Leis et investigare - Universidad Nacional de Quilmes

Leis et investigare
La bioquímica del estudiante
Eugenio Cálcena  Mariana Capello  Diego Ferrero
Florencia Iulita  Juliana Leone  Andrea Lo Ré
Andrés Romanowski
Sandra Goñi  Mario Lozano
Coordinadores
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SERIE DIGITAL
Ciencia y Tecnología
UNQ Editorial SERIE DIGITAL Ciencia y Tecnología
Universidad Nacional de Quilmes
Rector
Daniel Gomez
Vicerrector
Jorge Flores
Editorial
Serie Digital
Directores
Mariano Belaich, Departamento de Ciencia y Tecnología
Margarita Pierini, Departamento de Ciencias Sociales
Editor
Rafael Centeno
ISBN 978-987-558-229-3 libro electrónico
2007
autores
Eugenio Cálcena. Licenciado en Biotecnología. Becario (conicet) de doctorado Fundación Pablo Cassará (Laboratorio de
Biotecnología Vegetal). Cursó la materia Bioquímica II durante el primer cuatrimestre del año 2004.
Mariana Capello. Licenciado en Biotecnología. Becario (conicet) de doctorado Fundación Pablo Cassará (Laboratorio de
Biotecnología Vegetal). Cursó la materia Bioquímica II durante el primer cuatrimestre del año 2004.
Diego Ferrero. Estudiante del último año de la Licenciatura en Biotecnología. Tesista en el Instituto Leloir (Laboratorio Dr.
Wolosiuk). Cursó la materia Bioquímica II durante el segundo cuatrimestre del año 2005.
Florencia Iulita. Estudiante del último año de la Licenciatura en Biotecnología. Pasantía laboral en el Instituto de Oncología
“Ángel H. Roffo” (Unidad de Transferencia Genética). Cursó la materia Bioquímica II durante el segundo cuatrimestre del
año 2005.
Andrea Lo Ré. Licenciado en Biotecnología. Becario (ancyt) de doctorado uba (Laboratorio de Fisiología Digestiva, Facultad
de Medicina). Cursó la materia Bioquímica II durante el primer cuatrimestre del año 2004.
Andrés Romanowski. Licenciado en Biotecnología. Becario (conicet) de doctorado
Cursó la materia Bioquímica II durante el segundo cuatrimestre del año 2005.
unq
(Laboratorio de Cronobiología).
coordinadores
Sandra Goñi. Licenciada en Biotecnología. Becaria de doctorado unq (área temática virología humana). Profesor instructor
del Área de Bioquímica de la unq, docente de la asignatura Bioquímica II.
Mario Lozano. Doctor en Ciencias Bioquímicas de la Facultad de Ciencias Exactas de la unlp. Director del Departamento de
Ciencia y Tecnología de la unq. Profesor Asociado del Área de Bioquímica de la unq, docente de la asignatura Bioquímica
II.
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Índice
Presentación, por Sandra Goñi y Mario Lozano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Introducción, por Mariano N. Belaich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Algo más que orina... Alteraciones en el ciclo de la urea, por Florencia Iulita
y Diego Ferrero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
La otra cara del glutamato. ¿Qué ocurre entre las neuronas y los astrocitos?,
por Juliana Leone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
¡Calmemos el dolor! Efectos de los antiinflamatorios no esteroides sobre
la enzima ciclo-oxigenasa, por Andrea Lo Ré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Evolución en acción: el caso de las babosas fotosintéticas,
por Andrés Romanowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Condiciones de vida extrema: organismos que viven de metano,
por Mariana Capello y Eugenio Cálcena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
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Presentación
La palabra leer derivó de la base indoeuropea leis (sendero, camino), y según muchos lingüistas lleva implícita la noción de “ganar experiencia siguiendo un camino”.
La palabra investigar proviene del verbo latino investigare, con lo que alude a la
acción de buscar, inquirir, indagar, seguir vestigios o la pista o la huella a alguien o de algo,
averiguar o descubrir alguna cosa. Así, el significado etimológico nos indica la actividad
que nos conduce al conocimiento de algo.
El curso de Bioquímica II constituye una de las primeras asignaturas que deben cursar los alumnos de la Licenciatura en Biotecnología luego de haber recorrido la
Diplomatura en Ciencia y Tecnología de la Universidad Nacional de Quilmes. Al aprobar
esta materia, se espera que los alumnos manejen conceptos esenciales del metabolismo
intermediario y de la acción hormonal, en particular, las formas en que una célula obtiene,
reserva y utiliza la energía necesaria para soportar su vida.
En esta asignatura, además del aprendizaje del conocimiento específico, se busca
incentivar en los estudiantes la práctica del método científico y la actualización bibliográfica constante. También, se procura discutir el rol que un profesional formado en una universidad pública debería jugar en la sociedad, no solo como agente responsable dentro
del sistema de salud o de producción, sino también como decodificador de los nuevos
paradigmas biológicos que se le ofrecen al público desde los medios de comunicación.
Una situación que se plantea frecuentemente con los alumnos, es la de ponerse en el
lugar de necesitar transmitir a la sociedad, con rigurosidad, las ventajas y los riesgos
potenciales que conlleva la aplicación de nuevas tecnologías, como por ejemplo la utilización de los nuevos fármacos en tratamientos antivirales o antitumorales.
En definitiva, esperamos que el estudio de la asignatura, inmersa en el descubrimiento de los avances científicos, genere en nuestros alumnos el mismo entusiasmo que
en nosotros mismos. Despertar ese interés es el principio para una adecuada ejecución
de la tarea educativa. La bioquímica, como toda ciencia establecida, es explicada y comprendida a partir de conceptos fundamentales. Es importante destacar que estos principios fundamentales articulan e integran con todos los niveles de la biología, desde la
estructura y función de las moléculas sencillas y de las macromoléculas hasta los proce-
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sos centrales del funcionamiento de la célula a nivel molecular o la fisiología de los organismos, la evolución y las interacciones ecológicas.
De nada serviría actualizar contenidos en las ciencias biológicas si estos fueran a
quedar obsoletos al cabo de pocos años. El ritmo de los descubrimientos es tal que aun
el científico profesional tiene dificultades serias para mantenerse informado en todo el
campo de interés. Solo una gran capacidad de lectura y la curiosidad natural de los investigadores permite que permanezcan actualizados. Es por ello que proponemos generar
entre los estudiantes de este curso el entusiasmo y la curiosidad necesaria para estimularlos a un desarrollo continuo de adquisición de nuevos conocimientos. Para llevar a cabo
este propósito, es importante brindarles herramientas específicas que les permitan entender literatura periódica especializada y un entrenamiento básico acerca de como acceder
a ella. Para ello, se pueden aprovechar las ventajas de las profundas transformaciones en
las comunicaciones que ocurrieron como consecuencia del advenimiento de la red mundial de sistemas de computación y la existencia de bases de datos accesibles al público
en general.
Un aspecto fundamental de este sistema consiste en lograr la ejercitación de la imaginación de los estudiantes tendiendo a una interpretación lo más libre posible de todo
preconcepto. De esta manera, las diferentes ideas, cada una constituyendo una interpretación más de la realidad empírica, serán sometidas a discusión en clase y serán aceptadas o no de acuerdo a su coherencia con los resultados obtenidos. El espíritu que guía el
proceso de enseñanza y aprendizaje debería fundarse en las siguientes premisas:

Cualquier hecho experimental puede ser explicado de manera racional.

Cualquier teoría es solo la interpretación de una serie de hechos y, por más
robusta que haya resultado a través de la historia, es imposible comprobarla fehacientemente.

Todas las teorías que permiten la explicación de un hecho en particular no han
sido necesariamente formuladas.

El conocimiento de una ciencia puede adquirirse a través del estudio, la expe-
riencia y la observación.

El estudio enciclopedista no asegura la adquisición de conocimiento.
Es a partir de estas premisas que proponemos en nuestro esquema de asignatura,
entre otras actividades, la confección de una monografía, de manera tal que el alumno
comience a indagar, a interesarse por un tópico específico estrechamente relacionado con
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la materia, realizando búsquedas bibliográficas en revistas especializadas, familiarizándose con la escritura científica.
En definitiva creemos que, además de la adquisición de los conocimientos transferidos durante el curso, es sumamente importante rescatar la motivación que se genera en
los alumnos, en la lectura e investigación, ya sea a partir de inquietudes, de dudas establecidas previamente, o del interés en un tema aprendido recientemente.
SANDRA GOÑI, MARIO LOZANO
Coordinadores
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Introducción
Un estudiante a lo largo de su carrera universitaria recibe un volumen enorme de información. Muchos datos y herramientas quedan en el olvido, pero otros tantos terminan definiendo modos de pensar y hacer, y esos son los que definen a un profesional.
Sin embargo, el alumno durante el proceso educativo no es solo un actor pasivo,
sino que muchas veces él es el responsable de la recopilación y generación de la información, transformando al docente en el receptor de nuevos contenidos. Así, el estudiante es quien se transforma en académico y realiza una producción, tal vez una de las
primeras de su carrera, alimentando el círculo de la enseñanza. Siguiendo esta línea de
razonamientos, la relación docente/alumno para ser optimizada no debería manejarse en
un escenario vertical, sino que sería mejor una aproximación horizontal reversible, y a su
vez interconectada con otros protagonistas, de la misma manera que cualquier reacción
química del metabolismo de nuestras células.
En esta ocasión, el punto central que nos reúne es precisamente el trabajo monográfico realizado por estudiantes de una asignatura del ciclo superior de la carrera
Licenciatura en Biotecnología de la Universidad Nacional de Quilmes. Y cuando mencionamos trabajo monográfico, estamos diciendo, lectura intensa del estado del arte sobre
un tema particular, análisis de dichos contenidos, y perspectivas posibles de acuerdo a los
caminos planteados por los científicos que trabajan en el área correspondiente.
Cuando ustedes lean los artículos de esta publicación, encontrarán diferentes
aspectos de la bioquímica celular, de las redes de reacciones que construyen nuestros
cuerpos. Y aunque esto pueda parecer complejo o aburrido, el análisis del metabolismo
celular es un factor clave para entender, prevenir, diagnosticar y tratar muchas de las
enfermedades que nos aquejan. Cuando recurrimos al médico por una revisión general o
por un malestar de origen desconocido, siempre nos sometemos a diferentes análisis clínicos que intentan inmiscuirse en nuestros fluidos para detectar los niveles de muchos
compuestos y proteínas. Y las cantidades de los mismos serán quienes nos ubicarán en
el estado de enfermedad o de salud.
Siguiendo las premisas anteriores, Florencia Iulita y Diego Ferrero nos introducen
en el metabolismo de la urea, una sustancia clave en la composición de la orina y un indi-
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cador importante para la detección de anomalías en el funcionamiento de nuestros cuerpos. Como los autores nos relatan, distintas alteraciones en las rutas metabólicas implicadas con la urea, pueden ser serios desencadenantes de síndromes complejos que alteran
de modo significativo la calidad de vida del ser humano.
Juliana Leone, en tanto, se involucra con otra sustancia de gran importancia, el glutamato. Este compuesto es uno de los aminoácidos que componen las proteínas, macromoléculas biológicas protagonistas en el metabolismo celular y por ende, en la construcción
de la materia viva tal cual la conocemos. Pero además, esta molécula cumple un rol clave
en el metabolismo del nitrógeno y se constituye como uno de los neurotransmisores más
importantes del sistema nervioso central. Precisamente este último aspecto es el foco del
capítulo elaborado por Juliana, y es sorprendente descubrir cuán útil y necesario es un
señalizador para que todo se encuadre en la tan ansiada normalidad.
Cambiando un poco el eje sobre el cual analizar el metabolismo celular, Andrea Lo
Ré nos introduce en el mundo de los analgésicos. El dolor, reacción biológica conocida y
poco deseada por el ser humano, siempre fue un enemigo a ser enfrentado. Y como cualquier respuesta de naturaleza biológica, también su desarrollo puede ser estudiado a través del metabolismo, y sobre todo, atacado mediante sustancias extracorpóreas que
modifican las reacciones químicas que suceden en nuestros tejidos; como la milagrosa y
muy conocida aspirina. Así, una alteración metabólica puede ser el origen de una enfermedad, pero también una manera de corregir un efecto biológico como el dolor.
Andrés Romanowski nos conduce hacia otro aspecto central del metabolismo y crucial para el éxito de la vida en el planeta Tierra, la evolución. El ambiente que nos rodea
también nos condiciona y hace que algunos organismos tengan mayor aptitud que otros
en el juego de la supervivencia. Y es el metabolismo celular, la expresión manifiesta de los
genes, el responsable de interactuar con el entorno para así permitirse que suceda la
selección natural. Andrés nos introduce en un tipo de organismos sorprendentes, animales que se alimentan a través de fotosíntesis como si fuesen vegetales. Algo que suena
muy raro, pero los caminos evolutivos de la vida no tienen trazos marcados, solo sabemos
que avanzan.
En el mismo contexto anterior, Mariana Capello y Eugenio Cálcena finalizan este
volumen con un trabajo centrado en cómo, luego de milenios de evolución, la vida logró
adaptarse a condiciones ambientales extremas. Las altas temperaturas, la desecación, el
frío intenso, la radiación y un sinnúmero de otras condiciones adversas no son impedimentos para que la vida triunfe. Y esto es gracias a que el metabolismo de esos organismos
puede soportar y aprovechar tales contratiempos y así colonizar nichos que uno conside-
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raría estériles. De hecho, quizás esos lugares son firmes recuerdos del origen de la vida
en la Tierra.
Los invito, queridos lectores, a sumergirse en el fascinante mundo del metabolismo;
a entender su importancia, a descubrir sus misterios y a intentar mejorar, a través de su
atenta observación, nuestra calidad de vida. Como han explicado Sandra Goñi y Mario
Lozano, necesitamos leer e investigar. Solo así podremos aprovechar el uso de la inteligencia racional, una maravillosa capacidad que nuestra especie ha conseguido luego de
milenios de evolución, como nuestra principal arma para enfrentar cualquier adversidad
que obstaculice nuestro camino. En consecuencia, lograremos sobrevivir, el fin último que
persigue la materia que nos anima, el destino inquebrantable que nos ha llevado a transformarnos en el organismo dominante de este pequeño punto azul enclavado en un
inmenso mar de oscuridad.
MARIANO N. BELAICH
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Algo más que orina... Alteraciones en el ciclo de la urea:
deficiencia de ornitina transcarbamilasa
Florencia Iulita
Diego Ferrero
INTRODUCCIÓN
Importancia de los sistemas de excreción de nitrógeno
El amonio, producto del catabolismo de aminoácidos, es una molécula muy tóxica para
algunos organismos. No solo su concentración en las células se mantiene a niveles bajos,
sino que el proceso evolutivo permitió la selección de aquellos con capacidad de eliminarlo cuando se encuentra en exceso. Es así como podemos agrupar a los organismos según
el mecanismo de excreción de nitrógeno que utilicen. Se denominan amonotélicos a los
que eliminan directamente amonio, como los microorganismos y muchos animales acuáticos. En cambio, aves y reptiles se clasifican como uricotélicos porque eliminan ácido
úrico. La mayoría de los vertebrados terrestres convierten el amonio en urea, razón por la
cual son conocidos como ureotélicos.
La urea es un producto de excreción menos tóxico que el amonio y además, es muy
soluble en agua, lo que le permite ser transportada en la sangre desde el hígado hacia los
riñones, donde se excreta en forma de orina. Esta característica la diferencia del ácido
úrico, cuya solubilidad en agua es considerablemente menor y precipita con formación de
cristales.
La conversión de amonio a urea implica parte de la ruta biosintética del aminoácido
arginina; la serie de reacciones involucradas se conocen como ciclo de la urea. Solamente
cinco enzimas, ubicadas en distintos compartimentos celulares, son las encargadas de llevar a cabo a esta conversión. La enzima ornitina transcarbamilasa (OTC) cataliza la condensación de ornitina con carbamil fosfato para producir citrulina en las mitocondrias
hepáticas. El anhídrido en el carbamil fosfato provee la energía necesaria para impulsar
la reacción. El aminoácido citrulina se transporta al citosol, donde continúan el resto de las
reacciones del ciclo (Figura 1).
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Figura 1. Esquema del ciclo de la urea que muestra la compartimentalización de las reacciones
CPSI: carbamil fosfato sintetasa I; OTC: ornitina transcarbamilasa; ASS: argininosuccinato sintasa; ASL: argininosuccinato liasa; ARGasa: arginasa (no se incluyen cosustratos como ATP).
Cada vuelta del ciclo consume dos moléculas de nitrógeno, una de dióxido de carbono y
cuatro equivalentes de ATP. A su vez, una molécula de ornitina se regenera y el único compuesto que se produce neto es la urea.
Para explicar la transferencia de los átomos de nitrógeno desde el aspartato a la
urea, se considera la capacidad de esta vía de funcionar en conjunción con el ciclo de
Krebs (TCA), en una ruta acoplada conocida como “bi-ciclo de Krebs”.
