Bioquímica, Biología Molecular y Genética. Serie RT PDF [PDF]

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Bioquímica, biología molecular y genética 6.a E D I C I Ó N

Bioquímica, biología molecular y genética 6.a E D I C I Ó N

Michael A. Lieberman, PhD Distinguished Teaching Professor Department of Molecular Genetics, Biochemistry, and Microbiology University of Cincinnati College of Medicine Cincinnati, Ohio

Rick Ricer, MD Professor Emeritus Department of Family Medicine University of Cincinnati College of Medicine Cincinnati, Ohio

Av. Carrilet, 3, 6ª. planta – Edificio D Ciutat de la Justicia 08902 L’Hospitalet de Llobregat Barcelona (España) Tel.: 93 344 47 18 Fax: 93 344 47 16 e-mail: [email protected] Traducción: Biól. Juan Roberto Palacios Martínez Universidad Autónoma de Baja California Revisión científica: M. C. María de los Remedios Sánchez Díaz Químico Biólogo por la Universidad Autónoma Benito Juárez de Oaxaca (UABJO). Maestra en Ciencias Químicas (Farmacia química farmacéutica) por la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM). Profesora en la Universidad Autónoma de Baja California (UABC). Profesora de Bioquímica y responsable de Educación Continua en el Centro de Ciencias de la Salud, CISALUD de la UABC. Vicepresidenta de la Academia Estatal de Ciencias Moleculares de la UABC. Se han adoptado las medidas oportunas para confirmar la exactitud de la información presentada y describir la práctica más aceptada. No obstante, los autores, los redactores y el editor no son responsables de los errores u omisiones del texto ni de las consecuencias que se deriven de la aplicación de la información que incluye, y no dan ninguna garantía, explícita o implícita, sobre la actualidad, integridad o exactitud del contenido de la publicación. Esta publicación contiene información general relacionada con tratamientos y asistencia médica que no debería utilizarse en pacientes individuales sin antes contar con el consejo de un profesional médico, ya que los tratamientos clínicos que se describen no pueden considerarse recomendaciones absolutas y universales. El editor ha hecho todo lo posible para confirmar y respetar la procedencia del material que se reproduce en este libro y su copyright. En caso de error u omisión, se enmendará en cuanto sea posible. Algunos fármacos y productos sanitarios que se presentan en esta publicación sólo tienen la aprobación de la Food and Drug Administration (FDA) para un uso limitado al ámbito experimental. Compete al profesional sanitario averiguar la situación de cada fármaco o producto sanitario que pretenda utilizar en su práctica clínica, por lo que aconsejamos la consulta con las autoridades sanitarias competentes. Derecho a la propiedad intelectual (C. P. Art. 270) Se considera delito reproducir, plagiar, distribuir o comunicar públicamente, en todo o en parte, con ánimo de lucro y en perjuicio de terceros, una obra literaria, artística o científica, o su transformación, interpretación o ejecución artística fijada en cualquier tipo de soporte o comunicada a través de cualquier medio, sin la autorización de los titulares de los correspondientes derechos de propiedad intelectual o de sus cesionarios. Reservados todos los derechos. Copyright de la edición en español © 2015 Wolters Kluwer Health, S.A., Lippincott Williams & Wilkins ISBN edición en español: 978-84-16004-62-1 Depósito legal: M-22273-2014 Edición en español de la obra original en lengua inglesa Board Review Series. Biochemistry, Molecular Biology, and Genetics, 6th edition, de Michael A. Lieberman, publicada por Lippincott Williams & Wilkins, a Wolters Kluwer business. Copyright © 2014, 2010, 2007, 1999, 1995 Lippincott Williams & Wilkins, a Wolters Kluwer business. 530 Walnut Street Philadelphia, PA 19106 351 West Camden Street Baltimore, MD 21201 ISBN edición original: 978-1-4511-7536-3 Composición: Carácter Tipográfico/Eric Aguirre • Francisco Valadez • Luis Hernández Diseño de portada: Cynthia Karina Oropeza Heredia Imagen de portada: hywards/Shutterstock.com Impresión: R.R. Donnelley Shenzen Impreso en China

Prefacio y agradecimientos

Esta revisión de Bioquímica, biología molecular y genética tiene el objetivo de ayudar a los estudiantes a prepararse para el Paso 1 del United States Medical Licensing Examination (USMLE) y para otros exámenes de certificación de profesionales de la salud. El material básico de bioquímica se presenta de una manera integradora con base en la convicción de que los detalles son más fáciles de recordar si se plantean dentro del contexto del funcionamiento fisiológico del cuerpo humano. Se expone lo esencial de la bioquímica en la forma de descripciones condensadas e ilustraciones sencillas. Las preguntas de autoevaluación al final de cada capítulo resaltan la información importante y coadyuvan a una mejor comprensión del material. Una autoevaluación al final del libro es un excelente examen para que el estudiante descubra sus fortalezas y debilidades. Esperamos que esta edición ayude a los estudiantes no sólo en la tarea inmediata de aprobar una serie de exámenes, sino también a lograr el objetivo a largo plazo de dominar los aspectos bioquímicos de las ciencias básicas y clínicas, lo que resultará esencial para comprender los problemas de sus futuros pacientes. En una obra de esta naturaleza es posible que determinados puntos tengan interpretaciones variadas. Cualquier error en el libro es responsabilidad exclusiva de los autores, y agradeceremos que se nos hagan saber esos errores o interpretaciones alternas. Con esta realimentación, las ediciones futuras serán cada vez más satisfactorias para los lectores. Queremos agradecer al Dr. Anil Menon su cuidadosa revisión del Capítulo 10 (Genética humana) y a Stacey Sebring, nuestra editora responsable, por su paciencia para con nosotros al trabajar en esta revisión de Bioquímica, biología molecular y genética.

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Cómo usar este libro

Quien haya impartido cursos por algunos años sabe que los estudiantes, en particular los de medicina y otras carreras de ciencias de la salud, tienen tiempo limitado para estudiar o repasar cualquier materia dada. Por lo tanto, este libro está diseñado para facilitar el estudio de la bioquímica con la profundidad que se desee, según el objetivo del curso y la cantidad de tiempo disponible. Cada capítulo comienza con un recuadro de Generalidades que constituye un resumen de los temas que se cubrirán en el capítulo y que ayuda a repasar de manera rápida información esencial y a reforzar conceptos clave. Las secciones de Correlación clínica —en cada capítulo— ofrecen información clínica adicional y relacionan temas de bioquímica básica con la práctica real de la medicina. Están diseñadas para poner a prueba al lector y favorecer la asimilación del conocimiento. Al concluir cada capítulo, se recomienda al lector que realice la autoevaluación y compare sus respuestas con las que se presentan y explican al final. Dado que en este libro la bioquímica se integra con otras disciplinas sobre las que se interroga en los exámenes de certificación, varias preguntas clínicas requieren conocimiento que debe haberse adquirido en otros cursos y que no se revisan en este texto. Si el lector tiene dificultad con las preguntas, repase el capítulo y busque el material pertinente en otros cursos de su carrera para aquellas preguntas que integran la bioquímica con otra disciplina. Además las preguntas están disponibles en the Point, un recurso en línea que le ayudará a practicar su examen. Si se sigue el proceso antes señalado, el lector puede ahorrar tiempo al revisar sólo los temas que necesita y concentrarse sólo en los detalles que ha olvidado. Michael A. Lieberman, PhD Rick Ricer, MD

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Contenido

Prefacio y agradecimientos   v Cómo usar este libro   vi

1. METABOLISMO DE LOS COMBUSTIBLES Y NUTRICIÓN: PRINCIPIOS BÁSICOS

1

I. Combustibles metabólicos y componentes de los alimentos   1 II. Estado posprandial o de absorción   5 III. Ayuno  7 IV. Ayuno prolongado (inanición)   9 Autoevaluación  11

2. ASPECTOS BÁSICOS DE BIOQUÍMICA: QUÍMICA ORGÁNICA, QUÍMICA DE ÁCIDOS Y BASES, AMINOÁCIDOS, ESTRUCTURA Y FUNCIÓN DE LAS PROTEÍNAS Y CINÉTICA ENZIMÁTICA

I. II. III. IV. V.

19

Breve repaso de química orgánica   19 Ácidos, bases y amortiguadores   20 Aminoácidos y enlaces peptídicos   22 Estructura de las proteínas   25 Enzimas  34

Autoevaluación  39

3. EXPRESIÓN GÉNICA (TRANSCRIPCIÓN), SÍNTESIS DE PROTEÍNAS (TRADUCCIÓN) Y REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

I. II. III. IV. V. VI.

51

Estructura de los ácidos nucleicos   52 Síntesis de DNA (replicación)   58 Síntesis de RNA (transcripción)   66 Síntesis de proteínas (traducción del mRNA)   70 Regulación de la síntesis de proteínas   77 DNA recombinante y medicina   86

Autoevaluación  95

vii

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Contenido

4. BIOLOGÍA CELULAR, TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES Y BIOLOGÍA MOLECULAR DEL CÁNCER

I. II. III. IV. V. VI.

109

Compartimentalización en las células; biología celular y bioquímica   110 Señalización celular por mensajeros químicos   116 Biología molecular del cáncer   125 Cáncer y apoptosis   131 El cáncer requiere múltiples mutaciones   133 Virus y cáncer en el ser humano   133

Autoevaluación  134

5. GENERACIÓN DE ATP A PARTIR DE COMBUSTIBLES METABÓLICOS Y TOXICIDAD DEL OXÍGENO

I. II. III. IV. V. VI.

145

Bioenergética  145 Propiedades del trifosfato de adenosina   147 Portadores de electrones y vitaminas   148 Ciclo de los tricarboxílicos   154 Cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa   159 Toxicidad del oxígeno y lesión por radicales libres   164

Autoevaluación  170

6.

METABOLISMO DE LOS CARBOHIDRATOS I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX.

181

Estructura de los carbohidratos   181 Proteoglucanos, glucoproteínas y glucolípidos   185 Digestión de los carbohidratos   188 Estructura y metabolismo del glucógeno   190 Glucólisis  197 Gluconeogénesis  204 Metabolismo de fructosa y galactosa   209 Vía de las pentosas fosfato   212 Mantenimiento de la glucemia   215

Autoevaluación  220

7.

METABOLISMO DE LÍPIDOS Y ETANOL I. Estructura de los lípidos   232 II. Membranas  234 III. Digestión del triacilglicerol de los alimentos   235 IV. Síntesis de ácidos grasos y triacilglicerol   237 V. Formación de depósitos de triacilglicerol en el tejido adiposo   242 VI. Metabolismo de colesterol y sales biliares   243 VII. Lipoproteínas sanguíneas  246 VIII. Destino de los triacilgliceroles del tejido adiposo   251 IX. Oxidación de ácidos grasos   252 X. Síntesis y utilización de cuerpos cetónicos   257

230



Contenido

ix

XI. Metabolismo de fosfolípidos y esfingolípidos   259 XII. Metabolismo de los eicosanoides   262 XIII. Metabolismo del etanol   264 Autoevaluación  268

8. METABOLISMO DEL NITRÓGENO: AMINOÁCIDOS, PURINAS, PIRIMIDINAS Y PRODUCTOS DERIVADOS DE AMINOÁCIDOS

279

I. Digestión de proteínas y absorción de aminoácidos   280 II. Adición y eliminación de nitrógeno de aminoácidos   282 III. Ciclo de la urea   284 IV. Síntesis y degradación de aminoácidos   286 V. Interrelaciones de diversos tejidos en el metabolismo de los aminoácidos   294 VI. Tetrahidrofolato, vitamina B12 y S-adenosilmetionina  298 VII. Productos especiales derivados de aminoácidos   302

Autoevaluación  313

9. ENDOCRINOLOGÍA MOLECULAR Y GENERALIDADES DEL METABOLISMO TISULAR

I. II. III. IV. V.

325

Síntesis de hormonas   325 Mecanismos generales de acción hormonal   329 Regulación de la concentración hormonal   329 Acciones de hormonas específicas   330 Funciones bioquímicas de los tejidos   339

Autoevaluación  350

10. GENÉTICA HUMANA BÁSICA I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII. IX. X. XI.

Patrones de herencia mendeliana   360 Genes  360 Mutaciones  361 Patrones de herencia   362 Resumen de los patrones de herencia   367 Citogenética  367 Genética de poblaciones   372 Enfermedades multifactoriales (rasgos complejos)   372 Expansiones por repetición de tripletes   373 Impronta  374 Genética de los supresores tumorales   376

Autoevaluación  378

Autoevaluación final  389 Índice alfabético de materias    431

359

capítulo

1

Metabolismo de los combustibles y nutrición: principios básicos

Comprender el material de este capítulo servirá principalmente para dar orientación nutricional (p. ej., a pacientes que intentan adelgazar con “dietas de moda”, diabéticos, personas con conceptos nutricionales erróneos, anoréxicos, sujetos con enfermedades crónicas, personas con malabsorción) y prescribir dietas apropiadas para pacientes hospitalizados (p. ej., ancianos delicados, enfermos en fase terminal o sujetos que reciben alimentación intravenosa o por sonda). Entender el metabolismo básico de los combustibles es crítico para conocer el funcionamiento normal del ser humano, reconocer las anomalías de dicho metabolismo posibilitará el diagnóstico y tratamiento de una amplia variedad de trastornos.

1 GENERALIDADES ■ Los principales combustibles del organismo —carbohidratos, lípidos y proteínas— se obtienen de los alimentos y se almacenan en depósitos específicos. ■ En el estado posprandial (posterior a una comida), el combustible ingerido se usa para satisfacer las necesidades energéticas inmediatas del organismo y el exceso se almacena como glucógeno o triacilglicerol. ■ Durante el ayuno (p. ej., entre comidas o en la noche), los combustibles almacenados se emplean para obtener la energía necesaria para sobrevivir hasta la siguiente comida. ■ En el ayuno prolongado (inanición), ocurren cambios en el uso de las reservas de combustible los cuales permiten la supervivencia por periodos largos. ■ La concentración de insulina en la sangre aumenta en el estado posprandial y promueve el almacenamiento de combustible, mientras que la concentración de glucagón aumenta en el estado de ayuno y promueve la liberación de combustibles almacenados.

I.  COMBUSTIBLES METABÓLICOS Y COMPONENTES DE LOS ALIMENTOS •• Carbohidratos, lípidos y proteínas son los principales combustibles del organismo y se obtienen de los alimentos. Después de la digestión y absorción, estos combustibles pueden oxidarse para generar energía. •• El combustible que se consume más allá de las necesidades energéticas inmediatas del organismo se almacena, principalmente como grasa, pero también como glucógeno (una molécula de almacenamiento de carbohidratos). En alguna medida, la proteína corporal también puede usarse como combustible. •• El gasto energético diario (GED) de un individuo incluye la energía requerida para la tasa metabólica basal (TMB) y la necesaria para la actividad física.

1

2

Bioquímica, biología molecular y genética

•• Además de aportar energía, los alimentos suministran precursores para la síntesis de componentes estructurales del organismo y compuestos esenciales que éste no puede sintetizar (p. ej., los ácidos grasos y aminoácidos esenciales, los minerales y vitaminas que a menudo actúan como cofactores de las enzimas).

A. Combustibles Cuando el organismo metaboliza combustibles, se genera calor y se sintetiza trifosfato de adenosina (ATP). 1. En la oxidación de los combustibles a CO2 y H2O se produce energía. a. Los carbohidratos generan cerca de 4 kcal/g. b. Las proteínas rinden cerca de 4 kcal/g. c. Los lípidos aportan más del doble de esa energía (9 kcal/g). d. El alcohol, presente en algunas dietas, produce alrededor de 7 kcal/g. 2. Médicos y nutriólogos usan a menudo el término “caloría”, en lugar de kilocaloría. 3. El calor generado por la oxidación de los combustibles se utiliza para mantener la temperatura corporal. 4. El ATP generado por el metabolismo de los combustibles se emplea en reacciones bioquímicas, contracción muscular y otros procesos que requieren energía.

B. Composición de las reservas de combustible corporales (tabla 1-1) 1. Triacilglicerol (triglicérido) a. El triacilglicerol del tejido adiposo es la principal reserva de combustible del organismo. b. El tejido adiposo almacena combustible de manera muy eficiente. Tiene más calorías almacenadas por gramo y menos agua (15%) que otras reservas de combustible. (El tejido muscular es alrededor de 80% agua.) 2. Las reservas de glucógeno, aunque son pequeñas, son extremadamente importantes. a. El glucógeno hepático se usa para mantener la concentración sanguínea de glucosa durante las primeras etapas del ayuno. b. El glucógeno muscular se oxida para la contracción de los músculos. No contribuye al mantenimiento de la glucemia en ninguna circunstancia. 3. La proteína no es sólo una fuente de combustible, y sólo puede degradarse de forma limitada. a. Alrededor de un tercio de la proteína corporal total puede degradarse. b. Si se oxida demasiada proteína para generar energía, el funcionamiento corporal puede verse afectado de gravedad.

C. El GED es la cantidad de energía requerida cada día 1. La TMB es la energía usada por una persona que ha ayunado al menos 12 h y permanece despierta, pero en reposo. Un estimado de la TMB es: TMB  24 kcal/kg de peso corporal al día. 2. La termogénesis inducida por alimentos (TIA) es el aumento de la tasa metabólica que ocurre durante la digestión y absorción de los alimentos. A menudo se omite en los cálculos porque su valor suele desconocerse y es probable que sea pequeño (< 10% de la energía total). 3. Actividad física a. El número de calorías que la actividad física agrega al GED varía mucho. Una persona puede consumir cerca de 5 calorías (kcal) cada minuto al caminar y 20 calorías al correr. b. El requerimiento energético diario de una persona extremadamente sedentaria es de alrededor 30% de la TMB. Para una persona más activa, puede ser de 50% o más de la TMB.

t a b l a

1-1

Composición del combustible de un varón promedio de 70 kg después de un ayuno de toda la noche

Combustible

Cantidad (kg)

Porcentaje de las calorías almacenadas totales

Glucógeno Músculo Hígado Proteína Triglicérido

0.15 0.08 6.0 15

0.4 0.2 14.4 85



Capítulo 1   Metabolismo de los combustibles y nutrición: principios básicos

3

CORRELACIÓN CLÍNICA   

La glándula tiroides produce hormona tiroidea, tiene profundos efectos en la TMB de una persona. Una de las formas más comunes de hipertiroidismo es la enfermedad de Graves. En ésta, el organismo produce anticuerpos que estimulan la tiroides para pro­ ducir exceso de hormona tiroidea. La enfermedad se caracteriza por una TMB elevada, crecimiento de la tiroides (bocio), protrusión ocular (exoftalmos), nerviosismo, temblores, palpitaciones, sudoración ­excesiva y pérdida de peso. El hipotiroidismo resulta de una deficiencia de hormona tiroidea. La TMB disminuye, y se acumulan mucopolisacáridos en las cuerdas vocales y el tejido subcutáneo. Los ­síntomas comunes son letargo, sequedad cutánea, ronquera, disminución de la memoria y aumento de peso. D. El índice de masa corporal (IMC) se utiliza para determinar el peso corporal ideal 1. El IMC se define como el valor que se obtiene cuando el peso (en kilogramos) se divide entre el cuadrado de la estatura (en metros): IMC  kg/m2

2. En la tabla 1-2 se presenta la interpretación de los valores de IMC.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Existen varios trastornos relacionados con valores anómalos del IMC, ­algunos de los cuales son causados por el estilo de vida. La obesidad se asocia con problemas de hipertensión, enfermedad cardiovascular y diabetes tipo 2. El tratamiento implica modificar el estilo de vida, en particular reducir en consumo de alimentos e incrementar el ejercicio. La diabetes tipo 2 es el resultado de una menor reactividad celular a la insulina. Al ­principio la producción de insulina es normal o incluso mayor de lo normal. La anorexia nerviosa se caracteriza por pérdida de peso autoinducida. Las personas más afectadas son mujeres que, pese a su aspecto delgado, a menudo afirman “estar gordas”. En parte es un problema conductual; los ­afectados se obsesionan con perder peso. Las personas con bulimia realizan comilonas, seguidas por vómito autoinducido para no aumentar de peso.

E. Otros requerimientos y recomendaciones de alimentación para adultos saludables 1. Lípidos a. La grasa debe constituir entre 20 y 35% de las calorías totales y los ácidos grasos saturados deben representar 10% o menos de ese total. b. La ingesta de colesterol no debe ser mayor de 300 mg/día en personas sanas, y < 200 mg/día en los que tienen ateroesclerosis demostrada. c. Los ácidos grasos esenciales (ácidos linoleico y α-linolénico) son los precursores de los ácidos grasos poliinsaturados necesarios para la síntesis de prostaglandinas y otros

t a b l a

1-2

Interpretación de los valores de IMC

Clasificación

IMC (kg/m2)

Peso bajo Intervalo normal Sobrepeso Preobesidad Obesidad Obesidad, clase I Obesidad, clase II

, 18.50 18.50–24.99 . 25.00 25.00–29.99 $ 30.00 30.00–34.99 35.00–39.99

Obesidad, clase III (obesidad mórbida)

$ 40.00

4

Bioquímica, biología molecular y genética eicosanoides, como ácido araquidónico y ácido eicosapentaenoico (EPA, eicosapentaenoic acid). Estos ácidos grasos esenciales pueden encontrarse en altas concentraciones en los aceites de pescado.

2. Proteína

El consumo recomendado de proteína es de 0.8 g/kg de peso corporal al día. La proteína puede ser de alta o baja calidad. La proteína de alta calidad contiene muchos de los aminoácidos esenciales, suele obtenerse de frijoles (judías), carne, pollo o pescado. La proteína de baja calidad se encuentra en muchos vegetales. Carece de algunos de los aminoácidos esenciales necesarios en la alimentación.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Varios planes dietéticos requieren dietas ricas en proteína. Cuando estas die­ tas son muy bajas en calorías y la proteína es de bajo valor biológico o baja calidad (es decir, carece de aminoácidos esenciales), resulta un balance nitrogenado negativo. La proteína corporal se degrada y los aminoácidos se convierten en glucosa. La disminución del mús­ culo cardiaco puede ocasionar la muerte. Incluso si la proteína es de alta calidad, las concentracio­ nes de amoniaco y urea aumentan, lo que eleva el estrés de los riñones. Puede haber deficiencias vitamínicas cuando no se consumen frutas y vegetales. a. Aminoácidos esenciales (1) Nueve aminoácidos no son sintetizados por el organismo, de modo que deben encontrarse en los alimentos para que ocurra la síntesis de proteína. Estos aminoácidos esenciales son histidina, isoleucina, leucina, lisina, metionina, fenilalanina, treonina, triptófano y valina. (2) Sólo se requiere una pequeña cantidad de histidina en los alimentos; sin embargo, se necesitan cantidades mayores para el crecimiento (p. ej., en niños, embarazadas y convalecientes). (3) Dado que la arginina sólo puede sintetizarse en cantidades limitadas, se requiere en los alimentos durante el crecimiento. b. Balance nitrogenado (1) La proteína de los alimentos, que contiene alrededor de 16% de nitrógeno, es la principal fuente de nitrógeno del organismo. (2) El organismo sintetiza y degrada proteínas de manera constante. (3) Cuando los aminoácidos se oxidan, el nitrógeno se convierte en urea y es excretado por los riñones. Otros compuestos nitrogenados que se producen a partir de aminoácidos también se excretan en la orina (ácido úrico, creatinina y NH41). (4) Existe balance nitrogenado (el estado normal en el adulto) cuando la degradación de la proteína corporal iguala la síntesis de nueva proteína. La cantidad de nitrógeno excretada en la orina cada día es igual a la cantidad de nitrógeno ingerida al día. (5) Existe balance nitrogenado negativo cuando la degradación de la proteína corporal excede la síntesis de nueva proteína. Se excreta más nitrógeno que el que se ingiere. Es el resultado de una cantidad inadecuada de proteína en la alimentación o de la ausencia de uno o más aminoácidos esenciales. (6) Existe balance nitrogenado positivo cuando la degradación de la proteína corporal es menor que la síntesis de nueva proteína. Se excreta menos nitrógeno que el que se ingiere. Se presenta durante el crecimiento y la síntesis de nuevo tejido.

3. Carbohidratos

a. No se requieren carbohidratos en la alimentación, porque el organismo puede sintetizar todos los que necesita a partir de los carbonos de los aminoácidos. b. En una alimentación saludable, 45 a 65% de las calorías totales deben provenir de carbo­hidratos.

4. Vitaminas y minerales

a. Es necesario que la alimentación incluya vitaminas y minerales. Muchos actúan como cofactores de enzimas. b. Dos minerales que se requieren en grandes cantidades son calcio y fosfato, ya que son componentes estructurales del hueso. Entre los minerales necesarios en cantidades mínimas (oligoelementos) está el hierro, un componente del hem.



5

Capítulo 1   Metabolismo de los combustibles y nutrición: principios básicos

II.  ESTADO POSPRANDIAL O DE ABSORCIÓN (FIGURA 1-1) •• Durante la digestión los carbohidratos de los alimentos se degradan a monosacáridos (sobre todo glucosa), los cuales pasan a la sangre. La glucosa es oxidada por diversos tejidos a fin de generar energía, o se almacena como glucógeno en el hígado y el músculo. En el hígado, la glucosa también es convertida en triacilgliceroles, que se empacan en lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL, very low density lipoproteins) y se liberan en la sangre. Los ácidos grasos de las VLDL se almacenan en tejido adiposo. •• Las grasas de los alimentos (triacilgliceroles) se digieren a ácidos grasos y 2-monoacilgliceroles (2-monoglicéridos). Estos productos de la digestión a su vez son transformados en triacilgliceroles por las células del epitelio intestinal, empacados en quilomicrones y secretados por la linfa o hacia la sangre. Los ácidos grasos de los quilomicrones se almacenan en triacilgliceroles del tejido adiposo. El colesterol de los alimentos es absorbido por las células del epitelio intestinal y luego tiene el mismo destino que los triacilgliceroles de los alimentos. •• Las proteínas de los alimentos se digieren hasta aminoácidos y se absorben en la sangre. Los aminoácidos son utilizados por diversos tejidos para sintetizar proteínas y producir compuestos nitrogenados (p. ej., purinas, hem, creatina, adrenalina), o se oxidan para generar energía.

A. Digestión y absorción 1. Carbohidratos a. El almidón, la forma de almacenamiento de carbohidratos en las plantas, es el principal carbohidrato en los alimentos. (1) La α-amilasa salival (presente en la boca) y la α-amilasa pancreática (presente en el intestino) degrada el almidón a disacáridos y oligosacáridos. (2) En la superficie del borde en cepillo de las células del epitelio intestinal existen complejos de enzimas con actividad de maltasa e isomaltasa. Éstos completan la conversión del almidón en glucosa. Glucosa



,QWHVWLQR

+tJDGR 

 I

Glucosa



[ATP]



I

TG

ATC

Quilomicrones

Proteína

Glucógeno

Acetil-CoA

Acetil-CoA



Grasa (TG)



I 



Glucosa

Glucagón



CHO

6DQJUH Insulina

(QFpIDOR



ATC

CO2

[ATP]

CO2

AA VLDL

*5



Piruvato

AG + Glicerol

Lactato



 

7HMLGRV AA

Glucosa 

Proteína Compuestos importantes

ATC [ATP] CO2

0~VFXOR

I 



I

Acetil-CoA

I



 TG



I

CO2

ATC [ATP]

7HMLGRDGLSRVR Glucógeno

FIGURA 1-1. Estado posprandial o de absorción. Los números en un círculo sirven como guía, e indican el orden aproxi­ mado en que los procesos comienzan a ocurrir. AA, aminoácido; ATC, ciclo de los ácidos tricarboxílicos; AG, ácido graso; GR, glóbulos rojos (eritrocitos); I, insulina; TG, triacilgliceroles; VLDL, lipoproteína de muy baja densidad; ⊕, estimulado por.

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Bioquímica, biología molecular y genética b. Sacarosa y lactosa (disacáridos ingeridos) son degradadas por enzimas que forman parte de los complejos presentes en la superficie de las células del epitelio intestinal. (1) La sacarasa convierte la sacarosa en fructosa y glucosa. (2) La lactasa convierte la lactosa en glucosa y galactosa. c. Los monosacáridos (en especial glucosa y algo de fructosa y galactosa) son absorbidos por las células del epitelio intestinal y llevados a la sangre.

2. Grasas

a. El triacilglicerol es la principal grasa de los alimentos. Se obtiene de las reservas de grasa de plantas y animales usados como alimento. b. Los triacilgliceroles son emulsificados en el intestino por las sales biliares y digeridos por la lipasa pancreática a 2-monoacilgliceroles y ácidos grasos, que se empacan en micelas (solubilizadas por sales biliares) y se absorben en las células del epitelio intestinal, donde se reconvierten en triacilgliceroles. c. Después de digestión y reconversión, los triacilgliceroles se empacan en quilomicrones, que pasan primero a la linfa y luego a la sangre. 3. Proteínas a. Las proteínas son digeridas primero por pepsina en el estómago y después por una serie de enzimas en el intestino. (1) El páncreas produce tripsina, quimotripsina, elastasa y carboxipeptidasas, que actúan en la luz intestinal. (2) Aminopeptidasas, dipeptidasas y tripeptidasas se relacionan con las células del epitelio intestinal. b. Por último las proteínas son degradadas a una mezcla de aminoácidos, que entonces entran en las células del epitelio intestinal, donde algunos de éstos se metabolizan. El resto pasa a la sangre.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La fibrosis quística es la enfermedad genética letal más común en la ­población caucásica de Estados Unidos. Las proteínas de los canles iónicos de cloruro son defectuosas, afectan el funcionamiento tanto de glándulas endocrinas como e­ xocrinas. Son frecuentes la enfermedad pulmonar y la insuficiencia pancreática. El alimento, en particular ­grasas y proteínas, sólo se digieren parcialmente, y ocurren deficiencias nutricionales. El esprúe no t­ropical (enfermedad celiaca del adulto) resulta de una reacción al gluten, una proteína presente en los cerea­ les. Se dañan las células del epitelio intestinal, con el resultado de malabsorción. Son síntomas comu­ nes la esteatorrea, diarrea y pérdida de peso. B. Productos de la digestión en la sangre 1. Las concentraciones de hormonas cambian cuando los productos de la digestión pasan a la sangre. a. La insulina aumenta principalmente debido al incremento de la glucemia y, en menor grado, al aumento de la concentración sanguínea de aminoácidos. b. La concentración de glucagón desciende en respuesta a la glucosa, pero aumenta en respuesta a los aminoácidos. En general, después de una comida mixta (que contenga carbohidratos, grasa y proteína), los valores de glucagón en la sangre permanecen constantes o disminuyen un poco. 2. Glucosa y aminoácidos salen de las células del epitelio intestinal y viajan por la vena porta hepática hasta el hígado.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La diabetes tipo 1 dificulta el mantenimiento de la glucemia apropiada. Si no se trata, la concentración de insulina es baja o nula a causa de la ­destrucción de las células β del páncreas, con frecuencia por un proceso autoinmunitario. Antes de que se d­ ispusiera de manera amplia de insulina, el metabolismo de las personas con diabetes tipo 1 se ­comportaba como en un estado de inanición constante. La ingestión de alimento no inducía un ­aumento de la insulina, de modo que no se almacenaba combustible. Se degradaban la proteína muscu­ lar y el triacilglicerol adiposo. El hígado producía glucosa y cuerpos cetónicos en cantidades que indu­ cían la e­ xcreción por los riñones. Lo que resultaba en pérdida de peso grave y muerte a edad temprana. Desde la salida al mercado de la insulina, esos deterioros metabólicos se controlan hasta cierto punto.



Capítulo 1   Metabolismo de los combustibles y nutrición: principios básicos

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C. Destino de la glucosa en el estado posprandial (de absorción) 1. Destino de la glucosa en el hígado: las células hepáticas oxidan la glucosa o la convierten en glucógeno y triacilgliceroles. a. La glucosa se oxida a CO2 y H2O para satisfacer las necesidades inmediatas de energía del hígado. b. El exceso de glucosa se almacena en el hígado como glucógeno, que se usa en periodos de ayuno para mantener la glucemia. c. El exceso de glucosa puede convertirse en ácidos grasos y un componente glicerol, que se combinan para formar triacilgliceroles, los cuales se liberan desde el hígado a la sangre como VLDL. 2. Destino de la glucosa en otros tejidos a. El encéfalo, que depende de la glucosa como fuente de energía, oxida glucosa a CO2 y H2O, para producir ATP. b. Los eritrocitos al carecer de mitocondrias, oxidan glucosa a piruvato y lactato, que se liberan en la sangre. c. Las células musculares captan glucosa por un proceso de transporte que es estimulado por insulina. Oxidan glucosa a CO2 y H2O a fin de generar ATP para la contracción, también almacenan glucosa como glucógeno para su uso durante la contracción. d. Las células adiposas captan glucosa por un proceso de transporte que es estimulado por insu­ lina. Estas células oxidan glucosa para producir energía y la convierten en el componente glicerol usado para producir reservas de triacilglicerol.

D. Destino de las lipoproteínas en el estado posprandial 1. Los triacilgliceroles de los quilomicrones (producidos a partir de la grasa ingerida) y las VLDL (pro-

ducidas a partir de glucosa por el hígado) son digeridos en los capilares por la lipoproteín lipasa para formar ácidos grasos y glicerol. 2. Los ácidos grasos son captados por el tejido adiposo, convertidos en triacilgliceroles, y almacenados.

E. Destino de los aminoácidos en el estado posprandial Los aminoácidos de las proteínas del alimento entran en las células y:

1. Se usan en la síntesis de proteína (que ocurre en los ribosomas y requiere mRNA). De forma constante se sintetizan y degradan proteínas.

2. Se usan para producir compuestos nitrogenados como hem, fosfato de creatina, adrenalina y las bases de DNA y RNA.

3. Se oxidan para generar ATP.

III.  AYUNO (FIGURA 1-2) •• A medida que la glucemia disminuye después de una comida, la concentración de insulina disminuye y la de glucagón aumenta, lo cual estimula la liberación hacia la sangre de combustibles almacenados. •• El hígado aporta glucosa y cuerpos cetónicos a la sangre. También mantiene la glucemia por glucogenólisis y gluconeogénesis, y sintetiza cuerpos cetónicos a partir de ácidos grasos suministrados por el tejido adiposo. El término hipoglucemia alude a las bajas concentraciones sanguíneas de glucosa (la glucemia normal es de 80 a 100 mg/dl); hiperglucemia se refiere a concentraciones sanguíneas elevadas de glucosa respecto a lo normal. •• El tejido adiposo libera ácidos grasos y glicerol desde sus reservas de triacilglicerol. Los ácidos grasos son oxidados a CO2 y H2O por los tejidos. En el hígado, son convertidos en cuerpos cetónicos. El glicerol se utiliza para la gluconeogénesis. La hiperlipidemia significa valores sanguíneos elevados de lípidos (lo normal es # 150 mg/dl en el caso de los triglicéridos). •• El músculo libera aminoácidos. El hígado emplea los esqueletos hidrocarbonados para la gluconeogénesis y el nitrógeno es convertido en urea.

A. El hígado durante el ayuno El hígado produce glucosa y cuerpos cetónicos, que se liberan en la sangre y constituyen fuentes de energía para otros tejidos.

8

Bioquímica, biología molecular y genética 6DQJUH



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FIGURA 1-2. Estado de ayuno (basal). Este estado se presenta después de ayuno de toda la noche (12 h). Los números en un círculo sirven como guía, e indican el orden aproximado en que los procesos comienzan a ocurrir. AA, aminoácido; AG, ácido graso; CC, cuerpos cetónicos; I, insulina; GR, glóbulos rojos (eritrocitos); TG, triacilgliceroles; VLDL, lipopro­ teína de muy baja densidad; ⊕, estimulado por.

1. Producción de glucosa por el hígado: el hígado tiene la importante función de mantener la glucemia. En particular el encéfalo y los eritrocitos requieren glucosa. El encéfalo oxida la glucosa a CO2 y H2O, mientras que los eritrocitos la oxidan a piruvato y lactato. a. Glucogenólisis: alrededor de 2 a 3 h después de una comida, el hígado comienza a degradar sus reservas de glucógeno por el proceso de glucogenólisis, y se libera glucosa a la sangre. Entonces, la glucosa es captada por los tejidos y oxidada. b. Gluconeogénesis (1) Después de alrededor de 4 a 6 h de ayuno el hígado inicia el proceso de la gluconeogénesis. En el transcurso de 30 h, las reservas hepáticas de glucógeno se agotan, lo cual deja la gluconeogénesis como el principal proceso encargado de mantener la glucemia. (2) Las fuentes de carbono para la gluconeogénesis son: (a) Lactato producido por tejidos como los eritrocitos o el músculo que se ejercita (b) Glicerol proveniente de la degradación de triacilgliceroles en tejido adiposo (c) Aminoácidos, en particular alanina, de la proteína muscular (d) Propionato de la oxidación de ácidos grasos de cadena impar (fuente menor)

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Alimentación intravenosa. Con frecuencia se infunden soluciones que con­ tienen 5 g/dl de glucosa en las venas de pacientes hospitalizados. Estas soluciones sólo deben administrarse por periodos breves, porque carecen de los ácidos grasos y aminoácidos esenciales, además de que en un día no puede administrarse un volumen lo suficien­ temente alto de éstas para aportar una cantidad adecuada de calorías. Se dispone de soluciones para administración parenteral a largo plazo más completas en términos de nutrición.



Capítulo 1   Metabolismo de los combustibles y nutrición: principios básicos

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2. Producción de cuerpos cetónicos por el hígado a. Cuando la concentración de glucagón aumenta, el tejido adiposo degrada sus reservas de triacilglicerol a ácidos grasos y glicerol, que se liberan en la sangre. b. Mediante el proceso de β-oxidación, el hígado convierte los ácidos grasos en acetil-CoA. c. El acetil-CoA es utilizado por el hígado para la síntesis de los cuerpos cetónicos, acetoacetato y β-hidroxibutirato. El hígado no puede oxidar cuerpos cetónicos, por lo que los libera en la sangre.

B. El tejido adiposo durante el ayuno 1. Cuando los valores de glucagón aumentan, las reservas de triacilglicerol adiposo se movilizan. El triacilglicerol se degrada a tres ácidos grasos libres y glicerol, que pasan a la circulación. El hígado convierte los ácidos grasos en cuerpos cetónicos y el glicerol en glucosa. 2. Tejidos como el músculo oxidan los ácidos grasos a CO2 y H2O.

C. El músculo durante el ayuno 1. Degradación de la proteína muscular a. Durante el ayuno se degrada proteína muscular; esto genera aminoácidos que en parte son metabolizados por el músculo y liberados en la sangre, principalmente alanina y glutamina. b. Tejidos como intestino y riñón metabolizan la glutamina. c. Los productos (principalmente alanina y glutamina) viajan al hígado, donde los carbonos son convertidos en glucosa o cuerpos cetónicos y el nitrógeno es convertido en urea. 2. Oxidación de ácidos grasos y cuerpos cetónicos a. Durante el ayuno, el músculo oxida ácidos grasos liberados del tejido adiposo y cuerpos cetónicos producidos por el hígado. b. Durante el ejercicio, el músculo también puede usar sus propias reservas de glucógeno además de glucosa, ácidos grasos y cuerpos cetónicos de la sangre.

IV.  AYUNO PROLONGADO (INANICIÓN) •• En la inanición (ayuno prolongado), el músculo reduce su empleo de cuerpos cetónicos. Como resultado, la concentración sanguínea de éstos aumenta y el encéfalo los utiliza como fuente de energía. De esta forma, el encéfalo necesita menos glucosa, y la gluconeogénesis se desacelera, lo cual ahorra proteína muscular. Esto ocurre después de alrededor de tres o cuatro días de inanición. •• Estos cambios en los patrones de empleo del combustible de diversos tejidos hacen posible la supervivencia por periodos prolongados sin alimento.

A. Cambios metabólicos en la inanición (figura 1-3) Cuando el organismo entra en el estado de inanición, a los tres a cinco días de ayuno, ocurren cambios en el uso de las reservas de combustible. 1. El músculo aminora su empleo de cuerpos cetónicos y oxida ácidos grasos como su principal fuente de energía. 2. Debido a que el músculo usa menos los cuerpos cetónicos, sus concentraciones sanguíneas aumentan. 3. Entonces el encéfalo capta y oxida los cuerpos cetónicos para obtener energía. En consecuencia, dicho órgano reduce su uso de glucosa, aunque ésta es aún un combustible importante para el encéfalo. 4. La gluconeogénesis hepática disminuye. 5. La proteína muscular se conserva (es decir, se degrada menos proteína muscular a fin de generar aminoácidos para la gluconeogénesis). 6. Debido a la menor conversión de aminoácidos en glucosa, se produce menos urea a partir de nitrógeno de aminoácidos en la inanición que en un ayuno de una noche.

10

Bioquímica, biología molecular y genética Sangre *OXFRVD

Hígado

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Encéfalo

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Riñón

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Músculo

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FIGURA 1-3. Estado de inanición. Este estado ocurre a los tres a cinco días de ayuno. Las líneas de trazo discontinuo indican procesos que disminuyen, y la línea gruesa, un proceso que aumenta respecto al estado de ayuno. AA, amino­ ácido; AG, ácido graso; I, insulina; GR, glóbulos rojos (eritrocitos); TG, triacilgliceroles; VLDL, lipoproteína de muy baja densidad; ⊕, estimulado por.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Entre las enfermedades causadas por desnutrición e inanición están ­kwashiorkor y marasmo. El kwashiorkor suele ocurrir en niños de países subdesarrollados, donde la alimentación, que es adecuada en calorías, es baja en proteína. Una ­deficiencia de proteína alimentaria causa una disminución en la síntesis de proteína (que puede ­observarse al medir la concentración sérica de albúmina), lo que termina por afectar la regeneración de las células del epitelio intestinal. De este modo el problema se complica con malabsorción. Es co­ mún observar hepatomegalia y distensión abdominal. La falta de albúmina en la sangre ocasiona diferencias de presión osmótica entre la sangre y los espacios intersticiales, con el resultado de a­ cumulación de agua en estos espacios, y la aparición de edema. El marasmo se debe a una ­alimentación deficiente tanto de proteínas como de calorías. La inanición persistente termina por causar la muerte. B. Grasa, el combustible principal El organismo usa sus reservas de grasa como fuente principal de energía durante la inanición, con lo que conserva proteína funcional. 1. En general, las grasas son cuantitativamente el combustible más importante del organismo. 2. El tiempo que una persona puede sobrevivir sin alimento depende en mayor medida de la cantidad de grasa almacenada en el tejido adiposo.

