Redactado por María Arrondo Sánchez y Carolina Amil Zamorano

INTRODUCCIÓN

La hexoquinasa es una enzima transferasa (D-hexose-6-phosphotransferase), del grupo de las quinasas, encargada de fosforilar hexosas. Sin embargo, presenta mayor afinidad por la glucosa, puesto que la Km de esta es menor que la de otras hexosas como la fructosa. Esta proteína presenta cuatro isoformas, que han ido surgiendo de forma gradual. En dicho proceso de evolución ocurren determinados cambios que son claves en la estructura y que han permitido que la hexokinasa en dos de sus isoformas se oligomerice. La estructura de la proteína va a contar con dos dominios de unión a los sustratos (glucosa y ATP) y su actividad va a estar regulada alostéricamente mediante un mecanismo de ajuste inducido provocado por la propia glucosa. 

Así mismo, esta enzima va a presentar un papel clave en el cáncer. En este artículo se abordará el normal funcionamiento de la hexokinasa así como su papel tumoral por diferentes vías, profundizando, además, en posibles estudios futuros y nuevos campos que se abren en la investigación contra el cáncer que emiten un rayo de esperanza en el estudio biomédico.

PAPEL BIOLÓGICO

La Hexokinasa participa en la primera reacción irreversible de la glucólisis, que es la primera etapa del metabolismo de la glucosa. Tras hidrolizar el ATP, transfiere el grupo fosfato a la glucosa, para dar glucosa-6-fosfato (G6P), y así manteniendo el gradiente de glucosa que permite que haya un flujo de la misma mediado por los transportadores GLUT. La G6P es un inhibidor competitivo del ATP, por tanto se trata de un fenómeno de feedback negativo, en el que el mismo producto regula alostérica y negativamente su reacción de síntesis.  Además, el grupo fosfato (Pi) liberado de la hidrólisis del ATP puede antagonizar la inhibición de G6P o sumarse al efecto inhibidor, según la isoenzima que haya llevado a cabo la reacción. 

El producto (G6P) puede seguir varias rutas o vías celulares y funcionales:

• Metabolismo catabólico: se introduce la glucosa en la glucólisis, para llevar a cabo un metabolismo oxidativo y obtener energía. 
• Metabolismo anabólico: la G6P es destinada a la vía de las pentosas fosfato, para sintetizar NAPDH y Ribulosa-5-Fosfato; o puede ser convertido a sus formas poliméricas (glucógeno), mediante la gluconeogénesis.

ESTRUCTURA

La estructura de las Hexokinasas más comunes (las isoformas I, II y III) cuenta con dos lóbulos muy similares de unos 50KDa cada uno. Algunas de ellas, como la HK I, son monoméricas, pero cuando se une a la membrana externa de la mitocondria se oligomerizan.  De esta manera, la Hexokinasa cuenta con dos dominios principales, uno regulador y otro catalítico. La estructura dimérica y por tanto cuaternaria está presente en todas las isoformas salvo en la IV, que es la más ancestral.

El dominio N-terminal se considera el dominio regulador en las isoenzimas I y II, y contiene el motivo de unión a la mitocondria. Además, está unido al dominio C-terminal (que es el dominio catalítico) a través de una hélice alfa. Ambos dominios presentan sitios de unión con la glucosa, G6P y ATP, y la inhibición de G6P en el dominio regulador se contagia al dominio catalítico por medio del contacto por la hélice alfa entre los dominios. La estructura terciaria de la hexoquinasa se basa en un plegamiento alfa/beta abierto. El dominio de unión al ATP está compuesto por cinco láminas beta y tres hélices alfa en el cual cuatro de las láminas beta son paralelas y una es antiparalela. Por otro lado, la hexoquinasa requiere de iones de magnesio para poder llevar a cabo la actividad catalítica. El magnesio (Mg2+) va a ser el cofactor de la enzima y se encuentra formando un complejo con el ATP (MgATP2-), que estabiliza la catálisis y reduce la energía de activación de la reacción.

EVOLUCIÓN

Todas las isoenzimas de la Hexokinasa provienen de una Hexokinasa de 50 kDa, susceptible a la inhibición por el producto G6P, por tanto, todas las isoenzimas presentan esta característica. A partir de la duplicación y fusión del gen que codificaba esta forma ancestral, surgieron las isoenzimas I, II y III, que ya son moléculas de 100kDa.

La isoforma más próxima evolutivamente a la Hexokinasa original es la Tipo IV, que no sufrió la duplicación y fusión génica. Una vez que esto ocurrió, la segunda isoenzima que apareció fue la Hexokinasa II, que mantiene la actividad catalítica en ambos extremos terminales de la proteína, al igual que la Hexokinasa ancestral.

Una consecuente duplicación tuvo como resultado la aparición de la isoforma III. Posteriormente, las mutaciones de genes que codificaban la Hexokinasa 100 kDa, produjeron que el extremo N-terminal se diferenciara funcionalmente, perdiendo la actividad catalítica, y adquiriendo una función reguladora (con un sitio de unión para el inhibidor G6P). Esta diferenciación dio lugar a las en las Hexokinasas I y III. 

Además, en las HK I y II, el extremo N-terminal presenta un dominio hidrofóbico que permite a estas integrarse en la membrana de la mitocondria. Concretamente, se unen a las porinas (VDAC) de la membrana mitocondrial externa, las cuales interaccionan con los ANT (Translocadores de Nucleótidos de Adenina).  Esto es esencial para el mecanismo enzimático de la HK, puesto que es el sitio de salida del ATP producto de la fosforilación oxidativa (que usará la HK), y el sitio de entrada del ADP resultante de la reacción enzimática de la hexokinasa. Por tanto, existe una coordinación entre la introducción de la glucosa al metabolismo glucolítico y las últimas etapas de este en la mitocondria (la fosforilación oxidativa), para que se den a un ritmo adecuado a las necesidades celulares. 

Hay cuatro isoenzimas de la Hexokinasa (HK) en los tejidos de mamíferos, con una estructura similar, pero expresión en diferentes tejidos:

• HEXOKINASA I (HKI)

Fundamentalmente en el cerebro, donde la tasa metabólica es muy exigente, pero expresada de manera general. 

• HEXOKINASA II (HKII)

Más limitada en su expresión, aparece en tejidos sensibles a insulina, como es el caso del tejido adiposo y el músculo esquelético. En el músculo, es necesaria una alta tasa de glucólisis, y por tanto, lo que ocurre es que esta isoforma presenta una gran afinidad por la glucosa (menor Km), para que con concentraciones muy bajas de glucosa, se alcancen altas velocidades de la enzima.

La insulina aumenta la actividad de esta isoforma, induciendo la transcripción del gen que la codifica, y de esta forma, favoreciendo la metabolización y eliminación de glucosa. Por esta razón, en los individuos con diabetes de tipo II, la expresión de la HKII se ve  reducida, acentuando la hiperglucemia.

Al igual que la isoenzima Tipo I, incluye un dominio hidrofóbico en el extremo N-terminal que permite que se inserte en la membrana externa mitocondrial, y también usa ATP intramitocondrial.  

Cabe destacar su predominancia en células tumorales, puesto que estas se caracterizan por presentar un aumento anormal del metabolismo, en el que la reacción que lleva a cabo la Hexokinasa es esencial para la obtención de energía.

• HEXOKINASA III (HKIII)

A diferencia de las dos isoenzimas anteriores, la Hexokinasa III no está unida a la mitocondria, puesto que carece del dominio hidrofóbico en el extremo N-terminal. Se piensa que se expresa en el citoplasma, o que incluso tiene una localización perinuclear, en células del hígado.

• HEXOKINASA IV (HK IV)

En hepatocitos y células beta pancreáticas, y es conocida como glucoquinasa. La G6P que produce está destinada a la síntesis de glucosa. Esto es un proceso que se lleva a cabo cuando la cantidad de sustrato (glucosa) es alta, por tanto, tiene sentido que esta isoenzima presente una mayor Km, porque necesitará altas concentraciones de glucosa para realizar la reacción a una velocidad alta.

MECANISMO

La hexoquinasa sufre un cambio conformacional que es regulado por la propia glucosa que va a ser esencial para la catálisis. En este proceso se observa que la superficie en contacto con el solvente del complejo hexoquinasa-glucosa es más pequeña que la hexoquinasa nativa.

Utilizando dicho  cambio en el área de superficie que se encuentra expuesta se ha podido estimar la contribución hidrofóbica a los cambios de energía libre tras la unión de la glucosa. De esta manera se descubre que el efecto hidrofóbico por sí solo favorece la conformación activa de la hexoquinasa en presencia y ausencia de azúcar. La estabilidad observada de la conformación inactiva de la enzima en ausencia de sustratos puede resultar de una deficiencia de interacciones complementarias dentro de la cavidad que se forma cuando los dos lóbulos se unen.

El cambio conformacional que sufre la hexoquinasa mantiene la estructura terciaria prácticamente igual excepto por un gran cambio en la orientación de los dos lóbulos. Para demostrar este cambio lo que se hizo fue superponer los carbonos alfa de cada lóbulo usando un procedimiento de mínimos cuadrados y tratando a los carbonos como cuerpos rígidos. Esta superposición mostró que cada lóbulo se comporta como un cuerpo rígido durante el cambio conformacional entre la forma nativa de la proteína y el complejo con la glucosa. 

Tal y como venimos viendo, la superficie accesible de la hexoquinasa se reduce cuando se une la glucosa para formar el complejo enzima-sustrato (ES) y se reduce aún más por el cambio a E’(inactiva)-S. Por lo tanto, se puede esperar que las fuerzas hidrofóbicas favorezcan la conformación activa en presencia de azúcar, asumiendo que todos los donantes y aceptores de enlaces de hidrógeno están satisfechos en E’-S. Sin embargo, el área superficial también se reduce cuando la conformación activa se forma en ausencia de azúcar (E’ – E). Sin embargo, debido a que hay menos de un factor de dos diferencias entre los cambios en la superficie accesible para las transiciones E-S → E’-S y E’-E, el efecto hidrofóbico no puede explicar la gran diferencia en las constantes de equilibrio conformacional K2 y K3 en presencia y ausencia de azúcar.

Otra cuestión que surge es por qué la enzima no permanece en el estado activo, E, en ausencia de ligandos sabiendo que el efecto hidrófobo, de manera individual, predice que la estructura E debería ser más estable. La respuesta a esta pregunta reside en que cuando la enzima carece de la presencia de la glucosa contiene una cavidad en la que entran las moléculas de agua y donde quedan encerradas. Además, tanto los puentes de hidrógeno como las fuerzas de Wan der Waals contribuyen muy poco a la estabilidad de la proteína y del complejo proteína-ligando. El hecho de no obtener estas interacciones complementarias dentro de la cavidad daría como resultado entalpías desfavorables causadas por la pérdida de los puentes de hidrógeno o fuerzas de Van der Waals en relación con los que se producen en la estructura abierta. También puede haber alguna pérdida de entropía traslacional al atrapar una pequeña cantidad de moléculas de agua en la cavidad.

Presuntamente, el agua misma desestabiliza la forma activa mediante la creación de interacciones favorables con la estructura abierta inactiva. Solamente el ligando correcto puede proporcionar las fuerzas de Van der Waals y los puentes de hidrógeno necesarios para que se active la estructura.

Con ello, concluimos que hay al menos dos posibles funciones para el cambio conformacional inducido por la glucosa: permitir un «mecanismo de acogida»  o proporcionar especificidad.

PAPEL BIOMÉDICO: HEXOKINASA II EN CÁNCER

El metabolismo de las células tumorales se caracteriza por una alta actividad glucolítica: metabolizan anaeróbicamente grandes cantidades de glucosa en ácido láctico, incluso en presencia de oxígeno, aumentando la velocidad de la glucólisis y de la síntesis de ATP. Esto es lo que se conoce como el efecto Warburg. Por tanto, la actividad de cualquier enzima glucolítica como la HK será esencial en un tumor. 

La Hexokinasa II aparece sobreexpresada en células tumorales, satisfaciendo estas altas velocidades de la glucólisis. La introducción de la glucosa en el metabolismo glucolítico es crucial para la producción de energía, y la síntesis de precursores de nucleótidos (derivados de glucosa) por la vía de las pentosas fosfato, destinados a la síntesis de ADN para la proliferación del tumor.

La regulación por AKT de la HKII es el factor determinante para que esta isoforma sea la esencial en el metabolismo tumoral, puesto que controla la unión de esta a la mitocondria, y con ello, fija la función de la HK, que varía en función de si aparece unida a la mitocondria o no. 

Con el objetivo de crecimiento del tumor, y cuando hay disponibilidad de nutrientes, AKT une la HKII a la mitocondria (fosforilando su residuo Thr-473), conectándola con VDAC. Esto le permite a la enzima tener un acceso privilegiado al ATP que sintetiza la mitocondria, y  la célula sigue un metabolismo de proliferación y de producción de energía, mediante la glucólisis. 

La HK II mitocondrial, además, lleva a cabo una función protectora en tumores con acceso a  nutrientes, promoviendo la supervivencia celular: inhibe a los miembros pro-apoptóticos de la familia Bcl2, e introduce la G6P en la ruta de las pentosas fosfato, cuyos productos son antioxidantes que reducen las ROS (especies reactivas de oxígeno). 

Sin embargo, en una situación de isquemia, en la que no llegan suficientes nutrientes y oxígeno a la célula, disminuye la actividad de AKT y HKII mitocondrial, aumentando la HKII citoplásmica. Entonces, esta isoforma se une a mTORC (mediante el motivo TOS), inhibiéndola, e induciendo la vía autofágica, y la conservación de energía y homeostasis en ausencia de glucosa, pensando en el “bien mayor” del tumor.

Esta regulación por AKT posibilita esta compleja acción de la HKII, que puede ser proapoptótica (HKII citoplásmica) o antiapoptótica (HKII mitocondrial), según la disponibilidad de recursos. Sin embargo, AKT no regula la HKI, ya que esta no presenta una secuencia de consenso para esta enzima, y por ello, esta isoenzima no se encuentra prevalentemente en tumores. Además, la HKI no puede satisfacer la alta demanda energética, al perder la actividad catalítica en el extremo N-terminal.

Según todas las vías beneficiosas para el tumor mencionadas anteriormente en las que participa la HKII, la eliminación de esta isoforma perjudicaría a la progresión del tumor, por lo tanto, es un frente esperanzador en terapias oncogénicas. Lo ideal sería encontrar un modo de inhibir únicamente esta isoforma, pero es difícil puesto que todas ellas son bastante similares.

La inhibición de la HKII en células cancerosas puede darse por p53, o por un sustrato análogo a la glucosa, la 2-desoxiglucosa, que favorece la apoptosis. Una combinación de estos dos factores podría ser favorecedora. Otro posible campo a investigar sería la inhibición de la HKII por fosfato inorgánico, que sensibiliza la inhibición por G6P en esta, pero la antagoniza en HKI. Incluso, una alternativa más podría ser el uso de determinados péptidos que desplazaran la HKII de la mitocondria. Este desplazamiento parece producir un aumento de la concentración de Ca2+ citosólica, lo que abriría poros en la membrana mitocondrial e induciría a la célula a apoptosis.

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Por Rafael López Rodríguez y Elena Mozos Ruiz. Biología sanitaria, UAH

INTRODUCCIÓN 

El ántrax es una enfermedad bacteriana causada por la Bacillus anthracis que afecta principalmente a los herbívoros, siendo humanos y carnívoros huéspedes accidentales. La bacteria produce tres proteínas, el antígeno protector (PA), el factor letal (LF) y el factor de edema (EF) Aunque rara vez aparece en humanos, sí que se dan casos de ántrax en algunos países no industrializados y últimamente se ha convertido en un peligro ya que puede ser utilizado como arma biológica.

ESTRUCTURA

La enfermedad del ántrax es causada por la Bacillus anthracis, una bacteria gram positiva, aerobia y con cápsula. Dicha bacteria tiene la capacidad de formar esporas muy resistentes cuando hay una falta de nutrientes, las cuales pueden sobrevivir durante décadas. Una vez expuesta de nuevo a un ambiente rico en nutrientes, como la sangre de un animal, recuperan su forma activa

La enfermedad realmente será causada por las toxinas producidas por la Bacillus anthracis, así como algunas características de su cápsula

Cápsula: 

La cápsula del B.anthracis está constituida por un polímero de poli-D-glutamato. No es tóxica, pero sí protege frente al sistema inmunitario del hospedador, ya que confiere resistencia contra la fagocitosis

Toxinas: 

Individualmente ninguna de estas tres proteínas es tóxica, su toxicidad se debe a la expresión y secreción de dos toxinas. Una mezcla de antígeno protector y factor edema forma la toxina edemática (EdTx), que provoca edema. Una mezcla de antígeno protector y factor letal forma la toxina letal (LeTx), que causa la muerte 

Esta toxina está formada por 3 componentes: el factor edema, factor letal y el antígeno protector 

El factor edema (EF) 

Es una adenilil ciclasa que utiliza el calcio como cofactor. El factor edema es activado cuando entra en la célula y se vincula a la calmodulina, una proteína muy común en nuestras células. Entonces, transforma el ATP a AMP cíclico, consumiendo ATP en el proceso. El AMPc interviene en la recepción de señales por parte de la célula, actuando como segundo mensajero dentro de ella. El EF provoca un gran aumento de AMPc intracelular y destruye el balance mantenido por las hormonas. Esto causa la aparición de un edema.