El fumarato producido en el ciclo de la urea es el vínculo entre ambas rutas: se
hidrata a malato, el cual se oxida a oxalacetato, a expensas de NAD+. Este compuesto
puede tener tres destinos: participar en el ciclo de Krebs si condensa con una molécula
de acetil-CoA para formar citrato, utilizarse en la ruta gluconeogénica para formar glucosa o, por último, transaminarse para regenerar el aspartato.
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De los dos átomos de nitrógeno involucrados, uno proviene del amonio que se
incorpora al carbamil-fosfato. El otro tiene su origen en el α-amino del aspartato. Dado que
las enzimas aspartatotransaminasa y glutamato deshidrogenasa son abundantes en las
mitocondrias hepáticas y que catalizan reacciones reversibles –cercanas al equilibro– se
considera que el glutamato es la fuente común de los nitrógenos de la urea.
Cuando existe un exceso de amonio, el sistema procede hacia la síntesis de glutamato. Esto conduce a un incremento proporcional en la concentración de aspartato. En
cambio, cuando el exceso se encuentra a nivel de este aminoácido, los nitrógenos que se
liberan se dirigen hacia la síntesis de carbamil-fosfato.
Enfermedades relacionadas con deficiencias en el ciclo de la urea
El estado de salud de una persona sana (genotipo normal) es consecuencia de un equilibrio bioquímico dinámico (homeostasis) cuyo mantenimiento requiere la transformación de
sustratos en productos, principalmente mediante las actividades de enzimas. Los errores
congénitos del metabolismo (EGM) se originan debido a una anormalidad genética que se
manifiesta por una deficiencia cualitativa o cuantitativa del producto de traducción de los
genes, por ejemplo, una enzima. En consecuencia, la transformación de sustrato a producto se lleva a cabo de manera insuficiente; el primero se acumula, lo que da origen a
signos tóxicos. En cambio, la falta total o parcial del segundo es la causante de los síntomas deficitarios. El desequilibrio bioquímico que resulta se traduce en un fenotipo anormal: la enfermedad.
En el caso de las enfermedades causadas por defectos en el ciclo de la urea (UCD,
Urea Cycle Disorders), el nitrógeno se acumula en forma de amonio, el cual llega al cerebro a través de la sangre donde puede causar un daño irreversible o incluso la muerte.
Esta patología, producto de los elevados niveles de amonio (hiperamonemia), se conoce
como encefalopatía hepática (HE). Se estima que la incidencia de este tipo de enfermedades –UCD– es 1 de cada 10.000 nacimientos y se identifica principalmente en recién
nacidos o en niños, y rara vez en adultos.
Objetivos
–Presentar los efectos de una deficiencia cualitativa o cuantitativa en la enzima OTC
sobre el sistema nervioso central (CNS, por sus siglas en inglés).
–Describir los mecanismos de toxicidad del amonio en exceso.
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BASES GENÉTICAS Y MOLECULARES DE LA DEFICIENCIA EN LA OTC (OTCD)
Se han descripto cinco enfermedades relacionadas con el ciclo de la urea, las cuales se
vinculan con cada una de las enzimas del ciclo. Todas estas enfermedades se heredan
como genes recesivos autosómicos, es decir, cada progenitor contribuye con uno de los
genes defectuosos.
La única enfermedad con un patrón de herencia distinto es la que surge debido al
mal funcionamiento de la enzima OTC. Hay tres maneras de adquirirla. Dos de ellas son
heredables y se vinculan con el brazo menor del cromosoma X (Xp, banda 21.1) aportado
por la madre o por el padre. La otra surge debido a una mutación de novo, que ocurre únicamente en el feto. Esta enfermedad es de las más comunes entre las relacionadas con el
ciclo de la urea; su prevalencia es de 1 en 40.000 a 1 en 80.000 recién nacidos vivos.
La presentación de la enfermedad es diferente entre varones hemicigotas1 y mujeres heterocigotas. En el 60% de los primeros, la OTCD condiciona la aparición temprana
(primeros días o semanas de vida) de una crisis metabólica severa que se produce debido a la hiperamonemia (HA) seguida por los siguientes síntomas: rechazo al alimento,
vómitos, letargia, convulsiones, hiperventilación y otros trastornos respiratorios. Si el
enfermo no es tratado a tiempo, entra en coma y muere.
Las mujeres heterocigotas, en general, son asintomáticas o desarrollan manifestaciones leves. Las descompensaciones neonatales no son comunes y los síntomas aparecen en la infancia tardía o en la adolescencia temprana dependiendo del contenido
proteico de la dieta. Cuando la enfermedad se manifiesta en la adultez, los síntomas suelen ser psiquiátricos o neurológicos (crisis de náuseas asociadas con cefaleas, ataxia,
confusión y, a veces, alucinaciones y trastornos visuales).
Estudios moleculares permitieron concluir que la manifestación neonatal resulta de
la aparición de mutaciones en los aminoácidos que rodean al sitio activo, los cuales se
encuentran “escondidos” en el interior de la enzima. Por el contrario, los fenotipos que se
manifiestan tardíamente se originan debido a mutaciones que afectan a los aminoácidos
en la superficie.
Sería lógico pensar que la alteración en una enzima que cataliza una etapa clave
–regulada– resulte en un desequilibrio bioquímico importante. Si bien para la OTC no se
1 Los machos poseen un solo cromosoma X, por lo tanto cualquiera de los alelos ligados a
este, se expresará en el fenotipo. Por esta razón, no son homocigotas ni heterocigotas, sino hemicigotas.
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conoce un mecanismo de regulación alternativo a las variaciones de sustrato, las consecuencias de su mal funcionamiento pueden ser mortales. Por ello, la detección de mutaciones dentro de un grupo familiar es de gran importancia para encontrar al portador
–carrier– de la deficiencia, dado que los análisis enzimáticos o bioquímicos no son del
todo confiables para el diagnóstico.
EFECTOS DE LA ENZIMA OTC EN EL METABOLISMO
En la bibliografía del tema existe consenso acerca de las principales consecuencias que
surgen debido a la falla en la enzima OTC, que son acumulación de amonio y de glutamina. A pH fisiológico, más del 98% del amoníaco se encuentra como la especie amonio
(NH4+) que es electrofisiológicamente activo, funcionando de manera equivalente al K+.
De hecho, se ha sugerido que su entrada en la célula se debe al uso de un canal de K+ .
Estudios tomográfícos de emisión de positrones2 (PET), usando
13NH +,
4
demostra-
ron un aumento en la tasa metabólica para el amonio (CMRA) –tasa que indica la cantidad tomada por el cerebro y metabolizada. Estas investigaciones en individuos con HA
crónica revelaron que el aumento en CMRA estaba acompañado de un aumento en la permeabilidad de la barrera hematoencefálica. Aunque todavía no se ha detallado el mecanismo, esta metodología experimental ha permitido demostrar qué ocurre. La mayor
permeabilidad resultante conduce a un aumento en la relación entre el amonio en el cerebro y la sangre. Esto explicaría la imperfecta correlación observada entre la severidad del
desorden neurológico y las concentraciones de amonio en sangre.
Por otro lado, según lo expuesto en la introducción, el exceso de glutamato resultante procede a la formación de glutamina (Figura 2), por lo que es equivalente asociar a
la hiperamonemia con altos niveles de este aminoácido.
La acumulación de amonio origina la patología denominada encefalopatía hepática;
una disfunción a nivel hepático que tiene incidencia sobre el cerebro. Además, a esta última se la caracteriza como síndrome neuropsiquiátrico, dado que produce un daño físico
en el cerebro que trae consecuencias sobre la personalidad.
2
En esta técnica se emplean isótopos radioactivos que emiten positrones de vida muy corta
e inocuos (11C, 13N, 18F). Estos se combinan con sustancias que cuando son utilizadas metabólicamente por las neuronas permiten observar in vivo las áreas cerebrales que están activas.
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Figura 2. Reacción que transforma el exceso de glutamato en glutamina
Los mecanismos de toxicidad provocada por amonio aún no se comprenden en su
totalidad. De hecho, los resultados obtenidos por distintos especialistas difieren entre sí e
incluso plantean mecanismos contradictorios. Por esta razón, hemos decidido referirnos
solamente a aquellas explicaciones para las que sí existe consenso.
Las principales hipótesis a detallar son: alteraciones en el metabolismo energético
del cerebro y en la función de los neurotransmisores; efectos indirectos, como la excesiva
producción de glutamina cuya acumulación es neurotóxica; y, por último, la hipótesis más
reciente que sostiene que la toxicidad se debe a que el amonio causa estrés oxidativo.
MECANISMOS DE TOXICIDAD DEL AMONIO
Alteraciones en el metabolismo energético del cerebro
Cambios en el ciclo de Krebs. Dado que el metabolismo del cerebro es aeróbico, la degradación de glucosa mediante glucólisis y Krebs provee toda la energía que utiliza. Esta
energía es requerida para crear y mantener el potencial eléctrico a través de la membrana plasmática de las neuronas.
Tras atravesar la barrera hemato-encefálica, el amonio es convertido en glutamato,
secuestrando α-cetoglutarato, en las mitocondrias (Figura 3). Como este compuesto es un
intermediario del ciclo de Krebs, al disminuir sus niveles, tanto el ciclo como la fosforilación oxidativa se detienen progresivamente y cesa la producción de energía. En consecuencia, disminuye la entrada de piruvato, es decir, disminuye su conversión a acetil-CoA,
lo cual explicaría el aumento en la concentración de lactato en el cerebro que se observa
en estos casos.
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Figura 3. Conversión del glutamato en las mitocondrias del cerebro
Además, otros investigadores han observado que cantidades crecientes de amonio disminuyen la actividad de la enzima α-cetoglutarato deshidrogenasa (α-KGDH), que cataliza
una etapa limitante de la velocidad en el ciclo de Krebs.
Por el contrario, otro grupo demostró un aumento en la actividad de α-KGDH en
mitocondrias no sinápticas. Una posible explicación para estas diferencias radica en las
metodologías experimentales utilizadas. Uno de los estudios consistió en el agregado de
amonio in vitro a mitocondrias aisladas; este fue el caso del grupo que concluyó que disminuía la actividad de la enzima. En cambio, los otros investigadores examinaron las mitocondrias tras exponerlas a amonio in vivo, donde otras reacciones pudieron haber ocurrido
e influenciar así los resultados.
Efectos sobre la lanzadera malato/aspartato
La lanzadera malato/aspartato involucra las siguientes enzimas: malato deshidrogenasa y
aspartato aminotransferasa (citosólicas y mitocondriales) así como proteínas translocadoras de malato/a-cetoglutarato y glutamato/aspartato.
Se ha propuesto que el amonio interfiere con esta lanzadera impidiendo la transferencia de equivalentes de poder reductor –entre el citosol y la mitocondria– requeridos
para la fosforilación oxidativa. Esto trae como consecuencia un aumento en la relación
NAD+/NADH mitocondrial respecto de la citosólica.
El amonio afecta la transferencia de NADH a través de la lanzadera dado que este
se utiliza en la reacción de aminación reductiva que convierte al α-cetoglutarato en glutamato (Figura 4). Esto explicaría, por un lado, el aumento en la relación NAD+/NADH en el
interior de la mitocondria y por otro, la disminución en los niveles de α-cetoglutarato que
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inhiben la actividad de la α-KGDH (por falta de sustrato). A su vez, justifica la detención
del ciclo de Krebs, así como la no regeneración de los intermediarios del ciclo e incluso la
no conversión de piruvato en acetil-CoA.
Figura 4. Reacción que consume al piruvato citoplasmático
Sin embargo, el glutamato no permanece como tal, sino que es sustrato de la enzima glutamina sintasa (Figura 2) que lo convierte irreversiblemente en glutamina. Esto implica que
la reacción catalizada por la aspartato aminotransferasa se detenga y por lo tanto, disminuyan los niveles de aspartato en la matriz. Inmediatamente después, sucede lo mismo
en el citosol, ya que el transportador glutamato/aspartato no tiene sustrato para translocar. Por lo tanto, la actividad de la aspartato aminotransferasa citosólica disminuye y no
se produce oxalacetato. A esto contribuye la falta de α-cetoglutarato translocado hacia el
citosol. De esta manera, se acumula NADH y no se sintetiza malato. Esto determina la
inactivación de la lanzadera.
Por otro lado, el piruvato, al no ingresar en la mitocondria queda disponible en el
citosol como sustrato de la enzima lactato deshidrogenasa (Figura 4). Además, la reducción de piruvato a lactato se ve favorecida por el incremento en los niveles de NADH.
Cambios en la permeabilidad mitocondrial
A nivel mitocondrial, también se demostró que el amonio es capaz de aumentar los niveles internos de Ca+2, lo que provoca la apertura de un poro (PTP, Permeability Transition
Pore) que permite la transición de moléculas pequeñas a través de la membrana mitocondrial interna, debido a un cambio en sus propiedades (MPT, Mitocondrial Permeability
Transition) (Figura 5). Esto conduce a la disipación del gradiente electroquímico por la pérdida de H+, producto del funcionamiento de la cadena respiratoria. En consecuencia, cesa
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la síntesis de ATP y se generan especies reactivas del oxígeno (ROS, Reactive Oxygen
Species). Además, ingresan metabolitos a través de la membrana interna produciendo la
hinchazón de la matriz mitocondrial. Una posible consecuencia de la MPT es la apoptosis
o necrosis, aunque esta puede ser reversible. El proceso es relevante, considerando que
las consecuencias de la hiperamonemia dependen, en gran medida, del tiempo de exposición al amonio.
Figura 5. Contribuciones al MPT (Mitocondrial Permeability Transition)
Por otro lado, la alcalinización que resulta tras su ingreso es otra razón por la que la fuerza protón motriz se disipa. Como se mencionó antes, da lugar a la formación de ROS;
entre otras especies, las que activan la apertura de los PTP permitiendo el ingreso de más
moléculas pequeñas (iones, etc). Esto conduce a la formación de un proceso cíclico que
deriva en un malfuncionamiento de la mitocondria.
Estrés oxidativo: rol de los radicales libres y el óxido nítrico (NO)
La hipótesis del estrés oxidativo es bastante moderna. Este estado se caracteriza por una
disminución en las actividades de las enzimas antioxidantes (catalasa, peroxidasa y superóxido dismutasa) y en un agente antioxidante intracelular llamado glutatión (GSH), debido a que la captura de su precursor (cistina) es inhibida. Como consecuencia, aumenta la
producción de radicales superóxido ocasionando la oxidación de los fosfolípidos de membrana, ácidos nucleicos y de otras enzimas involucradas en el metabolismo, destruyendo
la estructura celular e impidiendo su funcionamiento.
Otra especie reactiva asociada con HE/HA es el óxido nítrico (NO). En estos casos,
se ha observado un aumento en la cantidad y actividad de la enzima que lo produce: óxido
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nítrico sintasa (NOS). Se ha demostrado in vivo que bajo estas patologías los receptores
NMDA (descriptos en el apartado sobre neurotransmisores) pierden sitios de unión para
el glutamato y son activados para permitir el paso de Ca+2 al interior celular. Este ión se
une a las calmodulinas y activa ciertas enzimas como la NOS, provocando un aumento en
los niveles de NO, que a su vez activan la guanilato ciclasa. Esta ruta de glutamato-NOcGMP modula procesos como comunicación intercelular, ciclos de sueño, memoria y
aprendizaje. Aparentemente, NO causa daños a las enzimas de la cadena respiratoria de
la mitocondria, en particular, a la citocromo C oxidasa, en el complejo IV.
Las alteraciones en el ciclo de Krebs, en la lanzadera malato/aspartato y en el funcionamiento de la mitocondria detalladas en este apartado sugieren explicaciones al
mecanismo por el cual el amonio (en exceso) interfiere en el metabolismo energético del
cerebro.
PERTURBACIONES EN LOS NEUROTRANSMISORES
El encéfalo actúa como centro de control: almacena, registra, integra y transmite la información. Está compuesto por células nerviosas (neuronas) muy especializadas y células
gliales (neuroglia) que modulan la función de las anteriores. Las células de la glía no participan directamente en la producción del impulso nervioso pero son imprescindibles para
el correcto funcionamiento de las neuronas –encargadas de comunicar información
mediante señales eléctricas y químicas. Las señales eléctricas procesan y conducen información dentro de la célula, mientras que las otras lo hacen entre las células. Los sitios
especializados donde las neuronas envían y reciben información se denominan sinapsis.
Esta transmisión se realiza en un único sentido: desde la célula presináptica hacia la célula postsináptica.
Los neurotransmisores son un grupo diverso de compuestos químicos contenidos
en vesículas. El ingreso de Ca+2 a través de canales regulados por voltaje induce su liberación de las terminales nerviosas durante la transmisión sináptica. Luego, se unen con
receptores específicos en la superficie de la célula postsináptica, desencadenando fenómenos que abren o cierran canales iónicos de la membrana plasmática.