Autoevaluación Las preguntas 1 a 10 examinan el conocimiento básico del lector acerca del metabolismo de los combustibles y no tienen el formato estándar de viñeta clínica. Las preguntas 11 a 35 tienen relevancia clínica y el estilo USMLE.

Preguntas de conocimiento básico Preguntas 1 a 4 Relacione cada una de las características que siguen con la fuente de energía almacenada a la que describe mejor. Cada respuesta (opciones A a D) puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez. 1. Cantidad más grande de energía almacenada en el organismo 2. Fuente de energía reservada para actividad ­muscular extenuante 3. Fuente principal de carbono para mantener la glucemia durante un ayuno de toda la noche 4. Principal precursor de urea en la orina

A. Proteína

B. Triacilglicerol

6. Después de un ayuno de pocos días, los cuerpos cetónicos se convierten en un combustible importante 7. Los cuerpos cetónicos se usan como combustible después de un ayuno de una noche 8. Los ácidos grasos no son una fuente significativa de combustible en ningún momento 9. Durante la inanición, este tejido utiliza aminoácidos para mantener la glucemia 10. Este tejido convierte lactato del músculo en un combustible para otros tejidos

A. Hígado

B. Encéfalo

C. Músculo esquelético

D. Eritrocitos

Preguntas estilo USMLE C. Glucógeno hepático

D. Glucógeno muscular

5.  Un varón de 32 años de edad no desea adelgazar ni engordar, por lo que se somete a una dieta de mantenimiento de peso. ¿Cuál aminoácido debe estar presente en la dieta para que el paciente no entre en balance ­nitrogenado negativo?

(A) Alanina (B) Arginina (C) Glicina (D) Treonina (E) Serina Preguntas 6 a 10 Relacione cada una de las características que siguen con el tejido al que describe mejor. Cada respuesta (opciones A a D) puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

Las preguntas 11 a 15 se basan en la siguiente paciente: Una mujer joven (1.60 m de estatura) que realiza trabajo sedentario y no hace ejercicio consulta a un médico acerca de su peso (50 kg). En el interrogatorio sobre su alimentación indica que come alrededor de 100 g de carbohidratos, 20 g de proteína y 40 g de grasa al día.

11.  ¿Cuál es el IMC de esta mujer? (A) 16.5 (B) 17.5 (C) 18.5 (D) 19.5 (E) 20.5 12.  De acuerdo con el IMC de esta mujer, ¿a cuál categoría corresponde según su peso y estatura?

(A) (B) (C) (D) (E)

Peso bajo Intervalo normal Sobrepeso (preobesidad) Intervalo de obesidad clase I Intervalo de obesidad clase II

11

12

Bioquímica, biología molecular y genética

13.  ¿Cuántas calorías (kcal) consume esta mujer al día?

nitrogenado negativo. Esto puede deberse a la falta en su dieta de lo siguiente:

(A) 1 440 (B) 1 340 (C) 940 (D) 840 (E) 640

(A) Ácido linoleico (B) Almidón (C) Serina (D) Lisina (E) Ácido linolénico

14.  ¿Cuál es el GED aproximado de esta mujer

19.  Un estudiante de medicina ha estado

en calorías (kcal) por día en este peso?

preparándose para sus exámenes, no ha comido durante 12 h. En este punto, el estudiante abre una gran bolsa de galletas saladas (pretzetls) y las come todas en un breve lapso. ¿Cuál de los siguientes efectos tendrá esa comida en el ­estado metabólico del estudiante?

(A) (B) (C) (D) (E)

1 200 1 560 1 800 2 640 3 432

15.  Dado el estado actual de la mujer en cuanto a peso, alimentación y estilo de vida ­sedentario, ¿qué debe recomendar el médico?

(A) (B) (C) (D)

Aumentar el nivel de ejercicio Reducir el consumo de proteína Incrementar el consumo calórico Reducir el consumo de grasa a  30% de las calorías totales (E) Reducir el consumo calórico

16.  Considere un hombre normal de 25 años de edad y alrededor de 70 kg de peso, que ­naufraga y llega a una isla desierta sin alimento disponible, pero con abundante agua potable. ¿Cuál de las siguientes reservas de combustible es menos probable que le aporte una cantidad significativa de calorías?

(A) (B) (C) (D) (E)

Triacilglicerol adiposo Glucógeno hepático Glucógeno muscular Proteína muscular Triacilglicerol adiposo y glucógeno hepático

17.  El náufrago de la pregunta anterior tendrá la mayor parte de su combustible ­almacenado como triacilglicerol y no como proteína ­muscular porque las reservas de triacilglicerol contienen lo siguiente en comparación con las reservas de proteína?

(A) (B) (C) (D) (E)

Más calorías y más agua Menos calorías y menos agua Menos calorías y más agua Más calorías y menos agua Las mismas calorías y menos agua

18.  Una persona vegetariana ha ingerido proteína vegetal de baja calidad por muchos años, y en la actualidad presenta balance

(A) Se repondrán las reservas de glucógeno hepático

(B) Aumentará la tasa de gluconeogénesis (C) Se reducirá la tasa de conversión de ácidos grasos en triacilgliceroles adiposos

(D) Aumentará la concentración sanguínea de glucagón

(E) El encéfalo oxidará glucosa a lactato, y los eritrocitos la oxidarán a CO2 y H2O

20.  Después de una estresante semana de exámenes, un estudiante de medicina duerme 15 h, y después reposa en cama por 1 h antes de levantarse para sus actividades habituales. En estas condiciones, ¿cuál de los siguientes enunciados acerca del estado metabólico del estudiante sería correcto?

(A) Las reservas hepáticas de glucógeno están agotadas por completo

(B) Aún no se activa la gluconeogénesis hepática

(C) Las reservas musculares de glucógeno contribuyen al mantenimiento de la glucemia (D) Se están liberando ácidos grasos desde las reservas adiposas de triacilglicerol (E) El hígado produce y oxida cuerpos cetónicos a CO2 y H2O

21.  Un médico que trabaja en un c­ ampamento de refugiados en África observa un gran ­número de niños con brazos y piernas escuálidos, además con estómago y abdomen prominentes. Un análisis de la sangre de estos niños revelaría concentraciones bastante bajas de uno de los siguientes respecto a los valores de niños sanos:

(A) Glucosa (B) Cuerpos cetónicos (C) Albúmina



Capítulo 1   Metabolismo de los combustibles y nutrición: principios básicos

(D) Ácidos grasos (E) Glucógeno

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(A) Peso bajo (B) Saludable (C) Sobrepeso (preobesidad) (D) Obesidad (clase I) (E) Obesidad (clase II)

Las preguntas 22 a 25 se refieren al paciente que sigue: Un varón de 50 años de edad con abdomen prominente y un fuerte antecedente familiar de ataques cardiacos acude a su médico en busca de ayuda para bajar de peso. Pesa 100 kg y mide alrededor de 1.85 m. Su estilo de vida puede describirse como sedentario.

24.  ¿Cuántas kilocalorías al día necesitaría el paciente para mantener este peso?

(A) (B) (C) (D) (E)

22.  ¿Cuál es el IMC de este paciente? (A) 24 (B) 29 (C) 31 (D) 36 (E) 40

2 400 2 620 3 120 3 620 3 950

25. ¿Para cuál de los siguientes procesos patológicos está este paciente en mayor riesgo? (A) Diabetes tipo 1 (B) Síndrome de resistencia a la insulina (C) Enfermedad de Gaucher (D) Hipotensión arterial (E) Drepanocitosis

23.  ¿En cuál de las siguientes categorías lo coloca su IMC?

26.  ¿Cuál de los siguientes patrones metabólicos se observaría en una persona después de una semana de inanición? Elija la mejor respuesta.

A B C D E

Contenido de glucó­geno Uso de combustibles hepático (% de lo normal) Sólo glucosa ,5 Glucosa y cuerpos cetónicos ,5 Sólo cuerpos cetónicos ,5 Ácidos grasos y cuerpos cetónicos 50 Glucosa y ácidos grasos 50

Balance nitrogenado Positivo Negativo Negativo Positivo En balance

Gluconeogénesis Inhibida Activada Inhibida Activada Inhibida

27.  ¿Cuál de los siguientes patrones expresará una persona que ayuna por una semana comparada con un individuo después de ayuno de una noche?

Glucemia

Cantidad de proteína muscular

Cantidad de triacilglicerol adiposo

Concentración sanguínea de cuerpos cetónicos

A

Mayor

Mayor

Mayor

Menor

B

Mayor

Menor

Menor

Menor

C

Menor

Mayor

Mayor

Mayor

D

Menor

Menor

Menor

Mayor

E

Igual

Igual

Igual

Igual

28.  ¿Cuál de las siguientes es una c­ aracterística metabólica común en pacientes con ­anorexia nerviosa, diabetes tipo 1 no tratada, ­hipertiroidismo y enfermedad celiaca?

(A) TMB alta (B) Concentración sanguínea elevada de insulina (C) Pérdida de peso

(D) Malabsorción de nutrimentos (E) Bajas concentraciones sanguíneas de cuerpos cetónicos

29.  Una persona de 18 años de edad con diabetes tipo 1 no se ha inyectado insulina en dos días. En este momento su glucemia es de 600 mg/dl (los valores normales son de 80 a

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Bioquímica, biología molecular y genética

100 mg/dl). ¿Cuáles de las siguientes células de su organismo aún pueden utilizar la glucosa sanguínea como fuente de energía?

(A) Células encefálicas (B) Células musculares (C) Células adiposas 30.  Un paciente es llevado al servicio de ­ rgencias después de ser encontrado por u equipos de búsqueda y rescate. Cuando practicaba m ­ ontañismo, fue sorprendido por una tormenta de nieve y tuvo que sobrevivir en una cueva. Sin a­ limento por seis días. Para adaptarse a estas c­ ondiciones, ¿cuál proceso metabólico aumentó en vez de disminuir?

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

Uso encefálico de glucosa Uso muscular de cuerpos cetónicos Uso eritrocítico de glucosa Uso encefálico de cuerpos cetónicos Uso eritrocítico de cuerpos cetónicos Uso muscular de glucosa

Las preguntas 31 a 35 se basan en el siguiente caso: Un hombre de 27 años de edad se perdió mientras caminaba en un parque nacional. Se le encontró ocho días después. Durante ese tiempo no dispuso de alimento, sólo agua.

31.  ¿Cuál de las siguientes sería su principal fuente de carbonos para mantener la glucemia en el momento en que se le encontró?

(A) Glucógeno hepático (B) Glucógeno muscular (C) Ácidos grasos (D) Triacilglicerol (E) Cuerpos cetónicos

32.  ¿Cuáles células sólo pueden usar glucosa para cubrir sus necesidades de energía?

(A) Encefálicas (B) Eritrocitos (C) Hepatocitos (D) Cardiacas (E) Musculares 33.  ¿Cuál de los siguientes es un nutrimento esencial que el paciente no recibió en los ­últimos ocho días?

(A) Ácido láctico (B) Ácido oleico (C) Ácido esteárico (D) EPA (E) Ácido palmítico 34.  El encéfalo del hombre intentaría r­ educir el consumo de glucosa e incrementar el de ­cetonas a fin de proteger de la d ­ egradación (catabolismo) lo siguiente:

(A) (B) (C) (D) (E)

Glucógeno muscular Glucógeno hepático Proteína muscular Eritrocitos (para proporcionar hem) Triacilglicerol adiposo

35.  ¿Cuál de las siguientes pruebas de l­ aboratorio se realizaría en el paciente para determinar si presenta desnutrición proteínica global?

(A) Albúmina (B) Nitrógeno ureico sanguíneo (NUS) (C) Creatinina (D) Ferritina (E) Creatina fosfocinasa (CPK, creatine phosphokinase)

Respuestas 1. La respuesta es B. En el ser humano, los triacilgliceroles adiposos contienen la mayor cantidad de energía almacenada, seguidos por proteína (aunque la pérdida de demasiada proteína causaría la muerte), glucógeno muscular y glucógeno hepático (tabla 1-1). 2. La respuesta es D. El glucógeno muscular se usa para obtener energía durante el ejercicio. El glucógeno se degrada a una forma de glucosa que puede ingresar en vías metabólicas para la generación de energía. Dado que el ejercicio es extenuante, el músculo requiere grandes cantidades de energía, la cual puede generarse a mayor ritmo al convertir el glucógeno muscular en precursores de la vía dentro del músculo. El glucógeno hepático producirá glucosa que pasa a la circulación. Una vez que la glucosa se encuentra en la sangre, el músculo puede tomarla y usarla para generar energía; sin embargo, la tasa de generación de energía a partir de glucosa procedente del hígado es mucho más lenta que a partir de glucosa procedente del músculo. 3. La respuesta es C. La glucogenólisis hepática es el principal proceso para mantener la glucemia después de ayuno de toda la noche. El músculo no puede exportar glucosa para contribuir al manteni­ mien­to de la glucemia, y no es posible utilizar carbonos de ácido graso para la síntesis neta de glucosa. 4. La respuesta es A. El nitrógeno de los aminoácidos que componen la proteína es convertido en urea y se excreta en la orina. El ácido úrico, otro producto de excreción que contiene nitrógeno, proviene de bases purínicas (presentes en los ácidos nucleicos), no de proteína. 5. La respuesta es D. La falta de un aminoácido esencial ocasionará un balance nitrogenado negativo por aumento de la degradación de proteína a fin de aportar ese aminoácido para la síntesis proteínica continua. De los aminoácidos enumerados, sólo la treonina es esencial (la alanina puede sintetizarse a partir de piruvato [el cual puede provenir de glucosa], la arginina se produce en el ciclo de la urea a partir de ácido aspártico y el aminoácido ornitina, la glicina se deriva de la serina, y ésta proviene de 3-fosfoglicerato, el cual puede producirse a partir de glucosa). 6. La respuesta es B. El encéfalo comienza a usar cuerpos cetónicos cuando las concentraciones empiezan a aumentar después de tres a cinco días de ayuno. En condiciones normales, el encéfalo sólo usa glucosa como combustible (la mayoría de los ácidos grasos no cruzan la barrera hematoencefálica para ser metabolizados por el encéfalo), pero cuando la concentración sanguínea de cuerpos cetónicos es elevada, pueden ingresar en el encéfalo y ser usados como fuente de energía. 7. La respuesta es C. El músculo esquelético oxida cuerpos cetónicos, que se sintetizan en el hígado a partir de ácidos grasos provenientes del tejido adiposo. Si el ayuno continúa, el músculo cambia a la oxidación de ácidos grasos, lo cual permite que la concentración de cuerpos cetónicos aumente, y de este modo el encéfalo comenzará a usarlos como fuente de energía. 8. La respuesta es D. La oxidación de ácidos grasos ocurre en las mitocondrias. Los eritrocitos carecen de mitocondrias y por tanto no pueden usar ácidos grasos. La mayoría de los ácidos grasos no cruzan la barrera hematoencefálica (los ácidos grasos esenciales son una notable excepción). Por lo tanto, el encéfalo no puede usar ácidos grasos como fuente de energía. Sin embargo, sintetiza sus propios ácidos grasos, además los oxidará cuando sea apropiado. Los eritrocitos nunca pueden usar ácidos grasos como fuente de energía debido a que carecen de mitocondrias. 9. La respuesta es A. El hígado convierte aminoácidos en glucosa sanguínea por gluconeogénesis. Los otros sustratos para la gluconeogénesis son lactato del metabolismo de la glucosa dentro de los eritrocitos y glicerol de la degradación de triacilglicerol en ácidos grasos libres y glicerol. Ni el encéfalo, ni el músculo esquelético ni el eritrocito pueden exportar glucosa a la circulación. 10. La respuesta es A. La actividad muscular intensa produce lactato, que el hígado puede convertir en glucosa por gluconeogénesis. La glucosa sanguínea es oxidada por eritrocitos y otros tejidos. Sólo el hígado y los riñones (en pequeña magnitud) pueden liberar glucosa en la circulación para su uso por otros tejidos. 11. La respuesta es D. El IMC se calcula dividiendo el peso del individuo (en kilogramos) entre el cuadrado de la estatura del individuo (en metros). Para esta mujer, IMC 5 50/1.62 5 19.5.

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Bioquímica, biología molecular y genética

12. La respuesta es B. Según la tabla 1-2, un IMC de 19.5 coloca a la mujer en el extremo inferior del intervalo normal. El peso bajo está indicado por un IMC , 18.5; hay preobesidad por arriba de un IMC de 25 pero , 30. La obesidad clase I está indicada por un IMC entre 30 y 35, y la obesidad clase II, por un IMC entre 35 y 40. 13. La respuesta es D. La mujer consume 400 calorías (kcal) de carbohidrato (100 g 3 4 kcal/g), 80 calorías de proteína (20 3 4), y 360 calorías de grasa (40 3 9), para un total de 840 calorías diarias. 14. La respuesta es B. El GED de esta mujer es de 1 560 calorías (kcal). El GED es igual al TMB más la actividad física. Su peso es de 50 kg. Su TMB (alrededor de 24 kcal/kg) es 50 kg 3 24 5 1 200 kcal/día. Es sedentaria y sólo necesita 360 kcal adicionales (30% de su TMB) para realizar su actividad física. Por lo tanto, necesita 1 200 1 360 5 1 560 kcal al día. 15. La respuesta es C. Debido a que su ingreso calórico (840 kcal/día) es menor que su gasto (1 560 kcal/ día), la mujer está perdiendo peso. Debe incrementar su consumo calórico. El ejercicio la haría perder más peso. Es probable que tenga balance nitrogenado negativo en virtud de que su ingreso proteínico es bajo (se recomienda 0.8 g/kg/día). Aunque su ingreso de grasa es de 43% de sus calorías totales y los niveles recomendados son , 30%, debe incrementar sus calorías totales elevando su ingesta de carbohidratos y proteína en vez de reducir su consumo de grasa. 16. La respuesta es B. como se indica en la tabla 1-1, en el varón promedio (70 kg) el tejido adiposo contiene 15 kg de grasa o 135 000 calorías (kcal). El glucógeno hepático contiene unos 0.08 kg de carbohidrato (320 calorías), y el glucógeno muscular contiene cerca de 0.15 kg de carbohidrato (600 calorías). Además, pueden usarse como combustible alrededor de 6 kg de proteína muscular (24 000 calorías). Por lo tanto, el glucógeno hepático es el que contiene menos calorías disponibles. 17. La respuesta es D. El tejido adiposo contiene más calorías (kilocalorías) y menos agua que la proteína muscular. El triacilglicerol almacenado en el tejido adiposo contiene 9 kcal/g, y el tejido adiposo tiene alrededor de 15% de agua. La proteína muscular contiene 4 kcal/g y tiene alrededor de 80% de agua. 18. La respuesta es D. Un balance nitrogenado negativo resulta de una dieta deficiente en un amino­ ácido esencial o de un estado muy patológico. Los ácidos linoleico y linolénico son los ácidos grasos esenciales de la alimentación, y la falta de éstos no afectará el balance nitrogenado. El almidón es un polímero de glucosa, y su ausencia no afecta el balance nitrogenado. La lisina es un aminoácido esencial, mientras que la serina puede sintetizarse a partir de un derivado de la glucosa. La falta de lisina en la alimentación ocasionará un balance nitrogenado negativo, ya que la proteína existente se degrada a fin de generar lisina para la síntesis de nueva proteína. 19. La respuesta es A. Después de una comida rica en carbohidratos (el principal ingrediente de los pretzels), el glucógeno se almacena en el hígado y músculo, y los triacilgliceroles se almacenan en tejido adiposo. Debido al aumento de la glucemia (a causa de los carbohidratos en los pretzels), se libera insulina del páncreas y la concentración sanguínea de glucagón disminuye. Dado que la glucemia ha aumentado, ya no es necesario que el hígado sintetice glucosa, y la gluconeogénesis se reduce. El cambio en el cociente de insulina a glucagón también inhibe la degradación de triacilgliceroles y favorece su síntesis. El encéfalo oxida glucosa a CO2 y H2O, mientras que los eritrocitos producen lactato a partir de la glucosa, dado que no son capaces de realizar el metabolismo aeróbico. 20. La respuesta es D. Durante el ayuno, se liberan ácidos grasos del tejido adiposo y son oxidados por otras células. El glucógeno hepático no se agota sino hasta cerca de 30 h después de iniciado el ayuno. Tras una noche de ayuno, tanto la glucogenólisis como la gluconeogénesis en el hígado ayudan a mantener la glucemia. Las reservas de glucógeno muscular no se usan para este fin. El hígado produce cuerpos cetónicos pero no los oxida, no obstante en las condiciones descritas en la pregunta, la formación de cuerpos cetónicos sería mínima. 21. La respuesta es C. Los niños exhiben los efectos del kwashiorkor, un trastorno que resulta de un ingreso adecuado de calorías, pero con calorías provenientes de proteína insuficientes. Esto hace que el hígado produzca menos albúmina sérica (debido a la falta de aminoácidos esenciales), lo que afecta el balance osmótico de la sangre y el líquido en los espacios intersticiales. Debido al decremento de la presión osmótica en la sangre, sale agua de la sangre y pasa a los espacios intersticiales, produciendo edema en los niños (lo que expande el abdomen). Los niños degradan proteína muscular para hacer posible la síntesis de nueva proteína (debido a la falta de aminoácidos esenciales), y esto ocasiona emaciación de los brazos y piernas de los niños con el trastorno. Los niños



Capítulo 1   Metabolismo de los combustibles y nutrición: principios básicos

17

presentarán concentraciones normales o un poco elevadas de cuerpos cetónicos y ácidos grasos en la sangre, ya que la alimentación es suficiente en calorías. Los valores de glucógeno suelen estar sólo un poco reducidos (ya que la alimentación es suficiente en calorías), pero no hay glucógeno en la sangre. La glucemia estará sólo un poco reducida, ya que la gluconeogénesis mantendrá los valores de glucosa cerca de lo normal 22. La respuesta es B. El IMC (en kg/m2) en este caso es igual a 100/1.852, que es alrededor de 29. 23. La respuesta es C. El paciente está en la categoría de sobrepeso (preobesidad) con IMC de 29. Como se indica en la tabla 1-2, un IMC , 18.5 corresponde a la categoría de peso bajo, un IMC entre 18.5 y 24.9 es el intervalo saludable, un IMC entre 25 y 30 es la categoría de sobrepeso (preobesidad), y cualquier IMC de 30 o más se considera el intervalo de obesidad. La obesidad clase I corresponde a un valor entre 30 y 35, mientras que la obesidad clase II equivale a entre 35 y 40. La obesidad clase III, u obesidad mórbida, es la clasificación para personas con IMC de 40 o más. 24. La respuesta es C. El GED es igual a la TMB más el factor de actividad física. Para el paciente en cuestión, la TMB 5 24 kcal/kg/día 3 100 kg, o 2 400 kcal/día. Dado que el paciente es sedentario, el nivel de actividad es 30% que la de TMB o 720 kcal/día. Por tanto, las necesidades totales diarias son de 2 400 1 720 kcal/día o 3 120 kcal/día. Si el paciente consume , 3 000 kcal/día o incrementa su nivel de actividad física, entonces habrá pérdida de peso. 25. La respuesta es B. Peso, edad y actividad del paciente lo colocan en mayor riesgo de síndrome de resistencia a la insulina. Éste incluye además hipertensión, diabetes mellitus (tipo 2), disminución de las concentraciones de lipoproteína de alta densidad, aumento de los valores de triglicéridos, aumento del urato, mayor concentración de inhibidor 1 del activador de plasminógeno, hígado graso no alcohólico, obesidad central y poliquistosis ovárica (PQO) (en mujeres). El síndrome de resistencia a la insulina causa ateroesclerosis temprana en todo el cuerpo. El paciente no está en mayor riesgo de diabetes tipo 1, como la que resulta de un trastorno autoinmunitario que destruya las células β del páncreas de manera que deje de producirse insulina. El modo de vida del paciente no se ha relacionado con trastornos autoinmunitarios. La enfermedad de Gaucher es un trastorno de la enzima β-glucocerebrosidasa, y es una afección autosómica recesiva. Dado que esta enfermedad es hereditaria, el estilo de vida del paciente no eleva el riesgo de presentarla. El aumento de peso del sujeto podría elevar la presión arterial, pero no reducirla. La enfermedad drepanocítica es otro trastorno autosómico recesivo que altera el producto del gen de la β-globina, y como la enfermedad de Gaucher, es una afección hereditaria que no es modificada por el estilo de vida del paciente. 26. La respuesta es B. Después de tres a cinco días de inanición, el encéfalo comienza a usar cuerpos cetónicos, además de glucosa, como fuente de combustible. Las reservas de glucógeno en el hígado se agotan (, 5% de lo normal) durante las primeras 30 h de ayuno. Una cantidad inadecuada de proteína en la alimentación causa un balance nitrogenado negativo. La glucemia es mantenida por la gluconeogénesis y se usan lactato (de los eritrocitos), glicerol (del triacilglicerol) y aminoácidos (de la degradación de proteínas musculares) como fuentes de carbono. 27. La respuesta es D. Si una persona que ha ayunado una noche sigue ayunando por una semana, la proteína muscular continúa disminuyendo porque es convertida en glucosa sanguínea. Sin embargo, no disminuye tan rápido que en un ayuno más breve, porque el encéfalo usa cuerpos cetónicos y, por lo tanto, menos glucosa. La glucemia del individuo se reduce alrededor de 40%, porque al principio la glucogenólisis y después la gluconeogénesis en el hígado ayudan a mantener la glucosa sanguínea, pero la oxidación de cuerpos cetónicos por el encéfalo reduce la dependencia global del encéfalo respecto a la glucosa. El tejido adiposo decrece a medida que se moviliza triacilglicerol. Los ácidos grasos del tejido adiposo son convertidos en cuerpos cetónicos en el hígado. Las concentraciones sanguíneas de cuerpos cetónicos aumentan, y el encéfalo utiliza éstos como fuente de energía alterna para reducir su dependencia respecto a la glucosa (durante la inanición, 40% de las necesidades de energía del encéfalo pueden satisfacerse oxidando cuerpos cetónicos, mientras que el otro 60% aún requiere la oxidación de glucosa). 28. La respuesta es C. Todos estos pacientes pierden peso: los anoréxicos por insuficiencia de calorías en la alimentación, los pacientes con diabetes tipo 1 por bajas concentraciones de insulina que causan la excreción de glucosa y cuerpos cetónicos en la orina, los hipertiroideos por aumento de la TMB, y los que

18

Bioquímica, biología molecular y genética tienen enfermedad celiaca, por disminución de la absorción de nutrimentos en el intestino. Los diabéticos no tratados tendrán elevación de los cuerpos cetónicos por baja insulina. Los valores de cuerpos cetónicos pueden estar elevados en la anorexia y también en esprúe, por disminución de las concentraciones de precursores de la gluconeogénesis. Se observaría aumento de la TMB sólo en el hipertiroidismo. La malabsorción de nutrimentos sólo ocurriría en enfermedad celiaca o esprúe y anorexia.

29. La respuesta es A. Las células musculares y adiposas requieren insulina para estimular el transporte de glucosa al interior de la célula, mientras que los transportadores de glucosa para la barrera hematoencefálica siempre están presentes, y no reaccionan a la insulina. De este modo, el encéfalo siempre puede utilizar la glucosa circulante, mientras que el músculo y tejido adiposo dependen de la insulina para el transporte de la glucosa al interior del tejido. 30. La respuesta es D. En el estado de inanición, el músculo reduce su uso de cuerpos cetónicos, lo que causa elevación de éstos en el torrente sanguíneo. El encéfalo utiliza los cuerpos cetónicos como fuente de energía y consume menos glucosa, lo que reduce la necesidad de la gluconeogénesis, así ahorra la degradación de proteína muscular, que aporta los precursores para la gluconeogénesis. Los eritrocitos no pueden usar cuerpos cetónicos y deben recurrir a la glucosa. Por ello, su uso de glucosa no cambiará en estas condiciones. 31. La respuesta es D. El componente glicerol del triacilglicerol sería la principal fuente de carbonos para la gluconeogénesis entre las opciones presentadas. Los sustratos para la gluconeogénesis hepática son lactato (de los eritrocitos), aminoácidos (del músculo) y glicerol (del tejido adiposo). Se usarían ácidos grasos como fuentes de energía, pero no es posible usar sus carbonos para la síntesis neta de glucosa. Las reservas hepáticas de glucógeno se han agotado alrededor de 30 h después del inicio del ayuno, y las reservas de glucógeno muscular sólo contribuyen a las necesidades de energía del músculo y no al mantenimiento de la glucemia. 32. La respuesta es B. Los eritrocitos carecen de mitocondrias, de modo que sólo pueden usar glucosa como combustible (los ácidos grasos y cuerpos cetónicos requieren proteínas mitocondriales para sus vías oxidativas). El encéfalo también puede usar cuerpos cetónicos, además de glucosa. El hígado puede emplear glucosa, ácidos grasos y aminoácidos como fuentes de energía. El corazón puede utilizar glucosa, ácidos grasos, aminoácidos y ácido láctico como fuentes de energía potenciales. 33. La respuesta es D. El ácido eicosapentaenoico (EPA, un ácido graso de 20 carbonos que contiene cinco dobles enlaces) puede producirse a partir de un ácido graso esencial presente en los aceites de pescado (ácido linolénico), y es un precursor de eicosanoides (prostaglandinas, leucotrienos y tromboxanos). El EPA también se encuentra en los aceites de pescado. El ácido láctico se produce en el músculo y los eritrocitos, no es un nutrimento esencial. Ácido palmítico (un ácido graso que contiene 16 carbonos, sin dobles enlaces), ácido oleico (un ácido graso que contiene 18 carbonos, con un doble enlace), y ácido esteárico (un ácido graso que contiene 18 carbonos, sin dobles enlaces) pueden ser sintetizados por el hígado de los mamíferos en la vía normal de síntesis de ácidos grasos. 34. La respuesta es C. En un intento de salvar el tejido muscular (evitar el uso de aminoácidos para la gluconeogénesis), el encéfalo en modo de inanición utiliza cuerpos cetónicos para cubrir una parte de sus necesidades de energía. En las condiciones descritas las reservas hepáticas de glucógeno estarían agotadas. El hem no se usa para generar energía y produce bilirrubina cuando se degrada, la cual no puede usarse para generar energía o cuerpos cetónicos. El glucógeno muscular no puede contribuir a la glucemia, dado que el tejido muscular carece de la enzima que permite la producción de glucosa libre dentro del músculo. 35. La respuesta es A. La albúmina, aunque inespecífica, se considera el estándar para valorar desnutrición proteínica global. La albúmina se produce en el hígado y se encuentra en la sangre. Actúa como un transportador inespecífico de ácidos grasos y otras moléculas hidrófobas. Cuando las concentraciones de aminoácidos se hacen limitantes, el hígado reduce sus niveles de síntesis de proteína, y una disminución de la concentración de albúmina en la circulación indica disfunción hepática. La ferritina es una proteína de almacenamiento de hierro en los tejidos, y sus valores circulantes son bajos todo el tiempo. La creatinina es un producto de la degradación de fosfato de creatina o creatín fosfato (una molécula de almacenamiento de energía en el músculo) y su presencia en la circulación refleja la rapidez de depuración de creatinina por los riñones. Las altas concentraciones de creatinina indican insuficiencia renal. La creatina fosfocinasa o creatín fosfocinasa es una enzima muscular que se libera en la circulación sólo en caso de daño del músculo. El nitrógeno de la urea sanguínea indica la tasa del metabolismo de aminoácidos para generar urea, pero no indica desnutrición proteínica.

capítulo

2

Aspectos básicos de bioquímica : química orgánica, química de ácidos y bases, aminoácidos, estructura y función de las proteínas y cinética enzimática

El estudio de este capítulo servirá en la clínica para comprender los principios básicos de las acidosis y alcalosis, los tratamientos de la insuficiencia renal, las acciones de los fármacos, la dosificación de determinados medicamentos y las hemoglobinopatías (estructura y función de las proteínas).

GENERALIDADES ■ ■ ■ ■ ■

■ ■ ■

■

Los ácidos se disocian, con lo que liberan protones y producen sus bases conjugadas. Las bases aceptan protones, con lo que producen sus ácidos conjugados. Los amortiguadores (buffers) consisten en pares ácido–base conjugados que pueden donar y aceptar protones, con lo que mantienen el pH de una solución. Las proteínas, formadas por aminoácidos, realizan muchas funciones en el organismo (p. ej., enzimas, componentes estructurales, hormonas y anticuerpos). Las interacciones entre aminoácidos individuales producen la conformación tridimensional de una proteína, comienzan con la estructura primaria, pasan por las estructuras secundaria y terciaria, para terminar en las proteínas con múltiples subunidades, una estructura cuaternaria. Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones bioquímicas. Las enzimas aceleran reacciones al reducir la energía libre de activación de Gibbs. Las reacciones catalizadas por enzimas pueden describirse mediante la ecuación de Michaelis– Menten, en la que Km es la concentración de sustrato en la cual la rapidez de formación del producto de la reacción (la velocidad) es igual a la mitad de la velocidad máxima (Vmáx). Los inhibidores enzimáticos reversibles pueden clasificarse como competitivos o no competitivos y distinguirse mediante una gráfica de Lineweaver–Burk.

I.  BREVE REPASO DE QUÍMICA ORGÁNICA •• En las reacciones bioquímicas intervienen los grupos funcionales de las moléculas.

19

20

Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 2-1. Identificación de los átomos de carbono en un compuesto orgánico. Los carbonos se numeran a partir del grupo más oxidado que contenga carbono, o se les asignan letras griegas, y el carbono adyacente al grupo más oxidado se designa carbono . Este compuesto es 3-hidroxibutirato o -hidroxibutirato. Se trata de un cuerpo cetónico.

A. Identificación de los átomos de carbono Como se indica en la figura 2-1, los átomos de carbono se identifican con números o con letras griegas.

B. Grupos funcionales en bioquímica Tipos de grupos: alcoholes, aldehídos, cetonas, grupos carboxilo, anhídridos, grupos sulfhidrilo, aminas, ésteres y amidas son componentes importantes de los compuestos bioquímicos (figura 2-2).

C. Reacciones bioquímicas 1. Las reacciones se clasifican con base en los grupos funcionales que reaccionan (p. ej., esterificaciones, hidroxilaciones, carboxilaciones y descarboxilaciones).

2. Son frecuentes las oxidaciones de grupos sulfhidrilo a disulfuros, de alcoholes a aldehídos y cetonas y de aldehídos a ácidos carboxílicos. a. Muchas de estas oxidaciones se revierten mediante reducciones. b. En las reacciones de oxidación se pierden electrones. En las reacciones de reducción se ganan electrones. c. Cuando los alimentos se oxidan, se liberan electrones e ingresan en la cadena de transporte de electrones. Se genera trifosfato de adenosina (ATP), el cual aporta la energía que impulsa diversas funciones del organismo.

II.  ÁCIDOS, BASES Y AMORTIGUADORES •• Muchos compuestos bioquímicos, que van de moléculas pequeñas a grandes polímeros, son capaces de liberar o aceptar protones al pH fisiológico, y en consecuencia pueden portar carga. •• La mayoría de las reacciones bioquímicas se producen en soluciones acuosas.

Grupos carbono–oxígeno

CH2

OH

Alcohol

C

H

C

CH2

Aldehído

O

O

O

O

CH2

Cetona

C

OH

C

Ácido carboxílico

Grupos carbono-azufre

O

C

C

Éter

O O

C

Anhídrido ácido

Grupos carbono-nitrógeno CH3

C

SH

C

Grupo sulfhidrilo

S

S

CH2

C

CH2

NH2

CH2

N+

CH3

CH3

Un disulfuro

Grupo amino

Amina cuaternaria

Ésteres y amidas O C

O

O O

CH2

Éster

C

S

CH2

Tioéster

HO

P

O O

OH Fosfoester

C

C

NH

Amida

FIGURA 2-2. Principales tipos de grupos funcionales presentes en compuestos bioquímicos del cuerpo humano.



Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

21

•• El pH de una solución es el logaritmo negativo de base 10 de su concentración de iones hidrógeno [H+]. •• Los ácidos son donadores de protones y las bases son aceptores de protones. •• La ecuación de Henderson–Hasselbalch describe la relación entre pH, pK (el logaritmo negativo de la constante de disociación) y las concentraciones de un ácido y su base conjugada. •• Los amortiguadores consisten en soluciones de pares ácido–base conjugadas que se oponen a los cambios de pH cuando se agregan H+ u OH. •• Los ácidos que se ingieren o producen en el organismo son amortiguados por bicarbonato y por proteínas, en particular hemoglobina. Estos amortiguadores ayudan a mantener el pH del organismo dentro del intervalo compatible con la vida.

A. Agua 1. El agua es el solvente de la vida. Se disocia: H2O  H+ + OH−

con constante de equilibrio: K=

[H+][OH−] [H2O]

2. Dado que el grado de disociación no es apreciable, H2O permanece constante en 55.5 M y el producto iónico del H2O es:

Kw = [H+][OH−] = 1 × 10–14

3. El pH de una solución es el log10 negativo de su concentración de iones de hidrógeno [H+]: pH = −log10 [H+]

Para el agua pura, [H+] = [OH−] = 1 × 10–7

Por lo tanto, el pH del agua pura es 7.

B. Ácidos y bases Los ácidos son compuestos que donan protones y las bases son compuestos que aceptan protones.

1. Los ácidos se disocian.

a. Los ácidos fuertes, como el ácido clorhídrico (HCl), se disocian por completo. b. Los ácidos débiles, como el ácido acético, sólo se disocian en grado limitado: HA  H+ + A−

donde HA es el ácido y A– es su base conjugada. c. La constante de disociación para un ácido débil es: K=

[H+][A−] [HA]

2. La ecuación de Henderson–Hasselbalch se dedujo a partir de la ecuación para la constante de disociación: pH = pK + log10

[A−] [HA]

donde pK es el log10 negativo de K, la constante de disociación.

3. Los principales ácidos producidos por el organismo son ácido fosfórico, ácido sulfúrico, ácido láctico

y los cuerpos cetónicos ácido acetoacético y ácido -hidroxibutírico. También se produce CO2, que se combina con H2O para formar ácido carbónico en una reacción catalizada por anhidrasa carbónica: CO2 + H2O

Anhidrasa carbónica



H2CO3  H+ + HCO3−

22

Bioquímica, biología molecular y genética

C. Amortiguadores 1. Los amortiguadores son soluciones de pares ácido–base conjugadas, como ácido acético y acetato.

a. Cerca de su pK, un amortiguador mantiene el pH de una solución, que resiste a los cambios debidos a la adición de ácidos o bases. Para un ácido débil, el pK a menudo se designa pKa. b. Al pKa, [A−] y [HA] son iguales y el amortiguador tiene su capacidad máxima. 2. Mecanismos de amortiguación en el organismo a. El intervalo de pH normal de la sangre arterial es 7.37 a 7.43. b. Los principales amortiguadores de la sangre son bicarbonato (HCO3−/H2CO3) y hemoglobina (Hb/HHb). c. Estos amortiguadores actúan junto con mecanismos renales para excretar protones y mecanismos pulmonares para exhalar CO2 a fin de mantener el pH dentro del intervalo normal.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Los trastornos acidobásicos ocurren en diversas condiciones. La hipoventilación causa retención de CO2 por los pulmones, lo cual puede ocasionar acidosis respiratoria. La hiperventilación llega a provocar alcalosis respiratoria. La acidosis metabólica es el resultado de la acumulación de ácidos metabólicos (ácido láctico o los cuerpos cetónicos, ácido -hidroxibutírico y ácido acetoacético), o la ingestión de ácidos o compuestos que se metabolizan a ácidos (p. ej., metanol, etilenglicol). La alcalosis metabólica se debe a aumento del HCO3, que se acompaña de aumento del pH. Los trastornos acidobásicos provocan respuestas compensatorias con las que el organismo intenta restablecer el pH normal. Por ejemplo, la acidosis metabólica causa hiperventilación y la liberación de CO2, que tiende a reducir el pH. Durante la acidosis metabólica, los riñones excretan NH4+, que contiene H+ amortiguado por amoniaco: H+ + NH3  NH4+

La insuficiencia del esfínter gastroesofágico puede ocasionar enfermedad por reflujo gástrico, en la cual el contenido ácido (HCl) del estómago asciende al esófago. Las consecuencias de este trastorno (daño esofágico por el reflujo de ácido al esófago) pueden tratarse, en parte, con fármacos que inhiben la H+/K+ ATPasa de las células parietales gástricas, la cual bombea protones hacia la luz estomacal (a cambio de K+ del exterior de la célula) contra un gradiente de concentración con consumo de energía de ATP. Esos fármacos elevan el pH del contenido estomacal, lo que reduce el daño esofágico y permite a los tejidos cicatrizar.

III.  AMINOÁCIDOS Y ENLACES PEPTÍDICOS •• Un aminoácido suele contener un grupo carboxilo, un grupo amino y una cadena lateral, todos unidos al átomo de carbono . •• Los aminoácidos suelen tener la configuración l. •• A pH fisiológico, los aminoácidos portan carga positiva en sus grupos amino y carga negativa en sus grupos carboxilo. •• Las cadenas laterales de los aminoácidos contienen diferentes grupos químicos. Algunas cadenas laterales portan carga. •• Los enlaces peptídicos unen aminoácidos adyacentes en una cadena de proteína.

A. Aminoácidos a. Hay 20 aminoácidos comunes en las proteínas. La figura 2-3 presenta las estructuras de los aminoácidos, sus abreviaturas de tres letras y sus códigos de una letra. Estos 20 aminoácidos se usan para la síntesis de proteínas en el proceso dirigido por mRNA que ocurre en los ribosomas (ver Capítulo 3). b. Existen otros aminoácidos para los cuales no existe código genético, por ejemplo en el ciclo de la urea o en proteínas generadas por modificaciones postraduccionales (como la hidroxiprolina del colágeno). c. La selenocisteína es única en el sentido de que un residuo de serina es convertido en selenocisteína mientras se encuentra unido a un RNA de transferencia. El selenio es un ion metálico necesario para determinadas enzimas, como la glutatión peroxidasa.