El factor letal (LF) 

Es una proteasa (rompe enlaces peptídicos) que utiliza el zinc como cofactor y que es altamente específica. Esta realiza un corte en la región amino-terminal de una familia de proteínas quinasas activadas por mitógeno (MAPKK). De esta forma, el LF inactiva diferentes mecanismos de señalización celular

Esta proteína tiene 4 dominios: el dominio I participa en la unión a antígeno protector y el dominio II interviene en el reconocimiento y unión al sustrato. El dominio III está incluido dentro del dominio II, aunque su estructura consiste en una duplicación del dominio II. Y el dominio IV contiene el centro catalítico. Esta estructura revela una proteína que ha evolucionado por un proceso de duplicación, mutación y fusión de genes, dando lugar a una enzima con una actividad muy específica

El antígeno protector (PA) 

Es una proteína compuesta principalmente por láminas beta antiparalelas y que está formada por 4 dominios. El dominio I amino-terminal contiene la región de corte para la activación de proteasas, así como 2 iones de calcio. El dominio II, por otro lado, está implicado en la inserción a la membrana. El dominio III es pequeño y se desconoce su función. Por último, el dominio IV carboxilo-terminal, es el que participa en la unión al receptor. El antígeno protector forma un heptámero tras la eliminación de un fragmento amino-terminal del dominio I, esta estructura se inserta en la membrana y permite pasar al citosol a los factores tóxicos del ántrax.

MECANISMO DE ACCIÓN

El proceso es el siguiente. El antígeno protector es el mecanismo de unión a la célula. La bacteria lo secreta como una sola cadena, que llega hasta la membrana plasmática de una célula. Entonces, se une por lo menos a dos receptores de superficie celular distintos, y es cortado por una proteasa.

A continuación, se une a otras 6 copias de la proteína, formando un heptámero, que dará lugar a un poro. Y a este se unen EF y LF, ya que al separarse el fragmento amino-terminal, queda expuesto en PA un lugar de unión al cual se unen competitivamente EF y LF con alta afinidad. El complejo proteico formado ingresa a la célula por endocitosis mediada por receptor.

PA comienza a formar canales que producen la traslocación de EF y LF dentro del citosol, donde ejercen sus efectos tóxicos. 

PATOGÉNESIS

Las personas se infectan con ántrax cuando las esporas ingresan a su organismo. Cuando las estas entran, pueden activarse, distribuyéndose por el individuo y produciendo toxinas. Esto puede ocurrir cuando una persona las respira, bebe agua o ingiere alimentos que están contaminados con ellas. Dichas esporas también pueden penetrar en el organismo a través de heridas o rasguños en la piel. 

En el ser humano, el ántrax puede manifestarse de 3 formas distintas:

ÁNTRAX CUTÁNEO: 

Es la forma más común de infección por ántrax y se considera también la forma menos peligrosa. En él, las esporas penetran la piel a través de una herida o rasguño. Sin embargo, también puede ocurrir al entrar en contacto con animales infectados o productos de origen animal contaminados.

La infección se desarrolla generalmente entre 1 y 7 días después de la exposición. Los síntomas incluyen la aparición de pequeñas ampollas o la aparición de un forúnculo cutáneo (úlcera) con un centro negro. Sin tratamiento, hasta el 20% de las personas con ántrax cutáneo corren riesgo de muerte. No obstante, con el tratamiento adecuado, prácticamente todos los pacientes con ántrax cutáneo sobreviven.

ÁNTRAX PULMONAR

Cuando una persona inhala esporas de ántrax, puede desarrollar ántrax pulmonar.  Este se inicia principalmente en los ganglios linfáticos en el pecho antes de distribuirse por el resto del cuerpo, lo que finalmente causa graves problemas respiratorios y posiblemente, la muerte

Sin tratamiento, sólo alrededor del 15% de los pacientes sobreviven. Sin embargo, con un tratamiento adecuado, aproximadamente el 55% de los pacientes sobreviven

ÁNTRAX GASTROINTESTINAL

Se da por el consumo de alimentos contaminados, mal cocinados o tratados. Las esporas de ántrax pueden afectar a la garganta y esófago, el estómago y los intestinos.

Sin tratamiento, más de la mitad de los pacientes con ántrax gastrointestinal mueren, pero la tasa de mortalidad se reduce hasta el 40% recibiendo tratamiento.

ÁNTRAX POR INYECCIÓN

Recientemente, se ha identificado otro tipo de ántrax en consumidores de heroína en el norte de Europa: el ántrax por inyección. Los síntomas pueden ser similares a los del ántrax cutáneo, pero el ántrax por inyección puede distribuirse por el organismo con mayor rapidez y es más difícil de reconocer y tratar que el ántrax cutáneo

ÁNTRAX COMO ARMA TERRORISTA

El ántrax es una toxina que tiene un gran potencial para ser utilizada como arma bioterrorista o en una guerra biológica. Esto es debido a que sus esporas poseen una gran resistencia a la temperatura, presión, pH y radiación ionizante además de poder sobrevivir un gran número de años en el agua y en la superficie. 

El ántrax es utilizado como arma principalmente mediante el uso de aerosoles, provocando infección por ántrax pulmonar. Este tipo de la enfermedad es el más letal, al principio se manifiesta de forma parecida a una gripe, por lo que es difícil de diagnosticar, para cuando se reconoce la enfermedad suele ser demasiado tarde, pues normalmente la infección ya es sistémica, se produce un choque séptico y posteriormente la muerte.

Es considerada como el arma biológica más letal por la facilidad para producir y preservar sus esporas, a diferencia de otros agentes biológicos, que junto con su capacidad para contagiar y la resistencia de sus esporas previamente mencionada, la convierten en una amenaza terrorífica para toda la población. 

En 2001 se produjo en Estados Unidos un ataque bioterrorista, esporas del ántrax fueron distribuidas mediante el servicio postal de forma intencionada, 22 personas fueron contagiadas produciendo 5 muertes. Este suceso cambió la forma en la que el sistema respondería ante una amenaza así, aumentando el dinero destinado a mejorar la capacidad de afrontar un ataque de este tipo

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Redactado por Alba Cerrato Benítez, Laura Blanco García y María Ayala Molina. GRADO EN BIOLOGÍA SANITARIA, UAH

La isocitrato deshidrogenasa (IDH) es una enzima muy relacionada con el metabolismo de los carbohidratos. Esta enzima participa en la tercera reacción del ciclo de Krebs, catalizando el proceso de transformación del isocitrato en 2-oxoglutarato. Es la primera reacción de oxidación-reducción del ciclo en la que obtenemos poder reductor en forma de NADH. Esto hace que sea una importante proteína cuyas funciones explicaremos en el desarrollo de este trabajo.

La razón por la que escogimos esta enzima es por su importante papel en las dianas terapéuticas y en el desarrollo del cáncer. Recientes investigaciones han demostrado que la presencia de mutaciones en dos genes, IDH1 e IDH2 , se dan en los gliomas más comunes. Además, aunque no está muy claro si estas mutaciones están relacionadas con la esperanza de vida del paciente, existen estudios que apuntan a que las personas con estas alteraciones sobreviven durante más tiempo.

El estudio de este oncometabolito nos puede proporcionar información acerca del metabolismo de las células cancerosas y nos puede ayudar a descubrir nuevas líneas de investigación para el desarrollo de terapias contra el cáncer.

ESTRUCTURA

Actualmente, existen muchas isocitrato deshidrogenasas secuenciadas, sin embargo, el número de ellas con una estructura tridimensional resuelta está reducido. Concretando, solo encontramos las de los organismos Escherichia coli y Bacillus subtilis. Estas enzimas (IDH) catalizan la descarboxilación oxidativa del D-isocitrato, produciendo 2-oxoglutarato y CO2. Para ello es necesario NAD+ o NADP+ como coenzima y se produce NADH  o NADPH, respectivamente. 

Según su dependencia por la coenzima, podemos distinguir tres tipos fundamentales de IDH: 

• IDH NAD+ – dependientes: necesitan como coenzima al NAD+ para catalizar la reacción. Aparece fundamentalmente en las mitocondrias de organismos del Dominio Eucarya. También hay organismos del Dominio Bacteria. 

• IDH deshidrogenasas NADP+ -dependientes: requieren como coenzima al NADP+ para catalizar la reacción. Las encontramos en organismos de los tres Dominios: Eucarya, Bacteria y Archaea. 

• IDH con especificidad dual: utilizan tanto el NAD+ como el NADP+ como coenzima. Este tipo es el único que aparece en arqueas termófilos y en algunas bacterias.

En los seres humanos, existen tres isoformas de esta enzima:

• IDH3 dependiente de NAD+, cataliza uno de los pasos del ciclo de Krebs en la mitocondria. Es necesaria para la respiración celular.
• IDH1 y IDH2 son dependientes de NADP+, y por lo tanto aportan poder reductor a la célula en forma de NADPH. Se localizan en el citosol, y también en la mitocondria y el peroxisoma.

En el desarrollo de este trabajo nos centraremos en la estructura de la IDH1. 

La IDH1 es una proteína α/β, es decir, la estructura de esta proteína está constituida por la alternancia de láminas beta y hélices alfa, cuyo núcleo es hidrófobo. Puede formar un dímero de dos subunidades iguales o un tetrámero formado por dos dímeros, este último parece ser la forma funcional de la proteína. 

Podemos distinguir en cada subunidad 3 dominios: dominio grande, dominio pequeño y dominio “broche”. La dimerización y tetramerización que hemos mencionado anteriormente está mediada por interacciones a nivel de los dominios “broche” y de los dominios pequeños. 

Encontramos una lámina β que une los dominios grande y pequeño, y que además a ambos lados presenta dos surcos de naturaleza hidrofílica. En el surco formado por los dominios grande y pequeño de una subunidad y por el dominio pequeño de la subunidad adyacente encontramos el centro activo. Existen 2 sitios activos por cada dímero proteico.

PAPEL BIOLÓGICO

Las isocitrato deshidrogenasas son una familia de enzimas que catalizan la reacción de descarboxilación oxidativa de isocitrato en α-cetoglutarato (o 2-oxoglutarato) en el ciclo de Krebs. La regulación de la actividad enzimática de la isocitrato deshidrogenasa es muy importante para llevar a cabo las funciones biológicas. Estas enzimas tienen dos cofactores distintos: NAD⁺ y NADP⁺. En el caso de la IDH1, isoenzima en la que nos hemos centrado, el cofactor es el NADP⁺ (que utiliza como aceptor de electrones) y se encuentra principalmente en el citoplasma. Por lo tanto, otra de sus funciones será reducir NADP⁺ a NADPH. En el proceso de esta reacción se libera uno de los átomos de carbono del reactivo en forma de dióxido de carbono (CO₂) y dos átomos de hidrógeno, uno de los cuales se transfiere al transportador (NADP⁺), que lo utilizará para impulsar la rotación de la ATP sintetasa. La reacción que la enzima lleva a cabo en el ciclo de Krebs cuenta con un intermedio de reacción que es el oxalosuccinato.

Además del papel catabólico que tiene la enzima en el ciclo de Krebs, se ha demostrado que tienen una función importante en la defensa de la célula contra el daño oxidativo a través de la generación de NADPH. Asimismo, la IDH citosólica contiene una secuencia de direccionamiento peroxisomal de tipo 1 que se encarga de dirigir diferentes proteínas hacia los peroxisomas. También se han encontrado isocitrato deshidrogenasas citosólicas (IDH1) en peroxisomas de levaduras y de células hepáticas humanas y de rata y se ha podido demostrar que son necesarias para la β-oxidación de ácidos grasos insaturados. Su función en la β-oxidación es provisionar con NADPH a los peroxisomas.

En algunas células bacterianas solo existe un tipo de isocitrato deshidrogenasa (IDH) dependiente de NADP⁺, cuyas funciones y estructuras también han sido estudiadas. En el caso de estos organismos, la enzima actúa en un punto muy importante entre el ciclo de Krebs y el ciclo de glioxilato. Mediante la regulación de su actividad, se puede regular la cantidad de sustrato de las dos reacciones. La fosforilación de un aminoácido de Serina (Ser) que se sitúa en el sitio de unión al que se une el ion isocitrato-metal, la actividad de la IDH de las bacterias es regulada. Sin embargo, el mecanismo regulador que controla la IDH1 en mamíferos no está claro. Aunque las enzimas en mamíferos y en bacterias se parecen, tan solo comparten el 20% de similitud en su secuencia. Sin embargo, la secuencia de la IDH en mamíferos tiene una Serina en la posición equivalente a la que poseen las bacterias en su secuencia. Esto sugiere que las IDH1 de mamíferos también puedan tener un sitio de unión que pueda ser fosforilado.

MECANISMO DE ACCIÓN

Las diferentes conformaciones que adopta el complejo enzimático provocan cambios en la
estructura del centro activo. Podemos observar:

• Conformación abierta (inactiva): Si no hay isocitrato, el surco del centro activo está abierto y
  el surco posterior cerrado. La interacción entre el Asp279 del dominio pequeño con la Ser94
  del dominio grande estabiliza la estructura y, además, en la zona donde se encuentra el
  Asp279 encontramos una estructura extendida. Esa interacción impide la unión del isocitrato.
• Conformación cerrada (activa): Si la concentración del isocitrato y del catión divalente llega a un cierto nivel, se une al centro activo. Rompiendo la interacción (puentes de hidrógeno) entre el Asp279 y Ser94, produciéndose la expulsión del Asp279 y la interacción con el Ca²⁺. La estructura extendida que se encontraba en la zona donde se encontraba, adopta una
  estructura en hélice α. Esto permite la entrada del isocitrato. Se cierra el centro activo y se
  abre el surco posterior.

Este cambio conformacional que se produce entre la forma activa e inactiva se debe a un movimiento de bisagra de las láminas β que se encuentra entre el dominio «broche» y el dominio pequeño.

IMPORTANCIA BIOMÉDICA: UNA ESPERANZA PARA EL CÁNCER

Los gliomas  son  los  tumores  primarios  más  comunes  del  sistema  nervioso  central, por lo que afectan a las funciones del corazón y la médula espinal.  Según la Organización Mundial de la Salud, los gliomas se clasifican de I a IV según su grado de malignidad. Recientemente, se ha descubierto una posible relación de la aparición de los mismos con las mutaciones en el exón 4 de los genes que codifican las isocitratos deshidrogenasas 1 y 2. En el caso de la isocitrato deshidrogenasa 1, con los gliomas de grado II-III o la leucemia mieloide aguda entre otros.

El gen IDH1 se encuentra localizado en 2q33.3 y su ARNm contiene 10 exones para codificar la isocitrato deshidrogenasa 1 (414 aminoácidos). En relación con las mutaciones, nos interesa especialmente el residuo 132 de la proteína, correspondiente a una arginina altamente conservada en todas las isoformas de la enzima, que va a sufrir cambios a distintos aminoácidos.

Cambio de aminoácido	N (%)
R132H	92,7
R132C	3,6
R132S	1,8
R132G	0,9
R132L	0,5
R132V	0,5

Como hemos observado, la mutación más frecuente es la que cambia una arginina por una histidina (R132H). Pero, ¿Qué consecuencias lleva asociadas dicha mutación? ¿Tanta importancia tiene el cambio de un único aminoácido?

Como se ha mencionado con anterioridad, la isocitrato deshidrogenasa salvaje (no mutante), está involucrada en la descarboxilación oxidativa del isocitrato a 2-oxoglutarato y dióxido de carbono con la reducción de NADP⁺ a NADPH. El NADPH obtenido se utiliza para la producción de glutatión reducido, un tripéptido encargado de neutralizar los radicales libres, toxinas y oxidantes que se generan en las células, favoreciendo la supervivencia celular y la anti-apoptosis.

Sin embargo, lo que ocurre al cambiar un aminoácido (arginina) del sitio activo de la enzima por otro (histidina) es que la enzima pierde su capacidad de catalizar la conversión de isocitrato a 2-oxoglutarato. En su lugar, la enzima adquiere la capacidad de catalizar la reducción dependiente del NADPH del 2-oxoglutarato a 2-hidroxiglutarato. Una de las consecuencias de la producción excesiva del oncometabolito, 2-hidroxiglutarato, es la formación e incremento de la malignidad de gliomas.