Los neurotransmisores se clasifican según estimulen o inhiban la generación de un
potencial de acción. Los primeros, que despolarizan la membrana plasmática postsináptica, se denominan excitatorios. En cambio, los inhibitorios tienen el efecto opuesto: hiperpolarizar la membrana. A pesar de esta división, el mismo neurotransmisor puede actuar
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como un tipo u otro en distintas células. Es decir, el mensaje sináptico depende exclusivamente de la interacción neurotransmisor-receptor.
Efectos del amonio sobre el glutamato
El glutamato es el principal neurotransmisor excitatorio del CNS y una de las moléculas
combustibles más importante para los astrocitos. Además, se lo vincula con la capacidad
de aprendizaje y la memoria. Luego de despolarizar la membrana presináptica y liberarse, estimula los receptores situados en la membrana postsináptica de la neurona adyacente o de un astrocito. Estos receptores pueden ser ionotróficos (NMDA, AMPA) o
metabotróficos. El estímulo de los primeros provoca un cambio en el grado de polarización a través de la membrana de la célula postsináptica y esto conduce a la apertura de
canales iónicos, lo que predispone el transporte de iones como Ca+2, K+ y Na+. En el otro
caso, la unión del neurotransmisor activa una enzima de la membrana plasmática y pone
en movimiento a un segundo mensajero: el calcio intracelular.
El glutamato es tóxico si permanece en el espacio extracelular, por lo que luego es
captado por transportadores localizados en la membrana de los astrocitos (GLT-1 y
GLAST) y de las neuronas (EAAC-1). En el interior de los astrocitos se convierte en glutamina por acción de la glutamina sintasa (GS). La glutamina es retransportada a la neurona postsináptica donde es convertida en glutamato por la enzima glutaminasa, lo que se
conoce como el ciclo glutamina-glutamato. No solo está involucrado en la eliminación del
NH4+ sino que también refleja la compartimentalización del metabolismo de esta molécula en el cerebro. De hecho, en pacientes con hiperamonemia (congénita o adquirida) se
observaron concentraciones crecientes de glutamina, confirmando que el cerebro remueve el exceso de amonio a través de la síntesis de este aminoácido.
Se postuló que en la hiperamonemia se interrumpe el transporte de metabolitos de
una célula a otra, inhibiendo la captura de glutamato por los astrocitos y la neurona presináptica, debido a que se reduce la expresión de los transportadores GLT-1,GLAST y
EAAC-1 (posee un papel secundario en la recuperación del glutamato de la hendidura
sináptica). Por otro lado, los sitios de unión de los receptores de glutamato se ven afectados directamente. Incluso, se pudo confirmar experimentalmente que el amonio tiene la
capacidad de modificar estructural y funcionalmente al receptor AMPA.
Como consecuencia de estas inhibiciones, la cantidad de glutamato en el espacio
sináptico aumenta, lo que se ha vinculado tanto con la severidad de un daño neurológico
como con la gravedad de la HA. Además, la detoxificación del amonio se ve afectada, ya
que no existe captura de glutamato por parte de los astrocitos.
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Efectos del amonio sobre los astrocitos
Los astrocitos son el principal blanco de toxicidad del amonio, ya que la glutamina sintasa, ubicada exclusivamente en estas células, funciona a su máxima velocidad bajo HA,
cuando la concentración de sustrato es saturante. Esto podría contradecir lo planteado
anteriormente acerca de la disminución en la captura de glutamato por parte de los astrocitos. Sin embargo, D. Mort y colaboradores (2001) demostraron que cantidades elevadas
de amonio estimulan la captura de glutamato por las células gliales y con esto sugirieron
que la inhibición de este proceso podría ser posterior a la formación del edema.
En condiciones fisiológicas normales, el transporte de glutamina es el que regula el
movimiento de agua en el cerebro. La acumulación de este aminoácido ocasiona cambios
morfológicos en los astrocitos, los cuales sufren hinchazón por efecto osmótico. El aumento en el contenido de agua, y por ende, en el volumen celular, se denomina edema cerebral y produce hipertensión intracraneal.
Otros factores que contribuyen a la hinchazón de estas células son las consecuencias del estrés oxidativo. Incluso la hidrólisis de glutamina, catalizada por la glutaminasa,
es capaz de inducir la síntesis de radicales libres. El vínculo que existe entre la producción de estas especies y la hinchazón no está claramente determinado. Sin embargo, se
ha propuesto que los radicales pueden modificar proteínas de membrana y lípidos que
estén involucrados en los mecanismos de regulación del volumen celular.
Ciertos experimentos dieron sustento al vínculo entre el aumento de glutamina y la
concentración de agua,3 utilizando un inhibidor de la síntesis de este aminoácido: metionina sulfoxamina. Estos estudios demostraron que tanto los niveles de glutamina como los
de agua no aumentaron. En otras investigaciones, se observó que tras un tratamiento con
el mismo inhibidor, los niveles de agua no disminuyeron proporcionalmente a los del aminoácido. Se concluyó que la HA y el edema cerebral no tienen su origen únicamente en el
aumento celular de la acumulación de glutamina.
Efectos del amonio sobre la serotonina
La elevada cantidad de glutamina en el cerebro estimula el transporte de los aminoácidos
aromáticos triptofano, tirosina y fenilalanina, a través de la barrera hematoencefálica. Este
aumento promueve la síntesis de sus derivados metabólicos. La serotonina (5-HT), derivada del triptofano es sintetizada localmente por neuronas especializadas y solo entre el
1 y 2% está contenida en el CNS.
3
Las variaciones en la cantidad de agua fueron demostradas utilizando H1-NMR.
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Por su naturaleza de neurotransmisor, se ve involucrada en varias manifestaciones
patológicas, cuando sus niveles no son los adecuados. Además, está vinculada con los ritmos circadianos, la locomoción, el aprendizaje y la memoria. Muchas de estas actividades se relacionan con el córtex frontal, en donde se han visto mayoritariamente cambios
en el metabolismo de la serotonina.
Se ha reportado que concentraciones de amonio tan bajas como 0.1 mmol/l estimulan la liberación de serotonina. Además, múltiples investigaciones sugieren que el aumento de serotonina incrementa la actividad de la enzima monoamina oxidasa (MAO)
–ubicada en la membrana interna de la mitocondria– que convierte 5-HT en el metabolito
5-HIAA. Esto implica que la serotonina no quede disponible para funcionar como neurotransmisor. De esta manera, el déficit en la neurotransmisión serotoninérgica podría explicar los síntomas neuropsiquiátricos observados en los casos de encefalopatía hepática.
En resumen, el amonio tiene dos efectos sobre la neurotransmisión serotoninérgica: vía formación de glutamina, promueve la entrada de triptofano; y, en sí mismo, perturba la liberación y el almacenamiento de este neurotransmisor.
DIAGNÓSTICO
La encefalopatía hepática tiene un diagnóstico inexacto y posee una mortalidad del 90%. Su
tratamiento más eficaz es el transplante de hígado e incluso se ha demostrado que dicho
procedimiento permite la total corrección de la hiperamonemia. En cuanto a la recuperación
neurológica, el éxito dependió del estado del paciente antes del transplante. De todas maneras, existen otras estrategias (químicas) para contrarrestar los altos niveles de amonio.
Una característica particular de las personas con deficiencias en esta enzima, es la
HA, considerada a partir de 60 µmol/l aproximadamente y la baja concentración de citrulina en plasma. En la deficiencia severa, estos niveles son prácticamente indetectables. En
cambio, cuando la gravedad de la enfermedad es menor, los niveles de citrulina son variables, debilitando así la exactitud de un resultado de diagnóstico. Además, la acumulación
de carbamil fosfato en la mitocondria permite su difusión al citosol, lo que estimula la biosíntesis de novo de pirimidinas. En consecuencia, disminuyen los niveles de fosforribosilpirofosfato (PRPP), lo que resulta en la acumulación de orotato y su excreción en la orina.
Anteriormente, la presencia de la enfermedad se verificaba determinando los niveles de amonio en plasma. Dado que estas medidas no son equivalentes a las cantidades
halladas en el cerebro, se concluyó que esta prueba no es útil para predecir la HA. Por
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esta razón, se han diseñado otros diagnósticos basados en la medición de los niveles de
biosíntesis de pirimidinas.
Estos consisten en la inhibición de la enzima OMP descarboxilasa por acción de un
derivado de alopurinol (Figura 6). De esta manera, se acumula orotidina que se excreta
en la orina, la cual es analizada mediante la técnica de HPLC. Los valores obtenidos se
comparan con los hallados en personas normales. A pesar de que este ensayo es efectivo, los resultados deben interpretarse con prudencia pues una deficiencia en el metabolismo de pirimidinas puede dar lugar al mismo resultado (falso positivo).
Figura 6. Biosíntesis de pirimidinas y vía de inhibición por alopurinol
TRATAMIENTOS
Se han diseñado fármacos –benzoato de sodio y fenilacetato– que aumentan la detoxifi-
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cación del amonio al crear rutas alternativas para su excreción. Su estrategia se basa en
secuestrar compuestos nitrogenados formando moléculas que se excretan en la orina. El
benzoato de sodio es convertido en benzoil-CoA (con gasto de ATP) el cual se combina
con glicina para formar hipurato (Figura 7). Por lo tanto, por cada mol de benzoato suministrado, un mol de nitrógeno es removido. Sin embargo, la eficiencia de este proceso se
ve afectada por la disponibilidad de glicina.
Figura 7. Detoxificación de amonio por acción del benzoato
El fenilacetato reacciona del mismo modo que en el caso anterior con la coenzima A
(CoASH), convirtiéndose en fenilacetil-CoA. Este reacciona con glutamina para dar fenilacetilglutamina (Figura 8). De esta manera por cada mol de fenilacetato son excretados dos
moles de nitrógeno.
CONCLUSIONES
Como hemos analizado, el estado de enfermedad es producto de un desbalance entre
sustratos y productos de las distintas reacciones metabólicas que suceden en nuestros
cuerpos. Así, la acumulación o deficiencia de los mismos influyen directa e indirectamen-
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Figura 8. Detoxificación del amonio por acción del fenilacetato
te en distintos órganos produciendo patologías de diferente gravedad. Dentro de este contexto, hemos analizado cómo un defecto a nivel hepático –deficiencias en la actividad de
la enzima OTC– trae como consecuencia la acumulación de sustancias neurotóxicas en
el cerebro. De este modo, el mal funcionamiento de un sistema orgánico alejado afecta
seriamente al sistema nervioso central, a pesar que las consecuencias observadas
–enfermedad– parecieran estar muy distanciadas de las causas –deficiencia enzimática
en el hígado.
Cuando se observa un cuadro clínico particular, el diagnóstico de los causales del
mismo debe basarse en una exhaustiva búsqueda a lo largo de todo el organismo y del
ambiente donde se desarrolla. De ahí la necesidad de una mirada integral, pues, por ejemplo, la dieta puede ser un factor fundamental en la mejoría o recaída en el estado de salud
de un paciente.
El éxito médico en el tratamiento de los desórdenes metabólicos en los seres humanos depende de manera poderosa de la correcta observación de señales anormales
detectadas por parte de los padres en sus hijos. Y cuanto más tempranas son esas observaciones, mayor será la probabilidad de corregir o aligerar el defecto; si bien no a través
de su corrección total, pero sí de manera tal de ofrecer una calidad de vida aceptable al
paciente en cuestión.
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Como hemos explicado, los desórdenes metabólicos son producto de mutaciones
heredadas o surgidas de novo, las cuales afectan el normal funcionamiento de una enzima. Y si un miembro de ellas dentro de una enorme red falla, se alteran en consecuencia
las concentraciones de determinados metabolitos. Precisamente ellos luego serán los responsables de afectar el normal comportamiento de diferentes órganos, como el cerebro
en nuestro caso de estudio. Si bien existe un buen número de desórdenes que son verificados en los recién nacidos en los primeros días de vida, otros tantos no lo son, dada su
rareza de aparición o su no tan grave enfermedad ocasionada.
Para el sistema de salud de un estado es muy costoso hacer toda una batería de análisis en los bebés. Sin embargo, el correcto diagnóstico de estas enfermedades algo raras le
ahorra al sistema de salud mucho dinero que luego será requerido en tratamientos, internaciones y consultas médicas. Por ello, es imprescindible continuar en el camino del estudio y
comprensión de los desórdenes metabólicos, y derivado de ello, en el desarrollo de sistemas de diagnósticos simples y económicos que puedan realizarse a edad temprana para así
evitar la progresión de enfermedades agresivas. Mientras tanto, la buena observación del
comportamiento de nuestros hijos será clave para asegurarles un futuro de salud estándar.
Nunca hay que olvidar que la atención médica empieza en nuestras casas, a través de la
correcta atención en el desenvolvimiento diario de nuestros prójimos.
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La otra cara del glutamato: ¿qué ocurre entre
las neuronas y los astrocitos
Juliana Leone
INTRODUCCIÓN
El glutamato no es solo un importante intermediario metabólico
El glutamato (Glu) es un aminoácido que cumple un rol central en el metabolismo del nitrógeno en la mayoría de los seres vivos. El amonio pasa a formar parte de compuestos
orgánicos cuando el α-cetoglutarato es convertido en Glu por medio de la enzima glutamato deshidrogenasa (GDH). En una reacción alternativa, el amonio puede ser incorporado en Glu formando glutamina (Gln), hidrolizando ATP en el proceso. Esta última reacción,
catalizada por la enzima glutamina sintetasa, es la que ocurre generalmente para introducir el nitrógeno, ya que el KM de la GDH por el amonio es alto, lo que provoca que la reacción catalizada en general se utilice en el sentido inverso.
En el sistema nervioso central (SNC) de los mamíferos, la situación es distinta. El
Glu, en este caso, no solo es utilizado por las células para síntesis de proteínas o transaminación con otros compuestos, sino que, además, es el principal neurotransmisor excitatorio. Es sorprendente que un aminoácido que forma parte de proteínas sea utilizado por
el SNC sin hacerle ninguna modificación química (por ejemplo el GABA –el principal neurotransmisor inhibitorio del SNC– es producido por la descarboxilación del Glu).
La concentración de Glu en el líquido cefalorraquídeo (LC) es baja, ya que la barrera hematoencefálica (BHE) no deja pasar este aminoácido.
Existen distintos tipos de receptores de Glu y están ampliamente distribuidos en
muchos tipos celulares. Los mismos pueden ser clasificados en iono y metabotrópicos, de
acuerdo a la respuesta desencadenada cuando el ligando –en este caso Glu – se une a
ellos. Los receptores ionotrópicos abren canales iónicos (K+, Na+, Ca+2) y los metabotrópicos activan cascadas de señales dependientes de segundos mensajeros (IP3, por ejemplo).
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¿Cuáles son las funciones de los astrocitos en el SNC?
Históricamente, se pensaba que los astrocitos (y la glía en general) tenían un rol secundario en el funcionamiento del sistema nervioso como “soporte de las neuronas”. Sin
embargo, la glía tiene muchas más funciones de lo que se creía, tantas que las neuronas
son completamente dependientes de ellas. Existen distintos tipos de células gliales en el
SNC: macroglía (astrocitos, oligodendrocitos y células ependimales) y microglía.
En particular, los astrocitos tienen diversas funciones:

Guía para la migración de neuronas

Producción y excreción de moléculas de adhesión y de matriz extracelular

Producción de factores neurotróficos

Mantenimiento e inducción de características de BHE

Detoxificación

Fagocitosis y funciones inmunes

Funciones neuroendocrinas

Sus prolongaciones tienen contacto con vasos sanguíneos y con neuronas
Además de todas estas funciones, los astrocitos cumplen un rol fundamental en el uptake
del neurotransmisor Glu luego de ser liberado por neuronas.
Rol de los astrocitos en las sinapsis glutamatérgicas
Los astrocitos son los responsables de la eliminación del Glu extracelular, luego de su liberación al espacio sináptico por neuronas glutamatérgicas. Esto no solo evita que se acumule Glu, que es altamente tóxico, sino que además modula la duración de la transmisión
sináptica. Dichas sinapsis están virtualmente rodeadas por prolongaciones astrocíticas.
De esta manera, la eliminación del Glu depende del uptake del neurotransmisor y de la
distancia de las prolongaciones de astrocitos del espacio sináptico.
En los astrocitos, el Glu puede activar receptores metabotrópicos que dirigen la producción de IP3. De este modo, se inicia la liberación de Ca+2 a partir de ciertas organelas,
como el retículo endoplásmico, vía activación de la proteína G. Además, los receptores de
tipo ionotrópicos responsables del uptake de Glu presentes en glía son de tipo EAAT (exci tatory-amino-acid-transporter) y se denominan GLT1 y GLAST.
Una vez que las neuronas liberan neurotransmisores al espacio sináptico, estos
pueden impactar en receptores en la neurona postsináptica o en las células gliales adyacentes disparando en ellas diferentes señales. Estas señales son capaces de causar una
nueva liberación de neurotransmisores (gliotransmisores) desde la glía que pueden tener
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efecto en la neurona presináptica, modulando la neurotransmisión, o en la neurona postsinática.