23

Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica No polares, alifáticos COO–

+

H3N

C

+

H3N

H

Cíclicos

C

H

H

CH3

Glicina (Gly, G)

H2C

Alanina (Ala, A)

COO

+

H3N

C

COO–

+

H3N

H

C

CH2

H

+

H3N

CH3 CH3

Valina (Val, V)

Leucina (Leu, L)

C

+

H3N

H

C

H2N

+

H3N

H

C

H

C

CH3

C

CH2

Tirosina (Tyr, Y)

Fenilalanina (Phe, F)

Triptófano (Trp, W)

A z u f r ado s

–

+

H3N

–

COO C

COO

+

H

CH2OH

H3N

C

H

H

C

OH

+

H3N

CH3

C

Asparagina (Asn, N)

CH

OH

CH3

H

CH2

H 2N

H

CH2

Isoleucina (Ile, l)

CH2 O

C

NH

CH2

COO C

H3N

H

C

H

–

COO

+

H3N

C

COO–

+

CH2

Polares, sin carga –

COO–

CH2

H3N

CH

CH3 CH3

Más polares

COO–

COO–

+

CH2

CH

No polares

Prolina (Pro, P)

De cadena ramificada –

Aromáticos

COO– H + C H2N CH2

COO–

COO– C

+

H3N

H

COO– C

H

CH2

CH2

CH2

SH

S O

CH3

Glutamina (Gln, Q)

Serina (Ser, S)

Treonina (Thr, T)

Metionina (Met, M)

Cisteína (Cys, C)

C on car g a Negativa (ácidos) +

H3N

COO C

–

H

CH2

COO–

Positiva (básicos) –

+

H3N

–

COO C

H

COO C

H

+

H3N

COO– C

H

+

H 3N

COO– C

H

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

C

NH

CH2

CH2

NH

CH2

C H

N

COO– Aspartato (Asp, D)

+

H 3N

Glutamato (Glu, E)

C

+

NH2

+

NH3

CH

NH2 Arginina (Arg, R)

Lisina (Lys, K)

Histidina (His, H)

FIGURA 2-3. Cadenas laterales de los aminoácidos. Se resaltan las cadenas laterales. Los aminoácidos se agrupan con base en la polaridad y las características estructurales de sus cadenas laterales. Sin embargo, estas clasificaciones no son absolutas. Tirosina y triptófano, que a menudo se agrupan con los aminoácidos no polares, son más polares que otros aminoácidos aromáticos debido a sus anillos fenólico e indol, respectivamente. También se indican los códigos de una y tres letras para cada aminoácido.

1. Estructura de los aminoácidos (ver figura 2-3) a. La mayoría de los aminoácidos contiene un grupo carboxilo, un grupo amino y una cadena lateral (grupo R), todos unidos al carbono . Son excepciones: (1) Glicina, que no tiene cadena lateral. Su carbono  contiene dos hidrógenos. (2) Prolina, en la cual el nitrógeno es parte de un anillo. b. Todos los 20 aminoácidos excepto la glicina tienen la configuración l, dado que en todos ellos el carbono  es un carbono asimétrico. Como la glicina no contiene un átomo de carbono asimétrico carece de actividad óptica y, por lo tanto, no es d ni l. c. La clasificación de los aminoácidos se basa en sus cadenas laterales.

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Bioquímica, biología molecular y genética

(1) Los aminoácidos hidrófobos tienen en su cadena lateral grupos alifáticos (valina, leucina e isoleucina) o grupos aromáticos (fenilalanina, tirosina y triptófano) que pueden participar en interacciones hidrófobas. La tirosina tiene un grupo fenólico con carga negativa a un pH mayor que su pKa (∼10.5), de modo que no es hidrófoba en este intervalo de pH. (2) Los grupos hidroxilo presentes en serina y treonina pueden formar enlaces de hidrógeno. (3) Hay azufre en cisteína y metionina. Los grupos sulfhidrilo de dos cisteínas pueden oxidarse para formar un disulfuro, lo cual produce cistina. (4) Hay grupos ionizables en las cadenas laterales de siete aminoácidos. Pueden portar carga, según el pH. Cuando tienen carga, es posible que participen en interacciones electrostáticas. (5) Hay amidas en las cadenas laterales de asparagina y glutamina. (6) La cadena lateral de la prolina forma un anillo con el nitrógeno unido al carbono . 2. Cargas de los aminoácidos (figura 2-4) a. Cargas en los grupos -amino y -carboxilo: en el pH fisiológico, el grupo -amino está protonado (pKa ∼ 9) y porta carga positiva, mientras que el grupo carboxilo está disociado (pKa ∼ 2) y porta carga negativa. b. Cargas en las cadenas laterales (1) Hay cargas positivas en las cadenas laterales de los aminoácidos básicos (arginina, lisina e histidina) a pH 7. (2) Hay cargas negativas en las cadenas laterales de los aminoácidos ácidos, aspartato y glutamato, a pH 7. (3) El punto isoeléctrico (pI) es el pH al cual el número de cargas positivas es igual al número de cargas negativas, y la carga global en el aminoácido es cero. 3. Titulación de aminoácidos a. Los grupos ionizables presentes en los aminoácidos portan protones a pH bajo (alta [H+]), los cuales se disocian al aumentar el pH. Si el pH es menor al pKa del grupo ionizable, entonces el grupo se protona. Una vez que el pH es mayor que el pKa, el grupo se desprotona. b. En el caso de un aminoácido sin cadena lateral ionizable, se observan dos pKa durante la titulación (figura 2-5A).

FIGURA 2-4. Disociación de las cadenas laterales de los aminoácidos. Al aumentar el pH, la carga de la cadena lateral pasa de cero a negativa o de positiva a cero. El pKa es el pH al que la mitad de las moléculas de un aminoácido en solución tienen cadenas laterales con carga. La otra mitad no tienen carga.



Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

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FIGURA 2-5. Curvas de titulación para glicina (A) e histidina (B). La especie molecular de glicina presente en diversos valores de pH se indica con las fórmulas arriba de la curva. Para la histidina, pKa2 es la constante de disociación del grupo imidazol (de la cadena lateral).

(1) El primero (pKa1) corresponde al grupo -carboxilo (pKa1 ∼ 2). Cuando el protón se disocia, el grupo carboxilo pasa de carga cero a negativa.

(2) El segundo (pKa2) corresponde al grupo -amino (pKa2 ∼ 9). Cuando el protón se disocia, el

grupo amino pasa de carga positiva a cero. c. Para un aminoácido con una cadena lateral ionizable, se observan tres pKa durante la titulación (ver figura 2-5B). (1) Los grupos -carboxilo y -amino tienen pKa aproximados de 2 y 9, respectivamente. (2) El tercer pKa varía con el aminoácido y depende del pKa de la cadena lateral (ver figura 2-4).

B. Enlaces peptídicos



Los enlaces peptídicos unen de modo covalente el grupo -carboxilo de cada aminoácido al grupo -amino del siguiente aminoácido en la cadena proteínica (figura 2-6). 1. Características a. Los átomos implicados en el enlace peptídico forman una unidad planar rígida. b. Debido a su carácter de doble enlace parcial, el enlace peptídico no tiene libertad de rotación. c. Sin embargo, los enlaces en que interviene el carbono  pueden rotar libremente, aunque sólo hay un número limitado de ángulos que estos enlaces pueden formar dentro de una proteína. 2. Los enlaces peptídicos son en extremo estables. Su ruptura suele implicar la acción de enzimas proteolíticas.

IV.  ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS •• La estructura primaria de una proteína consiste en la secuencia de aminoácidos a lo largo de la cadena. •• La estructura secundaria implica hélices , láminas  y otros tipos de patrones de plegamiento que ocurren debido a un patrón repetitivo regular de formación de enlaces de hidrógeno. •• La estructura terciaria (la conformación tridimensional de una proteína) implica interacciones electrostáticas e hidrófobas, interacciones de van der Waals, y enlaces de hidrógeno y disulfuro. •• La estructura cuaternaria es la interacción de una o más subunidades para formar una proteína funcional, usando las mismas fuerzas que estabilizan la estructura terciaria. •• Las proteínas tienen muchas funciones (p. ej., como enzimas, hormonas, receptores, anticuerpos, componentes estructurales, transportadores de otros compuestos y elementos contráctiles en el músculo).

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Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 2-6. El enlace peptídico. A. Los aminoácidos de una cadena polipeptídica están unidos por enlaces peptídicos entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino del siguiente aminoácido en la secuencia. B. Debido a la naturaleza resonante del enlace peptídico, el carbono y el nitrógeno de los enlaces peptídicos forman una serie de planos rígidos. Puede ocurrir rotación dentro de los ángulos de torsión permitidos alrededor de los enlaces del carbono .

A. Aspectos generales de la estructura de la proteína (figura 2-7) La secuencia lineal de aminoácidos en una cadena polipeptídica determina la configuración tridimensional de una proteína y la estructura de la proteína determina su función. 1. La estructura primaria es la secuencia de aminoácidos a lo largo de la cadena polipeptídica. a. Por convención, la secuencia se escribe de izquierda a derecha, comenzando con el aminoácido N–terminal. b. Ya que en los enlaces peptídicos no hay protones disociables, las cargas en una cadena polipeptídica sólo se deben al grupo amino terminal (N–terminal), el grupo carboxilo terminal (C–terminal) y las cadenas laterales de los aminoácidos componentes (ver figura 2-4). c. Una proteína migrará en un campo eléctrico, según sea la suma de sus cargas a un pH determinado (la carga neta). (1) Las proteínas con carga positiva son cationes y migran hacia el cátodo (). (2) Las proteínas con carga negativa son aniones y migran hacia el ánodo (). (3) A pH isoeléctrico (el pI), la carga neta es cero y la proteína no migra. 2. La estructura secundaria incluye diversos tipos de conformaciones locales en las que no intervienen los átomos de las cadenas laterales. La estructura secundaria se forma por un patrón repetitivo regular de formación de enlaces de hidrógeno entre los átomos del esqueleto de carbono. a. Se genera una hélice  cuando cada carbonilo de un enlace peptídico forma un enlace de hidrógeno con el –NH de un enlace peptídico a cuatro residuos de distancia en la cadena (figura 2-8). (1) Las cadenas laterales de los aminoácidos se extienden hacia fuera desde el eje central de la estructura cilíndrica. (2) La hélice  es interrumpida por residuos prolina, en los cuales el anillo impone restricciones geométricas, y por regiones en las cuales numerosos residuos tienen grupos con carga o cadenas laterales voluminosas.



Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

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FIGURA 2-7. Representación esquemática de las estructuras primaria, secundaria, terciaria y cuaternaria de una proteína.

b. Las láminas b están formadas por enlaces de hidrógeno entre dos cadenas polipeptídicas extendidas o entre dos regiones de una misma cadena que se repliega sobre sí misma (figura 2-9). (1) Estas interacciones se dan entre el carbonilo de un enlace peptídico y el –NH de otro. (2) Las cadenas pueden tener el mismo sentido (paralelas) o sentidos opuestos (antiparalelas). c. Superestructuras secundarias (1) Son frecuentes determinados patrones de plegamiento en que intervienen hélices  y láminas , y entre ellos están los de hélice-giro-hélice, cremallera de leucina y dedo de zinc. (2) Existen otros tipos de hélices o asas y giros que difieren de una proteína a otra (enrollamiento aleatorio). 3. La estructura terciaria de una proteína es su conformación tridimensional general. Se produce por interacciones entre aminoácidos que pueden estar a considerable distancia entre sí en la secuencia primaria de la cadena polipeptídica (figura 2-10). a. Los aminoácidos hidrófobos tienden a situarse en el interior de las proteínas globulares, donde excluyen el agua, mientras que los residuos hidrófilos suelen encontrarse en la superficie, donde interactúan con agua. b. Los tipos de interacciones entre aminoácidos que producen la forma tridimensional de una proteína son interacciones hidrófobas, interacciones electrostáticas y enlaces de hidrógeno, todas las cuales son no covalentes. También se producen enlaces disulfuro, covalentes. 4. La estructura cuaternaria es la disposición espacial de las subunidades en una proteína que consta de más de una cadena polipeptídica (ver figura 2-10). Las subunidades están unidas entre sí por los mismos tipos de interacciones no covalentes que unen diversos segmentos en una sola cadena para formar su estructura terciaria, así como enlaces disulfuro. 5. Desnaturalización y renaturalización a. Las proteínas pueden ser desnaturalizadas por agentes como calor y urea, que causan desplegamiento de las cadenas polipeptídicas sin provocar hidrólisis de enlaces peptídicos. b. Los agentes desnaturalizantes destruyen las estructuras secundaria y terciaria, sin afectar la estructura primaria. c. Si una proteína desnaturalizada vuelve a su estado nativo después de que se retira el agente desnaturalizante, el proceso se denomina renaturalización.

28

Bioquímica, biología molecular y genética O

H

O

R

C

N

H

O

H

N

R

N

C

H

C R

H

H

O

H

R

O

C

N

H

O

C

H

R C H

O

H

N N

H

R C

N

H

R

H

O

H

C

R

H

N H

O

R

C

H

O

C N

H

R

N

H

R

H

FIGURA 2-8. Hélice . Cada átomo de oxígeno de un grupo carbonilo en un enlace peptídico forma un enlace de hidrógeno con el átomo de hidrógeno unido a un átomo de nitrógeno en un enlace peptídico a cuatro aminoácidos de distancia a lo largo de la cadena. El resultado es una estructura muy compacta y rígida.

FIGURA 2-9. Estructura de una lámina b antiparalela. En este caso, las cadenas están orientadas en sentidos opuestos. Las flechas grandes indican el sentido del carboxilo terminal. Las cadenas laterales (R) de los aminoácidos en un polipéptido son trans entre sí y alternan arriba y abajo del plano de la lámina.



Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

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FIGURA 2-10. Interacciones entre aminoácidos en una cadena polipeptídica. ➊ Interacciones electrostáticas; ➋ enlaces de hidrógeno; ➌ interacciones hidrófobas; ➍ un enlace disulfuro.

6. Ocurren modificaciones postraduccionales de proteínas después de que la proteína se ha sintetizado en el ribosoma. Fosforilación, glucosilación, ribosilación de ADP, metilación, hidroxilación y acetilación afectan la carga y las interacciones entre aminoácidos, con lo que modifican la configuración tridimensional y, por tanto, el funcionamiento de la proteína.

CORRELACIÓN CLÍNICA

En diversas enfermedades se produce la acumulación de proteínas mal plegadas. Esto se debe a la precipitación de proteínas en los tejidos, de modo que interfieren en el funcionamiento de éstos. Las enfermedades priónicas (como enfermedad de las vacas locas, tembladera de las ovejas, kuru y enfermedad de Creutzfeldt–Jakob, todos ejemplos de encefalopatías esponjiformes) resultan de una proteína neuronal con estructura terciaria anómala, que se polimeriza en una estructura insoluble que no puede ser degradada (figura 2-11). Estas enfermedades pueden ser causadas por mutaciones (enfermedad de Creutzfeldt–Jakob familiar) o infección por un producto priónico alterado (enfermedad de las vacas locas y kuru) lo cual suele ocurrir por medio de la ingestión de la proteína alterada. Amiloidosis es un término usado para describir una variedad de trastornos cuya característica en común es la producción de proteínas amiloides, las cuales se acumulan y precipitan en diversos órganos debido a alteraciones en las estructuras secundaria y terciaria. Son ejemplos la proteína de la amiloidosis AL, consistente en cadenas ligeras de inmunoglobulina que se producen en exceso y precipitan y la proteína A, una proteína amiloide  presente en las lesiones encefálicas de la enfermedad de Alzheimer. B. Hemoglobina (figura 2-12)

1. Estructura de la hemoglobina La hemoglobina del adulto (HbA) consta de cuatro cadenas polipeptídicas (dos cadenas  y dos ), cada una con una molécula de hem. a. Las cadenas  y  de la HbA son similares entre sí en su configuración tridimensional y con la cadena simple de mioglobina (presente en el músculo), aunque sus secuencias de aminoácidos difieren. b. En cada cadena existen ocho regiones de hélice , de la A a H. c. El hem se dispone en una ranura en cada cadena de globina e interactúa con dos residuos histidina.

30

Bioquímica, biología molecular y genética

A

B

PrPc



PrPsc

FIGURA 2-11. Conformación de PrPc (normal) y PrPsc (forma anómala). Las proteínas priónicas tienen dos dominios: una región N–terminal que se une a cuatro Cu2 por cadena y una región C–terminal. En la PrPc, las regiones C–terminal contienen tres hélices grandes y dos cadenas  de tres residuos unidas por dos a tres enlaces de hidrógeno (alrededor de 40% hélice  y casi nada de lámina ). Existen como un monómero. En la PrPsc, la región C–terminal se pliega en una extensa lámina  . La estructura completa es alrededor de 40 a 50% lámina  y 20 a 30% hélices . Esta conformación tiende a formar agregados.

2. Función de la hemoglobina La hemoglobina, presente en los eritrocitos, lleva oxígeno de los pulmones a los tejidos, y devuelve dióxido de carbono y protones de los tejidos a los pulmones. a. La curva de saturación de oxígeno para la hemoglobina es sigmoidea (figura 2-13). (1) Cada hem se une a una molécula de O2, para un total de cuatro moléculas de O2 por molécula de HbA. La HbA cambia de la forma tensa (T) a la forma relajada (R) cuando se une a oxígeno. (2) La unión de O2 a un grupo hem en la hemoglobina incrementa la afinidad por el O2 de sus otros grupos hem. Este efecto produce la curva de saturación de oxígeno sigmoidea, y se conoce como cooperatividad positiva. b. La unión de protones a la HbA estimula la liberación del O2, una manifestación del efecto Bohr (figura 2-13). (1) Así, el O2 se libera con facilidad en los tejidos en que la [H+] es alta a causa de la producción de CO2 por procesos metabólicos. (2) Estas reacciones se revierten en los pulmones. El O2 se une a la HbA y el CO2 se exhala (figura 2-14). c. La unión covalente de CO2 a HbA en los tejidos también causa la liberación de O2. d. La unión de 2,3-bisfosfoglicerato (BPG), un producto secundario de la glucólisis en los eritrocitos, reduce la afinidad de la HbA por O2. En consecuencia, el O2 se libera con más facilidad en los tejidos cuando hay BPG unido a la HbA (figura 2-13). e. La hemoglobina fetal (HbF), formada por dos subunidades  y dos γ, tiene menor afinidad por el BPG que la HbA y, por lo tanto, la HbF tiene mayor afinidad por el O2 que la HbA.

FIGURA 2-12. Estructura de la cadena  de la hemoglobina (parte A) y la hemoglobina completa (parte B). Las regiones cilíndricas contienen hélices . La estructura plana cerca de la parte superior central de la cadena polipeptídica es hem. (De: Ferscht A. Structure and Mechanism in Protein Science. New York, NY: W.H. Freeman and Company; 1999, con autorización.)

FIGURA 2-13. Curvas de saturación de oxígeno para la mioglobina y la hemoglobina del adulto (HbA). La mioglobina tiene curva de saturación hiperbólica. La HbA tiene curva sigmoidea. La curva de la HbA se desplaza a la derecha a pH más bajo, con mayores concentraciones de BPG, o cuando el CO2 se une a HbA en los tejidos. En estas condiciones, el O2 se libera con mayor facilidad. P50 es la presión parcial de O2 a la que ocurre la mitad de la saturación con O2.

A

GR

Tejidos

CO2 Anhidrasa carbónica

H2O

H2CO3 –

HCO3 H+ HbO2 HHb O2

B

Tejidos

GR

Exhalado

CO2 H 2O

Anhidrasa carbónica

H2CO3

–

FIGURA 2-14. Efecto del H+ en la unión de oxígeno a la hemoglobina (Hb). A: en los tejidos, el CO2 se libera. En los eritrocitos, este CO2 forma ácido carbónico, que libera protones. Los protones se unen a Hb, lo cual hace que ésta libere oxígeno a los tejidos. B: en los pulmones, las reacciones se invierten. El O2 se une a la Hb protonada, lo que causa la liberación de protones. Éstos se unen al bicarbonato, formando ácido carbónico, que se escinde a agua y CO2, los cuales se exhalan. GR, glóbulos rojos (eritrocitos).

HCO3 H+ HbO2 HHb O2

Pulmones

31

32

Bioquímica, biología molecular y genética

CORRELACIÓN CLÍNICA

Las hemoglobinopatías, de las que se han descrito muchas, resultan de mutaciones que alteran la estructura de la hemoglobina. Una mutación común causa anemia drepanocítica, en la cual la cadena  de la hemoglobina contiene valina en lugar de glutamato en la posición 6 (designado como E6V, mediante los códigos de una letra para los aminoácidos. E6V significa que el glutamato [E] en la posición 6 de la cadena de aminoácidos [donde el amino terminal es el aminoácido número 1] ha sido sustituido por valina [V]). Así, en la hemoglobina mutante (HbS), un aminoácido hidrófobo reemplaza un aminoácido con carga negativa. Este cambio permite que las moléculas desoxigenadas de HbS se polimericen. Los eritrocitos que contienen grandes complejos de moléculas de HbS pueden asumir la forma de hoz (drepanocítica). Tales células presentan hemólisis y el resultado es anemia. También ocurren crisis vasooclusivas dolorosas y posible lesión en órganos diana. Además de las hemoglobinopatías, la intoxicación por monóxido de carbono también interfiere en el suministro de oxígeno a los tejidos. Dicha intoxicación resulta de la fuerte unión del CO al hierro del hem, que impide tanto el suministro de oxígeno a los tejidos como la transferencia de electrones a través de la citocromo oxidasa (que requiere oxígeno) en la cadena de transferencia de electrones. La afinidad del CO por la hemoglobina es 230 veces mayor que la del oxígeno por la hemoglobina. El CO es un producto de la combustión de algunas sustancias (como el humo del cigarrillo y los combustibles de los automotores).

C. El colágeno es un grupo de proteínas estructurales muy similares que se encuentran, por ejemplo, en la matriz extracelular, el humor vítreo del ojo, el hueso y el cartílago.



1. Estructura del colágeno a. El colágeno consta de tres cadenas enrolladas entre sí formando triple hélice. b. El colágeno contiene alrededor de 1 000 aminoácidos, un tercio de los cuales son glicina. Es frecuente la secuencia Gly-X-Y, donde X a menudo es prolina y Y es hidroxiprolina o hidroxilisina. 2. Síntesis del colágeno a. Las cadenas polipeptídicas de preprocolágeno se sintetizan en el retículo endoplásmico rugoso y la secuencia señal (pre) se escinde. b. Los residuos prolina y lisina se hidroxilan en una reacción que requiere O2 y vitamina C. c. Se agregan galactosa y glucosa a los residuos hidroxilisina. d. Se forma la triple hélice, se secreta el procolágeno de la célula y se escinde para formar colágeno. e. Se producen enlaces cruzados. Las cadenas laterales de lisina y residuos hidroxilisina se oxidan para formar aldehídos, que pueden presentar condensación aldólica o formar bases de Schiff con los grupos amino de los residuos lisina.

CORRELACIÓN CLÍNICA

En varias enfermedades existen problemas relacionados con el tejido conectivo y las proteínas estructurales. Ocurren mutaciones en la síntesis y el procesamiento del colágeno en el síndrome de Ehlers–Danlos, que se caracteriza por anomalías de piel, ligamentos y órganos internos. La piel es frágil y a menudo se distiende con facilidad. Se presenta lasitud articular. En la osteogénesis imperfecta se han observado anomalías de los genes que codifican el colágeno tipo I. En este trastorno, los huesos son frágiles y se fracturan con facilidad. En el escorbuto, que se debe a deficiencia de vitamina C, disminuye la hidroxilación de residuos prolina y se produce una forma inestable de colágeno. Los huesos, dientes, vasos sanguíneos y otras estructuras ricas en colágeno se desarrollan de manera anómala. Es frecuente observar sangrado de encías y cicatrización deficiente de heridas. El síndrome de Marfan resulta de un defecto en la proteína fibrilina. Las manifestaciones clínicas varían, pero entre ellas se encuentran alta estatura con aracnodactilia (dedos largos y delgados en manos y pies), prolapso de válvula mitral y luxación del cristalino. El síndrome de Alport, que ocasiona insuficiencia renal, se debe a mutaciones en los genes para el colágeno tipo IV, el cual forma una red a manera de malla que soporta las células del glomérulo renal. En ausencia de este colágeno, las membranas basales de las células renales no filtran de manera adecuada los productos de desecho de la sangre. La esferocitosis hereditaria causa anemia hemolítica porque los eritrocitos tienen forma esférica en lugar de ser discos bicóncavos. El bazo reconoce estas células como ajenas y



33

Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

las elimina de la circulación, lo que provoca anemia. Este trastorno puede ser causado por mutaciones en una variedad de proteínas de la membrana celular del eritrocito, como espectrina y anquirina. Se observa esplenomegalia en la esferocitosis hereditaria, y a menudo el tratamiento consiste en la extirpación del bazo. La miocardiopatía hipertrófica familiar (MHF), que causa engrosamiento del músculo cardiaco y puede ocasionar muerte súbita durante el esfuerzo físico, se debe a una mutación en una de varias proteínas de la sarcómera muscular, con más frecuencia la cadena pesada de la -miosina. Estas proteínas sarcoméricas tienen una función estructural en el músculo, además de participar en la contracción muscular. D. Insulina 1. Estructura de la insulina (figura 2-15) a. La insulina es una hormona polipeptídica producida por las células  del páncreas. Tiene 51 aminoácidos en dos cadenas polipeptídicas, unidas por dos puentes disulfuro. 2. Síntesis de insulina a. La preproinsulina se sintetiza en el retículo endoplásmico rugoso y la secuencia pre (señal) se elimina para formar proinsulina. b. En los gránulos secretorios, la proinsulina se escinde y se libera el péptido C. El resto de la molécula constituye la hormona activa. 3. Función de la insulina a. El páncreas libera insulina cuando la glucemia es elevada, como ocurre después de una comida que contiene carbohidratos. b. La insulina promueve el transporte de glucosa hacia músculo y células adiposas. c. La insulina participa en el almacenamiento de energía; estimula la síntesis de glucógeno en hígado y músculo, y la síntesis de triacilglicerol en el hígado.

CORRELACIÓN CLÍNICA

La diabetes mellitus, que se debe a deficiencia de insulina (tipo 1) o a disminución de la secreción de insulina o resistencia de los tejidos a la acción de la insulina (tipo 2), provoca hiperglucemia. La autoinmunidad interviene en la etiología de la diabetes tipo 1. En este trastorno, el plasma suele contener anticuerpos contra las células de los islotes del páncreas, incluidas las que producen insulina. Péptido C

15 Ser

+

H3N +

H3N

5 Gly

Ile

Val

Leu Tyr

Gin

Ile

Cys

10 Ser

S S

Glu Gin Cys Cys

Thr

Leu

Glu

Asn Tyr

S Asn Gln

S

S

5 Phe Val

His Leu Cys

20 Cys Asn S

Gly

Val

20

–

Cadena A 25

Cys Gly Glu Arg Gly Phe Phe Tyr

Ser

Leu

Leu Val

Glu Ala Leu 15

10 His

COO

Tyr

Cadena B

30 Thr Pro Lys Thr

COO

–

B28 B29

FIGURA 2-15. Estructura primaria de la insulina humana. Los aminoácidos que cambian en la insulina bovina (de res) y porcina (de cerdo) se muestran en verde oscuro. Los residuos cisteína, que forman los enlaces disulfuro (en verde claro) son invariantes. La proinsulina es convertida en insulina por escisión proteolítica de determinados enlaces peptídicos (líneas onduladas). La escisión elimina unos pocos aminoácidos y el péptido C, de 31 residuos, que conecta las cadenas A y B. Por tanto, la molécula de insulina activa tiene dos cadenas no idénticas.

34

Bioquímica, biología molecular y genética

V. ENZIMAS •• Una función importante de las proteínas es la de actuar como enzimas, los catalizadores de las reacciones bioquímicas. Lo hacen al reducir la energía libre de activación de Gibbs, ΔG‡, lo cual facilita que la reacción alcance su estado de transición. •• Los sitios activos de las enzimas son las regiones donde los sustratos se unen y son convertidos en productos, que entonces se liberan. •• La velocidad (v) de muchas reacciones catalizadas por enzima puede describirse mediante la ecuación de Michaelis–Menten. Para las enzimas que exhiben cinética de Michaelis–Menten, las gráficas de velocidad versus concentración de sustrato son hiperbólicas. •• La ecuación de Michaelis–Menten puede reordenarse para obtener la ecuación de Lineweaver–Burk. •• Los inhibidores competitivos compiten con el sustrato por la unión al sitio activo de la enzima. •• Los inhibidores no competitivos se unen a la enzima o al complejo enzima–sustrato en un sitio distinto del sitio activo. •• Las enzimas alostéricas se unen a activadores o inhibidores en sitios distintos del sitio activo. Las gráficas de velocidad versus concentración del sustrato para las enzimas alostéricas son curvas sigmoideas.

A. Propiedades generales de las enzimas 1. Las reacciones de la célula no ocurrirían con la rapidez suficiente para sustentar la vida en ausencia de catalizadores enzimáticos.

2. Los sustratos se unen a los sitios activos de las enzimas, donde son convertidos en productos y se liberan.

3. Las enzimas suelen tener alta especificidad para sus sustratos y productos. a. Muchas enzimas reconocen un solo compuesto como sustrato. b. Algunas enzimas, como las implicadas en la digestión, son menos específicas. 4. Muchas enzimas requieren cofactores, con frecuencia iones metálicos o derivados de vitaminas. 5. Las enzimas reducen la energía de activación de una reacción. No afectan las concentraciones de equilibrio de sustratos y productos, ni cambian la energía libre de Gibbs para la reacción.

CORRELACIÓN CLÍNICA

Existen miles de enfermedades relacionadas con deficiencias o defectos de enzimas. Muchas de ellas son raras. Por ejemplo, en la fenilcetonuria (que tiene incidencia de 1 en 10 000 nacimientos en caucásicos y asiáticos), hay deficiencia de la enzima fenilalanina hidroxilasa, que convierte fenilalanina en tirosina. Se acumula fenilalanina, y la tirosina pasa a ser un aminoácido esencial que debe incluirse en la alimentación. Se presenta retraso mental como resultado de este trastorno metabólico, debido en parte a que el encéfalo carece de diversos aminoácidos esenciales a causa de las elevadas concentraciones de fenilalanina en la circulación. Un problema más común es la deficiencia de lactasa, que se presenta en más de 80% de los estadounidenses de origen nativo americano, africano y asiático. La lactosa no se digiere a un ritmo normal y se acumula en el intestino, donde es metabolizada por bacterias. El resultado es distensión, cólicos abdominales y diarrea acuosa. Puede desarrollarse enfisema a causa de una deficiencia hereditaria de 1-antitripsina, una enzima que inhibe la acción de la elastasa en los pulmones. La elastasa es una serina proteasa presente en los neutrófilos, que utilizan la enzima para destruir microorganismos inhalados en el aire. En ocasiones, la elastasa escapa del neutrófilo y comienza a destruir las células pulmonares. La proteína circulante 1-antitripsina bloquea la acción de la elastasa y protege los pulmones contra daños. El humo del cigarrillo contiene agentes oxidantes que destruyen un residuo metionina clave en la 1-antitripsina y anulan la actividad de 1-antitripsina. El tabaquismo crónico puede provocar enfisema. B. Dependencia de la velocidad respecto de [E], [S], temperatura y pH 1. La velocidad de una reacción, v, aumenta con la concentración de enzima, [E], si la concentración de sustrato, [S], es constante.



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Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

2. Si [E] es constante, v aumenta con [S] hasta que se alcanza la velocidad máxima, Vmáx. A Vmáx, todos los sitios activos de la enzima están saturados con sustrato.

3. La velocidad de una reacción aumenta con la temperatura hasta que se alcanza un máximo, después de lo cual la velocidad disminuye debido a la desnaturalización de la enzima.

4. Cada reacción catalizada por enzima tiene un pH óptimo en el que existen las cargas apropiadas tanto en la enzima como en el sustrato, y la velocidad es máxima. Los cambios en el pH pueden afectar esas cargas, de modo que la reacción procede a menor velocidad. Un pH muy alto o bajo también puede desnaturalizar la enzima.

C. Ecuación de Michaelis–Menten 1. Si durante una reacción se forma un complejo enzima–sustrato capaz de disociarse (regenerando la enzima y el sustrato libres) o reaccionar (liberando el producto y regenerando la enzima libre): k1

k3

E + S  ES → E + P k2



donde E es la enzima, S es el sustrato, ES es el complejo enzima–sustrato, P es el producto y k1, k2 y k3 son constantes de velocidad.

2. A partir de este concepto se dedujo la ecuación de Michaelis–Menten: v=

Vmáx[S] Km + [S]

donde Km = (k2 + k3)/k1 y Vmáx es la velocidad máxima.

3. El ritmo de formación de productos (la velocidad de la reacción) se relaciona con la concentración del complejo enzima–sustrato: v = k3[ES]

Vmáx se alcanza cuando toda la enzima está en el complejo enzima–sustrato.

4. Km es la concentración de sustrato para la cual v = ½ Vmáx. Cuando [S] = Km, al sustituir Km por [S] en la ecuación de Michaelis–Menten se obtiene v = ½ Vmáx.

5. Cuando se grafica la velocidad contra [S], se produce una curva hiperbólica (figura 2-16A).

Velocidad de reacción (v i )

A

B 1

V máx

V máx

V máx /2

vi =

V máx [S]

K m + [S]

Concentración de sustrato [S]

Km V máx

intercepto-x = –

Km

=

v

1 v

( [S]1 ) + V 1

máx

Pendiente =

Km V máx

1 Km

intercepto-y = 0

1

1 V máx

[S]

FIGURA 2-16. Velocidad de una reacción catalizada por enzima que exhibe cinética de Michaelis–Menten. A. Velocidad (v ) versus concentración de sustrato ([S]). B. Gráfica de Lineweaver–Burk. Note los puntos en cada gráfica a partir de los cuales pueden determinarse Vmáx y Km. Vmáx, Km, concentración de sustrato a ½ Vmáx, velocidad máxima.

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Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 2-17. Efecto de los inhibidores en las gráficas de Lineweaver–Burk. A. Inhibición competitiva. Note la intersección de las líneas en el eje y, lo cual indica la misma Vmáx. B. Inhibición no competitiva pura (en la que el inhibidor se une a E y ES con la misma afinidad). Note la intersección de las líneas en el eje x, lo cual indica la misma Km. Si las afinidades del inhibidor difieren para las formas E o ES, las líneas no se intersecarán en el eje x y la Km aparente (K’m) diferirá de Km. V’máx es Vmáx aparente.

D. Ecuación de Lineweaver–Burk (ver figura 2-16B) Debido a la dificultad de determinar Vmáx a partir de una curva hiperbólica, Lineweaver y Burk transformaron la ecuación de Michaelis–Menten en la ecuación de una recta.

E. Los inhibidores de enzimas reducen la velocidad de las reacciones enzimáticas 1. Los inhibidores competitivos compiten con el sustrato por el sitio activo de la enzima y forman un complejo enzima–inhibidor, EI (ver figura 2-17A). a. La inhibición competitiva se revierte incrementando [S]. b. Vmáx permanece sin cambio, pero la Km aparente (K ’m) aumenta. c. En el caso de las gráficas de Lineweaver–Burk, las líneas de la reacción inhibida se intersecan en el eje y con las de la reacción no inhibida. 2. Los inhibidores no competitivos se unen a la enzima o al complejo enzima–sustrato en un sitio distinto del sitio activo, y reducen la actividad de la enzima (figura 2-17B). Por lo tanto, Vmáx disminuye. 3. Los inhibidores irreversibles se unen con fuerza a la enzima y la inactivan.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Con frecuencia se usan fármacos para inhibir enzimas con fines terapéuticos; por ejemplo, se emplea 5-fluorouracilo (5-FU) para inhibir la enzima timidilato sintetasa. Esta enzima convierte dUMP en dTMP, que en última instancia aporta la timina para la síntesis de DNA. El 5-FU se usa como agente quimioterapéutico para inhibir la proliferación de células cancerosas. El ácido acetilsalicílico (ASA) inhibe de manera irreversible la enzima ciclooxigenasa e interfiere en la generación de prostaglandinas y tromboxanos, los mediadores secundarios en la señalización del dolor. El alopurinol es un inhibidor suicida de la xantina oxidasa, y se emplea en el tratamiento de la gota. La xantina oxidasa reconoce el alopurinol como sustrato y lo oxida para crear oxipurinol, que se une con tanta fuerza al sitio activo que ya no se libera y, por tanto, inhibe ulteriores reacciones de la enzima. Un fármaco usado para tratar el alcoholismo inhibe de manera irreversible la enzima aldehído deshidrogenasa, lo que ocasiona la acumulación de acetaldehído siempre que se ingiere alcohol. El acetaldehído causa los síntomas de la “resaca”, y suele hacer que el paciente se abstenga de beber.



Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

37

FIGURA 2-18. Efecto de los activadores e inhibidores en una enzima alostérica.

F. Enzimas alostéricas 1. Las enzimas alostéricas se unen a activadores o inhibidores en sitios distintos del sitio activo (figura 2-18).

2. Las gráficas de v contra [S] son curvas sigmoideas. a. Una enzima alostérica tiene dos o más subunidades, cada una con sitios de unión de sustrato que exhiben cooperatividad. La unión de una molécula de sustrato a un sitio facilita la unión de otras moléculas de sustrato a otros sitios. (1) Los activadores alostéricos hacen que la enzima se una al sustrato con mayor facilidad (desplazan la curva cinética a la izquierda, con lo que reducen la Km aparente). (2) Los inhibidores alostéricos hacen que la enzima se una al sustrato con menor facilidad (desplazan la curva a la derecha, con lo que incrementan la Km aparente). b. Ocurren efectos similares durante la unión del O2 a la hemoglobina (ver figura 2-13).

G. Regulación de la actividad enzimática por modificación covalente La actividad enzimática puede aumentar o disminuir por la adición covalente de un grupo químico.

1. La fosforilación afecta muchas enzimas.

a. La piruvato deshidrogenasa y la glucógeno sintasa son inhibidas por fosforilación. b. La glucógeno fosforilasa es activada por fosforilación. 2. Las fosfatasas que eliminan los grupos fosfato alteran la actividad de esas enzimas. 3. La fosforilación introduce cargas negativas en la proteína, lo cual puede alterar las estructuras secundaria y terciaria.

H. Regulación por interacciones proteína-proteína A las enzimas pueden unirse proteínas, lo que altera su actividad. Por ejemplo, las subunidades regulatorias inhiben la actividad de la proteína cinasa A. Cuando estas subunidades regulatorias se unen a AMP cíclico (cAMP) y se liberan de la enzima, las subunidades catalíticas se hacen activas.

I. Isoenzimas 1. Las isoenzimas (o isozimas) son enzimas que catalizan la misma reacción, pero difieren en su secuencia de aminoácidos y, por lo tanto, en muchas de sus propiedades.

2. Los tejidos contienen isozimas características o mezclas de isozimas. Enzimas como lactato deshidrogenasa y creatina cinasa (CK, creatine kinase) difieren de un tejido a otro. a. La lactato deshidrogenasa (o deshidrogenasa láctica) contiene cuatro subunidades. Cada subunidad puede ser del tipo cardiaco (H, heart) o del tipo muscular (M). Existen cinco isozimas (HHHH, HHHM, HHMM, HMMM y MMMM). b. La CK contiene dos subunidades. Cada subunidad puede ser del tipo muscular (M) o del tipo encefálico (B, brain). Existen tres isozimas (MM, MB y BB). La fracción MB tiene mayor prevalencia en el músculo cardiaco.

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Bioquímica, biología molecular y genética

CORRELACIÓN CLÍNICA

Se pueden monitorear los daños tisulares midiendo los niveles enzimáticos en sangre. Las enzimas, que normalmente se producen en las células, se liberan en la sangre cuando aquéllas se lesionan. Por ejemplo, después de un ataque cardiaco, aumentan las concentraciones sanguíneas de CK, en particular de la isozima MB. La magnitud del daño y el ritmo de recuperación pueden estimarse mediante mediciones periódicas de los valores de CK y su isozima MB. Otra enzima que se usa para diagnosticar ataques cardiacos es la troponina, que existe como tres isozimas, I, C y T. La medición de las formas I o T después de lo que se sospecha fue un ataque cardiaco puede confirmar si hubo daño de células del miocardio o no.

Autoevaluación Las preguntas 1 a 10 examinan el conocimiento básico del lector acerca de las estructuras químicas y los tipos de reacción y no tienen el formato estándar de viñeta clínica. Las preguntas 11 a 35 tienen relevancia clínica y el estilo USMLE.

Preguntas de conocimiento básico 1.  Los enlaces A y B en el compuesto mostrado se describen mejor como:

(C) Deshidratación (D) Deshidroxilación (E) Descarboxilación 3.  Cuando el pH de una solución de un ácido débil, HA, es igual al pKa, el cociente de las concentraciones de la sal y el ácido ([A–]/[HA]) es:

(A) (B) (C) (D) (E)

0 1 2 3 4

4.  La albúmina sérica, la proteína sanguínea más abundante en el ser humano, tiene múltiples funciones, incluida su acción como amortiguador que ayuda a mantener el pH sanguíneo. La albúmina puede actuar como amortiguador debido a que: (A) La proteína contiene un gran número de aminoácidos

(B) La proteína contiene muchos residuos con diferentes valores de pKa

(C) Los extremos amino y carboxilo de la albúCompuesto A

Compuesto B

A

Anhídrido

Éster

B

Éster

Anhídrido

C

Éter

Éster

D

Éster

Éter

E

Fosfodiéster

Anhídrido

F

Anhídrido

Fosfodiéster

mina pueden donar y aceptar protones en el intervalo de pH fisiológico (D) La albúmina contiene enlaces peptídicos que se hidrolizan con facilidad, consumiendo iones de hidrógeno e hidroxilo (E) La albúmina contiene gran cantidad de enlaces de hidrógeno en las hélices , que pueden aceptar y donar protones

2. Tanto -hidroxibutirato como acetoacetato

Las preguntas 5 y 6 se basan en el hexapéptido con la secuencia D-A-S-E-V-R

son cuerpos cetónicos, producidos por el hígado en condiciones de ayuno prolongado. Esos dos cuerpos cetónicos se interconvierten con facilidad, según las condiciones en las mitocondrias, que es donde se sintetizan. La conversión de -hidroxibutirato a acetoacetato es una reacción de:

5.  El aminoácido C–terminal del hexapéptido es: (A) Ala (B) Asn (C) Asp (D) Arg (E) Glu 6.  A pH fisiológico (7.4), el hexapéptido contiene una carga neta de:

(A) Oxidación (B) Reducción

(A) (B) (C) (D) (E)

–2 –1 0 +1 +2

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40

Bioquímica, biología molecular y genética

7.  ¿Cuál de los siguientes tipos de enlaces es covalente?