Además, el 2-hidroxiglutarato, al ser tan parecido en estructura al 2-oxoglutarato, funciona como un inhibidor de las enzimas dependientes de 2-oxoglutarato. Estas enzimas tienen un papel muy importante en el mantenimiento del equilibrio de las histonas y la metilación del ADN por lo que, un exceso de 2-hidroxiglutarato podría causar la hipermetilación de histonas y ADN y el bloqueo de la diferenciación celular.

Diversos estudios indican que la probabilidad de que un paciente que presenta dicha mutación se recupere, es mayor que la de un paciente que no la presenta en el caso de gliomas de bajo grado. Para el resto de gliomas, la situación varía: en algunas ocasiones resulta en un valor de pronóstico desfavorable y, en otras, aún no se ha encontrado relación. Además, ha resultado ser una herramienta útil para diferenciar los gliomas de otras lesiones benignas y diferenciar entre gliomas primarios y secundarios.

Estos descubrimientos han abierto un nuevo campo de investigación e innovación farmacológica: la búsqueda de inhibidores de las IDH mutantes.

REFERENCIAS / BIBLIOGRAFÍA

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Por Mar Ramos Pinel y Jorge Vázquez Rodríguez. Grado en Biología Sanitaria, UAH.

INTRODUCCIÓN

La apoptosis es una vía biológica de destrucción o también denominada muerte celular programada que no provoca daño a otras células del tejido ni deja restos celulares, evitando así la inflamación u otros efectos adversos. A su vez, está desencadenada por señales celulares controladas genéticamente. Es necesaria para el mantenimiento de la homeostasis, integridad y desarrollo de los tejidos.

Este proceso tan necesario para nuestro desarrollo que paradójicamente implica muerte celular está regulado en parte por las caspasas, proteínas del tipo enzimático pertenecientes al grupo de las proteasas cisteína-dependientes y aspartato-específicas, de donde proviene su nombre: cisteinil-aspartato proteasas.

Su función no solo se limita a la apoptosis sino que también están implicadas en otras funciones celulares.

ESTRUCTURA

Las caspasas se sintetizan en un primer momento como proenzimas inactivas (pro-caspasas) o zimógenos, por lo que necesitan un cambio bioquímico en su estructura para activarse. Están formadas principalmente por 3 partes: un prodominio en el extremo N terminal, una subunidad grande p20 con cisteína en el centro activo y una subunidad pequeña C-terminal p10.

Las caspasas que tienen un requerimiento absoluto de cortar después de un residuo de ácido aspártico se activan gracias a la participación de caspasas iniciadoras. El prodominio y la subunidad grande están separados por un lugar de corte con ácido aspártico, y la subunidad grande está separada de la pequeña por uno o dos motivos de este tipo. Tras separarse el prodominio de la subunidad grande, p20 y p10 se organizan en un heterodímero que pueden interaccionar. Es la asociación de dos heterodímeros, que interaccionan mayoritariamente mediante sus regiones p10, la que forma el tetrámero proteolítico donde las unidades grandes (p20) encierran las pequeñas (p10).

Estructura de la pro-caspasa 7 con las láminas beta en el interior resaltadas, rodeadas de hélices alfa y heterodímeros separados en colores.    Construido a partir de PDB(1k88).

El prodominio de las caspasas iniciadoras que es mayor que el de las efectoras, a su vez, está divido en dos sub-dominios: el dominio efector de muerte (DED) y el dominio de reclutamiento y activación de caspasas (CARD). Este último está formado por 6-7 α-hélices anfipáticas antiparalelas que interactúan con otras proteínas mediante interacciones electrostáticas o hidrofóbicas.

Cada caspasa tiene dos sitios activos que funcionan generalmente de forma independiente, integrados por dominios de ambas subunidades p10 y p20. El centro activo consiste en 4 lazos superficiales (L1, L2, L3 y L4) del mismo monómero. L1 y L4 se encuentran a ambos lados del surco de unión al sustrato y L3 forma la base. L2 se encuentra sobre el surco y contiene el residuo catalítico de cisteína. El centro activo se divide en 4 subsitios, S1, S2, S3 y S4 y reconoce una secuencia corta del sustrato y la unión del sustrato a la caspasa está estabilizada por puentes de hidrógeno. El sitio de unión S4 determina la especificidad de unión con el sustrato, por lo que la geometría y química de este subsitio varía entre las distintas familias de las caspasas.

Características estructurales de las caspasas. Comparación de los lazos del centro activo que conservan su estructura entre los distintos tipos de caspasas y asociación de los dos heterodímeros, interaccionando mayoritariamente por sus regiones p10. Imagen obtenida en https://doi.org/10.1016/s1097-2765(02)00482-3.

Estructura de la caspasa 7 con sus dos heterodímeros representados en distintos colores  y ubicación de los dos centros activos gracias a dos  proteínas coloreadas en amarillo y verde. Construida a partir de PDB(1f1j).

TIPOS

Las caspasas se engloban en una misma familia genética pudiendo encontrar unos 14 tipos en mamíferos. Esta se divide en subfamilias que se categorizan atendiendo a aspectos relacionados con la posición de sus pro-dominios y funciones biológicas. Las tres subfamilias conocidas son:

• Caspasas inflamatorias o del grupo 1: donde encontramos las caspasas 1, 4, 5, 11, 12, 13 y 14 que se caracterizan por  tener grandes pro-dominios  y un papel fundamental en la maduración de citoquinas y en la piroptosis, una forma de muerte celular lítica programada altamente inflamatoria que ocurre ante la infección por parte de un patógeno intracelular.
• Caspasas iniciadoras de la apoptosis o del grupo II: tienen en común con el grupo anterior un pro-dominio largo (más de 90 aminoácidos); sin embargo, en él se halla un dominio DED (dominio efector de muerte) en las caspasas  8 y 10, que tras su incorporación a la vía inducen autocatálisis en la propia enzima, pasando así de una procaspasa a una caspasa efectora que activa a la caspasa 9 para provocar así la apoptosis. Por otra parte, en las caspasas 2 y 9 encontramos un dominio CARD (dominio de reclutamiento y activación de caspasas) permitiéndole interactuar con otras moléculas reguladoras de su activación que responden a estímulos, cuya consecuencia es el agrupamiento de las caspasas iniciadoras, permitiendo autoactivarse. En todas las caspasas iniciadoras la enzima madura es un heterotetrámero que contiene dos heterodímeros p20/p10 y dos centros activos.
• Caspasas efectoras o del grupo III: que a diferencia de las otras caspasas tienen pro-dominios cortos (de 20-30 aminoácidos). En este grupo encontramos las caspasas 3, 6 y 7 cuya función es la proteólisis masiva al procesar sustratos proteicos que actúan en distintas vías de apoptosis.

Estructura de dominios y clasificación funcional de las caspasas de mamíferos placentarios. Imagen obtenida en https://doi.org/10.1038/cdd.2014.216.

Si en vez de en aspectos funcionales o estructurales nos centramos en su filogenética las caspasas se dividen en un grupo inflamatorio o apoptótico, siendo la característica que une a ambos la similitud en cuanto a la especificidad de sustrato.

PAPEL BIOLÓGICO Y FUNCIÓN

Como ya se ha mencionado, la labor de las caspasas no se reduce a intervenir en las vías apoptóticas cuyos blancos intracelulares específicos son, entre otros, proteínas del citoesqueleto y de los filamentos intermedios de la lámina nuclear, sino que cumplen otras funciones que pueden ser proteolíticas o no.

Dentro de las funciones que implican proteolisis, las caspasas tienen un papel fundamental en el procesamiento proteolítico de enzimas gracias a procesamientos postraduccionales de las pro-caspasas o de sus blancos proteolíticos, y a la regulación de proteínas efectoras, actuando sobre factores de transcripción, citoquinas y quinasas.

Asimismo, las caspasas se encargan de que las células proliferen, pues sí, no solo conducen a las células a que entren en estados apoptóticos ya que se implican en la función de la proliferación celular desde distintos puntos: la caspasa-8 está especialmente relacionada con la proliferación de linfocitos y otras células del sistema inmune, y la caspasa-3 desempeña una labor relevante en la regulación del ciclo celular ya que es capaz de procesar a p27, un inhibidor de las CDK (quinasa dependiente de ciclinas), inactivándolo y, por tanto, contribuyendo a la progresión de la inducción del ciclo celular.

Por otra parte, encontramos una función inmune al colaborar en la maduración de las interleuquinas, proteínas mediadoras que participan en el procesamiento de factores relacionados con la respuesta inflamatoria como en el caso de la pro-Interleucina-1β procesada por la caspasa-1 para formar la interleucina-1β madura.

Y por último, se encuentra su participación en el progreso de la diferenciación celular, especialmente en células que se hallan en estados post-mitóticos que han podido llegar hasta ahí a través de apoptosis incompletas. Cabe mencionar la labor de la caspasa-3, pues es crítica en la diferenciación de miocitos; y de otras caspasas claves en la diferenciación de eritrocitos.

REGULACIÓN Y MECANISMO

Debido a que la activación de las caspasas ha de ser rápida, su regulación se produce a nivel postraduccional ya que primeramente son sintetizadas como zimógenos. Su activación comienza con la dimerización, seguida por una escisión intracatenaria mediada por las caspasas iniciadoras. Finalmente obtenemos la caspasa madura (heterotetrámero) con dos centros activos. Cabe mencionar que las caspasas efectoras son activadas proteolíticamente por otras caspasas, mientras que las iniciadoras lo hacen gracias a interacciones proteína-proteína de las que se conocen tres mecanismos de activación:

• Activación por otra caspasa: se basa en lo explicado con anterioridad y el punto de corte con ácido aspártico. La activación de la pro-caspasa se realiza por acción de otra previamente activada provocando una cascada de caspasas  útil para amplificar las señales pro-apoptóticas.
• Activación inducida por proximidad: La cascada de caspasas puede ser activada por la granzima B liberada por los linfocitos T citotóxicos que hace que se agreguen ligandos a receptores de muerte celular como Fas o TNF creando complejos. Gracias a proteínas adaptadoras de estos complejos varias moléculas de procaspasa-8 y 10 se agregan haciendo que se corten mutuamente y se activen unas a otras ya que las procaspasas poseen una baja e intrínseca aunque suficiente actividad proteasa. Estas caspasas iniciadoras activan a las caspasas efectoras 3 y 7 en células infectadas por virus.
• Asociación con una subunidad reguladora: Al contrario que en otras caspasas, el procesamiento proteolítico de la procaspasa-9 tiene un efecto mínimo en su activación, es por ello que necesita asociarse con un cofactor de proteínas, Apaf-1. Para ello, se necesita el citocromo c liberado por la mitocondria. El citocromo c y Apaf-1 se asocian en un proceso dependiente de ATP. Esta asociación recluta procaspasas-9 formando el apoptosoma que deriva en la caspasa 9 activa que inicia la cascada que activa las caspasas efectoras 3 y 7 que activan una enzima desoxirribonucleasa fragmentando el DNA.

Una vez que se activa la cascada, la célula inevitablemente sufrirá apoptosis debido a los procesos de retroalimentación positiva que la siguen.

Cambio en la forma de la procaspasa 7 debido a su activación, lo que forma la conformación adecuada del centro activo gracias al ensamblaje de la cisteína (amarillo), dos argininas y un glutamato (azul), que reconocen el aspartato de la proteína que escinden. Imagen obtenida a partir de PDB101 https://pdb101.rcsb.org/motm/56.

Representación esquemática de las vías apoptóticas conocidas, en las que intervienen las caspasas apicales. Imagen obtenida en https://doi.org/10.1016/s0301-4622(02)00151-5

IMPLICACIONES BIOMÉDICAS

Una vez vista la importancia de las caspasas en la regulación en la muerte celular es lógico pensar que ante alteraciones o mutaciones en esta, se pueden desencadenar algunos procesos patológicos:

• Alzheimer: en estudios de cerebros de pacientes con alzheimer se ha observado un incremento de ARNm  de múltiples caspasas, en concreto, de la caspasa 2 que podría ser un punto clave en los tratamientos para el alzheimer. También tienen implicaciones en tratamientos contra enfermedades neurodegenerativas ya que durante la isquemia, las caspasas activadas desmantelan la célula por lo que se están estudiando estrategias que inhiben la actividad de la caspasa para bloquear la muerte celular en modelos experimentales de isquemia leve y preservar la función neurológica. Es por ello que ahora se reconocen como nuevos objetivos terapéuticos para enfermedades del sistema nervioso central en las que la muerte celular es prominente.

• Obesidad: en la obesidad el aumento de tamaño lleva a la apoptosis de determinadas células, en la que están implicadas las caspasas, provocando así algunos factores inflamatorios dañando el hígado y llevando a la muerte de las células hepáticas.

• Cáncer: esta enfermedad puede deberse a varias causas, como mutaciones de genes que codifican las caspasas, por ejemplo. Por tanto si dichos genes no son capaces de producir caspasas, la apoptosis no tendrá lugar, produciéndose así un acúmulo de células que derivará en un tumor. A su vez, las caspasas son de gran importancia en tratamientos contra el cáncer ya que muchas terapias inducen la apoptosis para eliminar la célula cancerosa gracias a las caspasas y hay otras terapias que activan específicamente caspasas individuales utilizando enfoques de terapia génica y moléculas pequeñas que reprimen los inhibidores naturales de caspasas ya presentes en la célula.

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Elaborado por Candela Martínez, María Orenes y Almudena López

INTRODUCCIÓN

La APP, proteína precursora del péptido beta-amiloide (Amyloid-beta Precursor Protein por sus siglas en inglés), es una glucoproteína transmembrana conservada evolutivamente desde Caenorhabditis elegans hasta los humanos.

En humanos, el gen está localizado en el cromosoma 21 (curiosamente, el cromosoma del síndrome de Down, hecho muy importante, como veremos más adelante) y formada por 770 aminoácidos repartidos en diferentes dominios proteicos. Se encuentra en diversos tejidos destacando el nervioso, pues se piensa que participa en la neurogénesis y maduración del cerebro, plasticidad, formación y reparación sináptica, además del transporte del hierro. 

Es procesada por diferentes proteasas, las: α, β y γ. Los fallos en los cortes de sus dominios son los causantes de la formación de placas amiloides, que principalmente consisten en el cúmulo de beta-amiloide en el tejido cerebral, causando degeneración neuronal o más comúnmente llamado, enfermedad de Alzheimer (Cho et al., 2022).

ESTRUCTURA

Tenemos que la APP es una proteína dividida en tres dominios, unidos por conectores flexibles formados por cadenas de aminoácidos sin estructura secundaria. Un dominio extracelular, otro transmembrana (el más importante en la formación de la enfermedad) y otro dominio hacia el medio intracelular.  Estos dos últimos dominios forman un fragmento denominado C99 cuya fragmentación es decisiva en la generación de placas amiloides.

Cuando la proteína está intacta, actúa como proteína receptora enviando señales a otras proteínas del interior celular, además, es capaz de unirse a estructuras del exterior de la célula como la heparina y laminina, permitiendo la adhesión celular. 

Por otro lado, la división en fragmentos de la misma también hace que sea funcional; división que se lleva a cabo por unas proteínas proteasas denominadas secretasas, que cortan a ambos lados del péptido transmembrana. Por un lado los dominios externos, de mayor tamaño, son liberados fuera de la célula ayudando a controlar el crecimiento de las neuronas, y por el otro, el dominio del interior celular se libera a este, ayudando a la síntesis de proteínas en el núcleo. 

Y por último, el dominio transmembrana, el cual es el causante de la demencia, pues cuando se suelta de la membrana se introduce en la célula pudiendo cambiar su conformación a beta-lámina, y por acumulación de la misma se generan las placas amiloides. (Burley et al., 2017)

• Dominio más externo: PROTEÍNA DE UNIÓN A AZÚCAR:

  • Es también llamado dominio N-terminal de la APP o estructura cristalina del dominio similar al factor de crecimiento N-terminal de la proteína precursora de Alzheimer. 
  • Esta es la estructura cristalina del dominio de unión a heparina. Entre sus funciones se encuentra la estimulación del crecimiento de neuritas. 
  • Se trata de una estructura muy cargada con capacidad de interaccionar con glucosaminoglicanos, mientras que su parte hidrófoba se estima que tiene función de dimerización o unión de ligandos. 
  • Dada la semejanzas estructurales entre la proteína y los factores de crecimiento que contienen cisteína se cree que este dominio N-terminal es capaz de llevar a cabo una función similar a uno de estos. 