Señalización por Ca+2 en células gliales
Las señales dependientes de Ca+2 en la glía son evocadas por una gran variedad de neurotransmisores, entre ellos, glutamato, noradrenalina, acetilcolina, histamina, ATP, etc. La
liberación de Ca+2 de depósitos intracelulares es disparada por la producción de IP3 y
puede ser propagada como “olas” en la misma célula o hacia otras células a través de
uniones Gap. Otra vía que produce “olas” de Ca+2 intracelular es el ATP, el cual puede ser
liberado por los astrocitos; difunde por el espacio extracelular, impacta en receptores purinérgicos y dispara la producción de IP3 con la subsiguiente liberación de Ca+2 intracelular.
El aumento transitorio de Ca+2 en astrocitos tiene muchos efectos ya que puede
causar activación de enzimas (como la glutamina sintetasa) o aumentar la permeabilidad
al K+ de la membrana plasmática glial, entre otras cosas.
DESARROLLO
Los astrocitos son indispensables para la eliminación del Glu potencialmente tóxico del
espacio extracelular y, además, son capaces de modular la neurotransmisión por liberación de moléculas que actúan sobre las neuronas. Sin embargo, estas no son ni las únicas ni las más importantes funciones que cumplen en la transmisión glutamatérgica.
Hay enzimas que están presentes en los astrocitos y no en las neuronas
Tanto las neuronas como los astrocitos poseen transportadores de glucosa en sus membranas, y ambas son capaces de realizar glucólisis y ciclo de Krebs, oxidando a la glucosa hasta CO2 y H2O. Sin embargo, hay enzimas claves que solo están presentes en los
astrocitos. Una de ellas es la piruvato carboxilasa, enzima dependiente de biotina que
cataliza la conversión de piruvato en oxalacetato, incorporando una molécula de CO2 acoplado a la hidrólisis de 1 ATP (Figura 1).
¿Qué consecuencias trae la ausencia o la presencia de esta enzima? El piruvato es
el producto final de la glucólisis y puede ser convertido en distintas moléculas, según las
necesidades de la célula (Figura 2).
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Figura 1. Reacción que muestra la conversión de piruvato en oxalacetato por acción
de la piruvato carboxilasa
Figura 2. Reacciones que muestran las posibles transformaciones del piruvato en diferentes
productos
La incapacidad de transformar piruvato en un intermediario del ciclo de Krebs se evidencia cuando tenemos en cuenta que otros compuestos, que forman parte del ciclo, son convertidos, por ejemplo, en aminoácidos y, de esta manera, dejan de funcionar en esta ruta.
Si existe la posibilidad de transformar un producto de la glucólisis en un intermediario del
ciclo de Krebs, el problema está solucionado.
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En este caso, esto es todavía más importante que en otros tipos celulares porque
el metabolismo del glutamato es primordial. El glutamato se sintetiza a partir de a-cetoglutarato (Figura 3). Normalmente, las reacciones de síntesis de Glu son catalizadas por
GDH (donde el dador de nitrógeno es el NH3) o la Glu sintetasa (donde el dador de N es
la Gln). En el SNC, la síntesis de Glu se realiza por transaminación con otro aminoácido
(Ala o aminoácidos ramificados –Ile, Val, Leu–).
Figura 3. Síntesis del glutamato a partir de α-cetoglutarato
Esta reacción se realiza tanto en neuronas como en astrocitos, pero como las neuronas
no tienen piruvato carboxilasa, la reacción provoca la pérdida de intermediarios del ciclo
de Krebs. Si las neuronas dependieran de su propio metabolismo no podrían subsistir. Sin
embargo, los astrocitos (una vez más) solucionan este inconveniente mediante el ciclo
glutamina-glutamato.
Ciclo glutamina-glutamato
Cuando el Glu es liberado al espacio extracelular por las neuronas, mediante exocitosis,
los astrocitos lo toman vía receptores específicos y, una vez en su citosol, lo convierten en
Gln (Figura 4). Esto es realizado por la glutamina sintetasa, que es del tipo de enzimas
que están presentes en los astrocitos y no en las neuronas. De esta manera, los astrocitos transforman un metabolito tóxico en Gln, que es inocuo y puede volver a ser liberado
para que las neuronas puedan transformarlo nuevamente en Glu (por acción de la glutaminasa). Por lo tanto, ambos tipos celulares son capaces de sintetizar Glu a partir de Gln
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pero las neuronas no pueden producir Gln a partir de Glu. Una vez más, las neuronas
dependen de los astrocitos. Sin embargo, no todo el Glu que es tomado por los astrocitos
es convertido en Gln sino que una parte puede ser convertida en a-cetoglutarato y oxidado vía TCA (ciclo de los ácidos tricarboxílicos). Además, el malato puede convertirse en
piruvato (por la enzima málica) y este a su vez puede ser transformado en lactato.
Asimismo, el oxalacetato puede seguir la ruta gluconeogénica.
Figura 4. Ciclo glutamina-glutamato entre neuronas sinápticas y astrositos (los números
indican la secuencia de reacciones)
De resultados de experimentos con compuestos marcados radioactivamente, se puede
deducir que el Glu atraviesa el ciclo Glu-Gln tres o cuatro veces antes de ser oxidativamente degradado. Por este motivo, es muy importante la síntesis de Glu a partir de glucosa y esto es posible solo en los astrocitos.
El ciclo Gln-Glu explica el reciclado de los esqueletos carbonados del Glu, pero no
explica el origen del grupo amino de este aminoácido. Cabe recordar que el Glu solo es
formado por aminación reductiva en condiciones de hiperamonemia. Normalmente, la síntesis de Glu ocurre por transaminación del a-cetoglutarato con Ala o algún aminoácido
ramificado. La Ala es producida por astrocitos mediante transaminación de piruvato y es,
por lo tanto, un producto de la glucólisis en el cerebro. La formación de Ala por transaminación con Glu es balanceada por la siguiente transaminación entre Ala y a-cetoglutarato
para producir piruvato y Glu.
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Modelo de interacción propuesto
Existen muchas evidencias que validan la hipótesis de que los astrocitos utilizan la glucosa como combustible y producen lactato, que luego es liberado y oxidado en las neuronas
(Figura 5). El lactato es tomado por neuronas, por cotransportadores protón/monocarboxilato.
Figura 5. Modelo propuesto (los números indican la secuencia de reacciones)
¿Cómo funcionaría este modelo?
La entrada de Glu a astrocitos está asociada a la entrada de Na+ (Figura 5, paso 1). El
influjo de una molécula de Glu es acompañado por el cotransporte de 3 Na+ y 1 H+ y por
la salida de 1 K+. Por lo tanto, la membrana se despolariza. La entrada de Na + activa la
bomba Na+/K+ ATPasa que hidroliza ATP para sacar Na+ contragradiente hacia el espacio
extracelular (Figura 5, paso 2). Esto provoca una disminución de la relación ATP/ADP y
por lo tanto una activación de la glucólisis, seguida de un aumento del consumo de glucosa (Figura 5, paso 3). Esto termina en la producción y liberación de lactato que luego será
utilizado por las neuronas (Figura 5, paso 4).
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De esta manera, el uptake de Glu tendría una función extra indirectamente (por
entrada de Na+), que culminaría en la producción de un metabolito energético para las
neuronas.
¿Qué evidencias hay hasta el momento?
En ratones GLT1 -/- y GLAST -/- el consumo de glucosa cerebral, evaluado por distintos
métodos, disminuye aproximadamente el 60% con respecto a los +/+ respectivos. Pero
esto puede deberse a problemas diversos. Sin embargo, también se ha demostrado que
ensayos utilizando antisentido para dichos receptores también provocan una disminución
en el consumo de glucosa.
Asimismo, astrocitos GLT1 -/- y GLAST -/-, mantenidos en cultivo, experimentan una
disminución en el uptake de Glu, en el consumo de glucosa y en la liberación de lactato
comparados con los genotipos +/- y estos a su vez con +/+.
Hay evidencias que la reacción catalizada por la lactato deshidrogenasa transcurre
desde lactato hacia piruvato en neuronas y en sentido inverso en astrocitos. También han
sido descriptos transportadores de monocarboxilatos en ambos tipos celulares.
Sumado a esto, se observa que la inhibición del transporte de Glu inhibe también el
aumento de lactato extracelular que es observado normalmente.
Por último, si se reemplaza Na+ por Li+, que es capaz de ser cotransportado con Glu
pero es incapaz de activar la ATPasa Na+/K+, el aumento en el consumo de glucosa, inducido por receptores AMPA, es inhibido.
Sin embargo, es controversial el hecho de que las cantidades de Na+, que son
cotransportadas con Glu, alcancen para provocar la activación de la ATPasa Na+/K+ o si
esto último es consecuencia de actividad neuronal (por ejemplo, por entrada de K+ en neuronas durante la repolarización).
El consumo de CO2, ¿está también involucrado?
El Na+ que es cotransportado con el Glu es eliminado por la ATPasa Na+/K+ pero, además,
puede ser liberado al exterior por el cotransportador Na+ bicarbonato (NBC).
El bicarbonato es producido por la anhidrasa carbónica (CA) localizada principalmente en células gliales. Los equivalentes ácidos intracelulares estimulan la activación de
cotransportadores monocarboxilato/H+ (MCT). El lactato es liberado por los astrocitos a
través de MCT-1 y es tomado por las neuronas por MCT-2, isoforma con mayor afinidad
por el lactato. De esta manera, se mantiene el gradiente de Na+ que es suficiente para el
uptake de Glu vía EAAT.
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De acuerdo con este modelo, la acidificación intracelular glial deriva en una mayor
liberación de lactato. Por el contrario, la consecuencia de esto en neuronas es la detención del uptake de lactato.
Si todos los transportadores funcionan en el mismo ciclo, los astrocitos ganan dos
iones Na+ y dos H+ por cada Glu. Los iones Na+ son removidos vía ATPasa Na+/K+ y los
protones pueden ser “buffereados” por la gran capacidad buffer del bicarbonato.
Un resumen de las interacciones glía-neurona propuestas por este modelo son
expuestas en la Figura 6.
Figura 6. Resumen de las interacciones glía-neuronas (los números indican la secuencia
de reacciones)
El disparo neuronal de potenciales de acción induce la liberación de Glu y K+ al espacio
extracelular (Figura 6, paso 1). La energía utilizada por las neuronas, principalmente para
mantener los gradientes iónicos adecuados, es suministrada por el lactato y la oxidación
del mismo libera CO2. El Glu activa mGluR dirigiendo una liberación de Ca+2 intracelular
transiente (Figura 6, paso 2) que puede aumentar la permeabilidad de la membrana
(Figura 6, paso 3). El Glu también es tomado del espacio extracelular vía EAAT (Figura 6,
paso 4), lo que dirige un aumento del uptake de glucosa y de la glucólisis (Figura 6, paso
5), presumiblemente provocada por un aumento en el consumo de ATP. El lactato, como
producto de la glucólisis, es secretado vía MCT (Figura 6, paso 6). El CO2 es modificado
por la anhidrasa carbónica (Figura 6, paso 7) que estimula la secreción de bicarbonato vía
NBC (Figura 6, paso 8).
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CONCLUSIONES
La eliminación del Glu potencialmente tóxico –debido a la sobreexcitación que provoca
en las neuronas– es de suma importancia. Esto se ve reflejado en algunas patologías en
las cuales los mecanismos de uptake no funcionan adecuadamente, por ejemplo, en la
epilepsia.
Es importante tener en cuenta que los astrocitos, además, son capaces de liberar
Glu, lo que puede desencadenarse como respuesta a un aumento del volumen celular o
a una disminución excesiva en los niveles de ATP (como se produce en condiciones de
isquemia) que provoca el colapso de todos los gradientes de membrana. Asimismo, también se libera Glu en respuesta a prostaglandinas (PGE2). Esto puede relacionarse con la
cascada de señalización que comienza con la activación de la fosfolipasa C, que no solo
provoca la cascada dependiente de IP3, sino también la cascada dependiente de diacilglicerol (DAG). La degradación de DAG deriva en la producción de ácido araquidónico, el
cual es un precursor de las prostaglandinas y, por lo tanto, constituye el inicio de otra cascada de señalización.
Las interacciones existentes entre astrocitos y neuronas forman circuitos bidireccionales.
Ciertos cambios neuronales producen un aumento en la concentración de Ca+2
intracelular en los astrocitos. Esta “ola” de Ca+2 se expande por la red astrocítica por uniones de tipo Gap. El aumento de Ca+2 en astrocitos es necesario y suficiente para, por
ejemplo, la liberación de Glu que modula la actividad neuronal de las neuronas circundantes. Por otro lado, los astrocitos tienen contacto tanto con vasos sanguíneos como con
neuronas. Esto les permite actuar como intermediarios y es una evidencia más que valida el modelo propuesto.
La interacción metabólica hipotetizada tiene implicancias en el diagnóstico de diferentes patologías, cuando este se realiza por evaluación del consumo de glucosa cerebral
como medida de activación neuronal. Quizás, lo que reflejan estas técnicas es directamente la función astrocítica, lo cual no quita que en forma indirecta sea un reflejo de la
activación neuronal.
Hay muchas preguntas todavía sin responder en cuanto a las funciones que desempeñan los astrocitos. Esto se debe, en parte, a que es complicado estudiar qué sucede
cuando los astrocitos no funcionan porque esto provoca la muerte neuronal, con lo cual
no se puede discernir si las consecuencias son producto de la muerte neuronal o de la
falla en las células gliales.
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En los últimos años han aparecido numerosos trabajos centrados en la glía. La
denominación de “sinapsis tripartita” o la existencia de “gliotransmisores” exige que se
revean muchos procesos donde solo eran tenidas en cuenta las neuronas.
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¡Calmemos el dolor! Efecto de los antiinflamatorios
no esteroideos sobre la enzima ciclo-oxigenasa
Andrea E. Lo Ré
En la actualidad, es imposible no pensar en tomar un analgésico cuando el dolor nos
aqueja. Es por ello que cada año, varios miles de toneladas de aspirina son consumidas
alrededor del mundo para el alivio de jaquecas, de músculos cansados, articulaciones
inflamadas y fiebre. Además, gracias a que la aspirina inhibe la agregación plaquetaria y
la coagulación sanguínea, también es usada en bajas dosis para tratar pacientes con riesgo de ataques al corazón. Casi una píldora mágica.
Pero, ¿cuál es la sustancia que la compone? Las propiedades medicinales de los
compuestos conocidos como salicilatos, los cuales incluyen la aspirina, fueron inicialmente descriptos en 1763 cuando Edmund Stone notó que la corteza del árbol de sauce, Salix
alba, era efectiva contra la fiebre y los dolores. Para 1830, químicos alemanes habían
purificado los componentes activos de dicha corteza y de otras plantas ricas en salicilatos.
Sin embargo, esta sustancia en sí era de un sabor amargo y su uso tenía algunos efectos
secundarios desagradables, incluyendo una irritación estomacal severa. Para resolver
este problema, Felix Hoffmann y Arthur Eichengrun sintetizaron acetilsalicilato en la compañía Bayer, en 1897. Así, el nuevo compuesto con menos efectos secundarios salió a la
venta en 1899 con el nombre de Aspirina, provocando en poco tiempo que la enfermedad
tuviera a uno de sus primeros enemigos, el analgésico de venta libre.
¿Por qué la aspirina tiene este efecto? ¿Cómo actúa a nivel molecular? ¿Cómo
puede tener una acción positiva y negativa a la vez? Estas y otras cuestiones son las que
intentaremos develar a lo largo de este trabajo.
INTRODUCCIÓN
Los eicosanoides son una familia de moléculas biológicas de señalización muy potentes
que actúan como mensajeros de corto alcance, afectando tejidos cercanos a las células
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que los producen. En respuesta a varios estímulos, como los hormonales, la proteína fosfolipasa A2 (presente en la mayoría de las células de mamíferos) ataca los fosfolípidos de
las membranas activando una cascada de reacciones que llevarán a la formación de un tipo
de sustancias conocido como prostaglandinas (Figura 1). Todo comienza con la liberación
de araquidonato (Figura 2) a partir del carbono central del glicerol. Enzimas del retículo
endoplasmático liso luego convierten al araquidonato en prostaglandinas, las cuales son
sustancias similares a las hormonas que alteran el diámetro de los vasos sanguíneos, elevan la temperatura corporal como respuesta a la infección y desempeñan un papel crucial
en la coagulación de la sangre, además de otros efectos. La liberación en el organismo de
prostaglandinas como respuesta a una lesión (quemadura, rotura, torcedura o distensión
muscular) produce inflamación, enrojecimiento e hinchazón. Las prostaglandinas devienen
de ácidos grasos monocarboxílicos insaturados de 20 carbonos, los cuales están formados
por dos cadenas y un anillo de cinco carbonos. Las distintas prostaglandinas se diferencian
solamente por pequeños cambios en la metilación u oxidación de sus cadenas carbonadas.
