Enfermedades metabólicas producidas por enzimas defectuosas/Enzimopatías Eritrocitarias
Enzimopatías Eritrocitarias
Introducción
Los eritrocitos, además de transportar el oxígeno y el dióxido de carbono en la sangre, realizan otras importantes funciones metabólicas. Su metabolismo se reduce a las rutas glucolítica y de las pentosas fosfato, al ciclo del 2,3-bisfosfoglicerato y a unas pocas reacciones de oxidorreducción y de la ruta de rescate de nucleótidos. Las deficiencias en algunas de las enzimas que catalizan las reacciones de dichas rutas originan enzimopatías, porque, al carecer de núcleo y orgánulos celulares, no son capaces de compensar el defecto enzimático sintetizando las enzimas, ni utilizar otras rutas alternativas. Seis enzimopatías de la ruta glucolítica y una en la de los fosfatos de pentosa causan anemias hemolíticas como consecuencia de la desnaturalización oxidativa de la hemoglobina y/o la pérdida de plasticidad de la membrana. Las deficiencias en piruvato quinasa y glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, genética y clínicamente polimórficas, aparecen con gran frecuencia en el planeta.
Los eritrocitos
Los eritrocitos, hematíes o glóbulos rojos son células sanguíneas, cuyas funciones principales son la de transportar el oxígeno desde los pulmones a los tejidos y el dióxido de carbono en sentido inverso. Los eritrocitos normales son discos bicóncavos con un diámetro medio de, aproximadamente, 7-8 micras, un espesor en el centro de 1 micra y en su periferia, el punto más ancho, de 2,5 micras. A lo largo de su vida, un eritrocito recorre cientos de miles de veces el aparato circulatorio y, debido a que posee una resistencia mecánica excepcional y una gran flexibilidad, atraviesa continuamente circuitos de diámetro inferior a su propio tamaño. Los eritrocitos además de transportar O2 y CO2, participan en el equilibrio ácido-base de la sangre, puesto que la hemoglobina es una excelente sustancia reguladora de dicho equilibrio, y realizan otras importantes funciones metabólicas.
Como todas células sanguíneas, derivan de las células de la médula ósea llamadas células madre hematopoyéticas multipotenciales (CMHs). La proliferación y reproducción de las diferentes células progenitoras están reguladas por múltiples proteínas, llamadas inductores de la proliferación, que a su vez están controladas por factores externos a la médula ósea. Así, la exposición del organismo a una baja presión parcial de oxígeno durante un periodo largo de tiempo provoca la inducción de la proliferación, la diferenciación y la producción de un mayor número de eritrocitos.
El hecho de que todas las células sanguíneas tengan una vida media limitada, exige que su producción transcurra a un ritmo continuo durante toda la vida del individuo con el fin de mantener un nivel constante de las mismas. Ello requiere la existencia de un acervo celular en la médula ósea, común para todas las líneas hematopoyéticas, que está constituido por una población relativamente pequeña de células germinales no diferenciadas, las cuales se depositan en las cavidades óseas durante las primeras etapas de la embriogénesis. Aunque su número es pequeño, estas células poseen una gran capacidad de autorrenovación, permitiendo así satisfacer la demanda de células en el caso de accidente o enfermedad.
Las rutas metabólicas
Los eritrocitos maduros no tienen núcleo, mitocondrias, ni retículo endoplásmico, por ello no pueden sintetizar proteínas, glucógeno ni lípidos y son incapaces de llevar a cabo la fosforilación oxidativa. En consecuencia, su metabolismo, muy reducido, queda limitado a la glucolisis, el ciclo de las pentosas fosfato, el ciclo del 2,3-bisfosfoglicerato, algunas reacciones de oxidorreducción para la destoxificación de sustancias oxidantes y otras pocas reacciones de la ruta de rescate de nucleótidos. Estas rutas y reacciones son justamente las precisas para mantener sus necesidades metabólicas durante su vida. Los eritrocitos requieren la energía para llevar a cabo el transporte iónico, la síntesis del glutatión, la ruta de rescate de nucleótidos y la conservación de la estructura de la membrana.