• Dominio intermedio: DOMINIO DE UNIÓN AL COBRE- REGULADOR DE LA HOMEOSTASIS NEURONAL DEL COBRE:

  • El cobre es uno de los principales generadores de radicales libres en nuestro cerebro, también conocido como estrés oxidativo. 
  • Nuestras células han desarrollado sistemas para transportar estos metales, causantes de las especies oxidantes. 
  • En el caso de esta proteína, se encarga de regular la homeostasis del cobre neuronal, pues la unión de la APP con el cobre disminuye la formación de beta amiloide. 
  • Esto se ha observado en ratones que sobreexpresan esta proteína, y que poseen menor cantidad de cobre en el cerebro. 

• Dominio más cercano a membrana: DOMINIO DE ADHESIÓN CELULAR:

  • Se trata de un dímero antiparalelo del dominio E2 de la proteína. 

  • Hay estudios que han demostrado que la APP puede formar dímeros, siendo este dominio uno de los contribuyentes a la formación de esto.
  • La estructura antiparalela se produce tras la dimerización de las dos subestructuras de E2 mediante la unión del N-terminal de un monómero con el C-terminal del segundo monómero. 
  • Se sugiere la idea de que la dimerización de esta viene inducida por la unión de heparina. (Lee S et al., 2011)

• Dominio transmembrana: PÉPTIDO BETA AMILOIDE. SIMILAR A UN DOMINIO DE FUSIÓN DE VIRUS:

  • En términos generales, los principales causantes de la enfermedad del Alzheimer son los péptidos beta amiloides (Aβ o Abeta) que proceden de la escisión proteolítica de la APP. 
  • Se ha visto que in vitro, Abeta puede sufrir cambios conformacionales, pasando de estructura soluble a láminas beta fibrilares, las cuales se agregan, siendo neurotóxicas. 
  • Algunos estudios han visto que se trata de una estructura formada por dos tramos helicoidales, unidos por un puente flexible, pero de los cuales no se conoce con precisión la longitud y posición. 
  • La similitud que presenta esta estructura junto con la secuencia del resto C-terminal con el dominio de unión de hemaglutinina de influenza muestra la posibilidad de su capacidad neurotóxica. (Crescenzi, Orlando et al., 2022)

Estructura de los diferentes dominios de la APP con diferenciación entre partes polares (azules) y apolares (rojas). Creada por María Orenes a partir de ChimeraX y BioRender.com

FUNCIÓN BIOLÓGICA

Las funciones biológicas de la APP no han sido identificadas del todo desde el descubrimiento de esta proteína, pero sigue siendo objeto de numerosas investigaciones. Aunque su rol en la enfermedad del Alzheimer es la más conocida, cumple muchas otras funciones relevantes además de la vía patogénica tales como: la neurogénesis (nacimiento de nuevas neuronas), la maduración del cerebro, el crecimiento de las neuronas, la plasticidad, y la formación y reparación sináptica, de ahí que sea tan abundante en el cerebro en relación con otras zonas del cuerpo. También la interacción célula a célula, la adhesión célula-sustrato, apoptosis, el metabolismo de calcio o la transducción de señales a través de la membrana. Todas ellas continúan aún bajo estudio. (Zhang et al., 2011).

Una de las isoformas de la APP, como es la APP659, está involucrada en la maduración del cerebro durante la embriogénesis. Además, se requiere en la formación de la sinapsis neuromuscular; ya que se localiza con receptores de la acetilcolina. La abundancia de la APP durante la  sinaptogénesis sugiere un papel funcional en la formación de la red neuronal y la participación en el crecimiento y restauración neuronal después de traumas cerebrales, ya que ayuda a la organización de las fibras neuronales. También interacciona con numerosas proteínas regulando el tráfico celular y el procesamiento de señales. 

Otra función neurotrófica atribuida a la APP es la propiedad ferroxidasa y de tráfico de hierro, por lo que puede que alguno de sus fragmentos se encuentren regulados por este metal, el cual actúa además en el metabolismo de la APP al regula la expresión de su ARNm. De igual manera actúa el cobre sobre la APP, sugiriendo que la APP participe en la homeostasis del cobre y sea junto con el hierro una posible diana terapéutica en el Alzheimer. (Nalivaeva NN & Turner AJ, 2013)

A continuación hablaremos con más profundidad  sobre algunas de sus funciones:

• Adhesión celular

Una de las funciones mencionada previamente es la de adhesión celular e interacción célula-célula, necesarias para diferentes etapas del neurodesarrollo, como la construcción de la red neuronal y madurez funcional de numerosas etapas complejas de migración de neuronas a la apropiada capa de la placa cortical y la acción conjunta de las CAM (moléculas de adhesión celular) y APP. Algunas CAM como las integrinas, se localizan en los conos de crecimiento y las dendritas neuronales, y la interacción con la APP proporciona la tracción necesaria para la generación de las espinas dendríticas y el cono de crecimiento (GC) en el axón, que detectará el entorno para la correcta formación de la sinapsis. (Sosa et al., 2017).

• Proteínas adaptadoras citoplasmáticas 

Para determinar las funciones de la APP es importante saber con qué proteínas interactúa. Se ha encontrado que la familia de proteínas FE65 de los conos de crecimiento y sinapsis interactúan con ella a través de su C-terminal citoplasmático, por eso estas proteínas adaptadoras han sugerido roles para la APP en la dinámica del cono de crecimiento, la migración neuronal y la señalización intracelular. Además, FE65 asociada con el dominio intracelular (AICD) de la APP puede afectar a la transcripción de genes, ya que APP AICD-FE65 se libera de la membrana y se dirige al núcleo donde puede alterar la transcripción de genes. (Hoe et al., 2008). Aunque todavía quedan muchas dudas sobre los efectos en el tráfico y procesamiento de este tipo de proteínas adaptadoras en la APP, existen estudios que analizan este tipo de cuestiones (Borg et al. 1996; Parisiadou y Efthimiopoulos 2007).

• Unión de ligandos

Los procesos funcionales de la APP sugieren que funcione como un receptor transmembrana de determinados ligandos que afectan a su procesamiento.  Exámenes recientes han demostrado que el principal factor genético de riesgo de la enfermedad del Alzheimer (EA) de inicio tardío es la apoliproteína E (ApoE) debido a las interacciones funcionales y estructurales con la APP, ya que estas asociaciones pueden afectar a la producción de la proteína beta amiloide (Aβ). En ausencia de la ApoE, la producción de Aβ, la secreción de APP y la estabilidad de los fragmentos de APP C-terminal se ven afectados. (Pietrzik et al., 2002)

La ApoE se encuentra mediada por una familia de receptores de lipoproteínas de baja densidad (LDLR) que se encuentran a su vez divididas en dos subgrupos. Actúan en la transducción de señales y la neurotransmisión, además, todos se encuentran dentro de las placas seniles y se han asociado genéticamente con la Enfermedad de Alzheimer.

La APP y los receptores de la apoE comparten una serie de rasgos estructurales y funcionales. Ambas son proteínas transmembrana de tipo I y presentan grandes dominios extracelulares y pequeños dominios citoplasmáticos, que en el caso de los receptores de la ApoE pueden ser numerosos mientras que en la APP observamos sólo uno para un número de proteínas adaptadoras (Stolt y Bock 2006). Además, comparten un patrón de proteólisis y de escisión superficial constitutiva e inducible que generan formas solubles que nos hace pensar cada vez más que la APP puede actuar como receptor. Una vez estudiemos y comprendamos cómo funciona la ApoE podremos quizás saber si la APP lo hace de manera similar. 

• Apoptosis

Aunque no se sabe con claridad los mecanismos de muerte celular en la enfermedad del Alzheimer (EA), se asocia con la pérdida general de neuronas y mutaciones en el gen de la APP que conducen a un aumento de producción de la Aβ. La APP-BP1, identificada como una proteína de unión a la APP, es la subunidad reguladora de la enzima E1 activadora de una proteína similar a la ubiquitina NEDD8 que participa en una vía para la ubiquitinación. (Chen et al., 2003), y juega un papel importante en la progresión del ciclo celular y la supervivencia.

APP-BP1 es un gen cuyas proteínas codificadas al interactuar con la APP impulsa la transición de la fase S a la M en células neuronales en división y causa apoptosis en neuronas por la vía de conjugación de NEDD8 (neddilación). La sobreexpresión de la APP-BP1 en neuronas primarias que conducen a la apoptosis puede ser bloqueada con la inhibición de la neddilación y la coexpresión de un péptido que compite con la APP-BP1 por unirse a la APP. Se observa una sobreexpresión de la APP-BP1 en el hipocampo cerebral de las personas con EA, ya que participa como hemos mencionado antes, en la activación de NEDD8. (Chen et al., 2000)

MECANISMOS DE ACCIÓN

• Formas tempranas de la EA:

 Se han descubierto tres genes causantes de formas tempranas de la Enfermedad del Alzheimer: el gen que codifica para la proteína precursora del péptido β-amiloide (APP), el gen de la presenilina 1 (PSEN1) y el de la presenilina 2 (PSEN2). 

• Gen codificante para APP: 

• Genes de las presenilinas: PSEN1 y PSEN2

En 1995 se clonó el gen responsable del 50% de los casos de la EA. Este se llamó inicialmente S182  pero poco después pasó a llamarse presenilina 1 (PSEN1). Hoy en día, existen 177 mutaciones en PSEN1, las cuales causan EA a edades muy tempranas.

Posteriormente, se localizó en el cromosoma 1 una secuencia genética muy similar a PSEN1. Este gen, conocido como presenilina 2 (PSEN2), es responsable de una proporción muy pequeña de los casos de EA autosómicos dominantes. Además, actualmente se sabe que las presenilinas son un cofactor del complejo multiproteico de la γ-secretasa.

• Formas tardías de EA:

Alrededor del 95% de los casos de EA  aparecen a edades avanzadas.

Por el momento, el único gen que se ha relacionado con la EA tardía es el que codifica para la apolipoproteína E (APOE). El gen APOE, se localiza en el cromosoma 19 y codifica para tres isoformas : ε2, ε3 y ε4, las cuales se diferencian entre sí por la presencia de los aminoácidos cisteína o arginina en las posiciones 112 y 158 de la APOE.

De forma que si las frecuencias  de cada una de las isoformas son comparadas entre pacientes, atendiendo a criterios de edad, se percibe un incremento del alelo ε4 en pacientes con EA tardía respecto a controles sanos de edades avanzadas. Esto quiere decir, que un paciente que contenga una copia del alelo ε4 tiene un riesgo de contraer la enfermedad mayor, y este será aún mayor si posee dos copias del alelo. (Setó-Salvia et al., 2010)

RELACIÓN CON LAS DROGAS

El consumo en exceso de drogas por el abuso de opiáceos es un problema extendido por todo el mundo. Sin embargo, a pesar de no conocerse gran información sobre la neuropatología que causa este consumo, estudios han concluido que la neuroinflamación que se genera podría desembocar en una neurodegeneración prematura de los cerebros de los consumidores.

Tras investigaciones de los cerebros de jóvenes consumidores , se aplicó un análisis inmunohistoquímico detallado del hipocampo, el tronco encefálico y los ganglios basales para tau hiperfosforilada, β-amiloide, proteína precursora de β-amiloide (βAPP) y ubiquitina, el cual denotó un exceso de ovillos neurofibrilares (NFTs); los cuales son causantes de la degeneración neuronal y disfunción sináptica.

A diferencia de los no consumidores, en quienes los NFTs  solamente se localizaron  en la corteza entorrinal; en aquellos que sí consumían drogas también se localizaron en el subículo, la neocorteza temporal, el núcleo basal de Meynert y el locus coeruleus.

Además, los consumidores de drogas dieron positivo en βAPP en mayor proporción que en los no consumidores, aunque prácticamente no se localizaron placas de beta-amiloide. (Ramage et al., 2005)

IMPLICACIÓN DE LA PROTEÍNA TAU

Papel de la proteína TAU en la Enfermedad del Alzheimer. Creada por Almudena López a partir de BioRender.com (Vallés-saiz, L., 2022)

DAÑO CEREBRAL

La encefalopatía traumática crónica (ETC) es una enfermedad neurodegenerativa que se asocia con lesiones cerebrales traumáticas leves repetitivas. De forma patológica se caracteriza por la acumulación anormal de la proteína TAU.

Para determinar el alcance de la extensión del depósito del péptido β amiloide (Aβ), se realizaron estudios en atletas y militares veteranos con diagnóstico de ETC. Gracias a estos se descubrió que más del 52% de los pacientes diagnosticados con CTE portaban depósitos del péptido Aβ. Además, esta acumulación de este péptido tenía lugar a una velocidad mayor que en aquellos que no diagnosticados con CTE. E incluso, un subgrupo  cumplió con los criterios de diagnóstico tanto para CTE como para EA.

En conclusión, estos resultados proponen que existe una alteración y aceleración en el depósito de Aβ  en un conjunto de individuos  con CTE si lo comparamos con el envejecimiento normal,  y que Aβ mantiene una fuerte relación con la progresión patológica y clínica de CTE, independientemente de la edad. (Stein et al., 2015)

TRATAMIENTOS

• Antioxidantes:

Se ha demostrado que el estrés oxidativo, es decir, la acumulación de productos derivados de la cadena de transporte de electrones, tales como: el radical hidroxilo, superóxido o el peróxido de hidrógeno (localizados en la mitocondria) son responsables de estrés oxidativo. Este es a su vez precedente de las lesiones que se generan en la Enfermedad de Alzheimer.  Además, los radicales libres podrían ser los causantes de cambios en pares de bases del ADN, o incluso de daños en las cadenas de ADN. Es por esto que uno de los tratamientos se basa en combatir este estrés oxidativo para lograr paliar el deterioro cognitivo de la enfermedad.

Durante un trabajo realizado por el Alzheimer’s Disease Cooperative Study,  en el que se usaron los antioxidantes:  α-tocoferol (mayormente conocido como vitamina E)  y selegilina, se señaló un posible efecto positivo de la vitamina E en la EA.

Una de las principales conclusiones fue la prolongación del tiempo en el que ocurrían procesos, como por ejemplo la pérdida de la capacidad para realizar algunas actividades de la vida cotidiana (basándose en la escala de puntuación clínica de la demencia) era más largo en aquellos que tomaban vitamina E que en comparación con quienes  tomaban selegilina, ambos fármacos o placebo. Sin embargo, el uso de vitamina E o selegilina no causó alteraciones en el deterioro cognitivo. Estos fármacos se seleccionaron porque la vitamina E es un “scavenger” (destructor) de radicales libres; y por su parte la selegilina inhibe la desaminación oxidativa.  (Shah et al., 2008)

• Agentes nootrópicos:

 Los agentes nootrópicos son derivados cíclicos del ácido γ-aminobutírico (GABA), este es un aminoácido no proteico que se localiza en altas concentraciones en el SNC de los mamíferos, cuya su función principal es actuar como un neurotransmisor inhibidor.  Algunos de estos ejemplos pueden ser : piracetam, pramiracetam, aniracetam u oxiracetam. En concreto el primero de ellos, ha manifestado beneficios a corto y largo plazo, principalmente en los relacionado a las funciones de la atención y la memoria. Asimismo, estudios en animales suscitan que estimulan la síntesis y liberación de AcH y que desarrollan una función sobre los receptores de glutamato AMPA. (Santos-Espinosa et al., 2018)

La enfermedad causada por el mal corte de esta proteína es una de las principales causas de demencia en nuestro país, así como en el mundo. Según datos del SEN (“Sociedad Española de Neurociencia”), hoy en día en España unas 800.000 personas sufren la enfermedad, incrementando cada año aproximadamente en 40.000 nuevos casos. No obstante, se estima que entre el 30 y el 40% de los casos totales están aún sin diagnosticar. 

En el año 2015, alrededor de 47 millones de personas sufrían demencia en el mundo, y conforme a las proyecciones de población, si las cifras actuales se mantienen, en 2050 la cifra podría llegar a 130 millones de personas. En el caso de España, entre un 3 y un 4% de la población de entre 75 y 79 años sufren Alzheimer, aumentando a 34% en mayores de 85. En mayores de 65, la SEN estima que alrededor de un 15 % de la población sufre deterioro cognitivo leve, que puede deberse a la enfermedad en el 50% de los años aproximadamente. 

A continuación, se exponen citas del Dr. Juan Fortea, Coordinador del grupo de Estudio de Conducta y Demencias de la Sociedad Española de Neurología (SEN):

Referencias

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Por Cristina Díaz Fraile, Yolanda García del Castillo López y Carmen Fernández Montiel. 1ºB de Biología Sanitaria

Para que sea más fácil relacionar los términos, y por lo tanto, reducir la energía necesaria para entender bien el tema, vamos a introducir primero lo que es una enzima.