(A) (B) (C) (D) (E)

Hidrófobo De hidrógeno Disulfuro Electrostático De van der Waals

8.  Un método para separar proteínas se basa en su carga, a través de una sustancia en forma de gel apropiada. Si en ese gel se colocan HbA y hemoglobina drepanocítica (HbS), ¿cuál molécula migrará más rápido hacia el polo positivo del gel?

(A) HbA (B) HbS (C) Ambas tendrán la misma carga, por lo que no habrá diferencia en su migración.

9.  ¿A cuál grupo de moléculas se unirá el sitio activo de una enzima?

abundantes carbohidratos, la velocidad de la reacción de la glucocinasa cambiará del siguiente modo:

(A) (B) (C) (D) (E)

Permanecerá en < 50% Vmáx  Permanecerá en > 80% Vmáx  Aumentará de < 50 a > 50% Vmáx  Disminuirá de > 50 a < 50% Vmáx  Permanecerá en Vmáx 

12.  El malonato es un inhibidor competitivo de la succinato deshidrogenasa (o deshidrogenasa succínica), una enzima clave en el ciclo de Krebs (o de los ácidos tricarboxílicos). La presencia de malonato afecta los parámetros cinéticos de la succinato deshidrogenasa del siguiente modo:

(A) Aumenta la Km aparente, pero no afecta la Vmáx

(B) Reduce la Vm aparente, pero no afecta la Vmáx

(C) Reduce la Vmáx , pero no afecta la Km aparente

Sustrato de la reacción

Inhibidores alostéricos

Inhibidores competitivos

Inhibidores no competitivos

A

Sí

Sí

Sí

Sí

13.  Un hombre joven afroamericano es lle-

B

Sí

No

Sí

Sí

C

Sí

No

Sí

No

D

No

No

No

No

E

No

Sí

No

Sí

vado al servicio de urgencias (SU) con dolor intenso en todo el cuerpo. Hacía ejercicio intenso cuando comenzó el dolor. Ha tenido esos episodios alrededor de dos veces al año los últimos 10 años. Un análisis de sangre revela hematocrito bajo (anemia) y eritrocitos de aspecto extraño no cóncavos, sino parecidos a salchichas. Una causa del cambio de forma de los eritrocitos es:

10.  Una enzima que cataliza la reacción E + A  EA → E + P

se mezcla con 4 mM de sustrato (compuesto A). La velocidad inicial de formación de producto fue de 25% de la Vmáx. La Km de la enzima es:

(A) (B) (C) (D) (E)

2 mM 4 mM 9 mM 12 mM 25 mM

Preguntas estilo USMLE

(D) Aumenta la Vmáx , pero no afecta la Km aparente

(E) Reduce tanto Vmáx  como Km

(A) Aumento de las interacciones iónicas entre (B) (C) (D)

11.  La enzima hepática glucocinasa cataliza la fosforilación de glucosa a 6-fosfato de glucosa. El valor de Km para la glucosa es de alrededor de 7 mM. La glucosa sanguínea es 5 mM en condiciones de ayuno, y puede aumentar en el hígado a 20 mM después de una comida rica en carbohidratos. Por lo tanto, si una persona en ayuno ingiere una comida con

(E) (F)

las moléculas de hemoglobina en el estado oxigenado Aumento de las interacciones iónicas entre las moléculas de hemoglobina en el estado desoxigenado Aumento de las interacciones hidrófobas entre las moléculas de hemoglobina en el estado oxigenado Aumento de las interacciones hidrófobas entre las moléculas de hemoglobina en el estado desoxigenado Aumento de la fosforilación de las moléculas de hemoglobina en el estado oxigenado Aumento de la fosforilación de las moléculas de hemoglobina en el estado desoxigenado



Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

14.  Un estadounidense visita la Ciudad de México, que está a una altitud de 2 240 m. Experimenta dificultad para respirar y llevar suficiente oxígeno a los tejidos. ¿Cuál de los siguientes tratamientos podría intentarse para que la hemoglobina libere oxígeno con mayor facilidad?

(A) Tomar un fármaco que inicie una alcalosis (B) (C) (D) (E)

metabólica Tomar un fármaco que eleve la producción de BPG Hiperventilar, lo cual reducirá la concentración de dióxido de carbono en la sangre Tomar un fármaco que induzca la síntesis de las subunidades  de la hemoglobina Tomar un fármaco que induzca la síntesis de las subunidades  de la hemoglobina

15.  Un ambientalista intentó vivir en un bosque desolado por seis meses, pero tuvo que suspender su experimento cuando comenzó a tener sangrado gingival, caída de dientes y manchas rojas en las piernas. Este individuo presenta incapacidad de sintetizar de manera correcta la proteína:

(A) (B) (C) (D) (E)

Mioglobina Hemoglobina Colágeno Insulina Fibrilina

16.  Un paciente que llega a la SU ingirió anticongelante en un intento de suicidio. Aparte del bicarbonato, ¿cuál de los siguientes es el principal amortiguador de ácidos que ayuda a mantener el pH sanguíneo dentro del intervalo compatible con la vida?

(A) (B) (C) (D) (E)

Hemoglobina Acetoacetato -hidroxibutirato Fosfato Colágeno

17.  ¿Cuál de los siguientes es el aminoácido

de la hemoglobina que acepta H+ y permite a la hemoglobina actuar como amortiguador de ácidos?

(A) (B) (C) (D) (E)

Alanina Histidina Serina Treonina Aspartato

18.  Antes de un viaje a las montañas para esquiar, una persona recibe acetazolamida como

41

protección contra el mal de montaña. Desafortunadamente, tiene diabetes tipo 1. Es hospitalizada con una cetoacidosis que empeora. ¿En cuál de las siguientes células la acetazolamida ha inhibido una reacción y ocasionado la grave acidosis metabólica?

(A) (B) (C) (D) (E)

Leucocitos Eritrocitos Cristalino del ojo Hepatocitos Fibras musculares

19.  Una mujer de 23 años acude al SU con sensación de falta de aliento, mareo y hormigueo de los dedos de pies y manos y alrededor de la boca. Esto le ocurre siempre que conduce su auto en un túnel, y eso es lo que indujo el presente episodio. ¿Cuál de los siguientes valores de pH en sangre arterial sería más consistente con su diagnóstico? (A) (B) (C) (D) (E)

8.10 7.55 7.15 6.40 6.10

20.  Se creó un nuevo antibiótico con gran afinidad por aminoácidos con una orientación específica en el espacio. Para ser útil en seres humanos, el antibiótico debe ser eficaz contra aminoácidos en la: (A) (B) (C) (D) (E)

Configuración r Configuración l Configuración de anillo aromático Configuración de cadena polipeptídica Configuración d

21.  Un cultivador de tabaco de 40 años de edad acude al SU con bradicardia, sudoración profusa, vómito, aumento de la salivación y visión borrosa. Regaba su campo con malatión cuando la manguera se rompió y quedó cubierto del plaguicida. ¿Cuál de los siguientes tipos de inhibición de enzimas representa esta intoxicación?

(A) (B) (C) (D) (E)

Competitiva No competitiva Irreversible Reversible La sustancia no actúa por inhibición de la actividad enzimática.

22.  Un bebé sano, sin problemas evidentes, hasta los tres meses de edad, comenzó a presentar crisis cianóticas y más tarde tuvo un

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Bioquímica, biología molecular y genética

infarto de miocardio. La necropsia reveló un defecto congénito, en el que la arteria coronaria principal izquierda surgía de la arteria pulmonar y no de la aorta. De las siguientes, ¿cuál es la razón más probable de la ausencia de síntomas hasta los tres meses de edad?

(A) (B) (C) (D) (E)

mecanismo de inhibición del fármaco. ¿De qué tipo de inhibidor se trata?

Tenía cadenas  de hemoglobina anómalas Tenía cadenas  de hemoglobina anómalas Tenía cadenas  de hemoglobina anómalas La HbF tiene menor afinidad por BPG La HbF tiene mayor afinidad por BPG

23.  Una mujer de 28 años de edad presenta fatiga fluctuante, caída de los párpados, dificultad para deglutir y habla farfullante. Se le administra un fármaco que afecta la actividad de una enzima, y el análisis cinético de la reacción catalizada por la enzima, en presencia y ausencia del fármaco, es como se muestra. El efecto de esta medicación puede describirse mejor con el siguiente grupo de términos:

(A) (B) (C) (D) (E)

Competitiva No competitiva Irreversible Alostérica El fármaco no es un inhibidor, sino un activador

25.  Una persona con diabetes tipo 1 agotó su suministro de insulina y no ha podido inyectarse en los últimos tres días. Es posible que presente acidosis metabólica por sobreproducción de:

(A) (B) (C) (D)

Efecto en Km (comparado con ausencia de fármaco)

Efecto en Vmáx (comparado con ausencia de fármaco)

A Competitiva

Aumento

Sin cambio

B Competitiva

Disminución Disminución

Tipo de inhibición

C No competitiva

Aumento

D No competitiva

Disminución Aumento

E Irreversible

Aumento

F Irreversible

Disminución Disminución

Sin cambio Sin cambio

24.  Una persona que deseaba ir a esquiar en las montañas tomó un medicamento contra el mal de montaña. Se muestra una gráfica del

Hemoglobina Cuerpos cetónicos HCl Bicarbonato

26.  La paciente descrita en la pregunta anterior hiperventila para compensar su acidosis metabólica. ¿Cuál de las siguientes reacciones explica esta alcalosis respiratoria parcialmente compensadora? (A) H + NH3  NH4+ (B) CH3CHOHCH2COOH 

CH3CHOHCH2COO− + H+ (C) CO2 + H2O  H2CO3  H+ + HCO3− (D) H2O  H+ + HO−

27.  Mientras realiza la necropsia de un paciente que murió de síndrome de Creuzfeldt– Jakob, un patólogo se corta por accidente al examinar el encéfalo. El patólogo está muy preocupado por su bienestar, debido principalmente a la posibilidad de que haya ingresado en su circulación: (A) Un virus (B) Una proteína



Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

(C) Un lípido (D) Una bacteria (E) Un polinucleótido 28.  Sin que sus propietarios lo supieran, una vaca recién sacrificada para la producción de carne tenía la enfermedad de las vacas locas. El evento precipitante en el encéfalo de la vaca que causó la enfermedad es:

(A) Alteración de la expresión génica (B) Infección del encéfalo por un virus (C) Escisión proteolítica de una proteína encefálica ya existente (D) Anomalía de las estructuras secundaria y terciaria de una proteína encefálica ya existente (E) Pérdida de la membrana nuclear

revela aumento del diámetro anteroposterior (AP), diafragma aplanado y “atrapamiento de aire”. Se informa al paciente que su estado no mejorará y que debe dejar de fumar para frenar el avance de la enfermedad. Al nivel molecular, la enfermedad se debe a:

(A) Aumento de la actividad de tripsina en los pulmones

(B) Disminución de la actividad de tripsina en los pulmones

(C) Aumento de la actividad de 1-antitripsina en los pulmones

(D) Disminución de la actividad de 1-anti­ trip­sina en los pulmones

(E) Aumento de la reducción de grupos sulfhidrilo en los pulmones

(F) Disminución de la reducción de grupos sulfhidrilo en los pulmones

29.  Un paciente recibe omeprazol para enfermedad por reflujo gástrico. El omeprazol contiene un grupo sulfhidrilo libre que es crítico para su mecanismo de acción. Este fármaco lo más probable es que actúa del siguiente modo:

(A) Reduce un sulfhidrilo ya existente en la bomba de protones intestinal

(B) Forma un enlace disulfuro con una metionina en la bomba de protones gástrica

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32.  Un joven de 16 años de edad jugaba basquetbol en su escuela cuando cayó en la cancha y no pudo ser reanimado. La necropsia reveló aumento del espesor del tabique interventricular y de la pared del ventrículo izquierdo. Estos datos podrían ser explicados por una mutación en la proteína:

en la bomba de protones gástrica

(A) (B) (C) (D) (E)

teína en la bomba de protones intestinal

33.  Un hombre de 28 años acude al SU con una

(C) Forma un enlace disulfuro con una cisteína en la bomba de protones gástrica

(D) Reduce un grupo sulfhidrilo ya existente (E) Forma un enlace disulfuro con una cis30.  Una familia uso un calentador de propano adicional en su apartamento cerrado durante los meses de invierno. Una mañana, uno de los miembros tiene dificultad para despertar, y cuando al fin lo hace, se queja de cefalea muy intensa y mucho cansancio. Tiene las membranas mucosas de color rojo cereza. Estos síntomas se deben a:

(A) Aumento del suministro de oxígeno a los tejidos

(B) Disminución del suministro de oxígeno a los tejidos

(C) Aumento del riego sanguíneo al encéfalo (D) Disminución del riego sanguíneo al encéfalo (E) Disminución de la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno

31.  Un hombre de 53 años, que durante los últimos 35 años ha fumado dos paquetes de cigarrillos al día, visita a su médico a causa de una tos que no cede, y tiene dificultad para respirar. Una radiografía descarta cáncer, pero

Espectrina 1-antitripsina Colágeno Fibrilina Cadena pesada de la -miosina

gran cantidad de sangre y proteína en la orina. Tiene pérdida auditiva neurosensitiva desde los 10 años y presenta deformidad de los cristalinos (lenticono anterior). El médico sospecha un trastorno genético que desemboca en insuficiencia renal. Si éste es el caso, lo más probable es que el paciente tenga una mutación en la siguiente proteína:

(A) (B) (C) (D) (E)

Espectrina 1-antitripsina Colágeno Fibrilina Cadena pesada de la -miosina

34.  Una mujer de 45 años ingresó en un centro de adicciones debido a su alcoholismo. Como un primer intento de cambiar su hábito, se le administra un fármaco que eleva el siguiente metabolito si bebe alcohol:

(A) Ácido acético (B) Acetaldehído (C) Etanol

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Bioquímica, biología molecular y genética

(D) Dióxido de carbono (E) Monóxido de carbono

“azul cielo” y un soplo de reflujo aórtico. Muy probablemente su problema de fondo se debe a una mutación de la siguiente proteína:

35.  Un hombre de 23 años de edad acude al SU

(A) (B) (C) (D) (E)

con fractura de húmero, ocasionada al parecer en una caída menor. Tiene el antecedente de múltiples fracturas después de traumatismos al parecer menores. También tiene escleróticas

Fibrilina Colágeno tipo 1 Colágeno tipo IV 1-antitripsina Cadena pesada de la -miosina

Respuestas

1. La respuesta es A. El enlace A es un enlace anhídrido, que se forma cuando reaccionan un ácido carboxílico y ácido fosfórico, liberando H2O. El enlace B es un éster fosfato, que se forma cuando el ácido fosfórico reacciona con un alcohol (metanol en este caso), liberando agua. En esta estructura no hay un enlace éter (un enlace –C–O–C–), ni un fosfodiéster (que es cuando un grupo fosfato contiene dos enlaces éster, como en las estructuras de los ácidos nucleicos). 2. La respuesta es A. Un alcohol se oxida a una cetona cuando el -hidroxibutirato se convierte en acetoacetato (ver el cambio en el carbono , carbono 3). Por costumbre estos compuestos se describen como cuerpos cetónicos, aunque técnicamente sólo el acetoacetato contiene una cetona. 3. La respuesta es B. El pKa es el pH al que el grupo funcional está disociado al 50%, que en este caso es el pH al que [A−]  [HA]. La ecuación de Henderson–Hasselbalch, pH  pKa  log10 [A−]/[HA], da la relación entre estos parámetros. Si pH  pKa, log10 [A−][HA]  0, y [A−]/[HA]  1. 4. La respuesta es B. Las cadenas laterales de los aminoácidos en las proteínas contienen grupos funcionales con diferentes pKa. Por lo tanto, pueden donar y aceptar protones a diversos valores de pH y actuar como amortiguadores en un amplio espectro de pH. Sólo hay un grupo amino terminal (o N–terminal) (pKa  9) y un grupo carboxilo terminal (o C–terminal) (pKa  3) por cadena polipeptídica. En el pH fisiológico, estos grupos no aceptarían o donarían protones, porque el grupo amino terminal siempre estaría protonado y el grupo carboxilo terminal siempre estaría desprotonado. Los enlaces peptídicos no se hidrolizan con facilidad, y tal hidrólisis no ejercería acción amortiguadora. Los enlaces de hidrógeno no tienen capacidad amortiguadora, ya que el hidrógeno en estos enlaces no se dona ni acepta una vez que el enlace se forma. 5. La respuesta es D. Por convenio, los péptidos se escriben con el aminoácido N–terminal a la izquierda y el aminoácido C–terminal a la derecha. Por lo tanto, este péptido contiene arginina (código de una letra R, código de tres letras arg) en su extremo C. La secuencia de este péptido es ácido aspártico (D, asp), alanina (A, ala), serina (S, ser), valina (V, val) y arginina. 6. La respuesta es B. El aspartato N–terminal contiene una carga positiva en su grupo N–terminal y una carga negativa en el grupo carboxilo de su cadena lateral. Las cadenas laterales de alanina y serina carecen de carga en el pH fisiológico. El glutamato contiene una carga negativa en el grupo carboxilo de su cadena lateral. La cadena lateral de la valina es hidrófoba y carece de carga. La arginina C–terminal contiene una carga negativa en su grupo C–terminal y una carga positiva en su cadena lateral. Por lo tanto, las cargas globales son 2 y 3, lo que da una carga neta de 1. Los aminoácidos en el interior de este hexapéptido (alanina, serina, glutamato y valina) tienen sus extremos amino y carboxilo implicados en la formación de enlaces peptídicos de modo que no hay cargas relacionadas con esos grupos en los aminoácidos internos. 7. La respuesta es C. Los enlaces disulfuro son un ejemplo de enlaces covalentes. Ocurren interacciones hidrófobas entre grupos hidrófobos que se aproximan en el espacio para reducir sus interacciones con el agua y para permitir al agua maximizar su entropía. Los enlaces de hidrógeno son la compartición de un átomo de hidrógeno entre dos átomos electronegativos. Mientras que el hidrógeno está unido de modo covalente a uno de esos átomos, también es atraído hacia el otro grupo electronegativo (lo cual crea el enlace de hidrógeno) vía interacciones de carga parcial, de un modo no covalente. Las interacciones electrostáticas son la atracción mutua de grupos totalmente cargados (uno con carga negativa, como un ácido carboxílico, y otro con carga positiva, como una amina primaria), debido a que las cargas opuestas se atraen entre sí. Las interacciones de van der Waals son interacciones inespecíficas entre dos átomos cuando se acercan hasta a cierta distancia; cuando se acercan demasiado, ocurre repulsión entre ellos.

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Bioquímica, biología molecular y genética

8. La respuesta es A. La mutación en el drepanocito es E6V de la cadena de -globina. Las moléculas de hemoglobina drepanocítica tienen una valina en lugar de glutamato en las dos cadenas  del tetrámero. Todos los otros aminoácidos permanecen sin cambio, así que comparada con la hemoglobina normal, la variante drepanocítica (o falciforme) tiene dos cargas negativas menos. Esto significa que la forma normal de la hemoglobina (HbA) migrará más rápido hacia el polo positivo de un gel porque contiene más cargas negativas que la HbS. 9. La respuesta es C. El sitio activo se forma cuando la enzima se pliega en su configuración tridimensional y puede incluir aminoácidos muy separados entre sí en la secuencia primaria. Las moléculas de sustrato se unen al sitio activo, al igual que los inhibidores competitivos (dado que el inhibidor reduce la actividad enzimática al competir con el sustrato por la unión al sitio activo). Los inhibidores alostéricos se unen a un sitio distinto del sitio activo, al igual que los inhibidores no competitivos (que reducen la Vmáx sin afectar la Km). 10. La respuesta es D. La ecuación de Michaelis–Menten es v = (Vmáx  [S])(Km  [S]). En este caso, la velocidad (v) es ¼ Vmáx, y [S]  4 mM. Así, la ecuación de Michaelis–Menten se convierte en ¼ Vmáx  (Vmáx  4)/(Km  4). Cuando se despeja Km en la ecuación, Km  12 mM. 11. La respuesta es C. Este problema se resuelve mejor con la ecuación de Michaelis–Menten y comparando la velocidad (como una función de la velocidad máxima) en condiciones de ayuno y distintas al ayuno. Durante el ayuno, [S]  5 mM, y Km es 7 mM; así, v = (5  Vmáx)(7  5)  42% Vmáx. En el estado posprandial, [S]  20 mM, y Km es 7 mM; así v  (20 × Vmáx)/(7  20)  74% Vmáx. La glucocinasa es más activa en el estado posprandial que en el de ayuno, y la velocidad aumentará de  50 a  50% Vmáx. 12. La respuesta es A. Un inhibidor competitivo lucha con el sustrato por la unión en el sitio activo de la enzima, con lo que en efecto eleva la Km aparente (en presencia de un inhibidor, requerirá mayor concentración de sustrato para alcanzar ½ Vmáx, dado que el sustrato compite con el inhibidor por la unión en el sitio activo). Si la concentración de sustrato aumenta entonces éste, al competir con el inhibidor, puede vencer sus efectos inhibitorios, con lo que al final se alcanza la Vmáx. Un inhibidor no competitivo reducirá la Vmáx sin afectar la unión del sustrato al sitio activo, de modo que la Km no se altera en esas condiciones. Un activador de una enzima alostérica reducirá la Km aparente sin afectar Vmáx (se requiere menos sustrato para alcanzar la velocidad máxima). 13. La respuesta es D. El hombre tiene drepanocitemia y su hemoglobina consiste en cadenas  mutadas, junto con cadenas  normales. El glutamato en la posición 6 de las cadenas  de la HbA es sustituido por valina en la HbS. La valina contiene una cadena lateral hidrófoba, mientras que el glutamato contiene una cadena lateral ácida. En condiciones de baja oxigenación (como durante el ejercicio vigoroso), las moléculas de HbS se polimerizan debido a interacciones hidrófobas entre la valina en la cadena  y un tramo hidrófobo en otra molécula de HbS. En condiciones de oxigenación adecuada, la valina en la cadena  no se expone en la superficie de la molécula, y no puede interactuar con el tramo hidrófobo de otra molécula de hemoglobina. Una vez que la HbS se polimeriza, forma una barra rígida dentro de los eritrocitos, lo que deforma la célula y le da el aspecto falciforme (de “hoz”). Una vez deformados los eritrocitos no es fácil que recuperen su forma original y pasen por capilares estrechos, lo cual ocasiona la desoxigenación de determinadas partes del cuerpo, y es lo que produce el dolor que la persona experimenta. La adquisición de la forma drepanocítica o falciforme no se debe a aumento o disminución de las interacciones iónicas entre las moléculas de HbS, ni a fosforilación de sus monómeros. 14. La respuesta es B. Para que la hemoglobina libere oxígeno con más facilidad, es necesario estabilizar su estado desoxigenado. Esto puede hacerse al reducir el pH (efecto Bohr), elevando la concentración de CO2, o al incrementar la concentración de BPG. La hemoglobina fetal (HbF  22) tiene mayor afinidad por el O2 que la HbA (22), por lo que inducir la síntesis de los genes  ­tendría el efecto opuesto al deseado. Inducir la concentración de las cadenas  no reduciría la unión de oxígeno a la hemoglobina (de hecho, si no hay un aumento simultáneo en la síntesis de genes , esto puede ser muy perjudicial para el individuo, ya que un desequilibrio en la síntesis de las cadenas de hemoglobina ocasiona un trastorno conocido como talasemia y el transporte total de oxígeno a los tejidos disminuiría). El aumento de BPG causaría una liberación más fácil



Capítulo 2   Aspectos básicos de bioquímica

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del O2. La alcalosis metabólica elevaría el pH de la sangre, lo cual estabilizaría la forma oxigenada de la hemoglobina. Reducir las concentraciones de dióxido de carbono en la sangre mediante hiperventilación también estabilizaría la forma oxigenada de la hemoglobina, y haría más difícil el suministro de oxígeno a los tejidos. 15. La respuesta es C. El ambientalista presenta escorbuto o deficiencia de vitamina C. La hidroxilación de residuos prolina y lisina en el colágeno requiere vitamina C y oxígeno. En ausencia de vitamina C, el colágeno formado no puede estabilizarse de manera apropiada (debido en parte a disminución de los enlaces de hidrógeno entre subunidades a causa de la falta de hidroxiprolina) y se degrada con facilidad, de ahí el sangrado gingival y la pérdida de dientes. La síntesis de globina podría verse afectada indirectamente porque la absorción de hierro en el intestino es estimulada por vitamina C, pero la globina no se modifica en una reacción de hidroxilación. El hierro interviene en la síntesis de hem, que regula la síntesis de globina. La síntesis de insulina y fibrilina no depende de vitamina C (la falta de insulina causa diabetes y las mutaciones de la fibrilina, síndrome de Marfan). 16. La respuesta es A. El anticongelante contiene etilenglicol (HO–CH2–CH2–OH) y la ingestión de etilenglicol (que tiene sabor dulce) ocasiona acidosis metabólica debido al metabolismo de éste a ácidos glicólico y oxálico. Al formarse los ácidos se liberan protones; bicarbonato y hemoglobina son los principales amortiguadores sanguíneos que se unirán a esos protones para aminorar la caída del pH sanguíneo. Acetoacetato y -hidroxibutirato son cuerpos cetónicos producidos por el hígado, y dado que ambos son ácidos, su acumulación a menudo causa acidosis metabólica. Incrementar su síntesis en condiciones acidóticas sólo exacerbará la acidosis. El fosfato es un amortiguador intracelular, pero su participación no es tan importante como la de hemoglobina o bicarbonato. 17. La respuesta es B. La cadena lateral de histidina tiene pKa de 6.0, y este valor, de todos los propios de las cadenas laterales de los aminoácidos, es el más cercano al pH fisiológico. El ambiente local de la proteína puede elevar este valor de pKa a uno más cercano a 7, de modo que las cadenas laterales de histidina en la hemoglobina son los principales grupos aceptores y donadores de protones cuando la hemoglobina actúa como amortiguador. La cadena lateral de la alanina (un grupo metilo) no acepta ni dona protones. El pKa de las cadenas laterales de serina y treonina es mayor de 10.0, de modo que en el pH fisiológico estas cadenas laterales siempre están protonadas, y no pueden actuar como sitio de unión para el exceso de protones que se genera durante un episodio acidótico. El pKa de la cadena lateral del aspartato es de alrededor de 4.0, por lo que en el pH fisiológico ese grupo siempre está desprotonado y no aceptará protones generados en un episodio acidótico. 18. La respuesta es B. La acetazolamida es un inhibidor de la anhidrasa carbónica y se encuentra principalmente en los eritrocitos. Éstos contienen anhidrasa carbónica, que cataliza la reacción de formación de ácido carbónico a partir de CO2 y H2O. En grandes altitudes, la inhibición de la anhidrasa carbónica reducirá el pH sanguíneo, lo que estabiliza la forma desoxigenada de la hemoglobina. Esto se debe a una mayor pérdida de bicarbonato en la orina por la inhibición de la anhidrasa carbónica en los riñones. El cambio de pH eleva el suministro de oxígeno a los tejidos y puede superar en parte los síntomas del mal de montaña. Sin embargo, en el caso de la persona con diabetes tipo 1 que comienza a producir cuerpos cetónicos, el principal mecanismo compensatorio del organismo para superar la acidosis está bloqueado. Cuando se forman cuerpos cetónicos y se generan protones, el H+ reacciona con bicarbonato para producir ácido carbónico. La anhidrasa carbónica, que cataliza una reacción reversible, convierte entonces el ácido carbónico en CO2 y H2O, y el primero se exhala. Estas reacciones eliminan el exceso de protones y ayudan a amortiguar la acidosis. Pero si la anhidrasa carbónica ha sido inhibida por acetazolamida, entonces el bicarbonato no podrá amortiguar el pH sanguíneo y la acidosis podrá empeorar. Leucocitos, fibras musculares, hepatocitos y cristalino del ojo no contribuyen al amortiguamiento de la sangre y la inhibición de la anhidrasa carbónica en esas células no afectará la capacidad de contrarrestar una acidosis. 19. La respuesta es B. La paciente experimenta un ataque de pánico (por conducir en un túnel) e hiperventila, lo que le provoca alcalosis respiratoria aguda. La pérdida de CO2 desplaza la reacción de la anhidrasa carbónica en el sentido de la producción de CO2, lo cual reduce la concentración de protones (y por tanto eleva el pH). La paciente perdería la conciencia con un ataque más grave. Una alcalosis respiratoria suele ser leve comparada con una alcalosis metabólica. Debido a ello, el incremento de pH es más pequeño (es más probable un pH de 7.55 que uno de 8.10, el cual podría

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Bioquímica, biología molecular y genética ocurrir en caso de alcalosis metabólica). Las otras opciones dadas, 7.15, 6.40 y 6.10, son todas menores que el pH fisiológico (7.4), y se considerarían acidosis, no alcalosis. Un ejemplo de alcalosis metabólica es la hipopotasiemia, una disminución de los valores normales de potasio. Debido a la baja concentración sérica de potasio, éste sale de las células y es sustituido por protones de la circulación. La pérdida de protones de la sangre ocasiona la alcalosis.

20. La respuesta es E. En el ser humano los aminoácidos tienen la configuración l (excepto la glicina, que no es l ni d), mientras que los aminoácidos bacterianos pueden tener la configuración l o la d. Un antibiótico debe ser eficaz contra las proteínas bacterianas y no contra las humanas, de modo que desarrollar un antibiótico que reconozca proteínas o polipéptidos que contengan aminoácidos d sólo sería eficaz contra productos bacterianos. Todos los aminoácidos se encuentran en cadenas polipeptídicas, y fenilalanina, tirosina y triptófano son aminoácidos que contienen anillos aromáticos y se encuentran tanto en bacterias como en seres humanos. La nomenclatura R y S no es de uso común en bioquímica para describir la configuración de los aminoácidos. 21. La respuesta es C. El malatión es un plaguicida organofosforado que inhibe la acción de la acetilcolinesterasa de manera irreversible. Es una de las causas más comunes de intoxicación en el mundo. El malatión forma un enlace covalente irreversible entre el inhibidor y la cadena lateral de la serina en el sitio activo de la enzima. Sin acetilcolinesterasa, la acetilcolina se acumula en la unión neuromuscular y provoca los síntomas descritos. Tanto la inhibición competitiva como la no competitiva son reversibles, y su mecanismo de acción no se aplica al malatión. 22. La respuesta es D. La hemoglobina fetal (HbF) consta de dos subunidades  y dos subunidades . Tiene menor afinidad por el BPG y en consecuencia mayor afinidad por el oxígeno. El defecto congénito del niño reduce la oxigenación de la sangre que irriga el corazón (el órgano blanco de las arterias coronarias). Las arterias coronarias normalmente reciben sangre oxigenada de la aorta, pero en este caso, la arteria coronaria principal izquierda irriga el ventrículo izquierdo con sangre desoxigenada proveniente de la arteria pulmonar. Sin embargo, a medida que el niño madura y comienza a producir HbA en lugar de HbF, el oxígeno que se suministra a la aorta resulta insuficiente, lo que ocasiona infarto de miocardio. Cuando la HbF fue sustituida por HbA (dos subunidades  y dos subunidades ), la menor afinidad por el oxígeno se hizo manifiesta dado que la sangre de la arteria pulmonar tiene menos oxígeno que la del ventrículo izquierdo, lo que ocasionó el infarto de miocardio por la falta de suministro de O2 al músculo cardiaco. Si el niño hubiera nacido con cadenas  defectuosas, la deficiencia se habría manifestado al nacer, no hasta los tres meses de edad. 23. La respuesta es A. La paciente tiene miastenia grave y el tratamiento es piridostigmina, un inhibidor reversible competitivo de la acetilcolinesterasa. La miastenia grave es causada por autoanticuerpos contra el receptor de acetilcolina, que reducen la eficacia de la acetilcolina en la unión neuromuscular. La inhibición reversible de la acetilcolinesterasa eleva la concentración efectiva de acetilcolina, lo que aporta suficiente acetilcolina para unirse a los pocos receptores funcionales que quedan. La gráfica es la clásica para un inhibidor competitivo. Los inhibidores competitivos exhiben mayor Km aparente y Vmáx constante. 24. La respuesta es B. En la inhibición no competitiva, la Km no se altera, mientras que la Vmáx disminuye. El fármaco usado para tratar el mal de montaña es la acetazolamida, un inhibidor no competitivo de la anhidrasa carbónica. La gráfica es la de un inhibidor no competitivo puro. 25. La respuesta es B. Los cuerpos cetónicos son ácidos débiles. En la cetoacidosis diabética, el hígado produce cuerpos cetónicos, que reducen la dependencia del encéfalo respecto de la glucosa como única fuente de energía. Esto se debe a la falta de insulina, y a que el hígado cambia al modo de inanición debido a la señalización constante por el glucagón. Hemoglobina en los eritrocitos y bicarbonato, tanto en los eritrocitos como en el plasma, son dos de los principales amortiguadores del organismo, y su sobreproducción no ocasionaría acidosis. La sobreproducción de HCl en el estómago podría ocasionar úlceras duodenales o reflujo gastroesofágico, pero no acidosis metabólica sistémica, ya que los protones no llegan a la circulación. Una pérdida de cloruro, si es suficientemente grave, puede causar alcalosis metabólica, no acidosis. 26. La respuesta es C. La paciente está “sacando CO2” para reducir el ácido. La ecuación descrita en la respuesta C es la conversión de dióxido de carbono a una forma soluble y luego a bicarbonato. Durante una acidosis, las altas concentraciones de protones desplazan a la izquierda la reacción descrita en la respuesta C, hacia la formación de agua y dióxido de carbono. A medida que éste se



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exhala, y su concentración disminuye, se forma más de él, lo que reduce la reserva de protones libres y eleva el pH. La protonación de amoniaco para formar iones amonio ocurre en los riñones, no en los pulmones. Su principal objetivo es alcalinizar la orina si es muy ácida. La reacción descrita en la respuesta B es la disociación de un protón del -hidroxibutirato (un cuerpo cetónico) para formar el anión del -hidroxibutirato y un protón. Ésta es la reacción que causa la cetoacidosis y no es la alcalosis respiratoria compensatoria. La reacción D es la disociación del agua, que no puede amortiguar la acidosis. 27. La respuesta es B. El síndrome de Creuzfeldt–Jakob es un trastorno causado por priones (priónico), y el agente infeccioso es una proteína. La proteína alterada forma precipitados en el encéfalo y desplaza el equilibrio de la proteína normal hacia aquella que se agregará con la proteína alterada. Al patólogo le preocupa que la proteína infecciosa migre a su encéfalo e inicie el proceso de agregación con las proteínas priónicas normales en su encéfalo. Los trastornos priónicos no son transmitidos por virus, lípidos, bacterias ni ninguna forma de ácido nucleico. 28. La respuesta es D. La enfermedad de las vacas locas es un trastorno priónico, en el cual una proteína priónica mal plegada en el encéfalo forma agregados y precipitados, con lo que interfiere en el funcionamiento normal de ese órgano. Los priones pueden adoptar una conformación “estable”, que consta principalmente de hélices  y una conformación propensa a agregarse, que consta sobre todo de láminas . Una vez en la conformación propensa a agregarse, la proteína lo hace, desplazando el equilibrio entre las formas estructurales hacia la forma propensa a agregarse. Esto incrementa la concentración de esta variante hasta que la proteína precipitada comienza a interferir en el funcionamiento del encéfalo y al final causa la muerte. Los trastornos priónicos no se deben a defectos de la expresión génica, virus, escisión proteolítica de una proteína priónica o pérdida de la membrana nuclear. 29. La respuesta es C. Los grupos sulfhidrilo libres pueden formar enlaces disulfuro con una cadena lateral de cisteína, los cuales podrían entonces interferir en el funcionamiento de la proteína. La enfermedad por reflujo gástrico es causada por insuficiencia del esfínter gastroesofágico, el cual permite que el contenido estomacal ascienda por el esófago. Dado que este contenido es ácido, el esófago puede resultar dañado. Inhibir la bomba de protones gástrica, con incremento resultante del pH del contenido estomacal, reduciría el daño que ocurre durante el reflujo debido al pH elevado. Inhibir una bomba de protones intestinal no incidiría en la enfermedad por reflujo gástrico. Los residuos metionina, aunque contienen un átomo de azufre, no forman enlaces disulfuro. Los grupos sulfhidrilo libres ya están reducidos, de manera que el fármaco no puede reducirlos más. 30. La respuesta es B. El familiar exhibe los síntomas de la intoxicación por monóxido de carbono (CO). El CO se une a la hemoglobina con mayor afinidad que el oxígeno y reduce el suministro de éste a los tejidos. Además de competir con el oxígeno por la unión a la hemoglobina, el CO, una vez unido a ésta, desplaza la curva de unión de oxígeno a la izquierda, estabilizando el estado “R” o estado oxigenado, lo cual hace más difícil la liberación del oxígeno de la hemoglobina a los tejidos. Así, en presencia de CO, la afinidad del oxígeno por la hemoglobina en realidad aumenta. La intoxicación por CO no afecta el riego sanguíneo al encéfalo. 31. La respuesta es D. El hombre tiene síntomas de enfisema, debido a la destrucción de células pulmonares por la proteasa elastasa. Los neutrófilos pulmonares liberan de manera accidental elastasa al engullir y destruir bacterias y otras partículas inhaladas, y por lo general la 1-antitripsina se uniría a la elastasa e inhibiría su actividad. Sin embargo, en un fumador crónico los productos del humo del tabaco oxidan una cadena lateral metionina esencial de la 1-antitripsina, con lo cual inactivan la enzima. Por lo tanto, con el tiempo la elastasa no inhibida destruye el tejido pulmonar hasta que los pulmones dejan de funcionar de modo correcto. Aunque el inhibidor bloquee la actividad de tripsina, el daño pulmonar es resultado de aumento de la actividad de elastasa, no de tripsina. Los grupos sulfhidrilo no resultan afectados, sino que un azufre de la metionina es el blanco del humo de tabaco. 32. La respuesta es E. El estudiante murió de MHF (miocardiopatía hipertrófica familiar), un engrosamiento del músculo del ventrículo izquierdo debido a una mutación en la cadena pesada de la -miosina. Aún se desconoce la causa exacta de la hipertrofia, que puede ser inducida por mutaciones en una variedad de proteínas sarcoméricas. Ninguna de las otras respuestas sugeridas es una proteína de la sarcómera muscular. La espectrina es una proteína eritrocítica y no se encuentra en el corazón. La 1-antitripsina es una proteína circulante sintetizada por el hígado y en su ausencia

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Bioquímica, biología molecular y genética ocurrirá enfisema. El colágeno es la principal proteína estructural del organismo, pero no existen mutaciones del colágeno que causen hipertrofia considerable del músculo cardiaco. La falta de fibrilina ocasiona síndrome de Marfan, que puede presentarse con defectos en válvulas cardiacas y aorta, pero no aumento notable del tamaño del músculo cardiaco.

33. La respuesta es C. El paciente tiene síndrome de Alport, una mutación en el colágeno tipo IV que altera la composición de la membrana basal de los glomérulos renales. En ausencia de membrana basal funcional, los riñones tienen dificultad para filtrar de manera adecuada los productos de desecho de la sangre hacia la orina, y a ésta pueden pasar tanto sangre como proteínas. El colágeno tipo IV también es importante para la audición (se encuentra en el oído interno) y la visión. Crea una estructura en forma de malla diferente de las estructuras en forma de barra del colágeno tipo I y se encuentra en casi todas las membranas basales. Dado el tiempo suficiente, la alteración de la membrana basal de los glomérulos causará su destrucción y la pérdida del funcionamiento renal. Una mutación en la 1-antitripsina ocasionará enfisema, las mutaciones en la espectrina pueden provocar esferocitosis hereditaria, las mutaciones en la fibrilina desembocan en síndrome de Marfan, y las mutaciones en la cadena pesada de la -miosina a veces producen MHF. 34. La respuesta es B. Un tratamiento para el alcoholismo crónico es inhibir la enzima aldehído deshidrogenasa, lo que ocasiona la acumulación de acetaldehído si se ingiere etanol. En el primer paso del metabolismo del etanol, éste se convierte en acetaldehído (por acción de la enzima deshidrogenasa alcohólica). La aldehído deshidrogenasa convierte entonces el acetaldehído en ácido acético, que al final se transforma en acetil-CoA. La acumulación de acetaldehído es lo que inicia los síntomas relacionados con la resaca, como cefalea y náusea. La teoría que subyace al tratamiento es que si el individuo bebe alcohol mientras recibe el fármaco, la acumulación de acetaldehído lo hará sentirse muy mal, y eso lo inducirá a reducir o suspender su ingestión de alcohol. La inhibición de la aldehído deshidrogenasa no causa elevaciones de ácido acético, etanol, dióxido de carbono o monóxido de carbono. 35. La respuesta es B. El paciente muestra el signo cardinal de la osteogénesis imperfecta, fragilidad ósea, como lo ejemplifican las diversas mutaciones en el colágeno tipo 1, que es el bloque de construcción de los huesos. El soplo de reflujo aórtico también se debe a la falta de colágeno tipo 1 en la matriz extracelular de la aorta. Las mutaciones de la fibrilina dan origen al síndrome de Marfan, que se caracteriza por huesos largos, pero no fragilidad ósea. El síndrome de Marfan también se relacionaría con luxación de cristalinos, que no ocurre en este paciente. Las mutaciones en el colágeno tipo IV ocasionarían síndrome de Alport, no fragilidad ósea, y no se mencionan problemas renales o urinarios en el paciente. Un defecto en la 1-antitripsina provocaría enfisema (no fragilidad ósea), y una mutación en la cadena pesada de la -miosina causaría miocardiopatía hipertrófica, no fragilidad de los huesos.

capítulo

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Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción) y regulación de la expresión génica

El estudio de este capítulo servirá en la clínica principalmente para comprender a nivel molecular la base de las mutaciones genéticas, la importancia de la reparación del DNA y las infecciones por determinados virus y bacterias. Además, es necesario entender la síntesis de proteínas y los antibióticos dirigidos contra esa síntesis en los procariotes, así como las toxinas. Por último, para comprender el futuro de la medicina diagnóstica es importante el uso de la tecnología de DNA recombinante para las pruebas y el diagnóstico de enfermedades específicas.