Inicialmente, se forma la prostaglandina H2 (PGH2), precursora de muchas otras y de algunos tromboxanos (ambos tipos de moléculas están formadas por un anillo de cinco o seis
átomos). Las dos reacciones que dan origen a PGH2 son catalizadas por una enzima bifuncional llamada prostaglandina H2 sintasa, o ciclo-oxigenasa (COX). En el primero de dos
pasos, la actividad de la ciclo-oxigenasa introduce oxígeno molecular para convertir araquidonato en PGG2. En el segundo paso, se convierte al PGG2 en PGH2, en una reacción
catalizada por la actividad de peroxidasa de COX. La tromboxano sintasa, presente en las
plaquetas de la sangre, convierte PGH2 en tromboxano A2, que da origen a otros derivados. Estas sustancias son las que inducen la constricción de los vasos sanguíneos y la
agregación plaquetaria, pasos iniciales de la coagulación.
Una vez que las prostaglandinas son sintetizadas en los tejidos, comienzan su
acción a nivel local produciendo importantes cambios funcionales para luego ser distribuidas sistemáticamente por vía venosa y muchas de ellas metabolizadas en el pulmón. Los
estímulos que promueven la síntesis y la secreción de las prostaglandinas son múltiples,
el estímulo neural y la hipoxemia son algunos de los factores detonantes; además se activan por la presencia de compuestos como la serotonina, la acetil-colina, la histamina, la
norepinefrina, la angiotensina II y las bradicininas. A pesar de su amplia función, la acción
de las prostaglandinas no es específica, ya que un mismo tipo puede estimular determinadas funciones e inhibir otras.
Por estas razones, las drogas antiinflamatorias no esteroideas (AINE), cumplen su actividad al inhibir la síntesis de prostaglandinas y tromboxanos al actuar sobre la enzima COX.
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Figura1. Representación de las prostaglandinas G2, H2 y A2
Figura 2. Representación del araquidonato
MECANISMO DE ACCIÓN
¿Quién no ha tomado alguna vez una aspirina para mitigar el dolor? Es por ello que intentaremos describir qué es lo que sucede cuando dicho medicamento ingresa en nuestros
cuerpos.
La aspirina –ácido acetilsalicílico (Figura 3)– es una de las tantas drogas antiinflamatorias no esteroideas (AINE), como el ibuprofeno y el naproxen. Desafortunadamente,
la aspirina reduce pero no anula los efectos secundarios del salicilato. Es por ello que en
algunos pacientes su administración puede causar úlceras estomacales, fallas de riñón y,
en casos extremos, la muerte.
La aspirina y otros AINE inhiben la actividad de ciclo-oxigenasa de la prostaglandina H2 sintasa (COX), cuya función es agregar oxígeno molecular al araquidonato para iniciar la síntesis de prostaglandinas, que luego regularán muchos procesos fisiológicos,
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Figura 3. Representación de la molécula ácido acetil-salicílico y otras dos moléculas
mparentadas
como la agregación plaquetaria, las contracciones uterinas, el dolor y la inflamación, y
también el mantenimiento de la mucosa que protege las paredes del estómago de la
acción del ácido y las enzimas proteolíticas que allí se producen.
Los mamíferos poseen dos isoenzimas de prostaglandina H2 sintasa, COX-1 y COX-2.
Estas tienen diferentes funciones a pesar de tener secuencias de aminoácidos y mecanismos de reacción similares en sus centros catalíticos. COX-1 se expresa constitutivamente
en una serie de órganos y tejidos, ejerciendo diversos efectos homeostáticos o de “mantenimiento” del tracto gastrointestinal y del riñón, además de estimular la agregación plaquetaria y por tanto, mantener la hemostasis normal. Por otro lado, la COX-2 es considerada
una enzima inducible que responde a estímulos inflamatorios, al dolor y la fiebre.
El desarrollo de inhibidores específicos de COX-2 ha sido ayudado por el descubrimiento de la estructura tridimensional de ambas isoenzimas. Ambas proteínas son homodímeros; cada monómero (Mr 70.000) tiene un dominio anfipático que penetra el retículo
endoplasmático, dejando a la enzima en el lado lumenal del mismo. Ambos sitios catalíticos están en el dominio globular, y se extienden hasta el lumen reticular.
COX-1 y COX-2 tienen estructuras terciarias y cuaternarias prácticamente idénticas,
aunque difieren en un canal hidrofóbico fino y largo que se extiende del interior de la membrana a la superficie lumenal. El canal incluye ambos sitios catalíticos y se presume que
es el sitio de unión para el sustrato hidrofóbico llamado araquidonato.
A pesar de que la actividad catalítica y la estructura terciaria de COX-1 y COX-2 son
muy similares, COX-2 tiene una afinidad mayor por el sustrato porque el canal hidrofóbico que lleva al sitio activo está mejor acomodado.
En dosis terapéuticas, los AINE ejercen sus efectos analgésicos y antiinflamatorios
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mediante la inhibición de la COX-2, a pesar de que al mismo tiempo también bloquean la
COX-1. Como consecuencia, estos agentes inducen sustanciales efectos sobre las plaquetas, junto con la potencial toxicidad renal y gastrointestinal; estos son los factores que
pueden restringir su utilidad clínica.
La aspirina inhibe de manera equivalente tanto a la COX-1 como a la COX-2, por lo
cual, una dosis suficiente para reducir la inflamación también puede causar irritación estomacal. Es por ello que gran parte de la investigación actual apunta a desarrollar nuevos
AINE que inhiban COX-2 de manera específica.
La aspirina inactiva, en forma irreversible, la actividad de ciclo-oxigenasa de COX,
al acetilar un residuo de serina ubicado en el canal de unión del ácido araquidónico (Ser530
de COX-1 y Ser516 de COX-2), bloqueando así el acercamiento del ácido graso. De esta
forma, inhibe la síntesis de prostaglandinas y tromboxanos. A bajas dosis se comporta
como un inhibidor selectivo de la COX-1 y a elevadas dosis como inhibidor no selectivo de
la COX. Actúa en áreas periféricas y, en el área central, en el hipotálamo y también, puede
inhibir otros mediadores químicos y retardar la migración de los neutrófilos involucrados
en la inflamación. Asimismo, facilita la actividad de las prostaciclinas PI que son antiagregantes plaquetarios, bloquea el efecto agregante plaquetario de los tromboxanos A2 y estimula la vasodilatación por la liberación de óxido nítrico. También, estabiliza las
membranas de los lisosomas y puede impulsar la producción de glucocorticoides. Por todo
este accionar provoca analgesia, antipiresis y reduce la inflamación.
La diversidad en el efecto farmacológico de los diferentes AINE se explica, en gran
parte, por la COX inhibida y por la preferencia o especificidad de los AINE por las COX.
EFECTOS COLATERALES ADVERSOS
¿Quién no ha sufrido algún malestar colateral por haber consumido aspirinas? Como
sabemos, no existe una solución mágica cuando de procesos biológicos hablamos. Así,
los beneficios que puede tener la sustancia en estudio sobre el dolor o la inflamación, pueden ser tan positivos como negativos son las consecuencias adversas que la aspirina provocaría sobre diversos órganos y tejidos de nuestros cuerpos. Por ello, analizaremos
algunos efectos colaterales y los mecanismos moleculares que llevarían a ellos.
Sistema renal
COX-1 es una enzima constitutiva en el riñón y se cree que es esencial en el manteni-
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miento del flujo sanguíneo renal. Ha sido localizada en las arterias y las arteriolas, glomérulo y ductos colectores. Sin embargo, COX-2 también se ha visto que es constitutiva en
el mismo órgano. Se estima que en los riñones humanos fetales y de adultos la expresión
de la COX-2 está localizada en las células endoteliales y del músculo liso de las arterias
y las venas e, intraglomerularmente, en los podocitos. Pero aún no hay pruebas suficientes para asegurarlo.
Las prostaglandinas ejercen un efecto vasodilatador a nivel del riñón. Es por ello
que la inhibición de estas produce disminución en el flujo renal y la filtración glomerular.
Los efectos tóxicos asociados al uso de AINE son moderados y reversibles, sin embargo
las complicaciones relativamente raras de nefritis intersticial y necrosis papilar son por lo
general irreversibles.
Cuando existe una disminución de la función renal o del flujo sanguíneo renal, el
riñón sintetiza prostaglandinas por un mecanismo compensatorio que produce vasodilatación para aumentar el flujo renal. Si está presente la aspirina, no se sintetizan las prostaglandinas en este órgano con la consecuente inhibición del mecanismo compensador y
una vasoconstricción que disminuye el flujo renal, pudiendo llevar a una insuficiencia renal
aguda. Además, la nefropatía por consumo de analgésicos puede aparecer debido a la
formación de metabolitos tóxicos que se forman al reaccionar la ciclo-oxigenasa con el
ácido acetilsalicílico.
Tracto gastrointestinal
El principal efecto deletéreo de los AINE observado se da sobre el tracto gastrointestinal,
tanto por la acción directa del medicamento sobre la mucosa como por su efecto sistémico. Se calcula que entre el 30 y el 50% de los pacientes que mueren por complicaciones
relacionadas con la enfermedad úlcero-péptica han tomado AINE.
El medio gastrointestinal es mantenido por la inducción de COX-2. Esta proteína
promueve la formación de prostaglandinas “buenas”, que tienen una función fisiológica de
protección sobre el tracto gastrointestinal. El problema está en que al administrar AINEs
como la aspirina, hay un alto riesgo de úlcera, ya que estas drogas inhiben la producción
de las prostaglandinas E 1, E 2, I 2, y F 2, las cuales a nivel gastrointestinal incrementan
la producción de bicarbonato, preservando la microvasculatura de la mucosa e incrementando su regeneración.
Con el fin de disminuir los efectos directos irritantes de la aspirina pueden utilizarse
compuestos tamponados. Estos productos contienen un antiácido, que crea un medio
alcalino que intensifica la disolución de la aspirina y puede reducir el tiempo durante el
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cual la aspirina está en contacto con el estómago. Sin embargo, dado que el tampón no
puede contrarrestar la reducción de prostaglandinas, la aspirina puede irritar dicho órgano.
Es por estas razones que la aspirina con envoltura entérica se ha fabricado para
pasar intacta a través del estómago y disolverse en el intestino delgado, minimizando la
irritación directa. Sin embargo, este compuesto así formulado se absorbe irregularmente
y tarda más tiempo en aliviar el dolor.
Otros efectos adversos
El uso de AINE puede elevar transitoriamente las enzimas hepáticas; también se han
observado casos de hepatotoxicidad asociados a su uso. Por otra parte, puede desencadenar casos severos de asma o agravar la situación en casos preexistentes. En cuanto al
área dermatológica, suele ocasionar reacciones como exantema y prurito, y puede dar origen a reacciones alérgicas o causar zumbidos en los oídos.
EFECTOS COLATERALES DE ACCIÓN POSITIVA
¿Quién no ha tomado alguna vez una aspirina buscando “otros” efectos no analgésicos?
Sabemos que cuando algo “parece bueno”, termina siendo recomendable para mucho
más. Si bien no existe la píldora mágica que solucione todos los problemas, pueden existir beneficios no considerados inicialmente. No debemos olvidar que los sistemas biológicos son muy complejos. Es por ello que cuando uno intenta corregir, anular o desviar un
camino de reacciones, termina provocando además modificaciones en otra serie de reacciones. Las consecuencias de las mismas pueden ser negativas, como las antes expuestas, o positivas, como las que describiremos a continuación.
Cáncer de colon
Las prostaglandinas juegan un rol importante en la patogénesis del cáncer de colon, lo
cual ha sido evidenciado por los altos niveles de PGE2 en tumores colorrectales. Basados
en esto, los AINE, gracias a la habilidad de inhibir la síntesis de prostaglandinas, bloquearían la inmunosupresión inducida por estas sustancias afectando el crecimiento tumoral.
Así, nuestra droga en estudio tendría también un rol importante en la prevención del cáncer colorrectal; y de hecho, existe abundante evidencia experimental en modelos murinos
para el uso prospectivo de los inhibidores de la COX-2 en la prevención de este tipo de
cáncer.
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Enfermedad de Alzheimer
La enfermedad de Alzheimer es otro posible objetivo para los inhibidores de la COX-2,
dado que esta patología se caracteriza por procesos inflamatorios cerebrales asociados a
incrementos en la expresión de esta proteína.
Diversos estudios epidemiológicos han mostrado una manifestación retrasada de la
enfermedad o su progresión más lenta cuando existió un uso frecuente de AINE. Esto
podría explicarse porque las áreas cerebrales afectadas por este mal (hipocampo, corteza), claves en el desarrollo de la memoria, presentan un alto nivel de COX-2, el punto
clave de acción de las AINE.
Sangre
Una de las aplicaciones actuales más populares de la aspirina es su acción preventiva de
accidentes cardiovasculares. Esta acción puede atribuirse a la inhibición irreversible de la
ciclo-oxigenasa. En las plaquetas, la ciclo-oxigenasa sintetiza tromboxano A2, el cual tiene
acción de agregante plaquetario y de vasoconstrictor, pudiendo perjudicar el normal flujo
sanguíneo y asociarse a patologías de índole cardíaca como la generación de trombos.
La acción de la aspirina a largo plazo (mucho mayor a su vida media dentro del organismo) se debe a que las plaquetas son anucleadas y no pueden sintetizar nuevas ciclo-oxigenasas al no tener el material genético necesario. Debido a esto, la función de la enzima
es inhibida hasta que se sinteticen nuevas plaquetas, las cuales tienen una vida media de
alrededor de ocho días.
ASPIRINA VERSUS IBUPROFENO
Y si de competencias se trata, comparemos a nuestra protagonista, la aspirina, con otra
sustancia decidida a quitarle la corona, el ibuprofeno (Figura 4). Ambos compuestos son
AINE ácido carboxílicos. Mientras que la primera actúa como analgésico, antipirético y
antiinflamatorio, el ibuprofeno, por su parte, funciona como analgésico a bajas dosis y
antiinflamatorio a dosis altas.
Un dato interesante es que la conocida acción cardioprotectora de la aspirina podría
verse bloqueada por el ibuprofeno. El mecanismo de interferencia entre ambas drogas,
basado en el bloqueo de la acción antiplaquetaria de la aspirina por parte del ibuprofeno,
fue puesto en evidencia por un estudio de la revista científica The New England Journal
of Medicine.
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Figura 4. Representación de la molécula del ibuprofeno
El ácido acetilsalicílico es usado en pacientes coronarios por cuanto interfiere en la
formación de trombos causantes de accidentes cardiovasculares como antes analizamos;
pero administrar ibuprofeno a estos pacientes impide esta interferencia positiva. Según los
estudios realizados, la acción se debe a la ocupación de los canales hidrófobos COX-1 de
las plaquetas.
Por lo general, se cree que el ibuprofeno, el ketoprofeno y el naproxeno son más
suaves para el estómago que la aspirina, aunque pocos estudios han comparado realmente estos fármacos. Al igual que la aspirina, estos pueden causar indigestión, náuseas, diarrea, acidez, dolor de estómago y úlceras. Otros efectos adversos incluyen somnolencia,
vértigo, trastornos visuales, retención de agua y dificultades respiratorias.
El ibuprofeno ejerce su acción analgésica al interferir con las síntesis de prostaglandinas, particularmente la tipo E, responsable de incrementar la sensibilidad de las terminaciones nerviosas. Dicha interferencia se lleva a cabo mediante la prostaglandino
transferasa, dando como resultado la analgesia periférica y la disminución del potencial de
membrana por acción del calcio. El ibuprofeno, como otros antiinflamatorios no esteroideos, puede inhibir la agregación plaquetaria, pero el efecto es cuantitativamente más
pequeño y de menor duración que el observado con el ácido acetilsalicílico. Además, en
estudios clínicos controlados, la aparición de trastornos gastrointestinales es menor que
la observada en los pacientes tratados con ácido acetilsalicílico.
PERSPECTIVAS
Tras encontrar la COX-2, se impulsó la búsqueda de nuevas drogas selectivas con similar acción y menores efectos secundarios que los AINE.
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Actualmente, se intenta diseñar moléculas parecidas a la aspirina que acetilen e
inactiven preferentemente esta proteína. Algunos estudios proponen que, para lograrlo, se
debe variar la longitud del grupo acilo unido al salicilato. El compuesto más potente de
este tipo encontrado es el APHS.
La eficacia de dicha nueva droga en el tratamiento de células inflamadas, su selectividad en la atenuación del crecimiento de células de cáncer de colon que expresan COX-2
y su selectividad de acción sobre COX-2 respecto COX-1 in vivo indican que esta clase
de inhibidores de unión covalente pueden servir como propulsor de nuevas intervenciones
terapéuticas en cuadros inflamatorios y proliferativos.
Otras líneas de investigación llevaron al desarrollo de un nuevo grupo de drogas
antiinflamatorias reconocidas con el nombre de “coxibs”. Al igual que el ácido acetilsalicílico,
inhiben la prostaglandina sintasa; sin embargo mientras que los AINE inhiben las dos formas
reconocidas de la enzima –COX-1 y COX-2– los coxibs (celecoxib y rofecoxib) son inhibidores selectivos de COX-2. Ni los coxibs ni los AINE inhiben la actividad de hidroperoxidasa.