Las enzimas son moléculas orgánicas proteicas que se encargan de catalizar reacciones. Estas reaccionan con el sustrato, formando un complejo enzima-sustrato que ocasionará que mediante un “juego” entrópico y entálpico se reduzca la energía necesaria de activación. Hay muchos tipos de enzimas que se encargan de diferentes reacciones (aunque una misma puede servir para varios sustratos debido a que no son tan específicas). La tripsina pertenece a un grupo de enzimas llamadas peptidasas o proteasas.

Esta enzima fue descubierta por el fisiólogo alemán Wilhelm Kühne mientras realizaba sus estudios sobre los mecanismos digestivos en 1876. De hecho, fue él quien introdujo la palabra enzima al investigar sobre la propia tripsina.

LA TRIPSINA: UNA ENZIMA PROTEASA

Para entender su función y mecanismo precisa conocer que se trata de una enzima proteasa, es decir, una enzima que es capaz de catalizar la ruptura de las cadenas polipeptídicas en unidades proteicas más pequeñas, como lo son los péptidos o los aminoácidos, el monómero estructural de las proteínas. Esta enzima se encuentra en humanos y otros animales como los rumiantes. Es producida por el páncreas, pero se secreta al duodeno ya que es una enzima digestiva esencial.

En concreto, la tripsina resulta ser una serín proteasa debido a la presencia del aminoácido serina en su centro activo, el cual será esencial para la catálisis. Las serín proteasas son capaces de reconocer la secuencia primaria de la cadena polipeptídica y cortarla por el lado carboxilo de aminoácidos específicos dependiendo de cuál sea la enzima concreta que actúe: por ejemplo, la tripsina corta en el lado carboxilato de aminoácidos adyacentes a residuos básicos como lo son la lisina y la arginina, mientras que la quimiotripsina lo hace junto a residuos no polares y aromáticos, como la tirosina, metionina o fenilalanina.

OPTIMIZACIÓN

Esta enzima tiene un rango de pH óptimo entre el 7 y el 8, aunque más concretamente es de 7,7. Asimismo, actúa con una temperatura óptima de 37 grados Celsius. De hecho, a unos 25º la actividad de la tripsina es 1.87 menor que a la temperatura óptima. Por lo tanto, es una reacción favorable en cuanto a la termodinámica, pero como tiene una energía de activación muy alta, cinemáticamente hablando es desfavorable.

Un efector en la actividad de la proteasa está relacionada con el calcio que estabiliza la estructura terciaria, ya que la tripsina tiene un lugar de unión al calcio. Este hace que no se formen agregados de tripsina, favoreciendo la actividad de esta.

MECANISMO: LA TRIADA CATALÍTICA

Para realizar su función, la tripsina y las enzimas hidrolasas en general poseen una triada catalítica en su centro activo, que son residuos de tres aminoácidos que funcionan en conjunto en la grieta catalítica del sitio activo para poder llevar a cabo la catálisis.

En el caso de la tripsina, esta triada está constituida por serina, histidina y aspartato. Además, posee un “bolsillo” (Substrate-binding pocket) cerca del centro activo formado por un carboxilo de la cadena lateral de un ácido aspártico. Este bolsillo tiene una fuerte relación con lo ya mencionado anteriormente, puesto que si la tripsina tiene afinidad por cortes de aminoácidos básicos (carga positiva), el hecho de que el residuo del bolsillo sea ácido hace que ambas cargas (la positiva de la base y la negativa del ácido) interaccionen electrostáticamente.

La conservación de esta triada permite la clonación de la secuencia consenso donde los oligonucleótidos degenerados se utilizan en una cadena de reacciones del material genético de la polimerasa para poder reconocer tripsinas. De hecho, la tripsina se ha utilizado para observar la especificidad de sustrato entre las serinas proteasas.

Una vez explicado los componentes esenciales para la catálisis vamos a centrarnos en las interacciones que tienen lugar en la triada para generar un entorno favorable que promueva la ruptura de los péptidos.

La serina195 es un aminoácido muy reactivo, no esencialmente por su naturaleza sino por el entorno que le rodea que le confiere la alta reactividad. En primer lugar, el grupo hidroxilo (OH) de la serina establece un puente de hidrógeno con el anillo imidazol de la histidina. El aspartato, que se encuentra en el lado contrario del anillo de imidazol, establece una unión entre su carga negativa y el hidrógeno del anillo.

La histidina por tanto polariza el grupo OH de la serina y acepta su protón, dejando al Oxígeno con una carga negativa que incrementa la capacidad nucleofílica de la serina. El nitrógeno de la Histidina queda cargado positivamente y será el aspartato que con su carga negativa estabilice dicha carga para hacer de la histidina un mejor aceptor de protones.

SISTEMA DE REGULACIÓN: EL TRIPSINÓGENO

Sin embargo, todo el mecanismo que envuelve a las enzimas digestivas, entre las que se encuentra la tripsina, no está siempre en funcionamiento, sino que existen unas formas inactivas llamadas zimógenos que necesitan ser activadas. Las tripsinas se secretan en forma de tripsinógeno ya que es una forma de protección para intentar prevenir una actividad prematura del páncreas, pudiendo desencadenar una reacción inflamatoria que provoca pancreatitis. El tripsinógeno es formado en los aparatos de Golgi, empaquetados en forma de zimógenos granulados, y secretados por exocitosis. 

Por otra parte, en estos gránulos también podemos encontrar inhibidores de tripsina secretoras pancreáticas (PSTI) para la inactivación de algunas tripsinas activas. Además, el tripsinógeno puede ser también activado por catepsinas (que pueden intervenir en la pancreatitis aguda), proteasas lisosomales que se activan a pH bajo. Sin embargo, estas no se encuentran en los mismos compartimentos de la célula. El mecanismo catalítico es un ataque nucleofílico.

En el paso desde la forma inactiva hacia la activa actúa otra serín proteasa, la enteroquinasa (también conocida como enteropeptidasa), cuya localización se encuentra en el duodeno y que es secretada por los enterocitos una vez la comida ingerida sale del estómago. La enteropeptidasa convierte al tripsinógeno en su forma activa la tripsina, provocando la activación en cascada de las enzimas digestivas pancreáticas.

INHIBIDORES

Los inhibidores son unas proteínas, (y un tipo de inhibidor serina) que reducen la actividad de la tripsina, controlando las reacciones. Son inhibidores irreversibles y suicidas. Usados principalmente como “controladores de fallos” para evitar que el tripsinógeno se convierta en tripsina antes de su secreción. Sin embargo, también pueden ser considerados negativos en el caso en el que intervenga en la digestión cuando está funcionando correctamente.

Estos inhibidores los podemos encontrar en muchos tipos de alimentos, como patatas, judías, cacahuetes, maíz dulce, cereales y soja. Asimismo, también se han encontrado en la leche materna humana que ayuda siendo un protector del intestino para los bebés. Ha sido comprobado que el calor puede reducir la actividad de los inhibidores, sobre todo en la soja y productos del estilo. Por ejemplo, hirviendo la soja durante 14 minutos, inactivas el 80 % de los inhibidores y durante 30, el 90%.

Como se ha mencionado previamente, la tripsina tiene inhibidores de su actividad (PSTI). En cambio, es posible que la actividad de la tripsina exceda la capacidad de los inhibidores, provocando que se desencadene una cascada de reacciones en la que se activan proteasas que puedan provocar daños en las células ya que activan el receptor 2 (PAR-2), haciendo que se sinteticen citoquinas y la regulación de la exocitosis a través de un feedback negativo. 

Mediante estudios, han descubierto la importancia de la formación del complejo con la tripsina mediante unos experimentos, donde observaron que los inhibidores modificados reaccionaban mucho más lento que los “normales”.

Algunos usos de estos inhibidores son:

1. Como ya se ha comentado, la tripsina se usa en los cultivos y en la preparación de muestras, pues los inhibidores se encargan de que la tripsina no destroce más de lo que es necesario, las células y proteínas que se van a observar.  
2. Los inhibidores vegetales se usan para repeler insectos, ya que provoca que el intestino de estos no funcione correctamente.

UTILIDAD EN BIOMEDICINA

En los inicios de la proteómica se usaba para separar proteínas tras un proceso de electroforesis en gel, para la secuenciación de péptidos y la identificación por espectrometría de masas. Que se pueda hacer este proceso se debe a que las tripsinas no les afecta el inhibidor fenilalanilclorometilcetona (TPCK). Esto se tiene en cuenta por la importancia de la especificidad del corte. 

Actualmente la tripsina se usa en tecnologías de los alimentos, sigue utilizándose en el análisis proteómico, en la preparación de cultivos (la tripsinización, que es un proceso en el que se usa la tripsina tanto para la proteólisis en la que se separan las células adherentes del recipiente, como para pasarlas a otros), separación de tejidos en células constituyentes. Es un modulador de la capacidad alergénica de la soja y de la producción de péptidos antihipertensivos, junto a ser un identificador de enfermedades como la pancreatitis, la fibrosis quística, el cáncer… Estas enfermedades originan malabsorción, es decir, cuando hay una disminución de la producción de tripsinas, y como consecuencia, la incapacidad para digerir y absorber los nutrientes correctamente.

Por otra parte, científicos han descubierto que la tripsina puede estar asociada al Alzheimer y con las proteínas de larga duración, ya que estas al tener más “vida”, es más probable que surja una isomerización de la proteína, originando que sea más difícil de digerir, pues las enzimas digestivas (como la tripsina) tienen una tolerancia relativa a los isómeros, provocando problemas que pueden derivar al Alzheimer.

La tripsina a su vez está relacionada con la coagulación de la sangre. Por eso, ayuda en la eliminación de tejido muerto para que cicatricen mejor las heridas (desbridamiento), esto puede deberse a que degrada las proteínas del tejido. También ha habido muchos estudios que parecen indicar que la tripsina puede ser utilizada en lesiones traumáticas para reducir edema.

APLICACIONES DE LA TRIPSINA

Las enzimas son imprescindibles en una gran cantidad de industrias como la agrícola, alimentaria, farmacéutica, biomédica… Esto conlleva a que surja la necesidad de disponer de dichas enzimas. Es por esto por lo que la tripsina es utilizada para una enorme variedad de investigaciones relacionadas con este tipo de industrias. 

Actualmente, se está estudiando la aplicación de la tripsina en varios ámbitos entre los que destaca la aplicación biomédica en la difracción de Rayos x en cuanto a complejos proteína-inhibidor. Esta enzima tiene un gran interés gracias a las similitudes que presenta con otras enzimas de la misma familia y que la haría útil para la sustitución de enzimas como el Factor X (factor de coagulación). Gracias a esto, también se ha podido estudiar su unión a un inhibidor que proviene de las semillas de girasol.

Asimismo, se han investigado algunas aplicaciones que puede presentar en la agricultura, participando como inhibidor en la soya y el garbando, siendo mucho más efectiva en la soya ya que ha sido capaz de modificar y aumentar la presencia de láminas beta plegadas, bucles, alfa hélices y cadenas no ordenadas además de reducir el número de estructuras agregadas de esta misma llevando a la modificación de su perfil electroforético.

Por otro lado, la tripsina ha sido estudio de la tesis de Elena Sofia Escobar Barrera de la Universidad nacional abierta y a distancia. Dicha tesis esta principalmente basada en la creación de tratamientos para destruir o impedir la aparición del herpesvirus-bovino tipo I en programas de transferencia de embriones. Dicho virus es capaz de unirse a los espermatozoides causando patologías a los futuros embriones. Existen varias formas de prevención, siendo la tripsina una solución enzimática que actúa como desinfectante. Aunque presentaba ciertos inconvenientes como el desarrollo de otras patologías, para evitar que pudiese causar otro tipo de infecciones en los embriones se llevó a cabo el desarrollo de una tripsina recombinante (obtenida del maíz).

Y con esto vamos terminando para que no sea muy difícil de digerir toda esta información. 

Elizabeth Cairós Escobar. Biología Sanitaria, UAH.

INTRODUCCIÓN

La fosfoglicerato mutasa (PGM) se trata de una enzima que interviene en el metabolismo de carbohidratos. Este comprende, dentro de los mecanismos de degradación (es decir, catabolismo), los procesos de la glucólisis y la glucogenólisis, que destacan como los principales, aunque la enzima metabólica que vamos a tratar hace presencia en el primero de los dos procesos mencionados. Por esta razón, ¿sabemos lo qué es la glucólisis?

La glucólisis se trata de un proceso metabólico, que cuenta con diez etapas, en el que se transforman moléculas de glucosa en piruvato. Forma parte del catabolismo central de la glucosa y, como resultado, se obtienen dos moléculas de piruvato por cada molécula de glucosa transformada.

Del mismo modo, este proceso genera, de manera anaerobia, dos moléculas de energía en forma ATP, a partir de dos de ADP, y dos moléculas de poder reductor en forma de NADH, a partir de dos de NAD⁺.

Concretamente, la PGM cataliza el octavo paso de este proceso.

PAPEL BIOLÓGICO Y FUNCIONAMIENTO DE LA PGM

Como se indicó en el apartado introductorio, la fosfoglicerato mutasa es una enzima presente en el proceso metabólico de la glucólisis y es la encargada de la conversión de moléculas de 3-fosfoglicerato (3PG) en moléculas de 2-fosfoglicerato (2PG). Además, es importante señalar que esta transformación se lleva a cabo mediante un intermediario metabólico, que se trata del 2,3-bisfosfoglicerato.

3-fosfoglicerato + PGM-P ⇌ 2,3-bisfosfoglicerato + PGM ⇌ 2-fosfoglicerato + PGM-P

Pero, ¿cuál es el verdadero funcionamiento de la PGM y cómo ocurre la reacción?

Si hablamos de manera amplia y general, la principal función de esta enzima es desplazar el fosfato hacia un lugar clave en el centro de la molécula de 3PG, con la finalidad de contribuir al proceso final de obtención de energía que, recordando, se da en forma de ATP. De igual forma, incidir en que esta translocación ocurre, concretamente, del tercer carbono de la molécula al segundo, y da como resultado la formación de 2-fosfoglicerato.

Sin embargo, si se profundiza más en el funcionamiento de la PGM, el proceso de conversión del que se encarga se lleva a cabo mediante la isomerización irreversible del 3PG y la intervención de un cofactor que, en este caso, se trata del Mg⁺². Asimismo, esta reacción de conversión ocurre en dos etapas.

Primeramente, la fosfoglicerato mutasa, que ha sido previamente fosforilada en un sobrante del aminoácido histidina, cede dicho fosfato al grupo hidroxilo (OH^–) del carbono en la posición 2 del 3PG. De esta manera, se genera el 2,3-bisfosfoglicerato (el intermediario metabólico de la reacción).

Seguidamente, en el segundo paso de la conversión, la molécula de 2,3-bisfosfoglicerato le transfiere a la enzima su fosfato del carbono 3, obteniéndose como resultado tanto la liberación de la PGM fosforilada de nuevo como el producto final de la reacción que esta enzima cataliza (la molécula de 2-fosfoglicerato).

Por otro lado, y como información adicional, ya una vez la fosfoglicerato mutasa sea poseedora del fosfato adicional (el cedido por la molécula de 2,3-bisfosfoglicerato), esta queda activa por un breve periodo de tiempo, de apenas dos minutos. Durante este corto intervalo realiza su función en repetidas ocasiones antes de que pierda el fosfato y, por consecuente, tenga que ser suministrado de nuevo

ESTRUCTURA DE LA ENZIMA

La estructura de la PGM no es común a todos los organismos (depende de la especie a la que se esté haciendo referencia), ya que puede adoptar formas variables y diferir en el número de subunidades que la forman. Estas subunidades pueden ser del tipo M o B y cuentan con una localización concreta en los tejidos, aunque puede variar durante el desarrollo del individuo.

En el caso de los humanos, la enzima fosfoglicerato mutasa está formada por dos subunidades idénticas, pero se puede observar en las imágenes inferiores que en otros seres vivos esto no es así.

*La fosfoglicerato mutasa de levadura (PDB 3PGM), al igual que la de humanos, está compuesta por subunidades idénticas, aunque en el primero de los casos cuenta con 4 subunidades.

Aún así, la PGM en el filo de los mamíferos cuenta con 3 isoenzimas (enzimas que son diferentes en cuanto a su secuencia de aminoácidos, pero que catalizan la misma reacción), cuyo origen recae en las diferentes maneras de unión de las subunidades de la enzima.

Por otro lado, para su funcionamiento, esta enzima, en las células humanas, utiliza una molécula especial del aminoácido histidina que es el que, como se señaló anteriormente, coloca el fosfato, después de haber sido extraído, en el lugar específico de la enzima.

No obstante, la fosfoglicerato mutasa hace, en realidad, la acción contraria a la histidina, ya que incorpora un fosfato a la molécula de 3PG (para que se una al otro que ya posee dicha molécula) y luego se encarga de quitarlo.