El control de la glucolisis en los eritrocitos se ejerce mediante la acción de distintos metabolitos sobre las enzimas que catalizan reacciones irreversibles, y que cumplen con todas las condiciones para considerarlas reguladoras: hexoquinasa (HK), fosfofructoquinasa (PFK) y piruvato quinasa (PK).
Cuando, como consecuencia de la alta concentración de ATP, disminuye la actividad de la PFK, también desciende la concentración del producto de la reacción, la fructosa 1,6-bisfosfato (F1,6BP), con lo que desaparece igualmente el efecto activador de este compuesto sobre la PFK y la PK.
Todo ello contribuye al detenimiento o más o menos parcial, de la glucólisis. Ahora bien, el efecto inhibidor global del ATP sobre la glucólisis puede contrarrestarse y, por tanto, el flujo metabólico restaurarse, gracias, fundamentalmente, a la acción desinhibidora de determinados metabolitos como la del AMP, el cual se produce por la hidrólisis del propio ATP cuando su concentración es alta, mediante la intervención de la ATPasa. El descenso de los niveles de ATP hace que desaparezcan los efectos inhibidores sobre las enzimas, reactivándose el proceso glucolítico.
La liberación de oxígeno en los tejidos conduce a un aumento del pH intracelular, lo que equivale a un incremento de la actividad de la PFK y, por tanto, de la glucólisis. Por el contrario, como consecuencia del proceso de oxigenación de la hemoglobina en los pulmones, aumenta la concentración de hidrogeniones y disminuye el flujo glucolítico.
En la ruta glucolítica de los eritrocitos existe una desviación a nivel del 1,3- bisfosfoglicerato (1,3BFG) en la que, a partir de esta sustancia, por acción de la bisfosfoglicerato mutasa, se produce 2,3-bisfosfoglicerato (2,3BFG). Es bien conocido el papel esencial que desempeña el 2,3BFG en la regulación de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno en los tejidos.
La regulación de los niveles de 2,3BPG viene condicionada por la concentración de ADP, cuya disminución conlleva un aumento del 1,3BFG, para mantener el equilibrio con la reacción catalizada por la fosfoglicerato quinasa. El aumento de 1,3BPG favorece la síntesis de 2,3BPG, mientras que, por el contrario, el aumento de ADP hará disminuir los niveles de 1,3BPG y, por tanto, la síntesis de 2,3BPG.
La ruta de las pentosas fosfato en los eritrocitos comprende una fase oxidativa e irreversible en la que se producen dos moles de NADPH y uno de ribulosa-5-fosfato; en una segunda fase, no oxidativa, se regeneran las hexosas a través de diversas reacciones reversibles.
La enzima principal y reguladora de la ruta de las pentosas fosfato es la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PD). La enzima de eritrocitos humanos utiliza como coenzima preferente NADP el cual inhibe competitivamente su actividad.
Estos valores reflejan, no sólo una alta especificidad por el nucleótido fosforilado sino también el papel clave que juegan las concentraciones relativas de NADP y NADPH para regular su actividad.
La función principal del NADPH es evitar el estrés oxidativo reducir la forma disulfuro del glutation a la forma sulfhidrilo, que a su vez actúa para mantener en estado reducido los residuos de cisteína de la hemoglobina y otras proteínas enzimáticas y de la membrana de los eritrocitos. Y ello es especialmente importante en estas células, porque al carecer de mitocondrias no tienen un modo alternativo de generar NADPH. Esta forma reducida también juega un papel esencial en los mecanismos de destoxificación, ya que reacciona con el peróxido de hidrógeno y los peróxidos orgánicos evitando con ello daños irreversibles en la célula
Las alteraciones que afectan a los eritrocitos pueden ser clasificadas en dos grandes grupos, teniendo en cuenta sus manifestaciones clínicas más características: •Las anemias.- que es una reducción del número de eritrocitos, de la concentración de hemoglobina o del valor del hematocrito. •Las policitemias.- que es una elevación en el número de eritrocitos.