Las implicaciones clínicas de la inhibición específica de la COX-2 han sido demostradas con celecoxib y rofecoxib. Diferentes estudios clínicos han revelado que ambos
poseen eficacia clínica equivalente a los AINE convencionales en el tratamiento del dolor
(ejemplo analgesia odontológica) y la inflamación, pero con la gran ventaja en la incidencia de eventos adversos similares a los de placebo. Sin embargo, existen varias circunstancias en las que la COX-2 podría cobrar importancia para la homeostasis en la salud o
en la enfermedad.
El blanco de aplicación de estas drogas se estudió, principalmente, en casos de
osteoartritis y artritis reumatoide, dando resultados positivos en lo que respecta a la eliminación de dolores e inflamación. Así, los coxibs pueden ser la respuesta a la búsqueda de
mejores armas contra el dolor.
CONCLUSIONES
El futuro de la investigación en AINE está en el desarrollo de fármacos más seguros, basados en la comprensión de su mecanismo de acción. Así, el AINE con mayor especificidad
sobre la COX-2 será el que menores efectos secundarios posea.
Es importante, también, indagar el efecto de nuevas drogas, que tal vez actúen con
más eficiencia que las ya conocidas. Es por eso que los resultados en la investigación de
las drogas antes descriptas (APHS y coxibs) son alentadores. Sin embargo, aún queda un
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largo proceso de exploración de los mecanismo de acción y de la eficacia real de este tipo
de sustancias.
Por otra parte, sería útil analizar si, en vez de inhibir la formación de prostaglandinas al modificar el sitio activo de la ciclo-oxigenasa, se puede regular la actividad de las
prostaglandinas responsables de los síntomas de dolores e inflamación, en las reacciones
posteriores a su generación.
Si bien hay constantes avances en la investigación de estas drogas, el proceso de
búsqueda es lento. Es positivo que se usen las herramientas que la naturaleza nos brinda para mejorar nuestra calidad de vida. Por ello, no debemos estancarnos en los descubrimientos del pasado sino seguir explorando el mundo biológico, continuar la tarea que
los científicos de una época comenzaron, para eliminar, de un modo más eficiente cada
día, los malestares sanitarios que afectan al hombre.
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Evolución en acción. El caso de las babosas fotosintéticas
Andrés Romanowski
INTRODUCCIÓN
Simbiosis es un término generalmente aplicado a la cohabitación de dos organismos,
mientras que la endosimbiosis se refiere al hecho de que un organismo viva dentro de otro
y pueda ser tanto intra como extracelular.
La simbiosis se refiere a asociaciones fisiológicas, temporales o topológicas con
destinos ambientales determinados. La simbiogénesis es, por otro lado, un tipo de innovación evolutiva que describe la aparición de un nuevo tejido, órgano, fisiología u otra
característica nueva derivada de la asociación simbiótica.
De hecho, las células de todos los grandes organismos son producto de la simbiogénesis. Al comienzo de toda asociación simbiótica, el organismo de vida libre está contenido por una membrana propia y contiene su propio ADN, ARN, etc. Por ejemplo, los
organismos de vida libre (bacterias púrpuras y cianobacterias) que pasaron a formar organelas (mitocondrias y cloroplastos) deben entonces haber empezado su historia de esta
manera. Una adquisición de este tipo contrasta fuertemente con las asociaciones cíclicas,
que requieren que cada generación vuelva a adquirir simbiontes. En tanto, en el caso de
las mitocondrias y los cloroplastos, las organelas pierden su habilidad de vivir fuera de las
células, las cuales se vuelven igualmente dependientes de las funciones de aquellas.
Las dos grandes clases de organelas eucariotas: cloroplastos (fotosíntesis) y mitocondrias (respiración aeróbica) comenzaron como eubacterias. Este hecho, ahora indiscutible, ha sido verificado por secuencias de proteínas y ácidos nucleicos y los tipos de
eubacterias involucrados han sido identificados. En el caso de la mitocondria, el ancestro
correspondía al grupo α de proteobacterias y, en el caso de los cloroplastos, se trató de
algunos tipos de cianobacterias, como Synechococcus. Casi todos los eucariotas poseen
una o ambas clases de organelas, que son vestigios de antiguas simbiosis permanentes.
En las asociaciones cíclicas, cada miembro atraviesa distintas etapas: reconocimiento de la pareja simbiótica, asociación física, fusión física y mantenimiento precario del
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estado integrado. La naturaleza transitoria del estado integrado hace que este tipo de asociaciones sean extremadamente sensibles a las condiciones ambientales. Es por ello que
los cambios en el medio ambiente pueden provocar la disociación de la simbiosis. En tal
caso, los miembros de la simbiosis continúan su ciclo de vida en forma libre. Sin embargo, en etapas posteriores, los individuos pueden volver a integrar una nueva asociación.
Existen muchos ejemplos para este tipo de asociaciones, que fueron descriptas en su
mayor parte en estudios botánicos. Las otras asociaciones cíclicas bien conocidas son
aquellas que suceden entre animales marinos y su contraparte fotosintética (Tabla 1).
Tabla 1. Ejemplos de asociaciones cíclicas entre animales marinos y su contraparte fotosintética
(Margulis y Chapman, 1998)
Holobionte
Simbionte 1 (mayor)
Simbionte 2 (menor)
Arrecifes de coral
Hydra viridis
Pez luminoso
Euprymna
Muchos colenterados
Hidra marrón
Leiognatidos, anemolópidos
Calamar
Symbiodinium (dinomastigote)
Chlorella (alga clorófita)
Vibrio, Photobacterium (eubacteria)
Photobacterium fischeri (eubacteria)
Existe un tipo de asociación muy interesante, el cual entra dentro de los límites de
la definición de simbiosis cíclica. Este se da entre babosas marinas del género Elysia y los
cloroplastos de algas del género Vaucheria. En este caso, y de ahí lo llamativo, la asociación es entre un organismo eucariota multicelular del reino animal y una organela de un
organismo multicelular de otro reino.
EL GÉNERO ELYSIA
Muchas de las simbiosis que ocurren entre animales y algas son asociaciones en las cuales el alga reside fuera de las células del animal o dentro de una vacuola. Este no es el
caso para algunas babosas de mar del género Elysia, las cuales establecen una relación
“simbiótica” intracelular con cloroplastos que extraen de las células de las especies de
algas que ingieren y, sorprendentemente, pueden realizar fotosíntesis (Figura 1).
Las babosas juveniles se alimentan particularmente de los filamentos de algas sifonáceas y cromofíticas e incorporan fagocíticamente los cloroplastos intactos en el citoplasma de células epiteliales especializadas que tapizan los túbulos del sistema digestivo.
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Figura 1. Dos especímenes de E. chlorotica (Rumpho et al., 2000)
Durante este proceso, el retículo endoplásmico del cloroplasto (una característica de los
cloroplastos cromofíticos) desaparece, dejando plástidos con su membrana externa en
contacto directo con el citoplasma animal. Estos plástidos continúan funcionales desde
días hasta meses, según la especie de babosa.
La asociación más duradera se da en Elysia chlorotica, que obtiene sus cloroplastos del alga cromofítica Vaucheria litorea, y puede llegar a durar hasta nueve meses. Si
tomamos en cuenta que estas babosas viven entre ocho y diez meses, ya sea en condiciones naturales o artificiales, esto resulta sorprendente. Y no sólo son capaces de mantener los cloroplastos, sino que también pueden realizar fotosíntesis. Además, se ha
demostrado que estas babosas son capaces de subsistir en condiciones de laboratorio sin
comida si tan sólo se les provee una fuente de luz y de CO2, e incluso aumentar su masa,
del mismo modo que lo hacen los vegetales y las algas.
Se ha descripto que esta particular simbiosis no es heredable y debe ser reestablecida con cada generación de babosas de mar. Es decir, los plástidos no se transmiten a
los huevos.
FOTOSÍNTESIS Y GENERACIÓN DE O2
En las algas modernas, la membrana tilacoidal posee dos fotosistemas, cada uno
con su propio tipo de centro de reacción y moléculas antena, y sus funciones distintas y
complementarias. El fotosistema II (FSII) es un sistema feofitina-quinona (como el de las
bacterias púrpuras), capaz de traslocar protones a través de la membrana; y el fotosistema I (FSI) es similar al centro de reacción de tipo I de las bacterias verdes del azufre
(Figura 2).
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Figura 2. Esquema que representa a los fotosistemas comunes para plantas, algas y
cianobacterias (Nelson y Cox, 2004)
Estos dos centros de reacción actúan en conjunto para catalizar el pasaje de electrones desde el H2O a NADP+. Los electrones son transportados de un fotosistema a otro
por la plastocianina, que transporta un electrón a la vez (como el citocromo c de la mitocondria). Para reponer los electrones que pasan del FSI al FSII a NADP+, el agua se oxida
produciendo O2 (fotosíntesis oxigénica).
2H2O + 2NADP+ + 8 fotones
O2 + 2NADPH + 2H+
En el FSII, dos proteínas similares, D1 y D2, forman un dímero, al cual los cofactores que transportan electrones se unen. La excitación del centro de reacción produce un
excelente donor de electrones que en pocos picosegundos transfiere un electrón a la feofitina, dándole una carga negativa. El centro de reacción queda como un radical catión. La
feofitina a su vez pasa el electrón a PQA (una quinona unida a proteína), que pasa su electrón a otra quinona PQB. Cuando PQB adquiere dos electrones de PQA y dos protones del
agua, se reduce a PQBH2:
4P680 + 4H+ + 2PQB + 4 fotones
4P680+ + 2PQBH2
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Los electrones acarreados por PQBH2 son llevados al FSI a través de un citocromo
del tipo b6f y plastocianina. Cuando el FSI se excita, el centro de reacción le cede un electrón a un aceptor A0, dejando los radicales catión P700+ y un anión A0-. P700+ rápidamente
adquiere un electrón de la plastocianina. A0- le transfiere su electrón a A1, que a su vez se
lo transfiere a una proteína de hierro-azufre. Luego el electrón pasa a la ferredoxina (Fd)
y la ferredoxina: NADP+ oxido-reductasa, transfiere el electrón de Fd al NADP+:
2Fdred + 2H+ + NADP+
2Fdox + NADPH + H+
La función del complejo b6f (Figura 3) involucra un ciclo Q, a través del cual los electrones pasan, uno a la vez, desde PQBH2 al citocromo b6. Este ciclo resulta en la traslocación de protones a través de la membrana hacia el lumen. Se crea así un gradiente de
protones al pasar electrones del FSII al FSI. La diferencia de pH entre el estroma y el
lumen provee la fuerza impulsora necesaria para la síntesis de ATP.
Figura 3. A. Complejo del b6f. B. Esquema de la membrana tilacoidal (Nelson y Cox, 2004)
Los cloroplastos poseen también reacciones que permiten la reducción de CO2 a
triosas-fosfato (ciclo de Calvin) y la ruta reductora de las pentosas-fosfato, las cuales
deben ser reguladas junto con la glucólisis y la gluconeogénesis.
La larga duración y la capacidad funcional de las babosas (la evolución de O2 decrece luego de cinco meses) es increíble considerando la complejidad del funcionamiento de
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un cloroplasto, y la regulación necesaria, evidenciada a la hora de intentar mantener un
cloroplasto funcional en forma artificial. Del 70 al 90% de todos los polipéptidos necesarios para el funcionamiento del plástido, tienen un origen nuclear en las plantas. Incluso
en las algas cromofíticas (como es el caso de V. litorea), cuyos cloroplastos tienden a presentar una mayor autonomía genética que las clorofíticas, solo 120-130 productos, que
representan el 13% de todos los requeridos para el funcionamiento del cloroplasto, son
codificados por el plástido. A pesar de que las proteínas D1, D2, PsaA, PsaB, y otras
requeridas para la formación de los complejos fotosintéticos, están codificadas por dicha
organela, igualmente requieren regulación nuclear ya sea a nivel transcripcional o traduccional. Además, esta regulación está a su vez sujeta a cambios ambientales y fisiológicos.
El hecho de que la actividad fotosintética continúe durante tanto tiempo sugiere
varias posibilidades:
a) Las proteínas del cloroplasto son estables y no se degradan y resintetizan (turn
over) en los plástidos simbióticos.
b) Algunos de los genes nucleares del alga han sido transferidos al genoma de la
babosa, proveyéndole al plástido las proteínas que necesita.
c) Puede ser que los plástidos simbióticos tengan mayor autonomía genética, permitiéndoles funcionar en ausencia del núcleo y del citoplasma de la célula del alga.
Se ha demostrado que muchos genes que codifican para proteínas del cloroplasto,
se encuentran presentes y se expresan en los plástidos simbióticos. Algunos de los productos pueden ser detectados durante toda la duración de la simbiosis. Tres proteínas del
FSII: D1, D2 y CP-43 (proteína de unión a clorofila a) fueron detectadas en las babosas y
de las dos proteínas principales, D2 es la que más decae (81%) a lo largo del tiempo. D1
y CP-43 no disminuyen más allá del 50% del valor inicial. También, las proteínas principales del FS I (PsaA y PsaB) no bajan del 50% inicial. PsaC (proteína de unión a FA-FB) disminuye hasta un nivel cercano al 50% inicial y PsaD (proteína de unión a Fd) se mantiene
constante durante cinco meses, bajando hasta un 39% del valor inicial a los nueve meses
(80% respecto del alga). Las proteínas que forman el FSI son predominantes en las babosas más viejas.
Tres citocromos también se detectaron en la babosa: b559, f y c6. El citocromo b es
el más estable y sus niveles se mantienen constantes, mientras que el nivel de citocromo
f disminuye paulatinamente luego del 4to mes con respecto a los niveles encontrados en
extractos del alga. En tanto, el c6 siempre se mantiene por debajo de los niveles encontrados en el alga.
A medida que disminuyen los niveles de estas proteínas también disminuyen los
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niveles de evolución de O2 y de la actividad de la cadena de transporte de electrones fotosintética.
También se han encontrado, mediante la técnica de Southern blot, los genes que
codifican para las dos subunidades de la enzima RuBisco en el genoma del plástido. Esto
sugiere la presencia de la ruta del ciclo de Calvin, que explicaría la capacidad de las babosas de fijar CO2.
En las plantas, la síntesis y el direccionamiento de proteínas del cloroplasto, así
como la transcripción de sus genes, están regulados por señales que provienen de la célula vegetal. Por lo tanto, en los plástidos simbióticos esta regulación debe de estar dada
por el plástido en sí mismo o, lo que sería más interesante, por el núcleo de la babosa.
Más adelante, se comprobó que proteínas sintetizadas en el citoplasma de las células de la babosa eran dirigidas a los plástidos. Esto se logró utilizando cicloheximida, un
inhibidor específico de ribosomas citósolicos, y cloranfenicol, un inhibidor específico de
ribosomas de plástidos. La síntesis de polipéptidos pertenecientes al LHCI (Light
Harvesting Complex I) es bloqueada por la cicloheximida, pero no por el cloranfenicol, lo
que sugeriría que estos polipéptidos están codificados en el genoma de la babosa. Este
fue el primer indicio de que hubo transferencia horizontal de genes entre el alga y la babosa. Sin embargo, hasta ese momento no hubo pruebas directas de la presencia de algún
gen codificante para proteínas del cloroplasto en el genoma de la babosa, debido a diversas dificultades, como ser la falta de secuencias del alga, falta de conservación en la
secuencia y/o falta de secuencia aminoacídica.
En otras especies relacionadas se realizaron estudios similares, particularmente en
Elysia crispata, la cual logra mantener sus plástidos funcionales durante 3-4 meses. Estas
organelas requieren mucha síntesis proteica por parte del citoplasma. Cuando las babosas son incubadas en
35S-metionina,
muchas proteínas del plástido incorporan radioacti-
vidad y la síntesis de algunas de ellas es inhibida por cloranfenicol. El resto es inhibido por
cicloheximida. Esto indicaría, al igual que en E. chlorotica, que una gran variedad de proteínas están siendo sintetizadas mientras los plástidos se encuentran en el organismo,
pero también que muchas de ellas son sintetizadas en el citoplasma.
Utilizando anticuerpos para realizar Western blots e inmunoprecipitaciones, con el
objetivo de identificar aquellos genes cuya síntesis era bloqueada por cicloheximida, se
encontró que un anticuerpo heterólogo policlonal anti FCP (fucoxantine-clorophyll binding
protein) revelaba una banda fuertemente inhibida en presencia de cicloheximida. Además,
este anticuerpo inmunoprecipitaba radioactividad de proteínas del cloroplasto marcadas
con
35S.
En cambio, en presencia de cicloheximida esta se reducía en el 71%. Luego se
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generó una sonda a partir de los datos de la secuencia de esta proteína y mediante
Southern blot se observó la presencia de un homólogo a FCP en el genoma de la babosa. La sonda también hibridó con el genoma del alga V. Litorea.
Juntando las evidencias farmacológicas, inmunológicas y moleculares, se puede
sugerir que un gen que codifica para una proteína de un cloroplasto del alga estaría presente en el genoma de E. crispata y, si esto es así, muy probablemente también sea el
caso en E. chlorotica.