Como es lógico, para añadir dicho fosfato la PGM primero tiene que hacerse con él, por lo que la 2,3-bisfosfoglicerato es la molécula intermedia encargada de suministrárselo.

Asimismo, la PGM posee un átomo de Mg⁺² como cofactor.

IMPORTANCIA DE LA PGM EN CUANTO AL EJERCICIO FÍSICO

Hasta ahora se ha hecho referencia a la fosfoglicerato mutasa y a su implicación en el metabolismo de azúcares, más concretamente en la glucólisis, mas ¿cuál es su relación con la actividad física?

Partiremos de la base de que, si se dan déficits en enzimas relacionadas con el metabolismo lipídico y de azúcares a causa de la herencia de enfermedades genéticas autosomales recesivas, se pueden desarrollar enfermedades conocidas como miopatías metabólicas.

Las miopatías metabólicas conllevan la manifestación de frecuentes crisis de mialgias (conocidas popularmente como dolores musculares), calambres y rigidez en los músculos. Este último síntoma se traduce en una difícil contracción muscular, causada por la disminución energética tras la reducción del trifosfato de adenosina (TFA) o adenosín trifosfato (ATP), un nucleótido imprescindible en la obtención de energía en las células, mediante la fosforilación oxidativa en la mitocondria.

Los déficits enzimáticos que causan estas miopatías metabólicas pueden deberse a fallos en el metabolismo de carbohidratos (normalmente producidos por ejercicio físico en periodos menores a 10 minutos y de elevada intensidad) o por trastornos en el metabolismo de lípidos (actividad física por más de 10 minutos de tiempo y de baja intensidad). Con esto, pondremos el foco de atención en los déficits enzimáticos causados por el primer tipo de fallos, ya que, como se ha visto a lo largo de toda esta entrada, la fosfoglicerato mutasa participa en la catálisis metabólica de azúcares.

Así, se tiene que los déficits enzimáticos a los que hacemos referencia pueden ser causados por la deficiencia de miofosforilasa (glucogenosis tipo V), fosfofructocinasa muscular (glucogenosis tipo VII), beta enolasa (glucogenosis tipo XIII), fosfoglicerato quinasa (glucogenosis tipo IX), fosfoglicerato mutasa (glucogenosis X) y/o lactato deshidrogenasa (glucogenosis tipo XI).

Generalmente, las miopatías causadas por estas enzimas comienzan a manifestarse en el periodo de la adolescencia y, en todas ellas, las concentraciones de creatina cinasa (CK), una sustancia que libera el cuerpo cuando se somete a un estrés físico considerable, varían y se elevan.

Por otro lado, y centrándonos exclusivamente en la fosfoglicerato mutasa, la deficiencia de esta enzima causa la que se denomina Enfermedad de almacenamiento de glucógeno (o glucogenosis tipo X). Se trata de una enfermedad no demasiado común que causa calambres musculares debido al ejercicio, la mioglobinuria (excreción de mioglobina en la orina a causa de una mioglobinemia procedente de la destrucción de la musculatura estriada, según el Diccionario Médico de la Clínica Universidad de Navarra) y la presencia de agregados tubulares durante biopsias en el músculo.

Estudios de investigación han concluido que en esta patología aumentan considerablemente los niveles de CK (y es que, en episodios de mioglobinuria aguda, los valores de la CK pueden elevarse hasta 200 veces más de los parámetros normales) y, por el contrario, no lo hacen los niveles de lactato.

A día de hoy no existe tratamiento farmacológico para esta enfermedad, sino que simplemente se trata con una buena hidratación, la toma frecuente de glucosa y la alcalinización de la orina. No obstante, hay una serie de medidas recomendadas para prevenir las crisis de calambres musculares, como evitar el ejercicio físico que las produzca y el ayuno, ya que ambos factores predisponen a su aparición.

INFORMACIÓN EXTRA QUE TE PUEDE INTERESAR

Además de la implicación de la PGM en las miopatías metabólicas, también hay determinados estudios que han investigado las alteraciones de esta enzima y sus isoenzimas en tumores de distintos órganos.

A modo de breve resumen, estos estudios han determinado un descenso en la actividad de la fosfoglicerato mutasa en los tumores cerebrales y un incremento de la misma en los otros tipos de quistes.

Consulta el siguiente link para ir directamente a esta información: Actividad e isoenzimas de la fosfoglicerato mutasa. Alteraciones tisulares en los tumores humanos. Alteraciones sericas en el infarto de miocardio – Dialnet (unirioja.es).

Referencias

[1] de glúcidos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M., de la glucólisis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V. M. R. a. I., De la, M., Del, M., de Rapoport Luenering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., C., del arsénico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . T., de los polioles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V., de la glucosamina. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V., & del glicerol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . M. (s/f). Tabla de conntennidos. Edu.ar. Recuperado el 29 de enero de 2023, de http://rephip.unr.edu.ar/bitstream/handle/2133/11027/qbsp4-5.pdf?sequence=3

[2] Escribano, M. Z., & Soria Aznar, M. (s/f). Trabajo Fin de Grado POLIMORFISMOS GENÉTICOS EN EL METABOLISMO GLUCOLÍTICO RELACIONADOS CON LA FATIGA CANDIDATOS A SER ESTUDIADOS EN UNA MUESTRA DE DEPORTISTAS DE ÉLITE. Unizar.es. Recuperado el 29 de enero de 2023, de https://zaguan.unizar.es/record/57619/files/TAZ-TFG-2016-1007.pdf

[3] INSERM US14 — TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS. (s/f). Orphanet: Enfermedad de almacenamiento de gluc�geno por deficiencia de fosfoglicerato mutasa. Orpha.net. Recuperado el 29 de enero de 2023, de https://www.orpha.net/consor/cgi-bin/OC_Exp.php?lng=ES&Expert=97234

[4] Mioglobinuria. (s/f). Cun.es. Recuperado el 29 de enero de 2023, de https://www.cun.es/diccionario-medico/terminos/mioglobinuria

[5] Molecule of the month: Glycolytic enzymes. (s/f). RCSB: PDB-101. Recuperado el 29 de enero de 2023, de https://pdb101.rcsb.org/motm/50

[6] Papazian, O., & Rivas Chacón, R. (2013). Miopatías metabólicas. Revista de neurologia, 57(S01), 65. https://doi.org/10.33588/rn.57s01.2013257

[7] Pich, N. D. (1997). Actividad e isoenzimas de la fosfoglicerato mutasa. Alteraciones tisulares en los tumores humanos. Alteraciones sericas en el infarto de miocardio. Universitat de Barcelona.

[8] Zerón, H. M., Morales, P. V., Salgado Alday, M. E., Mendieta, H., & Felipe, Z. (s/f). Mioglobinuria. Reporte de un caso y revisión de la literatura. Core.ac.uk. Recuperado el 29 de enero de 2023, de https://core.ac.uk/download/pdf/161648906.pdf

[9] (S/f). Azucareraprofesionales.es. Recuperado el 29 de enero de 2023, de https://www.azucareraprofesionales.es/wp-content/uploads/2018/04/Libro-Blanco-del-Azucar-Indice-Interactivo.pdf

Por Beatriz Sendra y Nerea Villegas, Biología Sanitaria UAH.

1. INTRODUCCIÓN

La ACE2 o enzima convertidora de angiotensina-2, es una carboxipeptidasa dependiente de zinc que se expresa en la membrana (Figura 1). Esta enzima tiene como principal función la participación en el sistema de renina-angiotensina, inhibiendo la angiotensina II por vía zimógeno que ha sido previamente activada por la ACE, provocando entre otras cosas, la bajada presión arterial. (24)

Se trata de una proteína que se encuentra integrada en la membrana plasmática (22) y se expresa en numerosos tipos celulares, entre los que cabe destacan los endotelios del corazón y vasos sanguíneos (sistema cardiovascular), las células epiteliales de los pulmones y la superficie de las células del riñón (9, 17, 27). Esta amplia distribución puede ser causa de la gran especificidad de sustrato que tiene la ACE2 y le permite participar en muchas rutas peptídicas (24).

Además de su función en el sistema de renina-angiotensina, la ACE2 funciona también como facilitador del transporte de aminoácidos y tiene un papel importante en la recepción del síndrome respiratorio agudo severo (SARS-CoV-2).

El descubrimiento de la ACE2 ha sido reciente, hace apenas 20 años y fue posterior al descubrimiento de la ACE, a pesar de la gran correlación que existe en la actividad de ambas en el sistema de renina-angiotensina (6, 24). La ACE2 fue el primer homólogo de la ACE (4, 22). (Figura 2)

Este trabajo se centra en las funciones del ACE2 y en la relevancia que tiene en relación al COVID. Para ello, se ha estructurado en 5 grandes secciones. La Sección 2 está dedicada a la estructura y mecanismos de la catálisis de la ACE2. La Sección 3 se centra en las principales funciones de esta proteína. Seguidamente, en la Sección 4 se comentan las implicaciones biomédicas fundamentales. En la Sección 5 se resumen algunas de las conclusiones más importantes. Se termina el trabajo con la relación de referencias que se han consultado, y en las que esencialmente nos hemos basado, para el desarrollo del contenido.

2. ESTRUCTURA Y MECANISMOS

Como ya se ha comentado en la introducción, la ACE2 es una proteína transmembrana que atraviesa una sola vez la membrana (unipaso), y que está compuesta por 805 residuos de aminoácidos. Tiene tres dominios principales: extracelular, transmembrana e intracelular. El dominio extracelular esta formados por dos dominios: el dominio metalopeptidasa y el dominio de colectrina. (Figura 3)

El dominio metalopeptidasa se localiza en el extremo N-terminal y está formada principalmente por estructuras de alfa-hélice, aunque también contiene algunas beta-láminas. Además, es el que más glicosilaciones sufre durante su postraducción. Es en este dominio donde se une el cofactor Zn, el cual participa en la catálisis de la proteína. Los residuos de unión a este cofactor forman la secuencia consenso de la proteínas y se corresponde con HEXXH siendo H histonas, E glutamina y X cualquier aminoácido con carga. Esta secuencia consenso es común en todas las metalopeptidasa de la familia M2. (23)  

Por otro lado, encontramos el dominio colectrina más cercano al extremo C-terminal el cual está compuesto por beta-láminas. Es en este dominio donde se encuentra el sitio de unión del virus SARS-CoV-2. Además, seguido de él se encuentra el dominio transmembrana constituido mayoritariamente por estructura de alfa-hélice. Este dominio transmembrana es el que menos residuos abarca de todos pues únicamente los aminoácidos situados entre las posiciones 741-761 atraviesan la membrana. (2, 12, 14) (Figura4)

El último dominio, el dominio intracelular, se encuentra en el extremo C-terminal y contiene varios motivos lineales, como motivos de señal que interaccionan con proteínas con importante participación en vías de endocitosis y autofagia. (2)

El centro activo de esta proteína se encuentra en el dominio extracelular metalopeptidasa y es en él donde se encuentra el sitio de unión del zinc. (Figura 5)

Las principales modificaciones postraduccionales son las N-glicosilaciones en las asparaginas. Una de esas glicosilaciones, en concreto la de la asparagina 90, puede reducir la infección por SARS-CoV-2. Además, para mantener estable la estructura, se forman puentes disulfuro entre cisteínas. (14)

En cuanto a las isoformas, la ACE 2 tiene dos. Una de ellas no es funcional como carboxipeptidasa mientras que la otra no es funcional como receptor del coronavirus.

La ACE2 presenta una actividad catalítica que se caracteriza por tener un pH de trabajo óptimo de 6,5  y además ser potenciado por la presencia de aniones monovalentes, lo que la relaciona con la actividad de la ACE. Los aniones monovalentes que potencian la actividad de la ACE2 son el anión cloruro(Cl-)y fluoruro (F-), ambos aumentan la actividad de la ACE2 como unas 10 veces. En cambio, existen otros aniones monovalentes como el anión bromuro, que no afectan a la actividad de la proteína.

La actividad proteolítica ya mencionada consiste únicamente en la eliminación del extremo C-terminal (residuo), y es por ello que se dice que es una carboxipeptidasa. La actividad proteolítica de la hidrólisis de péptidos no tiene la misma eficiencia catalítica con todos los péptidos por igual. Uno de los sustratos con los que tiene más afinidad es con la angiotensina II, integrante del sistema de renina-angiotensina. (25)

3. FUNCIONES

La ACE2 realiza una gran variedad de funciones. Sin embargo, las más importantes se pueden resumir en tres : la participación en el sistema renina-angiotensina; la recepción del SARS-Cov2 y el transporte de aminoácidos.

En primer lugar, la ACE2 tiene como principal función su participación en el sistema renina-angiotensina. Se trata de un conjunto de reacciones llevadas a cabo en la sangre que tienen una relevancia muy importante en el equilibrio de la homeostasis y regulación de la presión arterial. (Figura 6)

El sustrato angiotensinógeno es un zimógeno liberado a la circulación del hígado que es activado y transformado por la enzima renina a la angiotensina I. La renina es secretada por unas células de los glomérulos de los riñones cuando se reduce el flujo sanguíneo renal. La angiotensina I es cortada por la ACE en la superficie endotelial de los vasos sanguíneos dando lugar a la angiotensina II. Este paso puede ser inhibido por el fármaco IECA debido a que es un inhibidor de la ACE. En condiciones normales, la angiotensina II, interacciona con el receptor AT-1, estimulando una serie de reacciones intercelulares de vías de señalización que desencadenan una serie de respuestas celulares entre las que destacan el aumento de la presión arterial, inflamación y fibrosis. Este paso puede ser inhibido por la ARA-II ya que esta molécula es un inhibidor de la angiotensina 2. 

Sin embargo, los efectos que causa la angiotensina II necesitan ser regulados y es por eso que el sistema cuenta con otra vía que provoca efectos contrarios, que pueden ser inducidos cuando se bloquea el receptor AT-1 por la acción de la ARB. En esta vía interviene la ACE2, desactivando y degradando la angiotensina II en angiotensina (1-7), que va a ser reconocida por el receptor MAS, provocando una serie de reacciones intercelulares que desarrollaran un conjunto de respuestas celulares con efecto contrario a las producidas por la vía AT1, como la bajada de la presión arterial, antiinflamación y antifibrosis (Figura 7)

La ACE2 puede degradar también la Angiotensina I a angiotensina (1-9) (el cual a su vez es transformado en angiotensina (1-7) por la ACE), pero la eficiencia catalítica de esta degradación es muy inferior que la que tiene con la degradación de la angiotensina II. (2, 20)

En segundo lugar, funciona como receptor del SARS-CoV2 y también del SARS-CoV. Como cualquier otro virus, necesita de la maquinaria de la célula para poder reproducirse y por ello necesitan entrar a la célula. En el caso del SARS-CoV2, ingresa en la célula usando ACE2 como receptor. La ACE2, detecta un dominio de unión al receptor (RBD) que contiene  al que se une a través de su dominio del extremo C-terminal (región del dominio extracelular), formándose el complejo RBD-ACE2 (28). Así es como interacciona la espícula del virus con la ACE2.

La proteína de la que proviene la espícula S del SARS-COV-2 consta de dos subunidades. En la primera (S1) se localiza el dominio RBD previamente mencionado que está relacionado con la unión al dominio receptor de la ACE2, y el reconocimiento de virus. La segunda subunidad (S2) está relacionada con la fusión de las membranas, la del virus con la de la célula diana. (Figura 8)

La entrada del virus a la célula huésped se da gracias a la interacción de la proteína S de la espícula del virus y la ACE2 y está regulada por la proteína TMPRSS2. Esta actúa como una proteasa cuando el virus se une a la ACE2. Lo que hace es cortar en un par de puntos concretos de la S2 de la espícula, de forma que se produce la fusión de las membranas, promoviendo la entrada del virus a la célula. (13, 16) (Figura 9)

La gran afinidad que tiene la unión de la espícula con el dominio extracelular de la ACE2, junto a la intervención de la proteína TMPRSS2, provoca la fusión del virus con la membrana y la entrada de éste por endocitosis. Una vez dentro, el virus libera su material genético para su respectiva replicación. El uso de la ACE2 por parte del virus hace que la ACE2 pierda su función. Por ello, la ACE2 no podrá degradar la Angiotensina II en angiotensina (1-7). Esto desencadenará, entre otras cosas, daño pulmonar vinculado con la enfermedad de la COVID-19 (21).