GENERALIDADES ■ ■

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La información genética se codifica en el DNA, que en los eucariotes se localiza principalmente en el núcleo y en menor medida en las mitocondrias. La información genética se hereda y expresa. La herencia ocurre por el proceso de replicación. Las cadenas de DNA progenitoras actúan como plantillas para la síntesis de copias que pasan a las células hijas. Las mutaciones que resultan de daño del DNA pueden causar alteraciones genéticas, como proliferación celular anómala y cáncer. Los mecanismos de reparación a veces son capaces de corregir el DNA dañado. La recombinación de genes promueve la diversidad genética. La expresión de genes requiere dos pasos: transcripción y traducción. El DNA se transcribe para formar RNA mensajero (mRNA), el cual se traduce para producir proteínas. El RNA ribosómico (rRNA) y el RNA de transferencia (tRNA) intervienen en el proceso de traducción. Las proteínas participan en la estructura celular y funcionan como enzimas, las cuales determinan las reacciones que ocurren en las células. De este modo las proteínas, que son los productos de los genes, determinan el aspecto y el comportamiento de las células. La expresión génica es regulada por una variedad de mecanismos. Sólo una pequeña fracción del genoma se expresa en cualquier célula. La tecnología de DNA recombinante se desarrolló para estudiar y manipular genes, además se ha usado con fines diagnósticos. La terapia de reemplazo génico ha sido exitosa en pocos casos, y en la actualidad se hacen esfuerzos para reducir los efectos secundarios.

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Bioquímica, biología molecular y genética

I.  ESTRUCTURA DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS •• Las unidades monoméricas de los ácidos nucleicos son los nucleótidos; cada nucleótido contiene una base nitrogenada heterocíclica, un azúcar y fosfato. •• El DNA contiene las bases adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). El RNA contiene A, G y C, pero tiene uracilo (U) en lugar de timina. •• El DNA presenta desoxirribosa, mientras que el RNA contiene ribosa. •• Los polinucleótidos constan de nucleósidos unidos por puentes 3′,5′-fosfodiéster. El mensaje genético reside en la secuencia de bases a lo largo de la cadena polinucleotídica. •• En el DNA, dos cadenas polinucleotídicas se unen por apareamiento de sus bases (adenina con timina y guanina con citosina) y forman una doble hélice. Una cadena tiene el sentido de 5′ a 3′ y la otra el sentido de 3′ a 5′. •• En los eucariotes, las moléculas de DNA interactúan con histonas para formar cadenas de nucleosomas, que se enrollan en estructuras más apretadas. El término cromatina se usa para describir los complejos proteína–DNA presentes en los cromosomas dentro del núcleo. •• El RNA es monocatenario, pero las cadenas se enrollan sobre sí mismas y las bases se aparean: guanina con citosina y adenina con uracilo. Esto permite que el RNA forme una estructura tridimensional que puede ser reconocida por proteínas y enzimas específicas. •• El mRNA tiene un casquete en el extremo 5′ y una cola poli(A) en el extremo 3′. •• El rRNA presenta extenso apareamiento de bases. •• El tRNA genera una estructura en forma de hoja de trébol que contiene muchos nucleótidos peculiares y un anticodón.

A. Estructura del DNA 1. Componentes químicos del DNA a. Cada cadena polinucleotídica de DNA contiene nucleótidos, que constan de una base nitrogenada (A, G, C o T), desoxirribosa y fosfato (figuras 3-1 y 3-2). (1) Las bases son las purinas adenina (A) y guanina (G), y las pirimidinas citosina (C) y timina (T). (2) Enlaces fosfodiéster unen el carbono 3′ de un azúcar al carbono 5′ del azúcar siguiente (figura 3-3). 2. Doble hélice de DNA a. Cada molécula de DNA está formada por dos cadenas polinucleotídicas unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases (figura 3-4). (1) La adenina de una cadena forma un par de bases con timina de la otra cadena. (2) La guanina forma un par de bases con citosina. (3) Las secuencias de bases de las dos cadenas son complementarias. La adenina de una cadena se aparea con timina en la otra y la guanina se aparea con citosina. b. Las cadenas son antiparalelas. Una cadena tiene el sentido 5′ a 3′ y la otra tiene el sentido 3′ a 5′ (figura 3-5). c. La molécula bicatenaria se enrolla formando una hélice con un surco mayor y otro menor (figura 3-6). (1) Los pares de bases que unen las dos cadenas se apilan como los peldaños de una escalera en espiral en el interior de la molécula. (2) Los grupos fosfato están en el exterior de la doble hélice. Dos grupos ácido de cada fosfato participan en enlaces fosfodiéster. El tercero queda libre y disocia su protón a pH fisiológico, lo que da a la molécula carga negativa (ver figura 3-3). (3) La forma B del DNA, descrita por Watson y Crick, tiene conformación derecha y contiene 10 pares de bases por vuelta; cada par de bases está separado por 3.4 Å. Otras formas de DNA son la forma A, similar a la B pero más compacta, y la forma Z, con conformación izquierda y sus bases colocadas más hacia la periferia de la hélice. 3. Desnaturalización, renaturalización e hibridación a. Desnaturalización: un álcali o calor hacen que las cadenas de DNA se separen, pero no rompen enlaces fosfodiéster.

FIGURA 3-1. A. Bases nitrogenadas de los ácidos nucleicos. Note la numeración de los anillos purina y pirimidina. En el DNA hay timina y en el RNA sólo uracilo. B. Estructura de ribosa y desoxirribosa, los azúcares de los ácidos nucleicos. La ribosa tiene un grupo hidroxilo en el carbono 2 (indicado con una X en la figura), mientras que la desoxirribosa no lo tiene (la X sería un átomo de hidrógeno en la desoxirribosa).

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Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-2. Estructuras de nucleósidos y nucleótidos. Note la numeración, y el uso de primas, en los carbonos de los azúcares. La prima se usa para distinguir los números de los carbonos de los azúcares de los números de los carbonos y nitrógenos de las bases (que no se escriben con prima).

b. Renaturalización: si las cadenas de DNA se separan por calor y luego la temperatura se reduce con lentitud en las condiciones apropiadas, los pares de bases vuelven a formarse y las cadenas complementarias de DNA se reúnen. c. Hibridación: una cadena individual de DNA se aparea con secuencias complementarias de bases en otra cadena de DNA o RNA. 4. Las moléculas de DNA son extremadamente grandes. a. El cromosoma completo de la bacteria Escherichia coli es circular y contiene más de 4  106 pares de bases. Como las bacterias carecen de organelos, el DNA está en el citoplasma de la célula. b. La molécula de DNA en el cromosoma humano más largo es lineal y mide más de 7.2 cm. El DNA eucariótico se encuentra en el núcleo y las mitocondrias también tienen su propio genoma separado. 5. Empaque del DNA en el núcleo de las células eucarióticas a. La cromatina de las células eucarióticas consta de DNA en complejos con histonas en los nucleosomas (figura 3-7). (1) Las histonas son proteínas básicas relativamente pequeñas con alto contenido de arginina y lisina. (Los procariotes carecen de histonas.) (2) Ocho moléculas de histona forman un octámero alrededor del cual se enrollan aproximadamente 140 pares de bases de DNA para formar un centro nucleosómico. (3) El DNA que une un centro nucleosómico con el siguiente forma un complejo con histona H1. b. La estructura nucleosómica en “cuentas de un collar” de la cromatina es compactada aún más para formar estructuras solenoides (bobinas tubulares helicoidales, ver figura 3-7).

B. Estructura del RNA 1. El RNA difiere del DNA a. La estructura polinucleotídica del RNA es similar a la del DNA, excepto que el RNA contiene el azúcar ribosa en lugar de desoxirribosa y uracilo en vez de timina. (En el tRNA hay una pequeña cantidad de timina.) b. El RNA suele ser monocatenario (en contraste con el DNA, que es bicatenario). (1) Cuando las cadenas se enrollan sobre sí mismas, las bases en lados opuestos pueden aparearse: adenina con uracilo y guanina con citosina. (2) Las moléculas de RNA forman extenso apareamiento de bases, lo cual produce estructuras secundaria y terciaria importantes para el funcionamiento del RNA. (3) Las moléculas de RNA reconocen moléculas de DNA y de RNA por apareamiento de bases.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

FIGURA 3-3. Segmento de una cadena de polinucleótido. Esta cadena contiene timina y de manera exclusiva desoxirribosa, por lo que es un segmento de DNA. Note los enlaces fosfodiéster que unen los carbonos 3´ y 5´ de los azúcares.

FIGURA 3-4. Pares de bases del DNA.

55

56

Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-5. Cadenas antiparalelas de DNA. Note que las cadenas tienen sentidos opuestos, como lo determinan los grupos hidroxilo en los carbonos 3 y 5 de la desoxirribosa (los carbonos 3´ y 5´).

c. Algunas moléculas de RNA actúan como catalizadores de reacciones; por lo tanto, el RNA, como las proteínas, puede tener actividad enzimática. (1) Las ribozimas, por lo común precursoras de rRNA, se desprenden de segmentos internos y empalman los extremos. (2) Los RNA también actúan como ribonucleasas, que escinden otras moléculas de RNA (p. ej., la RNasa P escinde precursores de tRNA). (3) La peptidil-transferasa, una enzima que interviene en la síntesis de proteínas, es un RNA. 2. El mRNA eucariótico contiene una estructura en forma de casquete y una cola poli(A) y se sintetiza en el núcleo. a. El casquete consiste en trifosfato de guanina metilado unido al grupo hidroxilo de la ribosa en el extremo 5′ del mRNA. (1) El N7 de la guanina está metilado. (2) Los grupos 2′-hidroxilo del primero y segundo componentes ribosa del mRNA también pueden estar metilados (figura 3-8). b. La cola poli(A) contiene hasta 200 nucleótidos adenina (A) unidos al grupo hidroxilo del extremo 3′ del mRNA. 3. El rRNA contiene muchas asas y extenso apareamiento de bases. Las moléculas de rRNA difieren en sus coeficientes de sedimentación (S). Se unen a proteínas para formar ribosomas (figura 3-9).

FIGURA 3-6. Doble hélice del DNA.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

57

DNA

Nucleosoma

DNA de unión

Histona H1

Solenoide

FIGURA 3-7. Un polinucleosoma; se indican los centros histona y el DNA de unión. El DNA se representa en verde, mientras que las histonas se muestran como esferas de color gris claro.

Histonas centrales (H2A, H2B, H3 y H4)

a. Los procariotes tienen tres tipos de rRNA: de 16 S, 23 S y 5 S. Contienen 55 proteínas. b. Los eucariotes tienen cuatro tipos de rRNA citosólico: de 18 S, 28 S, 5 S y 5.8 S. Los ribosomas eucarióticos tienen 83 proteínas diferentes. Los ribosomas mitocondriales son similares a los procarióticos. 4. El tRNA tiene estructura en forma de hoja de trébol y contiene nucleótidos modificados. Las moléculas de tRNA son relativamente pequeñas; contienen alrededor de 80 nucleótidos (figura 3-10). a. En las células eucarióticas, muchos nucleótidos del tRNA están modificados. (1) Hay nucleótidos modificados que contienen seudouridina (ψ), dihidrouridina (D) y ribotimidina (T) en la mayoría de los tRNA (ver figura 3-10).

FIGURA 3-8. Estructura del casquete del mRNA eucariótico.

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Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-9. Composición de los ribosomas procarióticos y eucarióticos.

b. Todas las moléculas de tRNA tienen estructura de hoja de trébol similar aunque sus secuencias de bases difieran. (1) La primera asa desde el extremo 5′, la asa D, contiene dihidrouridina. (2) El asa intermedia contiene el anticodón, que forma un par de bases con el codón del mRNA. (3) La tercera asa, la asa TψC, contiene tanto ribotimidina como seudouridina. (4) La secuencia CCA en el extremo 3′ porta el aminoácido.

II.  SÍNTESIS DE DNA (REPLICACIÓN) •• La replicación, el proceso de síntesis de DNA, ocurre durante la fase S del ciclo celular en los eucariotes y es catalizada por un complejo de proteínas que incluye la enzima DNA polimerasa. •• Cada cadena del DNA progenitor actúa como una plantilla para la síntesis de su cadena complementaria. •• La DNA polimerasa copia la cadena plantilla en el sentido 3′ a 5′ y sintetiza la nueva cadena en el sentido 5′ a 3′. Como precursores participan trifosfatos de desoxirribonucleósido. •• La DNA polimerasa no puede iniciar la síntesis de una nueva cadena. Un tramo corto de RNA actúa como cebador (cebador).



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Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

FIGURA 3-10. Vista generalizada del tRNA; se indican los nucleósidos modificados presentes en la mayoría de los tRNA. Las bases que suelen encontrarse en una posición determinada y se indican con letras. El apareamiento de bases en regiones de la parte recta se indica mediante líneas discontinuas entre cadenas. Ψ, seudouridina; T, ribotimidina; D, dihidrouridina.

•• Se requieren otras proteínas y enzimas para desenrollar las cadenas progenitoras y permitir que ambas cadenas sean copiadas de manera simultánea. •• Los errores que ocurren durante la replicación son corregidos por enzimas relacionadas con el complejo de replicación. •• En las células eucarióticas, es necesario que el DNA se libere de las histonas para que la replicación ocurra. •• El daño ocasionado por las moléculas de DNA puede corregirse por mecanismos de reparación, que suelen implicar el reemplazo de la región dañada por la cadena intacta que actúa como plantilla. •• Las moléculas de DNA pueden recombinarse. Una porción de una cadena de una molécula puede intercambiarse por una porción de una cadena de otra molécula. •• Los genes pueden transponerse (moverse de un sitio del cromosoma a otro).

A. Ciclo celular de las células eucarióticas (figura 3-11) 1. Durante la fase G1 (primer intervalo), las células se preparan para duplicar sus cromosomas. 2. Durante la fase S (de síntesis) ocurre la síntesis de DNA (replicación). –

S

Replicación del DNA

G1

–

E

Crecimiento y metabolismo

lo mu stí

G0

Muerte celular

FIGURA 3-11. Ciclo celular de los eucariotes.

sin división

G2 Preparación para la división M celular Mitosis

–

60

Bioquímica, biología molecular y genética

3. Durante la fase G2 (segundo intervalo), las células se preparan para dividirse. 4. Durante la fase M (de mitosis), se produce la división celular. 5. Las células pueden experimentar el ciclo celular muchas veces. 6. Las células también pueden abandonar el ciclo y nunca volver a dividirse, o pueden ingresar en una fase (a veces llamada G0) en la cual permanecen por largos periodos. En respuesta a un estímulo apropiado, estas células reingresan en el ciclo celular y vuelven a dividirse.

B. Mecanismo de replicación 1. La replicación es bidireccional y semiconservativa (figura 3-12). a. Bidireccional significa que la replicación comienza en un sitio de origen y avanza de manera simultánea en ambos sentidos desde ese punto. (1) Los procariotes tienen un sitio de origen en cada cromosoma. (2) Los eucariotes tienen múltiples sitios de origen en cada cromosoma. b. Semiconservativa significa que después de la replicación cada molécula hija de DNA contiene una cadena progenitora intacta y una cadena recién sintetizada unidas por apareamiento de bases. 2. Las horquillas de replicación son los sitios en que ocurre la síntesis de DNA. Las cadenas progenitoras de DNA se separan y la hélice se desenrolla adelante de la horquilla de replicación (figura 3-13). a. Las helicasas desenrollan la hélice y las proteínas de unión de una cadena la mantienen en una conformación monocatenaria. b. Las topoisomerasas impiden el superenrollamiento extremo de la hélice progenitora, que podría resultar del desenrollamiento de una horquilla de replicación. (1) Las topoisomerasas rompen las cadenas de DNA y vuelven a unirlas. (2) La DNA girasa, una topoisomerasa inhibida por la familia de antibióticos de las quinolonas, sólo se encuentra en los procariotes. (3) En la tabla 3-1 se presenta una lista de proteínas implicadas el la replicación del DNA. 3. Las DNA polimerasas catalizan la síntesis de DNA. a. Los procariotes tienen tres DNA polimerasas: pol I, pol II y pol III. La pol III es la enzima duplicadora y pol I interviene en la reparación y síntesis de la cadena retrasada.

O

O = origen O

O

Horquillas de replicación O

O

O

O

O

O +

FIGURA 3-12. Replicación de un cromosoma eucariótico. Las líneas grises son cadenas progenitoras. Las líneas verdes son cadenas recién sintetizadas. La síntesis es bidireccional a partir de cada punto de origen (O), de modo que hay una horquilla de replicación que se mueve en cada sentido desde el origen.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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Sentido de la horquilla de replicación 5' 3'

Cadena progenitora

Cadena retrasada DNA polimerasa δ DNA polimerasa α Primasa

Topoisomerasa 3'

5' Helicasa

Cadena adelantada

DNA polimerasa ε

5' 3'

Cadena progenitora

Cadena progenitora

= Cebador RNA:DNA = Nueva cadena de DNA (cadena adelantada) = Nueva cadena de DNA (cadena retrasada)

FIGURA 3-13. Complejo de replicación en eucariotes. La cadena retrasada se muestra formando un asa alrededor del complejo de replicación para demostrar que toda la síntesis de DNA ocurre en el sentido 5’ a 3’. Las proteínas de unión de una cadena (no mostradas) se unen al DNA monocatenario no apareado. Otras proteínas también participan en este complejo (tabla 13-1).

b. Los eucariotes tienen un gran número de DNA polimerasas, algunas de las cuales se indican en la tabla 3-2. Las polimerasas eucarióticas se nombran con letras griegas, las principales son , , ,  y . La DNA polimerasa  participa en la generación de cebadores para la replicación del DNA. La DNA polimerasa  sólo interviene en la reparación. La polimerasa  actúa como la polimerasa adelantada en la cadena retrasada durante la replicación. La polimerasa  es la polimerasa adelantada en la cadena adelantada del DNA, y la polimerasa  sólo actúa en las mitocondrias. c. Las DNA polimerasas sólo pueden copiar una plantilla de DNA en el sentido 3′ a 5′ y producen la cadena recién sintetizada en el sentido 5′ a 3′. d. Los trifosfatos de desoxirribonucleósido (dATP, dGTP, dTTP y dCTP) son los precursores para la síntesis de DNA.

t a b l a

3-1

Principales proteínas implicadas en la replicación del DNA eucariótico

DNA polimerasas Primasa Helicasas Proteínas de unión de una cadena Topoisomerasas Enzimas que eliminan cebadores

DNA ligasa PCNA aLa

Agregan nucleótidos a una cadena que crece en sentido 5′ a 3′ y copian una plantilla de DNA en el sentido 3′ a 5′ Sintetiza cebadores de RNA Separan las cadenas progenitoras de DNA, es decir, desenrollan la doble hélice Impiden que las cadenas individuales de DNA vuelvan a unirse Alivian la tensión torsional en el dúplex progenitor causada por el desenrollamiento La RNasa H hidroliza el RNA de híbridos de DNA–RNA La endonucleasa de pestaña 1 (flap endonuclease 1, FEN1) reconoce una “pestaña” (porción no renaturalizada de RNA) cerca del extremo 5’ del cebador y la escinde corrien­te abajo en la región de DNA del cebador; la pestaña es creada por polimerasa δ que desplaza el cebador cuando se sintetiza el fragmento de Okazaki Une mediante un enlace fosfodiéster dos cadenas de DNA adyacentes que están fijas a la misma plantilla Favorece la procesividad de las DNA polimerasas; se une a muchas proteínas presentes en la horquilla de replicación

girasa es una topoisomerasa específica de los procariotes, que es inhibida por la familia de antibióticos quinolonas.

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Bioquímica, biología molecular y genética

t a b l a Polimerasa

Pol α Pol β Pol γ Pol δ Pol ε Pol κ Pol η Pol ξ Pol ι

3-2

Funciones de algunas DNA polimerasas eucarióticas

Funcionesa

Actividad de exonucleasa

Replicación (en complejo con primasa y ayuda a iniciar el cebador) Reparación del DNA Sólo reparación de DNA Replicación del DNA en las mitocondrias Replicación (síntesis de DNA procesiva en la cadena retrasada) Reparación del DNA Replicación (síntesis de DNA procesiva en la cadena adelantada) Reparación del DNA Reparación del DNA (polimerasa translesión)b Reparación del DNA (polimerasa translesión) Reparación del DNA (polimerasa translesión) Reparación del DNA (polimerasa translesión)

No No 3′ a 5′ 3′ a 5′ 3’ a 5’ No No No No

aLa

síntesis de nuevas cadenas de DNA siempre ocurre en el sentido 5’ a 3’. polimerasas translesión rodean o “evitan” zonas de daño del DNA y continúan la replicación del DNA. Algunas enzimas son a prueba de errores e insertan las bases correctas; otras son propensas a errores e insertan bases al azar.

bLas

(1) Cada precursor se aparea con la base correspondiente en la cadena plantilla y forma un enlace fosfodiéster con el grupo hidroxilo en el carbono 3′ del azúcar en el extremo de la cadena en crecimiento (figura 3-14). (2) Se produce pirofosfato y se escinde en dos fosfatos inorgánicos. 4. La DNA polimerasa requiere un cebador o imprimador (figura 3-15). a. Las DNA polimerasas no pueden iniciar la síntesis de nuevas cadenas. b. El RNA sirve como el cebador para la DNA polimerasa in vivo. (1) El RNA cebador, que contiene unos 10 nucleótidos, se forma por copia de la cadena progenitora en una reacción catalizada inicialmente por DNA primasa; después la polimerasa  añade algunos desoxirribonucleótidos al RNA cebador. c. La DNA polimerasa añade desoxirribonucleótidos a los 3′-hidroxilos en los RNA cebadores y después a los extremos de las cadenas de DNA en crecimiento.

FIGURA 3-14. Acción de la DNA polimerasa. Los trifosfatos de desoxirribonucleósido sirven como precursores (sustratos) para que la DNA polimerasa alargue la cadena de DNA. La DNA polimerasa copia la cadena plantilla de DNA en el sentido 3’ a 5’. La nueva cadena crece en el sentido 5’ a 3’.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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FIGURA 3-15. Mecanismo de síntesis de DNA en la horquilla de replicación. Se muestran dos rondas de acción de la polimerasa (➊ y ➋). El número de nucleótidos agregados en cada ronda es mucho mayor que el mostrado; en los eucariotes, alrededor de 10 ribonucleótidos y 200 desoxirribonucleótidos se polimerizan en la cadena retrasada. La síntesis en la cadena adelantada es continua.

d. Las cadenas de DNA progenitor (plantillas) se copian de manera simultánea en las horquillas de replicación, aunque tienen sentidos opuestos. (1) La cadena adelantada se forma por copiado continuo de la cadena progenitora que tiene sentido 3′ a 5′ hacia la horquilla de replicación. (2) La cadena retrasada se forma por copiado discontinuo de la cadena progenitora que tiene sentido 3′ a 5′ desde la horquilla de replicación. (a) Cuando se desenrolla más de la hélice, la síntesis de la cadena retrasada comienza en otro cebador. Los fragmentos cortos que se forman por este proceso se conocen como fragmentos de Okazaki. (b) Los RNA cebadores son retirados por nucleasas (p. ej., RNasa H); luego los huecos resultantes son llenados con los desoxirribonucleótidos apropiados por otra DNA polimerasa.

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Bioquímica, biología molecular y genética

(c) Finalmente, los fragmentos de Okazaki son unidos por DNA ligasa, una enzima que cataliza la formación de enlaces fosfodiéster entre dos cadenas polinucleotídicas. e. En las células eucarióticas, en cada ronda de síntesis se agregan cerca de 200 desoxirribonucleótidos a la cadena retrasada, mientras que en los procariotes se agregan 1 000 a 2 000. 5. La fidelidad de la replicación es muy alta, con tasa de error global de 10–9 a 10–10. a. Los errores (inserción de un nucleótido inapropiado) que se producen durante la replicación pueden corregirse por edición durante el proceso duplicativo. Esta función de lectura de pruebas es realizada por la actividad de 3′ a 5′ exonucleasa del complejo de la polimerasa. b. Los procesos de reparación posreplicación (p. ej., reparación de errores de apareamiento) también incrementan la fidelidad de la replicación.

C. Mutaciones Los cambios en las moléculas de DNA causan mutaciones. Después de la replicación, estos cambios ocasionan alteración permanente de la secuencia de bases en el DNA hijo. 1. Entre los cambios que causan mutaciones están: a. Errores no corregidos cometidos durante la replicación. b. Daño que se produce en el DNA en replicación o no, causado por desaminación oxidativa, radiación o sustancias químicas, con el resultado de rotura de las cadenas de DNA, alteración química o eliminación de bases. 2. Algunos tipos de mutaciones son: a. Mutaciones puntuales (sustitución de una base por otra). b. Inserciones (adición de uno o más nucleótidos a una secuencia de DNA). c. Deleciones (eliminación de uno o más nucleótidos de una secuencia de DNA).

D. Reparación del DNA (figura 3-16) 1. En general, la reparación implica la eliminación del segmento de DNA que contiene una región dañada o bases apareadas incorrectamente, el llenado del hueco por acción de una DNA polimerasa que usa la cadena hermana intacta como plantilla y la ligadura del segmento recién sintetizado al resto de la cadena. 2. Para la reparación se requieren endonucleasas, exonucleasas, una DNA polimerasa y una ligasa. a. La reparación por escisión de nucleótidos implica la eliminación de un grupo de nucleótidos (incluido el nucleótido dañado) de una cadena de DNA. b. En la reparación por escisión de bases interviene una glucosilasa específica que elimina una base dañada mediante hidrólisis de un enlace N-glucosídico, con lo que se obtiene un sitio apurínico o apirimidínico, el cual se escinde y luego se repara. c. La reparación de errores de apareamiento implica la eliminación de la parte de la cadena recién sintetizada de DNA recién replicado que contiene un par de bases erróneamente apareadas (incompatibles). Las bacterias reconocen la cadena recién sintetizada porque, en contraste con la cadena progenitora, aún no se metila. Todavía no se descubre el mecanismo de reconocimiento en los eucariotes. d. La reparación acoplada a la transcripción sucede cuando el aparato de transcripción (que sintetiza RNA a partir de DNA) detecta daño del DNA en el gen que se transcribe. Se convocan enzimas de reparación en la zona del daño antes de que se reinicie la transcripción.

E. Reordenamientos de genes Varios procesos producen nuevas combinaciones de genes, con lo que promueven la diversidad genética. También se les usa para la reparación de roturas de doble cadena en el DNA (recombinación homóloga). La unión de extremos no homóloga (UENH) es otro mecanismo para reparar roturas de doble cadena en el DNA. 1. Ocurre recombinación entre segmentos de DNA homólogos, esto es, aquellos con secuencia muy similar entre sí. 2. La transposición implica el movimiento de un segmento de DNA de un sitio a otro sitio no homólogo. a. Los transposones (“genes saltarines”) son elementos genéticos móviles que facilitan el movimiento de genes. b. Determinados transposones portan un gen adicional, a menudo para resistencia a los antibióticos. El movimiento de los genes de resistencia a antibióticos entre plásmidos y el cromosoma huésped puede generar bacterias con resistencia a múltiples fármacos, a través de la creación de plásmidos R que contienen múltiples genes de resistencia a antibióticos.



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Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

FIGURA 3-16. Reparación del DNA por escisión de bases y por escisión de nucleótidos. Los círculos indican bases normales; los símbolos x y ❙, bases dañadas. El número real de nucleótidos removidos (el tamaño del hueco) es mayor de lo que se muestra.

F. Transcripción inversa 1. La síntesis de DNA a partir de un RNA plantilla es catalizada por la transcriptasa inversa. 2. Los retrovirus contienen RNA como su material genético. a. El RNA retroviral sirve como plantilla para la síntesis de DNA por la transcriptasa inversa. b. El DNA que se genera puede insertarse en el genoma (los cromosomas) de la célula huésped y expresarse. 3. Determinados transposones utilizan transcriptasa inversa para sintetizar copias en DNA del transposón, que entonces pueden integrarse en las regiones del genoma.

CORRELACIÓN CLÍNICA

El cáncer es un grupo de enfermedades en las cuales las células no reaccionan a las restricciones normales del crecimiento. Las principales causas de cáncer son radiación, sustancias químicas y virus. Las dos primeras provocan daño del DNA que, si no se repara con rapidez, produce mutaciones que pueden dar por resultado cáncer. La combustión de material orgánico (p. ej., tabaco) produce sustancias como el benzo(a)pireno que se unen de modo covalente a las bases del DNA, con el resultado de mutaciones que provocan cáncer pulmonar. La radiación ultravioleta (UV), incluida la procedente del Sol, produce dímeros de pirimidina en el DNA que causan cáncer de piel. Este trastorno tiene especial prevalencia en personas con xerodermia pigmentada (XP) porque su sistema de reparación de DNA no funciona de manera normal. Las mutaciones en otros

(continúa)

66

Bioquímica, biología molecular y genética

sistemas de reparación del DNA pueden provocar cáncer colorrectal hereditario sin poliposis (CCHSP) (en el que es defectuosa la reparación de errores de apareamiento), síndrome de Bloom (un defecto en una helicasa necesaria para desenrollar las cadenas de DNA durante la replicación), síndrome de Cockayne (un defecto en la reparación de DNA acoplada a la transcripción) y cáncer mamario (un defecto en la reparación de roturas en una y ambas cadenas del DNA). Los oncogenes son genes que causan cáncer. Sus contrapartes en las células normales, los protooncogenes, intervienen en el crecimiento y el desarrollo normales. Si en las células ingresan oncogenes como consecuencia de infección viral o si los protooncogenes normales se alteran o se expresan de modo anómalo, puede resultar en cáncer. Muchos oncogenes codifican proteínas relacionadas con factores de crecimiento, con receptores de factores de crecimiento, con factores de transcripción o con proteínas cuya síntesis es inducida por factores de crecimiento. Algunos productos oncogénicos ingresan en el núcleo y activan genes. Conforme a la teoría oncogénica, los virus causan cáncer al insertar copias adicionales o anómalas de protooncogenes en las células o al insertar promotores fuertes en regiones que regulan la expresión de esos genes. Los protooncogenes pueden ser amplificados. El gen para el protooncogén o su región de control puede presentar mutaciones por radiación o sustancias químicas. La alteración del producto o del nivel de expresión de un protooncogén produce cambios en las características de proliferación de las células que pueden provocar cáncer. La leucemia mielógena crónica (LMC) puede deberse a una transposición entre los cromosomas 9 y 22, lo que crea una proteína nueva llamada bcr-abl. El estudio de la estructura de bcr-abl permitió el diseño de un fármaco, el imatinib, que se une a bcr-abl e inhibe su actividad no regulada de cinasa, lo cual podría inducir la remisión del cáncer. El cáncer también puede ser resultado de alteraciones en genes que producen proteínas que actúan como supresoras de la proliferación celular. La disminución en la expresión de estos genes supresores (p. ej., p53, el gen del retinoblastoma) causa aumento de la proliferación celular. Los microRNA (miRNA) pueden clasificarse como oncogenes o como supresores tumorales, según la función de los genes que regulan. El tratamiento del cáncer con frecuencia implica fármacos que interfieren en la síntesis de DNA. Por ejemplo, el 5-fluorouracilo (5-FU) impide la conversión de dUMP en dTMP, con lo que reduce la concentración de nucleótidos de timina necesarios para la síntesis de DNA. El metotrexato impide la formación de tetrahidrofolato a partir de sus precursores más oxidados. En consecuencia, se inhibe la formación tanto de timina para la síntesis de DNA como de las purinas para la síntesis de DNA y RNA. Determinados cánceres se hacen resistentes a metotrexato a través de la amplificación del gen de la dihidrofolato reductasa, el blanco del metotrexato. La adriamicina contiene una serie de anillos que se intercalan (deslizan) entre los pares de bases del DNA. En presencia de adriamicina, el DNA no puede actuar como plantilla para la replicación o la transcripción. El etopósido bloquea la acción de la topoisomerasa (una enzima necesaria para el desenrollamiento del DNA durante la replicación) y por tanto bloquea la replicación del DNA.

III.  SÍNTESIS DE RNA (TRANSCRIPCIÓN) •• La transcripción, que es la síntesis de RNA a partir de una plantilla de DNA, es catalizada por RNA polimerasa. Ésta copia una plantilla de DNA en el sentido 3′ a 5′ y sintetiza un RNA monocatenario en el sentido 5′ a 3′. A diferencia de la DNA polimerasa, la RNA polimerasa puede iniciar la síntesis de nuevas cadenas y no requiere un cebador para hacerlo. •• En los eucariotes, el principal producto de la transcripción es modificado y recortado antes de participar en la síntesis de proteínas. La transcripción ocurre en el núcleo y el RNA producto final se exporta al citoplasma, donde se realiza la síntesis de proteínas. •• El mRNA eucariótico, producido por la RNA polimerasa II, se recorta en el extremo 5′ y recibe una cola poli(A) en el extremo 3′. Los intrones (segmentos que no codifican proteína) se eliminan, y los exones (segmentos que producen el mRNA maduro) se empalman entre sí. •• El rRNA de los eucariotes es producido por la RNA polimerasa I como un precursor de 45 S que se metila y escinde para formar tres de los rRNA (de 18 S, 28 S y 5.8 S) que se encuentran en los ribosomas. El rRNA de 5 S es producido por la RNA polimerasa III a partir de un gen separado. El nucléolo es el sitio de producción de rRNA y de ensamblaje en los ribosomas. •• El tRNA eucariótico es producido por la RNA polimerasa III como un precursor que tiene los extremos 5′ y 3′ recortados. Los intrones se eliminan y los exones se empalman entre sí.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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•• En el tRNA maduro se producen nucleótidos peculiares por modificación postranscripcional de nucleótidos normales, y se añade una secuencia CCA en el extremo 3′. •• El RNA eucariótico debe viajar del núcleo al citoplasma para la traducción. •• Las bacterias carecen de núcleo, por lo que transcripción y traducción ocurren al mismo tiempo. Una sola RNA polimerasa produce mRNA, rRNA y tRNA en las bacterias. Los transcritos bacterianos (p. ej., los de E. coli) no contienen intrones.

A. RNA polimerasa 1. La RNA polimerasa puede iniciar la síntesis de nuevas cadenas. No se requiere un cebador. 2. La plantilla de DNA se copia en el sentido 3′ a 5′ y la cadena de RNA crece en el sentido 5′ a 3′. a. La cadena plantilla también se llama cadena antisentido o cadena no codificadora.

3. La cadena de DNA complementaria a la cadena plantilla contendrá la misma secuencia que el RNA que se transcribe, excepto que el DNA contendrá timina (T) y el RNA, uracilo (U). a. La cadena complementaria a la cadena plantilla se llama cadena codificadora. 4. Los trifosfatos de ribonucleósido (ATP, GTP, UTP y CTP) actúan como los precursores de la cadena de RNA. El proceso es similar al de la síntesis de DNA (figura 3-14).

B. Síntesis de RNA en las bacterias 1. La RNA polimerasa de E. coli contiene cuatro subunidades, 2′, que constituyen la enzima central, y una quinta subunidad, el factor sigma (σ), necesario para el inicio de la síntesis de RNA.

2. Los genes contienen una región promotora a la cual se une la RNA polimerasa.

a. Los promotores contienen la secuencia de consenso TATAAT (llamada secuencia –o caja– Pribnow o TATA), cerca de 10 bases corriente arriba (antes) del punto de inicio de la transcripción. (1) Una secuencia de consenso consiste en la secuencia de bases más frecuente en una región dada de todos los DNA examinados. b. Una segunda secuencia de consenso (TTGACA) suele localizarse corriente arriba de la caja Pribnow, alrededor de 35 nucleótidos –35 del punto de inicio de la transcripción. 3. Cuando la RNA polimerasa se une a un promotor, ocurre el desenrollamiento local de la hélice de DNA, de modo que las cadenas de DNA se separan parcialmente. Entonces la polimerasa comienza la transcripción y copia la cadena plantilla. a. Conforme la polimerasa avanza por el DNA, la siguiente región de la doble hélice se desenrolla mientras la región monocatenaria que ya se transcribió vuelve a unirse con su cadena complementaria. b. La terminación ocurre en una región en que el transcrito crea un asa en forma de horquilla que precede a varios residuos U (para la terminación independiente de rho). c. El factor r (rho) ayuda a la terminación de algunos transcritos. Este factor se une al transcrito cuando comienza a sintetizarse y con la ayuda de energía obtenida de la hidrólisis de ATP “tira” del transcrito para desprenderlo de la plantilla y liberarlo en el citoplasma. 4. El mRNA a menudo se produce como un transcrito policistrónico que se traduce conforme se transcribe. a. Un mRNA policistrónico produce varias proteínas distintas durante la traducción, una por cada cistrón. b. El mRNA de E. coli tiene semivida corta. Se degrada en minutos. 5. El rRNA se produce como un transcrito grande que se escinde, para formar el rRNA de 16 S que aparece en la subunidad ribosómica de 30 S y los rRNA de 23 S y 5 S que aparecen en la subunidad ribosómica de 50 S. a Las subunidades ribosómicas de 30 S y 50 S se combinan para formar el ribosoma de 70 S. 6. El tRNA suele producirse a partir de transcritos más grandes que se escinden. Una de las enzimas de escisión, la RNasa P, contiene una molécula de RNA que actúa como catalizador.

C. Síntesis de RNA en el núcleo de los eucariotes 1. Síntesis de mRNA (figura 3-17) a. Los genes eucarióticos que producen mRNA contienen una región promotora basal. Esta región se une a factores de transcripción, en proteínas que fijan RNA polimerasa II, así como RNA polimerasa II. Los promotores contienen varias secuencias conservadas. (1) Una caja TATA (de Hogness), que contiene la secuencia de consenso TATATAA, se localiza aproximadamente a 25 pares de bases corriente arriba –25 del sitio de inicio de la transcripción.

68

Bioquímica, biología molecular y genética Región flanqueadora 5'

Región transcrita

Promotor

Intensificador

Caja CAAT, cajas GC

DNA

Intrón

Caja TATA

TATATAA –110

–40 –30

–20

Proteína Sitio de Sitio de Proteína Señal de Sitio de señal empalme empalme señal adición poliadenilación Sitio casquete de inicio izquierdo derecho antisentido de poli(A)

PyAPy

ATG

AGGT

AGGT

TGA

AATAAA

+1

5' hnRNA Casquete 5' mRNA

Casquete 5' Proteína

Intrón AUG

UGA

poli(A)

Eliminado por empalme

AUG

N

UGA

poli(A)

C

FIGURA 3-17. Representación esquemática de un gen eucariótico, y los pasos necesarios para producir una proteína. El gen consiste en regiones promotora y transcrita. La región transcrita contiene intrones, que carecen de secuencias que codifiquen proteínas y exones, que poseen secuencias codificadoras de proteínas. Las secuencias mostradas son de la cadena codificadora (la cadena de DNA con la misma secuencia del RNA que se producirá, excepto que el RNA tendrá U y el DNA presentará T). La primera forma de RNA producida es RNA nuclear heterogéneo (hnRNA), que contiene tanto secuencias intrónicas como exónicas. El hnRNA se modifida de modo que se agrega un casquete en el extremo 5’ (sitio casquete) y se agrega una cola poli(A) al extremo 3’. Se eliminan los intrones (en un proceso llamado empalme) para producir el mRNA maduro, que sale del núcleo para dirigir la síntesis de proteínas en el citoplasma. Py es pirimidina (C o T). Aunque la caja TATA aún se incluye en esta figura por razones históricas, sólo 12.5% de los promotores eucarióticos contienen esta secuencia.

(2) Con frecuencia se encuentra una caja CAAT cerca de 70 pares de bases corriente arriba del sitio de inicio.

(3) A menudo existen regiones ricas en GC (cajas o secuencias GC) entre –40 y –110. (4) En la figura 3-18 se comparan los promotores eucarióticos y procarióticos. Note los muchos elementos en la región promotora eucariótica que se han identificado como importantes para iniciar la síntesis de RNA, incluidas algunas regiones del DNA dentro de la parte transcrita del gen. b. Los intensificadores son secuencias de DNA que aumentan la velocidad de transcripción. Pueden estar miles de pares de bases corriente arriba o abajo del sitio de inicio. Otras secuencias, llamadas silenciadores, inhiben la transcripción. c. La RNA polimerasa II inicialmente produce un gran transcrito primario llamado RNA nuclear heterogéneo (hnRNA), que contiene exones e intrones. (1) Los exones son secuencias de un transcrito que aparecen en el mRNA maduro. (2) Los intrones son secuencias del transcrito primario que se eliminan y no aparecen en el mRNA maduro. d. El procesamiento del hnRNA genera mRNA maduro, el cual entra en el citoplasma a través de los poros nucleares. (1) El transcrito primario (hnRNA) se recorta en su extremo 5′ durante su transcripción. (2) Una cola poli(A), de 20 a 200 nucleótidos de largo, se añade al extremo 3′ del transcrito. La secuencia AAUAAA del hnRNA sirve como una señal para la escisión del hnRNA y la adición de la cola poli(A) por la poli(A) polimerasa. El ATP actúa como precursor, y no se requiere plantilla. (3) Las reacciones de empalme eliminan los intrones y conectan los exones. (a) El punto de empalme en el extremo 5′ de un intrón suele tener la secuencia GU; es precedido por una AG invariante en el extremo 3′ del exón adyacente a él. En el extremo 3′ del intrón, una AG invariante con frecuencia es seguida por GU en el extremo 5′ del exón adyacente (figura 3-17). (b) En el proceso de escisión y empalme intervienen RNA nucleares pequeños en complejos con proteína (snRNP) (p. ej., U1 y U2). Una estructura en forma de lazo se genera durante la reacción de empalme. (4) Algunos hnRNA contienen 50 o más exones que deben empalmarse correctamente para producir mRNA funcional. Otros hnRNA no tienen intrones. 2. Síntesis de rRNA y ensamblaje de ribosomas



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

69

FIGURA 3-18. Promotores procarióticos y eucarióticos. La región promotora proximal contiene sitios de unión para los factores de transcripción capaces de incrementar la rapidez con que la RNA polimerasa se une al promotor. BRE, elemento de reconocimiento de TFIIB; Inr, elemento iniciador; MTE, elemento motivo diez (motif ten element); DPE, elemento promotor corriente abajo (downstream promoter element).

a. La RNA polimerasa I produce un precursor de 45 S a partir de genes para rRNA localizados en la región fibrosa del nucléolo. Están presentes muchas copias de los genes, unidad entre sí por regiones espaciadoras. b. El precursor de 45 S es modificado por metilación y tiene varias escisiones que en última instancia producen rRNA de 18 S y rRNA de 28 S; este último está unido por enlaces de hidrógeno a un rRNA de 5.8 S. c. El rRNA de 18 S forma un complejo con proteínas y crea la subunidad ribosómica de 40 S. d. Los rRNA de 28 S, 5.8 S y 5 S forman complejos con proteínas y generan la subunidad ribosómica de 60 S. La RNA polimerasa III pruduce rRNA de 5 S fuera del nucléolo. e. Las subunidades ribosómicas migran a través de los poros nucleares al citoplasma, donde forman complejos con mRNA, creando ribosomas de 80 S. (Dado que los coeficientes de sedimentación reflejan tanto la forma como el peso de las partículas, no son aditivos.) f. Los precursores de rRNA pueden contener intrones que se eliminan durante la maduración. En algunos organismos, la actividad enzimática que elimina los intrones del rRNA reside en el rRNA precursor. No se requieren proteínas. Estos RNA autocatalíticos se conocen como ribozimas. 3. Síntesis de tRNA a. La RNA polimerasa III es la enzima que produce tRNA. El promotor se localiza dentro de la región codificadora del gen. b. Los transcritos primarios para tRNA se escinden en los extremos 5′ y 3′. c. Algunos precursores contienen intrones que se eliminan. d. Durante el procesamiento de los tRNA precursores, los nucleótidos se modifican. La modificación postranscripcional incluye la conversión de uridina en seudouridina (ψ), ribotimidina (T) y dihidrouridina (D). También se producen otros nucleótidos poco comunes. e. La adición de la secuencia CCA al extremo 3′ es catalizada por la nucleotidil-transferasa.