La transmisión de genes entre el alga y la babosa resulta difícil de explicar. Sin
embargo, existe una teoría acerca de cómo puede haber ocurrido y de cómo puede estar
ocurriendo actualmente. Es posible que uno o más virus estén involucrados.
De hecho, desde hace algunos años se ha detectado que el ciclo de vida de E. chlo rotica pareciera estar regulado por la acción de virus. Dentro de esta investigación, se ha
observado que la expresión de los mismos coincidiría con la muerte sincronizada de todos
los adultos de la población. Este comportamiento ocurre ya sea en la naturaleza, como en
condiciones controladas de laboratorio. Además, se ha demostrado que los virus no reinfectan generaciones siguientes a partir de un pool externo sino que son endógenos a la
babosa. Así, se hipotetiza que dichos patógenos están involucrados en el mantenimiento
de los cloroplastos, en las células del molusco (Figura 4).
Figura 4. Virus brotando hacia vacuolas citoplasmáticas. (Pierce et al., 1999)
En cuanto a los virus, no se sabe si se trata de más de un especimen o de diferentes estadios de un mismo patógeno. Los virus que se encuentran en el citoplasma parecen tener características de la familia de los retrovirus, mientras aquellos hallados en los
cloroplastos son parecidos a los virus del mosaico de las plantas.
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Se especula que la infección viral puede haber causado la transferencia de genes
desde el alga a la babosa, lo cual le permitiría a las células del molusco el mantenimiento de los plástidos. Aunque la transferencia, integración y expresión de un grupo de genes
ocurre solo en raras ocasiones, aquellos que sí ocurrieron deben tener efectos profundos,
inmediatos y heredables en el fenotipo de la especie infectada. Estos efectos pueden ser
asociados con los mecanismos del origen endosimbiótico de las organelas intracelulares
(cloroplastos y mitocondrias), en los cuales distintos genes fueron transferidos al núcleo
de la célula hospedadora.
CONCLUSIÓN
Las babosas del género Elysia describen, junto con los cloroplastos del alga Vaucheria
litorea, una simbiosis del tipo cíclica, es decir, que debe ser renovada en cada generación
de las babosas.
Según la especie de este molusco, los cloroplastos son retenidos más o menos
tiempo. Por ejemplo, las asociaciones más largas se dan en E. chlorotica (nueve meses)
y E. crispata (de cuatro a cinco meses). También, se ha demostrado que la síntesis de proteínas de novo sigue ocurriendo en los plástidos y que existen proteínas que se sintetizan
en el citoplasma celular y son dirigidas al cloroplasto. Lo interesante es que estas proteínas son sintetizadas en ausencia del ADN genómico del alga.
Resulta impresionante el hecho de que la babosa, un animal, sea capaz de mantener los plástidos activos realizando fotosíntesis con evolución de O2, dada la dificultad que
supone mantener un cloroplasto en forma artificial y el nivel de regulación que el cloroplasto requiere por parte del genoma nuclear en las plantas.
¿Pero cómo pudo haber sucedido esto? Es posible que en un principio las babosas
asimilaran los cloroplastos para tener una coloración similar a las algas de las que se alimentan. De esta manera, pasarían desapercibidas y tendrían una ventaja clara respecto
de sus predadores. Con el tiempo, fueron adquiriendo genes del genoma del alga, los que
les permitieron aprovechar los cloroplastos como algo más que un simple camuflaje. Tener
un cloroplasto activo supone una ventaja frente a babosas que no los poseen, ya que en
tiempos de escasez de alimento, dichas babosas pueden utilizar como fuente de carbono
y energía al CO2, y nada más.
El ciclo de vida de las babosas parece estar regulado por un virus (esto se ha comprobado en el caso de E. chlorotica) y se hipotetiza que este es un fuerte candidato para
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explicar cómo puede haber ocurrido la transferencia horizontal de genes entre dos organismos multicelulares tan distanciados filogenéticamente. Aquí vemos cómo un patógeno
termina siendo un factor que contribuye en la adaptación de una especie. Los entes biológicos no son buenos ni malos, sólo intentan la supervivencia.
La simbiosis aquí descripta abre un nuevo capítulo en la evolución de nuevos organismos. El hecho de que un animal sea capaz de adquirir un cloroplasto de un alga, mantenerlo activo y ser capaz de fijar CO2 abre nuevas preguntas y muestra que la evolución
nunca deja de sorprendernos. Hasta ahora, en nuestras cabezas parecía imposible pensar en un animal que pudiera vivir de la luz y del CO2, sin embargo, existe. Estos magníficos descubrimientos nos deberían servir para darnos cuenta de que la evolución no es
un proceso acabado, sino que continúa desarrollándose de manera constante. ¿Cómo
serán los organismos que habiten este planeta dentro de millones de años? No lo sabemos, pero seguramente las estrategias biológicas seleccionadas nos sorprenderían enormemente. Quizás ni siquiera podamos imaginarlas.
ANEXO
Elysia chlorotica (Gould, 1870)1
Orden: Sacoglossa
Superfamilia: Elysioidea
Familia: Elysiidae
Distribución: Costa este de América del Norte,
desde Nueva Escocia a Florida.
Foto: Dr. Mary Rumpho. Martha’s Vineyard,
Massachusetts, noviembre, 1999.
Forma típica de elysiido con grandes parapodia
laterales que se doblan para encapsular al
cuerpo. Usualmente de color verde brillante,
pero puede aparecer en colores rojizos o grisáceos, aparentemente según la cantidad de clo1
Rudman, W. B. (2005), “Elysia chlorotica Gould, 1870”, Sea Slug Forum. Australian Museum, Sydney.
<http://www.seaslugforum.net/factsheet.cfm?base=elyschlopagina>. Traducción y adaptación por Andrés
Romanowski.
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roplastos en las ramificaciones del aparato digestivo, que se distribuyen por todo el cuerpo. Posee también pequeños puntos blancos dispersos y numerosos puntos rojos. Puede
llegar a medir 45 mm de longitud, pero usualmente no supera los 20-30 mm.
Se alimenta succionando los contenidos celulares del alga Va u c h e r i a. Se ha vuelto
un animal de importancia para el estudio de la fisiología vegetal porque, como muchos
sacoglossanos, es capaz de mantener cloroplastos de su comida, activos y funcionando en
su propio cuerpo. Se lo encuentra en márgenes saladas y estanques no muy profundos.
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Elysia crispata (Morch, 1863)2
Orden: Sacoglossa
Superfamilia: Elysioidea
Familia: Elysiidae
Distribución: Caribe.
Fotos: Anne Dupont. Arriba: forma azulada, Isla de Saba, Caribe; abajo: forma verde oscura. Nótese la coloración verde oscura causada por densas poblaciones de cloroplastos
simbióticos, Bahamas.
2
Rudman, W. B. (1999), Elysia crispata (Morch, 1863). Sea Slug Forum. Australian Museum, Sydney.
<http://www.seaslugforum.net/factsheet.cfm?base=elyscris>. Traducción y adaptación por Andrés
Romanowski.
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Los parapodia en Elysia crispata
son largos y con dobleces, presumiblemente para aumentar el
área de superficie y poder albergar un gran número de cloroplastos funcionales en sus tejidos.
Los cloroplastos son obtenidos
del alga de la cual se alimenta.
Estos plástidos continúan realizando fotosíntesis dentro del
cuerpo de la babosa, proveyéndole de glúcidos para su nutrición. El proceso de tomar los
plástidos del alga se conoce
como kleptoplastía.
Hasta hace poco tiempo
esta especie tenía su propio
género: Tridachia debido a su
parapodia, pero Gosliner (1995)
ha argumentado que esto no solo
es innecesario, sino que confunde nuestro entendimiento de la
historia filogenética de la familia.
Es mejor considerarla como una
especie de Elysia con un borde
parapodial extremadamente invaginado. Elysia crispata varía mucho su coloración.
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Condiciones de vida extrema: organismos
que viven de metano
Eugenio Cálcena y Mariana Capello
La propuesta del presente trabajo es discutir sobre la interrelación de los organismos
extremófilos con su hábitat natural. En especial, se hará hincapié en las adaptaciones que
poseen estas formas de vida para soportar las distintas condiciones ambientales extremas
que deben sobrellevar, como así también la potencial aplicación de las mismas en beneficio humano, a través de la industria biotecnológica.
Si bien la información presentada es general y pretende dar un panorama amplio de
la diversidad de extremófilos existente, se destacará el tratamiento de un grupo de bacterias y arqueas metanotróficas.
INTRODUCCIÓN
Por definición, un organismo extremófilo vive en ambientes extremos. Crece en forma óptima bajo condiciones ambientales extremas de temperatura, presión, pH, radiación, desecación, salinidad, etc. En el caso de que el organismo habite más de uno de estos
ambientes, se dirá entonces que es poliextremófilo. Un ejemplo de ello es el arquea
Sulfolobus acidocaldarius, la cual vive en un ambiente a pH 3 y a 80 ºC de temperatura.
El término “extremo” incluye condiciones físicas (temperatura, presión y radiación), condiciones geoquímicas (desecación, salinidad, pH, oxígeno y potencial rédox) y condiciones
biológicas (nutricionales, de densidad de población) (Tabla 1).
Aunque entre los extremófilos se incluyen distintas taxas de Bacteria y Eukarya, los
miembros de Archaea son los microorganismos más abundantes y algunos de ellos,
sobreviven en condiciones prohibidas para cualquier otro ser vivo. Incluso dentro de los
organismos extremófilos también se encuentran ciertos organismos multicelulares.
El descubrimiento de ambientes extremos y de los organismos que los habitan ha
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Tabla 1. Clasificación de organismos según parámetros ambientales de su hábitat natural
Parámetros ambientales
Tipo de organismo
Definición
Ejemplos
Temperatura
Hipertermófilo
Termófilo
Mesófilo
Psicrófilo
Tº >80 ºC
Tº 60-80 ºC
Tº 15-60 ºC
Tº <15 ºC
Pyrrolobus fumarii (113 ºC)
Synechococcus lividis
Homo sapiens
Psychrobacter, insectos
Radiación
Deinococcus radiodurans
Presión
Barófilo
Piesófilo
Alto peso
Alta presión
–
Para microbios, 130 MPa
Gravedad
Hipergravedad
Hipogravedad
>1 g
<1 g
–
–
Tolera vacío
Tardígrados, microbios,
insectos, semillas
Vacío
Desecación
Xerófilo
S/ humedad
Hongos, líquenes,
microbios, nemátodos,
Artemia salina
Salinidad
Halófilo
2-5 M NaCl
Halobacteriaceae,
Dunaliella salina
pH
Alcalinófilo
pH >9
Acidófilo
pH bajos
Natronobacterium, Bacillus
firmus OF4, Spirulina sp.
(todos a pH 10,5)
Cyanidium caldarium,
Ferroplasma sp. (ambos a pH 0)
Tensión oxígeno
Anaerobio
Microaerobio
Aerobio
No tolera O2
Tolera poco O2
Requiere O2
Extremos químicos
Gas
Metal
Altas concentraciones
Methanococcus jannaschii
Clostridium
Homo Sapiens
C. caldarium (puro CO2)
Ferroplasma acidarmanus
(Cu, As, Cd, Zn), Ralstonia sp.
CH34 (Zn, Co, Cd, Hg, Pb)
hecho posible la investigación sobre la posibilidad de vida fuera del planeta Tierra.
Además, los extremófilos han provisto datos básicos para la biología molecular brindando
información clave, por ejemplo, sobre el plegamiento de proteínas. Sus enzimas tienen un
potencial económico muy grande en múltiples áreas: síntesis química, detergentes, fármacos, agricultura, etc. También puede utilizárselas como base para modificar enzimas derivadas de organismos mesófilos.
ADAPTACIONES A LAS DISTINTAS CONDICIONES AMBIENTALES EXTREMAS
Temperatura
La temperatura puede generar desde una devastación estructural por la formación de cristales de hielo, hasta la desnaturalización de biomoléculas por excesivo calor. En ambos
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casos opuestos, termina siendo una condición letal para la vida. Por otro lado, la solubilidad de los gases en agua tiene relación con la temperatura, produciéndose inconvenientes cuando esta es alta, ya que los organismos acuáticos requieren O2 y CO2. Por citar
algunos ejemplos concretos, las temperaturas cercanas a 100 ºC normalmente desnaturalizan proteínas y ácidos nucleicos y aumentan la fluidez de las membranas a niveles
letales. En tanto, la clorofila se degrada por arriba de los 75 ºC impidiendo de este modo
la fotosíntesis, proceso de transformación de la energía clave para el sostenimiento de la
vida en este planeta.
Por estos motivos, los organismos capaces de crecer a temperaturas mayores a 80
ºC se denominan hipertermófilos, y en general, no pueden desarrollarse a temperaturas
menores a 60 ºC. La mayoría de ellos son arqueas, como por ejemplo, Pyrolobus fumarii.
¿Dónde encontramos tales condiciones extremas? En verdad, no son tan comunes,
sino que debemos viajar para encontrarlas hasta áreas volcánicas o fuentes termales con
alta salinidad (3%) y amplio rango de pH (0.5-8.5). Como el O2 tiene baja solubilidad a
temperaturas altas y en presencia de agentes reductores, estos ambientes suelen ser
anoxigénicos. Sin embargo, existen superficies expuestas al aire y otras que contienen
cantidades de oxígeno razonables para que se desarrollen organismos aerobios.
Para adaptarse a las altas temperaturas, las células de estos organismos debieron
seleccionar composiciones de membranas particulares, incluyendo la cantidad y el tipo de
lípidos. Por otro lado, las proteínas han evolucionado para adaptarse a estas temperaturas aumentando el contenido de pares iónicos, formando como consecuencia oligómeros
de alto ordenamiento y disminuyendo la flexibilidad a temperatura ambiente. En cuanto al
genoma y los transcriptos, las sales monovalentes (KCl) y divalentes (MgCl2) logran estimular la estabilidad de los ácidos nucleicos, ya que las mismas barren las cargas negativas de los grupos fosfato y protegen al ADN de la hidrólisis y la depurinización.
Todos los microorganismos y líneas celulares se pueden preservar a –196 ºC (nitrógeno líquido), agregando diferentes compuestos que evitan la formación de cristales de
agua, pero la temperatura más baja registrada para comunidades activas es mayor que
–18 ºC. El agua líquida es un solvente universal para la vida y es utilizado como reactivo
y como producto en la mayoría de los procesos metabólicos. Es por ello que la presencia
de dicha sustancia en estado líquido es el oro que buscan las agencias espaciales en los
planetas vecinos para sugerir la existencia de vida extraterrestre.
A bajas temperaturas, como ya sabemos, el agua se solidifica. Y esto también sucede en el interior de las células, produciendo efectos letales para la vida. Por ello, los organismos capaces de crecer a temperaturas menores a 15 ºC son denominados psicrófilos.
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Estos seres vivos han seleccionado, luego de milenios de evolución, membranas compuestas por ácidos grasos con alto contenido de instauraciones, y proteínas con alta flexibilidad para restaurar sus funciones.
Radiación
La radiación puede considerarse como energía en tránsito (neutrones, electrones, protones, partículas a o iones metálicos), o como ondas electromagnéticas (rayos gamma, X,
radiación UV). El daño causado por la radiación UV y por la ionizante disminuye la movilidad e inhibe la fotosíntesis; pero el mayor efecto es producido sobre los ácidos nucleicos. El daño directo al ADN o el indirecto a través de la producción de especies de O2
reactivas, genera bases modificadas y cortes de una o de las dos hebras de la molécula
genómica, ocasionando una rápida muerte para la mayoría de los organismos.
¿Cómo es posible entonces que existan formas de vida en ambientes donde las
fuentes de radiación son excesivas? Cuando la energía abunda y es dañina, como por
ejemplo en una salina, los organismos deben proteger su ADN para así asegurarse la
supervivencia. De este modo, D. Radiodurans se ha adaptado a tales condiciones mediante el desarrollo de un mecanismo de reparación que involucra el rearmado del ADN fragmentado por la radiación, un proceso extraordinario nunca antes observado en alguna otra
forma de vida terrestre.
Altas presiones
El punto de ebullición del agua aumenta con la presión (y esta con la profundidad), de
modo tal que en los fondos oceánicos el agua permanece líquida a 400 ºC. Este factor
fuerza cambios de volumen, empaquetando por ejemplo a los lípidos, componentes base
de cualquier membrana celular, disminuyendo así la fluidez de la misma. Es por esto que
un cambio repentino de presión puede ser letal, alterando además la expresión genética.
Sin embargo, en los fondos abisales de los océanos existe vida; son, quizás, algunos de
los ecosistemas más interesantes de nuestro mundo.
Ante tales condiciones extremas y para contrarrestar estos efectos, los organismos
capaces de vivir a altas presiones debieron seleccionar conformación de membranas con
un número importante de ácidos grasos insaturados, aumentando gracias a ello su fluidez.
Además, seleccionaron buenos sistemas de reparación de ADN, pues en tales ambientes
el genoma debe estar mejor protegido a roturas y mutaciones.