Por último, la ACE2, aunque en menor medida, se expresa también en el tracto gastrointestinal particularmente en los enterocitos absorbentes del íleon y el colon (15). Es por ello que, la ACE2 esta también implicada en el transporte de aminoácidos neutros del lumen intestinal al interior celular. Sin embargo, este transporte solo lo lleva acabo asociada al transportador de aminoácidos neutros dependiente de sodio (B ⁰ AT1) (10). (Figura 10)

La razón de esta función es que esta proteína surgió por duplicación y fusión de genes siendo homóloga de ACE en el dominio catalítico y de colectrina en el dominio proximal de membrana. La colectrina es una proteína que se expresa en las células del riñón y que unida a B ⁰ AT1 actúa como transportador de aminoácidos. El problema es que esta proteína no es expresa en las células intestinales y por ello, es la ACE2 unida por su dominio colectrina a B ⁰ AT1 la que lleva a cabo esa función (10).

El complejo ACE2- B ⁰ AT1 se ensambla en forma de heterodímero, uniéndose el transportador al dominio colectrina de la ACE2. Sin embargo, el transporte de aminoácidos es solamente activo cuando se une dos heterodímeros del complejo anterior (2). (Figura 11)

Uno de los aminoácidos más importante absorbidos por el complejo ACE2- B ⁰ AT1 es el triptófano. Se trata de un aminoácido esencial que incorporamos con nuestra dieta y cuyo metabolismo regula la flora intestinal (10).

4. IMPLICACIONES BIOMÉDICAS

El sistema de la ACE2 protege contra infartos miocardios, la hipertensión, la diabetes… . Pero si la ACE2 interacciona con el SARS-COV-2, queda inactiva de su función principal, provocando un mayor riesgo de sufrir dichos problemas (6).

Dentro de los dos coronavirus (SARS-COV-1 y SARS-COV-2) ha existido una diferencia en cuanto a la gravedad que se ha producido de forma general entre las personas que han sufrido un tipo u otro. Aunque tanto la evolución del SARS-COV-1 como del SARS-COV-2 está bastante relacionada, el dominio de unión con el receptor (RBD) de uno y otro es distinto. La diferencia radica en una serie de residuos de aminoácidos que son esenciales para la interacción de la espícula que aportan una mayor afinidad con la ACE2 (2). Dentro de la alteración de dichos residuos, la más destacada es una sustitución de una Valina (SARS-COV-1) por una Lisina (SARS-COV-2) (14). Esta diferencia de residuos en los dominios de unión al receptor hace que la afinidad que tienen cada virus por el receptor ACE2 cambie, y esto demuestra la diferencia de patogenicidad de un virus y otro (6, 16).

Dentro del SARS-COV-2, tampoco ha sido la misma la gravedad del virus en todas las personas. Una mayor o menor infección causada por el virus se ha podido ver determinada por numerosos aspectos, algunos de los cuales se comentan a continuación.

Por un lado, aquellos pacientes con una enfermedad cardiovascular pueden haber sufrido una enfermedad causada por el SARS-COV-2 mucho más severa ya que dicha enfermedad cardiovascular podría estar asociada con una mayor presencia de ACE2, lo que va a promover a niveles superiores la recepción del virus, y con ello una mayor gravedad de la enfermedad. Además, en estos casos se podrá desarrollar linfopenia (escasez de glóbulos blancos en la sangre) o también linfopenia acompañada de inmunosupresión, lo que va a provocar que la enfermedad sea aún más grave. Asimismo, se podrán sufrir también por estas consecuencias, aunque es algo independiente de contraer el virus, infecciones bacterianas entre otras (3). El ejemplo más claro de enfermedad cardiovascular de riesgo frente al coronavirus es la hipertensión. Los pacientes hipertensos regulan su presión arterial a través de fármacos como IECA, un inhibidores de ACE o ARA-2, un inhibidor de angiotensina 2. Estos fármacos son los responsable de un aumento de la expresión de ACE2 en las células, lo que provoca una mayor entrada del virus y gravedad de la infección (19).

Además, la unión de SARS-COV-2 con ACE2 desregula el sistema angiotensina-renina al inhibir la función de esta proteína en el sistema e impedir que la angiotensina 2 se transforme en angiotensina (1-7). Esta inhibición deriva en una aumento de la angiotensina 2 en aquellos tejidos infectados por el coronavirus lo que se traduce, entre varias consecuencias, en un aumento de la presión arterial que en los pacientes hipertensos puede traer consecuencias letales (7). (Figura 12)

Por otro lado, la diferencia en la tasa de letalidad también puede explicarse por la posibilidad que tiene el SARS-COV-2 de recombinarse activamente, pudiendo generar variantes de sí mismo a la misma vez que está infectando al huésped. Alguna de las variantes pueden ser más patógenas que otras.

Otro determinante en la virulencia del SARS-COV-2 son los factores genéticos , clínicos y medioambientales. Por ejemplo, a edad avanzada, existe una mayor probabilidad de sufrir el virus con mayor gravedad (3).

Por otra parte, en (18) se realiza un estudio que determina la que puede ser la causa de que algunos hombres sufren la enfermedad con mayor infecciosidad que las algunas mujeres. Sin embargo, no se ha visto una gran diferencia en la cantidad de ACE2 en mujeres y hombres sin la enfermedad. No obstante, en caso de tener enfermedades como la hipertensión o insuficiencia cardíaca, sí que aumenta la cantidad de niveles séricos de ACE2. Además, este aumento es mayor en los hombres que en las mujeres, posiblemente a causa de la presencia de determinadas hormonas sexuales. Esta mayor expresión de ACE2 en los hombres puede ser la causa por la que, en algunas ocasiones, la patogenicidad del virus es mayor en hombres. No obstante, esta es una hipótesis que sigue siendo estudiada. (18)

Una vez comentados algunos aspectos relacionados con el grado de gravedad de la enfermedad en distintos colectivos, a continuación nos centramos más efectos y consecuencias que pueden derivarse de la enfermedad.

Como se ha mencionado anteriormente, la ACE2 puede encontrarse en células del tracto gastrointestinal. Por lo tanto, no es sorprendente que el sistema digestivo presente un riesgo de ser infectado por COVID provocando síntomas digestivos como diarrea, náuseas, vómitos o disminución del apetito. En el estudio realizado en (5) a pacientes infectados por SARS-CoV-2, se observó que los que presentaban estos síntomas (además de los síntomas más habituales como fiebre o tos) eran los pacientes de mayor gravedad , mientras que los casos más leves se correspondían  con los síntomas más habituales.

Cabe señalar las siguiente posibles explicaciones de la aparición de estos síntomas digestivos. En el caso de las células intestinales infectadas por COVID, las ACE2 de estas pierden su función de transportador de aminoácidos al no poderse unir la proteína BºAT1 a esta. De esta forma, la absorción de aminoácidos se desregula provocando infección intestinal. En el caso del triptófano, su incorrecta absorción es lo que provoca en los pacientes de COVID la colitis grave. (10) (Figura 13)

La inactividad de transporte de aminoácidos puede resultar también en una disminución de péptidos antimicrobianos y, en consecuencia, en una alteración de la flora intestinal provocando inflamación. La flora intestinal se ha encontrado alterada en algunos pacientes con COVID-19, como una disminución de la bacteria Lactobacillus. Además, diversos estudios , entre los que cabe mencionar (19), revelaron que ACE2 también se encuentra en las células epiteliales del esófago, lo que explicaría la esofagitis causada por COVID-19 (15).

Por otro lado, se ha encontrado una relación entre el SARS-COV-2 y la hiperglucemia, que está relacionada con la mayor o menor expresión de la ACE2.

Además de en las células alveolares, la ACE2 puede encontrarse expresada en las células del páncreas, concretamente en las de los islotes. El SARS-COV-2 normalmente se une a las ACE2 de las membranas de las células alveolares pero si hay una elevada expresión de ACE2 en el páncreas, el SARS-COV-2 podrá usarlos para entrar en las células del páncreas. Ingresará en dichas células provocando una disminución de producción y secreción de insulina, dando lugar finalmente a una hiperglucemia aguda. (Figura 14)

Para finalizar, queremos comentar que una posible solución podría ser la metformina, ya que activa la AMPK, que provoca la fosforilación de ACE2 de forma que la unión del SARS-COV-2 no sea tan efectiva. Por otro lado, indicar que todo aquello que pueda provocar que la expresión de la ACE2 aumente, será inadecuado para los pacientes diabéticos que contraigan el SARS-COV-2 como se puede leer en (13).

5. CONCLUSIÓN

En este trabajo, después de analizar algunas de las referencias más importantes sobre la ACE2, se ha visto que es una proteína transmembrana que requiere la presencia del cofactor zinc para funcionar como carboxipeptidasa. Asimismo, se observa que tiene un papel fundamental en el sistema de la renina-angiotensina, en el mecanismo de entrada del SARS-CoV-2 y en el transporte de aminoácidos. También, es una proteína relevante en el ámbito biomédico por su relación con la enfermedad del SARS-CoV-2, la hipertensión y la diabetes, entre otras patologías.

6. REFERENCIAS

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(3). de León, J. D. L. P., Cárdenas-Marín, P. A., Giraldo-González, G. C., & Herrera-Escandón, Á. (2020). Coronavirus–COVID 19: Más allá de la enfermedad pulmonar, qué es y qué sabemos del vínculo con el sistema cardiovascular. Revista Colombiana de cardiología, 27(3), 142-152.          

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(29). Zhou Angela. ACE2: Targeting a Potentially Important Receptor in Disease Pathogenesis (2022). Disponible en este enlace.

Por Adalía Gómez, Lucía Devidé y Nerea Ercoreca

INTRODUCCIÓN

La ATP sintasa, también conocida como F₀F₁-ATP sintasa, es uno de los complejos enzimáticos más importantes presentes en las células de los seres vivos, ya que lleva a cabo el 90% de la síntesis de ATP en condiciones aerobias (en presencia de O2) de toda la célula.  Es el encargado de proporcionar la energía necesaria para desarrollar todos los procesos vitales, y lo hace mediante la síntesis de ATP a partir de la unión de ADP y fosfatos inorgánicos. Su nombre se debe a las dos subunidades que lo componen, que son la F0 y la F1. Ambas están unidas por un tallo central perteneciente a la F₁.  (Cano-Estrada y González-Halphen, 2011)

En general, su tamaño ronda los 371 kDa, por lo que se podría considerar bastante grande. La síntesis de ATP es posible gracias al gradiente electroquímico que se genera entre los dos compartimentos que separa la membrana en la que está insertada la proteína. Los protones van pasando desde uno de los espacios hacia otro gracias a los complejos enzimáticos pertenecientes a la cadena de transporte de electrones, de manera que cuando el proceso acaba, en uno de los dos espacios la concentración de iones es mucho mayor, generando la diferencia de potencial necesaria. Los protones, al tener carga, no pueden atravesar las membranas, así que solo pueden pasar por el camino que les deja la ATP sintasa (1).  

En cuanto a su localización, podemos encontrarla en las mitocondrias, cloroplastos y en bacterias. En las mitocondrias, se encuentra insertada en la membrana interna, en las crestas, de manera que la subunidad catalítica, es decir, la F₁, queda en contacto con la matriz mitocondrial. El NADH y del FADH2, que han sido sintetizados durante todas las rutas del catabolismo anteriores, llegan a la mitocondria y ceden tanto sus electrones como los protones, de manera que estos pasan desde la matriz mitocondrial hacia el espacio intermembrana, donde aumenta la concentración de estos iones. Una vez necesitan pasar de nuevo a la matriz, atraviesan la ATP sintasa. Su mecanismo se explicará más adelante.  

Además, cabe destacar que en las mitocondrias la ATP sintasa aparece formando un dímero en el que las subunidades aparecen muy pegadas, lo que ayuda a la formación de la membrana interna que está tan replegada en este orgánulo. Hay unas 320.000 ATP sintasas en cada mitocondria.

En el caso de los cloroplastos, los protones pasan del estroma al lumen de los tilacoides, y una vez pasan por la ATP sintasa vuelven al estroma. En las células vegetales, se trata del paso final de la fase luminosa o dependiente de la luz de la fotosíntesis, que culmina con la síntesis del ATP que se empleará más tarde en la fase oscura o no dependiente de la luz. En las bacterias. Los protones pasan desde el citoplasma al espacio entre la membrana y la pared bacteriana, y una vez atraviesan la ATP sintasa vuelven al citoplasma. Esto significa que el ATP, una vez sintetizado, se libera a la matriz mitocondrial, al estroma del cloroplasto y al citoplasma de la bacteria.  

En 1997, Paul Boyer y John Walker fueron galardonados con el premio Nobel de Química debido a la explicación que dieron sobre la síntesis de ATP gracias a la ATP sintasa. Boyer y Walker determinaron con precisión el proceso a través del cual el ADP recupera la unión con el fosfato por un enlace covalente, que es rico en energía, para formar nuevamente el ATP, proceso promovido por la presencia de H+.  

En la década de los años 70, se creó un modelo para el funcionamiento de esta enzima, que establece su estructura como tres proteínas ensambladas. Una simula una rueda, alojada en la membrana interna de la mitocondria, otra una varilla con un extremo fijo al centro de la rueda, y otra un gran cilindro que envuelve y gira alrededor del otro extremo de la varilla. El ATP se forma en tres sitios sobre el cilindro y la varilla juega un papel fundamental en la actividad catalítica.  

Paul Boyer es quien elaboró la teoría sugiriendo que los H+ hacen girar a la rueda, al pasar a través de la membrana interna de la mitocondria hacia la matriz del orgánulo. Esta rotación de la rueda implica cambios conformacionales en la proteína, y altera la conformación de los sitios en los que se produce la unión y la síntesis del ATP. Este bioquímico observó que en el caso de la ATP sintasa, se usa la energía para unir los elementos necesarios a la enzima y soltar las moléculas de ATP una vez han sido formadas. 

En 1994, Walker confirmó la teoría y mediante cristalografía se consiguió crear un mapa en escala atómica de la porción catalítica de la enzima. Esta visualización de la estructura tridimensional permitió observar mejor el funcionamiento de la enzima, y propusieron las tres conformaciones por las que pasan las subunidades catalíticas que se explicarán más adelante.  

ESTRUCTURA Y MECANISMO

Esta proteína se caracteriza por estar compuesta por dos grandes subunidades, cada una determinada por un dominio estructural distinto. Como su nombre indica, estas subunidades son la F₀ y la F₁.  

La primera de ellas es la subunidad encargada de la translocación de los protones, es decir, la encargada de la rotación de la proteína de manera que los protones pueden atravesarla. Tiene dominio transmembrana, ya que está insertada en las membranas correspondientes que ya se han explicado antes, por lo que está compuesta por moléculas hidrófobas.  En función de la especie, se pueden determinar la clase de subunidades que a su vez presenta este dominio, al igual que el número de las mismas que está presente, pero en general tenemos los siguientes.  

En primer lugar, un anillo con entre 10 y 14 subunidades de tipo C, que son proteolípidos organizados en dos cadenas hélices alfa asociadas. Destaca en su composición la presencia de un aminoácido de tipo aspartato en posición 61, que es imprescindible para el bombeo de protones. Además, encontramos dos subunidades de tipo B, que se organizan formando un puente entre las dos grandes subunidades de la proteína, y dos otras subunidades, una delta y una A, que unen el dímero de subunidades B con el resto de la proteína, la A con la unidad bombeadora y la delta con la unidad sintetizadora. Cabe destacar que los protones pasan a través de la proteína por un conducto formado en este dominio, entre las subunidades C y A.   (Domínguez-Ramírez & Gómez Puyou, 2005)

En segundo lugar, la subunidad catalítica es la encargada de la síntesis del ATP propiamente dicho, ya que se encarga de unir el fosfato inorgánico a la ADP. Este dominio está compuesto por cinco tipos distintos de subunidades (alfa, beta, gamma, delta y épsilon), que son solubles e hidrofílicas. Está en contacto con el medio interno de la mitocondria (la matriz mitocondrial), con el estroma del cloroplasto y con el citoplasma en el caso de las bacterias.  

El anillo principal está constituido por tres dímeros con subunidades alfa y beta. En el caso de la ATP sintasa, son las subunidades beta las encargadas de llevar a cabo la síntesis del ATP, no las alfa. Las subunidades beta están codificadas cada una de las tres por un gen distinto, pero una vez formadas se puede observar que los aminoácidos que las componen son equivalentes. En cuanto a las otras subunidades, gamma, delta y épsilon son las encargadas de formar el tallo que une las dos subunidades principales, y además gamma interviene en la rotación de la subunidad sintetizadora, por lo que como se explicará más adelante, modifica a las subunidades beta para que acepten el ADP.  

