormona liberadora de corticotropina (CRH), producida por el hipotálamo, viaja a través de los capilares hasta el lóbulo anterior de la hipófisis, donde induce la producción y secreción de la hormona adrenocorticotrópica (ACTH), un péptido La ACTH estimula la corteza suprarrenal para sintetizar y secretar el glucocorticoide cortisol, la hormona del estrés. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google (Nota: la ACTH se une a un receptor acoplado a proteína G de membrana, lo que da como resultado la producción de AMP cíclico [cAMP] y la activación de la proteína cinasa A [PKA]. La PKA fosforila y activa tanto la esterasa que convierte el éster de colesterilo en colesterol libre como la proteína StAR. ) El cortisol permite que el cuerpo responda al estrés a través de sus efectos sobre el metabolismo intermediario (p. ej., aumento de la gluconeogénesis) y las respuestas inflamatoria e inmunitaria (que disminuyen). A medida que aumentan los niveles de cortisol, se inhibe la liberación de CRH y ACTH. (Nota: la reducción de cortisol en CAH da como resultado un aumento de ACTH que causa hiperplasia suprarrenal). 2. Aldosterona: Su producción en la capa externa (zona glomerulosa) de la relación suprarrenal y +por corteza es inducida por una disminución en el plasma Na +/potasio (K la hormona angiotensina II (Ang-II). Ang-II (un octapéptido) se produce a partir de la angiotensina I ([Ang-I] un decapéptido) por la enzima convertidora de angiotensina (ACE), una enzima que se encuentra predominantemente en los pulmones pero que también se distribuye ampliamente en el cuerpo. (Nota: la Ang-I se produce en la sangre por la escisión de un precursor inactivo, el angiotensinógeno, secretado por el hígado. La escisión es catalizada por la renina, producida y secretada por los riñones). La Ang-II se une a los receptores de la superfi Sin embargo, a diferencia de la ACTH, sus efectos están mediados por la vía del fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato y no por el AMPc. El efecto principal de la aldosterona tiene + (fig. de lugar en los túbulos renales, donde estimula la captación de Na y agua y la excreción 18.28). K + competitivos (Nota: un efecto de la aldosterona dees la un ECA aumento se usandepara la presión tratar laarterial. hipertensión Los inhibidores dependiente de la renina). 3. Andrógenos: tanto la capa interna (zona reticularis) como la media de la corteza suprarrenal producen andrógenos, principalmente dehidroepiandrosterona y androstenediona. Aunque los andrógenos suprarrenales en sí mismos son débiles, la aromatasa (CYP19) los convierte en testosterona, un andrógeno más fuerte, en los testículos y en estrógenos en los ovarios (principalmente) de las mujeres premenopáusicas. (Nota: las mujeres posmenopáusicas producen estrógeno en sitios extragonadales, como el seno. Los inhibidores de la aromatasa se usan en el tratamiento del cáncer de seno sensible al estrógeno en estas mujeres). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.27 Estimulación hormonal hipofisaria de la síntesis y secreción de hormonas esteroides. C. Hormonas esteroides gonadales Los testículos y los ovarios (gónadas) sintetizan las hormonas necesarias para la diferenciación sexual y la reproducción. Un único factor liberador hipotalámico, la hormona liberadora de gonadotropina, estimula la hipófisis anterior para que libere las glucoproteínas hormona luteinizante (LH) y hormona estimulante del folículo (FSH). Al igual que la ACTH, la LH y la FSH se unen a los receptores de superficie y provocan un aumento del AMPc. La LH estimula los testículos para producir testosterona y los ovarios para producir estrógenos y progesterona (v . fig. 18.28). La FSH regula el crecimiento de los folículos ováricos y estimula la espermatogénesis testicular. D. Mecanismo Cada hormona esteroide se difunde a través de la membrana plasmática de su célula diana y se une a un receptor citosólico o nuclear específico. Estos complejos receptor-ligando se acumulan en el núcleo, se dimerizan y se unen a secuencias de ADN reguladoras específicas (elementos de respuesta hormonal [HRE]) en asociación con proteínas coactivadoras, lo que provoca un aumento de la transcripción de genes específicos (fig. 18.29). Un HRE se encuentra en el promotor o en un elemento potenciador ( capítulo 31) para genes que responden a una hormona esteroide específica, lo que garantiza la regulación coordinada de estos genes. Los complejos hormona-receptor también pueden inhibir la transcripción en asociación con correpresores. (Nota: la unión de una hormona a su receptor provoca un cambio conformacional en el receptor que descubre su dominio de unión al ADN, lo que permite que el complejo interactúe a través de un motivo de dedo de zinc con la secuencia de ADN apropiada. Los receptores de las hormonas esteroides, además de los para la hormona tiroidea, el ácido retinoico y el 1,25-dihidroxicolecalciferol [vitamina D], son miembros de una superfamilia de reguladores de genes estructuralmente relacionados que funcionan de manera similar). E. Metabolismo adicional Las hormonas esteroides generalmente se convierten en productos de excreción metabólica inactiva en el hígado. Las reacciones incluyen la reducción de enlaces insaturados y la introducción de grupos hidroxilo adicionales. Las estructuras resultantes se vuelven más solubles por conjugación con ácido glucurónico o sulfato (de 3ÿ-fosfoadenosil-5ÿ-fosfosulfato). Estos metabolitos conjugados son bastante solubles en agua y no necesitan proteínas portadoras. Se eliminan en heces y orina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.28 + Acciones de las hormonas esteroides. N / A = sodio; k + = potasio. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VIII. Resumen del capítulo El colesterol es un compuesto hidrofóbico, con un solo grupo hidroxilo al que se puede unir un FA, produciendo un éster de colesterilo aún más hidrofóbico. El colesterol es sintetizado por prácticamente todos los tejidos humanos, aunque principalmente por el hígado, el intestino, la corteza suprarrenal y los tejidos reproductivos. La síntesis requiere enzimas del citosol, SER y peroxisomas. El paso limitador de la velocidad y regulado en la síntesis de colesterol es la HMG CoA reductasa catalizada, que produce mevalonato a partir de la HMG CoA. La HMG CoA reductasa está altamente regulada por varios mecanismos: (1) a través del factor de transcripción, SREBP-2; (2) degradación acelerada de la proteína cuando los niveles de colesterol son altos; (3) fosforilación que provoca la inactivación de la enzima por AMPK; y (4) regulación hormonal por insulina y glucagón. Las estatinas son inhibidores competitivos de la HMG CoA reductasa. Estos medicamentos se utilizan para disminuir el colesterol plasmático en pacientes con hipercolesterolemia. La estructura de anillo del colesterol no se puede degradar en humanos. Se elimina del cuerpo ya sea por conversión a sales biliares o por secreción en la bilis. El paso limitante de la velocidad en la síntesis de ácidos biliares es catalizado por la colesterol-7-ÿ-hidroxilasa, que es inhibida por los ácidos biliares. Antes de que los ácidos biliares abandonen el hígado, se conjugan. Los ácidos biliares conjugados se conocen como sales biliares que están más ionizadas y son más solubles en agua que los ácidos biliares en el pH alcalino de la bilis. Las bacterias intestinales modifican las sales biliares produciendo las sales biliares secundarias. Las sales biliares se reabsorben eficientemente (>95%) y regresan al hígado por circulación enterohepática. Los secuestrantes de ácidos biliares reducen la circulación enterohepática de las sales biliares. Si ingresa a la bilis más colesterol del que puede ser solubilizado por las sales biliares y PC disponibles, puede ocurrir la enfermedad de cálculos biliares de colesterol (colelitiasis) . Las lipoproteínas plasmáticas (v . fig. 18.30) incluyen quilomicrones, VLDL, IDL, LDL y HDL. Funcionan para mantener los lípidos solubles mientras los transportan entre los tejidos. Las lipoproteínas están compuestas de TAG y ésteres de colesterilo en el núcleo rodeado por una cubierta de apolipoproteínas anfipáticas, fosfolípidos y colesterol no esterificado. Los quilomicrones se ensamblan en las células de la mucosa intestinal a partir de los lípidos de la dieta. Cada partícula de quilomicrón naciente tiene una molécula de apo B-48. Debido a su gran tamaño, los quilomicrones se liberan de las células al sistema linfático y viajan a la sangre. La apo C-II activa la LPL endotelial, que degrada el TAG en quilomicrones a FA y glicerol. Los FA que se liberan se almacenan en el tejido adiposo o se utilizan como energía en el músculo. El glicerol es metabolizado por el hígado. Una vez que se elimina la mayor parte del TAG, el remanente de quilomicrones, que transporta la mayor parte del colesterol de la dieta, se une a un receptor hepático que reconoce la apo E. Los pacientes con una deficiencia de LPL o apo C-II muestran una acumulación dramática de quilomicrones en el plasma (hiperlipoproteinemia tipo I o quilomicronemia familiar) incluso si están en ayunas. Las VLDL nacientes se producen en el hígado y están compuestas predominantemente por TAG. Contienen una sola molécula de apo B-100. Las VLDL transportan TAG hepático a los tejidos periféricos donde la LPL degrada el lípido. La partícula VLDL recibe ésteres de colesterilo de HDL a cambio de TAG. Este proceso lo lleva a cabo el CETP. Las VLDL en el plasma primero se convierten en IDL y luego en LDL. Apo B-100 en LDL es reconocido por el receptor de LDL que da como resultado la endocitosis de LDL mediada por receptor. El contenido de LDL se degrada en los lisosomas y el receptor de LDL se recicla. La proteasa PCSK9 impide el reciclaje del receptor. La captación defectuosa de estos remanentes de quilomicrones e IDL causa hiperlipoproteinemia tipo III o disbetalipoproteinemia. Los defectos en la síntesis de los receptores de LDL funcionales provocan una hiperlipoproteinemia (FH) de tipo II . ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Las HDL se crean mediante la lipidación de la apo A-1 sintetizada en el hígado y el intestino. Tienen varias funciones, entre ellas (1) servir como reservorio circulante de apo C-II y apo E para quilomicrones y VLDL; (2) eliminar el colesterol de los tejidos periféricos a través de ABCA1 y esterificarlo usando LCAT, una enzima plasmática sintetizada por el hígado que es activada por la apo A-1; y (3) administrar estos ésteres de colesterilo al hígado (RCT) para su absorción a través de SRB1. El colesterol es el precursor de todas las clases de hormonas esteroides, que incluyen glucocorticoides, mineralocorticoides y hormonas sexuales. La síntesis se produce en la corteza suprarrenal (los glucocorticoides, los mineralocorticoides y los andrógenos), las gónadas y la placenta. El paso inicial y limitante de la velocidad es la conversión de colesterol en pregnenolona por la enzima de escisión de la cadena lateral P450scc . Las deficiencias en la síntesis conducen a CAH. Cada hormona esteroide se une a un receptor intracelular específico en su célula diana. Estos complejos receptorhormona se unen a secuencias reguladoras específicas de ADN (HRE) en asociación con proteínas coactivadoras/ correpresoras, regulando así la transcripción de genes específicos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 18.29 Activación de la transcripción por interacción del complejo hormona esteroidea-receptor con el elemento de respuesta hormonal (HRE). El receptor contiene dominios que se unen a la hormona, el ADN y las proteínas coactivadoras. ARNm = ARN mensajero. Figura 18.30 Mapa conceptual del colesterol y las lipoproteínas. HMG CoA = hidroximetilglutaril coenzima A; SREBP = proteína de unión al elemento regulador de esteroles; HDL, LDL y VLDL = lipoproteínas de alta, baja y muy baja densidad; TAG = triacilglicerol; NADPH = fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina; C = carbono. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 18.1 Se modificaron genéticamente ratones para que contuvieran hidroximetilglutaril coenzima A reductasa en la que la serina 871, un sitio de fosforilación, se reemplazó por alanina. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la forma modificada de la enzima es más probable que sea correcta? A. La enzima no responde al agotamiento de ATP. B. La enzima no responde a las estatinas. C. La enzima no responde a la proteína de unión al elemento de respuesta a esteroles-elemento de respuesta a esteroles sistema. D. La enzima no puede ser degradada por el sistema ubiquitina-proteasoma. Respuesta correcta = A. La reductasa está regulada por fosforilación y desfosforilación covalentes. El agotamiento de ATP da como resultado un aumento en el monofosfato de adenosina (AMP), que activa la AMP quinasa (AMPK), fosforilando e inactivando así la reductasa. En ausencia de la serina, un sitio de fosforilación común, la AMPK no puede fosforilar la enzima. La enzima también se regula fisiológicamente a través de cambios en la transcripción y degradación y farmacológicamente por las estatinas (inhibidores competitivos), pero ninguno de estos depende de la fosforilación de la serina. 18.2 Calcule la cantidad de colesterol en las lipoproteínas de baja densidad en un individuo cuya sangre en ayunas arrojó los siguientes resultados de la prueba de panel de lípidos: colesterol total = 300 mg/dl, colesterol de lipoproteínas de alta densidad = 25 mg/dl, triglicéridos = 150 mg /dl. A. 55 mg/dl B. 95 mg/dl C. 125 mg/dl D. 245 mg/dl Respuesta correcta = D. El colesterol total en la sangre de una persona en ayunas es igual a la suma del colesterol de las lipoproteínas de baja densidad más el colesterol de las lipoproteínas de alta densidad más el colesterol de las lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL). Este último término se calcula dividiendo el valor de triacilglicerol por 5 porque el colesterol representa alrededor de una quinta parte del volumen de VLDL en sangre en ayunas. Para las Preguntas 18.3 y 18.4, use el siguiente escenario. Una mujer joven con antecedentes de dolor abdominal intenso fue llevada a su hospital local a las 5 a.m. con gran angustia. Se extrajo sangre y el plasma apareció lechoso, con un nivel de triacilglicerol >2000 mg/dl (normal = 4 a 150 mg/dl). El paciente recibió una dieta extremadamente limitada en grasas pero suplementada con triglicéridos de cadena media. 18.3 ¿Cuál de las siguientes partículas de lipoproteínas es más probable que sea responsable de la aparición de la piel del paciente? ¿plasma? A. Quilomicrones B. Lipoproteínas de alta densidad C. Lipoproteínas de densidad intermedia D. Lipoproteínas de baja densidad E. Lipoproteínas de muy baja densidad Respuesta correcta = A. La apariencia lechosa de su plasma fue el resultado de quilomicrones ricos en triacilglicerol. Debido a que presumiblemente las 5 a. m. son varias horas después de la cena, la paciente debe tener dificultades para degradar estas partículas de lipoproteínas. Las lipoproteínas de densidad intermedia, baja y alta contienen principalmente ésteres de colesterol y, si una o más de estas partículas estuvieran elevadas, causarían hipercolesterolemia. Las lipoproteínas de muy baja densidad no provocan el aspecto lechoso descrito del plasma. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 18.4 ¿Cuál de las siguientes proteínas es más probable que sea deficiente en este paciente? A. Apolipoproteína AI B. Apolipoproteína B-48 C. Apolipoproteína C-II D. Proteína de transferencia de éster de colesterilo E. Proteína de transferencia de triglicéridos microsomales Respuesta correcta = C. El triacilglicerol (TAG) en los quilomicrones es degradado por la lipoproteína lipasa endotelial (LPL), que requiere apolipoproteína (apo) C-II como coenzima. La deficiencia de LPL o apo C-II da como resultado una capacidad reducida para degradar los quilomicrones a sus remanentes, que se eliminan (a través de la apo E) por los receptores hepáticos. Apo AI es la coenzima de la lecitina:colesterolaciltransferasa; apo B-48 es la proteína estructural característica de los quilomicrones; la proteína de transferencia de éster de colesterilo cataliza el intercambio de éster de colesterilo-TAG entre lipoproteínas de alta densidad y de muy baja densidad (VLDL); y la proteína microsomal de transferencia de triglicéridos está involucrada en la formación, no en la degradación, de quilomicrones (y VLDL). 18.5 Complete la siguiente tabla para una persona con deficiencia clásica de 21-ÿ-hidroxilasa en relación con una persona normal individual. Variable Aumentó Disminuido aldosterona androstenediona cortisol glucosa en sangre Hormona adrenocorticotrópica Presión arterial ¿Cómo podrían cambiar los resultados si este individuo tuviera deficiencia de 17-ÿ-hidroxilasa, en lugar de 21-ÿ-hidroxilasa? La deficiencia clásica de 21-ÿ-hidroxilasa hace que los mineralocorticoides (aldosterona) y los glucocorticoides (cortisol) estén prácticamente ausentes. Debido a que la aldosterona aumenta la presión arterial y el cortisol aumenta la glucosa en sangre, sus deficiencias dan como resultado una disminución de la presión arterial y la glucosa en sangre, respectivamente. El cortisol normalmente se retroalimenta para inhibir la liberación de la hormona adrenocorticotrópica (ACTH) por la hipófisis y, por lo tanto, su ausencia da como resultado una elevación de la ACTH. La pérdida de 21-ÿ-hidroxilasa empuja a la progesterona y la pregnenolona a la síntesis de andrógenos y, por lo tanto, hace que aumenten los niveles de androstenediona. Con deficiencia de 17-ÿ-hidroxilasa, la síntesis de hormonas sexuales estaría disminuida. La producción de mineralocorticoides aumentaría, lo que llevaría a la hipertensión. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google UNIDAD IV: Metabolismo del Nitrógeno ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Aminoácidos: eliminación de nitrógeno 19 I. VISIÓN GENERAL A diferencia de las grasas y los carbohidratos, el cuerpo no almacena los aminoácidos. Es decir, no existe ninguna proteína cuya única función sea mantener un suministro de aminoácidos para uso futuro. Por lo tanto, los aminoácidos deben obtenerse de la dieta, sintetizarse de novo o producirse a partir de la degradación de las proteínas corporales. Cualquier aminoácido que exceda las necesidades biosintéticas de la célula se degrada rápidamente. La primera fase del catabolismo implica la eliminación de los grupos ÿ-amino (generalmente por transaminación y posterior desaminación oxidativa), formando amoníaco y los correspondientes ÿ-cetoácidos, los esqueletos de carbono de los aminoácidos. Una parte del amoníaco libre se excreta en la orina, pero la mayor parte se utiliza en la síntesis de urea (fig. 19.1), que es cuantitativamente la ruta más importante para eliminar el nitrógeno del cuerpo. En la segunda fase del catabolismo de los aminoácidos, descrita en el capítulo 20, los esqueletos de carbono de los ÿ-cetoácidos se convierten en intermediarios comunes de las vías metabólicas productoras de energía. Estos compuestos se pueden metabolizar a dióxido de carbono (CO2 ) y agua (H2O), glucosa, ácidos grasos o cuerpos cetónicos mediante las vías centrales del metabolismo descritas en los capítulos 8 a 13 y 16. II. METABOLISMO GENERAL DEL NITRÓGENO El catabolismo de aminoácidos es parte del proceso más amplio del metabolismo de las moléculas que contienen nitrógeno. El nitrógeno ingresa al cuerpo en una variedad de compuestos presentes en los alimentos, siendo los más importantes los aminoácidos contenidos en las proteínas de la dieta. El nitrógeno sale del cuerpo en forma de urea, amoníaco y otros productos derivados del metabolismo de los aminoácidos (como la creatinina, véase la pág. 320). El papel de las proteínas corporales en estas transformaciones implica dos conceptos importantes: el conjunto de aminoácidos y el recambio de proteínas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.1 Ciclo de la urea mostrado como parte de las vías esenciales del metabolismo energético. (Nota: Fig. 8.2, pág. 101, para un mapa más detallado del metabolismo.) NH3 = amoníaco; CO2 = dióxido de carbono. A. Grupo de aminoácidos Los aminoácidos libres están presentes en todo el cuerpo, como en las células, la sangre y los fluidos extracelulares. Para el propósito de esta discusión, imagina todos estos aminoácidos como si pertenecieran a una sola entidad, llamada conjunto de aminoácidos. Este grupo es suministrado por tres fuentes: (1) aminoácidos proporcionados por la degradación de proteínas endógenas (corporales), la mayoría de las cuales se reutilizan; (2) aminoácidos derivados de proteínas exógenas (dietéticas); y (3) aminoácidos no esenciales sintetizados a partir de intermediarios simples del metabolismo (fig. 19.2). Por el contrario, la reserva de aminoácidos se agota por tres vías: (1) síntesis de proteínas corporales, (2) consumo de aminoácidos como precursores de moléculas pequeñas que contienen nitrógeno esencial y (3) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google conversión de aminoácidos a glucosa, glucógeno, ácidos grasos y cuerpos cetónicos u oxidación a CO2 + H2O (fig. 19.2). Aunque la reserva de aminoácidos es pequeña (comprende ~90 a 100 g de aminoácidos) en comparación con la cantidad de proteína en el cuerpo (~12 kg en un hombre de 70 kg), es conceptualmente el centro de todo el cuerpo. metabolismo del nitrógeno. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.2 Fuentes y destinos de los aminoácidos. (Nota: el nitrógeno de la degradación de aminoácidos se libera como amoníaco, que se convierte en urea y se excreta). CO2 = dióxido de carbono. En individuos sanos y bien alimentados, la entrada al conjunto de aminoácidos se equilibra con la salida. Es decir, la cantidad de aminoácidos contenidos en el pool es constante. Se dice que la reserva de aminoácidos está en un estado estacionario y que el individuo está en equilibrio de nitrógeno (v. pág. 412). B. Renovación de proteínas La mayoría de las proteínas en el cuerpo se sintetizan constantemente y luego se degradan (se entregan), lo que permite la eliminación de proteínas anormales o innecesarias. Para muchas proteínas, la regulación de la síntesis determina la concentración de proteína en la célula, y la degradación de la proteína asume un papel menor. Para otras proteínas, la tasa de síntesis es constitutiva (es decir, esencialmente constante), y los niveles celulares de la proteína están controlados por degradación selectiva. 1. Tasa: en adultos sanos, la cantidad total de proteína en el cuerpo permanece constante porque la tasa de síntesis de proteína es suficiente para reemplazar la proteína que se degrada. Este proceso, llamado renovación de proteínas, conduce a la hidrólisis y resíntesis de 300 a 400 g de proteína corporal por día. La tasa de recambio de proteínas varía ampliamente para las proteínas individuales. Las proteínas de vida corta (p. ej., muchas proteínas reguladoras y proteínas mal plegadas) se degradan rápidamente y tienen vidas medias medidas en minutos u horas. Las proteínas de larga duración, con vidas medias de días a semanas, constituyen la mayoría de las proteínas en la célula. Las proteínas estructurales, como el colágeno, son metabólicamente estables y tienen vidas medias medidas en meses o años. 2. Degradación de proteínas: hay dos sistemas enzimáticos principales responsables de la degradación de proteínas: el sistema de ubiquitina (Ub)-proteosoma dependiente de ATP del citosol y el sistema de enzimas degradantes independiente de ATP de los lisosomas. Los proteosomas degradan selectivamente las proteínas dañadas o de vida corta. Los lisosomas utilizan hidrolasas ácidas (v. pág. 178) para degradar de manera no selectiva las proteínas intracelulares (autofagia) y las proteínas extracelulares (heterofagia), como las proteínas plasmáticas que ingresan a la célula por endocitosis. una. Sistema ubiquitina-proteasoma: las proteínas seleccionadas para la degradación por el sistema Ubproteasoma citosólico primero se modifican mediante la unión covalente de Ub, una proteína pequeña, globular, no enzimática que está muy conservada en las especies eucariotas. La ubiquitinación del sustrato objetivo ocurre a través del enlace isopeptídico del grupo ÿ-carboxilo de la glicina C-terminal de Ub al grupo ÿ-amino de una lisina en el sustrato proteico mediante un proceso de tres pasos, catalizado por enzimas, dependiente de ATP. . (Nota: la enzima 1 [E1, una enzima activadora] activa Ub, que luego se transfiere a E2 [una enzima de conjugación]. E3 [una ligasa] identifica la proteína que se va a degradar y ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google interactúa con E2-Ub. Hay muchas más proteínas E3 que E1 o E2). La adición consecutiva de cuatro o más moléculas de Ub a la proteína diana genera una cadena de poliubiquitina. Las proteínas marcadas con cadenas Ub son reconocidas por un gran complejo macromolecular proteolítico en forma de barril llamado proteasoma (fig. 19.3). El proteasoma se despliega, desubiquitina y corta la proteína diana en fragmentos que luego son degradados aún más por las proteasas citosólicas a aminoácidos, que ingresan al grupo de aminoácidos. La Ub se recicla. Cabe señalar que la degradación selectiva de proteínas por el complejo Ub-proteosoma (a diferencia de la hidrólisis simple por enzimas proteolíticas) requiere la hidrólisis de ATP. b. Señales de degradación: debido a que las proteínas tienen diferentes vidas medias, está claro que la degradación de la proteína no puede ser aleatoria sino que, más bien, está influenciada por algún aspecto estructural de la proteína que sirve como señal de degradación, que es reconocida y unida por un E3. La vida media de una proteína también está influenciada por el residuo amino (N)-terminal, la llamada regla del extremo N, y varía de minutos a horas. Los aminoácidos N-terminales desestabilizantes incluyen arginina y aminoácidos modificados postraduccionalmente como la alanina acetilada. Por el contrario, la serina es un aminoácido estabilizador. Además, las proteínas ricas en secuencias que contienen prolina, glutamato, serina y treonina (llamadas secuencias PEST por las designaciones de una letra para estos aminoácidos) se ubiquitinan y degradan rápidamente y, por lo tanto, tienen vidas medias cortas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.3 Vía de degradación de proteínas por ubiquitina-proteasoma. AMP = monofosfato de adenosina; PPi = pirofosfato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google tercero DIGESTIÓN DE PROTEÍNAS DIETÉTICAS La mayor parte del nitrógeno de la dieta se consume en forma de proteínas, por lo general de 70 a 100 g/día en la dieta estadounidense (fig. 19.2). Las proteínas son generalmente demasiado grandes para ser absorbidas por el intestino. (Nota: un ejemplo de una excepción a esta regla es que los recién nacidos pueden absorber anticuerpos maternos en la leche materna). Por lo tanto, las proteínas deben hidrolizarse para producir dipéptidos y tripéptidos, así como aminoácidos individuales, que pueden absorberse. Las enzimas proteolíticas responsables de degradar las proteínas son producidas por tres órganos diferentes: el estómago, el páncreas y el intestino delgado (fig. 19.4). A. Digestión por secreción gástrica La digestión de las proteínas comienza en el estómago, que secreta jugo gástrico, una solución única que contiene ácido clorhídrico (HCl) y la proenzima pepsinógeno. 1. Ácido clorhídrico: el HCl del estómago está demasiado diluido (pH 2 a 3) para hidrolizar las proteínas. El ácido, secretado por las células parietales del estómago, funciona matando algunas bacterias y desnaturalizando las proteínas, haciéndolas así más susceptibles a la subsiguiente hidrólisis por proteasas. 2. Pepsina: esta endopeptidasa ácido estable es secretada por las células principales del estómago como un zimógeno (o proenzima) inactivo, pepsinógeno. (Nota: en general, los zimógenos contienen aminoácidos adicionales en sus secuencias que les impiden ser catalíticamente activos. La eliminación de estos aminoácidos permite el plegamiento adecuado requerido para una enzima activa). En presencia de HCl, el pepsinógeno sufre un cambio conformacional que le permite escindirse (autocatálisis) a la forma activa, la pepsina, que libera polipéptidos y algunos aminoácidos libres de las proteínas de la dieta. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.4 Digestión de proteínas dietéticas por las enzimas proteolíticas del tracto gastrointestinal. BCAA = aminoácidos de cadena ramificada. B. Digestión por enzimas pancreáticas Al ingresar al intestino delgado, los polipéptidos producidos en el estómago por la acción de la pepsina se escinden en oligopéptidos y aminoácidos por un grupo de proteasas pancreáticas que incluyen tanto endopeptidasas (que se escinden dentro) como exopeptidasas (que cortan en un extremo). (Nota: el bicarbonato [HCO3 ÿ ], secretado por el páncreas en respuesta a la hormona intestinal secretina, eleva el pH intestinal). 1. Especificidad: cada una de estas enzimas tiene una especificidad diferente para los grupos R de aminoácidos adyacentes al enlace peptídico susceptible (fig. 19.5). Por ejemplo, la tripsina se escinde solo cuando el grupo carbonilo del enlace peptídico es aportado por arginina o lisina. Estas enzimas, como la pepsina descrita anteriormente, se sintetizan y secretan como zimógenos inactivos. 2. Liberación de zimógenos: la liberación y activación de los zimógenos pancreáticos están mediadas por la secreción de colecistoquinina, una hormona polipeptídica del intestino delgado (v. pág. 194). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.5 Desdoblamiento de proteína dietética en el intestino delgado por proteasas pancreáticas. Se muestran los enlaces peptídicos susceptibles de hidrólisis para cada una de las cinco proteasas pancreáticas principales. (Nota: las tres primeras son endopeptidasas de serina, mientras que las dos últimas son exopeptidasas. Cada una se produce a partir de un zimógeno inactivo). 3. Activación de zimógeno: la enteropeptidasa (también llamada enteroquinasa), una serina proteasa sintetizada por y presente en la superficie luminal (apical) de las células de la mucosa intestinal (enterocitos) del borde en cepillo, convierte el zimógeno tripsinógeno pancreático en tripsina mediante la eliminación de un hexapéptido del extremo N del tripsinógeno. La tripsina posteriormente convierte otras moléculas de tripsinógeno en tripsina mediante la escisión de un número limitado de enlaces peptídicos específicos en el zimógeno. Por tanto, la enteropeptidasa desencadena una cascada de actividad proteolítica porque la tripsina es el activador común de todos los zimógenos pancreáticos (fig. 19.5). 4. Anormalidades de la digestión: en individuos con una deficiencia en la secreción pancreática (p. ej., debido a pancreatitis crónica, fibrosis quística o extirpación quirúrgica del páncreas), la digestión y absorción de grasas y proteínas son incompletas. Esto da como resultado la aparición anormal de lípidos en las heces (una afección llamada esteatorrea; véase la pág. 196), así como proteínas no digeridas. La enfermedad celíaca (esprue celíaco) es una enfermedad de malabsorción que resulta del daño inmunitario en el intestino delgado en respuesta a la ingestión de gluten (o gliadina producida a partir del gluten), una proteína que se encuentra en el trigo, la cebada y el centeno. C. Digestión de oligopéptidos por enzimas del intestino delgado La superficie luminal de los enterocitos contiene aminopeptidasa, una exopeptidasa que escinde repetidamente el residuo N-terminal de los oligopéptidos para producir péptidos aún más pequeños y aminoácidos libres. D. Absorción intestinal de aminoácidos y péptidos pequeños La mayoría de los aminoácidos libres se introducen en los enterocitos a través del transporte activo secundario dependiente de sodio por las proteínas transportadoras de solutos (SLC) de la membrana apical. Al menos ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Se conocen siete sistemas de transporte diferentes con especificidades de aminoácidos superpuestas. Sin embargo, los dipéptidos y tripéptidos son captados por un transportador de péptidos ligados a protones (PepT1). Luego, los péptidos se hidrolizan a aminoácidos libres. Independientemente de su origen, los aminoácidos libres se liberan desde los enterocitos hacia el sistema porta mediante transportadores independientes de sodio de la membrana basolateral. Por lo tanto, solo los aminoácidos libres se encuentran en la vena porta después de una comida que contiene proteínas. Estos aminoácidos son metabolizados por el hígado o liberados a la circulación general. (Nota: los aminoácidos de cadena ramificada [BCAA] no se metabolizan en el hígado, sino que se envían desde el hígado al músculo a través de la sangre [fig. 19.4]). Figura 19.6 Defecto genético observado en la cistinuria. (Nota: la cistinuria es distinta de la cistinosis, un defecto raro en el transporte de cistina fuera de los lisosomas que da como resultado la formación de cristales de cistina dentro del lisosoma y daño tisular generalizado). E. Anomalías en la absorción El intestino delgado y los túbulos proximales de los riñones tienen transporte común. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google sistemas de captación de aminoácidos. En consecuencia, un defecto en cualquiera de estos sistemas da como resultado una incapacidad para absorber determinados aminoácidos en el intestino y en los túbulos renales. Por ejemplo, un sistema es responsable de la captación de cistina y los aminoácidos dibásicos ornitina, arginina y lisina (representados como CARBÓN). En el trastorno hereditario cistinuria, este sistema de transporte es defectuoso y los cuatro aminoácidos aparecen en la orina (fig. 19.6). La cistinuria ocurre con una frecuencia de 1 en 7000 personas, lo que la convierte en una de las enfermedades hereditarias más comunes y el error genético más común en el transporte de aminoácidos. La enfermedad se expresa clínicamente por la precipitación de cistina para formar cálculos renales (cálculos), que pueden bloquear el tracto urinario. La hidratación oral es una parte importante del tratamiento de este trastorno. (Nota: los defectos en la captación de triptófano por un transportador de aminoácidos neutros pueden provocar el trastorno de Hartnup y síntomas dermatológicos y neurológicos similares a la pelagra [ver pág. 430].) Figura 19.7 Reacción de aminotransferasa usando ÿ-cetoglutarato como aceptor del grupo amino. PLP = fosfato de piridoxal. IV. ELIMINACIÓN DE NITRÓGENO DE AMINOÁCIDOS La presencia del grupo ÿ-amino mantiene a los aminoácidos bloqueados de forma segura frente a la descomposición oxidativa. La eliminación del grupo ÿ-amino es esencial para producir energía a partir de cualquier aminoácido y es un paso obligatorio en el catabolismo de todos los aminoácidos. Una vez eliminado, este nitrógeno puede incorporarse a otros compuestos o excretarse como urea, siendo metabolizados los esqueletos de carbono. Esta sección describe la transaminación y la desaminación oxidativa, reacciones que finalmente proporcionan amoníaco y aspartato, las dos fuentes de nitrógeno ureico (ver pág. 279). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A. Transaminación: canalización de grupos amino para formar glutamato El primer paso en el catabolismo de la mayoría de los aminoácidos es la transferencia de su grupo ÿ-amino a ÿ-cetoglutarato (fig. 19.7), produciendo un ÿ-cetoácido (derivado del aminoácido original) y glutamato (derivado de ÿ-cetoglutarato). cetoglutarato). El cetoácido intermedio del ciclo del ácido cítrico, el ÿ-cetoglutarato, juega un papel fundamental en el metabolismo de los aminoácidos al aceptar los grupos amino de la mayoría de los aminoácidos, convirtiéndose así en su aminoácido estructuralmente relacionado, el glutamato. El glutamato producido por transaminación se puede desaminar oxidativamente (ver B. a continuación) o usarse como donante de grupos amino en la síntesis de aminoácidos no esenciales. Esta transferencia de grupos amino de un esqueleto de carbono a otro está catalizada por una familia de enzimas fácilmente reversibles llamadas aminotransferasas (también llamadas transaminasas). Estas enzimas se encuentran en el citosol y las mitocondrias de las células de todo el cuerpo. Todos los aminoácidos, a excepción de la lisina y la treonina, participan en la transaminación en algún punto de su catabolismo. (Nota: estos dos aminoácidos pierden sus grupos ÿ-amino por desaminación [véanse las págs 1. Especificidad de sustrato: cada aminotransferasa es específica para uno o, como máximo, algunos donantes de grupos amino. Las aminotransferasas reciben su nombre del donante específico del grupo amino, porque el aceptor del grupo amino casi siempre es el cetoglutarato ÿ. Dos importantes reacciones de aminotransferasa son catalizadas por alanina aminotransferasa (ALT) y aspartato aminotransferasa (AST), como se muestra en la figura 19.8. Todas las aminotransferasas requieren la coenzima fosfato de piridoxal (un derivado de la vitamina B6 ; v. pág. 428), que está unida de forma covalente al grupo ÿ-amino de un residuo de lisina específico en el sitio activo de la enzima. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.8 Reacciones catalizadas durante el catabolismo de aminoácidos. A: alanina aminotransferasa (ALT). B: aspartato aminotransferasa (AST). PLP = fosfato de piridoxal. una. Alanina aminotransferasa: la ALT está presente en muchos tejidos. La enzima cataliza la transferencia del grupo amino de la alanina a ÿ-cetoglutarato, lo que da como resultado la formación de piruvato y glutamato. La reacción es fácilmente reversible. Sin embargo, durante el catabolismo de aminoácidos, esta enzima (como la mayoría de las aminotransferasas) funciona en la dirección de la síntesis de glutamato. (Nota: en efecto, el glutamato actúa como un colector de nitrógeno de la mayoría de los aminoácidos). b. Aspartato aminotransferasa: AST es una excepción a la regla de que las aminotransferasas canalizan los grupos amino para formar glutamato. Durante el catabolismo de los aminoácidos, la AST transfiere principalmente grupos amino del glutamato al oxaloacetato, formando ÿ-cetoglutarato y aspartato, respectivamente. El aspartato se utiliza como fuente de nitrógeno en el ciclo de la urea (ver pág. 281). Como otras transaminaciones, la reacción AST es reversible. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.9 Interconversión cíclica de fosfato de piridoxal y fosfato de piridoxamina durante la reacción de aspartato aminotransferasa. = grupo fosfato. 2. Mecanismo: la figura 19.9 muestra las reacciones mecánicas de la transaminación catalizada por AST. Las aminotransferasas actúan transfiriendo el grupo amino de un sustrato de aminoácido (glutamato) a la parte piridoxal de la coenzima para generar fosfato de piridoxamina. El sustrato de aminoácido glutamato se convierte así en un producto de ÿ-cetoácido (ÿ-cetoglutarato). La forma de piridoxamina de la coenzima luego reacciona con un sustrato de ÿ-cetoácido (oxalacetato) para formar un producto de aminoácido (aspartato), al mismo tiempo que regenera la forma de aldehído original de la coenzima. 3. Equilibrio: para la mayoría de las reacciones de transaminación, la constante de equilibrio está cerca de 1. Esto permite que la reacción funcione tanto en la degradación de aminoácidos a través de la eliminación de grupos ÿ-amino (p. ej., después del consumo de una comida rica en proteínas) como en la biosíntesis de aminoácidos no esenciales. aminoácidos mediante la adición de grupos amino a los esqueletos de carbono de los ÿ-cetoácidos (p. ej., cuando el suministro de aminoácidos de ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google la dieta no es adecuada para satisfacer las necesidades sintéticas de las células). 4. Valor diagnóstico: las aminotransferasas son normalmente enzimas intracelulares, y los niveles bajos que se encuentran en el plasma representan la liberación de contenido celular durante el recambio celular normal. Los niveles plasmáticos elevados de aminotransferasas indican daño a las células ricas en estas enzimas. Por ejemplo, un trauma físico o un proceso patológico pueden causar la lisis celular, lo que da como resultado la liberación de enzimas intracelulares en la sangre. Dos aminotransferasas, AST y ALT, tienen un valor diagnóstico particular cuando se encuentran en el plasma. una. Enfermedad hepática: las concentraciones plasmáticas de AST y ALT están elevadas en casi todas las enfermedades hepáticas, pero son particularmente altas en condiciones que causan necrosis celular extensa, como hepatitis viral grave, daño tóxico y colapso circulatorio prolongado. La ALT es más específica que la AST para la enfermedad hepática, pero esta última es más sensible porque el hígado contiene mayores cantidades de AST. Las mediciones en serie de AST y ALT (pruebas de función hepática) a menudo son útiles para determinar el curso del daño hepático. La figura 19.10 muestra la liberación temprana de ALT en la sangre después de la ingestión de una toxina hepática. (Nota: la elevación de la bilirrubina resulta del daño hepatocelular que disminuye la conjugación hepática y la excreción de bilirrubina [vea la pág. 316].) Figura 19.10 Patrón de ALT y bilirrubina en el plasma, luego de envenenamiento por ingestión del hongo tóxico Amanita phalloides. b. Enfermedad no hepática: las aminotransferasas pueden estar elevadas en enfermedades no hepáticas, como las que causan daño al músculo cardíaco o esquelético. Sin embargo, estos trastornos generalmente se pueden distinguir clínicamente de la enfermedad hepática mediante pruebas de laboratorio adicionales. Cuando se sospecha daño muscular, los niveles plasmáticos de creatina quinasa, lactato deshidrogenasa y mioglobina, en ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google Además de los niveles de AST y ALT, también pueden aumentar. Los niveles de nitrógeno ureico en sangre, bilirrubina, ÿ-glutamil transferasa (GGT) y fosfatasa alcalina (ALP) estarían en el rango normal. Si se sospecha una enfermedad ósea, los niveles de ALP serán desproporcionadamente más altos que los niveles de AST, ALT y GGT. Figura 19.11 Desaminación oxidativa por glutamato deshidrogenasa. (Nota: la enzima es inusual porque utiliza tanto nicotinamida como dinucleótido de adenina [NAD+][NADPH].) y nicotinamida NH3adenina = amoníaco. dinucleótido fosfato B. Desaminación oxidativa: eliminación de grupos amino A diferencia de las reacciones de transaminación que transfieren grupos amino, las reacciones de desaminación oxidativa dan como resultado la liberación del grupo amino como amoníaco libre (fig. 19.11). Estas reacciones ocurren principalmente en el hígado y el riñón. Proporcionan ÿ cetoácidos que pueden entrar en las vías centrales del metabolismo energético y amoníaco, que es una fuente de nitrógeno en la síntesis de urea hepática. (Nota: el amoníaco existe + principalmente como amonio [NH4] en quesolución atraviesa las membranas). acuosa, pero es la forma no ionizada [NH3 ] 1. Glutamato deshidrogenasa: como se describió anteriormente, los grupos amino de la mayoría de los aminoácidos finalmente se canalizan al glutamato por medio de la transaminación con ÿ-cetoglutarato. El glutamato es único porque es el único aminoácido que sufre una desaminación oxidativa rápida, una reacción catalizada por la glutamato deshidrogenasa ([GDH], fig. 19.11). Por lo tanto, la acción secuencial de la transaminación (que da como resultado la transferencia de grupos amino de la mayoría de los aminoácidos al ÿ-cetoglutarato para producir glutamato) y la desaminación oxidativa de ese glutamato (regeneración del ÿ-cetoglutarato) proporcionan una vía por la cual los grupos amino de la mayoría de los aminoácidos Los ácidos pueden liberarse como amoníaco. una. Coenzimas: la GDH, una enzima mitocondrial, es inusual porque puede usar nicotinamida adenina dinucleótido (NAD+ ) o su forma reducida fosforilada (NADPH) como coenzima (fig. 19.11). NAD+ se usa principalmente en la desaminación oxidativa (la pérdida simultánea de amoníaco junto con la oxidación del esqueleto de carbono, como se muestra en la Fig. 19.12A), mientras que NADPH ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google se utiliza en la aminación reductora (la ganancia simultánea de amoníaco junto con la reducción del esqueleto de carbono, como se muestra en la figura 19.12B). b. Dirección de la reacción: La dirección de la reacción depende de las concentraciones relativas de glutamato, ÿcetoglutarato y amoníaco y la proporción de coenzimas oxidadas a reducidas. Por ejemplo, después de la ingestión de una comida que contiene proteínas, los niveles de glutamato en el hígado se elevan y la reacción avanza en la dirección de la degradación de aminoácidos y la formación de amoniaco (fig. 19.12A). Se requieren altos niveles de amoníaco para impulsar la reacción a la síntesis de glutamato. Figura 19.12 A, B: Acciones combinadas de las reacciones de aminotransferasa y glutamato deshidrogenasa. (Nota: la aminación reductora ocurre solo cuando el nivel de amoníaco [NH3 ] es alto). NAD(H) = nicotinamida adenina dinucleótido; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google C. Reguladores alostéricos: el trifosfato de guanosina es un inhibidor alostérico de la GDH, mientras que el difosfato de adenosina es un activador. Por lo tanto, cuando los niveles de energía son bajos en la célula, la degradación de aminoácidos por GDH es alta, lo que facilita la producción de energía a partir de los esqueletos de carbono derivados de los aminoácidos. 2. D-aminoácido oxidasa: los D-aminoácidos (ver pág. 5) son suministrados por la dieta pero no se utilizan en la síntesis de proteínas de mamíferos. Sin embargo, se metabolizan eficientemente a ÿ-cetoácidos, amoníaco y peróxido de hidrógeno en los peroxisomas de las células hepáticas y renales por la D-aminoácido oxidasa (DAO) dependiente del dinucleótido de flavina y adenina. Los ÿ-cetoácidos pueden entrar en las vías generales del metabolismo de los aminoácidos y volver a aminarse en L-isómeros o catabolizarse para obtener energía. (Nota: la DAO degrada la D-serina, la forma isomérica de la serina que modula los receptores de glutamato de tipo N-metil-D-aspartato [NMDA]. El aumento de la actividad de la DAO se ha relacionado con una mayor susceptibilidad a la esquizofrenia. La DAO también convierte la glicina en glioxilato [ véase la página 292].) Las L-aminoácidos oxidasas se encuentran en el veneno de serpiente. C. Transporte de amoníaco al hígado Hay dos mecanismos disponibles en humanos para el transporte de amoníaco desde los tejidos periféricos al hígado para su conversión en urea. Ambos son importantes, pero no exclusivos, del músculo esquelético. El primero utiliza glutamina sintetasa para combinar amoníaco con glutamato para formar glutamina, una forma de transporte no tóxica de amoníaco (fig. 19.13). La glutamina se transporta en la sangre al hígado, donde la glutaminasa la escinde en glutamato y amoniaco (v. pág. 283). El glutamato se desamina oxidativamente a amoníaco y ÿ-cetoglutarato por GDH. El amoníaco se convierte en urea. El segundo mecanismo de transporte implica la formación de alanina por la transaminación de piruvato producido tanto por la glucólisis aeróbica como por el metabolismo de la succinil coenzima A (CoA) generada por el catabolismo de la isoleucina y la valina BCAA. La alanina se transporta en la sangre al hígado, donde es transaminada por ALT a piruvato. El piruvato se usa para sintetizar glucosa, que puede ingresar a la sangre y ser utilizada por el músculo, una vía llamada ciclo de glucosa-alanina. El producto de glutamato de ALT puede ser desaminado por GDH, generando amoníaco. Así, tanto la alanina como la glutamina transportan amoníaco al hígado. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.13 Transporte de amoníaco (NH3 ) del músculo al hígado. ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico; CoA = coenzima A. V. CICLO DE LA UREA La urea es la principal forma de eliminación de los grupos amino derivados de los aminoácidos y representa ~90% de los componentes nitrogenados de la orina. Un nitrógeno de la molécula de urea es suministrado por amoníaco libre y el otro nitrógeno por aspartato. (Nota: el glutamato es el precursor inmediato tanto del amoníaco [a través de la desaminación oxidativa por GDH] como del nitrógeno aspartato [a través de la transaminación de oxaloacetato por AST].) El carbono y el oxígeno de la urea se derivan del CO2 (como HCO3 ÿ ). La urea es producida por el hígado y luego se transporta en la sangre (nitrógeno ureico en sangre) a los riñones para su excreción en la orina. A. Reacciones Las dos primeras reacciones que conducen a la síntesis de urea ocurren en la matriz mitocondrial, mientras que las enzimas restantes del ciclo se ubican en el citosol (fig. 19.14). (Nota: la gluconeogénesis [ver pág. 128] y la síntesis de hemo [ver pág. 309] también involucran tanto la matriz mitocondrial como el citosol). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.14 Reacciones del ciclo de la urea. (Nota: un antiportador transporta citrulina y ornitina a través de la membrana mitocondrial interna). ADP = difosfato de adenosina; AMP = monofosfato de adenosina; PPi = pirofosfato; Pi = fosfato inorgánico; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; MD = malato deshidrogenasa. 1. Formación de carbamoil fosfato: la formación de carbamoil fosfato por la carbamoil fosfato sintetasa I (CPS I) está impulsada por la escisión de dos moléculas de ATP. El amoníaco incorporado en el fosfato de carbamoilo lo proporciona principalmente la desaminación oxidativa del glutamato por la GDH mitocondrial (Fig. 19.11). En última instancia, el átomo de nitrógeno derivado de este amoníaco se convierte en uno de los nitrógenos de la urea. CPS I requiere N-acetilglutamato (NAG) como activador alostérico positivo (fig. 19.14). (Nota: carbamoil fosfato sintetasa II ****** convertidor de libro electrónico DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google participa en la biosíntesis de pirimidinas [ver pág. 335]. No requiere NAG, usa glutamina como fuente de nitrógeno y ocurre en el citosol). 2. Formación de citrulina: la porción de carbamoílo del fosfato de carbamoílo se transfiere a la ornitina mediante la ornitina transcarbamilasa (OTC) a medida que el fosfato se libera como fosfato inorgánico. El producto de reacción, la citrulina, se transporta al citosol. (Nota: la ornitina y la citrulina se mueven a través de la membrana mitocondrial interna a través de un antiportador. Estos aminoácidos básicos no se incorporan a las proteínas celulares porque no tienen codones [ver pág. 496].) La ornitina se regenera con cada vuelta del ciclo de la urea, de la misma manera que el oxaloacetato se regenera por las reacciones del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA) (ver pág. 120). 3. Formación de argininosuccinato: la argininosuccinato sintetasa combina citrulina con aspartato para formar argininosuccinato. El grupo ÿ-amino del aspartato proporciona el segundo nitrógeno que finalmente se incorpora a la urea. La formación de argininosuccinato es impulsada por la escisión de ATP en monofosfato de adenosina y pirofosfato. Esta es la tercera y última molécula de ATP consumida en la formación de urea. 4. Escisión del argininosuccinato: la argininosuccinato liasa escinde el argininosuccinato para producir arginina y fumarato. La arginina sirve como precursor inmediato de la urea. El fumarato se hidrata a malato, proporcionando un vínculo con varias vías metabólicas. La malato deshidrogenasa puede oxidar el malato a oxaloacetato, que puede transaminarse a aspartato (fig. 19.8) y entrar en el ciclo de la urea (fig. 19.14). Alternativamente, el malato se puede transportar a las mitocondrias a través de la lanzadera malato-aspartato (ver pág. 87), reingresar al ciclo TCA y oxidarse a oxalacetato, que se puede usar para la gluconeogénesis (ver pág. 131). (Nota: la oxidación del malato genera NADH para la fosforilación oxidativa [consulte la página 84], lo que reduce el costo de energía del ciclo de la urea). 5. Escisión de la arginina en ornitina y urea: la arginasa-I hidroliza la arginina en ornitina y urea y es prácticamente exclusiva del hígado. Por lo tanto, solo el hígado puede escindir la arginina, sintetizando así la urea, mientras que otros tejidos, como el riñón, pueden sintetizar la arginina a partir de la citrulina. (Nota: la arginasa-II en los riñones controla la disponibilidad de arginina para la síntesis de óxido nítrico [ver pág. 165]). 6. Destino de la urea: la urea se difunde desde el hígado y se transporta en la sangre a los riñones, donde se filtra y se excreta en la orina (fig. 19.19). Una porción de la urea se difunde desde la sangre hacia el intestino y se escinde en CO2 y amoníaco por la ureasa bacteriana. El amoníaco se pierde en parte en las heces y en parte se reabsorbe en la sangre. En pacientes con insuficiencia renal, los niveles de urea en plasma están elevados, lo que promueve una mayor transferencia de urea de la sangre al intestino. La acción intestinal de la ureasa sobre esta urea se convierte en una fuente clínicamente importante de amoníaco, lo que contribuye a la hiperamonemia que a menudo se observa en estos pacientes. La administración oral de antibióticos reduce el número de infecciones intestinales. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google bacterias responsables de esta producción de amoníaco. B. Estequiometría general Aspartato + NH3 + HCO3 – + 3ATP + H2O ÿ urea + fumarato + 2ADP + AMP + 2Pi + PPi Debido a que en la síntesis de cada molécula de urea se consumen cuatro enlaces fosfato de alta energía, la síntesis de urea es irreversible, con un ÿG grande y negativo (ver pág. 78). Un nitrógeno de la molécula de urea es suministrado por amoníaco libre y el otro nitrógeno por aspartato. El glutamato es el precursor inmediato tanto del amoníaco (a través de la desaminación oxidativa por GDH) como del nitrógeno aspartato (a través de la transaminación de oxaloacetato por AST). En efecto, ambos átomos de nitrógeno de la urea surgen del glutamato, que, a su vez, recoge nitrógeno de otros aminoácidos (fig. 19.15). C. Regulación NAG es un activador esencial para CPS I, el paso limitante de la velocidad en el ciclo de la urea. Aumenta la afinidad de CPS I por ATP. La NAG se sintetiza a partir de acetil CoA y glutamato por la N-acetilglutamato sintasa (NAGS), como se muestra en la figura 19.16, en una reacción en la que la arginina es un activador. El ciclo también está regulado por la disponibilidad de sustrato (regulación a corto plazo) y la inducción de enzimas (a largo plazo). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.15 Flujo de nitrógeno de los aminoácidos a la urea. Los grupos amino para la síntesis de urea se recolectan en forma de amoníaco (NH3 ) y aspartato. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; HCO3 – = bicarbonato. VI. METABOLISMO DEL AMONIACO El amoníaco es producido por todos los tejidos durante el metabolismo de una variedad de compuestos y se elimina principalmente mediante la formación de urea en el hígado. Sin embargo, el nivel de amoníaco en sangre debe mantenerse muy bajo, porque incluso las concentraciones ligeramente elevadas (hiperamonemia) son tóxicas para el sistema nervioso central (SNC). Por lo tanto, se requiere un mecanismo para el transporte de nitrógeno desde los tejidos periféricos al hígado para su eliminación final como urea mientras se mantienen bajos los niveles circulantes de amoníaco libre. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.16 Formación y degradación de N-acetilglutamato, un activador alostérico de la carbamoil fosfato sintetasa I. CoA = coenzima A. A. Fuentes Los aminoácidos son cuantitativamente la fuente más importante de amoníaco porque la mayoría de las dietas occidentales son ricas en proteínas y proporcionan un exceso de aminoácidos, que viajan al hígado y sufren transdesaminación (es decir, la unión de las reacciones de aminotransferasa y GDH), produciendo amoníaco. (Nota: el hígado cataboliza principalmente los aminoácidos de cadena lineal). Sin embargo, se pueden obtener cantidades sustanciales de amoníaco de otras fuentes. 1. Glutamina: una fuente importante de glutamina plasmática proviene del catabolismo de BCAA en el músculo esquelético. Esta glutamina es absorbida por las células del intestino, el hígado y los riñones. El hígado y los riñones generan amoníaco a partir de la glutamina por la acción de la glutaminasa (fig. 19.17) y la GDH. En los riñones, la mayor parte de + , importanteun este amoníaco se excreta en la orina como NH4, que proporciona para mecanismo mantener el equilibrio ácido-base del cuerpo a través de la excreción de protones. En el hígado, el amoníaco se desintoxica a urea y se excreta. (Nota: el cetoglutarato ÿ, el segundo producto de la GDH, es un precursor glucogénico en el hígado y los riñones). La glutaminasa intestinal también genera amoníaco. Los enterocitos obtienen glutamina de la sangre o de la digestión de las proteínas de la dieta. (Nota: el metabolismo intestinal de la glutamina también produce alanina, que es utilizada por el hígado para la gluconeogénesis, y citrulina, que es utilizada por los riñones para sintetizar arginina). 2. Bacterias intestinales: el amoníaco se forma a partir de la urea por la acción de la ureasa bacteriana en la luz del intestino. Este amoníaco se absorbe del intestino a través de la vena porta, y el hígado elimina prácticamente todo mediante la conversión a urea. 3. Aminas: Las aminas obtenidas de la dieta y las monoaminas que sirven como hormonas o neurotransmisores dan lugar al amoníaco por acción de ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google monoaminooxidasa (v. pág. 318). 4. Purinas y pirimidinas: en el catabolismo de purinas y pirimidinas, los grupos amino unidos a los átomos del anillo se liberan como amoníaco (v . fig. 22.15, pág. 333). Figura 19.17 Hidrólisis de glutamina para formar amoníaco (NH3 ). B. Transporte en circulación Aunque el amoníaco se produce constantemente en los tejidos, está presente en niveles muy bajos en la sangre. Esto se debe tanto a la rápida eliminación del amoníaco sanguíneo por parte del hígado como al hecho de que varios tejidos, en particular los músculos, liberan nitrógeno aminoacídico en forma de glutamina y alanina, en lugar de amoníaco libre (fig. 19.13). 1. Urea: la formación de urea en el hígado es cuantitativamente la ruta de eliminación más importante para el amoníaco. La urea viaja en la sangre desde el hígado hasta los riñones, donde pasa al filtrado glomerular. 2. Glutamina: esta amida de glutamato proporciona una forma no tóxica de almacenamiento y transporte de amoníaco (fig. 19.18). La formación de glutamina que requiere ATP a partir de glutamato y amoníaco por la glutamina sintetasa ocurre principalmente en el músculo esquelético y el hígado, pero también es importante en el SNC, donde es el principal mecanismo para la eliminación de amoníaco en el cerebro. La glutamina se encuentra en plasma en concentraciones más altas que otros aminoácidos, un hallazgo consistente con su función de transporte. (Nota: el hígado mantiene bajos los niveles de amoníaco en la sangre ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google a través de la glutaminasa, la GDH y el ciclo de la urea en los hepatocitos periportales [cerca de la entrada de la sangre] ya través de la glutamina sintetasa como eliminador de amoníaco en los hepatocitos perivenosos). El metabolismo del amoníaco se resume en la figura 19.19. Figura 19.18 Síntesis de glutamina. ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico; NH3 = amoníaco. C. Hiperamonemia La capacidad del ciclo hepático de la urea excede las tasas normales de generación de amoníaco y los niveles de amoníaco en sangre son normalmente bajos (5 a 35 ÿmol/l). Sin embargo, cuando la función hepática está comprometida, ya sea por defectos genéticos del ciclo de la urea o por enfermedad hepática, los niveles en sangre pueden ser >1000 ÿmol/l. Tal hiperamonemia es una emergencia médica, porque el amoníaco tiene un efecto neurotóxico directo sobre el SNC. Por ejemplo, las concentraciones elevadas de amoníaco en la sangre provocan los síntomas de intoxicación por amoníaco, que incluyen temblores, dificultad para hablar, somnolencia (somnolencia), vómitos, edema cerebral y visión borrosa. En altas concentraciones, el amoníaco puede causar coma y muerte. Hay dos tipos principales de hiperamonemia. 1. Adquirida: la enfermedad hepática es una causa común de hiperamonemia adquirida en adultos y puede deberse, por ejemplo, a hepatitis viral o a hepatotoxinas como el alcohol. La cirrosis del hígado puede resultar en la formación de circulación colateral alrededor del hígado. Como resultado, la sangre portal se desvía directamente a la circulación sistémica y no tiene acceso al hígado. Por lo tanto, la conversión de ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google el amoníaco a urea se altera gravemente, lo que conduce a niveles elevados de amoníaco. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.19 Metabolismo del amoníaco (NH3 ). El contenido de urea en la orina se informa como nitrógeno ureico urinario o UUN. La urea en sangre se informa como BUN (nitrógeno ureico en sangre). (Nota: las enzimas glutamato deshidrogenasa, glutamina sintetasa y carbamoil fosfato sintetasa I fijan el NH3 en moléculas orgánicas). 2. Congénita: se han descrito deficiencias genéticas de cada una de las cinco enzimas del ciclo de la urea (y de NAGS), con una incidencia global de ~1:25 000 nacidos vivos. La deficiencia de OTC está ligada al cromosoma X y afecta predominantemente a los hombres, aunque las mujeres portadoras pueden volverse sintomáticas. Todos los demás trastornos del ciclo de la urea siguen un patrón de herencia autosómico recesivo. En cada caso, la falta de síntesis de urea conduce a hiperamonemia durante las primeras semanas posteriores al nacimiento. Las combinaciones de otros síntomas comunes a la hiperamonemia (temblores, dificultad para hablar, somnolencia, vómitos, edema cerebral, visión borrosa, discapacidad intelectual y del desarrollo, y en la hiperamonemia grave, incluso coma y muerte) también se pueden observar en diferentes deficiencias del ciclo de la urea. El diagnóstico se basa en los síntomas, las pruebas de laboratorio y las pruebas genéticas. Históricamente, los defectos congénitos del ciclo de la urea tienen una alta morbilidad (manifestaciones neurológicas) y mortalidad. En las siguientes secciones se resume información adicional para deficiencias específicas del ciclo de la urea. una. Deficiencia de ornitina transcarbamilasa: la deficiencia de OTC es el trastorno del ciclo de la urea más común. Los resultados específicos de las pruebas de laboratorio incluyen una disminución en la reacción y los productos derivados citrulina y arginina. Curiosamente, también hay un aumento en los niveles detectables de ácido orótico en suero y orina. El fosfato de carbamoílo, uno de los sustratos de la OTC, se convierte en cambio en un sustrato para la biosíntesis de pirimidina y entra en la vía corriente abajo de la reacción reguladora (v . fig. 22.21, pág. 336). Como resultado, el ácido orótico es un intermediario de la ruta de biosíntesis de pirimidina producido en exceso. (Nota: el ácido orótico elevado también se observa en la aciduria orótica hereditaria, debido a una deficiencia de la enzima de biosíntesis de pirimidina en la UMP sintasa [UMPS]. Junto con las pruebas genéticas, la deficiencia de OTC se puede diagnosticar de manera diferencial de la deficiencia de UMPS en función de otros síntomas. La hiperamonemia es una síntoma de deficiencia de OTC, pero no de deficiencia de UMPS; en cambio, la anemia megaloblástica puede ser un síntoma de deficiencia de UMPS). b. Deficiencia de argininosuccinato sintetasa: esta deficiencia también se conoce como citrulinemia tipo 1, ya que hay una acumulación del sustrato para la reacción, la citrulina, en sangre y orina. Puede haber una forma aguda neonatal (clásica), una forma tardía más leve, una forma que comienza durante o después del embarazo y una forma asintomática. En la forma aguda neonatal, la citrulina se puede detectar como parte del cribado neonatal. Esta detección es fundamental para prevenir la hiperamonemia y el daño cerebral. C. Deficiencia de argininosuccinato liasa: en la deficiencia de argininosuccinato liasa, hay una acumulación del sustrato para la reacción, argininosuccinato, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google en la orina, resultando en aciduria argininosuccínico. Esto es diagnóstico y parte de la evaluación del recién nacido. En formas más severas y de inicio tardío de la deficiencia, la aciduria puede estar asociada con anomalías neurológicas, retrasos en el desarrollo y deterioro cognitivo. d. Deficiencia de arginasa-I: en la deficiencia de arginasa-I, hay una acumulación del sustrato para la reacción, la arginina, en la sangre y la orina, y a menudo se denomina argininemia o hiperargininemia. La hiperamonemia que se observa con la deficiencia de arginasa suele ser menos grave porque la arginina contiene dos nitrógenos de desecho y puede excretarse en la orina. Como tal, los pacientes con esta deficiencia pueden parecer sanos al nacer y tener un desarrollo normal durante los primeros 1 a 3 años. Después de esto, pueden aparecer los primeros síntomas de la deficiencia de arginasa con aparentes retrasos en el desarrollo, pérdida de los hitos del desarrollo y discapacidad intelectual. La hiperamonemia puede ser episódica, asociada con comidas ricas en proteínas o períodos de estrés, como enfermedad o ayuno. mi. Deficiencia de N-acetilglutamato sintasa: Al igual que la deficiencia de aginasa-I, una deficiencia en NAGS puede provocar retrasos en el desarrollo y discapacidad intelectual. Las formas menos graves pueden ser episódicas más adelante en la vida, asociadas con períodos de comidas ricas en proteínas, estrés o ayuno. El ácido carglúmico es una terapia aprobada por la FDA para la deficiencia de NAGS. Es una forma sintética de NAG, el activador alostérico positivo de la carbamoil fosfato sintetasa I. F. Tratamiento de la hiperamonemia: el tratamiento de las deficiencias de las enzimas del ciclo de la urea implica limitar la ingesta de proteínas en la dieta en presencia de suficientes calorías para prevenir el catabolismo de las proteínas y eliminar el exceso de amoníaco en la sangre. Esto puede variar según la deficiencia de la enzima y la gravedad del defecto. Los pacientes se adhieren a una dieta baja en proteínas, con niveles mínimos de proteína necesarios para mantener una buena salud. Esto puede variar dependiendo de la edad y el peso del paciente. Se pueden adquirir bebidas con fórmulas especiales y/o alimentos medicinales en los que los niveles de proteína se adaptan a las necesidades del paciente. Los medicamentos que eliminan nitrógeno, incluidos los ácidos aromáticos benzoato y fenilbutirato, pueden reducir los niveles de amoníaco en la s El benzoato se combina con la glicina para formar hipurato. El fenilbutirato se convierte en fenilacetato y se combina con la glutamina para formar fenilacetilglutamina (fig. 19.20). Ambos productos finales, hipurato y fenilacetilglutamina, se excretan fácilmente en la orina. La excreción combinada de glicina y glutamina, y su subsiguiente biosíntesis, reduce efectivamente los niveles de amoníaco y el potencial de hiperamonemia. Durante la hiperamonemia severa, los pacientes también pueden requerir diálisis, fluidos intravenosos u otros tratamientos para reducir rápidamente los niveles de amoníaco en la sangre y prevenir daño cerebral permanente. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.20 Tratamiento de pacientes con defectos del ciclo de la urea mediante la administración de fenilbutirato para ayudar en la excreción de amoníaco (NH3 ). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VIII. Resumen del capítulo El nitrógeno ingresa al cuerpo en una variedad de compuestos presentes en los alimentos, siendo los más importantes los aminoácidos contenidos en las proteínas de la dieta. El nitrógeno abandona el organismo en forma de urea, amoníaco y otros productos derivados del metabolismo de los aminoácidos (fig. 19.21). Los aminoácidos libres en el cuerpo son producidos por hidrólisis de proteína dietética por proteasas activadas desde su forma de zimógeno en el estómago e intestino, degradación de proteínas tisulares y síntesis de novo . Este conjunto de aminoácidos se consume en la síntesis de proteínas corporales, se metaboliza para obtener energía o sus miembros se utilizan como precursores de otros compuestos que contienen nitrógeno. Los enterocitos intestinales absorben los aminoácidos libres de la digestión a través del transporte activo secundario dependiente de sodio. Los péptidos pequeños se toman a través del transporte ligado a protones. La proteína corporal se degrada y resintetiza simultáneamente, un proceso conocido como recambio de proteínas. La concentración de una proteína celular puede determinarse mediante la regulación de su síntesis o degradación. Las hidrolasas ácidas lisosómicas relativamente no selectivas dependientes de ATP, citosólicas y Ub selectivas y las hidrolasas ácidas lisosomales independientes de ATP son los dos principales sistemas enzimáticos responsables de la degradación de las proteínas. El nitrógeno no se puede almacenar y los aminoácidos que exceden las necesidades biosintéticas de la célula se degradan rápidamente. La primera fase del catabolismo implica la transferencia de los grupos ÿ-amino a través de la transaminación por aminotransferasas dependientes de piridoxal fosfato (transaminasas), seguida de la desaminación oxidativa del glutamato por GDH, formando amoníaco y los correspondientes ÿ-cetoácidos. Una parte del amoníaco libre se excreta en la orina. Algo de amoníaco se usa para convertir el glutamato en glutamina para un transporte seguro, pero la mayor parte se usa en la síntesis hepática de urea, que es cuantitativamente la ruta más importante para eliminar el nitrógeno del cuerpo. La alanina también transporta nitrógeno al hígado para su eliminación como urea. Las dos causas principales de hiperamonemia (con sus efectos neurológicos) son la hepatopatía adquirida y las deficiencias congénitas de las enzimas del ciclo de la urea, como la OTC ligada al cromosoma X. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 19.21 Mapa conceptual clave para el metabolismo del nitrógeno. GI = gastrointestinal; PEST = prolina, glutamato, serina, treonina; NH3 = amoníaco; CO2 = dióxido de carbono. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 19.1 En esta reacción de transaminación (derecha), ¿cuáles de los siguientes son los productos X e Y? ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A. Alanina, ÿ-cetoglutarato B. Aspartato, ÿ-cetoglutarato C. Glutamato, alanina D. Piruvato, aspartato E. Alanina, piruvato Respuesta correcta = B. Las reacciones de transaminación siempre tienen un aminoácido y un ÿ-cetoácido como sustratos. Los productos de la reacción son también un aminoácido (correspondiente al sustrato ÿ-ceto) y un ÿ-cetoácido (correspondiente al sustrato aminoacídico). Tres pares de aminoácidos/ÿ-cetoácidos comúnmente encontrados en el metabolismo son alanina/piruvato, aspartato/oxalacetato y glutamato/ÿcetoglutarato. En esta pregunta, el glutamato se desamina para formar ÿ-cetoglutarato y el oxaloacetato se amina para formar aspartato. 19.2 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre los aminoácidos y su metabolismo es correcta? A. Los aminoácidos libres se introducen en los enterocitos mediante un único sistema de transporte ligado a protones. B. En individuos sanos y bien alimentados, la entrada al grupo de aminoácidos excede la salida. C. El hígado usa amoníaco para amortiguar los protones. D. La glutamina derivada del músculo se desamina en el tejido hepático y renal a amoníaco + un precursor gluconeogénico. E. El primer paso en el catabolismo de la mayoría de los aminoácidos es su desaminación oxidativa. F. El amoníaco tóxico generado a partir del nitrógeno amídico de los aminoácidos se transporta a través de la sangre como arginina Respuesta correcta = D. La glutamina, producida por el catabolismo de los aminoácidos de cadena ramificada en el músculo, es desaminada por la glutaminasa a amoníaco + glutamato. El glutamato es desaminado por la glutamato deshidrogenasa a amoníaco + ÿ-cetoglutarato, que puede usarse para la gluconeogénesis. Los aminoácidos libres son llevados a los enterocitos por varios sistemas diferentes de transporte ligados al sodio. Los individuos sanos y bien alimentados tienen un equilibrio de nitrógeno, en el que la entrada de nitrógeno es igual a la salida. El hígado convierte el amoníaco en urea y los riñones usan el amoníaco para amortiguar los protones. El catabolismo de aminoácidos comienza con la transaminación que genera glutamato. El glutamato sufre desaminación oxidativa. El amoníaco tóxico se transporta como glutamina y alanina. La arginina se sintetiza e hidroliza en el ciclo de la urea hepática. Para las Preguntas 19.3 a 19.5, use el siguiente escenario. Una recién nacida parecía sana hasta la edad de ~24 horas, cuando se volvió letárgica. Un estudio de sepsis resultó negativo. A las 56 horas, comenzó a mostrar actividad convulsiva focal. Se encontró que el nivel de amoníaco en plasma era de 887 ÿmol/l (normal de 5 a 35 ÿmol/l). Los niveles cuantitativos de aminoácidos en plasma revelaron una marcada elevación de citrulina pero no de argininosuccinato. 19.3 ¿Cuál de las siguientes actividades enzimáticas es más probable que sea deficiente en este paciente? A. Arginasa B. Argininosuccinato liasa C. Argininosuccinato sintetasa D. Carbamoil fosfato sintetasa I E. Ornitina transcarbamilasa Respuesta correcta = C. Se han descrito deficiencias genéticas de cada una de las cinco enzimas del ciclo de la urea, así como deficiencias en la N-acetilglutamato sintasa. La acumulación de citrulina (pero no de argininosuccinato) en el plasma de este paciente significa que la enzima necesaria para la conversión de citrulina en argininosuccinato (argininosuccinato sintetasa) es defectuosa, mientras que la enzima que escinde el argininosuccinato ****** ebook converter DEMO Watermarks ******* Machine Translated by Google (argininosuccinato liasa) es funcional. 19.4 ¿Cuál de los siguientes también estaría elevado en la sangre de este paciente? A. Asparagina B. Glutamina C. Lisina D. Urea E. Arginina Respuesta correcta = B. Las deficiencias de las enzimas del ciclo de la urea dan como resultado la falla en la síntesis de urea y conducen a hiperamonemia en las primeras semanas después del nacimiento. La glutamina también estará elevada porque actúa como una forma no tóxica de almacenamiento y transporte de amoníaco. Por lo tanto, la glutamina elevada acompaña a la hiperamonemia. La asparagina, la lisina y la arginina no cumplen esta función secuestrante. La urea disminuiría debido a la alteración de la actividad del ciclo de la urea. (Nota: la alanina también estaría elevada en este paciente). 19.5 ¿Por qué la suplementación con arginina podría ser beneficiosa para este paciente? La arginina será escindida por la arginasa en urea y ornitina. La ornitina se combinará con fosfato de carbamoilo mediante la ornitina transcarbamilasa para formar citrulina. La citrulina, que contiene un nitrógeno de desecho, será excretada. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Aminoácidos: Degradación y Síntesis 20 I. VISIÓN GENERAL La degradación de aminoácidos implica la eliminación del grupo ÿ-amino, seguido del catabolismo de los ÿ-cetoácidos resultantes (esqueletos de carbono). Las vías de degradación de los diversos aminoácidos convergen para formar siete productos intermedios: oxaloacetato, piruvato, ÿ-cetoglutarato, fumarato, succinil coenzima A (CoA), acetil CoA y acetoacetato. Los productos entran directamente en las vías del metabolismo intermediario, lo que resulta en la síntesis de glucosa, cuerpos cetónicos o lípidos o en la producción de energía a través de su oxidación a dióxido de carbono (CO2 ) por el ciclo del ácido tricarboxílico (TCA). La Figura 20.1 proporciona una descripción general de estas vías, con un resumen más detallado presentado en la Figura 20.15 (consulte la página 299). Los aminoácidos no esenciales (fig. 20.2) pueden sintetizarse en cantidades suficientes a partir de los intermediarios del metabolismo o, como en el caso de la cisteína y la tirosina, a partir de los aminoácidos esenciales. Por el contrario, debido a que los humanos no pueden sintetizar (o sintetizar en cantidades suficientes) los aminoácidos esenciales, deben obtenerse de la dieta para que se produzca la síntesis normal de proteínas. Los defectos genéticos en las vías del metabolismo de los aminoácidos pueden causar enfermedades graves. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.1 Metabolismo de aminoácidos mostrado como parte de las vías esenciales del metabolismo energético. (Ver Fig. 8.2 para un mapa más detallado del metabolismo.) CoA = coenzima A; CO2 = dióxido de carbono. II. AMINOÁCIDOS GLUCOGÉNICOS Y CETOGÉNICOS Los aminoácidos se pueden clasificar como glucogénicos, cetogénicos o ambos, según cuál de los siete intermedios se produzca durante su catabolismo (v . fig. 20.2). A. Aminoácidos glucogénicos ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Los aminoácidos cuyo catabolismo produce piruvato o uno de los intermedios del ciclo TCA se denominan glucogénicos. Como estos intermediarios son sustratos de la gluconeogénesis (v. pág. 129), pueden dar lugar a la síntesis neta de glucosa en el hígado y el riñón. TEXTO EN MAYÚSCULAS AZULES = nombres de siete productos del metabolismo de los aminoácidos Código de colores utilizado en este capítulo: Texto rojo = nombres de aminoácidos glucogénicos Texto marrón = nombres de aminoácidos glucogénicos y cetogénicos Texto verde = nombres de aminoácidos cetogénicos Texto cian = compuestos de un carbono B. Aminoácidos cetogénicos Los aminoácidos cuyo catabolismo produce acetil CoA (directamente, sin que el piruvato actúe como intermediario) o acetoacetato (o su precursor acetoacetil CoA) se denominan cetogénicos (v . fig. 20.2). El acetoacetato es uno de los cuerpos cetónicos, que también incluye 3-hidroxibutirato y acetona (vea la pág. 216). La leucina y la lisina son los únicos aminoácidos exclusivamente cetogénicos que se encuentran en las proteínas. Sus esqueletos de carbono no son sustratos para la gluconeogénesis y, por tanto, no pueden dar lugar a la síntesis neta de glucosa. tercero CATABOLISMO DEL ESQUELETO DE CARBONO DE AMINOÁCIDOS Las vías por las que se catabolizan los aminoácidos están convenientemente organizadas según las cuales uno (o más) de los siete intermedios enumerados anteriormente se producen a partir de un aminoácido particular. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.2 Clasificación de aminoácidos. (Nota: algunos aminoácidos pueden volverse condicionalmente esenciales; por ejemplo, se ha demostrado que la suplementación con glutamina y arginina mejora los resultados en pacientes con trauma, infecciones posoperatorias e inmunosupresión). A. Aminoácidos que forman oxaloacetato La asparagina es hidrolizada por la asparaginasa, liberando amoníaco y aspartato (Fig. 20.3). El aspartato se convierte en su correspondiente cetoácido por transaminación para formar oxalacetato (v . fig. 20.3). (Nota: algunas células leucémicas que se dividen rápidamente no pueden sintetizar suficiente asparagina para apoyar su crecimiento. Esto hace que la asparagina sea un aminoácido esencial para estas células que, por lo tanto, requieren asparagina de la sangre. La asparaginasa, que hidroliza la asparagina en aspartato, se puede administra sistémicamente para tratar la leucemia. La asparaginasa reduce el nivel de asparagina en el plasma, lo que priva a las células cancerosas de un nutriente requerido). B. Aminoácidos que forman ÿ-cetoglutarato vía glutamato 1. Glutamina: este aminoácido es hidrolizado a glutamato y amoniaco por la enzima glutaminasa (ver pág. 283). El glutamato se convierte en ÿ-cetoglutarato por transaminación o desaminación oxidativa por la glutamato deshidrogenasa (v. pág. 278). 2. Prolina: este aminoácido se oxida a glutamato. El glutamato es transaminado o oxidativamente desaminado para formar ÿ-cetoglutarato. 3. Arginina: este aminoácido es hidrolizado por la arginasa para producir ornitina (y ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google urea). (Nota: la reacción ocurre principalmente en el hígado como parte del ciclo de la urea [ver pág. 281].) La ornitina se convierte posteriormente en ÿ-cetoglutarato, con glutamato semialdehído como intermediario. Figura 20.3 Metabolismo de asparagina y aspartato. PLP = fosfato de piridoxal; NH3 = amoníaco. 4. Histidina: la histidina es desaminada oxidativamente por la histidasa a ácido urocánico, que posteriormente forma Nformiminoglutamato ([FIGLU], fig. 20.4). FIGLU dona su grupo formimino al tetrahidrofolato (THF), dejando glutamato, que se degrada como se describe anteriormente. Una deficiencia de histidasa da como resultado el error congénito relativamente benigno del metabolismo histidinemia, caracterizado por niveles elevados de histidina en sangre y orina. (Nota: las personas con deficiencia de ácido fólico excretan mayores cantidades de FIGLU en la orina, particularmente después de la ingestión de una gran dosis de histidina. La prueba de excreción de FIGLU se ha utilizado para diagnosticar una deficiencia de ácido fólico. Consulte la página 296 para ver una discusión sobre ácido fólico, THF y metabolismo de un carbono). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.4 Degradación de histidina. NH3 = amoníaco. C. Aminoácidos que forman piruvato 1. Alanina: este aminoácido pierde su grupo amino por transaminación para formar piruvato (fig. 20.5). (Nota: el catabolismo del triptófano produce alanina y, por lo tanto, piruvato [ver Fig. 20.10 en la pág. 294]). Figura 20.5 Transaminación de alanina a piruvato. PLP = fosfato de piridoxal. 2. Serina: este aminoácido se puede convertir en glicina cuando el THF se convierte en N5 ,N10 - metilentetrahidrofolato (N5 ,N10 -MTHF), como se muestra en la figura 20.6A. La serina también se puede convertir en piruvato (v . fig. 20.6B). 3. Glicina: este aminoácido se puede convertir en serina mediante la adición reversible de un grupo metileno de N5 ,N10 -MTHF (ver Fig. 20.6A) o se puede oxidar a CO2 y amoníaco mediante el sistema de escisión de la glicina. La glicina se puede desaminar a glioxilato (mediante una D-aminoácido oxidasa; véase la pág. 279), que se puede oxidar a oxalato o transaminar a glicina. La deficiencia de la transaminasa en los peroxisomas hepáticos provoca una producción excesiva de oxalato, la formación de cálculos de oxalato y daño renal (oxaluria primaria tipo 1). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.6 A: Interconversión de serina y glicina y oxidación de glicina. B: Deshidratación de serina a piruvato. PLP = fosfato de piridoxal; NH3 = amoníaco. 4. Cisteína: este aminoácido que contiene azufre se somete a desulfuración para producir piruvato. (Nota: el sulfato liberado se puede usar para sintetizar 3ÿ-fosfoadenosina-5ÿ-fosfosulfato [PAPS], un donante de sulfato activado para una variedad de aceptores). La cisteína también se puede oxidar a su derivado disulfuro, la cistina. 5. Treonina: este aminoácido se convierte en piruvato en la mayoría de los organismos, pero es una vía menor (en el mejor de los casos) en los seres humanos. Figura 20.7 Degradación de fenilalanina. D. Aminoácidos que forman fumarato 1. Fenilalanina y tirosina: la hidroxilación de la fenilalanina produce tirosina (fig. 20.7). Esta reacción irreversible, catalizada por tetrahidrobiopterina (BH4 ), que requiere fenilalanina hidroxilasa (PAH), inicia el catabolismo de la fenilalanina. Por lo tanto, el metabolismo de la fenilalanina y el metabolismo de la tirosina se fusionan, lo que finalmente conduce a la formación de fumarato y acetoacetato. Por lo tanto, la fenilalanina y la tirosina son glucogénicas y cetogénicas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 2. Deficiencias hereditarias: Las deficiencias hereditarias en las enzimas del metabolismo de la fenilalanina y la tirosina provocan las enfermedades fenilcetonuria (PKU) (ver pág. 298), tirosinemia (ver pág. 303) y alcaptonuria (ver pág. 303), así como la condición de albinismo (ver pág. 303). E. Aminoácidos que forman succinil CoA: metionina La metionina es uno de los cuatro aminoácidos que forman la succinil CoA. Este aminoácido que contiene azufre merece especial atención porque se convierte en S adenosilmetionina (SAM), el principal donante de grupos metilo en el metabolismo de un carbono (fig. 20.8). La metionina también es fuente de homocisteína (Hcy), un metabolito relacionado con la enfermedad vascular aterosclerótica y la trombosis (v. pág. 294). 1. Síntesis de S-adenosilmetionina: la metionina se condensa con ATP, formando SAM, un compuesto de alta energía que es inusual porque no contiene fosfato. La formación de SAM está impulsada por la hidrólisis de los tres enlaces fosfato en el ATP (ver Fig. 20.8). 2. Grupo metilo activado: el grupo metilo unido al azufre en SAM se activa y puede ser transferido por metiltransferasas a una variedad de aceptores como la norepinefrina en la síntesis de epinefrina. El grupo metilo suele transferirse a átomos de nitrógeno u oxígeno (como en la síntesis y degradación de adrenalina, respectivamente; véase pág. 318) y, en ocasiones, a átomos de carbono (como en la citosina). El producto de reacción, S-adenosilhomocisteína (SAH), es un tioéter simple, análogo a la metionina. La pérdida resultante de energía libre hace que la transferencia de metilo sea esencialmente irreversible. 3. Hidrólisis de S-adenosilhomocisteína: después de la donación del grupo metilo, SAH se hidroliza a Hcy y adenosina. Hcy tiene dos destinos. Si hay una deficiencia de metionina, Hcy puede remetilarse a metionina (v . fig. 20.8). Si las reservas de metionina son adecuadas, Hcy puede entrar en la ruta de transsulfuración, donde se convierte en cisteína. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.8 Degradación y resíntesis de metionina. (Nota: la resíntesis de metionina a partir de homocisteína es la única reacción en la que el tetrahidrofolato transporta y dona un grupo metilo [ÿCH3 ]. En todas las demás reacciones, SAM es el transportador y donante del grupo metilo). PPi = pirofosfato; Pi = fosfato inorgánico; NH3 = amoníaco. una. Resíntesis de metionina: Hcy acepta un grupo metilo de N5 - metiltetrahidrofolato (N5 -metil-THF) en una reacción que requiere metilcobalamina, una coenzima derivada de la vitamina B12 (ver pág. 425). (Nota: la metionina sintasa transfiere el grupo metilo del derivado B12 a Hcy, regenerando la metionina. La cobalamina se remetila a partir de N5 -metil-THF). b. Síntesis de cisteína: catalizada por la cistationina ÿ-sintasa, Hcy se condensa con serina, formando cistationina, que se hidroliza a ÿ-cetobutirato y ******convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google cisteína (ver Fig. 20.8). Esta secuencia que requiere vitamina B6 tiene el efecto neto de convertir serina en cisteína y Hcy en ÿ-cetobutirato, que se descarboxila por oxidación para formar propionil CoA. El propionil CoA se convierte en succinil CoA (v . fig. 16.20). Debido a que Hcy se sintetiza a partir del aminoácido esencial metionina, la cisteína no es un aminoácido esencial siempre que haya suficiente metionina disponible. Figura 20.9 Asociación entre mortalidad por enfermedad cardiovascular y homocisteína plasmática total. 4. Relación de la homocisteína con la enfermedad vascular: las elevaciones de los niveles plasmáticos de Hcy favorecen el daño oxidativo, la inflamación y la disfunción endotelial y son un factor de riesgo independiente de enfermedades vasculares oclusivas, como la enfermedad cardiovascular (ECV) y el accidente cerebrovascular (fig. 20.9). Se observan elevaciones leves (hiperhomocisteinemia) en ~7% de la población. Los estudios epidemiológicos han demostrado que los niveles plasmáticos de Hcy están inversamente relacionados con los niveles plasmáticos folato, yHcy B6 en , las tres vitaminas involucradas ha demostrado en la de conversión que B12 lade suplementación metionina conyestas cisteína. vitaminas Se reduce los niveles circulantes de Hcy. Sin embargo, en pacientes con ECV establecida, la terapia con vitaminas no disminuye los eventos cardiovasculares o la muerte. Esto plantea la cuestión de si Hcy es una causa del daño vascular o simplemente un marcador de dicho daño. (Nota: En pacientes con homocistinuria clásica [como resultado de una hiperhomocisteinemia grave (>100 ÿmol/l), véase la pág. 303], se observan grandes elevaciones en la Hcy plasmática como resultado de deficiencias raras en la cistationina ÿ-sintasa de la vía de transulfuración.) Las deficiencias en la reacción de remetilación también dan como resultado un aumento de Hcy. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.10 Metabolismo del triptófano por la vía de la quinurenina (abreviada). CoA = coenzima A; PRPP = pirofosfato de fosforribosil; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina. En mujeres embarazadas, los niveles elevados de Hcy generalmente indican una deficiencia de ácido fólico, que se asocia con una mayor incidencia de defectos del tubo neural (cierre inadecuado, como en la espina bífida) en el feto (vea pág. 425). La suplementación periconceptual con folato reduce el riesgo de tales defectos. F. Otros aminoácidos que forman succinil CoA La degradación de valina, isoleucina y treonina también da como resultado la producción de succinil CoA, un compuesto intermedio y gluconeogénico del ciclo TCA. (Nota: se metaboliza a piruvato). 1. Valina e isoleucina: estos aminoácidos son aminoácidos de cadena ramificada (BCAA) que generan propionil CoA, que se convierte en metilmalonil CoA y luego en succinil CoA mediante reacciones que requieren biotina y vitamina B12. 2. Treonina: este aminoácido se deshidrata a ÿ-cetobutirato, que se convierte en propionil CoA y luego en succinil CoA. El propionil CoA, entonces, es generado por el catabolismo de los aminoácidos metionina, valina, isoleucina y treonina. (Nota: el propionil CoA también se genera mediante la oxidación de ácidos grasos impares [consulte la pág. 215].) G. Aminoácidos que forman acetil CoA o acetoacetil CoA El triptófano, la leucina, la isoleucina y la lisina forman acetil CoA o acetoacetil CoA directamente, sin que el piruvato sirva como intermediario. Como se señaló anteriormente, la fenilalanina y la tirosina también dan lugar a acetoacetato durante su catabolismo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google (ver Fig. 20.7). Por lo tanto, hay un total de seis aminoácidos total o parcialmente cetogénicos. 1. Triptófano: este aminoácido es glucogénico y cetogénico porque su catabolismo produce alanina y acetoacetil CoA (fig. 20.10). (Nota: el quinolinato procedente del catabolismo del triptófano se utiliza en la síntesis del dinucleótido de nicotinamida y adenina [(NAD), véase la pág. 430].) 2. Leucina: este aminoácido es exclusivamente cetogénico porque su catabolismo produce acetil CoA y acetoacetato (fig. 20.11). Las dos primeras reacciones en el catabolismo de la leucina y los otros BCAA, isoleucina y valina, son catalizadas por enzimas que usan los tres BCAA (o sus derivados) como sustratos (ver H. a continuación). 3. Isoleucina: este aminoácido es tanto cetogénico como glucogénico, porque su el metabolismo produce acetil CoA y propionil CoA. 4. Lisina: este aminoácido es exclusivamente cetogénico y es inusual porque ninguno de sus grupos amino sufre transaminación como primer paso en el catabolismo. La lisina finalmente se convierte en acetoacetil CoA. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.11 Degradación de leucina, valina e isoleucina. (Nota: la ÿ-metilcrotonil CoA carboxilasa es una de las cuatro carboxilasas que requieren biotina analizadas en este libro. Las otras tres son piruvato carboxilasa, acetil CoA carboxilasa y propionil CoA carboxilasa). TPP = pirofosfato de tiamina; FAD = dinucleótido de flavina y adenina; CoA = coenzima A; NAD = dinucleótido de nicotinamida y adenina; HMG = hidroximetilglutarato. H. Degradación de aminoácidos de cadena ramificada Los BCAA, la isoleucina, la leucina y la valina son aminoácidos esenciales. A diferencia de otros aminoácidos, son catabolizados principalmente por los tejidos periféricos (particularmente los músculos), más que por el hígado. Debido a que estos tres aminoácidos tienen una ruta de degradación similar, es conveniente describirlos como un grupo (ver Fig. 20.11). 1. Transaminación: la transferencia de los grupos amino de los tres BCAA al cetoglutarato ÿ es catalizada por una sola enzima que requiere vitamina B6, aminoácido aminotransferasa de cadena ramificada que se expresa principalmente en el músculo esquelético. 2. Descarboxilación oxidativa: la eliminación del grupo carboxilo de los ÿ-cetoácidos derivados de la leucina, la valina y la isoleucina es catalizada por un único complejo multienzimático, el ÿ-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada (BCKD). Una deficiencia enzimática en este complejo da lugar a la enfermedad de la orina de jarabe de arce (MSUD) (v . fig. 20.11 y pág. 302). Este complejo utiliza pirofosfato de tiamina, ácido lipoico, dinucleótido de flavina y adenina oxidado (FAD), NAD+ y CoA como sus coenzimas y produce NADH. (Nota: esta reacción es similar a la conversión de piruvato en acetil CoA por el complejo piruvato deshidrogenasa [PDH] [ver pág. 120] y ÿ-cetoglutarato en succinil CoA por el complejo ÿ cetoglutarato deshidrogenasa [ver pág. 123]. El componente dihidrolipoil deshidrogenasa [Enzima 3 o E3] es idéntico en los tres complejos). 3. Deshidrogenaciones: La oxidación de los productos formados en la reacción BCKD produce derivados de acil CoA ÿ-ÿ-insaturados y FADH2 . Estas reacciones son análogas a la deshidrogenación ligada a FAD en la oxidación ÿ de ácidos grasos (v. pág. 212). (Nota: la deficiencia en la deshidrogenasa específica para la isovaleril CoA causa problemas neurológicos y se asocia con un olor a "pies sudorosos" en los fluidos corporales). 4. Productos finales: el catabolismo de la isoleucina finalmente produce acetil CoA y succinil CoA, lo que la convierte en cetogénica y glucogénica. La valina produce succinil CoA y es glucogénica. La leucina es cetogénica y se metaboliza a acetoacetato y acetil CoA. Además, NADH y FADH2 se producen en las reacciones de descarboxilación y deshidrogenación, respectivamente. (Nota: el catabolismo de BCAA también da como resultado la síntesis de glutamina y alanina y su envío a la sangre desde el músculo [ver pág. 279]). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* , Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.12 5 10 5 Resumen de las interconversiones y usos de THF. (Nota: N -Metenil-THF también surge de N formimino-THF [ver Fig. 20.4].) NADP(H) = fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; TMP = monofosfato de timidina; dUMP = monofosfato de desoxiuridina; ,NORTE 5 MTHFR = N 10 ,NORTE -metilen-THF reductasa. IV. METABOLISMO DEL ÁCIDO FÓLICO Y DE LOS AMINOÁCIDOS Algunas rutas sintéticas requieren la adición de grupos de un solo carbono que existen en una variedad de estados de oxidación, incluidos formilo, metenilo, metileno y metilo. Estos grupos de un solo carbono se pueden transferir de compuestos portadores como THF y SAM a estructuras específicas que se están sintetizando o modificando. El “grupo de un solo carbono” se refiere a las unidades de un solo carbono adjuntas a este grupo de portadores. (Nota: el CO2 , proveniente del bicarbonato [HCO3 – ], es transportado por la vitamina biotina [consulte la pág. 431], que es un grupo protésico para la mayoría de las reacciones de carboxilación, pero no se considera miembro del grupo de un carbono. Defectos en la capacidad de agregar o eliminar biotina de las carboxilasas da como resultado una deficiencia múltiple de carboxilasa. El tratamiento es la suplementación con biotina). A. Ácido fólico y metabolismo de un carbono La forma activa de ácido fólico, THF, se produce a partir de folato por la dihidrofolato reductasa en una reacción de dos pasos que requiere dos fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADPH). La unidad de un carbono transportada por THF está unida a N5 o N10 o tanto a N5 como a N10 . La figura 20.12 muestra las estructuras de los diversos miembros de la familia THF y sus interconversiones e indica las fuentes de las unidades de un carbono y las reacciones sintéticas en las que participan los miembros específicos. (Nota: la deficiencia de folato se presenta como una anemia megaloblástica debido a la menor disponibilidad de las purinas y del monofosfato de timidina necesarios para la síntesis de ADN [vea la pág. 336].) V. BIOSÍNTESIS DE AMINOÁCIDOS NO ESENCIALES Los aminoácidos no esenciales se sintetizan a partir de intermediarios del metabolismo o, como en el caso de la tirosina y la cisteína, a partir de los aminoácidos esenciales fenilalanina y metionina, respectivamente. Las reacciones sintéticas de los aminoácidos no esenciales se describen a continuación y se resumen en la figura 20.15. (Nota: algunos aminoácidos que se encuentran en las proteínas, como la hidroxiprolina y la hidroxilisina [consulte la pág. 47], se producen por modificación postraduccional [después de la incorporación a una proteína] de sus aminoácidos precursores [primarios]). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.13 Formación de alanina, aspartato y glutamato a partir de los correspondientes ÿ-cetoácidos por transaminación. PLP = fosfato de piridoxal. A. Síntesis a partir de ÿ-cetoácidos La alanina, el aspartato y el glutamato se sintetizan mediante la transferencia de un grupo amino a los ÿ-cetoácidos piruvato, oxaloacetato y ÿ-cetoglutarato, respectivamente. Estas reacciones de transaminación (fig. 20.13) son las vías biosintéticas más directas. El glutamato es inusual porque también se puede sintetizar mediante la reversión de la desaminación oxidativa, catalizada por la glutamato deshidrogenasa, cuando los niveles de amoníaco son altos (v . fig. 19.11). B. Síntesis por amidación 1. Glutamina: este aminoácido, que contiene un enlace amida con amoníaco en el ÿ-carboxilo, se forma a partir de glutamato y amoníaco mediante la glutamina sintetasa (v . fig. 19.18, pág. 283). La reacción es impulsada por la hidrólisis de ATP. Además de producir glutamina para la síntesis de proteínas, la reacción también sirve como mecanismo principal para el transporte de amoníaco en una forma no tóxica. (Consulte la página 283 para una discusión sobre el metabolismo del amoníaco). 2. Asparagina: este aminoácido, que contiene un enlace amida con amoníaco en el ÿ-carboxilo, se forma a partir del aspartato por la asparagina sintetasa, usando glutamina como donante de amida. Al igual que la síntesis de glutamina, la reacción requiere ATP y tiene un equilibrio muy en la dirección de la síntesis de amida. C. Prolina El glutamato a través de glutamato semialdehído se convierte en prolina mediante reacciones de ciclación y reducción. (Nota: el semialdehído también se puede transaminar a ornitina). ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google D. Serina, glicina y cisteína Las vías de síntesis de estos aminoácidos están interconectadas. 1. Serina: este aminoácido surge del 3-fosfoglicerato, un intermediario glucolítico (v . fig. 8.18), que primero se oxida a 3-fosfopiruvato y luego se transamina a 3-fosfoserina. La serina se forma por hidrólisis del éster de fosfato. La serina también se puede formar a partir de la glicina mediante la transferencia de un grupo hidroximetilo por la serina hidroximetiltransferasa utilizando N5 ,N10 -MTHF como donante de un carbono (v . fig. 20.6A). (Nota: la selenocisteína [Sec], el aminoácido número 21 codificado genéticamente, se sintetiza a partir de la serina y el selenio [consulte la pág. 454], mientras que la serina se une al ARN de transferencia. La sec se encuentra en ~25 proteínas humanas, incluida la glutatión peroxidasa [consulte la pág. . 163] y tiorredoxina reductasa [vea la página 330].) 2. Glicina: este aminoácido se sintetiza a partir de la serina mediante la eliminación de un grupo hidroximetilo, también por la serina hidroximetiltransferasa (v . fig. 20.6A). THF es el aceptor de un carbono. 