CORRELACIÓN CLÍNICA

Los compuestos que inhiben la síntesis de RNA pueden utilizarse como antibióticos. Estos antibióticos afectan de manera selectiva el funcionamiento bacteriano y tienen efectos secundarios mínimos en el ser humano; suelen seleccionarse para tratar infecciones bacterianas. La rifampicina, que inhibe el inicio de la síntesis de RNA en los procariotes, se usa para tratar la tuberculosis. La -amanitina, derivada del hongo tóxico Amanita phalloides, inhibe las RNA polimerasas eucarióticas, en particular la polimerasa II. La ingestión de pequeñas cantidades de -amanitina causa inicialmente problemas gastrointestinales, pero puede provocar la muerte con rapidez.

70

Bioquímica, biología molecular y genética

IV.  SÍNTESIS DE PROTEÍNAS (TRADUCCIÓN DEL mRNA) •• La traducción ocurre en el citoplasma de las células eucarióticas, en los ribosomas. •• Durante la traducción, el mRNA determina la secuencia de los aminoácidos en la proteína que se produce. •• El mRNA se combina con los ribosomas, que contienen rRNA. Muchos ribosomas pueden unirse al mismo tiempo a una sola molécula de mRNA, formando un polisoma. •• El tRNA lleva aminoácidos al sitio ribosómico de síntesis de proteínas. El anticodón en cada aminoaciltRNA se combina con el codón complementario en el mRNA. Un codón es la secuencia de tres nucleótidos en el mRNA que especifica un aminoácido en particular. •• Una cadena polipeptídica se inicia con el aminoácido metionina (codón = AUG). •• Después, se añaden aminoácidos a la cadena polipeptídica en crecimiento conforme a la secuencia de codones en el mRNA. Aminoacil-tRNA y GTP proporcionan energía para el alargamiento de la cadena. •• Una proteína se sintetiza de su extremo N a su extremo C, siguiendo los codones del mRNA en el sentido 5′ a 3′. •• Cuando la síntesis del polipéptido es completa, un codón finalizador (UGA, UAG o UAA) hace que la cadena polipeptídica se libere. •• Las proteínas de membrana, las secretorias y algunas dirigidas al organelo se sintetizan en el retículo endoplásmico rugoso (RER; hay ribosomas unidos a la superficie externa del RE).

A. Código genético (tabla 3-3) 1. El código genético es la colección de codones que especifican todos los aminoácidos presentes en las proteínas.

2. Un codón es una secuencia de tres bases (triplete) en el mRNA (5′ a 3′), que especifica (corresponde a) un aminoácido en particular. Durante la traducción, los codones sucesivos en un mRNA determinan la secuencia en que los aminoácidos se añaden a la cadena polipeptídica en crecimiento. a. El código genético es degenerado (redundante). Cada uno de los 20 aminoácidos comunes tiene al menos un codón; muchos aminoácidos tienen numerosos codones. b. El código genético es no superponible (es decir, cada nucleótido se usa sólo una vez); comienza con un codón de inicio (AUG) cerca del extremo 5′ del mRNA y termina con un codón finalizador (de alto) (UGA, UAG o UAA) cerca del extremo 3′. c. El código es libre de marcas (es decir, no hay roturas u otras marcas que distingan un codón del siguiente).

t a b l a

3-3

Código genético

Primera base (5′) U

C

A

G

aTerm

Segunda base U Phe Phe Leu Leu Leu Leu Leu Leu Ile Ile Ile Met Val Val Val Val

C Ser Ser Ser Ser Pro Pro Pro Pro Thr Thr Thr Thr Ala Ala Ala Ala

Tercera base A Tyr Tyr Terma Term His His Gln Gln Asn Asn Lys Lys Asp Asp Glu Glu

= codón finalizador (o alto); es la señal para suspender la traducción de un mRNA.

G Cys Cys Term Trp Arg Arg Arg Arg Ser Ser Arg Arg Gly Gly Gly Gly

(3′) U C A G U C A G U C A G U C A G



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

71

d. El código es casi universal. El mismo codón especifica el mismo aminoácido en casi todas las especies estudiadas; sin embargo, se han observado algunas diferencias en los codones usados en las mitocondrias. e. La mitocondria, el organelo generador de energía de la célula, tiene su propio cromosoma circular de DNA y aparato de biosíntesis de proteína. Sólo un pequeño número de proteínas mitocondriales son codificadas por el genoma mitocondrial; el resto son codificadas por el genoma nuclear. f. El codón iniciador (AUG) determina el marco de lectura. Los nucleótidos ulteriores se leen en grupos de tres, de manera secuencial después de este codón.

B. Efecto de las mutaciones en las proteínas 1. Las mutaciones en el DNA se transcriben en mRNA, y por tanto pueden causar cambios en la proteína codificada.

2. Los diversos tipos de mutaciones que ocurren en el DNA tienen diferentes efectos en la proteína codificada. a. Las mutaciones puntuales se presentan cuando una base en el DNA es sustituida por otra, alterando el codón en el mRNA. (1) Las mutaciones silenciosas no afectan la secuencia de aminoácidos de una proteína (p. ej., CGA por CGG no causa cambios, ya que ambos codones especifican arginina). (2) Las mutaciones de sentido alterado hacen que un aminoácido sea sustituido por otro (p. ej., CGA por CCA hace que la arginina sea sustituida por prolina). (3) Las mutaciones interruptoras (o antisentido) causan la terminación prematura de la cadena polipeptídica en crecimiento (p. ej., CGA por UGA hace que la arginina sea sustituida por un codón finalizador). b. Las inserciones ocurren cuando se agregan una o más bases al DNA. Pueden dar por resultado una proteína con más aminoácidos de lo normal. c. Se producen deleciones cuando se eliminan una o más bases del DNA. Pueden dar por resultado una proteína con menos aminoácidos de lo normal. d. Las mutaciones por desplazamiento del marco de lectura ocurren cuando el número de bases agregadas o eliminadas no es un múltiplo de tres. El marco de lectura se desplaza de modo que se leen grupos de codones completamente distintos a partir del punto en que comienza la mutación.

CORRELACIÓN CLÍNICA

Existen muchas enfermedades relacionadas con hemoglobina anómala. La anemia de células falciformes o drepanocitemia resulta de una mutación puntual (GAG por GTG) que hace que el glutamato sea sustituido por valina en la posición 6 de la cadena de la -globina. Las interacciones hidrófobas entre estos residuos valina en diferentes moléculas de hemoglobina causan polimerización de la hemoglobina drepanocítica, que altera la forma de los eritrocitos y da por resultado hemólisis. En la hemoglobina Wayne, la deleción de una base causa un desplazamiento del marco de lectura que produce la secuencia de aminoácidos equivocada en la cadena más allá de la posición 127. La hemoglobina C se debe a una mutación puntual, también en la posición 6 de la cadena de la -globina, lo cual hace que una lisina sustituya al glutamato en esta posición. Esto ocasiona anemia leve, sin drepanocitemia. Sin embargo, los heterocigotos HbS/HbC sí tienen considerable drepanocitemia, más que los heterocigotos HbA/HbS. En las talasemias (un grupo de anemias hemolíticas), las mutaciones pueden afectar todos los pasos del metabolismo del RNA. Una talasemia es un desequilibrio en la síntesis de las proteínas globina; una -talasemia es un exceso de subunidades , mientras que una -talasemia es un exceso de subunidades . Las talasemias pueden resultar de una variedad de mutaciones, algunas de las cuales se describen enseguida. Las sustituciones en la caja TATA reducen el funcionamiento del promotor. Las mutaciones en las uniones de empalme crean sitios de empalme alternos. Un cambio en el sitio de poliadenilación (AATAAA por AATAGA) da por resultado procesamiento incorrecto del hnRNA y el mRNA anómalo se degrada. Un cambio de CAG por TAG produce un codón finalizador en la posición 39 el cual causa la síntesis de una proteína acortada no funcional. Estas mutaciones hacen que se produzcan cantidades insuficientes de cadenas de globina, y resulta en anemia. Las mutaciones en intrones que crean un sitio de empalme críptico también darán por resultado menor síntesis de una de las cadenas de globina.

C. Formación de aminoacil-tRNA (figura 3-19) Los aminoácidos se activan y unen a sus correspondientes tRNA por la acción de enzimas altamente específicas conocidas como aminoacil-tRNA sintetasas. 1. Cada aminoacil-tRNA sintetasa reconoce un aminoácido en particular y los tRNA específicos para ese aminoácido.

72

Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-19. Formación de aminoacil-tRNA. El aminoácido se enlaza de modo covalente al 3´-hidroxilo de la ribosa terminal (como se muestra) o al 2´-hidroxilo de la ribosa terminal.

2. Primero, un aminoácido reacciona con ATP, formando un complejo enzimático (aminoacil-AMP) y pirofosfato, que se escinde a 2 Pi.

3. El aminoacil-AMP entonces forma un éster con el 2′-hidroxilo o 3′-hidroxilo de un tRNA específico para ese aminoácido, lo que produce un aminoacil-tRNA y AMP.

4. Una vez que un aminoácido se une a un tRNA, la inserción del aminoácido en una cadena polipeptídica en crecimiento depende de la interacción codón–anticodón (figura 3-20).

FIGURA 3-20. Enlace antiparalelo de aminoacil-tRNA a mRNA.



73

Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción) Casquete 5' ATP Met GTP Subunidad ribosómica pequeña

UA A AUG GUU C C A C AA

ADP + Pi

Complejo eIF4F ( ) ( ) Casquete 5'

eIF3

Met

Met GTP AU G GUU C C A

3'

Subunidad ribosómica grande

eIFs ( )

GDP + Pi eIF (incluido eIF3)

GTP Met

Met-tRNAi eIF2-GTP ( GTP )

3' mRNA

Sitio P Sitio E Met

Met-tRNA i

Casquete 5'

–1

Met

Sitio A AU G GUU C C A

3'

FIGURA 3-21. Reacciones de inicio de la síntesis de proteínas. Los eIF son factores de inicio en los eucariotes (IF en los procariotes). Se muestra la secuencia de inicio eucariótica.

D. Inicio de la traducción (figura 3-21) 1. En los eucariotes, el metionil-tRNAiMet se une a la subunidad ribosómica pequeña. El casquete 5′ del mRNA se une a la subunidad pequeña y el primer codón AUG aparea sus bases con el anticodón en el metionil-tRNAiMet. La metionina que inicia la síntesis de proteínas es retirada después del extremo N del polipéptido. a. En las bacterias, la metionina que inicia la síntesis de proteínas se formila y es llevada por tRNAfMet. b. Los procariotes no contienen un casquete 5′ en su mRNA. Una secuencia de mRNA corriente arriba del sitio de inicio de la traducción (la secuencia de Shine–Dalgarno) se une al extremo 3′ del rRNA de 16 S. 2. La subunidad ribosómica grande se une, lo cual completa el complejo de inicio. a. El metionil-tRNAiMet se une al sitio P (peptidilo) del complejo. b. El sitio A (aceptor o aminoacilo) del complejo queda desocupado. c. El sitio E (de expulsión) está desocupado y se usa para eliminar tRNA libre del ribosoma después de que se ha creado un enlace peptídico entre los dos aminoácidos transportados por el tRNA. 3. Se requieren factores de inicio, ATP y GTP para la formación del complejo de inicio. a. Los factores de inicio se designan IF-1, IF-2 e IF-3 en los procariotes. En los eucariotes, se les designa eIF-1, eIF-2, etcétera. Puede haber siete o más de ellos. b. La liberación de los factores de inicio requiere la hidrólisis de GTP a GDP y Pi. 4. Las diferencias en el inicio entre las células procarióticas y eucarióticas se resumen en la tabla 3-4.

t a b l a

3-4

Diferencias entre eucariotes y procariotes en el inicio de la síntesis de proteínas

Unión del mRNA a la subunidad ribosómica pequeña

Primer aminoácido Factores de inicio Ribosomas

Eucariotes

Procariotes

El casquete en el extremo 5’ del mRNA se une a algunos eIF y a la subunidad ribosómica de 40 S que contiene tRNAiMet. El mRNA es inspeccionado en busca del codón iniciador AUG dentro de la secuencia de consenso de Kozak Metionina eIF (12 o más)

La secuencia de Shine–Dalgarno co­ rriente arriba del AUG iniciador se une a la secuencia complementaria en el rRNA de 16 S Formil-metionina IF (3)

80 S (subunidades de 40 S y 60 S)

70 S (subunidades de 30 S y 50 S)

74

Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-22. Elongación de una cadena polipeptídica. (1) Unión de valil-tRNAVal al sitio A. (2) Formación de un enlace peptídico. (3) Transposición y expulsión del tRNA libre. Después del paso 3, se repite el paso 1 usando el aminoacil-tRNA para el nuevo codón en el sitio A. Continúan los pasos 2 y 3. Estos tres pasos se repiten hasta la finalización. eEF, factor de elongación eucariótico.

E. Elongación de las cadenas polipeptídicas (figura 3-22) La adición de cada aminoácido a la cadena polipeptídica en crecimiento implica la unión de un aminoacil-tRNA al sitio A, la formación de un enlace peptídico y la transposición del peptidil-tRNA al sitio P. 1. Unión del aminoacil-tRNA al sitio A a. El codón de mRNA en el sitio A determina cuál aminoacil-tRNA se unirá. (1) El codón y el anticodón se unen por apareamiento de bases, que es antiparalelo (figura 3-20). (2) Se agregan residuos metionina internos a la cadena polipeptídica en respuesta a codones AUG. Son llevados por tRNAmMet, un segundo tRNA específico para metionina, que no se usa para iniciar la síntesis de proteínas. b. Para la unión se requieren un factor de elongación (EF-Tu en procariotes y eEF-1 en eucariotes) e hidrólisis de GTP. 2. Formación de un enlace peptídico a. Se forma un enlace peptídico entre el grupo amino del aminoacil-tRNA en el sitio A y el carbonilo del grupo aminoacilo unido al tRNA en el sitio P. La formación del enlace peptídico es catalizada por peptidil-transferasa, que es una actividad del rRNA en la subunidad ribosómica grande (un ejemplo de ribozima). b. El tRNA en el sitio P ya no contiene un aminoácido. Está “descargado”. c. La cadena polipeptídica en crecimiento está unida al tRNA en el sitio A. 3. Transposición del peptidil-tRNA a. El peptidil-tRNA (junto con el mRNA unido) se mueve del sitio A al sitio P, y el tRNA descargado se mueve al sitio E antes de ser liberado del ribosoma. Para la transposición se requieren un factor de elongación (EF-2 en los eucariotes y EF-G en los procariotes) y la hidrólisis de GTP. b. El siguiente codón en el mRNA está ahora en el sitio A. c. Los pasos de elongación y transposición se repiten hasta que un codón finalizador se mueve al sitio A.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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FIGURA 3-23. Un polisoma.

F. Terminación de la traducción Cuando un codón finalizador (UGA, UAG o UAA) ocupa el sitio A, factores de liberación hacen que el polipéptido recién sintetizado se separe por hidrólisis del tRNA y se libere del ribosoma y las subunidades ribosómicas se disocian del mRNA.

G. Polisomas (figura 3-23) 1. Más de un ribosoma puede estar unido a un mismo mRNA en cualquier momento dado. El complejo de mRNA con múltiples ribosomas se conoce como polisoma.

2. Cada ribosoma porta una cadena polipeptídica creciente que se alarga conforme el ribosoma se acerca al extremo 3′ del mRNA.

CORRELACIÓN CLÍNICA

Los compuestos que inhiben la síntesis de proteínas también se utilizan como antibióticos. Estreptomicina, tetraciclina, cloranfenicol y eritromicina inhiben la síntesis proteínica en los ribosomas de los procariotes (70 S) y se usan para tratar diversas infecciones. Debido a que las mitocondrias contienen ribosomas tipo 70 S que funcionan de modo similar a como lo hacen los de las células procarióticas, estos compuestos también inhiben la síntesis proteínica mitocondrial. El cloranfenicol es particularmente dañino para los ribosomas mitocondriales y debe usarse con cautela. La estreptomicina se une a la subunidad ribosómica de 30 S de los procariotes y causa la lectura errónea del mRNA, con lo que impide la formación del complejo de inicio. La tetraciclina se une a la subunidad ribosómica de 30 S de los procariotes e inhibe la unión del aminoacil-tRNA al sitio A. El cloranfenicol inhibe la actividad de peptidil-transferasa de la subunidad ribosómica de 50 S de los procariotes. La eritromicina se une a la subunidad ribosómica de 50 S de los procariotes e impide la transposición. Algunos inhibidores de la síntesis de proteínas no se usan en clínica pero son instrumentos de investigación útiles. La puromicina se une al sitio A, forma un enlace peptídico con la cadena peptídica en crecimiento y termina la síntesis de modo prematuro. Actúa tanto en procariotes como en eucariotes. La cicloheximida inhibe la peptidil-transferasa en eucariotes. También se han identificado inhibidores de la síntesis de proteínas que causan enfermedad. En la actualidad se produce toxina diftérica a partir de genes fágicos incorporados en la bacteria Corynebacterium diphtheriae. La toxina causa difteria, una enfermedad letal de las vías respiratorias. El fragmento A de la toxina cataliza la ADP-ribosilación de EF-2, con lo que inhibe la transposición en los eucariotes. Las células que incorporan el fragmento A de la toxina mueren con rapidez debido a la falta de síntesis de proteínas. La ricina, una glucoproteína presente en el aceite de ricino, es una toxina que inhibe la síntesis de proteínas al actuar como una N-glucosidasa, y escindir una base adenina específica del rRNA de 28 S en la subunidad ribosómica grande, dejando intacto el esqueleto de azúcar–fosfato. Esta escisión anula la actividad del ribosoma (principalmente el factor de inicio y la unión del factor de elongación al ribosoma), con lo que inhibe la síntesis de proteínas. H. Procesamiento postraduccional Después de que se completa la síntesis, las proteínas pueden ser modificadas por fosforilación, glucosilación, ADP-ribosilación, hydroxilación y adición de otros grupos (figura 3-24).

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Bioquímica, biología molecular y genética

Adición de carbohidrato O-glucosilación: OH de ser, thr, tyr R

O

O

N-glucosilación: NH2 de asn

CH2

R

O

ser

N

C

CH2

asn

N AC

AC

Adición de lípido

Palmitoilación: SH interno de cys

Miristoilación: NH de gly N terminal

O H3C

O

H N

O

(CH2)14 C

S

H3C

CH2

(CH2)12 C

O N H

CH2

cys

gly

Prenilación: SH de cys O Cys C OCH3 SH CH3 CH3 C

Cys

CH3

C H

C H

CH2 (CH2 C

CH2)2

Regulación O O–

P

S

CH3

C N H

–

O

ser

C

O OCH3

Acetilación: NH2 de lys, extremo N terminal O

Fosforilación: OH de ser, thr, tyr CH2 O

CH2 CH2

O Adenina

CH2 O

O

P O

O –

P

O

CH2

–

O

H N

O

NH2 C

CH2

Oxidación: pro, lys N

H

CH C

O

CH2

CH2

arg HO

OH

Aminoácidos modificados

H2C

CH2

+

O

H

pro

CH2

lys

ADP-ribosilación: N de arg, gln; S de cys

HO

C

OH

Carboxilación: glu

C

CH2 OH

4-hidroxiprolina

CH2

glu –

COO

CH COO–

Residuo

γ-carboxiglutamato

FIGURA 3-24. Modificaciones postraduccionales de los aminoácidos en las proteínas. El grupo agregado se muestra en verde.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

77

FIGURA 3-25. Síntesis de proteínas en el RER. Después de iniciarse la síntesis en el citosol, la SRP se une al péptido señal y transpone el complejo ribosoma-mRNA al RE, para continuar la síntesis y para permitir el ingreso de la proteína en la luz del RE a medida que se sintetiza. Una vez que se completa la síntesis el RE y el aparato de Golgi modifican de manera apropiada la proteína y la dirigen al sitio correcto dentro o fuera de la célula.

I. Síntesis y liberación de proteínas dirigidas y secretorias (figura 3-25) 1. Determinadas proteínas destinadas a organelos intracelulares se marcan mediante la inclusión de una secuencia de aminoácidos específica en la proteína. a. SKL en el extremo carboxilo dirigirá las proteínas citoplásmicas a los peroxisomas. b. KDEL cerca del extremo carboxilo de las proteínas en la luz del RE permitirá que estas proteínas permanezcan dentro del RE. c. Las secuencias muy básicas (como las que contienen arginina y lisina, a veces separadas por secuencias espaciadoras) dirigirán proteínas específicas sintetizadas en el citoplasma hacia el núcleo. d. La adición de manosa-6-fosfato a las proteínas en el RE y el aparato de Golgi dirigirá esas proteínas hacia los lisosomas. 2. Las proteínas secretorias destinadas a ser liberadas de la célula y determinadas proteínas dirigidas (como las proteínas lisosómicas) se sintetizan en ribosomas unidos al RER en las células eucarióticas. 3. Una secuencia señal hidrófoba en el extremo N de una proteína secretoria hace que la proteína naciente pase a la luz del RER. La secuencia señal se escinde del extremo N y la proteína puede ser glucosilada en el RER. 4. La proteína viaja en vesículas al aparato de Golgi, donde es posible que sea glucosilada aún más y se empaca en vesículas secretorias. 5. Las vesículas secretorias que contienen la proteína viajan del aparato de Golgi a la membrana celular. La proteína se libera de la célula por exocitosis. 6. Si la proteína se dirigirá a un organelo intracelular, se une a receptores específicos, que se incorporan a vesículas secretorias formadas en el aparato de Golgi, y la vesícula viaja al órgano de destino para entregar la proteína al organelo.

V.  REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE PROTEÍNAS •• La regulación de la síntesis de proteínas en los procariotes se realiza principalmente al nivel transcripcional y en ella participan unidades genéticas llamadas operones. •• Los operones contienen regiones promotoras donde las proteínas se unen y facilitan o inhiben la unión de la RNA polimerasa. •• Cuando la RNA polimerasa transcribe los genes estructurales de un operón, se produce un mRNA policistrónico (es decir, un mRNA que codifica más de un polipéptido). •• En los eucariotes, la regulación de la síntesis de proteínas puede ocurrir por modificación de DNA o al nivel de la transcripción en el núcleo, el procesamiento del mRNA en el núcleo, o la traducción en el citoplasma.

78

Bioquímica, biología molecular y genética

•• Es posible eliminar genes de las células o amplificarlos, reordenarlos o modificarlos (p. ej., por metilación). •• Las histonas reprimen de manera inespecífica la transcripción de genes. •• Elementos regulatorios en las secuencias de DNA controlan la expresión de genes que producen proteínas. Entre esos elementos están el promotor basal (caja TATA y otras secuencias cerca del sitio de inicio), intensificadores y silenciadores. •• Los inductores hacen que las proteínas se unan a secuencias de DNA (elementos de respuesta) y estimulan la transcripción de genes específicos. •• La regulación ocurre durante el procesamiento del hnRNA para formar mRNA, e implica el uso de sitios de inicio alternos para la transcripción, sitios de empalme alternos para la eliminación de intrones, sitios de poliadenilación alternos para la adición de la cola poli(A) y edición de RNA. •• La síntesis de proteínas puede regularse al nivel de la traducción. •• La síntesis de proteínas puede regularse mediante la degradación del mRNA por RNA silenciador (miRNA).

A. Regulación de la síntesis de proteínas en los procariotes 1. Relación de la síntesis de proteínas con el suministro de nutrimentos a. Los procariotes reaccionan a los cambios en el suministro de nutrimentos de un modo que les permite obtener o conservar energía del modo más eficiente. (1) Los procariotes, como E. coli, requieren una fuente de carbono, por lo común un azúcar que se oxida para liberar su energía. (2) También se requiere una fuente de nitrógeno para la síntesis de aminoácidos con los cuales producir proteínas estructurales y enzimas. b. E. coli usa glucosa de manera preferente siempre que esté disponible. Las enzimas de las vías para la utilización de glucosa se generan de manera constitutiva (es decir, se producen constantemente). c. Si no hay glucosa en el medio pero se dispone de otro azúcar, E. coli produce las enzimas y otras proteínas que permiten a la célula obtener energía de ese azúcar. El proceso por el cual se regula la síntesis de las enzimas se denomina inducción. d. Si hay un aminoácido en el medio, E. coli no necesita sintetizar ese aminoácido y conserva energía al dejar de producir las enzimas requeridas para su síntesis. El proceso por el cual se regula la síntesis de esas enzimas recibe el nombre de represión. 2. Operones a. Un operón es un grupo de genes adyacentes entre sí en el genoma que se controlan de manera coordinada; es decir, los genes están todos activados o todos inactivados. b. Los genes estructurales de un operón codifican una serie de proteínas diferentes. (1) A partir de un operón se transcribe un solo mRNA policistrónico. Este mRNA único codifica todas las proteínas del operón. (2) Una serie de codones iniciadores y finalizadores en el mRNA policistrónico permite producir varias proteínas diferentes al nivel traduccional a partir de un solo mRNA. c. La transcripción comienza cerca de una región promotora, situada corriente arriba del grupo de genes estructurales. d. Asociada con el promotor hay una secuencia corta, el operador, que determina si los genes se expresan o no. e. La unión de una proteína represora a la región operadora impide la unión de RNA polimerasa al promotor e inhibe la transcripción de los genes estructurales del operón (figura 3-26). (1) Las proteínas represoras son codificadas por genes regulatorios, que pueden localizarse en cualquier sitio del genoma. 3. Inducción (figura 3-27) a. La inducción es el proceso por el cual el inductor (una molécula pequeña) estimula la transcripción de un operón. b. Con frecuencia el inductor es un azúcar (o un metabolito de un azúcar) y las proteínas producidas a partir del operón inducible permiten el metabolismo del azúcar. (1) El inductor se une al represor, con lo cual lo inactiva. (2) El represor inactivo no se une al operador. (3) Por lo tanto, la RNA polimerasa puede unirse al promotor y transcribir el operón. (4) Las proteínas estructurales codificadas por el operón se producen.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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FIGURA 3-26. Regulación de operones por represores. Cuando la proteína represora se une al operador, la RNA polimerasa no puede unirse y por tanto no ocurre la transcripción.

c. El operón para la lactosa (operón lac) es inducible. (1) Un metabolito de la lactosa, la alolactosa, es el inductor. (2) Las proteínas producidas por los genes del operón lac permiten a la célula oxidar lactosa como fuente de energía. El gen Z produce una -galactosidasa; el gen Y, una lactosa permeasa; y el gen A, una transacetilasa. (3) El operón lac sólo se induce en ausencia de glucosa. Exhibe represión por catabolito (ver la siguiente sección). 4. Represión a. La represión es el proceso por el cual un correpresor (una molécula pequeña) inhibe la transcripción de un operón (figura 3-28).

FIGURA 3-27. Un operón inducible (p. ej., el operón lac). En ausencia del inductor, el represor es activo y se une al operador, con lo que impide que la RNA polimerasa se una. De este modo, no ocurre la transcripción. En presencia del inductor, se une al represor y lo inactiva, por lo que éste no se une al operador. Por lo tanto, la RNA polimerasa puede unirse a los genes estructurales y transcribirlos.

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Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-28. Un operón represible. El represor es inactivo hasta que una molécula pequeña, el corre­pre­ sor, se une a él. El complejo represor-correpresor se une al operador e impide la transcripción.

b. El correpresor suele ser un aminoácido y las proteínas producidas a partir del operón represible intervienen en la síntesis del aminoácido. (1) El correpresor se une al represor, activándolo. (2) El represor activo se une al operador. (3) Por lo tanto, la RNA polimerasa no puede unirse al promotor y el operón no se transcribe. (4) La célula deja de producir las proteínas estructurales codificadas por el operón. c. El operón para triptófano (operón trp) es represible. (1) El triptófano es el correpresor. (2) Las proteínas codificadas por el operón trp participan en la síntesis de triptófano. (3) El operón trp se reprime en presencia de triptófano, dado que las células no necesitan producir el aminoácido si está presente en el medio. 5. Control positivo a. Algunos operones son activados por mecanismos que activan la transcripción. b. Cuando el represor del operón para arabinosa (operón ara) se une a arabinosa, cambia la conformación y se convierte en un activador que estimula la unión de la RNA polimerasa al promotor. El operón se transcribe entonces, y se producen las proteínas requeridas para la oxidación de la arabinosa. 6. Represión por catabolito (figura 3-29) a. Las células usan glucosa de preferencia cuando está disponible. b. Algunos operones (p. ej., lac y ara) no se expresan cuando hay glucosa en el medio. Estos operones requieren cAMP para su expresión. (1) La glucosa reduce las concentraciones de cAMP en las células. (2) Cuando la glucosa disminuye, las concentraciones de cAMP aumentan. (3) El cAMP se une a la proteína activadora de catabolito (CAP). (4) El complejo cAMP–proteína se une al sitio A cerca del promotor del operón y facilita la unión de la RNA polimerasa al promotor. c. El operón lac exhibe represión por catabolito. (1) En presencia de lactosa y en ausencia de glucosa, el represor lac se inactiva, y las altas con­ cenraciones de cAMP facilitan la unión de la RNA polimerasa al promotor. (2) El operón se transcribe, y se producen las proteínas que permiten a las células utilizar lactosa. 7. Atenuación a. En las células bacterianas, transcripción y traducción ocurren de manera simultánea. b. La atenuación se produce por un mecanismo en el cual la traducción rápida del transcrito naciente causa la terminación de la transcripción. c. Mientras se produce el transcrito, si los ribosomas se unen y traducen con rapidez el transcrito, se genera una estructura secundaria en el mRNA que es una señal de terminación para la RNA polimerasa.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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FIGURA 3-29. Represión por catabolito. El operón sólo se transcribe cuando la glucosa es baja. El monofosfato de adenosina cíclico (cAMP) se eleva y el inductor se une al represor, inactivándolo. En estas condiciones, el complejo cAMP-CAP se forma y se une al DNA, lo cual facilita el inicio de la transcripción por la RNA polimerasa. Como se muestra en esta figura, el operón lac exhibe represión por catabolito.



d. Si la traducción es lenta, esta estructura de terminación no se forma y la transcripción continúa. (1) Múltiples codones para el aminoácido se localizan cerca del sitio de inicio de la traducción del mRNA. (2) Cuando las células contienen bajas concentraciones de aminoácido (que es producido por las enzimas codificadas por el operón), se dispone de menos aminoacil-tRNA para unirse a esos codones y la traducción se hace lenta. e. El operón trp, así como otros operones de la síntesis de aminoácidos, es regulado por atenuación. 8. Algunos factores, como sigma, afectan la actividad de RNA polimerasa. Estos factores se unen a la RNA polimerasa central e incrementan su capacidad de unirse a promotores específicos.

B. Diferencias entre las células eucarióticas y procarióticas importantes para la regulación de la expresión génica 1. Las células eucarióticas experimentan diferenciación y los organismos pasan por diversas etapas del desarrollo.



2. Los eucariotes tienen núcleo. Debido a esto, la transcripción está separada de la traducción. En los procariotes, transcripción y traducción ocurren al mismo tiempo.

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Bioquímica, biología molecular y genética

3. El DNA forma complejos con histonas en los eucariotes, pero no en los procariotes. Al regular la asociación del DNA con histonas se regula la expresión génica en células eucarióticas.

4. El genoma de los mamíferos contiene alrededor de 1 000 veces más DNA que el de E. coli (109 contra 106 pares de bases).

5. La mayoría de las celulas de los mamíferos son diploides. 6. La mayor parte del genoma de las células de los mamíferos no codifica proteínas. 7. Algunos genes eucarióticos, como la mayoría de los genes bacterianos, son únicos (es decir, sólo existen como una copia o una pequeña cantidad de copias por genoma).

8. Otros genes eucarióticos, a diferencia de los genes bacterianos, tienen muchas copias en el genoma (p. ej., genes para tRNA, rRNA, histonas).

9. En todo el genoma eucariótico hay dispersas secuencias de DNA repetitivas relativamente cortas. No codifican proteínas (p. ej., secuencias Alu).

10. Los genes eucarióticos contienen intrones. No así los genes bacterianos. 11. Los genes bacterianos se organizan en operones (grupos que están bajo el control de un solo promotor). Cada gen eucariótico tiene su propio promotor.

C. Regulación de la síntesis de proteínas en los eucariotes La regulación puede resultar de cambios en los genes o de mecanismos que afectan transcripción, procesamiento y transporte de mRNA, traducción de mRNA o estabilidad de mRNA. 1. Cambios en los genes a. Las células pueden perder genes (de manera completa o parcial), de modo que ya no pueden producirse proteínas funcionales (p. ej., durante la diferenciación de los eritrocitos). b. Los genes pueden amplificarse. Por ejemplo, el fármaco metotrexato induce la producción de cientos de copias del gen que codifica la enzima dihidrofolato reductasa, de lo que resulta resistencia al fármaco. c. Es posible el desplazamiento de segmentos de DNA de un sitio a otro del genoma, y los segmentos se relacionan entre sí de diversas maneras de modo que se producen diferentes proteínas. (1) Existen varias posibles secuencias diferentes (o disposiciones) para diversas porciones de un gen productor de anticuerpo. (2) Durante la diferenciación de los linfocitos, se seleccionan y reordenan secuencias específicas de modo que sean adyacentes entre sí en el genoma y puedan actuar como una sola unidad transcripcional para un anticuerpo específico. d. La modificación de las bases en el DNA afecta la actividad transcripcional de un gen. (1) La citosina puede metilarse en su posición 5, lo cual a menudo ocurre en islas de CpG dentro de las regiones promotoras. (2) A mayor grado de metilación, es menos fácil que un gen se transcriba. (a) Los genes de la globina se metilan más en las células no eritrocíticas que en las eritrocíticas, en las cuales se expresan. (b) Diferentes patrones de metilación en varones y mujeres constituyen la base de la improntación (ver Capítulo 10). 2. Regulación del nivel de transcripción a. Las histonas, que son pequeñas proteínas básicas relacionadas con el DNA de los eucariotes, actúan como represores inespecíficos. (1) Las histona acetiltransferasas, o acetilasas (HAT o HAC), acetilan cadenas laterales de lisina en las histonas, lo cual reduce la atracción de cargas entre histonas y DNA (figura 3-30). (2) Las histona desacetilasas (HDAC) eliminan los grupos acetato de las histonas, con lo que permiten a éstas volver a unirse con el DNA. (3) La heterocromatina es la estrecha asociación de histonas y DNA y representa las zonas transcripcionalmente inactivas del genoma. (4) El término eucromatina se refiere a las zonas transcripcionalmente activas del genoma en que se ha reducido la vinculación de histonas con el DNA. b. La expresión de genes específicos es estimulada por mecanismos positivos. c. Los inductores (p. ej., hormonas esteroideas) entran en las células, se unen a receptores de proteína, interactúan con cromatina en el núcleo, y activan genes específicos (ver Capítulo 4). d. Algunos genes tienen más de un promotor. De este modo, el promotor que se use puede diferir en distintas condiciones fisiológicas o en diferentes tipos celulares.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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FIGURA 3-30. Acetilación de histonas. HAC, histona acetilasa; HDAC, histona desactilasa.



3. Remodelación de la cromatina: desplazamiento del nucleosoma de modo que pueda ocurrir la transcripción a. Un complejo de remodelación de cromatina accionado por ATP se une a las regiones del DNA que contienen histonas acetiladas. Bromodominios en las proteínas del complejo reconocen las histonas acetiladas. Una vez unido, usando ATP como fuente de energía, el complejo se mueve y desplaza histonas a fin de liberar una zona del DNA para la transcripción. b. La actividad de histona acetilasa a menudo se relaciona con factores de transcripción que se unen a la región del DNA que debe transcribirse, lo cual facilita la eliminación de las histonas del DNA y la unión del aparato transcripcional (ver figura 3-30). c. La figura 3-31 es una representación de los factores implicados en regular la transcripción de un gen que contiene una secuencia TATA, secuencias intensificadoras y un elemento de respuesta a hormona (HRE). Debe señalarse que determinadas proteínas (coactivadores) no se unen a DNA, sino que se unen a las proteínas de unión a DNA, con las que forman complejos. 4. Regulación durante procesamiento y transporte de mRNA Los mecanismos regulatorios que actúan durante encasquetamiento, poliadenilación y empalme pueden alterar la secuencia de aminoácidos o la cantidad de proteína producida a partir del mRNA. También ocurre edición del mRNA y la rapidez de degradación del mRNA además está regulada. a. Pueden usarse sitios de empalme alternos para producir diferentes mRNA. (1) El uso de sitios de empalme diferentes causa la producción de proteínas diferentes a partir del gen de la calcitonina en la glándula tiroides y el encéfalo (figura 3-32). b. Pueden usarse sitios de poliadenilación alternos para generar diferentes mRNA. (1) Los linfocitos producen un anticuerpo IgM unido a la membrana en una etapa del desarrollo, y en una etapa posterior producen una forma soluble que se secreta. El gen que codifica este anticuerpo contiene dos sitios de poliadenilación, uno después de los dos últimos exones (que codifican una secuencia de aminoácidos hidrófobos) y otro antes de esos exones. (2) Cuando se producen escisión y adición de poli(A) después de los dos últimos exones, el anticuerpo contiene una región hidrófoba que lo ancla en la membrana celular. Cuando ocurre poliadenilación en el primer sitio, el anticuerpo carece de la cola hidrófoba y se secreta de la célula. c. Los mRNA pueden ser degradados por nucleasas después de su síntesis en el núcleo y antes de su traducción en el citoplasma. (1) Los mRNA tienen diferentes semividas. Algunos se degradan más rápido que otros. (2) El interferón estimula la síntesis de 2′,5′-oligo(A), que activa una nucleasa la cual degrada mRNA. d. La edición de RNA implica la modificación (“edición”) de bases en el mRNA después de la transcripción (figura 3-33). e. RNA pequeño de interferencia (SiRNA) (1) Es posible el silenciamiento génico mediante el uso de productos de RNA pequeño (miRNA), capaces de bloquear la traducción de un mRNA específico o inducir la degradación de ese mRNA. (2) Las moléculas de miRNA son los productos de muchos genes dispersos en el cromosoma, algunos situados incluso en los intrones de los genes a los que regulan.

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Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-31. La región de control regulatorio del gen consiste en la región promotora y secuencias regulatorias génicas adicionales, incluidos intensificadores y elementos de respuesta a hormona (HRE). En este caso, se muestra un promotor que contiene una caja TATA. Las proteínas regulatorias génicas que se unen de modo directo al DNA (proteínas de unión a DNA regulatorias) suelen llamarse factores de transcripción específicos o transactivadores; pueden ser activadores o represores de la transcripción de genes específicos. Los factores de transcripción específicos se unen a proteínas mediadoras (coactivadores o correpresores) que interactúan con los factores de transcripción generales del complejo de transcripción basal. Este complejo contiene RNA polimerasa y factores de transcripción generales asociados (factores TFII) y se une, en este caso, a la caja TATA del promotor, con lo que inicia la transcripción génica.

FIGURA 3-32. Empalme alterno del gen de la calcitonina. En las células tiroideas, el hnRNA transcrito a partir del gen de la calcitonina se procesa para formar el mRNA que produce calcitonina. En el encéfalo, el mismo transcrito de este gen se empalma de modo diferente. El primer sitio de poliadenilación se escinde y se usa un segundo sitio de poliadenilación. El producto proteínico es la proteína relacionada con el gen de la calcitonina (CGRP).



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FIGURA 3-33. Edición de RNA. En el hígado, el gen de la apoproteína B (Apo B) produce una proteína (Apo B-100) que contiene más de 4 000 aminoácidos. Es la principal apoproteína de la lipoproteína de muy baja densidad (VLDL). En las células intestinales, el mismo gen produce una proteína que contiene sólo 48% de este número de aminoácidos. Esta proteína (Apo B-48) es la principal apoproteína de los quilomicrones. La “edición” del mRNA (conversión de una C en una U) genera un codón finalizador en el mRNA intestinal.

(3) Los miRNA se sintetizan en el núcleo, y se procesan para formar una molécula activa que se une al RNA objetivo e impide su expresión (figura 3-34).

(4) Mediante moléculas de RNA bicatenario sintetizadas de manera artificial se generará siRNA en las células, esto promete ser un instrumento terapéutico en el futuro.