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Desecación
El agua posee muchas propiedades que la hacen el solvente esencial para la vida: alta
temperatura de fusión, ebullición, constante dieléctrica y formación de gran cantidad de
puentes de hidrógeno, entre otras. Y de hecho, es casi impensable la existencia de vida
sin dicha sustancia, dado que la pérdida de agua causa cambios irreversibles en lípidos,
proteínas y ácidos nucleicos, tales como la desnaturalización y la acumulación de especies reactivas de O2, especialmente bajo radiación solar. Pero como la biodiversidad
asombra, y la vida se empeña en triunfar no importa el ambiente que toque en suerte, existen organismos que pueden tolerar la desecación. Estas formas de vida tienen la propiedad de entrar en anhidrobiosis, un estado de baja concentración de agua intracelular sin
actividad metabólica, aumentando también la osmolaridad del citosol.
pH del medio
Los procesos biológicos tienden a ocurrir en un rango de pH medio. De hecho, el pH intracelular y del ambiente normalmente se encuentran en ese rango. Esto es así porque las
proteínas se desnaturalizan a pH extremos, y sin ellas, no existe forma de vida posible.
Sin embargo, existen organismos capaces de crecer a bajos pH, los cuales se denominan acidófilos, y otros que lo hacen a altos pH, denominados alcalinófilos. Estos organismos, como el resto de las formas de vida no extremófilas, mantienen su citoplasma en
condiciones de pH neutras. Para ello, utilizan mecanismos activos que involucran la captación de protones mediante antiportadores asociados a la membrana. También, utilizan
mecanismos pasivos, que incluyen polímeros cargados negativamente en la pared celular
de alcalinófilos, propiedades de permeabilidad inusuales, alta capacidad buffer interna y
sobreexpresión de enzimas exportadoras de protones.
Exceso de formas reactivas de O2
La Tierra ha sido anaerobia a través de la mayoría de su historia de vida. El metabolismo
aerobio es sin duda más eficiente que el anaerobio pero la explotación de este ambiente
tiene sus costos. Las formas reducidas de O2 generan daño oxidativo, especialmente radicales libres. Como actualmente se sabe, este daño está implicado en el desarrollo del cáncer y en el envejecimiento. Un mecanismo que han seleccionado distintas formas de vida
para evitarlo o repararlo es la producción de antioxidantes o enzimas detoxificantes.
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BACTERIAS METANOTRÓFICAS OBLIGADAS: UN EJEMPLO DE SUPERVIVENCIA
Las bacterias metanotróficas obligadas son un grupo especializado de organismos que
utilizan metano (CH4) como única fuente de carbono y energía. Son muy ubicuas dentro
de la naturaleza y se encuentran adaptadas a altas y bajas temperaturas, pH y salinidad.
Todas las metanotróficas descriptas se han dividido en tres grupos de acuerdo a sus propiedades fenotípicas y genotípicas:
Metanotróficas tipo I (género Methylomonas y Methylobacter)
Poseen membrana intracitoplasmática (ICM), un contenido de G en el ADN de 48-59
mol%, ciclo de asimilación de C1 de la ribulosa monofosfato (RuMP), ciclo de ácidos tricarboxílicos (TCA) deficiente en α-cetoglutarato deshidrogenasa y asimilación de NH4+
por aminación reductiva de piruvato o vía ciclo del glutamato.
Metanotróficas tipo II (género Methylosinus y Methylocytis)
Poseen ICM localizada en forma paralela a la membrana citoplasmática, contenido de G
en el ADN de 61-67 mol%, vía de asimilación de C1 dependiente de serina, un TCA completo y un ciclo de glutamato activo.
Metanotróficas de tipo X (género Methylococcus)
Poseen ICM tipo I, contenido de G en el ADN de 59-66 mol%, TCA incompleto, baja actividad de la vía de la serina y del ciclo de la ribulosa bisfosfato, asimilación de NH4+ por vía
del ciclo de glutamato y vía alanina deshidrogenasa.
El complejo enzimático que cataliza la iniciación de la oxidación del metano a metanol es la metano monooxigenasa (MMO). Existen dos tipos distintos de esta enzima: citoplasmática o soluble (sMMO) y de unión a membrana (pMMO).
A continuación se describen las distintas bacterias metanotróficas que fueron encontradas
en diversos ambientes extremos.
Psicrófilas
Aunque existen muchos tipos de ecosistemas de baja temperatura en la Tierra, cada uno
tiene su comunidad microbiana particular, y en casi todos ellos se han encontrado bacterias metanotróficas.
Esto se ha demostrado utilizando CH4 marcado con C14 como fuente de carbono.
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Así, pudo observarse la conversión del mismo a
14CO
2,
biomasa bacteriana y extrameta-
bolitos orgánicos, indicio claro de su metabolización. Además, observando con microscopio de inmunofluorescencia, se ha demostrado que bacterias metanotróficas de tipo I, X y
II se encuentran simultáneamente en todas las muestras.
Por otro lado, análisis genotípicos mediante reacciones de PCR (Polymerase Chain
Reaction) utilizando cebadores específicos, revelaron la presencia de miembros del género Methylosomas, Methylobacter y Methylonicrobium en tierras de Siberia.
También, mediante ensayos similares, se han enumerado y aislado metanotróficas
psicrófilas a partir de sedimentos obtenidos de la superficie de dos lagos antárticos. Estos
lagos tienen la particularidad de estar cubiertos de hielo durante casi todo el año, variando ampliamente en sus características químicas como salinidad, potencial redox y temperatura. Las colonias aisladas a partir de los mismos presentaron una morfología de cocos
grandes, no móviles, que requerían agua de mar. Estudios posteriores demostraron que
presentaban temperaturas de máximo crecimiento en el rango 16-21 ºC y una óptima de
10-13 ºC. Extrañamente, su contenido de G en el ADN es muy bajo (43-46 mol%) y sus
ácidos grasos celulares consisten principalmente en C16:1 (palmitoleico) y C16:0 (palmítico).
Acidófilas
Se aislaron comunidades metanotróficas de sitios boreales ácidos en Siberia y en el norte de
Rusia. Para lograrlo, se utilizó un medio con baja fuerza iónica y bajo pH (3-6). Las tres colonias aisladas utilizando dicho procedimiento se describieron como un nuevo género:
Methylocella palustris, que posee sMMO. A pesar de que esta bacteria crece en un amplio
rango de pH, su crecimiento óptimo ocurre entre pH 5 y 5.5, lo cual es típico de moderados
acidófilos. Además, se encontraron algunas particularidades en el metabolismo central de
esta bacteria, como la utilización de la vía de la serina para la asimilación del carbono y el
ciclo del glutamato para la asimilación del NH4+. Las actividades de las enzimas de la ruta de
las pentosas y la glutamato deshidrogenasa son casi iguales a las de las metanotróficas tipo
I, pero estas enzimas no se detectaron en las metanotróficas que utilizan la vía de la serina.
Recientemente, se ha aislado de Siberia otra metanotrófica acidófila, la
Methylocapsa acidophila. Este organismo está íntimamente relacionado a Methycella
palustris. No obstante, si bien comparten algunos tratamientos fisiológicos (pH, temperatura de crecimiento, sensibilidad a la sal), estas metanotróficas difieren profundamente en
morfología y ultraestructura. Methylocapsa acidophila posee pMMO, pero no sMMO, siendo el fosfolípido predominante el fosfatidilglicerol, mientras que en Methylocella palustris
es la fosfatidiletanolamina.
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Estas dos bacterias representan claramente genotipos y fenotipos distintos, aunque
comparten el mismo hábitat.
Termófilas
La solubilidad del metano en solución acuosa disminuye cuando aumenta la temperatura,
limitando así el crecimiento de las metanotróficas. Sin embargo, la solubilidad del gas en
aguas naturales de baja fuerza iónica (100 mM) desciende solo un tercio cuando la temperatura aumenta de 30 a 60 ºC. Esto explica el posible aislamiento de metanotróficas de
varios hábitat con temperaturas elevadas. La primera que fue descubierta es la
Methylococcus capsutatus, un novedoso grupo de termófilas que habitan en gradientes
termales de 55-75 ºC. El crecimiento óptimo fue a los 55-62 ºC y presenta solo pMMO.
Halófilas y alcalinófilas
La primera metanotrófica que requiere NaCl fue aislada de las profundidades del mar
Sargaso, donde ocurre tanto la producción como la oxidación en la capa superior oxigenada del océano.
Además del agua oceánica, ecosistemas hipersalinos como las lagunas marinas
muestran una variada composición iónica, concentración total de sal y pH, debido a la evaporación del agua de mar. Usando radioisótopos y técnicas de PCR, como así también
análisis del consumo de 14CH4, métodos de filtración aséptica, sedimentación y diluciones
seriadas, se han aislado varios cultivos puros de metanotróficas dependientes de sal.
Un interesante grupo de organismos lo componen las metanotróficas aisladas de
“soda lakes”, puesto que tienen la capacidad de crecer a pH 11. Ellas requieren iones Na+
para su desarrollo, incluso tolerando concentraciones de hasta 8-12% de NaCl.
Por otro lado, altas cantidades de metanol favorecen el crecimiento de las metanotróficas que dependen de sal, las cuales acumulan formaldehído y formato. También, algunas alcalinófilas son capaces de oxidar NH4+ a NO32- a pH 10, participando en tres ciclos
oxidativos distintos (C, N, S).
La característica ultraestructural más distintiva de las metanotróficas haloalcalinófilas es que su superficie celular está completamente cubierta con distintas estructuras glicoproteicas (capa S). La composición de aminoácidos de la capa S es similar a la de otras
bacterias, siendo ellos ácidos con una gran proporción de aminoácidos hidrofóbicos y deficientes en aminoácidos que contienen azufre. Esta capa, que se encuentra adyacente al
ambiente, puede funcionar como un saco protector y a su vez mantener la rigidez de la
célula.
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La habilidad de los halotolerantes de crecer en altas concentraciones externas de
sales se debe a la síntesis de novo de al menos tres solutos orgánicos de bajo peso molecular llamados: ácido 1,4,5,6-tetrahidro-2-metil-4-pirimidin carboxílico (“ectoine”), sacarosa y 5-cetoprolina. “Ectoine” es sintetizado a partir de semialdehído aspártico en tres
reacciones sucesivas catalizadas por las enzimas ácido diaminobutírico transaminasa,
ácido diaminobutírico acetiltransferasa y “ectoine” transferasa sintasa. Otra enzima constitutiva, la sacarosa-6-fosfato sintasa está involucrada en la biosíntesis de sacarosa.
En las metanotróficas dependientes de salinidad y pH se encuentran cambios en la
composición de los fosfolípidos de membrana. Por ejemplo, se observa un aumento en el
contenido de fosfatidilglicerol versus fosfatidiletanolamina en todos los haloalcalinófilos.
Además del aumento en este fosfolípido, se observa un aumento en fosfatidilcolina en respuesta a la sal y al pH.
Hasta la fecha, no existe información certera acerca del mecanismo utilizado por las
metanotróficas para mantener la homeostasis del pH intracelular. El pH óptimo de las enzimas citoplasmáticas es de entre 7.5-8, lo cual indica la existencia de mecanismos de regulación. Una posibilidad sería la existencia de antiportadores Na+/H+ y un sistema FoF1
ATPasa.
APLICACIONES EN LA BIOTECNOLOGÍA Y POTENCIAL ECONÓMICO DE EXTREMÓFILOS
La producción de biomasa a partir de extremófilos es muy importante para proveer material
suficiente para la obtención de enzimas y para el aislamiento y la caracterización de biomoléculas. Esto puede revelar características particulares que podrían ser de interés industrial.
Por ejemplo, una bacteria antártica produce ácidos grasos poliinsaturados, los cuales son un ingrediente esencial para muchas especies agrícolas. Esta bacteria puede además utilizarse en la biorremediación de las aguas. Por otro lado, D. salina es utilizada para
la producción de β-carotenos (en respuesta a la radiación solar) y glicerol (que se produce para balancear la presión osmótica externa).
Como consecuencia de la alta temperatura de crecimiento de los microorganismos
hipertermófilos, sus enzimas son altamente termoestables para nuevas aplicaciones biotecnológicas muy atractivas. Además, estas proteínas suelen ser activas a temperaturas
mayores que exceden la temperatura máxima de los organismos de los cuales se aislaron. Es por ello que se están clonando genes extremófilos en organismos mesófilos para
la producción recombinante de dichas porteínas.
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Tabla 2. Extremófilos en la industria y la biotecnología
Organismo
Proceso industrial
Biomoléculas
Ventajas
Hipertermófilos (Tº óptima >80 ºC)
Desulfuración de gases
–
Producción de azufre elemental
puro
Procesos biohidro-metalurgicos
–
–
PCR
DNA polimerasa
No se necesita agregar enzima en
cada ciclo
Blanqueado de papel
Xilanasas
Disminuye la cantidad de
blanqueador necesario
Procesamiento de comida,
cerveza, detergentes
Proteasas
Estable a altas temperaturas
Maduración de queso,
producción lechera
Proteasas neutras
Estable a bajas temperaturas
Degradación de polímeros
en detergentes
Celulasas, proteasas,
amilasas, lipasas
Mejora la acción del detergente
Biorremediación
Reducción del derrame
de petróleo
Trabaja eficientemente en aguas
frías
Farmacéutico
Ácidos grasos
poliinsaturados
–
Biosensores
Deshidrogenasas
–
Acidófilos
Desulfuración del carbón
Oxidación de azufre
–
Alcalinófilos
Producción de antibióticos
Antibióticos
–
Halófilos
Colorantes para comidas
Carotenos
Baratos de producir
Farmacéutico
Glicerol y solutos
compatibles
Baratos de producir
Surfactantes para fármacos
Membranas
–
Termófilos (60-80 ºC)
Psicrófilos (<15 ºC)
Halófilos
Un ejemplo claro que ha revolucionado la biología se encuentra en la técnica PCR,
la cual permite replicar in vitro un fragmento de ADN hasta obtener millones de copias.
Para lograr esto, es necesario utilizar una ADN polimerasa termoestable, como la del
extremófilo Thermus aquaticus.
Otras aplicaciones podrían ser la desulfuración de los gases que emanan de las chimeneas de las industrias y el empleo de estos organismos en los procesos biohidrometalúrgicos. También se debe tener en cuenta el estudio básico de la información biológica,
ya que, como las proteínas y las enzimas de los extremófilos son apropiadas para análisis bioquímicos y estructurales debido a su estabilidad fisicoquímica, muchas de ellas pueden servir para deducir la relación estructura/función de sus homólogas mesófilas.
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Además, las bacterias metanotróficas son importantes en la producción de químicos, como agentes de biodegradación y biorremediación, y en cuanto al clima global son
actores principales en la degradación del metano atmosférico, uno de los principales
gases responsable del efecto invernadero. Y junto con su capacidad de degradar aeróbicamente diferentes sustancias que causan polución ambiental, también pueden ser importantes en la biorremediación y ecología global.
Los extremófilos presentan grandes oportunidades en la industria biotecnológica.
Para ello debe trabajarse en el mejoramiento de las técnicas para su producción a gran
escala. Las dificultades encontradas hasta el momento se deben a los medios de cultivo
necesarios y a la reproducción en laboratorio de sus condiciones de vida naturales (Tabla 2).
CONCLUSIONES
La vida sin dudas ha triunfado en este planeta. Desde aquel origen común hasta la enorme cantidad de organismos actuales (y sin contar los muchos otros que ya se han extinguido), no existe casi lugar sobre la Tierra que no esté ocupado por la maravillosa materia
viva. No importa que las condiciones excedan los parámetros normales, la evolución ha
permitido, a lo largo de milenios, seleccionar organismos que se han adaptado a lugares
inhóspitos para la mente humana. Ante un problema ambiental, la biología se encargará
siempre de dar una respuesta posible que permita la supervivencia.
Como consecuencia de la diversidad de extremófilos conocidos y sus características particulares, estos organismos son una herramienta con un gran potencial de aplicación en biotecnología. Sería provechoso realizar mayores estudios con el objetivo de abrir
nuevos campos de investigación y generar futuras aplicaciones a partir del conocimiento
de las bases moleculares de sus adaptaciones.
Es importante destacar que las adaptaciones que generan los extremófilos para vivir
en determinados ambientes, son tanto insólitas como de lo más diversas. Esta observación permite especular con las posibles aplicaciones de estos organismos en el beneficio
humano. Pero es todavía más excitante la idea de descubrir nuevos extremófilos que
hayan generado otras adaptaciones diferentes a las ya conocidas, y puedan ser entonces
objeto de estudio y aplicaciones novedosas, actualmente inimaginables.
Y a no dudarlo, porque quizás nosotros, los seres humanos, también deberíamos
llamarnos extremófilos. Como lo hacen los organismos aquí estudiados, hemos desarrollado sistemas extracorpóreos que nos posibilitaron habitar lugares absolutamente inhós-
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pitos; y eso también es una solución o adaptación biológica. Porque de hecho eso somos,
materia viva intentando sobrevivir sobre esta roca llamada planeta Tierra.
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