3. Cisteína: este aminoácido se sintetiza mediante dos reacciones consecutivas en las que la Hcy se combina con la serina, formando cistationina que, a su vez, se hidroliza a ÿcetobutirato y cisteína (v . fig. 20.8). (Nota: Hcy se deriva de la metionina, como se describe en la página 293. Debido a que la metionina es un aminoácido esencial, la síntesis de cisteína requiere una ingesta dietética adecuada de metionina). E. tirosina La tirosina se forma a partir de la fenilalanina por PAH (vea pág. 292). La reacción requiere oxígeno molecular y la coenzima BH4 , que se sintetiza átomo a partir de oxígeno del trifosfato molecular de guanosina. se convierte Un en el grupo hidroxilo de la tirosina y el otro átomo se reduce a agua. Durante la reacción, BH4 se oxida a dihidrobiopterina (BH2 ). BH4 se regenera a partir de BH2 mediante la dihidropteridina reductasa que requiere NADH. La tirosina, como la cisteína, se forma a partir de un aminoácido esencial y, por lo tanto, no es esencial solo en presencia de una dieta adecuada de fenilalanina. VI. TRASTORNOS DEL METABOLISMO DE AMINOÁCIDOS Estos trastornos de un solo gen, un subconjunto de los errores congénitos del metabolismo, generalmente son causados por mutaciones de pérdida de función en las enzimas involucradas en el metabolismo de los aminoácidos. Los defectos hereditarios pueden expresarse como una pérdida total de la actividad enzimática o, más frecuentemente, como una deficiencia parcial de la actividad catalítica. Sin tratamiento, los trastornos de aminoácidos provocan casi invariablemente una discapacidad intelectual u otras anomalías del desarrollo, como consecuencia de la acumulación dañina de metabolitos. Aunque se han descrito más de 50 de estos trastornos, muchos son raros y ocurren en menos de 1 por 250 000 en la mayoría de las poblaciones (fig. 20.14). Colectivamente, sin embargo, constituyen un muy importante ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google parte de las enfermedades genéticas pediátricas (fig. 20.15). Figura 20.14 Incidencia de enfermedades hereditarias del metabolismo de aminoácidos. (Nota: la cistinuria es el error congénito más común del transporte de aminoácidos). A. Fenilcetonuria La PKU es el error congénito del metabolismo de los aminoácidos que se encuentra clínicamente con más frecuencia (incidencia 1:15.000). La PKU clásica es un trastorno autosómico recesivo que resulta de la pérdida de mutaciones funcionales en el gen que codifica la PAH (fig. 20.16). Bioquímicamente, la PKU se caracteriza por hiperfenilalaninemia. La fenilalanina está presente en altas concentraciones (10 veces lo normal) no solo en el plasma sino también en la orina y los tejidos corporales. La tirosina, que normalmente se forma a partir de la fenilalanina por PAH, es deficiente. El tratamiento incluye la restricción dietética de fenilalanina y la suplementación con tirosina. (Nota: la hiperfenilalaninemia también puede ser causada por deficiencias raras en cualquiera de las varias enzimas necesarias para sintetizar BH4 o en la dihidropteridina reductasa, que regenera BH4 a partir de BH2 [fig. 20.17]. Tales deficiencias aumentan indirectamente las concentraciones de fenilalanina, porque la PAH requiere BH4 como coenzima. BH4 también se requiere para la tirosina hidroxilasa y el triptófano hidroxilasa, que catalizan reacciones que conducen a la síntesis de neurotransmisores, como la serotonina y las catecolaminas. La simple restricción de la fenilalanina en la dieta no revierte los efectos del sistema nervioso central debido a deficiencias en **** **ebook convertidor DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google neurotransmisores Suplementación con BH4 y terapia de reemplazo con L-3,4dihidroxifenilalanina [L-DOPA, ver pág. 318] y 5-hidroxitriptófano [productos de las reacciones catalizadas por tirosina hidroxilasa y triptófano hidroxilasa afectadas] mejora el resultado clínico en estas formas variantes de hiperfenilalaninemia, aunque la respuesta es impredecible). Figura 20.15 Resumen del metabolismo de los aminoácidos en humanos. Las deficiencias enzimáticas determinadas genéticamente se resumen en recuadros blancos. Los compuestos que contienen nitrógeno derivados de los aminoácidos se muestran en pequeños recuadros amarillos. La clasificación de los aminoácidos está codificada por colores: Rojo = glucogénico; marrón = glucogénico y cetogénico; verde = cetogénico. Los compuestos en AZUL EN MAYÚSCULAS son los siete metabolitos a los que converge todo el metabolismo de los aminoácidos. CoA = coenzima A; NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.16 Una deficiencia de fenilalanina hidroxilasa provoca la enfermedad fenilcetonuria (PKU). La detección de una serie de trastornos tratables en los recién nacidos, incluidos los errores congénitos del metabolismo de los aminoácidos, se realiza mediante espectrometría de masas en tándem de sangre obtenida de un pinchazo en el talón. Por ley, todos los estados deben evaluar > 20 trastornos, con algunos exámenes para > 50. Todos los estados evalúan PKU. 1. Características adicionales: como sugiere su nombre, la PKU también se caracteriza por niveles elevados de una fenilcetona en la orina. una. Metabolitos de fenilalanina elevados: el fenilpiruvato (una fenilcetona), el fenilacetato y el fenillactato, que normalmente no se producen en cantidades significativas en presencia de PAH funcional, también están elevados en la PKU, además de la fenilalanina (fig. 20.18). Estos metabolitos le dan a la orina un olor a humedad característico ("ratón"). b. Efectos en el sistema nervioso central: la discapacidad intelectual grave, el retraso en el desarrollo, la microcefalia y las convulsiones son hallazgos característicos de la PKU no tratada. El individuo afectado suele mostrar síntomas de discapacidad intelectual al año de edad y rara vez alcanza un cociente intelectual (CI) >50 (fig. 20.19). (Nota: estas manifestaciones clínicas ahora rara vez se ven como resultado de los programas de detección de recién nacidos, que permiten un diagnóstico y tratamiento tempranos). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.17 Reacciones biosintéticas que involucran aminoácidos y tetrahidrobiopterina. (Nota: las hidroxilasas de aminoácidos aromáticos usan BH4 y no PLP [fosfato de piridoxal].) NAD(H) = nicotinamida adenina dinucleótido; GTP = trifosfato de guanosina; DOPA = L-3,4-dihidroxifenilalanina. C. Hipopigmentación: los pacientes con PKU no tratada pueden mostrar una deficiencia de pigmentación (cabello rubio, color de piel claro y ojos azules). La hidroxilación de la tirosina por la tirosinasa que requiere cobre, que es el primer paso en la formación del pigmento melanina, está disminuida en la PKU porque la tirosina está disminuida. 2. Detección y diagnóstico de recién nacidos: el diagnóstico temprano de la PKU es importante porque la enfermedad se puede tratar por medios dietéticos. Debido a la falta de síntomas neonatales, las pruebas de laboratorio para niveles elevados de fenilalanina en sangre son obligatorias para la detección. Sin embargo, el bebé con PKU con frecuencia tiene niveles sanguíneos normales de fenilalanina al nacer porque la madre elimina el aumento de fenilalanina en la sangre del feto afectado a través de la placenta. Los niveles normales de fenilalanina pueden persistir hasta que el recién nacido esté expuesto a 24 a 48 horas de alimentación con proteínas. Por lo tanto, las pruebas de detección generalmente se realizan después de este tiempo para evitar falsos negativos. Para los recién nacidos con una prueba de detección positiva, el diagnóstico se confirma mediante la determinación cuantitativa de los niveles de fenilalanina. 3. Diagnóstico prenatal: la PKU clásica es causada por cualquiera de 100 o más mutaciones diferentes en el gen que codifica la PAH. La frecuencia de cualquier mutación determinada varía entre las poblaciones y la enfermedad suele ser doblemente heterocigota (es decir, el gen PAH tiene una mutación diferente en cada alelo). A pesar de esta complejidad, es posible el diagnóstico prenatal (v. pág. 544). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.18 Vías del metabolismo de la fenilalanina en individuos normales y en pacientes con fenilcetonuria. 4. Tratamiento: Debido a que la mayoría de las proteínas naturales contienen fenilalanina, un aminoácido esencial, es imposible satisfacer el requerimiento de proteínas del cuerpo sin exceder el límite de fenilalanina cuando se ingiere una dieta normal. Por lo tanto, en la PKU, el nivel de fenilalanina en sangre se mantiene cerca del rango normal mediante la alimentación con preparados de aminoácidos sintéticos libres de fenilalanina, complementados con algunos alimentos naturales (como frutas, verduras y ciertos cereales) seleccionados por su bajo contenido en fenilalanina. La cantidad se ajusta de acuerdo con la tolerancia del individuo medida por los niveles de fenilalanina en sangre. Cuanto antes se inicie el tratamiento, más completamente se podrá prevenir el daño neurológico. Las personas que reciben un tratamiento adecuado pueden tener ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google inteligencia. (Nota: el tratamiento debe comenzar durante los primeros 7 a 10 días de vida para prevenir el deterioro cognitivo). Debido a que la fenilalanina es un aminoácido esencial, se evita un tratamiento demasiado entusiasta que resulte en niveles de fenilalanina en sangre por debajo de lo normal. En los pacientes con PKU, la tirosina no se puede sintetizar a partir de la fenilalanina, por lo que se convierte en un aminoácido esencial y debe ser aportado en la dieta. La interrupción de la dieta restringida en fenilalanina en la primera infancia se asocia con un desempeño deficiente en las pruebas de coeficiente intelectual. Los pacientes adultos con PKU muestran un deterioro de las puntuaciones de CI después de interrumpir la dieta (fig. 20.20). Por lo tanto, se recomienda la restricción de por vida de la fenilalanina en la dieta. (Nota: se recomienda a las personas con PKU que eviten el aspartame, un edulcorante artificial que contiene fenilalanina). Figura 20.19 Habilidad intelectual típica en pacientes no tratados de diferentes edades con fenilcetonuria. CI = cociente de inteligencia. 5. Fenilcetonuria materna: si las mujeres con PKU que no siguen una dieta baja en fenilalanina quedan embarazadas, la descendencia aún puede verse afectada por el síndrome de PKU materno. Incluso si el feto no ha heredado la enfermedad (es decir, el feto es heterocigoto para la mutación PAH ), la fenilalanina alta en sangre en la madre tiene un efecto teratogénico, causando microcefalia y anomalías cardíacas congénitas en el feto. Debido a que estas respuestas de desarrollo a la fenilalanina alta ocurren durante los primeros meses del embarazo, el control dietético de la fenilalanina en sangre debe comenzar antes de la concepción y mantenerse durante todo el embarazo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.20 Cambios en las puntuaciones del cociente intelectual (CI) después de interrumpir la dieta baja en fenilalanina en pacientes con fenilcetonuria. B. Enfermedad de la orina con jarabe de arce La MSUD es un trastorno autosómico recesivo raro (1:185 000) en el que hay una deficiencia parcial o completa de BCKD, el complejo enzimático mitocondrial que descarboxila por oxidación la leucina, la isoleucina y la valina (v . fig. 20.11). Estos BCAA y sus correspondientes ÿ-cetoácidos se acumulan en la sangre provocando un efecto tóxico que interfiere en las funciones cerebrales. La enfermedad se caracteriza por problemas de alimentación, vómitos, cetoacidosis, cambios en el tono muscular, problemas neurológicos que pueden resultar en coma (principalmente debido al aumento de leucina) y un olor característico a jarabe de arce en la orina debido al aumento de isoleucina. Si no se trata, la enfermedad es fatal. Si el tratamiento se retrasa, se produce una discapacidad intelectual. 1. Clasificación: MSUD incluye un tipo clásico y varias variantes. La forma clásica de inicio neonatal es el tipo más común de MSUD. Los leucocitos o fibroblastos de piel cultivados de estos pacientes muestran poca o ninguna actividad de BCKD. Los bebés con MSUD clásica muestran síntomas dentro de los primeros días de vida. Si no se diagnostica y trata, la MSUD clásica es letal en las primeras semanas de vida. Los pacientes con formas intermedias tienen un nivel más alto de actividad enzimática (hasta un 30 % de lo normal). Los síntomas son más leves y muestran un inicio desde la infancia hasta la adolescencia. Los pacientes con la rara variante de MSUD dependiente de tiamina responden a grandes dosis de esta vitamina. 2. Detección y diagnóstico: Al igual que con la PKU, se encuentran disponibles el diagnóstico prenatal y la detección del recién nacido, y la mayoría de los individuos afectados son heterocigotos compuestos. 3. Tratamiento: MSUD se trata con una fórmula sintética libre de BCAA, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google complementado con cantidades limitadas de leucina, isoleucina y valina para permitir un crecimiento y desarrollo normales sin producir niveles tóxicos. (Nota: la leucina elevada es la causa del daño neurológico en la MSUD, y su nivel se controla cuidadosamente). El diagnóstico temprano y el tratamiento dietético de por vida son esenciales para que el niño con MSUD se desarrolle normalmente. (Nota: los BCAA son una fuente de energía importante en momentos de necesidad metabólica, y las personas con MSUD corren el riesgo de descompensarse durante los períodos de aumento del catabolismo proteico). C. Albinismo El albinismo se refiere a un grupo de condiciones en las que un defecto en el metabolismo de la tirosina da como resultado una deficiencia en la producción de melanina. Estos defectos dan como resultado la ausencia parcial o total de pigmento de la piel, el cabello y los ojos. El albinismo aparece en diferentes formas y puede ser heredado por uno de varios modos: autosómico recesivo (modo primario), autosómico dominante o ligado al cromosoma X. La ausencia total de pigmento en el cabello, los ojos y la piel (fig. 20.21), el albinismo oculocutáneo tirosinasa negativo (albinismo tipo 1), resulta de una tirosinasa que requiere cobre ausente o defectuosa, que cataliza los dos primeros pasos en la síntesis de melanina de la tirosina. Es la forma más severa de la condición. Además de la hipopigmentación, las personas afectadas tienen defectos de visión y fotofobia (la luz del sol daña los ojos). También tienen un mayor riesgo de cáncer de piel. Figura 20.21 Paciente con albinismo oculocutáneo, que muestra cejas y pestañas blancas y ojos de color rojo. D. Homocistinuria Las homocistinurias son un grupo de trastornos que cursan con defectos en el metabolismo de la Hcy. Estas enfermedades autosómicas recesivas se caracterizan por niveles urinarios elevados de Hcy, niveles plasmáticos elevados de Hcy y metionina y niveles plasmáticos bajos de cisteína. La causa más común de homocistinuria es un defecto en la enzima cistationina ÿ-sintasa, que convierte Hcy en cistationina (fig. 20.22). Los individuos homocigotos para la deficiencia de cistationina ÿ-sintasa presentan dislocación del cristalino (ectopia lentis), anomalías esqueléticas (extremidades largas y dedos), alteraciones intelectuales ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google discapacidad y un mayor riesgo de desarrollar trombos (coágulos de sangre). La trombosis es la principal causa de muerte prematura en estos individuos. El tratamiento incluye restricción de metionina y suplementos de vitamina B12 y ácido fólico. La cisteína se convierte en un aminoácido esencial y debe complementarse. Como el glutatión se sintetiza a partir de la cisteína (fig. 13.6), añadir cisteína a la dieta también ayuda a reducir el estrés oxidativo. Además, algunos pacientes responden a la administración oral de piridoxina (vitamina B6 ), que se convierte en fosfato de piridoxal, la coenzima de la cistationina ÿsintasa. Estos pacientes suelen tener un inicio más leve y tardío de los síntomas clínicos en comparación con los pacientes que no responden al B6 . (Nota: las deficiencias en metilcobalamina [ver Fig. 20.8] o N5 ,N10 -MTHF reductasa [(MTHFR), ver Fig. 20.12] también resultan en Hcy elevada). Figura 20.22 Deficiencia enzimática en homocistinuria. PLP = fosfato de piridoxal. E. Alcaptonuria La alcaptonuria es una aciduria orgánica rara que implica una deficiencia de la oxidasa del ácido homogentísico, lo que da lugar a la acumulación de ácido homogentísico (HA), un intermediario en la vía de degradación de la tirosina (v . fig. 20.15). La condición tiene tres síntomas característicos: aciduria homogentísica (la orina contiene niveles elevados de HA, que se oxida a un pigmento oscuro al reposar, como se muestra en la figura 20.23A), inicio temprano de artritis en las grandes articulaciones y depósito de sangre negra . pigmento (ocronosis) en cartílago y tejido colágeno (v . fig. 20.23B). Las manchas oscuras de los pañales pueden indicar la enfermedad en los bebés, pero por lo general no se presentan síntomas hasta alrededor de los 40 años. El tratamiento incluye la restricción dietética de fenilalanina y tirosina para reducir los niveles de HA. Aunque la alcaptonuria no pone en peligro la vida, la ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google la artritis asociada puede ser gravemente incapacitante. (Nota: las deficiencias en fumarilacetoacetato hidrolasa, la enzima terminal del metabolismo de la tirosina, dan como resultado tirosinemia tipo I [v . fig. 20.15] y un olor característico a repollo en la orina). F. Acidemia metilmalónica La acidemia metilmalónica (MMA) es un trastorno autosómico recesivo raro (1:100 000) causado por una deficiencia en la metilmalonil CoA mutasa, que convierte la L metilmalonil CoA en succinil CoA. Dado que la mutasa requiere vitamina B12 , la enfermedad también puede resultar de una deficiencia severa de B12 . La descomposición de los ácidos grasos de longitud de cadena impar, la valina, la isoleucina, la metionina y la treonina pueden dar como resultado MMA, debido a la deficiencia de esta enzima. La elevación de metilmalonato en la sangre y la orina puede provocar una acidosis metabólica. También puede haber un aumento de propionil CoA, exacerbando la aciduria con una acumulación adicional de ácido propiónico. Los síntomas aparecen en la primera infancia, que varían según el grado de deficiencia de la enzima, e incluyen retraso en el crecimiento, vómitos, deshidratación, hipotonía, retraso en el desarrollo, convulsiones, hepatomegalia, hiperamonemia y encefalopatía progresiva. Si es grave y no se trata, puede provocar discapacidad intelectual, daño renal o hepático crónico, pancreatitis y coma o la muerte. El tratamiento incluye una dieta baja en proteínas y alta en calorías y suplementos de vitamina B12 . La dieta limita la ingesta de isoleucina, treonina, metionina y valina, ya que estos aminoácidos pueden conducir a la acumulación de ácido metilmalónico por la deficiencia de mutasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.23 Muestras de un paciente con alcaptonuria. R: Orina. B: vértebras. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VIII. Resumen del capítulo Los aminoácidos cuyo catabolismo produce piruvato o un intermediario del ciclo TCA se denominan glucogénicos (fig. 20.24). Pueden dar lugar a la formación neta de glucosa en el hígado y los riñones. Los aminoácidos únicamente glucogénicos son glutamina, glutamato, prolina, arginina, histidina, alanina, serina, glicina, cisteína, metionina, valina, treonina, aspartato y asparagina. Los aminoácidos cuyo catabolismo produce acetil CoA (directamente, sin que el piruvato actúe como intermediario) o acetoacetato (o su precursor acetoacetil CoA) se denominan cetogénicos. La leucina y la lisina son únicamente cetogénicas. La tirosina, la fenilalanina, el triptófano y la isoleucina son cetogénicos y glucogénicos. Los aminoácidos no esenciales se pueden sintetizar a partir de intermediarios metabólicos o de los esqueletos de carbono de los aminoácidos esenciales. Los aminoácidos esenciales deben obtenerse de la dieta. Incluyen histidina, metionina, treonina, valina, isoleucina, fenilalanina, triptófano, leucina y lisina. La PKU es causada por una deficiencia de PAH, que convierte la fenilalanina en tirosina. La hiperfenilalaninemia también puede ser causada por deficiencias en las enzimas que sintetizan o regeneran la coenzima para PAH, BH4 . Las personas con fenilcetonuria que no reciben tratamiento sufren discapacidad intelectual grave, retraso en el desarrollo, microcefalia, convulsiones y un olor a humedad característico en la orina. El tratamiento consiste en controlar la fenilalanina en la dieta. La tirosina se convierte en un componente dietético esencial para las personas con PKU. La MSUD es causada por una deficiencia parcial o completa de BKCD, la enzima que descarboxila los BCAA, la leucina, la isoleucina y la valina. Los síntomas incluyen problemas de alimentación, vómitos, cetoacidosis, cambios en el tono muscular y un olor dulce característico de la orina. Si no se trata, la enfermedad conduce a problemas neurológicos que resultan en la muerte. El tratamiento consiste en controlar la ingesta de BCAA. Otras enfermedades genéticas importantes asociadas con el metabolismo de los aminoácidos incluyen albinismo, homocistinuria, MMA, alcaptonuria, histidinemia, tirosinemia y cistationinuria. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 20.24 Mapa de conceptos clave para el metabolismo de los aminoácidos. CoA = coenzima A. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. Para las Preguntas 20.1 a 20.3, relacione la enzima deficiente con el signo clínico asociado o el hallazgo de laboratorio en la orina. A. Pigmentación negra del cartílago B. Pies sudorosos con olor a fluidos ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google C. Cristales de cistina en la orina D. Cabello blanco, color de ojos rojos E. Aumento de aminoácidos de cadena ramificada F. Aumento de homocisteína G. Aumento de metionina H. Aumento de fenilalanina 20.1 Cistationina ÿ-sintasa 20.2 Oxidasa del ácido homogentísico 20.3 Tirosinasa Respuestas correctas = F, A, D, respectivamente. Una deficiencia en la degradación de la cistationina ÿ-sintasa de la metionina da como resultado un aumento de la homocisteína. Una deficiencia de ácido homogentísico oxidasa de la degradación de tirosina da como resultado un aumento del ácido homogentísico, que forma un pigmento negro que se deposita en el tejido conjuntivo (ocronosis). Una deficiencia de tirosinasa da como resultado una disminución de la formación de melanina a partir de tirosina en la piel, el cabello y los ojos. Un olor a pies sudorosos es característico de la deficiencia de isovaleril coenzima A deshidrogenasa. Los cristales de cistina en la orina se observan con cistinuria, un defecto en la absorción intestinal y renal de cistina. Se observa un aumento de los aminoácidos de cadena ramificada en la enfermedad de la orina con jarabe de arce, un aumento de la metionina en los defectos del metabolismo de la homocisteína y un aumento de la fenilalanina en la fenilcetonuria. 20.4 Un bebé de 1 semana de edad, que nació en su casa en un área rural sin servicios médicos, tiene fenilcetonuria clásica no detectada. ¿Qué afirmación sobre este bebé y/o su tratamiento es correcta? R. Debe iniciarse inmediatamente una dieta sin fenilalanina. B. El tratamiento dietético se interrumpirá en la edad adulta. C. Se requiere suplementación con vitamina B6 . D. La tirosina es un aminoácido esencial. E. La suplementación con ácido fólico puede aumentar la actividad de la PAH. Respuesta correcta = D. En pacientes con fenilcetonuria, la tirosina no puede sintetizarse a partir de fenilalanina y, por tanto, se vuelve imprescindible y debe ser aportada en la dieta. La fenilalanina en la dieta debe controlarse pero no puede eliminarse por completo porque es un aminoácido esencial. El tratamiento dietético debe comenzar durante los primeros 7 a 10 días de vida para prevenir la discapacidad intelectual, y se recomienda la restricción de fenilalanina de por vida para prevenir el deterioro cognitivo. Además, los niveles elevados de fenilalanina son teratógenos para el feto en desarrollo. El cofactor de la PAH es la tetrahidrobiopterina (BH4 ). La suplementación con BH4 puede ayudar a reducir los niveles de fenilalanina si el defecto de la enzima está en la producción de BH4 o su reducción a partir de la dihidrobiopterina. 20.5 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre los aminoácidos es correcta? R. La alanina es cetogénica. B. Aminoácidos que se catabolizan directamente a acetil coenzima A (CoA) (sin formar piruvato como un intermedio) son glucogénicos. C. Los aminoácidos de cadena ramificada se catabolizan principalmente en el hígado. D. La cisteína es esencial para las personas que consumen una dieta severamente limitada en metionina. E. Alanina es un aminoácido esencial. Respuesta correcta = D. La metionina es el precursor de la cisteína, que se vuelve esencial si la metionina está severamente restringida. La alanina es un aminoácido glucogénico clave. Acetil CoA no se puede utilizar para la síntesis neta de glucosa. Los aminoácidos catabolizados a acetil CoA, acetoacetato y acetoacetil CoA son cetogénicos. Los aminoácidos de cadena ramificada se catabolizan principalmente en el músculo esquelético. La alanina es un aminoácido no esencial, sintetizado a partir del piruvato por una transaminasa. 20.6 En un individuo con la forma deficiente de dihidrolipoil deshidrogenasa (E3) de la enfermedad de orina de jarabe de arce, ¿por qué ¿La acidosis láctica sería un hallazgo esperado? ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Los tres complejos de ÿ-cetoácido deshidrogenasa (piruvato deshidrogenasa [PDH], ÿ-cetoglutarato deshidrogenasa y ÿ-cetoácido deshidrogenasa de cadena ramificada [BCKD]) tienen la enzima 3 o E3 en común. En la enfermedad de orina con jarabe de arce por deficiencia de E3, además de los aminoácidos de cadena ramificada y sus derivados de ÿ-cetoácidos que se acumulan como resultado de la disminución de la actividad de BCKD, el lactato también aumentará debido a la disminución de la actividad de PDH. 20.7 En contraste con el fosfato de piridoxal derivado de la vitamina B6 requerido en la mayoría de las reacciones enzimáticas que involucran amino ácidos, ¿qué coenzima requieren las hidroxilasas de aminoácidos aromáticos? La tetrahidrobiopterina, hecha de trifosfato de guanosina, es la coenzima requerida. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Aminoácidos: Conversión a Especializados productos 21 I. VISIÓN GENERAL Además de servir como bloques de construcción para las proteínas, los aminoácidos son precursores de muchos compuestos que contienen nitrógeno (N) que tienen funciones fisiológicas importantes (Fig. 21.1). Estas moléculas incluyen porfirinas, neurotransmisores, hormonas, purinas y pirimidinas. (Nota: consulte la página 166 para la síntesis de óxido nítrico a partir de arginina). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.1 Aminoácidos como precursores de compuestos nitrogenados. II. METABOLISMO DE PORFIRINAS Las porfirinas son compuestos cíclicos que se unen fácilmente a iones metálicos, generalmente ferrosos 2+) o 3+) planchar. La metaloporfirina más prevalente en humanos es el hemo, que 2+ (Fe férrico (Fe de un Fe IX (v. pág.coordinado 310). El hemo en el escentro el grupo delprostético anillo de tetrapirrol de la hemoglobina de la protoporfirina (Hb), la consta mioglobina, los citocromos, incluido el sistema monooxigenasa del citocromo P450 (CYP), la catalasa, la óxido nítrico sintasa y la peroxidasa. Estas proteínas hemo se sintetizan rápidamente y ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google degradado. Por ejemplo, cada día se sintetizan de 6 a 7 g de Hb para reemplazar el hemo perdido a través del recambio normal de eritrocitos. La síntesis y degradación de las porfirinas asociadas y el reciclaje del hierro se coordinan con la renovación de las hemoproteínas. Una estructura Las porfirinas son moléculas planas cíclicas formadas por el enlace de cuatro anillos de pirrol a través de puentes de metenilo (fig. 21.2). Tres características estructurales de estas moléculas son relevantes para comprender su importancia médica. 1. Cadenas laterales: las diferentes porfirinas varían en la naturaleza de las cadenas laterales unidas a cada uno de los cuatro anillos de pirrol. La uroporfirina contiene cadenas laterales de acetato (ÿCH2–COO–) y propionato (ÿCH2–CH2–COO–) ; la coproporfirina contiene grupos metilo (ÿCH3 ) y propionato; y la protoporfirina IX (y el hemo b, el hemo más común) contiene grupos vinilo (ÿCH = CH2), metilo y propionato. (Nota: los grupos metilo y vinilo se producen por descarboxilación de las cadenas laterales de acetato y propionato, respectivamente). Figura 21.2 Estructuras de uroporfirina I y uroporfirina III. 2. Distribución de la cadena lateral: las cadenas laterales de las porfirinas se pueden ordenar alrededor del núcleo de tetrapirrol de cuatro maneras diferentes, designadas con números romanos del I al IV. Solo las porfirinas de tipo III, que contienen una sustitución asimétrica en el anillo D (fig. 21.2), son importantes desde el punto de vista fisiológico en los seres humanos. (Nota: la protoporfirina IX es un miembro de la serie tipo III). 3. Porfirinógenos: estos precursores de porfirinas (p. ej., uroporfirinógeno) existen en una forma químicamente reducida e incolora y sirven como intermediarios entre el porfobilinógeno (PBG) y las protoporfirinas coloreadas oxidadas en la biosíntesis del hemo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.3 Vía de síntesis de porfirina: Formación de porfobilinógeno. (Nota: ALAS1 está regulado por hemo; ALAS2 está regulado por hierro). ALAS, ácido ÿ-aminolevulínico sintasa; CoA, coenzima A; CO2dióxido , de carbono; PLP, fosfato de piridoxal. (Continúa en las Figs. 21.4 y 21.5.) B. Biosíntesis de hemo Los principales sitios de biosíntesis del hemo son el hígado y las células productoras de eritrocitos de la médula ósea. En el hígado, que sintetiza varias proteínas hemo (particularmente las proteínas CYP), la tasa de síntesis de hemo es muy variable, ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google respondiendo a alteraciones en el grupo hemo celular causadas por demandas fluctuantes de proteínas hemo. Por el contrario, la síntesis de hemo en las células eritroides, que son activas en la síntesis de Hb, es relativamente constante y coincide con la tasa de síntesis de globina. (Nota: más del 85% de toda la síntesis de hemo ocurre en el tejido eritroide. Los glóbulos rojos maduros (RBC) carecen de mitocondrias y no pueden sintetizar hemo). La reacción inicial y los últimos tres pasos en la formación de porfirinas ocurren en las mitocondrias, mientras que los pasos intermedios de la ruta biosintética ocurren en el citosol. (Nota: la figura 21.8 resume la síntesis de hemo). 1. Formación de ácido ÿ-aminolevulínico: todos los átomos de carbono y nitrógeno de la molécula de porfirina son proporcionados por la glicina (un aminoácido no esencial) y la succinil coenzima A (un intermediario del ciclo del ácido tricarboxílico) que se condensan para formar ácido ÿ-aminolevulínico (ALA) en una reacción catalizada por ALA sintasa ([ALAS], Fig. 21.3). Esta reacción requiere fosfato de piridoxal ([PLP], consulte la página 428) como coenzima y es el paso comprometido y limitante de la velocidad en la biosíntesis de porfirina. (Nota: hay dos isoformas de ALAS, cada una producida por diferentes genes y controlada por diferentes mecanismos. ALAS1 se encuentra en todos los tejidos, mientras que ALAS2 es específico de los eritroides. Las mutaciones de pérdida de función en ALAS2 dan como resultado anemia sideroblástica ligada al cromosoma X y deficiencia de hierro. sobrecarga.) una. Efectos del hemo (hemina): cuando la producción de porfirina excede la disponibilidad de las apoproteínas que la requieren, el hemo se acumula y se convierte en hemina en Fe 3+ mediante la oxidación de Fe. La hemina disminuye cantidad (y, por lo tanto, la 2+ actividad) de aumentando ALAS1 al reprimir la degradación la transcripción de su ARN de su mensajero gen,la y disminuyendo la importación de la enzima a la mitocondria. (Nota: en las células eritroides, ALAS2 está controlado por la disponibilidad de hierro intracelular [ver pág. 525]). b. Efectos de los medicamentos: la administración de cualquiera de un gran número de medicamentos (y varios xenobióticos químicos ambientales, presentes en ciertos alimentos, cosméticos y productos comerciales) da como resultado un aumento significativo en la actividad hepática de ALAS1. Estas moléculas son metabolizadas por el sistema monooxigenasa CYP microsomal, un sistema de hemoproteína oxidasa que se encuentra en el hígado (v. pág. 164). En respuesta a estos fármacos, aumenta la síntesis de proteínas CYP, lo que conduce a un mayor consumo de hemo, un componente de estas proteínas. Esto, a su vez, provoca una disminución en la concentración de hemo libre o no unido en las células hepáticas. La concentración intracelular más baja de hemo libre conduce a un aumento en la síntesis de ALAS1 y provoca un aumento correspondiente en la síntesis de ALA. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.4 Vía de síntesis de porfirina: formación de protoporfirina IX. (Continuación de la figura 21.3.) ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Los prefijos uro- (orina) y copro- (heces) reflejan los sitios iniciales de descubrimiento. Las deficiencias de enzimas en las porfirias se indican con barras negras. AIP = porfiria aguda intermitente; CEP = porfiria eritropoyética congénita; PCT = porfiria cutánea tardía; HCP = coproporfiria hereditaria; VP = porfiria variegata. (Nota: la deficiencia de uroporfirinógeno III sintasa impide la isomerización pero no el cierre del anillo, lo que da como resultado la producción de porfirinas tipo I). 2. Formación de porfobilinógeno: la condensación citosólica de dos ALA para formar PBG por la ALA deshidratasa que contiene zinc (PBG sintasa) es extremadamente sensible a la inhibición por iones de metales pesados (p. ej., plomo) que reemplazan al zinc (fig. 21.3). Esta inhibición es, en parte, responsable de la elevación de ALA y la anemia causada por el envenenamiento por plomo. 