5. La síntesis de proteínas puede regularse al nivel traduccional, durante las reacciones de inicio o elongación. a. El hem estimula la síntesis de globina al impedir la fosforilación, y por tanto la inactivación de eIF-2, un factor implicado en el inicio de la síntesis de proteínas. b. El interferón estimula la fosforilación de eIF-2, lo que inhibe el inicio. c. Los elementos de respuesta a hierro (IRE) en el mRNA para ferritina (una proteína de almacenamiento de hierro) y el receptor de transferrina (la transferrina porta hierro en la circulación, e ingresa en las células vía unión al receptor de transferrina) regulan la traducción de los mRNA respectivos. Estos elementos desestabilizan el mRNA (receptor de transferrina) o permiten la traducción del mRNA (ferritina) cuando la concentración de hierro es alta (figura 3-35).

FIGURA 3-34. Síntesis y acción del miRNA. Los genes del miRNA son transcritos en el núcleo por la RNA polimerasa II, lo cual genera el miRNA primario, procesados a un miRNA precursor (pre-miRNA), y luego exportados al citoplasma. En el citoplasma el pre-miRNA es procesado aún más por una ribonucleasa (rebanadora o “Dicer”), y el miRNA bicatenario resultante se selecciona por cadenas; la cadena guía (representada en negro) entra en el complejo silenciador inducido por RNA (RISC). La cadena guía de RISC dirige el complejo a la región no traducida 3’ del mRNA objetivo, lo que ocasiona la degradación del mRNA o la inhibición de la traducción.

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Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-35. A. Regulación traduccional de la síntesis de ferritina. El mRNA para la ferritina tiene un elemento de respuesta a hierro (IRE). Cuando la proteína de unión a elemento de respuesta a hierro IRE-BP no contiene hierro unido, se une a IRE, lo cual impide la traducción. Cuando la IRE-BP se une al hierro, se disocia y el mRNA se traduce. B. Regulación de la degradación del mRNA para el receptor de transferrina. La degradación del mRNA se evita por unión de la IRE-BP a elementos de respuesta al hierro (IRE), que son asas en forma de horquillas para el pelo localizadas en el extremo 3’ del mRNA para receptor de transferrina. Cuando las concentraciones de hierro son altas, IRE-BP se une al hierro y no al mRNA. Éste se degrada con rapidez, lo cual impide la síntesis del receptor de transferrina.

CORRELACIÓN CLÍNICA

Tratamiento de infecciones virales. Cuando los virus infectan células, convierten la maquinaria productora de DNA, RNA y proteína de la célula para la producción de genes y proteínas virales (es decir, para la producción de más virus). En la actualidad sólo unos pocos fármacos son eficaces contra infecciones virales. La azidotimidina (AZT), un análogo de la timidina, se fosforila en la célula e inhibe la transcriptasa inversa retroviral (que se usa para hacer copias en DNA del RNA viral) al actuar como finalizador de la cadena de DNA. Se ha usado para tratar infecciones por el VIH en el SIDA. Otros análogos de nucleótido, como la didesoxiinosina (ddI), también actúan como finalizadores de la cadena. En fecha más reciente, se han producido inhibidores de la proteasa del VIH. Estos inhibidores impiden que la proteasa escinda una poliproteína producida a partir del genoma viral en proteínas estructurales y enzimas necesarias para el ensamblaje de partículas virales. En la actualidad, una combinación de inhibidores de proteasa y finalizadores de la cadena de DNA constituyen el tratamiento más exitoso para las infecciones por VIH. Las células infectadas por virus a menudo reaccionan a éste produciendo interferones, que actúan como antivirales y, en determinados casos, como agentes antitumorales. Una célula tratada con interferón exhibirá escasa síntesis de proteínas debido a fosforilación de eIF-2, que forma complejos con eIF-2B y no puede participar en el inicio de la síntesis de proteínas. La inhibición de esta síntesis reduciría la capacidad del virus de proliferar en células reactivas a interferón.

VI.  DNA RECOMBINANTE Y MEDICINA •• Se están usando técnicas nuevas de biología molecular para investigación, diagnóstico médico y producción de proteínas terapéuticas. Son promisorias como futuro tratamiento de enfermedades que actualmente se consideran incurables.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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•• Las enzimas de restricción, que escinden secuencias específicas cortas de DNA, pueden usarse a fin de obtener fragmentos de DNA para estudio o inserción en el DNA de otras fuentes. El producto de esta fusión se conoce como DNA quimérico o recombinante. •• Ya que las cadenas de DNA pueden aparear sus bases con cadenas complementarias de DNA o RNA, se ha desarrollado una técnica conocida como hibridación. Puede usarse DNA marcado como una sonda para identificar secuencias homólogas (complementarias) de DNA o RNA. •• La electroforesis en gel separa fragmentos de DNA por tamaño. •• La secuencia de nucleótidos del DNA puede determinarse y usarse para deducir la secuencia de aminoácidos de la proteína producida a partir del DNA. •• Es posible generar grandes cantidades de DNA mediante la reacción en cadena de la polimerasa (PCR, polymerase chain reaction). •• Los fragmentos de DNA obtenidos, por ejemplo, de DNA genómico o DNA copiado de mRNA (cDNA) pueden amplificarse por PCR y clonarse (es decir, insertarse en otro organismo, donde el DNA ajeno puede replicarse y expresarse). Es posible estudiar entonces los efectos de la proteína producida; en algunos casos, se generan grandes cantidades de la proteína. •• En medicina, las técnicas de DNA recombinante permiten la producción de proteínas específicas que se usan en tratamientos o vacunas. Esas técnicas también se usan para diagnosticar enfermedad, predecir el riesgo de defectos genéticos y determinar paternidad u otros tipos de relaciones. Ya se han usado para tratar enfermedades (terapia génica).

A. Estrategias para obtener copias de genes o fragmentos de DNA 1. Es posible sintetizar secuencias cortas de DNA (oligonucleótidos) in vitro y usarlas como cebadores para la síntesis de DNA o como sondas para la detección de secuencias de DNA o RNA.

2. Las endonucleasas de restricción escinden el DNA en fragmentos.

a. Las endonucleasas de restricción reconocen secuencias cortas en el DNA y cortan ambas cadenas en esta región (figura 3-36). b. La mayoría de las secuencias de DNA reconocidas por estas enzimas son palíndromos (es decir, ambas cadenas de DNA tienen la misma secuencia de bases en el sentido 5′ a 3′). (1) La enzima EcoR1 escinde una región entre una A y una G en cada cadena, con lo que genera dos productos. (2) Las regiones monocatenarias de los productos les permiten renaturalizarse o recombinarse con otro DNA que haya sido escindido por la misma endonucleasa de restricción. c. Un fragmento de DNA que contenga un gen específico puede aislarse de un genoma celular mediante enzimas de restricción. Los genes aislados de células eucarióticas suelen contener intrones, no así los bacterianos. 3. Es posible aislar el mRNA para un gen, y producir una copia en DNA (cDNA) mediante transcriptasa inversa. El cDNA no contiene intrones, ni contiene la región promotora de un gen, ya que esa región no se transcribe. DNA X

EcoR1 produce extremos pegajosos

5' G

DNA Y 3' A A T T C G

C T T A A

3'

5' Los fragmentos aparean sus bases y son unidos por DNA ligasa

FIGURA 3-36. Acción de las enzimas de restricción. EcoR1 corta un palíndromo (5’-GAATTC-3’). Se producen dos fragmentos que contienen regiones monocatenarias complementarias (extremos pegajosos). Si EcoR1 corta dos DNA diferentes (p. ej., X y Y), los extremos pegajosos pueden aparearse para formar un DNA recombinante.

5'

3' G A A T T C

DNA recombinante

C T T AA G 3'

5'

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Bioquímica, biología molecular y genética

B. Técnicas para identificar secuencias de DNA 1. Uso de sondas para detectar secuencias específicas de DNA o RNA a. Una sonda es una cadena individual de DNA capaz de hibridarse (aparear sus bases) con una secuencia complementaria en otro polinucleótido monocatenario de DNA o RNA. b. La sonda debe contener una marca, de modo que pueda detectar un DNA o RNA complementario. La marca puede ser radioactiva (para detectarla por autorradiografía) o química (para identificarla, por ejemplo, mediante fluorescencia. 2. Electroforesis en gel de DNA a. La electroforesis en gel separa cadenas de DNA de longitudes variables. Es posible usar geles de poliacrilamida para separar cadenas cortas de DNA que difieren en longitud por sólo un nucleótido. Los geles de agarosa separan cadenas de mayor tamaño. (1) Dado que el DNA contiene grupos fosfato, con carga negativa, migrará en un campo eléctrico hacia el electrodo positivo. (2) Las cadenas más cortas migran más rápido por los poros del gel, de modo que la velocidad de separación depende de la longitud. (3) Las bandas de DNA en el gel pueden visualizarse por diversas técnicas, como tinción (p. ej., con bromuro de etidio) y autorradiografía (si el gel contiene un compuesto radiactivo, que reaccionará con una placa fotográfica). Las sondas marcadas detectan secuencias de DNA específicas. (4) Es posible realizar pruebas de transferencia de manchas de gel en papel de nitrocelulosa (figura 3-37). (a) En la inmunoelectrotransferencia de DNA o de Southern, una sonda de DNA radiactiva se hibrida con DNA en una mancha de gel en nitrocelulosa. (b) En la inmunoelectrotransferencia de RNA o de Northern, una sonda de DNA radiactiva se hibrida con RNA en una mancha de gel en nitrocelulosa.

FIGURA 3-37. Inmunoelectrotransferencias (manchas, blot) de Southern, Northern y Western. En la Southern blot, el

DNA se somete a electroforesis, se desnaturaliza con álcali, se transfiere a papel de nitrocelulosa (se forma una “mancha”), y se hibrida con una sonda de DNA. En la Northern blot, el RNA se somete a electroforesis y se hibrida con una sonda de DNA. (En este caso no se usa álcali porque el RNA ya es monocatenario, y el álcali lo hidrolizaría.) La técnica de Western blot implica electroforesis de proteínas que se visualizan por unión a anticuerpos. Los ácidos nucleicos y proteínas sólo pueden verse en el gel después de que éste se trata con una sonda marcada (es decir, DNA o anticuerpos marcados).



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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FIGURA 3-38. Técnica de Sanger. A. Las mezclas de reacción contienen uno de los didesoxinucleótidos, como ddATP, y algo del nucleótido normal, dATP, que compite por la incorporación en la cadena polipeptídica creciente. Cuando se encuentra una T en la cadena plantilla (posición 10), algunas de las moléculas incorporan ddATP y la cadena se termina. Las que incorporan un dATP normal continúan creciendo hasta que se alcanza la posición 15, donde incorporan un ddATP o el dATP normal. Sólo las que incorporan un dATP continúan creciendo hasta la posición 17. De este modo se producen cadenas de diferente longitud a partir del extremo 5’, que corresponde a la posición de una T en la cadena plantilla. B. Secuenciación de DNA por el método de didesoxinucleótidos. Se emplean cuatro tubos. Cada uno contiene DNA polimerasa, un DNA plantilla hibridado con un cebador, más dATP, dGTP, dCTP y dTTP. El cebador o los nucleótidos deben tener una marca radiactiva, de modo que las bandas puedan visualizarse en el gel por autorradiografía. Sólo uno de los cuatro didesoxirribonucleótidos (ddNTP) se agrega a cada tubo. Ocurre la terminación de la síntesis cuando el ddNTP se incorpora en la cadena en crecimiento. La plantilla es complementaria a la secuencia de la cadena recién sintetizada. Los secuanciadores de DNA automatizados utilizan ddNTP con marca fluorescente, y una columna para separar los oligonucleótidos por tamaño. Conforme las muestras salen de la columna se analiza su fluorescencia para determinar cuál base ha terminado la síntesis de ese fragmento.

(c) La inmunoelectrotransferencia de proteína o de Western (Western blot) es una técnica relacionada en la cual se separan proteínas por electroforesis en gel y se sondean con anticuerpos que se unen a proteína específica. 3. Secuenciación de DNA por el método de didesoxinucleótidos de Sanger (figura 3-38) a. Se agregan didesoxinucleótidos a soluciones en las que DNA polimerasa cataliza la polimerización de una cadena de DNA. b. Debido a que un didesoxinucleótido no contiene un grupo 3′-hidroxilo, la polimerización de la cadena termina siempre que se incorpora un didesoxinucleótido a la cadena en crecimiento.

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Bioquímica, biología molecular y genética c. Dado que el didesoxinucleótido compite con el nucleótido normal por su incorporación en la cadena en crecimiento, se producen cadenas de DNA de longitudes variables. Las cadenas más cortas son más cercanas al extremo 5′ de la cadena de DNA (que crece de 5′ a 3′). d. La secuencia de la cadena en crecimiento puede leerse (de 5′ a 3′) de abajo hacia arriba del gel en que las cadenas de DNA se separan.

C. Técnicas para amplificar secuencias de DNA 1. PCR a. La PCR es una técnica in vitro usada para producir con rapidez grandes cantidades de DNA (figura 3-39). Es adecuada para pruebas clínicas o forenses porque sólo se requiere una muestra muy pequeña de DNA como material de partida. 2. Clonación de DNA a. El DNA de un organismo (DNA “ajeno” o “extraño”, obtenido como ya se describió) puede insertarse en un DNA vector y usarse para transformar células de otro organismo, por lo común una bacteria, que se multiplica con rapidez; este organismo replicará el DNA ajeno además del propio. b. Pueden aislarse grandes cantidades del DNA ajeno o, en las condiciones apropiadas, el DNA puede expresarse y es posible obtener en grandes cantidades la proteína que produce.

D Uso de técnicas de DNA recombinante para detectar polimorfismos

Los seres humanos difieren en su composición genética. Los polimorfismos (variaciones en las secuencias de DNA) son frecuentes en el genoma tanto en regiones codificadoras como no codificadoras. Las mutaciones puntuales causan el tipo más simple de polimorfismos, pero también ocurren inserciones y deleciones de longitudes variables. 1. Polimorfismo de longitud de los fragmentos de restricción (PLFR) a. En ocasiones, se produce una mutación en un sitio de corte por enzima de restricción en un gen o muy cerca de éste. La enzima puede escindir el DNA normal en este sitio, pero no el DNA Región de DNA por amplificar

Cadena 1 3' Cadena 2 5'

Cadena 1 3'

Ciclo 1

Calentar para separar las cadenas Enfriar y agregar cebadores

Cadena 1 3'

Ciclo 2

Calentar y enfriar (con cebadores y DNA polimerasa presentes)

Cadena 2 5'

Cadena 2 5'

Cadena 1 3' Añadir DNA polimerasa termoestable

Cadena 1 3' 5'

Cadena 2 5'

5'

Cadena 2 5'

Ciclo 3 Cadena 1 3'

Repetir el ciclo de calentamiento y enfriamiento

Ciclos 4 a 20

Cadena 2 5'

Presente en unas 106 copias

Múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento

FIGURA 3-39. Reacción en cadena de la polimerasa (PCR). Las cadenas 1 y 2 son las cadenas de DNA originales. Los fragmentos verde oscuro cortos son los cebadores. Después de múltiples ciclos de calentamiento y enfriamiento, las cadenas originales permanecen, pero la mayor parte del DNA consta de copias amplificadas del segmento (mostradas en verde claro) sintetizadas por la DNA polimerasa termoestable.



91

Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción) A

C C TG AG G

Gen A (normal)

Sitio Mst II Gen S (falciforme)

C C TG T G G

(sin sitio Mst II )

B

Sitio de restricción ausente en la β-globina drepanocítica Mst II

Gen A

FIGURA 3-40. Polimorfismo de longitud de fragmentos de

Gen S

restricción (PLFR) causado por pérdida de un sitio de restricción. Si ocurre una mutación en un sitio de escisión para

una enzima de restricción, el patrón de fragmentos de restricción difiere del normal. A. La mutación que causa la anemia drepanocítica da por resultado la pérdida de un sitio MstII en el gen de la -globina. B. Muestras de DNA de diferentes personas se tratan con endonucleasas de restricción y luego se someten a electroforesis en gel. Con la técnica de Southern blot, los fragmentos de restricción en el gel se hibridan con una sonda de cDNA radiactiva para el gen de la -globina. El alelo drepanocítico produce un fragmento de 1.3 kilobases (kb) cuando se trata con MstII. Un alelo normal produce un fragmento de 1.1 kb (más un fragmento de 0.2 kb que no se ve en el gel). En una persona con drepanocitemia, ambos alelos producen fragmentos de restricción de 1.3 kb. En una persona normal, ambos alelos producen fragmentos de 1.1 kb. En un portador se observan tanto el fragmento de 1.3 kb como el de 1.1 kb.

Gen de la β-globina

Mst II Mst II

1.1kb 1.3kb

C

Southern blot DNA cortado con Mst II e hibridado con una sonda de β-globina

βS(1.3 kb) βA(1.1 kb)

Testigo drepanocítico Testigo normal Portador Individuo afectado

mutante. Así, se obtendrán dos fragmentos de restricción más pequeños a partir de esta región del DNA normal, pero sólo un fragmento más grande del mutante (figura 3-40). b. A veces, una mutación crea un sitio de restricción que no está presente en el gen normal o cerca de él. En este caso, del mutante se obtendrán dos fragmentos de restricción más pequeños, y sólo un fragmento más grande del DNA normal. c. El DNA humano normal tiene muchas regiones que contienen una cantidad muy variable de repeticiones en tándem (CVRT). El número de repeticiones difiere de un individuo a otro (y de un alelo a otro). Las enzimas de restricción que cortan en los flancos izquierdo y derecho de una CVRT producen fragmentos de DNA de longitud variable. La longitud depende del número de repeticiones que el DNA contiene (figura  3-41). Los fragmentos producidos por diversas enzimas de restricción de varios loci distintos pueden usarse para identificar individuos con la precisión de una huella dactilar. Por lo tanto, la técnica de identificación de DNA individual, también llamada “huella dactilar de DNA”, se usa para determinar paternidad u otras relaciones genéticas, o para relacionar sospechosos con casos criminales. 2. Detección de mutaciones mediante sondas de oligonucleótido específicas de alelo a. Se sintetiza una sonda de oligonucleótido que sea complementaria a una región del DNA que contiene una mutación. Se hace una sonda distinta para el DNA normal (figura 3-42). b. Si la sonda mutante se une a una muestra de DNA, la muestra contiene DNA de un alelo mutante. Si se une la sonda normal, la muestra contiene DNA de un alelo normal. Si ambas sondas se unen, la muestra contiene DNA tanto de un alelo mutante como de uno normal (es decir, la persona que proporciona la muestra de DNA es un portador de la mutación). 3. Prueba de mutaciones mediante PCR a. Se usa un oligonucleótido complementario a una región mutante como cebador para la PCR. Si el cebador se une a una muestra de DNA (es decir, si la muestra contiene la mutación), ocurre amplificación del DNA (esto es, el cebador está extendido). Si el cebador no se une, no ocurre extensión (es decir, el DNA es normal).

92

Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 3-41. Fragmentos de restricción producidos por un gen con cantidad variable de repeticiones en tándem (CVRT). El DNA de tres individuos, cada uno con dos alelos para este gen y una cantidad diferente de repeticiones en cada alelo, se cortó, sometió a electroforesis y trató con una sonda para este gen. La longitud de los fragmentos depende de la cantidad de repeticiones que contienen.

FIGURA 3-42. Uso de sondas de oligonucleótido para demostrar fibrosis quística (FQ). Se sintetizaron sondas de oligonucleótido complementarias a la región en que una deleción de tres bases se localiza en el gen de la FQ. Una sonda se une sólo al mutante (ΔF508), y la otra sonda se une sólo a la región normal. Se aisló DNA de los individuos, y una región del gen de la FQ se amplificó mediante la reacción en cadena de la polimerasa. Se colocaron dos gotas en papel de nitrocelulosa por cada persona. Una gota se trató con la sonda para la región mutante del gen, y la otra gota se trató con la sonda para la región normal. Los puntos oscuros indican unión de una sonda. Sólo la sonda normal se une al DNA de una persona sana, y sólo la sonda mutante se une al DNA de una persona con FQ. Ambas sondas se unen al DNA de un portador. En portadores, un alelo es normal y el otro tiene la mutación FQ.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

93

4. Polimorfismos de un solo nucleótido a. Los polimorfismos de un solo nucleótido (PSN) se han identificado en todo el genoma humano como resultado del proyecto genoma humano. Para considerarse un PSN, el cambio de base debe estar presente en 1% de la población. Los PSN son instrumentos útiles para mapear genes de enfermedad a través de clonación posicional y en análisis forense en lugar de las repeticiones cortas en tándem y las CVRT. Se requieren condiciones de hibridación estrictas (alta temperatura y baja salinidad) cuando se analiza en busca de cambios de bases individuales entre las muestras de DNA.

E. Alteraciones en la composición genética de los animales 1. Si un gen de otro organismo se inserta en un óvulo fecundado, es posible producir un animal transgénico. Dichos animales pueden usarse en investigación o con otros fines, que van de la producción de proteínas humanas en la leche de ovejas transgénicas hasta la generación de especies más grandes y fuertes. 2. Puede emplearse la eliminación o alteración de genes (inactivación génica) para crear cepas de animales que carezcan de la proteína producto del gen. Entonces es posible estudiar los efectos de la pérdida de la proteína.

F. Mapeo del genoma humano El proyecto genoma humano ha llevado a la secuenciación del genoma humano, la identificación de numerosos marcadores en todo el genoma, como los PSN, y ha identificado cerca de 25 000 genes en el DNA humano. En la actualidad el proyecto se enfoca en la genómica funcional, que deduce información acerca de la función de secuencias de DNA. El proyecto también aborda los aspectos éticos, legales y sociales que pueden surgir de la información obtenida.

G. Terapia génica En última instancia, la tecnología de DNA recombinante se usará para tratar enfermedades genéticas. Algunos trastornos (p. ej., la deficiencia de adenosina desaminasa) han reaccionado a los esfuerzos por introducir genes normales en individuos con genes defectuosos. Prevención de efectos adversos (rechazo inmunitario) y promoción de la expresión a largo plazo del transgén son áreas de investigación activa.

H. Proteómica 1. La identificación y el análisis de todas las proteínas expresadas por una célula dada en condiciones específicas constituyen el campo de la proteómica.

2. Las técnicas utilizadas en la proteómica (identificación de fragmentos de proteína por electroforesis en gel bidimensional y espectrometría de masa) son lo suficientemente sensibles para permitir comparaciones entre tipos celulares diferentes pero relacionados (como una célula de hepatoma y un hepatocito normal) (figura 3-43) y la identificación de proteínas que difieren en expresión entre las muestras que se analizan.

I. Micromatrices 1. Se utilizan en el análisis de miles de genes de manera simultánea para determinar cuáles alelos de estos genes están presentes en muestras obtenidas de pacientes, o para comparar patrones de expresión de RNA de dos muestras distintas. 2. Un ejemplo de micromatriz son los “biochips”, que ayudan al diagnóstico de enfermedades infecciosas. El chip contiene más de 20 000 oligonucleótidos distintos, en una matriz ordenada en el chip, que corresponde a virus, bacterias, hongos y parásitos de vertebrados. Las muestras del paciente se usan como fuente de RNA, que se convierte en cDNA y se usa como sonda para unirse a las secuencias de DNA en el chip. Mediante hibridación positiva se identifican el o los organismos responsables de los síntomas del paciente.

CORRELACIÓN CLÍNICA

En la actualidad se utiliza biotecnología para el diagnóstico de enfermedades (p. ej., anemia drepanocítica, FQ, fenilcetonuria). Se emplean técnicas de DNA recombinante a fin de producir las sondas (p. ej., cDNA) para el análisis de muestras humanas, y para generar grandes cantidades de proteínas para su uso en el tratamiento (p. ej., insulina humana, hormona del crecimiento, activador de plasminógeno tisular, eritropoyetina, factor VIII de hemofilia) o como vacunas (p. ej., hepatitis B). Estas técnicas se han usado para introducir genes normales en individuos con genes defectuosos (es decir, en terapia génica para enfermedad (continúa)

94

Bioquímica, biología molecular y genética

hereditaria). También se están identificando polimorfismos en enzimas que metabolizan fármacos, a fin de determinar un curso clínico eficaz para determinados individuos. Esto se logra a través de experimentos con micromatrices de biochips. La identificación de PSN específicos ha permitido la valoración del riesgo de que un individuo adquiera (o sea susceptible a) determinada enfermedad. La apolipoproteína E (apoE) tiene tres genes, E2, E3 y E4. Cada alelo difiere en una base, y la proteína producida por cada alelo difiere en sólo un aminoácido. Los individuos que expresan un alelo E4 están en mayor riesgo de presentar enfermedad de Alzheimer que aquellos que no expresan el alelo E4. La prueba de PSN es un procedimiento relativamente directo para determinar cuáles alelos apoE ha heredado un individuo. La prueba en busca de la presencia de VIH en individuos se basa en el hallazgo de anticuerpos anti-VIH en la sangre de los individuos investigados. Esto se logra mejor mediante un ensayo de ­detección rápida inicial (un ensayo de inmunosorbente ligado a enzima, ELISA) seguido por una Western blot usando proteínas de VIH purificadas en el gel, y la sangre del individuo como una fuente de anticuerpos para la mancha.

FIGURA 3-43. Uso de la proteómica para determinar si una proteína está regulada a la alza o a la baja. Se aíslan proteínas de los dos tipos celulares distintos (1 y 2) y con diferentes marcas

fluorescentes. Las proteínas se separan entonces por electroforesis bidimensional en gel (la primera dimensión, o separación, es por carga, y la segunda dimensión es por tamaño), lo que genera un gran número de puntos que pueden verse con un dispositivo que detecte fluorescencia; cada uno de esos puntos corresponde a una proteína individual. Una computadora alinea los puntos de las dos muestras y puede determinar, por el nivel de fluorescencia expresado en el punto de cada proteína, si ésta ha sido regulada a la alza o a la baja en una muestra comparada con la otra. Las proteínas cuyos niveles de expresión cambian pueden identificarse entonces mediante técnicas sensibles que implican espectrometría de masa para proteína.

Autoevaluación Las preguntas 1 a 10 examinan el conocimiento básico del lector acerca de los fundamentos de la bioquímica y no tienen el formato estándar de viñeta clínica. Las preguntas 11 a 35 tienen relevancia clínica y el estilo USMLE.

Preguntas de conocimiento básico 1.  ¿Cuál de los siguientes enunciados es válido para una molécula bicatenaria de DNA?

[A]=[T]

[U]=[A]

A

Sí

B

Sí

[G]=[C]

[C]=[T]

No

Sí

No

Negativo

10

Sí

No

Sí

Positivo

10

C

Sí

No

Sí

No

Negativo

12

D

No

Sí

Sí

Sí

Positivo

12

E

No

No

No

No

Negativo

10

F

No

Sí

Sí

Sí

Positivo

12

2.  Una bacteria mutante prolifera normalmente a 32 °C, pero a 42 °C acumula segmentos cortos de DNA recién sintetizado. ¿Cuál de las siguientes enzimas es más probable que sea defectuosa a la temperatura no permisiva (la más alta) en este mutante?

(A) (B) (C) (D) (E)

Cambio global

Pares de bases por vuelta de la hélice

DNA primasa DNA polimerasa Una exonucleasa Una enzima desplegadora (helicasa) DNA ligasa

3.  Un RNA producido a partir de un fragmento de DNA tiene la secuencia AAUUGGCU. La secuencia de la cadena codificadora en el DNA que dio origen a esta secuencia es:

(A) AGCCAATT (B) AAUUGGCU (C) AATTGGCT (D) TTAACCGA (E) UUAACCGA 4.  ¿Cuál de los siguientes cambios en la región codificadora de un mRNA (causado por una mutación puntual) daría por resultado la traducción de una proteína idéntica a la proteína normal?

(A) (B) (C) (D) (E)

UCA → UAA UCA → CCA UCA → UCU UCA → ACA UCA → GCA

95

96

Bioquímica, biología molecular y genética

5.  Las proteínas destinadas a la secreción de células eucarióticas tienen lo siguiente en común: Una metionina N-terminal en la proteína madura es:

Un péptido señal localizado en:

¿Sintetizada en cuál tipo ¿Embebida en la de ribosoma? membrana del RE?

A

Muy probable

Extremo carboxilo

Rugoso

Sí

B

Muy probable

Extremo amino

Citoplásmico

No

C

Muy probable

Extremo carboxilo

Rugoso

Sí

D

No probable

Extremo amino

Rugoso

No

E

No probable

Extremo carboxilo

Citoplásmico

Sí

F

No probable

Extremo amino

Citoplásmico

No

6.  Los operones bacterianos inducible exhiben las siguientes propiedades: El inductor se une al represor y:

Efecto del inductor en la unión de la RNA polimerasa al promotor

El represor es producido por:

A

Activa el represor

Fomenta

El mensaje policistrónico

B

Activa el represor

Fomenta

Un gen separado

C

Activa el represor

Inhibe

El mensaje policistrónico

D

Inhibe el represor

Inhibe

Un gen separado

E

Inhibe el represor

Sin efecto

El mensaje policistrónico

F

Inhibe el represor

Sin efecto

Un gen separado

7.  Los procesos que, en parte, pueden llevar a activar la expresión génica en los eucariotes se describen mejor como sigue:

Metilación del gen

Formación de mensajes policistrónicos

Niveles de acetilación de histonas

A

Aumento

Sí

Disminución

B

Disminución

Sí

Aumento

C

Aumento

Sí

Aumento

D

Disminución

No

Disminución

E

Aumento

No

Disminución

F

Disminución

No

Aumento

8.  Se determinaron las tasas de transcripción génica y las concentraciones de mRNA para una enzima que es inducida por glucocorticoides. Respecto de las concentraciones sin tratamiento, el tratamiento con glucocorticoides causó un incremento de 10 veces en la tasa de transcripción génica y un incremento de 20 veces tanto en los valores de mRNA como en la actividad enzimática. Estos datos indican que un efecto primario del tratamiento con glucocorticoides es reducir:

(A) La actividad de la RNA polimerasa II (B) La tasa de traducción del mRNA (C) La capacidad de las nucleasas de actuar en el mRNA

(D) La tasa de unión de los ribosomas al mRNA

(E) La tasa de inicio de la transcripción por la RNA polimerasa II 9.  ¿Cuál región (A a D) de las cadenas de DNA mostradas podría servir como la plantilla para



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

la transcripción de la región de un mRNA que contiene el codón inicial para la traducción de una proteína de 300 aminoácidos de longitud?

97

desarrolla normalmente en todos los parámetros. Sin embargo, los padres lo mantienen en casa, y cuando salen con él, lo cubren con cuidado. Se cultivan fibroblastos aislados de este niño, y en un experimento se exponen a radiación UV. Un análisis del DNA de los fibroblastos demonstrará:

(A) Preponderancia de sitios apurínicos y apirimidínicos

(B) Aumento de la tasa de recambio de cromátidas hermanas

(C) Preponderancia de pares de bases anómalos en el DNA

(A) A (B) B (C) C (D) D (E) Ninguna de las zonas indicadas bastaría. 10.  Una línea celular sensible a temperatura presentaría senescencia temprana cuando se cultivara a la temperatura no permisiva, y el examen de los cromosomas demuestra muchas salientes 3′ en los extremos de los fragmentos de DNA. La enzima defectuosa a la temperatura no permisiva es:

(A) Telomerasa (B) DNA ligasa (C) DNA polimerasa (D) Una DNA polimerasa reparadora (E) Una helicasa

Preguntas estilo USMLE 11.  En un día de campo, una familia reunió algunas setas silvestres y las añadió a su ensalada. Poco después todos se enfermaron. El niño más pequeño presentó los síntomas más graves. La familia presentó estos efectos debido a una incapacidad primaria de sus células y tejidos de:

(A) (B) (C) (D) (E)

Sintetizar proteínas Sintetizar lípidos Sintetizar DNA Sintetizar carbohidratos Reparar el daño en el DNA

12.  Un neonato presentaba fotofobia intensa y quemaduras cutáneas incluso con exposición mínima a la luz solar, que se transformaban en ampollas. Ninguno de los padres tuvo este rasgo, aunque ambos son susceptibles a las quemaduras solares cuando se exponen al Sol por un breve lapso. Al crecer el niño, tiene estatura y peso promedios para la edad y se

(D) Pérdida de telómeros en el DNA (E) Aumento de enlaces cruzados entre bases en las cadenas de DNA 13.  A un joven de 15 años de edad se le diagnosticó cáncer de piel. Siempre fue sensible a la luz solar y permaneció bajo techo la mayor parte de su vida. Un análisis de su DNA, tomado de fibroblastos aislados, indicó aumento de la concentración de dímeros de timina cuando las células se expusieron a radiación UV. Se formó un tumor cutáneo debido a aumento de la tasa de mutación, lo cual se debió a:

(A) (B) (C) (D)

Falta de actividad de DNA primasa Menor recombinación durante la mitosis Mayor recombinación durante la mitosis Pérdida de la actividad de reparación por escisión de bases (E) Pérdida de la actividad de reparación por escisión de nucleótidos 14.  Un hombre de 40 años de edad está bien controlado con warfarina para su deficiencia de factor V Leiden y trombosis venosa profunda recurrente. Se presenta con una neumonía extrahospitalaria y se le precribe eritromicina. Tres días después presentó sangrado y su IIN es de 8.0 (lo cual indica aumento del tiempo para la coagulación sanguínea, donde IIN es el índice internacional normalizado). La mejor explicación del sangrado es que:

(A) La eritromicina inhibió el citocromo P450. (B) La eritromicina estimuló el citocromo P450

(C) El agente causal de la neumonía inhibió la utilización de vitamina K

(D) El agente causal de la neumonía estimuló la utilización de vitamina K

(E) La eritromicina inhibió la traducción mitocondrial

(F) La eritromicina inhibió la transcripción mitocondrial

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Bioquímica, biología molecular y genética

15.  Un paciente diabético a su cargo usa la insulina lispro de acción corta para controlar su glucemia. Lispro es una insulina sintética que se forma al invertir los residuos lisina y prolina en el extremo C-terminal de la cadena B. Esto permite una absorción más rápida de la insulina desde el sitio de inyección. La ingeniería de este fármaco es un ejemplo de la siguiente tecnología:

(A) Polimorfismo (B) Huella dactilar de DNA (C) Mutagénesis dirigida por sitio (D) Unión de represor a un promotor (E) PCR 16.  Para la síntesis de insulina lispro (descrita en la pregunta anterior), ¿cuál de los siguientes cambios en la codificación de la cadena B se requeriría?

(A) (B) (C) (D) (E)

CAAAAA por AAAAAC CCTAAT por AAACTC CCGAAG por AAACCA AAACCA por CCGAAG AAGCCT por AAACCC

17.  Un hombre demasiado delgado y demacrado de 25 años de edad se presenta con placas púrpuras y nódulos en cara y brazos, tos y disnea. Para diagnosticar de modo más eficiente la causa de sus problemas, ¿cuál de los siguientes tipos de pruebas ordenaría?

(A) (B) (C) (D) (E)

Southern blot Northern blot Western blot Técnica de Sanger Southwestern blot

18.  Un joven de 17 años de edad tiene orejas grandes y prominentes, cara alargada, testículos grandes, membranas interdigitales, bajo tono muscular y ligero retraso mental. ¿Cuál tipo de mutación representa este diagnóstico?

(A) Puntual (B) Por inserción (C) Por deleción (D) Por apareamiento incorrecto (E) Silenciosa 19.  Un joven afroamericano fue llevado al servicio de urgencias (SU) a causa de dolor intenso en todo el cuerpo. Hacía ejercicio intenso cuando el dolor comenzó. El paciente ha presentado estos episodios unas dos veces al año por los últimos 10 años. Un análisis de la sangre

revela hematocrito bajo (anemia) y eritrocitos de aspecto extraño no cóncavos sino alargados como salchichas. El tipo de mutación que ocasiona este trastorno se describe mejor como:

(A) Por inserción (B) Por deleción (C) De sentido alterado (D) Antisentido (E) Silenciosa 20.  Una mujer se queja de ardor al orinar y el cultivo urinario demuestra una infección ­bacteriana. El médico le prescribe ciprofloxacino. Este fármaco será eficaz para eliminar las bacterias porque interfiere en el siguiente proceso:

(A) (B) (C) (D) (E)

Empalme de mRNA Inicio de la síntesis de proteínas Elongación de la síntesis de proteínas Reparación por escisión de nucleótidos Replicación del DNA

21.  Un hombre de 72 años de edad adquirió una infección bacteriana en el hospital mientras se recuperaba de una cirugía de reemplazo de cadera. La infección estafilocócica fue resistente a gran cantidad de antibióticos, como amoxicilina, meticilina y vancomicina, y resultó muy difícil de tratar. Las bacterias adquirieron su resistencia a antibióticos debido a lo siguiente (elija la mejor respuesta):

(A) Mutaciones espontáneas en genes ya (B) (C) (D) (E)

existentes Grandes deleciones del cromosoma Actividad de transposón Pérdida de producción de energía Alteraciones en la estructura de la membrana

22.  Un hombre de 42 años de edad recibe un régimen de dos fármacos para prevenir la activación de la bacteria de la tuberculosis y su prueba cutánea de tuberculina (PPD) resulta positiva, pero no presenta signos clínicos de tuberculosis y su radiografía torácica es negativa. Uno de los mecanismos de acción del fármaco consiste en inhibir la enzima:

(A) DNA polimerasa (B) RNA polimerasa (C) Peptidil-transferasa (D) Factor de inicio 1 de la síntesis de proteínas (IF-1)

(E) Telomerasa



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

23.  Una mujer de 47 años de edad, que se ha sometido a diálisis renal los últimos siete años, desarrolló ictericia, fatiga, náusea, febrícu­la y dolor abdominal. La exploración física revela crecimiento del hígado, el análisis de sangre demuestra concentraciones elevadas de aspartato aminotransferasa (AST) y alanina aminotransferasa (ALT). El médico prescribe dos fármacos, uno de los cuales es un análogo de nucleósido, destinado a inhibir la síntesis de DNA y RNA. La principal función del otro fármaco es:

(D) Hace porosa la membrana bacteriana (E) Reduce la generación de ATP

(A) Inhibir la reparación del DNA en células

(A) (B) (C) (D) (E)

(B) (C) (D) (E)

infectadas Favorecer la velocidad de la fase de elongación en la síntesis de proteínas Reducir la tasa de inicio de la síntesis de proteínas Inhibir la formación de ribosomas Promover la formación de ribosomas

24.  Una mujer de 50 años de edad tiene disnea, tos y fiebre por tres días. Vive con su marido y no tiene problemas de salud. Su oximetría de pulso en el consultorio es de 89 y su frecuencia del pulso es de 110. Es hospitalizada para el tratamiento de una neumonía extrahospitalaria y su régimen antibiótico intravenoso (IV) incluye levofloxacino. ¿En cuál enzima bacteriana se requeriría una mutación para observar resistencia al levofloxacino?

(A) (B) (C) (D) (E)

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26.  Un hombre indigente de 38 años de edad que no ha recibido atención médica en los últimos 20 años acude con dos días de disnea, escalofrío, fiebre, babeo, dolor a la deglución y tos perruna. La exploración física revela un tono azulado en la piel y una membrana gris resistente adherida a la faringe. El mecanismo que subyace a esta enfermedad afecta las células normales del siguiente modo: Inhibe la síntesis de DNA Inhibe la síntesis de RNA Inhibe la síntesis de proteínas Hace porosa la membrana plasmática Reduce la generación de ATP

27.  La enfermedad X se ha vinculado con la creación de un nuevo sitio enzimático de restricción, como se indica en la figura. Se muestra la zona relevante del DNA, así como los sitios de restricción EcoR1, el tamaño de los fragmentos obtenidos, y una zona para la cual se dispone de una sonda (el recuadro ­pequeño). Se obtuvo el DNA de una familia para determinar si son portadores del trastorno, se digirió con EcoR1, y se realizó Southern blot usando la sonda disponible. ¿Cuáles bandas de la Southern blot exhibiría un portador del trastorno?

DNA primasa DNA polimerasa III DNA girasa DNA ligasa DNA polimerasa I

25.  Un hombre de 18 años de edad recién ingresado a la universidad comparte un dormitorio con tres estudiantes. A uno de éstos se le diagnosticó meningitis meningocócica, causada por la bacteria Neisseria meningitidis. Los otros tres estudiantes se colocan en aislamiento, y se les trata con un antibiótico dos veces al día como profilaxis contra el microorganismo, ya que ninguno de ellos recibió la vacuna meningocócica antes de ingresar a la universidad. Se les dice que ese antibiótico puede impartir un tono rojizo a la orina o las lágrimas. El fármaco es eficaz para destruir las bacterias porque:

(A) Inhibe la síntesis de DNA (B) Inhibe la síntesis de RNA (C) Inhibe la síntesis de proteínas

(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

1.1 kb 1.9 kb 3.0 kb 1.1 y 1.9 kb 1.1 y 3.0 kb 1.9 y 3.0 kb 1.1, 1.9, y 3.0 kb

28.  La enfermedad X se ha vinculado con la creación de un nuevo sitio enzimático de restricción, como se indica en la figura. Se diseñó una prueba de PCR rápida para determinar si el DNA amplificado porta el riesgo de la

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Bioquímica, biología molecular y genética

enfermedad. Después de amplificar esta región del genoma con los cebadores de la PCR indicados, y de tratar el DNA amplificado con la enzima de restricción apropiada, un individuo portador de la enfermedad expresaría las siguientes bandas en un gel de agarosa tratado con bromuro de etidio:

Un defecto probable en el paciente es una disminución en:

(A) Eliminación de dímeros de timina del DNA

(B) Eliminación de la base U del DNA (C) Actividad de DNA ligasa (D) Reparación de apareamiento incorrecto de bases en DNA recién sintetizado

Cebador para PCR

1.1 kb

Cebador para PCR

1.9 kb

Sitio EcoR1 creado por mutación

(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

1.1 kb 1.9 kb 3.0 kb 1.1 y 1.9 kb 1.1 y 3.0 kb 1.9 y 3.0 kb 1.1, 1.9, y 3.0 kb

29.  Un niño de cuatro años de edad presenta retraso en el desarrollo, sensibilidad extrema al sol, pérdida auditiva, caries dental grave, retinopatía pigmentada y envejecimiento prematuro. El análisis de sus fibroblastos revela daño extenso del DNA de las células que intentan multiplicarse, pero daño mínimo de las células quiescentes, que tienen muy baja tasa de transcripción comparadas con las células en división. Lo más probable es que el niño tenga un defecto en el proceso de:

(A) (B) (C) (D)

Reparación de dímeros de timina Reparación por escisión de bases Reparación por escisión de nucleótidos Reparación de errores de apareamiento de bases (E) Reparación del DNA acoplada a la transcripción 30.  Un hombre de 33 años se sometió a colonoscopia exploratoria y se le diagnosticó ­cáncer colónico mucinoso del lado derecho; no se observaron otras lesiones o pólipos. La razón de que se le haya practicado una colonoscopia a tan corta edad es que su padre y el hermano de éste recibieron el diagnóstico de cáncer de colon hacia los 40 años de edad. Su abuela paterna tuvo cáncer de ovarios y útero.