Existen anemias por pérdida de sangre, por disfunción de la médula ósea, por esferocitosis o eliptocitosis hereditarias, por deficiencia vitamínica de B12, de ácido fólico y/o de hierro y por enfermedades endocrinas, gastrointestinales o hepáticas.
Las anemias hemolíticas se originan por diferentes alteraciones de los eritrocitos, muchas de las cuales son hereditarias. Las células que presentan gran fragilidad se rompen al pasar por los capilares, especialmente, en el bazo. En ocasiones el número de eritrocitos formados es normal, o incluso mayor de lo normal, pero su vida es tan corta que se produce una anemia grave. Se han descrito diferentes clases de anemias hemolíticas, siendo unas de las más frecuentes las enzimopatías eritrocitarias, que son debidas a una deficiencia en algunas de las enzimas del metabolismo intermediario del eritrocito. Estas deficiencias son consecuencia de una mutación que afecta al genoma de las células germinales en el momento de su producción. Se suelen subdividir en grupos de acuerdo con la vía metabólica donde se localiza la enzima defectiva y, en general, se caracterizan por ausencia de esferocitosis, y presión osmótica y hemoglobina normales. Sus defectos enzimáticos pueden aparecer bajo formas homocigóticas o heterocigóticas, acompañados de hemolisis celular y cuyo mecanismo desencadenante depende de la lesión molecular.
En el proceso de corte y unión del mRNA (splicing). La producción de proteína anormal puede también estar asociada a la pérdida completa de la función debida a la inestabilidad de la proteína que le impide alcanzar correctamente su lugar de acción, a una mutación en una región crítica o también a las interacciones de unas proteínas con otras y con otros compuestos celulares.
Mutaciones sin sentido y pequeñas delecciones e inserciones, alteran el plegamiento y las afinidades entre las subunidades. El plegamiento de las proteínas en la célula está facilitado por la interacción con carabinas. Las mutaciones que rompen las interacciones con las carabinas, conducen a la inestabilidad proteica y/o a la pérdida de la actividad funcional.
La doble sustitución aminoacídica se traduce en un plegamiento defectuoso debido a la pérdida de interacción entre las estructuras secundarias de las regiones donde se localizan las mutaciones. El centro activo de la enzima no se modifica pero los cambios que se originan entre los residuos aminoacídicos en el dominio del coenzima y la alteración parcial de la estructura terciaria son suficientes para producir un notable descenso de la estabilidad de la proteína en el eritrocito.
En ocasiones los efectos principales corresponden con una acumulación excesiva de la proteína anormal.
Los heterocigotos, con un alelo normal, se encuentran afectados en pocas ocasiones, ya que la forma de expresarse la enfermedad es recesiva, pero, puesto que el gen se encuentra en el cromosoma X, no así los hemicigotos.
En algunos casos un fenotipo grave surge de un alelo mutado que codifica una proteína en un heterocigoto individual. Los portadores heterocigóticos de tales mutaciones están afectados dependiendo de la intensidad del efecto en la subunidad mutada.
A menudo, las mutaciones en genes diferentes que codifican los polipéptidos componentes originan el mismo o similar fenotipo clínico.
No se puede conocer bien la relación entre la secuencia de aminoácidos y la conformación tridimensional nativa de una proteína.
La información estructural obtenida mediante difracción de rayos X de enzimas cristalizadas junto con la obtenida mediante mutagénesis dirigida, permite acercarse al entendimiento de las relaciones estructura y función y a interpretar las posibles interacciones entre la proteína y el resto de los componentes celulares.
Enzimopatías de las rutas metabólicas
Las enzimopatías en los eritrocitos provocan alteraciones en las funciones de estas células, porque al carecer de la maquinaria de síntesis de proteínas y poseer un metabolismo muy sencillo, no son capaces de compensar el defecto enzimático produciendo la enzima mutada, ni de utilizar otras rutas alternativas.
Enzimas de la ruta glucolítica. La deficiencia en hexoquinasa (HK), es asociada a una anemia hemolítica hereditaria.