3. Formación de uroporfirinógeno: la condensación de cuatro moléculas de PBG, catalizada por la hidroximetilbilano sintasa, produce el tetrapirrol hidroximetilbilano lineal. Una deficiencia de esta enzima produce porfiria intermitente aguda (AIP, fig. 21.4, véanse también las págs. 313 y 21.8 para obtener más detalles sobre las diferentes formas de porfirias). La uroporfirinógeno III sintasa cicla e isomeriza el hidroximetilbilano para producir el uroporfirinógeno III asimétrico. Una deficiencia en esta enzima resulta en porfiria eritropoyética congénita (CEP). El uroporfirinógeno III sufre la descarboxilación de sus grupos acetato por la descarboxilasa del uroporfirinógeno III (UROD), generando coproporfirinógeno III. Una deficiencia de esta enzima produce porfiria cutánea tardía (PCT). Estas tres reacciones ocurren en el citosol. 4. Formación de hemo: el coproporfirinógeno III ingresa a la mitocondria y dos cadenas laterales de propionato son descarboxiladas por la coproporfirinógeno III oxidasa a grupos vinilo generando protoporfirinógeno IX. Una deficiencia en esta enzima resulta en coproporfiria hereditaria (HCP). El protoporfirinógeno IX es oxidado por la protoporfirinógeno oxidasa a protoporfirina IX. Una deficiencia de esta enzima produce porfiria variegata (VP). La introducción de hierro (como Fe protoporfirina IX produce hemo. Este paso puede ocurrir 2+ espontáneamente, pero la tasa se ve aumentada por la ferroquelatasa, una enzima que, como la ALA) dentro deshidratasa, es inhibida por el plomo (Fig. 21.5). Una deficiencia en esta enzima resulta en la protoporfiria eritropoyética (EPP). Aplicación clínica 21.1: Envenenamiento por plomo El envenenamiento por plomo es una acumulación de plomo en el cuerpo durante un período de meses a años. Las fuentes comunes de plomo incluyen la exposición a pinturas a base de plomo y polvo o escamas de pintura comunes en edificios antiguos; el plomo en las cañerías domésticas también puede contaminar el agua potable. La exposición puede ocurrir por inhalación, contacto con la piel o las membranas mucosas, o ingestión. El plomo tiene un sabor dulce y la exposición por ingestión es de especial preocupación para los bebés y niños pequeños. Los síntomas del envenenamiento por plomo pueden incluir retrasos en el desarrollo, problemas de aprendizaje y bajo coeficiente intelectual, dolor abdominal, estreñimiento, cambios neurológicos e irritabilidad. Los niveles muy altos de plomo pueden ser fatales. El plomo inhibe la ALA deshidratasa y la ferroquelatasa, ambas enzimas involucradas en la síntesis de hemo y, por lo tanto, provoca una disminución en la síntesis de hemo. Además, los altos niveles de plomo perjudican la utilización del hierro. Esto da como resultado un mayor uso de zinc (en lugar de hierro) como sustrato para la quelación de la protoporfirina IX por parte de la ferroquelatasa. En consecuencia, los pacientes con envenenamiento por plomo pueden presentar anemia y niveles elevados de protoporfirina de zinc. El aumento de ALA puede ser tóxico para las neuronas. El plomo también puede atravesar la barrera hematoencefálica y es neurotóxico. El tratamiento habitual es el ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google la fuente de exposición al contaminante de plomo, pero en casos de intoxicación grave por plomo (más de 45 ÿg/dl medidos en el suero), quelantes divalentes como el succímero (DMSA, ácido 2,3-dimercaptosuccínico), ácido etilendiaminotetraacético disódico de calcio ( EDTA) u otros pueden usarse para eliminar el exceso de iones de plomo de la sangre. Figura 21.5 2+ = Vía de síntesis de porfirina: formación de hemo b. (Continuación de las Figs. 21.3 y 21.4.) Fe hierro ferroso. La deficiencia de enzimas en la porfiria se indica con una barra negra; EPP = protoporfiria eritropoyética. C. Porfirias Las porfirias son defectos raros, heredados (oa veces adquiridos) en la síntesis de hemo, que dan como resultado la acumulación y el aumento de la excreción de porfirinas o precursores de porfirinas (fig. 21.8). (Nota: las porfirias hereditarias son trastornos autosómicos dominantes (AD) o autosómicos recesivos (AR).) Cada porfiria da como resultado la acumulación de un patrón único de intermediarios causados por la deficiencia de una enzima en la vía de síntesis del hemo. (Nota: Porfiria, derivado del griego para púrpura, se refiere al color rojo azulado causado por porfirinas similares a pigmentos en la orina de algunos pacientes con defectos en la síntesis de hemo). 1. Manifestaciones clínicas: Las porfirias se clasifican en eritropoyéticas o hepáticas, según el déficit enzimático se produzca en las células eritropoyéticas de la médula ósea o en el hígado. Las porfirias hepáticas se pueden clasificar además como crónicas o agudas. En general, los individuos con un defecto enzimático previo a la síntesis de los tetrapirroles manifiestan síntomas abdominales y ******ebook converter DEMO Watermarks******* Machine Translated by Google signos neuropsiquiátricos, mientras que aquellos con defectos enzimáticos que conducen a la acumulación de intermedios de tetrapirrol muestran fotosensibilidad (es decir, les pica y quema la piel [prurito] cuando se exponen a la luz solar). (Nota: la fotosensibilidad es el resultado de la oxidación de porfirinógenos incoloros a porfirinas coloreadas, que son moléculas fotosensibilizantes que se cree que participan en la formación de radicales superóxido a partir del oxígeno. Estos radicales pueden dañar las membranas por oxidación y provocar la liberación de enzimas destructivas de los lisosomas). una. Porfiria hepática crónica: PCT, la porfiria más común, es una enfermedad crónica del hígado. La enfermedad se asocia con una deficiencia grave de UROD, pero la expresión clínica de la deficiencia está influenciada por varios factores, como la sobrecarga hepática de hierro, la exposición a la luz solar, la ingestión de alcohol, la terapia con estrógenos y la presencia de hepatitis B o C o infecciones por VIH. (Nota: las mutaciones de UROD se encuentran en solo el 20% de los individuos afectados. La herencia es AD). El inicio clínico es típicamente durante la cuarta o quinta década de la vida. La acumulación de porfirina provoca síntomas cutáneos (fig. 21.6) , así como orina de color rojo a marrón con luz natural (fig. 21.7) y de rosa a rojo con luz fluorescente. Figura 21.6 Erupciones cutáneas en un paciente con porfiria cutánea tardía. b. Porfirias hepáticas agudas: las porfirias hepáticas agudas (porfiria por deficiencia de ALA deshidratasa, AIP, HCP y VP) se caracterizan por ataques agudos de síntomas gastrointestinales (GI), neuropsiquiátricos y motores que pueden acompañarse de fotosensibilidad (fig. 21.8). Las porfirias que conducen a la acumulación de ALA y PBG, como AIP, causan dolor abdominal y trastornos neuropsiquiátricos, que van desde la ansiedad hasta el delirio. Los síntomas de las porfirias hepáticas agudas a menudo se precipitan por el uso de fármacos, como barbitúricos y etanol, que inducen la síntesis del sistema de oxidación de fármacos microsomales CYP que contiene hemo. Esto reduce aún más la cantidad de hemo disponible, lo que, a su vez, promueve una mayor síntesis de ALAS1. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google C. Porfirias eritropoyéticas: las porfirias eritropoyéticas crónicas (CEP y EPP) causan fotosensibilidad caracterizada por erupciones cutáneas y ampollas que aparecen en la primera infancia (fig. 21.8). Figura 21.7 Orina de un paciente con porfiria cutánea tardía (derecha) y de un paciente con excreción normal de porfirina (izquierda). 2. Aumento de la actividad sintasa del ácido ÿ-aminolevulínico: una característica común de las porfirias hepáticas es la disminución de la síntesis de hemo. En el hígado, el hemo normalmente funciona como un represor del gen ALAS1. Por tanto, la ausencia de este producto final se traduce en un aumento de la síntesis de ALAS1 (desrepresión/activación). Esto provoca una mayor síntesis de intermediarios que ocurren antes del bloqueo genético. La acumulación de estos intermediarios tóxicos es la principal fisiopatología de las porfirias. 3. Tratamiento: Durante los ataques agudos de porfiria, los pacientes requieren apoyo médico, en particular tratamiento para el dolor y los vómitos. La gravedad de los síntomas agudos de las porfirias puede disminuirse mediante inyecciones intravenosas de hemina y glucosa. La hemina consiste en una estructura de protoporfirina con una estructura3+ ) coordinado de hierro férrico (Fe con un ion cloruro. La administración de hemina reduce el déficit de porfirinas. Esto, a su vez, disminuye la síntesis de ALAS1 y minimiza la producción de intermediarios tóxicos de porfirina. Altas dosis de glucosa también pueden disminuir la porfirina. biosíntesis en el hígado. Estos tratamientos son particularmente efectivos para tratar AIP y otras porfirias agudas. La protección contra la luz solar, la ingestión de ÿcaroteno (provitamina A; vea la página 432) que elimina los radicales libres y la flebotomía (elimina las porfirinas) son útiles en porfirias con fotosensibilidad. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.8 Resumen de la síntesis de hemo. 1 También conocida como porfobilinógeno sintasa. 2 También conocida como porfobilinógeno desaminasa. (Nota: se desconocen las deficiencias sintomáticas de ALA sintasa-1 [ALAS1]. Las deficiencias de ALAS2 ligado al cromosoma X provocan anemia). ALA = ácido ÿ-aminolevulínico; AD = autosómica dominante; AR = autosómico recesivo; Fe = hierro. D. Degradación del hemo Después de ~120 días en la circulación, los glóbulos rojos son captados y degradados por el sistema fagocítico mononuclear (MPS), particularmente en el hígado y el bazo (Fig. 21.9). Aproximadamente el 85% del hemo destinado a la degradación proviene de glóbulos rojos senescentes (fig. 21.10). El resto proviene de la degradación de hemoproteínas distintas de la Hb. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.9 Formación de bilirrubina a partir de hemo y su conversión en diglucurónido de bilirrubina. UDP = difosfato de uridina; Fe = hierro; CO = monóxido de carbono; NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato. 1. Formación de bilirrubina: el primer paso en la degradación del hemo es catalizado por la hemooxigenasa microsomal en los macrófagos de la MPS. En presencia de nicotinamida adenina dinucleótido fosfato y oxígeno, la enzima cataliza tres oxigenaciones sucesivas que dan como resultado la apertura del anillo de porfirina (conversión del hemo cíclico en biliverdina lineal), la producción de monóxido de carbono (CO) y la liberación de Fe (fig. 21.9). ). (Nota: el CO tiene una 2+ función biológica, actúa como molécula señalizadora y antiinflamatorio. El hierro sese analiza eny el capítulo 29.) La biliverdina, un pigmento verde, reduce se forma la bilirrubina de color rojo anaranjado. La bilirrubina y sus derivados se denominan colectivamente pigmentos biliares. (Nota: los colores cambiantes de un hematoma reflejan el patrón variable de intermediarios que se produce durante la degradación del hemo). La bilirrubina, exclusiva de los mamíferos, parece funcionar en niveles bajos como antioxidante. En este papel, se oxida a biliverdina, que luego se reduce por la biliverdina reductasa, regenerando la bilirrubina. 2. Captación de bilirrubina por el hígado: debido a que la bilirrubina es solo ligeramente soluble en el plasma, se transporta a través de la sangre al hígado al unirse de forma no covalente a la albúmina. (Nota: Ciertos fármacos aniónicos, como los salicilatos y las sulfonamidas, pueden desplazar la bilirrubina de la albúmina, lo que permite que la bilirrubina entre en el sistema nervioso central [SNC]. Esto provoca el daño neural potencial en los bebés [consulte la pág. 317].) La bilirrubina se disocia de la molécula transportadora de albúmina, ingresa a un hepatocito a través de difusión facilitada y se une a proteínas intracelulares, particularmente la proteína ligandina. 3. Formación de diglucurónido de bilirrubina: en el hepatocito, la solubilidad de la bilirrubina aumenta mediante la adición secuencial de dos moléculas de ácido glucurónico en un proceso denominado conjugación. Las reacciones son catalizadas por la bilirrubina microsomal UDP-glucuronosiltransferasa (bilirrubina UGT) utilizando uridina difosfato (UDP)-ácido glucurónico como donante de glucuronato. El producto de diglucurónido de bilirrubina se denomina bilirrubina conjugada (CB). (Nota: los diversos grados de deficiencia de bilirrubina UGT dan como resultado el síndrome de Crigler-Najjar I y II y el de Gilbert, siendo Crigler-Najjar I el más grave). 4. Secreción de bilirrubina en la bilis: la CB se transporta activamente contra un gradiente de concentración hacia los canalículos biliares y luego hacia la bilis. Este paso limitante de la velocidad, dependiente de la energía, es susceptible de deterioro en la enfermedad hepática. (Nota: una deficiencia rara en la proteína requerida para el transporte de CB fuera del hígado da como resultado el síndrome de Dubin-Johnson). La bilirrubina no conjugada (UCB) normalmente no se secreta en la bilis. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.10 Catabolismo del hemo. = bilirrubina; = estercobilina. = bilirrubina conjugada; = urobilinógeno; = urobilina; 5. Formación de urobilina en el intestino: las bacterias intestinales hidrolizan y reducen la CB para producir urobilinógeno, un compuesto incoloro. Las bacterias oxidan la mayor parte del urobilinógeno a estercobilina, lo que le da a las heces el color marrón característico. Sin embargo, parte se reabsorbe en el intestino y entra en la sangre portal. Una porción de este urobilinógeno participa en el ciclo del urobilinógeno enterohepático en el que es captado por el hígado y luego resecretado en la bilis. El resto del urobilinógeno es transportado por la sangre al riñón, donde se convierte en urobilina amarilla y se excreta, dando a la orina su color característico. El metabolismo de la bilirrubina se resume en la figura 21.10. E. ictericia La ictericia (o ictericia) se refiere al color amarillo de la piel, lecho ungueal y esclerótica (parte blanca de los ojos) causado por el depósito de bilirrubina, secundario al aumento de los niveles de bilirrubina en la sangre (hiperbilirrubinemia), como se muestra en la figura 21.11. Aunque no es una enfermedad, la ictericia suele ser un síntoma de un trastorno subyacente. (Nota: los niveles de bilirrubina en sangre normalmente son ÿ1 mg/dl. La ictericia se observa entre 2 y 3 mg/dl). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.11 Paciente ictérico con las escleróticas de los ojos amarillas. 1. Tipos: la ictericia se puede clasificar en tres tipos principales que se describen a continuación. Sin embargo, en la práctica clínica, la ictericia suele ser más compleja de lo que indica esta clasificación simple. Por ejemplo, la acumulación de bilirrubina puede ser el resultado de defectos en más de un paso de su metabolismo. una. Hemolítico (prehepático): el hígado tiene la capacidad de conjugar y excretar >3000 mg de bilirrubina/día, mientras que la producción normal de bilirrubina es de solo 300 mg/día. Este exceso de capacidad permite que el hígado responda al aumento de la degradación del hemo con el correspondiente aumento en la conjugación y secreción de CB. Sin embargo, la hemólisis extensa (p. ej., en pacientes con anemia de células falciformes o deficiencia de piruvato quinasa o glucosa 6-fosfato deshidrogenasa) puede producir bilirrubina más rápido de lo que puede conjugarse. Los niveles de UCB en la sangre aumentan (hiperbilirrubinemia no conjugada), lo que provoca ictericia (fig. 21.12A). Debido a la hemólisis, los niveles de CB pueden elevarse mucho hasta el rango más alto de la capacidad hepática normal y excretarse en la bilis. La cantidad de urobilinógeno que ingresa a la circulación enterohepática también aumenta, así como el urobilinógeno urinario. Aún así, los niveles de CB, urobilinógeno, estercobilina y urobilina se observan en el lado superior de sus rangos normales. En la ictericia hemolítica, solo los niveles de UCB son anormalmente altos en la sangre. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.12 Alteraciones en el metabolismo del hemo. A: ictericia hemolítica. B: ictericia neonatal. bilirrubina conjugada; = bilirrubina; = urobilinógeno; = estercobilina; de uridina. UDP = difosfato = b. Hepatocelular (hepático): el daño a las células del hígado (p. ej., en pacientes con cirrosis o hepatitis) puede causar hiperbilirrubinemia no conjugada como resultado de la disminución de la conjugación. El urobilinógeno aumenta en la orina porque ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google el daño hepático disminuye la circulación enterohepática de este compuesto, permitiendo que más ingrese a la sangre, desde donde se filtra a la orina. En consecuencia, la orina se oscurece, mientras que las heces pueden ser de color arcilla pálida. Las concentraciones plasmáticas de alanina y aspartato transaminasas (ALT y AST, respectivamente; véase pág. 276) están elevadas. Si se produce CB pero no se secreta eficientemente desde el hígado hacia la bilis (colestasis intrahepática), puede filtrarse a la sangre (regurgitación) y causar una hiperbilirrubinemia conjugada. En la ictericia hepática, los niveles de UCB y CB están anormalmente elevados en la sangre. C. Obstructiva (poshepática): en este caso, la ictericia no es causada por la sobreproducción de bilirrubina o la disminución de la conjugación, sino que es el resultado de la obstrucción del conducto biliar común (colestasis extrahepática). Por ejemplo, la presencia de un tumor o cálculos biliares puede bloquear el conducto, impidiendo el paso de CB al intestino. Los pacientes con ictericia obstructiva experimentan dolor GI y náuseas y producen heces de color arcilla pálida. El CB regurgita a la sangre (hiperbilirrubinemia conjugada). El CB finalmente se excreta en la orina (que se oscurece con el tiempo) y se denomina bilirrubina urinaria. El urobilinógeno urinario está ausente. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.13 Ictericia neonatal. UDP = difosfato de uridina. 2. Ictericia en recién nacidos: la mayoría de los recién nacidos (60 % de los nacidos a término y 80 % de los prematuros) muestran un aumento de UCB en la primera semana posnatal (y una ictericia fisiológica transitoria) porque la actividad de la bilirrubina UGT hepática es baja al nacer. (alcanza los niveles de adulto en aproximadamente 4 semanas), como se muestra en las Figuras 21.12B y Figura 21.13. UCB elevado, en exceso de la capacidad de unión de la albúmina (20 a 25 mg/dl), puede difundirse hacia los ganglios basales, causando encefalopatía tóxica (kernicterus) e ictericia patológica. Por lo tanto, los recién nacidos con significativamente ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google los niveles elevados de bilirrubina se tratan con luz fluorescente azul (fototerapia), como se muestra en la figura 21.14, que convierte la bilirrubina en isómeros más polares y, por lo tanto, solubles en agua. Estos fotoisómeros se pueden excretar en la bilis sin conjugación con ácido glucurónico. (Nota: debido a las diferencias de solubilidad, solo UCB cruza la barrera hematoencefálica y solo CB aparece en la orina). 3. Medición de bilirrubina: la bilirrubina se mide comúnmente mediante la reacción de van den Bergh, en la que el ácido sulfanílico diazotizado reacciona con la bilirrubina para formar azodipirroles rojos que se miden colorimétricamente. En solución acuosa, el CB soluble en agua reacciona rápidamente con el reactivo (en 1 minuto) y se dice que reacciona directamente. El UCB, que es mucho menos soluble en solución acuosa, reacciona más lentamente. Sin embargo, cuando la reacción se lleva a cabo en metanol, tanto CB como UCB son solubles y reaccionan con el reactivo, proporcionando el valor de bilirrubina total. La bilirrubina de reacción indirecta, que corresponde a la UCB, se obtiene restando la bilirrubina de reacción directa de la bilirrubina total. (Nota: en el plasma normal, solo ~4% de la bilirrubina total está conjugada o reacciona directamente, porque la mayor parte se secreta en la bilis). tercero OTROS COMPUESTOS QUE CONTIENEN NITRÓGENO A. Catecolaminas La dopamina, la norepinefrina (NE) y la epinefrina (o adrenalina) son aminas biológicamente activas (biogénicas) que se denominan colectivamente catecolaminas. La dopamina y la NE se sintetizan en el cerebro y funcionan como neurotransmisores. La epinefrina se sintetiza a partir de NE en la médula suprarrenal. Figura 21.14 Fototerapia en la ictericia neonatal. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 1. Función: fuera del SNC, la NE y su derivado metilado, la epinefrina, son hormonas reguladoras del metabolismo de los carbohidratos y los lípidos. La NE y la epinefrina se liberan de las vesículas de almacenamiento en la médula suprarrenal en respuesta al susto, el ejercicio, el frío y los niveles bajos de glucosa en sangre. Aumentan la degradación de glucógeno y triacilglicerol, así como aumentan la presión arterial y el rendimiento del corazón. Estos efectos son parte de una respuesta coordinada para preparar al individuo para el estrés y, a menudo, se denominan reacciones de "lucha o huida". Figura 21.15 Síntesis de catecolaminas. (Nota: los catecoles tienen dos grupos hidroxilo adyacentes). PLP = fosfato de piridoxal. 2. Síntesis: las catecolaminas se sintetizan a partir de la tirosina, como se muestra en la figura 21.15. La tirosina es hidroxilada primero por la tirosina hidroxilasa para formar L 3,4-dihidroxifenilalanina (DOPA, un catecol) en una reacción análoga a la descrita para la hidroxilación de la fenilalanina (v. pág. 292). La enzima que requiere tetrahidrobiopterina (BH4 ) es abundante en el SNC, los ganglios simpáticos y la médula suprarrenal, y cataliza el paso limitante de la vía. Luego, la DOPA se descarboxila en una reacción catalizada por la DOPA descarboxilasa (DDC) y que requiere PLP para formar dopamina (la primera catecolamina en la vía). A continuación, la dopamina se hidroxila mediante la dopamina ÿ hidroxilasa para producir NE en una reacción que requiere ácido ascórbico (vitamina C) y cobre. La epinefrina se forma a partir de NE mediante una reacción de N-metilación utilizando S adenosilmetionina (SAM) como donante de metilo (v. pág. 293). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.16 Metabolismo de las catecolaminas por catecol-O-metiltransferasa (COMT) y monoaminooxidasa (MAO). (Nota: COMT requiere S-adenosilmetionina). 3. Degradación: las catecolaminas se inactivan por desaminación oxidativa catalizada por monoaminooxidasa (MAO) y por O-metilación catalizada por catecol-Ometiltransferasa (COMT) usando SAM como donante de metilo (Fig. 21.16). Las reacciones pueden ocurrir en cualquier orden. Los productos de aldehído de la reacción de MAO se oxidan a los ácidos correspondientes. Los productos de estas reacciones se excretan en la orina como ácido vanillilmandélico (VMA) de la epinefrina y NE y ácido homovanílico (HVA) de la dopamina. (Nota: el VMA y las metanefrinas aumentan con los feocromocitomas, tumores raros de la glándula suprarrenal caracterizados por una producción excesiva de catecolaminas). Aplicación Clínica 21.2: Enfermedad de Parkinson ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La enfermedad de Parkinson, un trastorno del movimiento neurodegenerativo, se debe a una producción insuficiente de dopamina como resultado de la pérdida idiopática de células productoras de dopamina en el cerebro. La administración de levodopa (L-DOPA) es el tratamiento más común, porque la dopamina no puede atravesar la barrera hematoencefálica. La carbidopa es un fármaco que inhibe la actividad de la DDC, evitando la conversión de L-DOPA en dopamina en el sistema nervioso periférico. Dado que la carbidopa no puede cruzar la barrera hematoencefálica, cuando se usa junto con L-DOPA, permite que más L-DOPA periférica cruce la barrera hematoencefálica para alcanzar un rango más terapéutico en el SNC. En el caso de una deficiencia de BH4 , se puede administrar L-DOPA como un suplemento de neurotransmisor para producir dopamina, NE y epinefrina. 4. Inhibidores de la monoaminooxidasa: la MAO se encuentra en los tejidos neurales y de otro tipo, como el intestino y el hígado. En la neurona, esta enzima desamina oxidativamente e inactiva cualquier exceso de moléculas de neurotransmisores (NE, dopamina o serotonina) que pueden escaparse de las vesículas sinápticas cuando la neurona está en reposo. Los inhibidores de la MAO (IMAO) pueden inactivar la enzima de manera irreversible o reversible, lo que permite que las moléculas de neurotransmisores escapen a la degradación y, por lo tanto, se acumulen dentro de la neurona presináptica y se filtren al espacio sináptico. Esto provoca la activación de los receptores de NE y serotonina y puede ser responsable de la acción antidepresiva de los IMAO. (Nota: la interacción de los IMAO con los alimentos que contienen tiramina se analiza en la página 418). Figura 21.17 Biosíntesis de histamina. PLP = fosfato de piridoxal. B. Histamina La histamina es un mensajero químico que interviene en una amplia gama de respuestas celulares, incluidas las reacciones alérgicas e inflamatorias y la secreción de ácido gástrico. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Un poderoso vasodilatador, la histamina se forma por descarboxilación de histidina en una reacción catalizada por histidina descarboxilasa y que requiere PLP como cofactor (Fig. 21.17). Es secretada por los mastocitos como resultado de reacciones alérgicas o traumatismos. La histamina no tiene aplicaciones clínicas, pero los antihistamínicos que interfieren con la acción de la histamina tienen importantes aplicaciones terapéuticas. Los antihistamínicos son generalmente análogos de la histamina que bloquean la unión de la histamina a sus receptores para reducir las respuestas de la histamina. C. Serotonina La serotonina, también llamada 5-hidroxitriptamina (5-HT), se sintetiza y/o almacena en varios sitios del cuerpo (fig. 21.18). La mayor cantidad con diferencia se encuentra en la mucosa intestinal. Se producen cantidades más pequeñas en el SNC, donde funciona como neurotransmisor, y en las plaquetas (véase el capítulo 35 en línea). La serotonina se sintetiza a partir del triptófano, que se hidroxila en una reacción que requiere BH4 análoga a la catalizada por la fenilalanina hidroxilasa. El producto, 5-hidroxitriptófano, se descarboxila a 5-HT. En el caso de una deficiencia de BH4 , se puede administrar 5-hidroxitriptófano como suplemento neurotransmisor para producir serotonina. La serotonina tiene múltiples funciones fisiológicas, incluida la percepción del dolor y la regulación del sueño, el apetito, la temperatura, la presión arterial, las funciones cognitivas y el estado de ánimo (provoca una sensación de bienestar). (Nota: los inhibidores selectivos de la recaptación de serotonina [ISRS] mantienen los niveles de serotonina, por lo que funcionan como antidepresivos). La MAO degrada la serotonina a ácido 5-hidroxi-3-indolacético (5-HIAA). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.18 Síntesis de serotonina. (Nota: la serotonina se convierte en melatonina, un regulador del ritmo circadiano, en la glándula pineal). PLP = fosfato de piridoxal; CO2 = dióxido de carbono. D. Creatina El fosfato de creatina (también llamado fosfocreatina), el derivado fosforilado de la creatina que se encuentra en el músculo, es un compuesto de alta energía que proporciona una reserva pequeña pero rápidamente movilizada de fosfatos de alta energía que pueden transferirse de forma reversible a difosfato de adenosina (fig. 21.19) para mantener el nivel intracelular de ATP durante los primeros minutos de intensa contracción muscular. (Nota: la cantidad de fosfato de creatina en el cuerpo es proporcional a la masa muscular). 1. Síntesis: la creatina se sintetiza en el hígado y los riñones a partir de la glicina y el grupo guanidino de la arginina, más un grupo metilo de SAM (fig. 21.19). Los productos animales son fuentes dietéticas. La creatina es fosforilada reversiblemente a fosfato de creatina por la creatina quinasa, utilizando ATP como donante de fosfato. (Nota: la presencia de creatina quinasa [isoenzima MB] en el plasma es indicativa de daño cardíaco y se usa en el diagnóstico de infarto de miocardio [ver pág. 70]). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 2. Degradación: la creatina y el fosfato de creatina se ciclan espontáneamente a un ritmo lento pero constante para formar creatinina, que se excreta en la orina. La cantidad excretada es proporcional al contenido total de fosfato de creatina del cuerpo y, por lo tanto, puede usarse para estimar la masa muscular. Cuando la masa muscular disminuye por cualquier motivo (p. ej., por parálisis o distrofia muscular), el contenido de creatinina en la orina disminuye. Además, un aumento de la creatinina en sangre es un indicador sensible del mal funcionamiento de los riñones, porque la creatinina normalmente se elimina rápidamente de la sangre y se excreta. Un varón adulto típico excreta ~1 a 2 g de creatinina/día. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.19 Síntesis de creatina. ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico. E. Melanina La melanina es un pigmento que se encuentra en varios tejidos, particularmente en los ojos, el cabello y la piel. Se sintetiza a partir de la tirosina en los melanocitos (células formadoras de pigmentos) de la epidermis. Funciona para proteger las células subyacentes de los efectos nocivos de la luz solar. Un defecto en la producción de melanina produce albinismo oculocutáneo; el tipo más común se debe a defectos en la tirosinasa que contiene cobre (v. pág. 303). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google IV. Resumen del capítulo Los aminoácidos son precursores de muchos compuestos que contienen N, incluidas las porfirinas, que, en combinación 2+ con Fe hierro, forma hemo (fig. 21.20). Los principales sitios de biosíntesis del hemo son el hígado y las células productoras de eritrocitos de la médula ósea. En el hígado, la tasa de síntesis de hemo es muy variable y responde a alteraciones en la reserva de hemo celular causada por demandas fluctuantes de proteínas hemo (en particular , enzimas CYP). Por el contrario, la síntesis de hemo en las células eritroides es relativamente constante y coincide con la tasa de síntesis de Hb. La síntesis de hemo comienza con glicina y succinil coenzima A. El paso comprometido es la formación de ÿ ALA. Esta reacción mitocondrial es catalizada por ALAS1 en el hígado (inhibido por la hemina, la forma oxidada de hemo que se acumula cuando el hemo se está subutilizando) y ALAS2 en tejidos eritroides (regulado por hierro). Las porfirias son causadas por defectos hereditarios o adquiridos (envenenamiento por plomo) en la síntesis de hemo, lo que da como resultado la acumulación y el aumento de la excreción de porfirinas o precursores de porfirinas. Los defectos enzimáticos tempranos en la vía causan dolor abdominal y síntomas neuropsiquiátricos, mientras que los defectos tardíos causan fotosensibilidad. La degradación del hemo ocurre en el MPS, particularmente en el hígado y el bazo. El primer paso es la producción por la hemooxigenasa de biliverdina, que posteriormente se reduce a bilirrubina. La bilirrubina es transportada por la albúmina al hígado, donde su solubilidad aumenta por la adición de dos moléculas de ácido glucurónico por la bilirrubina UGT. El diglucurónido de bilirrubina (CB) se transporta a los canalículos biliares, donde primero es hidrolizado y reducido por las bacterias intestinales para producir urobilinógeno, que luego es oxidado por las bacterias a estercobilina. La ictericia (ictericia) se refiere al color amarillo de la piel y la esclerótica causado por el depósito de bilirrubina, secundario al aumento de los niveles de bilirrubina en la sangre. Los tres tipos de ictericia más frecuentes son la hemolítica (prehepática), la obstructiva (poshepática) y la hepatocelular (hepática) (v . fig. 21.20). Otros compuestos importantes que contienen N derivados de los aminoácidos incluyen las catecolaminas (dopamina, NE y epinefrina), creatina, histamina, serotonina, melanina y óxido nítrico. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 21.20 Mapa de conceptos clave para el metabolismo del hemo. = Bloqueo en el camino. (Nota: la ictericia hepatocelular puede ser causada por una menor conjugación de bilirrubina o una menor secreción de bilirrubina conjugada del hígado a la bilis). CoA = coenzima A; CO = monóxido de carbono; Fe = hierro. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 21.1 Actividad sintasa del ácido ÿ-aminolevulínico: A. Cataliza el paso comprometido en la biosíntesis de porfirina. B. Disminuye el hierro en los eritrocitos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google C. Está disminuida en el hígado en individuos tratados con ciertos fármacos como el barbitúrico fenobarbital. D. Ocurre en el citosol. E. Requiere tetrahidrobiopterina como coenzima. Respuesta correcta = A. La sintasa de ácido ÿ-aminolevulínico es mitocondrial y cataliza el paso limitador y regulado de la síntesis de porfirina. Requiere fosfato de piridoxal como coenzima. El hierro aumenta la producción de la isoenzima eritroide. La isoenzima hepática aumenta en pacientes tratados con ciertos medicamentos. 