La acción catalizadora de esta proteína se debe tanto a un cambio conformacional en los dímeros de alfa y beta como a la rotación de la subunidad sintetizadora. Existen tres conformaciones entre las que se alternan a lo largo del proceso de síntesis de ATP. La primera se denomina E (empty, vacía), aunque también se puede denominar O (open, abierta), y es la primera, ya que todavía no tiene nada unido. Una vez se une el tanto el ADP como el fosfato, se pasa a la conformación DP o L. Cuando se está catalizando la formación de ATP, se pasa a la conformación TP o T. Una vez formado, se libera y se pasa de nuevo a la conformación E, para que pueda volver a comenzar el ciclo.  (Sánchez-Vásquez, L., & González-Halphen, D, 2017)

FUNCIÓN

Las ATP sintasas funcionan gracias a la diferencia de potencial eléctrico entre los dos lados de la membrana en la que se encuentran. Encontramos una mayor concentración de protones en el espacio intermembrana y una menor concentración en la matriz mitocondrial. En los cloroplastos, los protones de hidrógeno se acumulan dentro de los tilacoides, en lo denominado espacio mitocondrial espacio tilacoidal o lumen; y hay una menor concentración de protones en el estroma, por lo que pasarán por la atp sintasa, hacia ese espacio. A medida que los protones pasan por la atp sintetasa se produce ATP.

La Atp sintetasa permite el paso de protones del espacio intermembrana a la matriz. Cuando entra un protón en la atp sintetasa se une a una de las proteínas de C12 y saldrá cuando esta haya completado una vuelta entera. Las proteínas gama y espriol tmb giran y se produce la catálisis rotatoria. Esto produce la síntesis de atp

Cuando entra un protón en la ATP sintasa se une a las proteínas C12 (de f0). Cuando el protón atraviesa el anillo c, la F0 gira 120 grados. Las proteínas gama y épsilon también giran y se produce la catálisis rotatoria. Al producirse esta rotación, esto hace que cambie la conformación de la subunidad beta. Como ya se ha mencionado anteriormente en la estructura, la atp sintasa cuenta con 3 estados (el estado L, T y O). En el estado L (libre), en la subunidad beta se encuentran tanto ADP como el P; pero al pasar el protón, se produce la rotación y la atp sintasa pasa al estado T (tensa). En el estado T aumenta la afinidad de la proteína beta con el atp por lo que se produce una fosforilación de ADP y el P. Cuando entra otro protón en la atp sintasa, se produce una rotación, y pasa del estado T al estado O (open, abierto). El estado O o E tiene menos afinidad por el ATP y lo suelta a la matriz mitocondrial en el caso de las mitocondrias; al estroma en el caso de los cloroplastos y al citoplasma en el caso de las bacterias.(García Bermúdez, 2015)

Cuando el estado O libera el ATP, al mismo tiempo se produce la unión de un nuevo ADP y P. En una rotación de 120 grados se produce un ATP y en una rotación entera se producen 3 ATP (120×3=360)

En este proceso se ha podido observar que la ATP sintetasa transforma la energía del gradiente de protones en la energía química que se acumula al formar los enlaces del ATP.                                   La ATP sintetasa permite que se mantenga el equilibrio eléctrico y se obtiene energía.

EL PAPEL BIOMÉDICO DE LA ATP-SINTASA

Como ya se ha mencionado, la ATP-sintasas desempeña un papel fundamental en la producción de ATP. Pero ¿Qué pasaría si su funcionamiento se viera alterado?, lo primero en lo que pensaríamos sería que no produciríamos tanto ATP y ¿esto cómo afectaría a nuestro organismo? Para empezar, se reducirían nuestros niveles de energía y no podríamos realizar funciones básicas, por ejemplo, no podríamos crear nuevas proteínas, el corazón no podría bombear la sangre, tampoco seriamos capaces de caminar o hablar, etc.

Desde un punto de vista bioquímico, una disminución del ATP provoca acidosis láctica, ya que la disminución de ATP hace que la relación de NADH: NAD aumente y, según el principio de Le Châtelier, el equilibrio de la reacción se desplaza hacia el lactato. La acidosis láctica es conocida por provocar una disminución de la tensión arterial y del número de moléculas de O2 que llegan al cuerpo.

Una solución que se han investigado con el objetivo de que los niveles de ATP no se reduzcan es la conocida cómo: ‘la técnica de los tres padres’. Con este mecanismo se busca evitar que se transmitan mutaciones que pueden afectar a la producción de ATP. Su funcionamiento es el siguiente, se mezcla el núcleo del ovulo de una portadora con el óvulo de una donadora sana y se obtendría un hijo sano. Se emplean óvulos y no espermatozoide porque la mitocondria, orgánulo en el que se encuentran las ATP-sintasas, procede del ADN materno.

No obstante, la ATP-sintasas también está relacionada con la medicina de otras maneras que no implican una reducción de los niveles de ATP.Una de ellas es el envejecimiento. Durante la respiración mitocondrial, una parte de los electrones que van desde los sustratos hasta el oxígeno en la cadena respiratoria reacciona con el oxígeno molecular produciendo O2. También se produce NO a partir deóxido nítrico sintetasa, un electrón no apareado y un radical libre de oxígeno y nitrógeno. Una gran acumulación de estos dos radicales es lo que acelera el envejecimiento, pues produce daños en grandes moléculas, ya que estos dos compuestos dan lugar al radical HO, el cual es un oxidante muy reactivo, capaz de extraer un átomo de hidrógeno de los ácidos grasos insaturados de las membranas celulares y de las bases púricas y pirimidínicas de los ácidos nucleicos. Esto da lugar a radicales alquilo y, en el caso de los ácidos nucleicos, estos radicales se dimerizan. No obstante, en el caso de los ácidos grasos, los radicales dan lugar a reacciones que adicionan O2, que originan radicales peroxilo y, cuando hay una nueva extracción de hidrogeno, se produce un hidroperóxido y un nuevo radical alquilo. A este proceso se le conoce como peroxidación lipídica y lleva a una pérdida de función de las membranas. »Envejecimineto mitocondrial» (Boveris et al., 2000)

Otra relación que tiene la ATP-sintasa con las enfermedades es el cáncer, pues estudios recientes confirman que en la gran mayoría de células tumorales se encuentra un compuesto conocido como ALDH1A3 (se trata de un biomarcador de este tipo de células y guarda una relación con la resistencia a quimioterapia y la metástasis).El mismo estudio ha descubierto que al ALDH1A3 está unido el ATP y que este compuesto actúa como un inhibidor reversible de ALDH1A3.De esto deducíamos que una determinada cantidad de ATP sintetizado se relaciona con la cantidad de células neoplásicas. «Structural and biochemical evidence that ATP inhibits the cancer biomarker human aldehyde dehydrogenase 1A3.» (Castellví, Albert, et al. 2022)

Referencias

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Boveris, A., Costa, L. E., & Junqueira, V. B. (2000). Envejecimiento mitocondrial. Ciencia e Investigación, 3(1), 13-23.

Cano-Estrada, A., & González-Halphen, D. (2011). F1F0-ATP Sintasa y sus diferencias estructurales. Revista de Educación Bioquímica, 30(3), 98-108.

Castellví, Albert, et al. «Structural and biochemical evidence that ATP inhibits the cancer biomarker human aldehyde dehydrogenase 1A3.» Communications Biology 5.1 (2022): 354.

Domínguez-Ramírez, L., & Gómez-Puyou, M. T. D. (2005). La F 1 F 0 ATP sintasa: un complejo proteico con gran versatilidad estructural y funcional. TIP. Revista especializada en ciencias químico-biológicas, 8(1), 18-27.

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Sánchez-Vásquez, L., & González-Halphen, D. (2017). Topología y función de las subunidades intrínsecas de la membrana de las F 1 FO-ATP sintasa mitocondriales. TIP. Revista especializada en ciencias químico-biológicas, 20(2), 29-47.

Pawel Kocieda Aleksandrowicz, Luna María Ortiz García. Biología Sanitaria. UAH

INTRODUCCIÓN

La fotosíntesis oxigénica es el principal método de conversión de la luz solar en energía química en la Tierra, y es catalizada por cuatro complejos de proteínas de membrana distintos: el fotosistema I, fotosistema II, el complejo citocromo b6f y la F-ATPasa. Aquí nos vamos a centrar en el primero de estos. 

El fotosistema I, conocido también por P700 o PSI, es uno de los dos fotosistemas presentes en la membrana tilacoidal de los cloroplastos que se encargan de absorber los fotones de la luz y transformar la energía luminosa en energía química para llevar a cabo la fotosíntesis. Funciona como una plastocianina/ferredoxina oxidorreductasa dependiente de la luz, y genera un complejo molecular extremadamente reductor.

ESTRUCTURA

Pigmentos Fotosintéticos:

Antes de comenzar a explicar las unidades funcionales que componen el fotosistema, es importante mencionar el papel indispensable de los pigmentos fotosintéticos (que son los componentes básicos ambos fotosistemas existentes). Estos son lo que hacen posible la fotosíntesis, estando encargados de captar la energía luminosa. 

¿Y cómo actúan los pigmentos?

Cuando un fotón impacta con un electrón de un pigmento fotosintético, éste electrón se excita a un nivel de energía superior; a una posición más alejada del núcleo. Cuando la molécula de pigmento vuelve a su estado de reposo, cede la energía a otra molécula de pigmento vecina. Esto es lo que ocurre en el pigmento antena (que detallaremos más adelante).

La energía recogida se transmite de un pigmento vecino a otro hasta que llega a una clorofila (primer dador de electrones), cuyo electrón no volverá a su estado de reposo sino que será dado a otra molécula (denominada primer aceptor de electrones).

Los pigmentos más importantes de los fotosistemas son las clorofilas (clorofilas a y b) que le otorgan su caracteristico color verde; aunque encontramos también pigmentos secundarios como los carotenoides como β-caroteno (de color rojo), xantofilas (de color amarillo), etc. Éstos absorben luz de longitud de onda diferente a las clorofilas (lo que a su vez explica su distinta coloración). 

Complejo Central: 

El complejo central es la localización de la gran mayoría de moléculas de pigmento, que se encuentran formando una red de pigmentos antena que absorben la energía de la luz y la transfieren al centro de reacción.

Está compuesto por 14 subunidades, de las cuales PsaA y PsaB son las que se unen al complejo de reacción P700; es decir, las dos moléculas especiales de clorofila a del centro de reacción se sitúan en el heterodímero PsaAB. 

Además del par especial, el dímero PsaAB contiene una serie de portadores electrónicos individuales: A₀ , A₁  y F_x . A₀  es una molécula específica de clorofila a que acepta un electrón energizado de P700 y lo transfiere a A₁ , que ya se identificó como una filoquinona (vitamina K1). Luego, el electrón se transfiere de A₁ a una serie de centros de hierro-azufre (Fx , FA  y FB ). 

Este proceso lo volveremos a mencionar de nuevo cuando desarrollemos el centro de reacción P700, y de manera muy breve en la fotofosforilación acíclica.

Complejo LHC (Light Harvesting Complex): 

Además de las clorofilas presentes en el interior del complejo central, el fotosistema está equipado con un sistema antena periférico, que consiste en un conjunto de proteínas y pigmentos fotosintéticos adicionales que contribuyen a la absorción eficiente del espectro visible de la luz y transfiere energía al centro de reacción.

A nivel estructural, este complejo está conformado por cuatro subunidades que se repiten, denominadas LHCa 1-4, que son polipéptidos que se unen al cuerpo central del fotosistema por los pigmentos de éste y se disponen formando como una media luna.

Centro de reacción P700: 

Denominado así porque capta la luz cuya longitud de onda es menor o igual a 700 nanómetros, está constituido por un par de moléculas de clorofila a que se excitan cuando la energía procedente de los pigmentos antena llegan a ellas. 

Cuando esto ocurre, tiene lugar la formación de un estado excitado extremadamente reductor, P700*. Al tener un potencial electroquímico tan negativo (aprox. -1.4 V), es capaz de transferir electrones a través de una cadena de transportadores compuesta por los portadores del dímero PsaAB( A₀ , A₁  y F_x). 

A₀ transfiere un electrón a una molécula de filoquinona (Qk o vitamina K1), provocando que ésta se reduzca y forme quinol, que se reoxida transfiriendo el electrón a una cadena de centros hierro-azufre (Fe-S). Al final éste electrón es cedido a la ferredoxina, una pequeña proteína con hierro-azufre externo al complejo PSI. 

Este proceso de transferencia de electrones termina con la actuación de esta última molécula, que llevará a cabo la reducción del NADP⁺ a NADPH.

PROCESOS DE LA FOTOSÍNTESIS EN LOS QUE INTERVIENE PSI

Conocida la estructura y los procesos internos que se llevan a cabo en este complejo supramolecular, el cual es esencial para que se lleve a cabo la fotosíntesis oxigénica (dada en plantas superiores y algas verdes, entre otros organismos), pensamos: ¿cómo y cuándo interviene PSI en la fotosíntesis?

El fotosistema I solamente interviene en la fase luminosa de la fotosíntesis. A su vez, dependiendo del tipo de fase luminosa que se lleve a cabo, el complejo actúa de diferente manera:

Fotofosforilación Acíclica

En este proceso interviene el fotosistema II acoplado al fotosistema I. No nos vamos a parar en la finalidad de este tipo de fotofosforilación, sino únicamente en la función realizada aquí por el complejo que estamos estudiando.

Cuando incide la luz sobre el PSI, los pigmentos antena de éste se excitan a un estado energético mayor y transmiten esa energía por resonancia hasta llegar al centro de reacción, que contiene un pigmento diana (la clorofila a P700), la cual pierde dos electrones. Estos electrones pasan por una cadena de cofactores: primero son transmitidos a la filoquinona, que queda totalmente reducida. Ésta va a entregar estos electrones a los diferentes complejos de hierro-azufre de forma escalonada, para que ellos los transfieran a la ferredoxina (el electrón se cede a la ferredoxina por el último centro Fe₄S₄), una pequeña enzima que cataliza la reducción del NADP+ para formar NADPH.

El pigmento diana recupera esos electrones perdidos (para llevar a cabo este proceso múltiples veces) por la plastocianina, que cede al fotosistema los dos electrones procedentes del citocromo b6f.

Fotofosforilación Cíclica

En este proceso solo interviene el PSI. Como no interviene el fotosistema II, únicamente se obtiene ATP del flujo de electrones y no se forman ni NADPH ni O₂.

Se lleva a cabo de la siguiente manera: los electrones son elevados desde la clorofila P700 hasta el aceptor de electrones primario del fotosistema, pero no siguen la serie de portadores electrónicos que llevan al NADP+, sino que se desvían hacia la cadena de transporte de electrones que conecta a los fotosistemas I y II, y continúan cuesta abajo por esa cadena volviendo a la clorofila P700. En este recorrido se produce ATP.

El fotosistema I capta un fotón que permite la liberación de un electrón del centro de reacción P700, el cual es cedido a la clorofila A₀, luego a la filoquinona (Q), y por último a la ferredoxina (Fd). Esta última molécula cede el electrón al complejo b6f, donde se produce suficiente energía para transportar los H⁺ en contra del gradiente electroquímico, y producir ATP como en la fotofosforilación acíclica. El complejo b6f cede los electrones a la plastocianina, que los lleva hasta el hueco dejado en el P700, para que puedan volver a ser excitados por un fotón y reiniciar la fotofosforilación cíclica.

IMPLICACIONES BIOTECNOLÓGICAS

En el mundo moderno hay una gran necesidad de nuevas formas de nuevas fuentes energéticas de orígenes limpios y renovables. Uno de los métodos más comunes es la utilización de la luz solar, que produce 175.000 TJ (terajulios) de energía fotónica al año, por medio de paneles solares. Sin embargo, estos tienen otros efectos medioambientales, pues la obtención de los materiales necesarios para producirlos es muy contaminante.

Una alternativa que está en desarrollo es la utilización de procesos fotosintéticos para obtener energía, para lo cual las propiedades del Fotosistema I son muy útiles. No sólo presenta capacidad de producir gran poder reductor (el mayor que se puede encontrar en la naturaleza); sino también se puede encontrar en grandes cantidades, es fácil de purificar y no es tóxico en ninguna manera. Además, debido a la diversidad de especies fotosintéticas, algunas presentan variaciones del Fotosistema I con diferentes propiedades que pueden ser beneficiosas. Por ejemplo, el Fotosistema I de T. elongatus es muy termoestable.

Sin embargo, existen problemas a la hora de utilizar FSI en producción energética. Pese a que su eficiencia ha estado aumentando continuamente, esta es aún relativamente pequeña comparada a la de métodos fotovoltaicos tradicionales. Esto se debe a factores propios del FSI, como su limitación en el espectro de luz que puede absorber o la poca superficie que cubre de los electrodos, pero también a que es una rama de investigación relativamente reciente y poco desarrollada. 

Aún así, cabe esperar que con el tiempo la utilización del fotosistema I será más y más viable conforme se perfeccione el proceso, permitiéndonos producir energía verdaderamente verde.  

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