En los eritrocitos se expresan dos hexoquinasas, la HK-I y la HK-R que han sido separadas mediante HPLC. La HK-I es una enzima reguladora muy sensible a la inhibición por G6P. Los síntomas de anemia pueden ser graves en algunas personas con deficiencia en la HK, debido a que conduce a bajos niveles de 2,3BPG y consecuentemente a un aumento de la afinidad por el oxígeno de la hemoglobina.
Desde la descripción de la primera deficiencia en fosfoglucosa isomerasa (GPI) se han encontrado algo más de medio centenar de casos. Esta deficiencia, además de en eritrocitos ha sido encontrada en leucocitos, plaquetas, hígado y músculo. Las manifestaciones clínicas no se limitan exclusivamente a una anemia hemolítica sino que se acompaña de retardo mental e hipotonía muscular, los cuales se agravan por estrés oxidativo. Todos los productos de los genes mutados, se caracterizan por una afinidad normal por el sustrato, pero presentan una notable inestabilidad y una baja actividad enzimática.
Tarui y col. describieron una grave deficiencia en fosfofructoquinasa (PFK) de músculo que se traducía en una miopatía; este desorden fue denominado tipo VII de la enfermedad por almacenamiento de glucógeno. Las deficiencias de esta enzima son parciales y se encuentran asociadas con síndromes clínicos heterogéneos, sugiriendo una alta complejidad a nivel molecular. Los eritrocitos contienen cinco isoenzimas compuestas por las subunidades M y L, siendo la M la más crítica en regular el flujo metabólico.
La deficiencia en la aldolasa (ALD) causa una anemia moderada que se agrava por el aumento de la concentración de F1,6BP en los eritrocitos y con infecciones en el tracto respiratorio. Se han descrito tres isoenzimas codificadas por distintos genes, siendo la isoenzima A la única presente en los eritrocitos. El residuo de ácido aspártico situado en la posición 128 tiene un papel primordial en la estructura espacial y en la función catalítica de la enzima.
La deficiencia en triosa fosfato isomerasa (TPI) origina un conjunto de manifestaciones clínicas, desde anemia hemolítica y anormalidades neuromusculares a complicaciones cardíacas que, en niños, conducen inevitablemente a la muerte. La enzima mutada de eritrocitos muestra poca actividad y estabilidad y provoca la acumulación de dihidroxiacetona fosfato.
La fosfoglicerato quinasa (PGK) es la única enzima de la ruta glucolítica codificada por un gen localizado en el cromosoma X. Las manifestaciones clínicas más usuales de una enzimopatía de esta clase son anemia hemolítica, alteraciones neurológicas y retardo mental. Se conoce la estructura primaria de la enzima de eritrocitos humanos que consta de 417 aminoácidos.
La sustitución de arginina por prolina en la variante Uppsala induce a un desplazamiento del centro de unión del ATP.
La deficiencia en piruvato quinasa (PK) es el defecto más frecuente en la ruta de Embden-Meyerhof y junto con la deficiencia en G6PD constituyen la mayoría de los casos de anemia hemolítica crónica debido a enzimopatías eritrocitarias. Una característica de estos pacientes es que sus eritrocitos tienen bajos niveles de ADP y altos de 2,3BPG en comparación con los normales. Las propiedades bioquímicas de los productos de las mutaciones son inestabilidad térmica, actividad enzimática baja y descenso de la afinidad por el PEP.
Los pacientes que sufren una enzimopatía PK se caracterizan por tener un baja actividad catalítica, junto con la pérdida de sus propiedades alostéricas y un aumento de la afinidad por el PEP.
Las variantes genéticas de la PK pueden ser identificadas por su sensibilidad a la degradación proteolítica y su diferente movilidad electroforética. Únicamente un 10% de mutantes defectivos en PK son relativamente estables, con una actividad normal o ligeramente disminuida y manteniendo las propiedades alostéricas.