21.2 Un hombre de 50 años se presentó con ampollas dolorosas en el dorso de las manos. Era instructor de golf e indicó que las ampollas habían estallado poco después de que comenzara la temporada de golf. No tuvo exposición reciente a irritantes cutáneos comunes. Tenía un trastorno convulsivo complejo parcial que había comenzado ~3 años antes después de una lesión en la cabeza. El paciente había estado tomando fenitoína (su único medicamento) desde el inicio del trastorno convulsivo. Admitió una ingesta semanal promedio de etanol de ~18 latas de cerveza de 12 onzas. La orina del paciente era naranja rojiza. Los cultivos obtenidos de las lesiones de la piel no lograron desarrollar organismos. Una recolección de orina de 24 horas mostró uroporfirina elevada (1,000 mg; normal, <27 mg). El diagnóstico más probable es: A. porfiria intermitente aguda. B. porfiria eritropoyética congénita. C. protoporfiria eritropoyética. D. coproporfiria hereditaria. E. porfiria cutánea tardía. Respuesta correcta = E. La enfermedad está asociada con una deficiencia de uroporfirinógeno III descarboxilasa (UROD), pero la expresión clínica de la deficiencia de la enzima está influenciada por la lesión hepática causada por agentes ambientales (p. ej., etanol) e infecciosos (p. ej., virus de la hepatitis B). . La exposición a la luz solar también puede ser un factor precipitante. El inicio clínico es típicamente durante la cuarta o quinta década de la vida. La acumulación de porfirina provoca síntomas cutáneos y orina de color rojo a marrón. El tratamiento del trastorno convulsivo del paciente con fenitoína provocó un aumento de la síntesis de ácido ÿaminolevulínico sintasa y, por lo tanto, de uroporfirinógeno, el sustrato de la UROD deficiente. Los hallazgos de laboratorio y clínicos son inconsistentes con otras porfirias. 21.3 Un paciente presenta ictericia, dolor abdominal y náuseas. Los resultados de laboratorio clínico se muestran a continuación: Bilirrubina plasmática Urobilinógeno en orina Bilirrubina en orina Aumento de la bilirrubina conjugada (CB) No presente Presente ¿Cuál es la causa más probable de la ictericia? A. Disminución de la conjugación hepática de bilirrubina B. Disminución de la captación hepática de bilirrubina C. Disminución de la secreción de bilis en el intestino D. Aumento de la hemólisis Respuesta correcta = C. Los datos son consistentes con una ictericia obstructiva, en la que un bloqueo en el conducto biliar común disminuye la secreción de CB que contiene bilis en el intestino (las heces serán de color pálido). El CB regurgita a la sangre (hiperbilirrubinemia conjugada). El CB se excreta en la orina (que se oscurece) y se denomina bilirrubina urinaria. El urobilinógeno urinario no está presente porque su fuente es el urobilinógeno intestinal, que es bajo. Las otras opciones no coinciden con los datos. 21.4 Un niño de 2 años fue llevado a su pediatra para evaluación de problemas gastrointestinales. Los padres informan que el niño ha estado apático durante las últimas semanas. Las pruebas de laboratorio revelan una anemia hipocrómica microcítica. Los niveles de plomo en la sangre están elevados. ¿Cuál de las enzimas enumeradas a continuación es más probable que tenga una actividad superior a la normal en el hígado de este niño? A. Ácido ÿ-aminolevulínico sintasa B. Bilirrubina UDP glucuronosiltransferasa C. Ferroquelatasa ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google D. Hemo oxigenasa E. Porfobilinógeno sintasa Respuesta correcta = A. Este niño tiene porfiria adquirida por envenenamiento por plomo. El plomo inhibe tanto la deshidratasa del ácido ÿaminolevulínico como la ferroquelatasa y, en consecuencia, la síntesis de hemo. La disminución del hemo desreprime la sintasa-1 del ácido aminolevulínico ÿ (la isoenzima hepática), lo que da como resultado un aumento de su actividad. La disminución del hemo también da como resultado una disminución de la síntesis de hemoglobina y se observa anemia. La ferroquelatasa es inhibida directamente por el plomo. Las otras opciones son las enzimas de degradación del hemo. 21.5 Un varón de 50 años presenta temblores en las manos, marcha lenta e inestable y rigidez. Después de exploraciones neurológicas y pruebas adicionales, al paciente se le diagnostica la enfermedad de Parkinson. ¿Cuál de los siguientes tratamientos enumerados a continuación sería más efectivo en este paciente? A. Biopterina B. ÿ-caroteno C. Hemina D. Levodopa-carbidopa E. Inhibidores de la recaptación de serotonina Respuesta correcta = D. La levodopa (L-DOPA) puede atravesar la barrera hematoencefálica para usarse como sustrato de la DOPA descarboxilasa para aumentar los niveles de dopamina en el sistema nervioso central. La carbidopa no puede cruzar la barrera hematoencefálica e inhibe la DOPA descarboxilasa periférica. Esto proporciona mayores niveles terapéuticos de L-DOPA para el sistema nervioso central. La biopterina se puede proporcionar como un agente terapéutico útil para reacciones de hidroxilasa de aminoácidos aromáticos cuando el cofactor es deficiente. El ÿ-caroteno es un antioxidante que puede eliminar los radicales libres. Junto con la flebotomía, puede ayudar con la fotosensibilidad en casos de porfiria aguda. La hemina reduce el déficit de porfirinas. Esto, a su vez, disminuye la síntesis de ALAS1 y minimiza la producción de intermediarios tóxicos de porfirina. Los inhibidores de la recaptación de serotonina ayudan a mantener los niveles de serotonina y funcionan como antidepresivos. 21.6 ¿Cuál de las siguientes pruebas de laboratorio puede indicar el mal funcionamiento de los riñones en un paciente? A. Niveles elevados de isoenzima MB de creatina quinasa en sangre B. Niveles elevados de ácido vanililmandélico y metanefrina en orina C. Niveles elevados de diglucurónido de bilirrubina en sangre D. Niveles reducidos de creatinina en orina E. Niveles elevados de creatinina en sangre Respuesta correcta = E. La creatinina normalmente se elimina muy rápidamente de la sangre por los riñones y se excreta en la orina. Un aumento en los niveles de concentración de creatinina en sangre indica mal funcionamiento renal. Aumento de la creatina en sangre los niveles de la isoenzima quinasa MB serían indicativos de daño cardíaco y/o infarto de miocardio. Los niveles elevados de ácido vanililmandélico y metanefrina en la orina serían indicativos de tumores de la glándula suprarrenal, caracterizados por una mayor producción de catecolaminas. El aumento de los niveles de diglucurónido de bilirrubina en sangre sería indicativo de ictericia obstructiva. Los niveles reducidos de creatinina en la orina serían indicativos de una disminución de la masa muscular, como atrofia muscular por parálisis o distrofia muscular. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Metabolismo de nucleótidos 22 I. VISIÓN GENERAL Los fosfatos de ribonucleósidos y desoxirribonucleósidos (nucleótidos) son esenciales para todas las células. Sin ellos, no se puede producir ácido ribonucleico (ARN) ni ácido desoxirribonucleico (ADN) y, por tanto, no se pueden sintetizar proteínas ni proliferar las células. Los nucleótidos también sirven como transportadores de intermediarios activados en la síntesis de algunos carbohidratos, lípidos y proteínas conjugadas (p. ej., difosfato de uridina [UDP]glucosa y difosfato de citidina [CDP]-colina) y son componentes estructurales de varias coenzimas esenciales, como coenzima A, dinucleótido de flavina y adenina (FAD[H2 ]), dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD[H]) y fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP[H]). Los nucleótidos, como el monofosfato de adenosina cíclico (AMPc) y el monofosfato de guanosina cíclico (GMPc), actúan como segundos mensajeros en las vías de transducción de señales. Además, los nucleótidos juegan un papel importante como fuentes de energía en la célula. Finalmente, los nucleótidos son compuestos reguladores importantes para muchas de las vías del metabolismo intermediario, inhibiendo o activando enzimas clave. Las bases de purina y pirimidina que se encuentran en los nucleótidos se pueden sintetizar de novo o se pueden obtener a través de vías de rescate que permiten la reutilización de las bases preformadas resultantes del recambio celular normal. (Nota: se utilizan pocas de las purinas y pirimidinas suministradas por la dieta; en cambio, casi todos los ácidos nucleicos que ingresan al tracto gastrointestinal [GI] se degradan). II. ESTRUCTURA Los nucleótidos están compuestos por una base nitrogenada; un monosacárido de pentosa; y uno, dos o tres grupos fosfato. Las bases nitrogenadas pertenecen a dos familias de compuestos: las purinas y las pirimidinas. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.1 Purinas y pirimidinas que se encuentran comúnmente en el ADN y el ARN. A. Bases de purina y pirimidina Las purinas son estructuras de doble anillo, mientras que las pirimidinas tienen un solo anillo. Tanto el ADN como el ARN contienen las mismas bases de purina: adenina (A) y guanina (G). Tanto el ADN como el ARN contienen la pirimidina citosina (C), pero difieren en su segunda base de pirimidina: el ADN contiene timina (T), mientras que el ARN contiene uracilo (U). T y U difieren en que solo T tiene un grupo metilo (Fig. 22.1). En ocasiones se encuentran bases inusuales (modificadas) en algunas especies de ADN (p. ej., en algunos ADN virales) y ARN (p. ej., en ARN de transferencia [ARNt]). Las modificaciones de bases incluyen metilación, glicosilación, acetilación y reducción. En la figura 22.2 se muestran algunos ejemplos de bases inusuales . (Nota: la presencia de una base inusual en una secuencia de nucleótidos puede ayudar a que enzimas específicas la reconozcan o protegerla de la degradación por nuclea ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.2 Ejemplos de bases inusuales. B. Nucleósidos La adición de una pentosa a una base a través de un enlace N-glucosídico (ver pág. 94) produce un nucleósido. Si el azúcar es ribosa, se produce un ribonucleósido y si el azúcar es 2-desoxirribosa, se produce un desoxirribonucleósido (fig. 22.3A). Los ribonucleósidos de A, G, C y U se denominan adenosina, guanosina, citidina y uridina, respectivamente. Los desoxirribonucleósidos de A, G, C y T tienen el prefijo agregado desoxi- (p. ej., desoxiadenosina). (Nota: el compuesto desoxitimidina a menudo se llama simplemente timidina, entendiéndose el prefijo desoxi-, porque está incorporado solo en el ADN). Los átomos de carbono y nitrógeno en los anillos de la base y el azúcar se numeran por separado (ver Fig. 22.3B). (Nota: los carbonos en la pentosa están numerados del 1ÿ al 5ÿ. Por lo tanto, cuando se hace referencia al carbono 5ÿ de un nucleósido [o nucleótido], se trata de un átomo de carbono en la pentosa, en lugar de un átomo en la base. siendo especificado.) C. Nucleótidos La adición de uno o más grupos fosfato a un nucleósido produce un ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google nucleótido El primer grupo fosfato está unido por un enlace éster al 5'-OH de la pentosa, formando un nucleósido 5'-fosfato o un 5'-nucleótido. El tipo de pentosa se indica con el prefijo en los nombres 5ÿ-ribonucleótido y 5ÿ-desoxirribonucleótido. Si un grupo fosfato está unido al carbono 5ÿ de la pentosa, la estructura es un monofosfato de nucleósido, como el monofosfato de adenosina (AMP, o adenilato). Si se añade un segundo o tercer fosfato al nucleósido, se obtiene un nucleósido difosfato (p. ej., adenosina difosfato [ADP] o trifosfato, p. ej., ATP) (fig. 22.4). Cada uno de los fosfatos segundo y tercero está conectado al nucleótido por un “enlace de alta energía” (un enlace con un gran cambio negativo en la energía libre [ÿÿG, consulte la página 78] de hidrólisis). (Nota: los grupos fosfato son responsables de las cargas negativas asociadas con los nucleótidos y hacen que el ADN y el ARN se denominen ácidos nucleicos). Figura 22.3 A: Pentosas encontradas en ácidos nucleicos. B: Ejemplos de los sistemas de numeración para nucleósidos que contienen purina y pirimidina. tercero SÍNTESIS DE NUCLEÓTIDOS DE PURINA Los átomos del anillo de purina son aportados por varios compuestos, incluidos los aminoácidos (aspartato, glicina y glutamina), dióxido de carbono (CO2 ) y N10 formiltetrahidrofolato (N10 -formil-THF), como se muestra en la figura 22.5. El anillo de purina se construye principalmente en el hígado mediante una serie de reacciones que agregan los carbonos donados. Machine Translated by Google y nitrógenos a una ribosa 5-fosfato preformada. (Nota: la síntesis de ribosa 5-fosfato a partir de glucosa 6fosfato por la ruta de las pentosas fosfato se analiza en la página 162). A. Síntesis de 5-fosforribosil-1-pirofosfato El 5-fosforribosil-1-pirofosfato (PRPP) es una pentosa activada que participa en la síntesis y recuperación de purinas y pirimidinas. La síntesis de PRPP a partir de ATP y ribosa 5-fosfato es catalizada por la PRPP sintetasa (fig. 22.6). Esta enzima ligada al cromosoma X es activada por fosfato inorgánico e inhibida por nucleótidos de purina (inhibición del producto final). (Nota: debido a que la porción de azúcar de PRPP es la ribosa, los ribonucleótidos son los productos finales de la síntesis de purina de novo . Cuando se requieren desoxirribonucleótidos para la síntesis de ADN, la porción de azúcar de ribosa se reduce [ver pág. 330]). Figura 22.4 Monofosfato, difosfato y trifosfato de ribonucleósido. B. Síntesis de 5-fosforribosilamina La síntesis de 5-fosforribosilamina a partir de PRPP y glutamina se muestra en la figura 22.7. El grupo amida de la glutamina reemplaza al grupo pirofosfato unido al carbono 1 de PRPP. Este es el paso comprometido en la biosíntesis de nucleótidos de purina. La enzima que cataliza la reacción, la glutamina:fosforribosilpirofosfato amidotransferasa (GPAT), es inhibida por los 5ÿ-nucleótidos de purina AMP y el monofosfato de guanosina (GMP, o guanilato), los productos finales de la vía. La velocidad de la reacción también está controlada por la concentración intracelular de PRPP. (Nota: la concentración de PRPP normalmente está muy por debajo de la constante de Michaelis [Km] para el GPAT. Por lo tanto, cualquier pequeño cambio en la concentración de PRPP provoca un cambio proporcional en la velocidad de la reacción [consulte la página 63]). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google C. Síntesis de monofosfato de inosina Los siguientes nueve pasos en la biosíntesis de nucleótidos de purina que conducen a la síntesis de monofosfato de inosina ([IMP] cuya base es hipoxantina) se ilustran en la figura 22.7. IMP es el nucleótido de purina original para AMP y GMP. Cuatro pasos en esta vía requieren ATP como fuente de energía, y dos pasos en la vía requieren N10 -formil-THF como donante de un carbono (ver pág. 296). (Nota: la hipoxantina se encuentra en el ARNt [ver Fig. 32.9 en la pág. 503]). Figura 22.5 Fuentes de los átomos individuales en el anillo de purina. Los números en los recuadros negros muestran el orden en que se agregan los átomos (ver Fig. 22.7). CO2 = dióxido de carbono. Figura 22.6 Síntesis de PRPP, mostrando el activador y los inhibidores de la reacción. (Nota: este no es el paso comprometido de la síntesis de purinas porque el PRPP se usa en otras vías, como la recuperación [consulte la pág. 329].) = fosfato; Pi = fosfato inorgánico; AMP = monofosfato de adenosina; Mg = magnesio. D. Inhibidores sintéticos Algunos inhibidores sintéticos de la síntesis de purinas (p. ej., las sulfonamidas) están diseñados para inhibir el crecimiento de microorganismos que se dividen rápidamente sin interferir con las funciones de las células humanas (v . fig. 22.7). Otros inhibidores de la síntesis de purinas, como los análogos estructurales del ácido fólico (p. ej., metotrexato), se utilizan farmacológicamente para controlar la diseminación del cáncer al interferir con la síntesis de nucleótidos y, por tanto, de ADN y ARN (v . fig. 22.7). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.7 Síntesis de novo de nucleótidos de purina, que muestra el efecto inhibidor de algunos análogos estructurales. AMP y ADP = mono- y difosfatos de adenosina; GMP = monofosfato de guanosina; PRPP = 5-fosforribosil-1-pirofosfato; Pi = fosfato inorgánico; PPi = pirofosfato; CO2 = dióxido de carbono. Los inhibidores de la síntesis de purinas humanas son extremadamente tóxicos para los tejidos, especialmente para las estructuras en desarrollo, como las de un feto, o para los tipos de células que normalmente se replican rápidamente, incluidas las de la médula ósea, la piel, el tracto GI, el sistema inmunitario o los folículos pilosos. Como resultado, las personas que toman tales medicamentos contra el cáncer pueden experimentar efectos adversos, que incluyen anemia, piel escamosa, trastornos del tracto GI, inmunodeficiencia y pérdida de cabello. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google E. Síntesis de monofosfato de adenosina y guanosina La conversión de IMP a AMP o GMP utiliza una vía de dos pasos, que requiere energía y nitrógeno (Fig. 22.8). (Nota: la síntesis de AMP requiere trifosfato de guanosina [GTP] como fuente de energía y aspartato como fuente de nitrógeno, mientras que la síntesis de GMP requiere ATP y glutamina). Además, la primera reacción en cada vía es inhibida por el producto final de esa vía. Esto proporciona un mecanismo para desviar IMP a la síntesis de la purina presente en cantidades menores. Si tanto AMP como GMP están presentes en cantidades adecuadas, la ruta de novo de la síntesis de nucleótidos de purina se inhibe en el paso GPAT. Figura 22.8 Conversión de IMP a AMP (o adenilato) y GMP (o guanilato) mostrando inhibición por retroalimentación. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina; GDP y GTP = guanosina di- y trifosfatos; Pi = fosfato inorgánico; PPi = pirofosfato. El ácido micofenólico es un inhibidor reversible de la IMP deshidrogenasa, la enzima utilizada para generar GMP. Los linfocitos T y B en proliferación son altamente susceptibles a niveles bajos de este nucleótido de purina clave, por lo que el ácido micofenólico es un agente inmunosupresor eficaz para prevenir el rechazo de trasplantes de órganos (riñón, corazón e hígado), así como para tratar ciertos trastornos inmunitarios como el lupus o enfermedad de Crohn. F. Síntesis de di- y trifosfato de nucleósidos Los nucleósidos difosfatos se sintetizan a partir de los correspondientes nucleósidos monofosfatos mediante nucleósido monofosfato cinasas específicas de base (fig. 22.9). (Nota: estas quinasas no discriminan entre ribosa y desoxirribosa en el sustrato). Generalmente, el ATP es la fuente del fosfato transferido porque es ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google presentes en concentraciones más altas que los otros nucleósidos trifosfatos. La adenilato quinasa es particularmente activa en el hígado y en el músculo, donde el recambio de energía del ATP es alto. Su función es mantener el equilibrio entre los nucleótidos de adenina (AMP, ADP y ATP). Los nucleósidos difosfatos y trifosfatos son interconvertidos por la nucleósido difosfato quinasa, una enzima que, a diferencia de las monofosfato quinasas, tiene una amplia especificidad de sustrato. Figura 22.9 Conversión de monofosfatos de nucleósidos en di- y trifosfatos. AMP y ADP = mono- y difosfatos de adenosina; GMP, GDP y GTP = mono-, di- y trifosfatos de guanosina; CDP y CTP = di- y trifosfatos de citidina. G. Vía de recuperación de purinas Las purinas que resultan de la renovación normal de los ácidos nucleicos celulares, o la pequeña cantidad que se obtiene de la dieta y no se degrada, pueden convertirse en nucleósidos trifosfatos y ser utilizados por el cuerpo. Esto se conoce como la vía de recuperación de las purinas. (Nota: el rescate es particularmente importante en el cerebro). 1. Recuperación de base de purina a nucleótidos: dos enzimas están involucradas: adenina fosforribosiltransferasa (APRT) e hipoxantina-guanina fosforribosiltransferasa ligada al cromosoma X (HGPRT). Ambos utilizan PRPP como fuente del grupo ribosa 5-fosfato (fig. 22.10). La liberación de pirofosfato y su posterior hidrólisis por la pirofosfatasa hace que estas reacciones sean irreversibles. (Nota: la adenosina es el único nucleósido de purina que se recupera. La adenosina quinasa la fosforila a AMP). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.10 Vías de recuperación de la síntesis de nucleótidos de purina. (Nota: la deficiencia virtualmente completa de HGPRT da como resultado el síndrome de Lesch-Nyhan. Se conocen deficiencias parciales de HGPRT. A medida que aumenta la cantidad de enzima funcional, disminuye la gravedad de los síntomas). IMP, GMP y AMP = inosina, guanosina y monofosfatos de adenosina; PRPP = 5-fosforribosil-1-pirofosfato; PPi = pirofosfato. 2. Síndrome de Lesch-Nyhan: este es un trastorno recesivo ligado al cromosoma X poco frecuente asociado con una deficiencia prácticamente completa de HGPRT. La deficiencia da como resultado una incapacidad para recuperar la hipoxantina o G, a partir de la cual se producen cantidades excesivas de ácido úrico, el producto final de la degradación de las purinas (v. pág. 331). Además, la falta de esta vía de rescate provoca un aumento de los niveles de PRPP y una disminución de los niveles de IMP y GMP. Como resultado, GPAT (el paso regulado en la síntesis de purinas) tiene un exceso de sustrato y una disminución de los inhibidores disponibles, y aumenta la síntesis de purinas de novo . La combinación de la disminución de la reutilización de purinas y el aumento de la síntesis de purinas da como resultado una mayor degradación de las purinas y la producción de grandes cantidades de ácido úrico, lo que hace que la deficiencia de HGPRT sea una causa hereditaria de hiperuricemia. En los pacientes con síndrome de Lesch-Nyhan, la hiperuricemia a menudo provoca la formación de cálculos de ácido úrico en los riñones (urolitiasis) y el depósito de cristales de urato en las articulaciones (artritis gotosa) y tejidos blandos. Además, el síndrome se caracteriza por disfunción motora, déficits cognitivos y alteraciones del comportamiento que incluyen la automutilación (p. ej., morderse los labios y los dedos), como se muestra en la figura 22.11. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.11 Lesiones en los labios de un paciente con síndrome de Lesch-Nyhan. IV. SÍNTESIS DE DESOXIRRIBONUCLEÓTIDOS Todos los nucleótidos descritos hasta ahora contienen ribosa (ribonucleótidos). Sin embargo, la síntesis de ADN requiere 2ÿ-desoxirribonucleótidos, que la enzima ribonucleótido reductasa produce a partir de ribonucleósidos difosfatos durante la fase S del ciclo celular (v. pág. 471). (Nota: la misma enzima actúa sobre los ribonucleótidos de pirimidina). A. Ribonucleótido reductasa La ribonucleótido reductasa (ribonucleósido difosfato reductasa) es un dímero compuesto por dos subunidades no idénticas, R1 (o ÿ) y la más pequeña R2 (o ÿ), y es específica para la reducción de los nucleósidos difosfato de purina (ADP y GDP) y el nucleósido de pirimidina. difosfatos (CDP y UDP) a sus formas desoxidas (dADP, dGDP, dCDP y dUDP). Los donantes inmediatos de los átomos de hidrógeno necesarios para la reducción del grupo 2ÿhidroxilo son dos grupos sulfhidrilo (–SH) en la propia enzima (subunidad R1), que forman un enlace disulfuro durante la reacción (ver pág. 19). (Nota: R2 contiene el radical tirosilo estable requerido para la catálisis en R1). 1. Regeneración enzimática reducida: para que la ribonucleótido reductasa continúe produciendo desoxirribonucleótidos en R1, se debe reducir el enlace disulfuro creado durante la producción del carbono 2'-desoxi. La fuente de los equivalentes reductores es la tiorredoxina, una proteína coenzima de la ribonucleótido reductasa. La tiorredoxina contiene dos residuos de cisteína separados por dos aminoácidos en la cadena peptídica. Los dos grupos –SH de la tiorredoxina donan sus átomos de hidrógeno ******ebook converter DEMO Marcas de agua****** Machine Translated by Google a la ribonucleótido reductasa, formando un enlace disulfuro en el proceso (fig. 22.12). 2. Regeneración reducida de tiorredoxina: la tiorredoxina debe volver a convertirse a su forma reducida para continuar realizando su función. Los equivalentes reductores los , selenoproteína proporciona NADPH + H+ y la reacción es catalizada por la tiorredoxina (v. pág. reductasa, 297). una Figura 22.12 Conversión de ribonucleótidos a desoxirribonucleótidos. NADP(H) = nicotinamida adenina dinucleótido fosfato; dATP = trifosfato de desoxiadenosina. B. Regulación de la síntesis de desoxirribonucleótidos La ribonucleótido reductasa es responsable de mantener un suministro equilibrado de los desoxirribonucleótidos necesarios para la síntesis de ADN. En consecuencia, la regulación de la enzima es compleja. Además del sitio catalítico, R1 contiene dos sitios alostéricos distintos implicados en la regulación de la actividad enzimática (fig. 22.13). Aplicación clínica 22.1: Hidroxiurea El fármaco hidroxiurea (hidroxicarbamida) inhibe la ribonucleótido reductasa, inhibiendo así la generación de sustratos para la síntesis de ADN. El medicamento es un agente antineoplásico y se usa en el tratamiento de cánceres como el melanoma. La hidroxiurea también se usa en el tratamiento de la anemia de células falciformes (vea la pág. 38). Sin embargo, el aumento de la hemoglobina fetal que se observa con la hidroxiurea se debe a cambios en la expresión génica y no a la inhibición de la ribonucleótido reductasa. 1. Sitios de actividad: la unión del trifosfato de desoxiadenosina (dATP) al alostérico ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google (conocidos como sitios de actividad) en R1 inhibe la actividad catalítica general de la enzima y, por lo tanto, previene la reducción de cualquiera de los cuatro nucleósidos difosfatos. Esto previene eficazmente la síntesis de ADN y explica la toxicidad de los niveles elevados de dATP observados en condiciones como la deficiencia de adenosina desaminasa (ADA) (ver pág. 334). Por el contrario, el ATP unido a estos sitios activa la enzima. 2. Sitios de especificidad de sustrato: la unión de los trifosfatos de nucleósidos a sitios alostéricos adicionales (conocidos como sitios de especificidad de sustrato) en R1 regula la especificidad de sustrato, lo que provoca un aumento en la conversión de diferentes especies de ribonucleótidos en desoxirribonucleótidos, ya que son necesarios para la síntesis de ADN. Por ejemplo, la unión del trifosfato de desoxitimidina en el sitio de especificidad provoca un cambio conformacional que permite la reducción de GDP a dGDP en el sitio catalítico cuando el ATP está en el sitio de actividad. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.13 Regulación de la ribonucleótido reductasa. (Nota: la subunidad R1 también se conoce como ÿ y la R2 como ÿ). dATP, dTTP y dGTP = trifosfatos de desoxiadenosina, desoxitimidina y desoxiguanosina. V. DEGRADACIÓN DE NUCLEÓTIDOS DE PURINA La degradación de los ácidos nucleicos de la dieta se produce en el intestino delgado, donde las nucleasas pancreáticas los hidrolizan en nucleótidos. Los nucleótidos son degradados secuencialmente por enzimas intestinales a nucleósidos, azúcares fosforilados y bases libres. El ácido úrico es el producto final de la degradación intestinal de las purinas. (Nota: los nucleótidos de purina de la síntesis de novo se degradan principalmente en el hígado. Las bases libres se envían desde el hígado ****** convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google y salvado por tejidos periféricos.) A. Degradación en el intestino delgado Las ribonucleasas y las desoxirribonucleasas, secretadas por el páncreas, hidrolizan el ARN y el ADN de la dieta en oligonucleótidos que luego son hidrolizados por las fosfodiesterasas pancreáticas, produciendo una mezcla de mononucleótidos 3ÿ y 5ÿ. En la superficie de la mucosa intestinal, las nucleotidasas eliminan los grupos fosfato hidrolíticamente, liberando nucleósidos que son absorbidos por los enterocitos por transportadores dependientes de sodio y degradados por las nucleosidasas (nucleósido fosforilasas) a bases libres más (desoxi) ribosa 1-fosfato. Las bases de purina de la dieta no se utilizan en medida apreciable para la síntesis de ácidos nucleicos tisulares. En cambio, se degradan a ácido úrico en los enterocitos. La mayor parte del ácido úrico entra en la sangre y finalmente se excreta en la orina. En la figura 22.14 se muestra un resumen de esta vía . (Nota: los mamíferos que no sean primates expresan urato oxidasa [uricasa], que escinde el anillo de purina y genera alantoína. La urato oxidasa recombinante modificada ahora se usa clínicamente para reducir los niveles de urato). B. Formación de ácido úrico En la figura 22.15 se muestra un resumen de los pasos en la producción de ácido úrico y las enfermedades genéticas asociadas con deficiencias de enzimas degradantes específicas . (Nota: los números entre paréntesis se refieren a reacciones específicas en la figura). 1. Se elimina un grupo amino de AMP para producir IMP por AMP (adenilato) desaminasa o de adenosina para producir inosina (hipoxantina-ribosa) por ADA. 2. IMP y GMP se convierten en sus respectivas formas de nucleósidos, inosina y guanosina, por acción de la 5ÿ-nucleotidasa. 3. La fosforilasa de nucleósido de purina convierte la inosina y la guanosina en sus respectivas bases de purina, hipoxantina y G. (Nota: una mutasa interconvierte ribosa 1- y ribosa 5-fosfato). 4. G se desamina para formar xantina. 5. La xantina oxidasa (XO) que contiene molibdeno oxida la hipoxantina a xantina, que luego se oxida a ácido úrico, el producto final de la degradación de las purinas humanas. El ácido úrico se excreta principalmente en la orina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.14 Digestión de ácidos nucleicos de la dieta. Pi = fosfato inorgánico. C. Enfermedades asociadas con la degradación de purinas 1. Gota: La gota es un trastorno iniciado por niveles elevados de ácido úrico (el producto final del catabolismo de las purinas) en la sangre (hiperuricemia), como resultado de la ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google sobreproducción o excreción insuficiente de ácido úrico. La hiperuricemia puede provocar el depósito de cristales de urato monosódico (MSU) en las articulaciones y una respuesta inflamatoria a los cristales, causando primero artritis gotosa aguda y luego crónica. Pueden depositarse masas nodulares de cristales de MSU (tofos) en los tejidos blandos, lo que da lugar a gota tofácea crónica (fig. 22.16). También se puede observar la formación de cálculos de ácido úrico en el riñón (urolitiasis). (Nota: la hiperuricemia no es suficiente para causar gota, pero la gota siempre está precedida por hiperuricemia. La hiperuricemia suele ser asintomática, pero puede ser indicativa de condiciones comórbidas, como hipertensión). El diagnóstico definitivo de gota requiere aspiración y examen del líquido sinovial (Fig. 22.17) de una articulación afectada (o material de un tofo) usando microscopía de luz polarizada para confirmar la presencia de cristales de MSU en forma de aguja (Fig. 22.18). una. Excreción insuficiente de ácido úrico: en >90% de los individuos con hiperuricemia, la causa es la excreción insuficiente de ácido úrico. La excreción insuficiente puede ser primaria, debido a defectos excretores inherentes aún no identificados, o secundaria a procesos patológicos conocidos que afectan la forma en que el riñón maneja el urato (p. ej., en la acidosis láctica, el lactato aumenta la reabsorción renal de urato, lo que disminuye su excreción) y a factores ambientales. factores como el uso de fármacos (p. ej., diuréticos tiazídicos) o la exposición al plomo (gota saturnina). b. Sobreproducción de ácido úrico: una causa menos común de hiperuricemia es la sobreproducción de ácido úrico. La hiperuricemia primaria es, en su mayor parte, idiopática (sin causa conocida). Sin embargo, varias mutaciones identificadas en el gen de la PRPP sintetasa ligada al cromosoma X hacen que la enzima tenga una velocidad máxima aumentada ([Vmax ], véase la pág. 61) para la producción de PRPP, una Km más baja (véase la pág. 63) para la ribosa 5fosfato, o disminución de la sensibilidad a los nucleótidos de purina, sus inhibidores alostéricos (ver pág. 66). En cada caso, la mayor disponibilidad de PRPP aumenta la producción de purina, lo que da como resultado niveles elevados de ácido úrico en plasma. El síndrome de Lesch-Nyhan (v. pág. 329) también causa hiperuricemia como consecuencia de la disminución de la recuperación de hipoxantina y G y el aumento subsiguiente de la disponibilidad de PRPP. La hiperuricemia secundaria suele ser la consecuencia de una mayor disponibilidad de purinas (p. ej., en pacientes con trastornos mieloproliferativos o que reciben quimioterapia y, por lo tanto, tienen una alta tasa de recambio celular). La hiperuricemia también puede ser el resultado de enfermedades metabólicas aparentemente no relacionadas, como la enfermedad de von Gierke (v . fig. 11.8 en la pág. 141) o la intolerancia hereditaria a la fructosa (v. pág. 152). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.15 La degradación de los nucleótidos de purina a ácido úrico, que ilustra algunas de las enfermedades genéticas asociadas con esta vía. (Nota: los números entre paréntesis se refieren a las citas numeradas correspondientes en el texto). BMT = trasplante de médula ósea; ERT = terapia de reemplazo enzimático; Pi = fosfato inorgánico; H2O2 = peróxido de hidrógeno; NH3 = amoníaco. Figura 22.16 Gota tofácea. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Una dieta rica en carne, mariscos (particularmente mariscos) y etanol se asocia con un mayor riesgo de gota, mientras que una dieta rica en productos lácteos bajos en grasa se asocia con una disminución del riesgo. C. Tratamiento: Los ataques agudos de gota se tratan con agentes antiinflamatorios. Se utilizan colchicina, fármacos esteroides como la prednisona y fármacos no esteroides como la indometacina. (Nota: la colchicina previene la formación de microtúbulos, lo que disminuye el movimiento de neutrófilos hacia el área afectada. Al igual que los otros medicamentos antiinflamatorios, no tiene efecto sobre los niveles de ácido úrico). Las estrategias terapéuticas a largo plazo para la gota implican reducir el ácido úrico. nivel por debajo de su punto de saturación (6,5 mg/dl), evitando así la deposición de cristales de MSU. Los agentes uricosúricos, como el probenecid o la sulfinpirazona, que aumentan la excreción renal de ácido úrico, se usan en pacientes que tienen baja excreción de ácido úrico. El alopurinol, un análogo estructural de la hipoxantina, inhibe la síntesis de ácido úrico y se usa en pacientes que son productores excesivos de ácido úrico. El alopurinol se oxida a oxipurinol, un inhibidor de larga duración de la XO. Esto da como resultado una acumulación de hipoxantina y xantina (v . fig. 22.15), compuestos más solubles que el ácido úrico y, por tanto, menos propensos a iniciar una respuesta inflamatoria. En pacientes con niveles normales de HGPRT, la hipoxantina puede salvarse, reduciendo los niveles de PRPP y, por lo tanto, la síntesis de purina de novo . También está disponible febuxostat, un inhibidor de la XO que no es purina. (Nota: los niveles de ácido úrico en la sangre normalmente están cerca del punto de saturación. Una razón de esto puede ser los fuertes efectos antioxidantes del ácido úrico). Figura 22.17 El análisis del líquido articular puede ayudar a definir las causas de la inflamación de las articulaciones y la artritis, como infección, gota y enfermedad reumatoide. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.18 La gota puede diagnosticarse por la presencia de cristales de urato monosódico con birrefringencia negativa en el líquido sinovial aspirado examinado mediante microscopía de luz polarizada. Aquí, los cristales se ven dentro de los leucocitos polimorfonucleares. 2. Deficiencia de adenosina desaminasa: ADA se expresa en una variedad de tejidos, pero, en humanos, los linfocitos tienen la mayor actividad de esta enzima citoplasmática. Una deficiencia de ADA da como resultado una acumulación de adenosina, que se convierte en sus formas de ribonucleótido o desoxirribonucleótido por acción de las cinasas celulares. A medida que aumentan los niveles de dATP, se inhibe la ribonucleótido reductasa, lo que impide la producción de todos los nucleótidos que contienen desoxirribosa (v. pág. 330). En consecuencia, las células no pueden producir ADN y dividirse. (Nota: el dATP y la adenosina que se acumulan en la deficiencia de ADA provocan la detención del desarrollo y la apoptosis de los linfocitos). En su forma más grave, este trastorno autosómico recesivo provoca un tipo de enfermedad de inmunodeficiencia combinada grave (SCID), que implica una disminución de T células B y células asesinas naturales. La deficiencia de ADA representa ~14% de los casos de SCID en los Estados Unidos. Los tratamientos incluyen trasplante de médula ósea, terapia de reemplazo de enzimas y terapia génica (vea pág. 552). Sin el tratamiento adecuado, los niños con este trastorno suelen morir a causa de la infección a los 2 años de edad. (Nota: la deficiencia de nucleósido de purina fosforilasa da como resultado una inmunodeficiencia menos grave que afecta principalmente a las células T). Figura 22.19 Fuentes de los átomos individuales en el anillo de pirimidina. CO2 = dióxido de carbono. VI. SÍNTESIS Y DEGRADACIÓN DE LAS PIRIMIDINAS ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A diferencia de la síntesis del anillo de purina, que se construye sobre una ribosa 5-fosfato preexistente, el anillo de pirimidina se sintetiza antes de unirse a la ribosa 5-fosfato, que es donada por PRPP. Las fuentes de los átomos en el anillo de pirimidina son glutamina, CO2 y aspartato (Fig. 22.19). A. Síntesis de fosfato de carbamoilo El paso regulado de esta vía en células de mamíferos es la síntesis de carbamoil fosfato a partir de glutamina y CO2 , catalizada por carbamoil fosfato sintetasa (CPS) II. El CPS II es inhibido por el trifosfato de uridina (UTP, el producto final de esta vía, que puede convertirse en otros nucleótidos de pirimidina) y es activado por PRPP. (Nota: el fosfato de carbamoilo, sintetizado por CPS I, también es un precursor de la urea [consulte la pág. 281]. Los defectos en la ornitina transcarbamilasa (OTC) del ciclo de la urea promueven la síntesis de pirimidina debido a la mayor disponibilidad de fosfato de carbamoilo. dos enzimas se presenta en la figura 22.20.) Figura 22.20 Resumen de las diferencias entre carbamoil fosfato sintetasa (CPS) I y II. PRPP = 5-fosforribosil-1pirofosfato; UTP = trifosfato de uridina. B. Síntesis de ácido orótico El segundo paso en la síntesis de pirimidinas es la formación de carbamoilaspartato, catalizada por aspartato transcarbamoilasa. Luego, el anillo de pirimidina se cierra con dihidroorotasa. El dihidroorotato resultante se oxida para producir ácido orótico (orotato), como se muestra en la figura 22.21. El mononucleótido de flavina (FMN) se reduce en esta reacción. C. Síntesis de nucleótidos de pirimidina ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google El anillo de pirimidina completo se convierte en el nucleótido orotidina monofosfato (OMP) en la segunda etapa de la síntesis del nucleótido de pirimidina (v . fig. 22.21). Como se ve con las purinas, PRPP es el donante de ribosa 5fosfato. La enzima orotato fosforribosiltransferasa produce OMP y libera pirofosfato, lo que hace que la reacción sea biológicamente irreversible. (Nota: la síntesis de purina y pirimidina requiere glutamina, ácido aspártico y PRPP como precursores esenciales). La OMP (orotidilato) se descarboxila a uridina monofosfato (UMP) orotidilato descarboxilasa. por Las actividades de fosforribosiltransferasa y descarboxilasa son dominios catalíticos separados de un solo polipéptido llamado UMP sintasa. La aciduria orótica hereditaria (un trastorno muy raro) puede deberse a una deficiencia de una o ambas actividades de esta enzima bifuncional, lo que produce ácido orótico en la orina (v . fig. 22.21). Dado que la UTP inhibe por retroalimentación la primera reacción de la biosíntesis de pirimidina, la aciduria orótica hereditaria y su anemia asociada se tratan con uridina. Recuerde que una deficiencia de OTC en el ciclo de la urea se presentaría con niveles urinarios elevados de orotato (ver pág. 535). Esto se debe a que el sustrato de carbamoil fosfato de OTC se canaliza en su lugar hacia la síntesis de pirimidina. UMP se fosforila secuencialmente a UDP y UTP. (Nota: el UDP es un sustrato para la ribonucleótido reductasa, que genera dUDP. El dUDP se fosforila a dUTP, que se hidroliza rápidamente a dUMP por la UTP difosfatasa [dUTPasa]. Por lo tanto, la dUTPasa juega un papel importante en la reducción de la disponibilidad de dUTP como sustrato para la síntesis de ADN, evitando así la incorporación errónea de U en el ADN). Figura 22.21 Síntesis de pirimidina de novo . ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico; FMN(H2 ) = mononucleótido de flavina; CTP = trifosfato de citidina; PRPP = 5-fosforribosil-1-pirofosfato; PPi = pirofosfato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google D. Síntesis de trifosfato de citidina El trifosfato de citidina (CTP) se produce por aminación de UTP por la CTP sintetasa (fig. 22.22), y la glutamina proporciona el nitrógeno. Parte de este CTP se desfosforila a CDP, que es un sustrato para la ribonucleótido reductasa. El producto dCDP puede fosforilarse a dCTP para la síntesis de ADN o desfosforilarse a dCMP que se desamina a dUMP. Figura 22.22 Síntesis de CTP a partir de UTP. (Nota: CTP, necesario para la síntesis de ARN, se convierte en dCTP para la síntesis de ADN). ADP = difosfato de adenosina; Pi = fosfato inorgánico. E. Síntesis de monofosfato de desoxitimidina El dUMP se convierte en monofosfato de desoxitimidina (dTMP) mediante la timidilato sintasa, que utiliza N5 ,N10 -metileno-THF como fuente del grupo metilo (v. pág. 296). Esta es una reacción inusual en la que el THF contribuye no solo con una unidad de carbono sino también con dos átomos de hidrógeno del anillo de pteridina, lo que resulta en la oxidación del THF a dihidrofolato ([DHF], Fig. 22.23). Los inhibidores de la timidilato sintasa incluyen análogos de T como el 5-fluorouracilo, que sirven como agentes antitumorales. El 5-fluorouracilo se convierte metabólicamente en monofosfato de 5-fluorodesoxiuridina (5FdUMP), que se une permanentemente a la timidilato sintasa inactivada, lo que convierte al fármaco en un inhibidor suicida (vea la pág. 64). El DHF puede reducirse a THF mediante la DHF reductasa (v . fig. 28.2, pág. 424), una enzima que es inhibida por los análogos del folato, como el metotrexato. Al disminuir el aporte de THF, estos fármacos no sólo inhiben la síntesis de purinas (v . fig. 22.7), sino que, al impedir la metilación de dUMP a dTMP, también reducen la disponibilidad de este componente esencial del ADN. Se inhibe la síntesis de ADN y se ralentiza el crecimiento celular. Por lo tanto, estos medicamentos se utilizan para tratar el cáncer. (Nota: el aciclovir [un análogo de la purina] y la 3ÿ-azido-3ÿdesoxitimidina [AZT, un análogo de la pirimidina] se usan para tratar infecciones por el virus del herpes simple y el virus de la inmunodeficiencia humana, respectivamente. Cada uno inhibe la ADN polimerasa viral). F. Recuperación y degradación de pirimidinas ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A diferencia del anillo de purina, que no se escinde en humanos y se excreta como ácido úrico poco soluble, el anillo de pirimidina se abre y degrada a productos altamente solubles, ÿ-alanina (de la degradación de CMP y UMP) y ÿ aminoisobutirato (de TMP). degradación), con la producción de amoníaco y CO2 . Las bases de pirimidina se pueden salvar en nucleósidos, que se fosforilan en nucleótidos. Sin embargo, su alta solubilidad hace que el rescate de pirimidina sea menos significativo clínicamente que el rescate de purina. (Nota: la recuperación de los nucleósidos de pirimidina es la base para usar uridina en el tratamiento de la aciduria orótica hereditaria [vea la pág. 336].) Figura 22.23 Síntesis de dTMP a partir de dUMP, que ilustra los sitios de acción de los fármacos antineoplásicos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google VIII. Resumen del capítulo Los nucleótidos están compuestos por una base nitrogenada (A, G, C, U y T); un azúcar de pentosa; y uno, dos o tres grupos fosfato (fig. 22.24). A y G son purinas y C, U y T son pirimidinas. Si el azúcar es ribosa, el nucleótido es un fosfato de ribonucleósido (p. ej., AMP) y puede tener varias funciones en la célula, incluida la de ser un componente del ARN. Si el azúcar es desoxirribosa, el nucleótido es un desoxirribonucleósido fosfato (p. ej., desoxiAMP) y se encontrará casi exclusivamente como componente del ADN. El paso comprometido en la síntesis de purinas utiliza PRPP (una pentosa activada que proporciona la ribosa 5-fosfato para la síntesis y recuperación de novo de purinas y pirimidinas) y nitrógeno de la glutamina para producir fosforribosilamina. La enzima es GPAT y es inhibida por AMP y GMP (los productos finales de la vía) y activada por PRPP. Los nucleótidos de purina también se pueden producir a partir de bases de purina preformadas utilizando reacciones de recuperación catalizadas por APRT y HGPRT. Una deficiencia casi total de HGPRT causa el síndrome de LeschNyhan, una forma hereditaria grave de hiperuricemia acompañada de automutilación compulsiva. Todos los desoxirribonucleótidos son sintetizados a partir de ribonucleótidos por la enzima ribonucleótido reductasa. Esta enzima está altamente regulada (p. ej., es fuertemente inhibida por dATP, un compuesto que se produce en exceso en las células de la médula ósea en individuos con deficiencia de ADA). La deficiencia de ADA causa SCID. El producto final de la degradación de las purinas es el ácido úrico, un compuesto de baja solubilidad cuya sobreproducción o secreción insuficiente provoca hiperuricemia que, si se acompaña del depósito de cristales de MSU en las articulaciones y los tejidos blandos y una respuesta inflamatoria a esos cristales, produce gota. El primer paso en la síntesis de pirimidinas, la producción de carbamoil fosfato por CPS II, es el paso regulado en esta vía (es inhibida por UTP y activada por PRPP). El UTP producido por esta vía se puede convertir en CTP. El monofosfato de desoxiuridina se puede convertir en dTMP mediante la timidilato sintasa, una enzima a la que se dirigen los fármacos contra el cáncer como el 5-fluorouracilo. La regeneración de tetrahidrofolato a partir de DHF producido en la reacción de timidilato sintasa requiere dihidrofolato reductasa, una enzima a la que se dirige el fármaco metotrexato. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 22.24 Mapa de conceptos clave para el metabolismo de nucleótidos. THF = tetrahidrofolato; GPAT = glutamina:fosforribosilpirofosfato amidotransferasa; ADA = adenosina desaminasa; XO = xantina oxidasa; TS = timidilato sintasa; RNR = ribonucleótido reductasa; CPS II = carbamoil fosfato sintetasa II; AMP, GMP, CMP, TMP e IMP = monofosfatos de adenosina, guanosina, citidina, timidina e inosina; d = desoxi; PPi = pirofosfato; PRPP = 5-fosforribosil-1-pirofosfato. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 22.1 La azaserina, un fármaco con aplicaciones en investigación, inhibe las enzimas dependientes de glutamina. ¿La incorporación de cuál de los nitrógenos del anillo (N) en la estructura de purina genérica que se muestra probablemente se vería afectada por la azaserina? A. 1 B. 3 C. 7 D. 9 Respuesta correcta = D. El N en la posición 9 lo aporta la glutamina en el primer paso de la síntesis de novo de purinas , y su incorporación se vería afectada por la azaserina. El N en la posición 1 lo proporciona el aspartato y en la posición 7 la glicina. El N en la posición 3 también lo suministra la glutamina, pero la azaserina habría inhibido la síntesis de purinas antes de este paso. 22.2 Un varón de 42 años que se somete a radioterapia por cáncer de próstata desarrolla un dolor intenso en la articulación metatarsianofalángica del dedo gordo del pie derecho. Los cristales de urato monosódico se detectan por microscopía de luz polarizada en líquido obtenido de esta articulación por artrocentesis. El dolor de este paciente es causado directamente por la sobreproducción del producto final ¿de cuál de las siguientes vías metabólicas? A. Biosíntesis de pirimidina de novo B. Degradación de pirimidina C. Biosíntesis de purina de novo D. Recuperación de purina E. Degradación de purina Respuesta correcta = E. El dolor del paciente es causado por la gota, que resulta de una respuesta inflamatoria a la cristalización del exceso de urato (como urato monosódico) en sus articulaciones. La radioterapia provocó la muerte celular, con degradación de los ácidos nucleicos y sus purinas constituyentes. El ácido úrico, el producto final de la degradación de las purinas, es un compuesto relativamente insoluble que puede causar gota (y cálculos renales). El metabolismo de las pirimidinas no está asociado con la producción de ácido úrico. La sobreproducción de purinas puede resultar indirectamente en hiperuricemia. El rescate de purina disminuye la producción de ácido úrico. 22.3 ¿Cuál de las siguientes enzimas del metabolismo de nucleótidos se empareja correctamente con su función farmacológica? inhibidor? A. Dihidrofolato reductasa: metotrexato B. Inosina monofosfato deshidrogenasa: hidroxiurea C. Ribonucleótido reductasa: 5-fluorouracilo D. Timidilato sintasa: alopurinol E. Xantina oxidasa: probenecid Respuesta correcta = A. El metotrexato interfiere con el metabolismo del folato al actuar como un inhibidor competitivo de la enzima dihidrofolato reductasa. Esto priva a las células de tetrahidrofolato y las hace incapaces de sintetizar purinas y monofosfato de timidina. La inosina monofosfato deshidrogenasa es inhibida por el ácido micofenólico. La ribonucleótido reductasa es inhibida por la hidroxiurea. La timidilato sintasa es inhibida por el 5-fluorouracilo. El alopurinol inhibe la xantina oxidasa. El probenecid aumenta la excreción renal de urato pero no inhibe su producción. 22.4 Una paciente de 1 año de edad está letárgica, débil y anémica. Su altura y peso son bajos para su edad. Su orina contiene un nivel elevado de ácido orótico. La actividad de la uridina monofosfato sintasa es baja. Administración de ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ¿Cuál de los siguientes es más probable que alivie sus síntomas? A. Adenina B. Guanina C. Hipoxantina D. Timidina E. Uridina Respuesta correcta = E. La excreción elevada de ácido orótico y la baja actividad de la uridina monofosfato (UMP) sintasa indican que el paciente tiene aciduria orótica, un trastorno genético muy raro que afecta la síntesis de pirimidina de novo . Las deficiencias en uno o ambos dominios catalíticos de la UMP sintasa dejan al paciente incapaz de sintetizar pirimidinas. La uridina, un nucleósido de pirimidina, es un tratamiento útil porque pasa por alto las actividades que faltan y se puede salvar a UMP, que se puede convertir en todas las demás pirimidinas. Aunque la timidina es un nucleósido de pirimidina, no se puede convertir en otras pirimidinas. La hipoxantina, la guanina y la adenina son bases de purina y no se pueden convertir en pirimidinas. 22.5 ¿Qué prueba de laboratorio ayudaría a distinguir una aciduria orótica causada por ornitina transcarbamilasa? deficiencia de la causada por la deficiencia de uridina monofosfato sintasa? Tanto en la aciduria orótica como en la deficiencia de ornitina transcarbamilasa, hay niveles elevados de orotato urinario. Se esperaría que el nivel de amoníaco en sangre esté elevado en la deficiencia de ornitina transcarbamilasa que afecta el ciclo de la urea, pero no en la deficiencia de uridina monofosfato sintasa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google UNIDAD V: Integración del Metabolismo ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Efectos metabólicos de la insulina y Glucagón 23 I. VISIÓN GENERAL Cuatro tejidos principales juegan un papel dominante en el metabolismo de los combustibles: hígado, tejido adiposo, músculo y cerebro. Estos tejidos contienen conjuntos únicos de enzimas, de modo que cada tejido está especializado para el almacenamiento, uso o generación de combustibles específicos. Estos tejidos no funcionan de forma aislada, sino que forman parte de una red en la que un tejido puede proporcionar sustratos a otro o procesar compuestos producidos por otros tejidos. La comunicación entre tejidos está mediada por el sistema nervioso, por la disponibilidad de sustratos circulantes y por la variación en los niveles de hormonas plasmáticas (fig. 23.1). La integración del metabolismo energético está controlada principalmente por las acciones de dos hormonas peptídicas, la insulina y el glucagón (secretadas en respuesta a cambios en los niveles de sustrato en la sangre), con las catecolaminas epinefrina y norepinefrina (secretadas en respuesta a señales neurales) desempeñando un papel de apoyo. . Los cambios en los niveles circulantes de estas hormonas permiten que el cuerpo almacene energía cuando la comida es abundante o que la energía almacenada esté disponible, como durante el ayuno o las crisis de supervivencia (p. ej., hambruna, lesiones graves y situaciones de "lucha o huida"). Este capítulo describe la estructura, la secreción y los efectos metabólicos de las dos hormonas que afectan más profundamente el metabolismo energético. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.1 Mecanismos de comunicación entre cuatro tejidos principales. II. INSULINA La insulina es una hormona peptídica producida por las células ÿ de los islotes de Langerhans, que son grupos de células incrustadas en la porción endocrina del páncreas (fig. 23.2). (Nota: “insulina” es del latín isla). Los islotes constituyen solo entre el 1% y el 2% del total de células del páncreas. La insulina es la hormona más importante que coordina el uso de combustibles por parte de los tejidos. Sus efectos metabólicos son anabólicos, favoreciendo, por ejemplo, la síntesis de glucógeno, triacilglicerol (TAG) y proteínas. Una estructura La insulina se compone de 51 aminoácidos dispuestos en dos cadenas polipeptídicas, denominadas A (21 aminoácidos) y B, que están unidas entre sí por dos enlaces disulfuro (fig. 23.3A). La molécula de insulina también contiene un enlace disulfuro intramolecular entre los residuos de cisteína de la cadena A. (Nota: la insulina fue el primer péptido para el que se determinó la estructura primaria y la primera molécula terapéutica fabricada mediante tecnología de ADN recombinante [ver pág. 537]). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.2 Islotes de Langerhans. B. Síntesis y degradación El procesamiento y transporte de intermediarios que ocurren durante la síntesis de insulina se muestran en las Figuras 23.3B y 23.4. La biosíntesis implica la producción de dos precursores inactivos, preproinsulina y proinsulina, que contienen las cadenas A y B como un solo péptido. Estos precursores se escinden secuencialmente para formar la hormona activa de dos cadenas más un péptido conector o C en una proporción de 1:1. (Nota: el péptido C es esencial para el plegamiento correcto de la insulina. Además, debido a que su vida media en plasma es más larga que la de la insulina, el nivel de péptido C es un buen indicador de la producción y secreción de insulina). La insulina se almacena en gránulos citosólicos que, dado el estímulo adecuado (ver C.1. a continuación), se liberan por exocitosis. (Véase la página 505 para una discusión de la síntesis de proteínas secretadas.) La insulina es degradada por la enzima degradadora de insulina, que está presente en el hígado y, en menor grado, en los riñones. La insulina tiene una vida media plasmática de unos 6 minutos. Esta acción de corta duración permite cambios rápidos en los niveles circulantes de la hormona. C. Regulación de la secreción La secreción de insulina está regulada por combustibles y hormonas transportados por la sangre. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.3 A: Estructura de la insulina. B: Formación de insulina humana a partir de preproinsulina. SS = enlace disulfuro. 1. Aumento de la secreción: la secreción de insulina por las células ÿ pancreáticas está estrechamente coordinada con la secreción de glucagón por las células ÿ pancreáticas (fig. 23.5). Las cantidades relativas de glucagón e insulina liberadas normalmente se regulan de modo que la tasa de producción de glucosa hepática se mantenga igual al uso de glucosa por los tejidos periféricos. Esto mantiene la glucosa en sangre entre 70 y 140 mg/dl (3,9 y 7,8 mmol/l, respectivamente). En vista de su función de coordinación, no sorprende que la célula ÿ responda a una variedad de estímulos. En particular, la glucosa, los aminoácidos y las hormonas peptídicas gastrointestinales aumentan la secreción de insulina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.4 Movimientos intracelulares de insulina y sus precursores. ARNm = ARN mensajero; RER = retículo endoplásmico rugoso. una. Glucosa: la ingestión de una comida rica en hidratos de carbono provoca un aumento de la glucosa en sangre, el principal estímulo para la secreción de insulina (fig. 23.5). Las células ÿ son las células sensibles a la glucosa más importantes del cuerpo. Al igual que el hígado, las células ÿ contienen transportadores GLUT-2 y expresan glucocinasa (hexocinasa IV; véase pág. 108). A niveles de glucosa en sangre >45 mg/dl, la glucocinasa fosforila la glucosa en cantidades proporcionales a la concentración de glucosa. La proporcionalidad resulta de la falta de inhibición directa de la glucoquinasa por la glucosa 6-fosfato, su producto. Además, la relación sigmoidea entre la velocidad de la reacción y la concentración de sustrato maximiza la capacidad de respuesta de la enzima a los cambios en el nivel de glucosa en sangre. El subsiguiente metabolismo de la glucosa 6-fosfato en la glucólisis genera ATP, lo que conduce a la secreción de insulina (véase el recuadro a continuación). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.5 Cambios en los niveles sanguíneos de glucosa, insulina y glucagón después de la ingestión de una comida rica en carbohidratos. b. Aminoácidos: la ingestión de proteínas provoca un aumento transitorio de las concentraciones plasmáticas de aminoácidos (p. ej., arginina) que intensifica la secreción de insulina estimulada por la glucosa de las células ÿ pancreáticas endocrinas. (Nota: los ácidos grasos tienen un efecto similar). C. Hormonas peptídicas gastrointestinales: los péptidos intestinales péptido-1 similar al glucagón (GLP-1) y el polipéptido inhibidor gástrico ([GIP] también llamado péptido insulinotrópico dependiente de glucosa) aumentan la sensibilidad de las células ÿ a la glucosa. Se liberan del intestino delgado después de la ingestión de alimentos, lo que provoca un aumento anticipado de los niveles de insulina y, por lo tanto, se denominan incretinas. Su acción puede explicar el hecho de que la misma cantidad de glucosa administrada por vía oral induce una secreción mucho mayor de insulina que si se administra por vía intravenosa (IV). Los fármacos antihiperglucémicos de la clase de los miméticos de la incretina, utilizados para tratar la diabetes tipo 2, aumentan la sensibilidad a la glucosa de las células ÿ, lo que aumenta la secreción de insulina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google La liberación de insulina dependiente de la glucosa en la sangre está mediada por un aumento intracelular del 2+) concentración calcio (Ca fosforilado y metabolizado, con un ÿ. aumento posterior de los niveles intracelulares de ATP. en células La glucosa ingerida en las células ÿ por GLUT-2 es ATP + potasio sensible (K ) los canales se cierran en respuesta al aumento de los niveles de ATP, provocando despolarización de la membrana plasmática. La despolarización media la apertura de Ca dependiente de voltaje 2+ canales en la membrana plasmática, y una entrada de Ca California 2+ . Un aumento en las señales 2+ citosólicas exocitosis de vesículas que contienen insulina de las células ÿ. Las sulfonilureas funcionan para + aumentar la secreción de insulina al cerrar los canales de K sensibles a ATP. insulina Se yconocen son agentes comoorales secretagogos que se usan de para tratar la hiperglucemia en la diabetes tipo 2. Las meglitinidas funcionan de manera similar a las sulfonilureas, pero tienen una afinidad de unión más débil y una disociación más alta para los canales de K sensibles a ATP y, por lo tanto, son secretagogos de insulina de acción más corta. Por ellocontrario, los diazóxidos abren el de canal K sensible al ATP, que conduce a una disminución la de + secreción de insulina. Los diazóxidos se usan para tratar la hipoglucemia causada por hiperinsulinismo o en insulinomas congénito (tumores productores de insulina). 2. Disminución de la secreción: la síntesis y liberación de insulina disminuyen cuando hay escasez de combustibles en la dieta y también durante períodos de estrés fisiológico (p. ej., infección, hipoxia y ejercicio vigoroso), lo que previene la hipoglucemia. Estos efectos están mediados principalmente por las catecolaminas norepinefrina y epinefrina, que se elaboran a partir de la tirosina en el sistema nervioso simpático (SNS) y la médula suprarrenal y luego se secretan. La secreción está controlada en gran medida por señales neuronales. Las catecolaminas (principalmente epinefrina) tienen un efecto directo sobre el metabolismo energético, provocando una rápida movilización de combustibles energéticos, incluida la glucosa del hígado (producida por glucogenólisis o gluconeogénesis; véase la pág. 131) y los ácidos grasos (AG) del tejido adiposo. (producida por lipólisis; véase pág. 209). Además, estas aminas biogénicas pueden anular la liberación normal de insulina estimulada por la glucosa. Por lo tanto, en situaciones de emergencia, el SNS reemplaza en gran medida la concentración de glucosa plasmática como influencia controladora sobre la secreción de células ÿ. La regulación de la secreción de insulina se resume en la figura 23.6. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.6 Regulación de la liberación de insulina de las células ÿ pancreáticas. (Nota: las hormonas peptídicas gastrointestinales también estimulan la liberación de insulina). D. Efectos metabólicos La insulina promueve la absorción celular de nutrientes (principalmente glucosa); también promueve el almacenamiento de nutrientes, incluidos glucógeno, TAG y proteínas, e inhibe su movilización. 1. Efectos sobre el metabolismo de los carbohidratos: los efectos de la insulina sobre el metabolismo de la glucosa promueven su almacenamiento y son más destacados en tres tejidos: hígado, músculo y tejido adiposo. En hígado y músculo, la insulina aumenta la síntesis de glucógeno. En el músculo y el tejido adiposo, la insulina aumenta la captación de glucosa aumentando el número de transportadores de glucosa (GLUT-4; consulte la pág. 106) en la membrana celular. Así, la administración IV de insulina provoca una disminución inmediata del nivel de glucosa en sangre. En el hígado, la insulina disminuye la producción de glucosa mediante la inhibición de la glucogenólisis y la gluconeogénesis. (Nota: los efectos de la insulina se deben no solo a los cambios en la actividad enzimática sino también a la cantidad de enzimas en la medida en que la señalización de la insulina altera la transcripción de genes). 2. Efectos sobre el metabolismo de los lípidos: un aumento de la insulina provoca rápidamente una reducción significativa en la liberación de AG del tejido adiposo al inhibir la actividad de la lipasa sensible a hormonas, una enzima clave de la degradación de TAG en los adipocitos. La insulina actúa promoviendo la desfosforilación y, por tanto, la inactivación de la enzima (v. pág. 210). La insulina también aumenta el transporte y el metabolismo de la glucosa hacia los adipocitos, proporcionando el sustrato de glicerol 3-fosfato para la síntesis de TAG (v. pág. 208). Expresión del gen de la lipoproteína lipasa (LL), que ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google degrada el TAG en los quilomicrones circulantes y las lipoproteínas de muy baja densidad ([VLDL]; véase la pág. 256), aumenta con la insulina en el tejido adiposo, lo que proporciona AG para la esterificación al glicerol. (Nota: la insulina también promueve la conversión de glucosa en TAG en el hígado. Los TAG se secretan en VLDL). 3. Efectos sobre la síntesis de proteínas: En la mayoría de los tejidos, la insulina estimula tanto la entrada de aminoácidos en las células como la síntesis de proteínas (traducción). (Nota: la insulina estimula la síntesis de proteínas a través de la activación covalente de factores necesarios para el inicio de la traducción). E. Mecanismo La insulina se une a receptores específicos de alta afinidad en la membrana celular de la mayoría de los tejidos, incluidos el hígado, el músculo y el tejido adiposo. Este es el primer paso de una cascada de reacciones que finalmente conducen a una diversa gama de acciones biológicas (fig. 23.7). 1. Receptor de insulina: el receptor de insulina se sintetiza como un polipéptido único que se glucosila y se escinde en subunidades ÿ y ÿ, que luego se ensamblan en un tetrámero unido por enlaces disulfuro (fig. 23.7). Las subunidades ÿ extracelulares contienen el sitio de unión a la insulina. Un dominio hidrofóbico en cada subunidad ÿ atraviesa la membrana plasmática. El dominio citosólico de la subunidad ÿ es una tirosina quinasa, que es activada por la insulina. Como resultado, el receptor de insulina se clasifica como un receptor de tirosina quinasa. 2. Transducción de señales: la unión de la insulina a las subunidades ÿ del receptor de insulina induce cambios conformacionales que se transmiten a las subunidades ÿ. Esto promueve una autofosforilación rápida de residuos de tirosina específicos en cada subunidad ÿ (fig. 23.7). La autofosforilación inicia una cascada de respuestas de señalización celular, incluida la fosforilación de una familia de proteínas llamadas sustratos del receptor de insulina (IRS). Se han identificado al menos cuatro IRS que muestran estructuras similares pero diferentes distribuciones de tejidos. Las proteínas IRS fosforiladas interactúan con otras moléculas de señalización a través de dominios específicos (conocidos como SH2), activando una serie de vías que afectan la expresión génica, el metabolismo celular y el crecimiento. Las acciones de la insulina terminan con la desfosforilación del receptor. 3. Efectos de membrana: el transporte de glucosa a ciertos tejidos, incluidos el músculo y el tejido adiposo, aumenta en presencia de insulina (fig. 23.8). La insulina promueve el movimiento de los transportadores de glucosa sensibles a la insulina (GLUT-4) desde un grupo ubicado en las vesículas intracelulares hacia la membrana celular. (Nota: el movimiento es el resultado de una cascada de señalización en la que un IRS se une a una cinasa [fosfoinositida 3-cinasa] y la activa, lo que conduce a la fosforilación del fosfolípido de membrana fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato [PIP2 ] a 3,4, 5- forma de trifosfato [PIP3 ] que se une y activa la cinasa 1 dependiente de fosfoinositida. Esta cinasa, a su vez, activa Akt [o proteína cinasa B], lo que da como resultado el movimiento de GLUT-4). En contraste, otros tejidos tienen insulina- ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google sistemas insensibles para el transporte de glucosa (fig. 23.9). Por ejemplo, los hepatocitos, los eritrocitos y las células del sistema nervioso, la mucosa intestinal, los túbulos renales y la córnea no requieren insulina para la captación de glucosa. 4. Regulación del receptor: la unión de la insulina va seguida de la internalización del complejo hormona-receptor. Una vez dentro de la célula, la insulina se degrada en los lisosomas. Los receptores pueden degradarse, pero la mayoría se recicla a la superficie celular. (Nota: los niveles elevados de insulina promueven la degradación de los receptores, lo que disminuye la cantidad de receptores de superficie. Este es un tipo de regulación a la baja). 5. Evolución temporal: la unión de la insulina provoca una amplia gama de acciones. La respuesta más inmediata es un aumento en el transporte de glucosa hacia los adipocitos y las células del músculo esquelético y cardíaco que ocurre segundos después de que la insulina se une a su receptor de membrana. Los cambios inducidos por la insulina en la actividad enzimática en muchos tipos de células ocurren en minutos u horas y reflejan cambios en los estados de fosforilación de las proteínas existentes. El aumento inducido por la insulina en la cantidad de muchas enzimas, como la glucoquinasa, la piruvato quinasa hepática, la acetil coenzima A (CoA) carboxilasa (ACC) y la sintasa de ácidos grasos, requiere de horas a días. Estos cambios reflejan un aumento en la expresión génica a través de una mayor transcripción (mediada por la proteína 1c que se une al elemento regulador de esteroles; véase la pág. 204) y traducción. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.7 Mecanismo de acción de la insulina. = fosfato; Tyr = tirosina; SS = enlace disulfuro. tercero GLUCAGON El glucagón es una hormona peptídica secretada por las células ÿ de los islotes pancreáticos de Langerhans. El glucagón, junto con la epinefrina, la norepinefrina, el cortisol y la hormona del crecimiento (las hormonas contrarreguladoras), se opone a muchas de las acciones de la insulina (fig. 23.10). Lo que es más importante, el glucagón actúa para mantener los niveles de glucosa en sangre mediante la activación de la glucogenólisis y la gluconeogénesis hepáticas. El glucagón está compuesto por 29 aminoácidos dispuestos en una sola cadena polipeptídica. (Nota: a diferencia de la insulina, la secuencia de aminoácidos del glucagón es la misma en todas las especies de mamíferos examinadas hasta la fecha). El glucagón se sintetiza como una molécula precursora grande (preproglucagón) que se convierte en ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google glucagón a través de una serie de escisiones proteolíticas selectivas, similares a las descritas para la biosíntesis de insulina (v . fig. 23.3). A diferencia de la insulina, el preproglucagón se procesa en diferentes productos en diferentes tejidos, por ejemplo, GLP-1 en las células L intestinales. Al igual que la insulina, el glucagón tiene una vida media corta. Figura 23.8 Reclutamiento de GLUT-4 mediado por insulina desde los depósitos intracelulares hasta la membrana celular en el músculo esquelético y cardíaco y en el tejido adiposo. SS = enlace disulfuro. A. Aumento de la secreción La célula ÿ responde a una variedad de estímulos que indican una hipoglucemia real o potencial (fig. 23.11). Específicamente, la secreción de glucagón aumenta por niveles bajos de glucosa en sangre, aminoácidos y catecolaminas. Figura 23.9 Características del transporte de glucosa en varios tejidos. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 1. Nivel bajo de glucosa en sangre: una disminución en la concentración de glucosa en plasma es el principal estímulo para la liberación de glucagón. Durante un ayuno nocturno o prolongado, los niveles elevados de glucagón previenen la hipoglucemia (ver la Sección IV a continuación para una discusión sobre la hipoglucemia). 2. Aminoácidos: Los aminoácidos (p. ej., arginina) derivados de una comida que contiene proteínas estimulan la liberación de glucagón. El glucagón previene eficazmente la hipoglucemia que de otro modo se produciría como resultado del aumento de la secreción de insulina que también se produce después de una comida rica en proteínas. 3. Catecolaminas: niveles elevados de epinefrina circulante (de la médula suprarrenal), norepinefrina (de la inervación simpática del páncreas) o ambas estimulan la liberación de glucagón. Por lo tanto, durante períodos de estrés fisiológico, los niveles elevados de catecolaminas pueden anular el efecto sobre la célula ÿ de los sustratos circulantes. En estas situaciones, independientemente de la concentración de glucosa en sangre, los niveles de glucagón se elevan en previsión de un mayor uso de glucosa. Por el contrario, los niveles de insulina están deprimidos. B. Disminución de la secreción La secreción de glucagón disminuye significativamente por la elevación de la glucosa en sangre y por la insulina. Ambas sustancias aumentan tras la ingestión de glucosa o de una comida rica en hidratos de carbono (fig. 23.5). La regulación de la secreción de glucagón se resume en la figura 23.11. C. Efectos metabólicos El glucagón es una hormona catabólica que favorece el mantenimiento de los niveles de glucosa en sangre. Su objetivo principal es el hígado. El glucagón también tiene un efecto en la movilización y utilización de AG en los tejidos adiposo y muscular. 1. Efectos sobre el metabolismo de los carbohidratos: La administración IV de glucagón conduce a un aumento inmediato de la glucosa en sangre. Esto resulta de un aumento en la degradación de las reservas de glucógeno hepático (ver pág. 132) y un aumento en la gluconeogénesis (ver pág. 122). Durante el día, los niveles de glucosa en sangre posprandiales se mantienen principalmente por la glucogenólisis hepática, con glucosa en sangre adicional proporcionada por la gluconeogénesis. Dado que el período interprandial es más largo a medida que dormimos y las reservas de glucógeno se vuelven más limitadas, la gluconeogénesis aumenta proporcionando una mayor fuente de glucosa en sangre a medida que avanza la noche. El glucagón también inhibe la glucólisis al disminuir los niveles del activador alostérico PFK-1, fructosa 2,6-bisfosfato (ver pág. 122). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.10 Acciones opuestas de insulina y glucagón más epinefrina. 2. Efectos sobre el metabolismo de los lípidos: el efecto primario del glucagón sobre el metabolismo de los lípidos es la inhibición de la síntesis de ácidos grasos a través de la fosforilación y la subsiguiente inactivación de ACC por la proteína cinasa activada por monofosfato de adenosina (AMP) (v. pág. 204). La disminución resultante en la producción de malonil CoA elimina la inhibición de la carnitina palmitoiltransferasa-1, necesaria para el transporte de ácidos grasos de cadena larga hacia la matriz mitocondrial para la oxidación ÿ (v. pág. 210). El glucagón también juega un papel en la lipólisis en los adipocitos, pero los principales activadores de la lipasa sensible a hormonas (a través de la fosforilación por la proteína quinasa A) son las catecolaminas. Los AG libres movilizados por los adipocitos son absorbidos por los tejidos musculares y hepáticos y oxidados a acetil CoA. El hígado utiliza la acetil CoA en la síntesis de cuerpos cetónicos. Las células musculares utilizarán el acetil CoA para obtener energía. El glucagón y las catecolaminas también activan la LL en los tejidos del músculo esquelético y cardíaco, para permitir la captación de ácidos grasos de los complejos VLDL en ayunas. Teniendo en cuenta que el glucagón estimula el secuestro intracelular de GLUT-4, tiene sentido que los tejidos musculares aumenten la utilización de FA como fuente de energía. fuente. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.11 Regulación de la liberación de glucagón de las células ÿ pancreáticas. (Nota: los aminoácidos aumentan la liberación de insulina y glucagón, mientras que la glucosa aumenta la liberación de insulina y disminuye la liberación de glucagón). 3. Efectos sobre el metabolismo de las proteínas: el glucagón aumenta la absorción por el hígado de los aminoácidos suministrados por el músculo, lo que da como resultado una mayor disponibilidad de esqueletos de carbono para la gluconeogénesis. Como consecuencia, los niveles plasmáticos de aminoácidos disminuyen. D. Mecanismo El glucagón se une a los receptores acoplados a proteína G de alta afinidad (GPCR) en la membrana celular de los hepatocitos. El GPCR para el glucagón es distinto del GPCR que se une a la epinefrina. (Nota: los receptores de epinefrina, no de glucagón, se encuentran en el músculo esquelético.) La unión del glucagón da como resultado la activación de la adenilil ciclasa en la membrana plasmática (fig. 23.12; véase la pág. 103). Esto provoca un aumento del AMP cíclico (cAMP), que, a su vez, activa la proteína quinasa A dependiente de cAMP y aumenta la fosforilación de enzimas específicas u otras proteínas. Esta cascada de actividades enzimáticas crecientes da como resultado la activación o inhibición mediada por fosforilación de enzimas reguladoras clave involucradas en el metabolismo de carbohidratos y lípidos. Un ejemplo de tal cascada en la degradación del glucógeno se muestra en la Figura 11.9 en la pág. 144. (Nota: el glucagón, como la insulina, afecta la transcripción de genes; por ejemplo, el glucagón induce la expresión de fosfoenolpiruvato carboxicinasa [ver pág. 133]). IV. HIPOGLUCEMIA La hipoglucemia se caracteriza por (1) síntomas del sistema nervioso central (SNC), ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google incluyendo confusión, comportamiento aberrante o coma; (2) un nivel de glucosa en sangre simultáneo ÿ50 mg/dl; y (3) los síntomas se resuelven a los pocos minutos de la administración de glucosa (fig. 23.13). La hipoglucemia es una emergencia médica porque el SNC tiene un requerimiento absoluto de un suministro continuo de glucosa transportada por la sangre para servir como combustible metabólico. La hipoglucemia transitoria puede causar disfunción cerebral, mientras que la hipoglucemia grave y prolongada causa daño cerebral. Por lo tanto, no sorprende que el cuerpo tenga múltiples mecanismos superpuestos para prevenir o corregir la hipoglucemia. Los cambios hormonales más importantes para combatir la hipoglucemia son el aumento de la secreción de glucagón y de catecolaminas, combinado con una disminución de la secreción de insulina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.12 Mecanismo de acción del glucagón. (Nota: para mayor claridad, se ha omitido la activación de la proteína G de la adenilil ciclasa). R = subunidad reguladora; C = subunidad catalítica; AMPc = monofosfato de adenosina cíclico; ADP = difosfato de adenosina; = fosfato. A. Síntomas Los síntomas de la hipoglucemia se pueden dividir en dos categorías. Los síntomas adrenérgicos (neurogénicos, autonómicos), como ansiedad, palpitaciones, temblores y sudoración, están mediados por la liberación de catecolaminas (principalmente epinefrina) regulada por el hipotálamo en respuesta a la hipoglucemia. Los síntomas adrenérgicos generalmente ocurren cuando los niveles de glucosa en sangre caen abruptamente. La segunda categoría de síntomas hipoglucémicos es neuroglucopénico. El suministro deficiente de glucosa al cerebro (neuroglucopenia) da como resultado un deterioro de la función cerebral, lo que provoca dolor de cabeza, confusión, dificultad para hablar, convulsiones, coma y muerte. Los síntomas neuroglucopénicos a menudo resultan de una disminución gradual de la glucosa en sangre, a menudo a niveles <50 mg/dl. La lenta disminución de la glucosa priva al SNC de combustible, pero no logra desencadenar una respuesta adrenérgica adecuada. B. Sistemas glucorreguladores Los seres humanos tienen dos sistemas reguladores de glucosa superpuestos que se activan con la hipoglucemia: (1) las células pancreáticas ÿ, que liberan glucagón, y (2) receptores en el hipotálamo, que responden a concentraciones anormalmente bajas de glucosa en sangre. Los glucorreceptores hipotalámicos pueden desencadenar tanto la secreción de catecolaminas (mediada por la división simpática del sistema nervioso autónomo) como la liberación de hormona adrenocorticotrópica (ACTH) y hormona del crecimiento por la hipófisis anterior (v . fig. 23.13). (Nota: la ACTH aumenta la síntesis y secreción de cortisol en la corteza suprarrenal [vea pág. 264].) El glucagón, las catecolaminas, el cortisol y la hormona del crecimiento a veces se denominan hormonas contrarreguladoras porque cada una se opone a la acción de la insulina sobre el uso de la glucosa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.13 A: Acciones de algunas de las hormonas glucorreguladoras en respuesta a niveles bajos de glucosa en sangre. B: Umbrales glucémicos para las diversas respuestas a la hipoglucemia. (Nota: la glucemia normal en ayunas es de 70 a 99 mg/dl.) + = estimulación débil; ++ = estimulación moderada; +++ = fuerte estimulación; 0 = sin efecto; ACTH = hormona adrenocorticotrópica. 1. Glucagón y epinefrina: la secreción de estas hormonas contrarreguladoras es más importante en la regulación aguda a corto plazo de los niveles de glucosa en sangre. El glucagón estimula la glucogenólisis hepática y la gluconeogénesis. La epinefrina promueve la glucogenólisis y la lipólisis. Inhibe la secreción de insulina, lo que impide la captación de glucosa mediada por GLUT-4 por los tejidos musculares y adiposos. La epinefrina asume un papel fundamental en la hipoglucemia cuando la secreción de glucagón es deficiente, por ejemplo, en las últimas etapas de la diabetes mellitus tipo 1 (v. pág. 379). La prevención o corrección de la hipoglucemia falla cuando la secreción de glucagón y epinefrina es deficiente. 2. Cortisol y hormona del crecimiento: estas hormonas contrarreguladoras son menos importantes en el mantenimiento a corto plazo de las concentraciones de glucosa en sangre. Sin embargo, juegan un papel en el manejo a largo plazo (transcripcional) del metabolismo de la glucosa. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.14 Reversión de la hipoglucemia inducida por insulina mediante la administración de glucagón subcutáneo. C. Tipos La hipoglucemia se puede dividir en cuatro tipos: (1) inducida por insulina, (2) posprandial (a veces llamada hipoglucemia reactiva), (3) hipoglucemia en ayunas y (4) relacionada con el alcohol. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 1. Hipoglucemia inducida por insulina: la hipoglucemia ocurre con frecuencia en pacientes con diabetes que reciben tratamiento con insulina, en particular aquellos que se esfuerzan por lograr un control estricto de los niveles de glucosa en sangre. La hipoglucemia leve en pacientes plenamente conscientes se trata mediante la administración oral de hidratos de carbono. Los pacientes inconscientes suelen recibir glucagón por vía subcutánea o intramuscular (fig. 23.14). 2. Hipoglucemia posprandial: esta es la segunda forma más común de hipoglucemia. Es causado por una liberación exagerada de insulina después de una comida, lo que provoca una hipoglucemia transitoria con síntomas adrenérgicos leves. El nivel de glucosa en plasma vuelve a la normalidad incluso si el paciente no se alimenta. El único tratamiento que generalmente se requiere es que el paciente coma comidas pequeñas frecuentes en lugar de las tres comidas grandes habituales. 3. Hipoglucemia en ayunas: los niveles bajos de glucosa en sangre durante el ayuno son raros, pero es más probable que se presenten como un problema médico grave. La hipoglucemia en ayunas, que tiende a producir síntomas neuroglucopénicos, puede resultar de una reducción en la tasa de producción de glucosa por glucogenólisis hepática o gluconeogénesis. Por lo tanto, los niveles bajos de glucosa en sangre se observan a menudo en pacientes con daño hepatocelular o insuficiencia suprarrenal o en personas en ayunas que han consumido grandes cantidades de etanol (ver 4. a continuación). Alternativamente, la hipoglucemia en ayunas puede ser el resultado de una mayor tasa de uso de glucosa por los tejidos periféricos debido a la sobreproducción de insulina por tumores pancreáticos raros. Si no se trata, un paciente con hipoglucemia en ayunas puede perder el conocimiento y experimentar convulsiones y coma. (Nota: Ciertos errores innatos del metabolismo, p. ej., defectos en la oxidación de ácidos grasos, provocan hipoglucemia en ayunas). 4. Hipoglucemia relacionada con el alcohol: el alcohol (etanol) se metaboliza en el hígado mediante dos reacciones de oxidación (fig. 23.15). El etanol se convierte primero en acetaldehído por la alcohol deshidrogenasa que contiene zinc. El acetaldehído se oxida posteriormente a acetato por la aldehído deshidrogenasa (ALDH). (Nota: la ALDH es inhibida por el disulfiram, un fármaco que se utiliza en el tratamiento del alcoholismo crónico. El aumento resultante en el acetaldehído produce sofocos, taquicardia, hiperventilación y náuseas). En cada reacción, los electrones se transfieren al dinucleótido de nicotinamida y adenina oxidado (NAD+ ), lo que da como resultado un aumento en la proporción de la forma reducida (NADH) a NAD+ . La abundancia de NADH favorece la reducción de piruvato a lactato y de oxaloacetato (OAA) a malato. Recuerda de la pág. 129 que el piruvato y el OAA son sustratos en la síntesis de glucosa. Por lo tanto, el aumento de NADH mediado por etanol hace que estos precursores gluconeogénicos se desvíen hacia vías alternativas, lo que resulta en una disminución de la síntesis de glucosa. Esto puede precipitar la hipoglucemia, particularmente en personas que han agotado sus reservas de glucógeno hepático. (Nota: la menor disponibilidad de OAA permite que la acetil CoA se desvíe a la síntesis de cuerpos cetónicos en el hígado [vea la pág. 215] y puede dar lugar a una cetosis alcohólica que puede dar lugar a una cetoacidosis). La hipoglucemia puede producir muchos de los comportamientos asociados con la intoxicación por alcohol , como agitación, deterioro del juicio y ******convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua******* Machine Translated by Google combatividad Por lo tanto, el consumo de alcohol en personas vulnerables (como las que están en ayunas o han realizado ejercicio extenuante y prolongado) puede producir hipoglucemia que puede contribuir a los efectos conductuales del alcohol. Debido a que el consumo de alcohol también puede aumentar el riesgo de hipoglucemia en pacientes que usan insulina, se aconseja a los que están en un protocolo de tratamiento intensivo con insulina (ver pág. 379) sobre el mayor riesgo de hipoglucemia que generalmente ocurre muchas horas después de la ingestión de alcohol. Figura 23.15 A: gluconeogénesis normal en ausencia de consumo de etanol. B: Inhibición de la gluconeogénesis resultante del metabolismo hepático del etanol. NAD(H) = dinucleótido de nicotinamida y adenina. El consumo crónico de alcohol también puede provocar hígado graso alcohólico debido al aumento de la síntesis hepática de TAG junto con la formación o liberación alterada de VLDL. Esto ocurre como resultado de disminución de la oxidación de FA debido a una caída en el NAD+/NADH y aumento de la lipogénesis debido a la mayor disponibilidad de AG (disminución del catabolismo) y de gliceraldehído 3-fosfato (la deshidrogenasa es inhibida por el bajo + consumo de NAD, el hígado graso alcohólico puede progresar relación primero/NADH; a hepatitis ver pág. alcohólica 111). Con y luego alcohol a cirrosis continuado alcohólica). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 23.16 Mapa conceptual clave de los efectos metabólicos de la insulina y el glucagón, así como de la hipoglucemia. IRS = sustratos del receptor de insulina. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google V. Resumen del capítulo La integración del metabolismo energético está controlada principalmente por la insulina y las acciones opuestas del glucagón y las catecolaminas, en particular la epinefrina (fig. 23.16). Los cambios en los niveles circulantes de estas hormonas permiten que el cuerpo almacene energía cuando la comida es abundante o que la energía almacenada esté disponible en momentos de estrés fisiológico (p. ej., durante crisis de supervivencia, como la hambruna). La insulina es una hormona peptídica producida por las células ÿ de los islotes de Langerhans del páncreas. Se compone de cadenas A y B unidas por disulfuro. Un aumento de la glucosa en sangre es la señal más importante para la secreción de insulina. Las catecolaminas, secretadas en respuesta al estrés, trauma o ejercicio extremo, inhiben la secreción de insulina. La insulina aumenta la captación de glucosa (por los transportadores de glucosa [GLUT-4] en músculo y tejido adiposo) y la síntesis de glucógeno, proteína y TAG: es una hormona anabólica . Estas acciones están mediadas por la unión a su receptor de tirosina cinasa de membrana. La unión inicia una cascada de respuestas de señalización celular, incluida la fosforilación de una familia de proteínas denominadas proteínas IRS. El glucagón es una hormona peptídica monomérica producida por las células ÿ de los islotes pancreáticos (tanto la síntesis de insulina como la de glucagón implican la formación de precursores inactivos que se escinden para formar las hormonas activas). El glucagón, junto con la epinefrina, la norepinefrina, el cortisol y la hormona del crecimiento (las hormonas contrarreguladoras), se opone a muchas de las acciones de la insulina. El glucagón actúa para mantener la glucosa en sangre durante los períodos de hipoglucemia potencial. El glucagón aumenta la glucogenólisis, la gluconeogénesis, la oxidación de ácidos grasos, la cetogénesis y la absorción de aminoácidos: es una hormona catabólica . La secreción de glucagón es estimulada por niveles bajos de glucosa en sangre, aminoácidos y catecolaminas. Su secreción es inhibida por la glucemia elevada y por la insulina. El glucagón se une a los GPCR de alta afinidad en la membrana celular de los hepatocitos. La unión da como resultado la activación de la adenilil ciclasa, que produce el segundo mensajero cAMP. La activación posterior de la proteína quinasa A dependiente de cAMP da como resultado la activación o inhibición mediada por fosforilación de enzimas reguladoras clave involucradas en el metabolismo de carbohidratos y lípidos. Tanto la insulina como el glucagón afectan la transcripción de genes. La hipoglucemia se caracteriza por niveles bajos de glucosa en sangre acompañados de síntomas adrenérgicos y neuroglucopénicos que se resuelven rápidamente con la administración de glucosa. La hipoglucemia inducida por insulina, posprandial y en ayunas da como resultado la liberación de glucagón y epinefrina. El aumento de la forma reducida de nicotinamida adenina dinucleótido (NADH) que acompaña al metabolismo del etanol inhibe la gluconeogénesis, lo que provoca hipoglucemia en personas con reservas agotadas. El consumo de alcohol también aumenta el riesgo de hipoglucemia en pacientes que usan insulina. El consumo crónico de alcohol puede causar enfermedad del hígado graso. Preguntas de estudio Elija la UNA mejor respuesta. 23.1 ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta para la insulina pero no para el glucagón? R. Es una hormona peptídica secretada por las células pancreáticas. B. Sus acciones están mediadas por la unión a un receptor que se encuentra en la membrana celular de las células hepáticas. C. Sus efectos incluyen alteraciones en la expresión génica. D. Su secreción está disminuida por las catecolaminas. E. Su secreción aumenta con los aminoácidos. F. Su síntesis implica un precursor no funcional que se escinde para producir una molécula funcional. Respuesta correcta = D. Las catecolaminas inhiben la secreción de insulina por parte de las células ÿ pancreáticas, mientras que ellas estimulan la secreción de glucagón por parte de las células ÿ. Todas las demás afirmaciones son ciertas tanto para la insulina como para el glucagón. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google 23.2 ¿En cuál de los siguientes tejidos el transporte de glucosa al interior de la célula depende de la insulina? A. Tejido adiposo B. Cerebro C. Hígado D. Glóbulos rojos E. Páncreas Respuesta correcta = A. El transportador de glucosa (GLUT-4) en el tejido adiposo (y muscular) depende de la insulina. La insulina da como resultado el movimiento de GLUT-4 desde las vesículas intracelulares hasta la membrana celular. Los otros tejidos de la lista contienen GLUT que son independientes de la insulina porque siempre se encuentran en la membrana celular. 23.3 Una mujer de 39 años es llevada a la sala de urgencias quejándose de debilidad y mareos. Recuerda haberse levantado temprano esa mañana para hacer sus diligencias semanales y se saltó el desayuno. Bebió una taza de café para el almuerzo y no comió nada durante el día. Se reunió con amigos a las 8 p. m. y tomó unas copas. A medida que avanzaba la noche, pronto se sintió débil y mareada y fue llevada al hospital. Las pruebas de laboratorio revelaron que su glucosa en sangre era de 45 mg/dl (normal = 70 a 99). Le dieron jugo de naranja e inmediatamente se sintió mejor. La base bioquímica de su hipoglucemia inducida por alcohol es un aumento de: A. oxidación de ácidos grasos. B. la proporción de las formas oxidadas reducidas del dinucleótido de nicotinamida y adenina. C. oxaloacetato y piruvato. D. uso de acetil coenzima A en la síntesis de ácidos grasos. E. síntesis de glucógeno Respuesta correcta = B. La oxidación de etanol a acetato por deshidrogenasas va acompañada de la reducción de nicotinamida adenina + + dinucleótido (la proporción de NAD cambia el piruvato) aa NADH. lactato yElelaumento oxaloacetato en el (OAA) NADH/NAD a malato, disminuyendo disponibilidad dey sustratos para lalagluconeogénesis dando como resultado + hipoglucemia El aumento de NADH también reduce el NAD necesario para la oxidación de ácidos grasos (FA). La disminución de OAA desvía cualquier acetil coenzima A producido a la cetogénesis. Tenga en cuenta que la inhibición de la degradación de los ácidos grasos da como resultado su reesterificación en triacilglicerol que puede provocar hígado graso. El glucógeno no se sintetizaría en condiciones de hipoglucemia. 23.4 A un paciente se le diagnostica un insulinoma, un tumor neuroendocrino raro, cuyas células se derivan principalmente de las células ÿ del páncreas. ¿Cuál de las siguientes sería lógicamente característica de un insulinoma? A. Disminución del peso corporal B. Disminución del péptido conector en la sangre C. Disminución de la glucosa en la sangre D. Disminución de la insulina en la sangre E. Disminución de la actividad de GLUT-4 Respuesta correcta = C. Los insulinomas se caracterizan por la producción constante de insulina (y, por tanto, de péptido C) por parte de las células tumorales. El aumento de la insulina impulsa la captación de glucosa por tejidos como el músculo y el tejido adiposo que tienen transportadores de glucosa GLUT-4 dependientes de insulina, lo que provoca hipoglucemia. Sin embargo, la hipoglucemia es insuficiente para suprimir la producción y secreción de insulina. Los insulinomas, entonces, se caracterizan por un aumento de la insulina en sangre y una disminución de la glucosa en sangre. La insulina, como hormona anabólica, produce aumento de peso. 23.5 En un paciente con un tumor secretor de glucagón aún más raro derivado de las células ÿ del páncreas, ¿cómo se esperaría que la presentación fuera diferente en relación con el paciente de la Pregunta 23.4? Un tumor secretor de glucagón del páncreas (glucagonoma) provocaría hiperglucemia, no hipoglucemia. La producción constante de glucagón daría como resultado una gluconeogénesis constante, utilizando como sustratos los aminoácidos de la proteólisis. Esto resulta en la pérdida de peso corporal. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google El ciclo de alimentación rápida 24 I. VISIÓN GENERAL DEL ESTADO DE ABSORCIÓN El estado de absorción (bien alimentado) es el período de 2 a 4 horas después de la ingestión de una comida normal. Durante este intervalo, se producen aumentos transitorios de la glucosa, los aminoácidos y los triacilgliceroles (TAG) plasmáticos, estos últimos principalmente como componentes de los quilomicrones sintetizados y secretados por las células de la mucosa intestinal (v. pág. 254). El tejido de los islotes del páncreas responde a la secreción gastrointestinal de incretina (v. pág. 344) ya la concentración elevada de glucosa con aumento de la secreción de insulina y disminución de la secreción de glucagón. La proporción elevada de insulina/glucagón y la fácil disponibilidad de sustratos circulantes hacen que el estado de absorción sea un período anabólico caracterizado por una mayor síntesis y almacenamiento de TAG y glucógeno para reponer las reservas de combustible, así como una mayor síntesis de proteínas. Durante este período de absorción, prácticamente todos los tejidos utilizan glucosa como combustible y la respuesta metabólica del cuerpo está dominada por alteraciones en el metabolismo del hígado, el tejido adiposo, el músculo esquelético y el cerebro. En este capítulo, se presenta un “mapa de órganos” que rastrea el movimiento de metabolitos entre tejidos. El objetivo es crear una visión ampliada y clínicamente útil del metabolismo de todo el cuerpo. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 24.1 Mecanismos de control del metabolismo y algunos tiempos de respuesta típicos. (Nota: los tiempos de respuesta pueden variar según la naturaleza del estímulo y de un tejido a otro). II. MECANISMOS REGULADORES El flujo de intermediarios a través de las vías metabólicas está controlado por cuatro mecanismos: (1) la disponibilidad de sustratos, (2) la regulación alostérica de las enzimas, (3) la modificación covalente de las enzimas y (4) la inducción-represión de la síntesis de enzimas, principalmente a través de regulación de la transcripción. Aunque este esquema puede parecer redundante al principio, cada mecanismo opera en una escala de tiempo diferente (Fig. 24.1) y permite que el cuerpo se adapte a una amplia variedad de situaciones fisiológicas. En el estado de absorción, estos mecanismos reguladores aseguran que los nutrientes disponibles se capturen como glucógeno, TAG y proteína. ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google A. Disponibilidad de sustratos En la fase de absorción, la glucosa es el sustrato energético predominante para prácticamente todos los tipos de células. El transportador GLUT facilita la captación de glucosa, y la hexocinasa atrapa la glucosa en la célula por fosforilación, según la cinética relativa (Km [constante de Michaelis]) de cada enzima. Con niveles elevados de glucosa en sangre de la fase de absorción, la mayor concentración de sustrato garantiza que haya suficiente glucosa incluso para las isoformas hepáticas, GLUT-2 y glucoquinasa (hexoquinasa IV), que poseen valores de Km más altos (menor afinidad) en comparación con el músculo esquelético. isoformas, GLUT-4 y hexoquinasa I, respectivamente. B. Efectores alostéricos Los cambios alostéricos suelen implicar reacciones determinantes de la velocidad. Por ejemplo, la glucólisis en el hígado se estimula después de una comida mediante un aumento de la fructosa 2,6-bisfosfato, un activador alostérico de la fosfofructocinasa-1 ([PFK-1], véase la pág. 109). Por el contrario, la fructosa 2,6-bisfosfato, un inhibidor alostérico de la fructosa 1,6-bisfosfatasa, disminuye la gluconeogénesis (v. pág. 133). ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google ****** Convertidor de libros electrónicos DEMO Marcas de agua ******* Machine Translated by Google Figura 24.2 Reacciones importantes del metabolismo intermediario reguladas por la fosforilación enzimática. Texto azul = intermediarios del metabolismo de los carbohidratos; texto marrón = intermediarios del metabolismo de los lípidos; P = fosfato; CoA = coenzima A; CO2 = dióxido de carbono. C. Modificación covalente La actividad de muchas enzimas está regulada por la adición (a través de quinasas, como la proteína quinasa A [PKA] dependiente del monofosfato de adenosina cíclico [cAMP] y la proteína quinasa activada por monofosfato de adenosina [AMPK]) o la eliminación (a través de fosfatasas) de grupos fosfato. de residuos específicos de serina, treonina o tirosina de la proteína. En el estado de absorción, la mayoría de las enzimas reguladas covalentemente están en forma desfosforilada y son activas (fig. 24.2). Tres excepciones son la glucógeno fosforilasa cinasa (v. pág. 144), la glucógeno fosforilasa (v. pág. 144) y la lipasa sensible a hormonas (HSL) (v. pág. 209), que son inactivas en su forma desfosforilada. (Nota: en el hígado, la forma desfosforilada del dominio bifuncional de la fosfofructocinasa-2 [PFK-2] está activa, lo que aumenta la producción del activador alostérico fructosa 2,6-bisfosfato [consulte la pág. 110]. El otro dominio, la fructosa 2 ,6-bisfosfatasa, también es inactiva en la forma desfosforilada.) D. Inducción y represión de la síntesis de enzimas El aumento (inducción de) o la disminución (represión de) la síntesis de enzimas conduce a cambios en el número de moléculas de enzimas, en lugar de cambiar la actividad de las moléculas de enzimas existentes. Las enzimas sujetas a regulación de síntesis son a menudo aquellas que se necesitan en condiciones fisiológicas específicas. Por ejemplo, en un estado de buena alimentación, los niveles elevados de insulina dan como resultado un aumento en la síntesis de enzimas clave, como la acetil coenzima A (CoA) carboxilasa (ACC) y la sintasa de ácidos grasos (FA) (ver pág. 354), implicado en el metabolismo anabólico. En ayunas, el glucagón induce la expresión de f