La PK-R se encuentra bajo control del mismo locus genético que la PK-L pero es un producto del proceso de traducción con un mRNA diferente al de la forma L, que está modificado en el extremo 5´ y con promotores específicos. Esta isoenzima es dependiente de K+ y Mg2+ y exhibe propiedades alostéricas que reflejan su estructura polimérica. Además, es muy sensible a la modulación alostérica por la F1,6BP y cantidades micromoleculares de este intermediario aumentan significativamente la afinidad de la enzima por el sustrato, PEP, convirtiendo la cinética sigmoide en hiperbólica. Las propiedades cinéticas de esta enzima pueden explicarse fácilmente según el modelo concertado de enzimas alostericas de Monod y col. La enzima se puede encontrar en un equilibrio transicional entre dos conformaciones, relajada (R) y tensada (T). La forma T no tiene afinidad por K+ y muy poca por el PEP (y su cinética es sigmoide), mientras la forma R tiene alta afinidad por K+ y por PEP. Los efectores positivos F1,6BP, F2,6BP y 6-fosfogluconato disminuyen la cooperatividad de PK-R hacia PEP porque el equilibrio RPT se desplaza hacia el estado R, mientras los efectores negativos, ATP y alanina, operan en sentido opuesto.
Enzimas de la ruta de las pentosas fosfato. En la 2.ª Guerra Mundial, a los soldados de los destacamentos que acampaban en zonas de malaria se les administraba primaquina para prevenir la enfermedad. Se observó que algunos de ellos presentaban una cierta hipersensibilidad al medicamento debido a un defecto intrínseco que, posteriormente, fue reconocido como una deficiencia en G6PD (53).
Esta deficiencia comprende un amplio conjunto de desordenes debido a la mutación del gen que codifica la enzima. El gen comprende 13 exones y 12 intrones, tiene una longitud de 1545 pb, y se encuentra localizado en la región q 28 del cromosoma X. A nivel de proteína han sido caracterizadas más de 400 variantes, 86 de las cuales han sido clasificadas como polimórficas, que difieren en su actividad, estabilidad, pHs óptimos, movilidad electroforética, Km para el sustrato y el coenzima y susceptibilidad a la acción de inhibidores (64). La enzima normal tiene un peso de 118,4 Kd y está constituida por dos cadenas polipeptídicas idénticas de 515 aminoácidos. Cada unidad está compuesta por dos dominios formados, a su vez, por dos o más tramos de las cadenas polipeptídicas dobladas, uno donde se fija el coenzima NADP y otro donde lo hace el sustrato G6P.
La función principal de la ruta de las pentosas fosfato es, como se ha indicado, el mantener el glutation en su estado reducido. El glutatión se sintetiza a partir de los aminoácidos cisteína y ácido glutámico mediante dos reacciones consecutivas, catalizadas por la γ-glutamil cisteína sintetasa (γGC Syn) y la glutation sintetasa (GSH Syn), con requerimiento de dos moléculas de ATP (Figura). Han sido descritas enzimopatías en ambas enzimas que se traducen en anemia hemolítica moderada la cual puede exacerbarse por las mismas sustancias que aceleran la hemólisis en personas deficientes en G6PD. Los pacientes con deficiencia en la γ GC Syn suelen presentar, además de hemolisis, un defecto neurológico. Las deficiencias en GSH Syn suelen originar dos síndromes: uno, caracterizado, únicamente, por hemolisis, y otro, además, con oxoprolinuria y acidosis metabólica.
Terapia Habitual y Genética
Se puede afirmar que no existe un tratamiento definitivo en las enzimopatías eritrocitarias. La terapia que más se ha utilizado en niños para paliar los efectos de una deficiencia, cuando los valores de hemoglobina son muy bajos, son las transfusiones de sangre. Después de la niñez muchos pacientes se adaptan a un nivel compensado de hemólisis que no suelen requerir transfusión, a menos que existan otras complicaciones como un estado infeccioso, embarazo u otras condiciones adicionales.
El trasplante de médula ósea puede aliviar los síntomas en células hematopoyéticas, debería incluir la transferencia de la enzima desde células de la médula ósea normales a células deficientes, bien por contacto célula- célula o por liberación de la enzima en el plasma. Se demostró que trasplante de médula ósea es eficaz, al menos, en niños.
MEDP’S TEAM
Bibliografía: http://www.ranf.com/pdf/mono/metabolica.pdf