(E) Formación de una estructura solenoide a partir de nucleosomas individuales 31.  Un niño de 10 años de edad, pequeño para su edad tanto en estatura como en peso y con estatura adulta proyectada de menos de 152 cm, presenta fotofobia y un exantema “en mariposa” en nariz y mejillas cuando se expone al Sol. Tiene voz de tono agudo, nariz grande y orejas prominentes, y tuvo múltiples neumonías en la niñez. El examen de sus fibroblastos revela aumento de la tasa de intercambio de cromátidas hermanas durante la mitosis comparada con la de un niño normal. La actividad enzimática defectuosa en este niño puede rastrearse hasta:

(A) (B) (C) (D) (E)

Una DNA polimerasa Una RNA polimerasa Una helicasa Una exonucleasa Una endonucleasa

32.  Un niño de 8 años de edad presenta retraso en el desarrollo, alopecia total, esclerodermia localizada, cara y mandíbula pequeñas, nariz “en pico”, piel arrugada y articulaciones rígidas. Se determina que tiene una mutación puntual en una proteína nuclear, que es una mutación silenciosa en términos de la estructura primaria de la proteína. ¿Cómo podría tal mutación causar una enfermedad?

(A) Al alterar la estructura terciaria de la proteína

(B) Al inhibir la replicación del DNA (C) Al introducir en la proteína un codón de finalización prematura

(D) Al crear un sitio de empalme alterno en el gen

(E) Al crear un sitio de inicio alterno para la transcripción del gen 33.  Un científico estudia una línea de hepatocitos nueva incapaz de producir un nucléolo cuando las células se cultivan a 42 °C. Al examinar células que han estado a 42 °C por 96 h, el científico descubre que la incorporación de leucina 14C en las proteínas es muy baja con



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

respecto a la observada en células cultivadas a 35 °C. A la temperatura no permisiva, esto se debe muy probablemente al factor que sigue:

(A) Falta de moléculas de tRNA con carga (B) Incapacidad de formar enlaces peptídicos durante la síntesis de proteínas

(C) Falta de factores de inicio (D) Incapacidad de formar mRNA maduro (E) Falta de GTP, necesario para la síntesis de proteínas 34. Esta pregunta se basa en la siguiente figura. El gen de la FQ se ha aislado y secuenciado. Se muestra el patrón de gel para la secuencia

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de DNA de la región que difiere del gen normal en la forma más común de FQ. ¿Qué indican los resultados de este gel acerca de la mutación causante de enfermedad en el gen alterado?

(A) Se debe a un cambio de un solo nucleótido

(B) Se debe a la inserción de una pequeña cantidad de bases

(C) Se debe a la deleción de una pequeña cantidad de bases

(D) Se debe a la desaminación de una citosina (E) Se debe a una mutación por corrimiento del marco de lectura en el DNA

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Bioquímica, biología molecular y genética

35.  Esta pregunta se basa en la siguiente figura. Dos bebés nacieron el mismo día en el mismo hospital. Dada la preocupación de que los lactantes se hayan cambiado en el cunero, se realizan pruebas genéticas basadas en un fragmento de restricción de DNA que exhibe polimorfismo (PLFR). Se extrajo sangre de los padres y los lactantes, se aisló el DNA, y se realizó la PCR. Entonces se trató el DNA con la enzima de restricción BanI, y los fragmentos se separaron por electroforesis en gel. Se muestran los resultados de una Southern blot. Se empleó una sonda radiactiva que se unió a una secuencia en los fragmentos BanI que exhibió

polimorfismo. ¿Cuál de los dos lactantes, C1 o C2, es el producto genético de esta madre (M) y este padre (F)?

(A) C1 podría ser hijo de esos progenitores (B) C2 podría ser hijo de esos progenitores (C) Ambos lactantes podrían ser hijos de esos progenitores (es decir, esta prueba no puede discriminar) (D) Cualquiera de los lactantes podría estar emparentado con la madre, pero ninguno podría estarlo con el padre (E) Ninguno de los lactantes podría estar emparentado con esta madre o este padre

Respuestas 1. La respuesta es A.  Sobre una base molar, el DNA contiene cantidades iguales de adenina y timina y de guanina y citosina. No hay uracilo en el DNA. Hay 10 pares de bases por vuelta de la hélice y la carga global de la molécula es negativa, debido a los fosfatos en el esqueleto (cada enlace fosfodiéster contiene una carga negativa). 2. La respuesta es E.  Los segmentos cortos del DNA recién sintetizado que se acumulan a 42 °C son fragmentos de Okazaki. Suelen ser unidos entre sí por DNA ligasa, que muy probablemente exhibe actividad reducida a 42 °C en este mutante. Si la ligasa no funciona, los fragmentos de Okazaki no se unirán durante la replicación, de modo que las células contendrán fragmentos cortos del DNA. Endonucleasas y exonucleasas escinden cadenas de DNA por la mitad y en los extremos, respectivamente. No unen fragmentos entre sí, como tampoco lo hace la DNA polimerasa. Las enzimas desenrolladoras “abren” las cadenas progenitoras, y si son defectuosas, lo más probable es que la síntesis de DNA no ocurra a la temperatura no permisiva, y no se acumularán fragmentos cortos de DNA.

3. La respuesta es C.  La cadena complementaria a la cadena plantilla en el DNA es la cadena codificadora, y tendrá la misma secuencia del RNA que se produce, excepto que hay T en lugar de U. Tanto la cadena codificadora como el RNA producido serán una secuencia complementaria a la cadena plantilla. Dado que todas las secuencias se escriben en el sentido 5′ a 3′, a menos que se especifique lo contrario, la secuencia en RNA de AAUUGGCU correspondería a una secuencia de DNA, en la cadena codificadora, de AATTGGCT. La cadena plantilla sería el complemento de la cadena codificadora, o AGCCAATT (escrita de 5′ a 3′). Note que esta secuencia también es el complemento del RNA que se produjo. La base U no se encuentra en el DNA (por lo que las respuestas B y E no pueden ser correctas).

4. La respuesta es C.  UCA es un codón para serina. De las opciones dadas, sólo el codón UCU es también un codón para serina, que daría por resultado una mutación silenciosa (se colocaría serina en la proteína aunque el DNA mutó de TGA a TGT). La conversión de UCA en UAA generará un codón finalizador, y el resultado será una proteína truncada. La conversión de UCA en CCA reemplazaría la serina por una prolina en la proteína. La conversión de UCA en ACA hace que se coloque una treonina en el lugar de la serina en la proteína, y la generación de GCA a partir de UCA causaría la incorporación de alanina en lugar de serina en la proteína. Sólo el cambio de UCA por UCU da por resultado la producción de exactamente la misma secuencia de aminoácidos en la proteína.

5. La respuesta es D.  Las proteínas destinadas a la secreción contienen una secuencia señal en el extremo N-terminal, que hace que los ribosomas en que se sintetizan se unan a la SRP, y ésta transfiere el complejo mRNA–ribosoma al RER. Conforme se producen, entran en las cisternas del RER, donde se elimina la secuencia señal, incluida la metionina inicial. Por tanto no es probable que la proteína madura contenga una metionina N-terminal. Pueden fijarse grupos carbohidrato en el RER o el aparato de Golgi. De la superficie de éste se desprenden vesículas secretorias, y las proteínas se secretan de la célula por el proceso de exocitosis. Si las proteínas tienen una secuencia hidrófoba embebida en la membrana, permanecen unidas a ésta y no se secretan, sino que se convierten en proteínas unidas a membrana.

6. La respuesta es F.  En la inducción, un gen regulador produce un represor activo, el cual se inactiva al unirse al inductor. Este último impide la unión del represor al operador en vez de estimular la unión de la RNA polimerasa. Los genes estructurales se expresan de manera coordinada. La transcripción genera un mRNA policistrónico único, que se traduce para producir varias proteínas diferentes. El gen regulador no es parte del mensaje policistrónico.

7. La respuesta es F.  Un gen metilado se transcribe con menor facilidad que otro no metilado. Los mRNA policistrónicos sólo se producen en los procariotes, no en las células eucarióticas. La acetilación de histonas aumentará en regiones de la cromatina que están transcribiéndose (eucromatina). La acetilación de histonas reduce las cargas positivas de las proteínas, con lo que debilita su interacción con los fosfatos (con carga negativa) en el DNA.

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Bioquímica, biología molecular y genética

8. La respuesta es C.  Si la rapidez de degradación del mRNA no es alterada por glucocorticoides, entonces el aumento en los valores de mRNA debe reflejar el aumento en la tasa de transcripción. Dado que el incremento en la concentración de mRNA es mayor que el aumento en la tasa de transcripción, los glucocorticoides también deben incrementar la estabilidad del mRNA (es decir, reducir la rapidez de la degradación por nucleasas). La actividad de la RNA polimerasa II se eleva (aumenta la transcripción, de modo que el inicio de la transcripción también se incrementa) y la rapidez de traducción (la unión de los ribosomas al mRNA) se eleva (aumenta la actividad de la enzima), debido a la mayor cantidad de mRNA disponible.

9. La respuesta es B.  Aunque D contiene la secuencia 3′-TAC-5′, que produce un codón iniciador (5′AUG-3′) en el mRNA, hay una secuencia (3′-ATT-5′ en el DNA) que produciría un codón finalizador (5′-UAA-3′) en el mRNA en cuadro con este codón iniciador. La secuencia B, leída de 3′ a 5′ (de derecha a izquierda), produciría un codón iniciador en el mRNA transcrito a partir de él. No hay codones finalizadores en esta secuencia, de modo que podría producir una proteína de 300 aminoácidos de longitud. Las secuencias A y C no contienen tripletes correspondientes al codón iniciador en mRNA.

10. La respuesta es A.  La telomerasa es defectuosa a la temperatura no permisiva. Debido al doble requerimiento de las DNA polimerasas de sintetizar DNA en el sentido 5′ a 3′ y emplear una plantilla, la replicación de los extremos de los cromosomas lineales produce una saliente 3′ una vez que se completa la replicación. La saliente se crea cuando el cebador DNA–RNA se elimina de la cadena plantilla, y no hay cebador para que la DNA polimerasa extienda la cadena y llene el hueco. La telomerasa resuelve este problema al llevar su propia plantilla de RNA, y extender la saliente 3′. Después de que el hueco se llena lo mejor posible, las proteínas de unión a telómero encasquetan el extremo del cromosoma para protegerlo de la degradación. La falta de DNA ligasa daría por resultado una gran cantidad de huecos en el esqueleto de fosfodiéster (en particular en la cadena retrasada), pero no afectaría los telómeros. La falta de actividad de DNA polimerasa causaría inhibición general de la replicación del DNA, y no sólo afectaría los telómeros. La falta de actividad de helicasa también afectaría la replicación global de DNA, no sólo la replicación en los telómeros. La falta de polimerasa reparadora incrementaría la cantidad de daño en el DNA, pero no atacaría de manera específica los telómeros.

11. La respuesta es A.  La toxina de las setas venenosas es -amanitina, un inhibidor de las RNA polimerasas eucarióticas, principalmente la RNA polimerasa II. Cuando la familia comió las setas con la toxina, la RNA polimerasa II dejó de funcionar y ya no se produjo mRNA. Esto detuvo la síntesis de proteínas. No hay un efecto directo en la síntesis de lípidos, carbohidratos o DNA, aparte de la reposición de las enzimas requeridas debido al recambio proteínico. Sin embargo, el efecto neto de la intoxicación por -amanitina sería la detención de la síntesis de proteínas, que a su vez puede llevar al cese de la síntesis de lípidos o DNA. La -amanitina no tiene efecto directo en la reparación del DNA.

12. La respuesta es E.  El niño tiene XP, un defecto en la reparación por escisión de nucleótidos tal que los dímeros de timina, creados por exposición a la radiación UV, no pueden eliminarse del DNA. La XP no afecta la reparación de sitios apurínicos o apirimidínicos (los cuales carecen precisamente de la base del DNA, que requiere la AP endonucleasa para su reparación). El aumento de las tasas de ­ intercambio de cromátidas hermanas es una característica del síndrome de Bloom, que es un defecto en una helicasa requerida para la síntesis tanto de DNA como de RNA. Los pacientes con síndrome de Bloom son pequeños para su edad, a diferencia de los que tienen XP, que alcanzan los logros del desarrollo normal. La XP no ocasiona pares de bases inusuales en el DNA, sino la formación de dímeros de timina entre los residuos T adyacentes en una cadena de DNA. Estos residuos T aún son complementarios a los residuos A en la otra cadena. La XP no afecta la capacidad de la telomerasa de extender los extremos de los cromosomas lineales en la célula.

13. La respuesta es E.  El daño del DNA causado por la radiación UV (dímeros de pirimidina) puede corregirse mediante la vía de reparación por escisión de nucleótidos. En algunos casos, la enzima faltante es una endonucleasa reparadora. El niño tiene XP, lo que se determina con base en el aumento de dímeros de timina en su DNA después de exponerse a radiación UV. Puesto que los dímeros no pueden repararse, la DNA polimerasa “adivinará” cuando la replicación se produzca entre los dímeros, incrementando la tasa de mutación de las células. Con el tiempo, ocurre una mutación en un gen que regula la proliferación celular, y el resultado es cáncer. Un incremento o disminución en la tasa de mutación no se relaciona con la tasa de recombinación durante la mitosis, ni con falta de actividad de DNA primasa (que ocasionaría disminución de la síntesis de DNA, no síntesis imprecisa de DNA). La reparación por escisión de bases es normal en los pacientes con XP.



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14. La respuesta es A.  La warfarina es metabolizada por un subconjunto específico de isozimas p450 inducidas. El sistema p450 es utilizado por las células para modificar el agente xenobiótico (en este caso la warfarina) de modo que pueda excretarse con más facilidad. La eritromicina, así como otros antibióticos macrólidos, inhibe el sistema oxidante p450, lo que en este caso causaría una mayor concentración sanguínea de warfarina y, por tanto, el equilibrio de coagulación y sangrado se desplaza hacia la hemorragia. El estímulo de la producción de p450 por la eritromicina ocasionaría menores concentraciones de warfarina (debido a aumento del metabolismo y pérdida de warfarina por p450) y la posibilidad de coagulación excesiva. Este efecto del p450 es una interacción fármaco-fármaco común. Los agentes causales de la neumonía extrahospitalaria no afectan la absorción de vitamina K en el intestino delgado, ni la distribución por todo el cuerpo. La eritromicina no afecta la transcripción mitocondrial, aunque sí puede afectar la traducción mitocondrial. Sin embargo, la inhibición de la síntesis mitocondrial de proteínas no alterará la inhibición de la actividad del citocromo p450, ni las concentraciones aumentadas de warfarina presentes, lo que puede ocasionar mayor sangrado.

15. La respuesta es C.  Éste es un excelente ejemplo de tecnología de DNA recombinante aplicada al diseño de un tratamiento muy útil para enfermedades humanas, mediante el uso de mutagénesis dirigida por sitio. Como se conocen las secuencias de aminoácidos y DNA de la insulina madura, la ingeniería del lispro requería que un codón para prolina se convirtiera en un codón para lisina y que el codón para lisina adyacente se convirtiera en un codón para prolina. El término polimorfismo se refiere a las diferencias en las secuencias de DNA entre los individuos de una población en un sitio en particular del genoma. Un polimorfismo no daría por resultado la síntesis de insulina lispro. Se usa el análisis de huellas dactilares de DNA para identificar muestras de DNA desconocidas comparando los polimorfismos presentes en el DNA muestra con el DNA de un individuo específico. Aparte de los gemelos idénticos, el DNA de todo el mundo es diferente, y puede distinguirse por análisis de huellas dactilares usando polimorfismos genéticos. La unión de un represor a un promotor es parte de la regulación génica en los procariotipos, y no sería útil para generar los cambios genéticos necesarios a fin de producir insulina lispro. La PCR puede amplificar un segmento específico de DNA entre dos segmentos conocidos, pero la técnica no causa la modificación en la secuencia de aminoácidos entre la insulina lispro y la normal.

16. La respuesta es C.  Los codones para prolina son CCU, CCA, CCG y CCC. Los codones para lisina son AAA y AAG. La secuencia normal de estos dos aminoácidos en la cadena B de la insulina es pro-lys, y son ejemplos de esto CCGAAG y CCCAAA. Sin embargo, en la insulina modificada por ingeniería genética lispro, el codón lisina está primero, seguido por las opciones de codonas para valina. La única respuesta que representa esto de manera correcta es la C. La respuesta A convierte pro-lys en lys-asn. La respuesta B convierte pro-asn en lys-pro. La respuesta D convierte lys-pro en pro-lys, y la respuesta E convierte lys-pro en lys-pro.

17. La respuesta es C.  El paciente tiene sarcoma de Kaposi y SIDA. El agente causal es el VIH, un virus de RNA. Se emplea la técnica de Western blot para identificar si una muestra específica de sangre contiene anticuerpos que se unirán a proteínas específicas del VIH. Las proteínas del VIH se corren en un gel, se transfieren a papel filtro, y se sondean usando el suero del paciente. Si éste tiene anticuerpos contra las proteínas del VIH, se obtendrá un resultado positivo. Se usa una Southern blot para identificar el DNA, y en este caso es más fácil verificar la presencia de anticuerpos anti-VIH en el suero del paciente. Con una Northern blot se buscaría RNA viral, pero debido a las bajas concentraciones de RNA viral, es más eficiente y confiable buscar proteínas anti-VIH. La técnica de Sanger identifica una porción de la cadena de DNA mediante secuenciación de las bases en el DNA, y no se usa para determinar el estado de infección por VIH. Southwestern blot se usa para detectar unión de DNA a proteínas, y no sería aplicable para detectar SIDA.

18. La respuesta es B.  El paciente tiene síndrome de cromosoma X frágil, causado por la expansión o repetición de un trinucleótido (CGG) dentro del gen FMR1 en el cromosoma X. La expansión interfiere en el funcionamiento normal de este producto génico en el encéfalo, lo cual ocasiona los síntomas observados. Éste es un ejemplo extremo de mutación por inserción. Se produce una mutación puntual cuando sólo una base es sustituida por otra, y el cambio de base causa un cambio de aminoácido en la proteína. La deleción es la eliminación de uno o más nucleótidos del gen. La reparación del apareamiento incorrecto de bases (respuesta D) es un proceso de reparación del DNA

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Bioquímica, biología molecular y genética que se utiliza cuando se detecta un apareamiento erróneo de bases en el DNA. En una mutación silenciosa, un cambio de base en el DNA no ocasiona un cambio en el aminoácido correspondiente en la proteína (por redundancia o degeneración del código genético).

19. La respuesta es C. El paciente tiene anemia drepanocítica, debida a la sustitución de valina (GTG) por glutamato (GAG). Ésta es la definición de mutación de aminoácido o de sentido alterado (un aminoácido se sustituye por otro), y ya que sólo se sustituye un aminoácido, también se trata de una mutación puntual. Una mutación interruptora o antisentido es una mutación puntual que convierte un codón cualquiera en un codón finalizador y, por tanto, causa la terminación prematura de la cadena peptídica en crecimiento. Una mutación silenciosa es el resultado de un cambio en el DNA que no modifica la secuencia de aminoácidos de la proteína. Dado que se trata de una sustitución de un solo nucleótido, no se debe a la inserción o deleción de material genético.

20. La respuesta es E.  La familia de antibióticos quinolonas (que incluye a la ciprofloxacina) inhibe la DNA girasa, una topoisomerasa específica de los procariotes que interviene en el desenrollamiento de las cadenas de DNA para que ocurra la replicación. En ausencia de actividad de girasa, no habría replicación de DNA, y la bacteria no sería capaz de proliferar. Las quinolonas no afectan las topoisomerasas eucarióticas. El empalme del hnRNA sólo se produce en células eucarióticas. La girasa no participa en la reparación por escisión de nucleótidos ni en ningún aspecto de la síntesis de proteínas.

21. La respuesta es C.  Los transposones tienen la capacidad de mover elementos de DNA de un fragmento de DNA a otro, incluidos genes de resistencia a antibiótico desde plásmidos R hasta el cromosoma del huésped. Así, con el tiempo, a medida que una bacteria adquiere plásmidos con genes de resistencia a antibiótico en ellos, los transposones pueden mover el gen al cromosoma bacteriano de modo que siempre sea expresado por la célula, y ésta deja de requerir el plásmido para tener resistencia a antibiótico. No ocurren alteraciones en la estructura de la membrana, ni grandes deleciones del cromosoma bacteriano (los genes de resistencia a antibiótico no son componentes normales del cromosoma de la bacteria). La resistencia al antibiótico no se debe a la pérdida de la producción de energía ni a mutaciones espontáneas en genes ya existentes, ya que, para comenzar, las bacterias no codifican genes que puedan conferir resistencia a antibiótico.

22. La respuesta es B.  Se utilizan dos fármacos para la tuberculosis latente: isoniazida y rifampicina. La isoniazida actúa bloqueando la síntesis de ácido micólico, un componente necesario de la pared celular de la bacteria causante de la tuberculosis. La rifampicina actúa al inhibir la RNA polimerasa bacteriana y bloquear la síntesis de nuevas proteínas. Ninguno de esos fármacos afecta la DNA polimerasa ni la peptidil-transferasa (el cloranfenicol es el antibiótico que inhibe la peptidil-transferasa bacteriana). La rifampicina tampoco tiene efecto en IF-1.

23. La respuesta es C.  El paciente tiene una versión aguda de hepatitis C, que afecta en mayor medida el hígado y su funcionamiento. El tratamiento con dos fármacos para la hepatitis C es ribavirina e interferón modificado (la modificación lo estabiliza). El interferón activa una cinasa (proteína cinasa R) que fosforila un factor de inicio clave para la síntesis de proteínas, con lo que inhibe la participación de este factor en dicha síntesis, la cual se ve reducida de manera global, y disminuye la replicación del virus que infecta las células. El interferón no inhibe la reparación del DNA ni fomenta la fase de elongación de la síntesis de proteínas ni afecta la formación de ribosomas.

24. La respuesta es C. El levofloxacino es un miembro de la familia de antibióticos quinolonas que inhibe las topoisomerasas bacterianas, en mayor medida la DNA girasa (el etopósido es el fármaco que inhibe las topoisomerasas eucarióticas). Sin actividad de girasa, el DNA del cromosoma bacteriano no puede desenrollarse de manera correcta, y la replicación del DNA cesa, lo que ocasiona la muerte de las bacterias. La familia de antibióticos quinolonas no afecta de modo directo las DNA polimerasas, la DNA ligasa ni la DNA primasa.

25. La respuesta es B. El fármaco administrado para prevenir la infección por Neisseria (uso profiláctico), que es común en condiciones de hacinamiento como en los dormitorios universitarios o las barracas militares, es la rifampicina. Ésta inhibe la RNA polimerasa, y también es de color rojo. El paso de la rifampicina a la orina o las lágrimas impartiría un tinte rojizo a estos líquidos. La rifampicina no interfiere en la síntesis de DNA, la membrana bacteriana, la síntesis de proteínas o la generación de ATP por las bacterias.



Capítulo 3   Expresión génica (transcripción), síntesis de proteínas (traducción)

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26. La respuesta es C. El hombre ha contraído difteria, de modo que necesita la antitoxina diftérica y luego antibióticos para eliminar al microorganismo causal, C. diphtheriae. Como el paciente no ha recibido atención médica en los últimos 20 años, también se ha perdido la vacuna contra la difteria que debe administrarse cada 10 años. La toxina diftérica bloquea la síntesis de proteínas en los eucariotes al fosforilar un factor de inicio, lo que inhibe la síntesis de proteínas en las células. La toxina no afecta de modo directo la síntesis de DNA o la de RNA, ni de manera directa reduce la producción de ATP por las mitocondrias ni contribuye a hacer porosa la membrana plasmática.

27. La respuesta es E. Un portador tendría un alelo normal (que generaría un fragmento EcoR1 de 3.0 kb) y un alelo mutado (que generaría fragmentos de 1.1 y 1.9 kb). La clave para responder esta pregunta es que la sonda se localiza dentro del fragmento de 1.1 kb que se genera en el alelo mutante (también está dentro del fragmento normal de 3.0 kb que se genera a partir del alelo normal.) Así, cuando se hace una Southern blot con la sonda dada, sólo la pieza de DNA de 1.1 kb se renaturaliza con la sonda y es visible en el alelo mutado. Ya que esta sección de DNA también está presente en la pieza de DNA de 3.0 kb, una pieza de DNA de 3.0 kb también será visible en la Southern blot. Si la persona tuviera dos alelos normales, entonces sólo la pieza de 3.0 kb sería visible; si la persona tuviera la enfermedad, entonces sólo la pieza de 1.1 kb sería visible en la Southern blot.

28. La respuesta es G. Amplificar la región del DNA entre los cebadores produce una pieza de 3.0 kb. El DNA de los alelos normales presentará una banda de 3.0 kb en un gel de agarosa después de cortar con la enzima de restricción apropiada, ya que el alelo normal no contiene este sitio en la región amplificada. Sin embargo, el alelo mutante sí tiene este sitio de restricción, por lo que después de amplificar el DNA y tratarlo con la enzima de restricción, se generan tanto una pieza de 1.1 kb como una de 1.9 kb, y ambas se verían en un gel tratado con bromuro de etidio. Los portadores tendrán sólo un alelo de cada uno (normal y mutante), de modo que un portador mostraría tres bandas en el gel de agarosa: 1.1, 1.9 y 3.0 kb de tamaño. Una persona con dos alelos normales sólo presentaría los fragmentos de 3.0 kb, mientras que una persona con dos alelos mutados mostraría tanto el fragmento de 1.1 kb como el de 1.9 kb.

29. La respuesta es E. El niño exhibe los síntomas del síndrome de Cockayne, que se debe a un defecto en la reparación del DNA acoplada a la transcripción. Durante la transcripción de los genes, si la RNA polimerasa nota daño del DNA, la transcripción se detiene mientras el mecanismo de reparación del DNA acoplada a la transcripción corrige el daño del DNA. Este síndrome puede deberse a mutaciones en el gen ERCC6 o el ERCC8, y los productos proteínicos de ambos genes intervienen en la reparación del DNA de genes que se transcriben de manera activa. La clave para contestar la pregunta es la cantidad de daño del DNA en las células en proliferación (que son activas transcripcionalmente) contra el daño en células quiescentes (que expresan menos genes). Los síntomas descritos también son exclusivos de individuos con el trastorno. La reparación de dímeros de timina y los procesos de reparación por escisión de bases, reparación por escisión de nucleótidos y reparación de apareamiento incorrecto de bases son todos funcionales en individuos con este trastorno.

30. La respuesta es D. El paciente tiene CCHSP, que se debe a mutaciones específicas en proteínas implicadas en la reparación de apareamiento incorrecto (se han identificado mutaciones en al menos cuatro proteínas diferentes que ocasionan CCHSP). La reparación de errores de apareamiento no interviene en la eliminación de dímeros de timina, y tampoco la reparación por escisión de bases (la eliminacion de uracilo del DNA). El CCHSP no implica una DNA ligasa defectuosa, ni la enfermedad causa empaque defectuoso del DNA (formación de solenoides) en el núcleo.

31. La respuesta es C. El niño tiene síndrome de Bloom, un defecto en la síntesis de DNA debido a una DNA helicasa defectuosa. Esta última causa una mayor tasa de mutación en las células, por un mecanismo desconocido. Las células de los pacientes con síndrome de Bloom exhiben un incremento significativo en los episodios de recombinación entre cromosomas homólogos comparadas con las células normales (mayor tasa de intercambio de cromátidas hermanas). Las mutaciones en la helicasa incrementan la inestabilidad genómica; la proteína de Bloom normal suprime el intercambio de cromátidas hermanas, y ayuda a mantener la estabilidad del genoma. El síndrome de Bloom no se debe a una mutación en la DNA polimerasa o la RNA polimerasa, una exonucleasa o una endonucleasa.

32. La respuesta es D. El niño expresa los síntomas de la progeria de Hutchinson–Gilford, una enfermedad de envejecimiento prematuro debida a una mutación en el gen LMNA, que codifica lámina A, una proteína nuclear. La mutación más común es C1824T, en la cual la citosina normal en la

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Bioquímica, biología molecular y genética posición 1 824 del gen es sustituida por una timina. Ésta es una mutación silenciosa en lo que a la proteína concierne: G608G. Sin embargo, la introducción de la T crea un sitio de empalme críptico en el gen, de modo que cuando el hnRNA se procesa, se crea un mRNA para lamina A que carece de 150 nucleótidos, lo cual corresponde a una pérdida de 50 aminoácidos cerca del extremo carboxilo terminal de la proteína. En condiciones normales, la lamina A se farnesila, lo que hace posible que la proteína se una a la membrana del retículo endoplásmico. Durante el procesamiento, la enzima AMPSTE24 escinde parte del carboxilo terminal, lo que libera la porción farnesilada de la proteína y de este modo la lamina A puede transferirse al núcleo, donde proporciona un andamiaje para la membrana nuclear. En la proteína mutante (progerina), el sitio de escisión se pierde debido a la pérdida de los aminoácidos C-terminales, aunque permanece el sitio de farnesilación. Por lo tanto, la progerina que llega al núcleo aún se une a la membrana nuclear, lo que distorsiona ésta y contribuye a la inestabilidad del núcleo. La unión de la cromatina a la membrana nuclear también se altera, al igual que los sitios de fosforilación en la progerina, lo cual hace más difícil que la membrana nuclear se disuelva durante la mitosis. Puesto que ésta es una mutación silenciosa en la proteína madura, la estructura terciaria proteínica no se altera, y no se ha introducido un codón de terminación prematura en la proteína (lo que constituiría una mutación interruptora, no una silenciosa). Como la secuencia de aminoácidos de la proteína es inicialmente la misma, no se ha creado un sitio de inicio alterno para la transcripción, ni un cambio de bases simple inhibe la replicación del DNA.

33. La respuesta es B. El nucléolo es el sitio intranuclear en que se produce el rRNA y se ensamblan las subunidades ribosómicas. En ausencia de nucléolos, el contenido ribosómico maduro dentro de la célula disminuirá, con el resultado de reducción global de la síntesis de proteínas. Una de las funciones del complejo ribosómico maduro es catalizar la formación de enlaces peptídicos, usando la actividad enzimática del rRNA de la subunidad ribosómica grande (23 S en procariotes, y 28 S en eucariotes). En los nucléolos, los genes que codifican rRNA se transcriben para producir el precursor del rRNA de 45 S, que se recorta, modifica e integra en un complejo con proteínas para formar subunidades ribosómicas. La síntesis de tRNA no requiere del nucléolo, y las reacciones de carga ocurren en el citoplasma, por lo que es improbable que las concentraciones de tRNA cargados se reduzcan. Encasquetamiento, empalme y poliadenilación del mRNA no requieren del nucléolo (ni de ribosomas), y procederían del modo normal a la temperatura no permisiva. La única razón para reducir los factores de inicio sería que su número de recambio fuera alto, y debieran sintetizarse nuevas proteínas para reponer la reserva de eIF. La falta de nucléolos por 96 h no debe afectar la capacidad de la célula de producir energía en la forma de ATP y GTP.

34. La respuesta es C. Las secuencias se leen de abajo a arriba en el gel. En esta región, las secuencias de los genes de FQ y normales son idénticas para las ocho primeras bases. Las posiciones 12 a 15 del gen normal y 9 a 12 del gen de la FQ son idénticas. Por lo tanto, hay una deleción de tres bases en el gen de la FQ correspondiente a las bases 9 a 11 del gen normal. Dado que la deleción es un múltiplo de tres (tres bases), no está implicado un desplazamiento del marco de lectura. Este patrón de DNA es indicativo de la mutación F508, en la cual se elimina del gen el codón para un residuo fenilalanina. Ésta es la mutación más común en pacientes con FQ, y ocurre en alrededor de 70% de los individuos con FQ.

35. La respuesta es B. Cada cromosoma tiene un homólogo. Por lo tanto, habrá dos copias de cada secuencia de DNA en el genoma. El niño C2 pudo haber obtenido el fragmento de restricción de 9 kb de esta madre, y el fragmento de 8.5 kb de este padre. Conforme a la prueba, el niño C1 no guarda relación genética con esta madre ni este padre, y ni la madre ni el padre tienen los fragmentos de 9.5 y 7.0 kb expresados por el niño C1.

capítulo

4

Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

El material de este capítulo es importante para comprender la forma en que las células funcionan y regulan su propia proliferación, lo cual constituye la base para entender el cáncer y su tratamiento, así como los trastornos que afectan a los organelos celulares específicos.

GENERALIDADES ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

■

■ ■

Las células eucariotas contienen diversos compartimientos intracelulares, cada uno de los cuales tiene una función exclusiva en la célula. Las membranas separan dos compartimientos acuosos y pueden separar organelos intracelulares del citoplasma o el citoplasma del ambiente externo. Las membranas constan de lípidos, carbohidratos y proteínas; una de sus funciones es regular el transporte de moléculas de un compartimiento a otro. Los lisosomas contienen enzimas degradativas que reciclan material que la célula ya no requiere. Las mutaciones en las enzimas lisosómicas provocan enfermedades del almacenamiento lisosómico. Las mitocondrias son las fuentes de energía de las células y generan ATP mediante la oxidación de fuentes de combustible y la reducción de oxígeno a agua. Las enfermedades genéticas de las mitocondrias reducen la producción de energía, lo que afecta principalmente el funcionamiento de los músculos y el sistema nervioso. Los peroxisomas son compartimientos celulares dedicados a reacciones oxidativas muy intensas. La falta de enzimas peroxisómicas, o de los peroxisomas mismos, provoca enfermedad. El núcleo es el sitio de almacenamiento y replicación del DNA, síntesis del RNA y ensamblaje de ribosomas. Las mutaciones en las proteínas nucleares ocasionan enfermedad. El retículo endoplásmico y el aparato de Golgi intervienen en la modificación postraduccional de proteínas y en la distribución de las proteínas a sus sitios intracelulares o extracelulares apropiados. El citoesqueleto constituye un andamiaje y armazón sobre el cual se encuentra la membrana celular. Los mensajeros químicos pueden actuar de manera paracrina, autocrina o endocrina, pero en todos los casos deben unirse a un receptor específico para inducir una respuesta de las células sobre las que actúan. Los receptores hormonales pueden ser intracelulares o transmembrana; los receptores intracelulares actúan como factores de transcripción, mientras que los receptores transmembrana inician una cascada de transducción de señales que conduce en parte a la activación de un factor de transcripción. Los receptores pueden actuar al promover la actividad de cinasa (tirosina cinasa o serina-treonina cinasa, según el receptor), o activando proteínas de unión a GTP heterotriméricas (proteínas G). Los segundos mensajeros, inducidos por la unión de mensajeros químicos a sus receptores, incluyen cAMP y derivados del recambio de fosfatidilinositol.

109

110 ■

■ ■

■ ■

Bioquímica, biología molecular y genética La proliferación celular descontrolada (cáncer) resulta de mutaciones en genes celulares normales (protooncogenes). Esto puede deberse a daño del DNA, que provoca mutaciones en genes importantes que regulan la proliferación celular. Los oncogenes son resultado de mutaciones de ganancia de función, mientras que los genes supresores tumorales resultan de mutaciones de pérdida de función. Las mutaciones en receptores de factores de crecimiento, expresión de factores de crecimiento, proteínas de transducción de señales y factores de transcripción pueden causar la proliferación celular descontrolada. La apoptosis es la muerte celular programada, un proceso de destrucción celular ordenada. Las mutaciones que permiten evitar la apoptosis pueden provocar la proliferación celular descontrolada. Las células humanas requieren múltiples mutaciones en los genes reguladores de la proliferación antes de que se produzca un tumor.

I. COMPARTIMENTALIZACIÓN EN LAS CÉLULAS; BIOLOGÍA CELULAR Y BIOQUÍMICA 1. Las membranas son estructuras lipídicas que separan del ambiente el contenido del compartimiento que forman. a. Las membranas plasmáticas separan la célula de su ambiente. b. Los organelos tienen membranas que separan del citoplasma el compartimiento interno del organelo. (1) La membrana plasmática: (a) Consiste en una bicapa lipídica que contiene proteínas integrales de membrana y proteínas periféricas (figura 4-1). (b) El principal componente de las membranas es lípido. (2) Los lípidos de la membrana plasmática se encuentran como fosfolípidos, los cuales contienen un grupo cabeza polar unido a dos colas hidrófobas de ácido graso; el grupo cabeza se enfrenta al ambiente acuoso, y las colas de ácido graso, hacia el interior de la bicapa (figura 4-2). (a) Los lípidos basados en glicerol contienen un esqueleto de glicerol y consisten en ácido fosfatídico (PA), fosfatidiletanolamina (PE), fosfatidilcolina (PC), fosfatidilserina (PS), fosfatidilglicerol (PG), fosfatidilinositol (PI) y cardiolipina (CL). Carbohidrato Glucocáliz

Exterior Glucoproteína Colesterol

Región hidrofílica

Glucolípido

Región hidrofóbica Región hidrofílica Proteína integral de membrana Proteína periférica Interior

Fosfolípido

FIGURA 4-1. Estructura básica de la membrana celular de los mamíferos.



111

Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer A

B

CH3

C a b e z a

CH3 +

CH3

p o l a r

CH3

CH3

N

C

C o l a s h i d r o f ó b i c a s

CH2

CH2

CH2

CH2

O

O

O

O –

P

C

O

P

O–

O P O–

O CH2

O

HC

NH

HOCH

C

CH2

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH2

CH

CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2

HC

O

CH2

CH2

CH

CH2

CH 2

CH2

CH 2

CH2

CH 2

CH2

CH 2 CH 2 CH 2 CH 2

CH2 CH2 CH3

O P O–

O

O

Fosfoetanolamina

Fosfoserina

CH2

OH HO

OH

HO

OH

O

CH

O P

CH 2 CH 2

O–

O

CH 2 CH 2 CH 2

Fosfoinositol

CH 2 CH 2

CH 3

CH 3

Fosfatidilcolina

Esfingomielina

CH3

+

CH2

CH CH2 O

O C O– H3N C H

+

NH3

CH C 2

O H2C

CH3

CH2 O O

+

N

FIGURA 4-2. Fosfolípidos comunes en la membrana celular de los mamíferos. La parte B ilustra diferentes grupos cabeza de los fosfolípidos basados en glicerol.

(3) (4) (5)

(6)

(b) El lípido basado en esfingosina es esfingomielina (SM). (c) El colesterol se encuentra en las membranas eucarióticas y mantiene la fluidez de la membrana a una amplia gama de temperaturas. La fluidez también es determinada por el contenido de ácidos grasos insaturados en la membrana, que son líquidos a temperatura ambiente, y la longitud de las cadenas de los ácidos grasos (las cadenas cortas son más fluidas que las largas). Las proteínas integrales de membrana funcionan como canales o transportadores para el movimiento de compuestos de un lado a otro de la membrana, como receptores para la unión de hormonas y neurotransmisores, o como proteínas estructurales. Las proteínas de membrana periféricas pueden ser eliminadas por agentes iónicos; dan soporte mecánico a la membrana a través del esqueleto interno de la membrana o el esqueleto cortical. Un ejemplo es la espectrina de la membrana celular eritrocítica. Un tercer tipo de proteínas de membrana son las proteínas acopladas a glucofosfatidilinositol (GPI). Un ejemplo de proteína acoplada a GPI es la proteína priónica, presente en membranas neuronales. Esta proteína produce una conformación alterada en la enfermedad de las vacas locas y la enfermedad de Creutzfeld–Jakob. Otras proteínas se relacionan con la membrana mediante acilación de ácidos grasos. Un ejemplo de esta clase es la proteína ras (Sección III, Cáncer). El glucocáliz de la membrana plasmática consiste en cadenas cortas de carbohidratos unidas a proteínas y lípidos que se extienden en los medios acuosos y protege la célula contra la digestión al tiempo que restringe la captación de moléculas hidrófobas.

112

Bioquímica, biología molecular y genética Molécula transportada

Bicapa Gradiente lipídica electroquímico – – –

Poro

–

Canal controlado

–

Difusión simple

Proteína portadora

–

ATP

–

En

erg

ía

Difusión facilitada

Transporte pasivo Transporte activo Endocitosis FIGURA 4-3. Tipos comunes de mecanismos de transporte para células humanas. El gradiente electroquímico consiste en el gradiente de concentración del compuesto y la distribución de carga en la membrana, lo que influye en el transporte de iones (partículas con carga). El transporte activo es el movimiento neto de un soluto desde una región de baja concentración hasta otra de alta concentración.

2. Transporte de moléculas de un lado a otro de la membrana plasmática (figura 4-3) a. Se emplea la difusión simple para gases y sustancias liposolubles (como las hormonas esteroideas). En la difusión simple existe un movimiento neto de una región de alta concentración a otra de baja concentración, y no se requiere energía ni una proteína portadora para la difusión. En el caso de moléculas sin carga, al final la concentración de la molécula será la misma a ambos lados de la membrana. b. Para la difusión facilitada se requiere que la molécula por transportar se una a un portador o proteína de transporte específicos en la membrana. No se requiere energía, y la concentración del compuesto se equilibra a ambos lados de la membrana. c. Los canales controlados son proteínas transmembrana que forman un poro para el paso de iones; el poro se abre o se cierra en respuesta a un estímulo. (1) Los canales controlados por voltaje reaccionan a un cambio de voltaje de un lado a otro de la membrana. (2) Los canales controlados por ligando reaccionan a la unión de un ligando a la proteína. (3) Los canales controlados por fosforilación reaccionan a un cambio covalente (fosforilación) en la proteína. La proteína reguladora de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CTFR, cystic fibrosis transmembrane conductance regulator protein) es un canal de cloruro que constituye un ejemplo de canal controlado por ligando regulado mediante fosforilación.

CORRELACIÓN CLÍNICA

En el estado homocigótico, las mutaciones hereditarias de la CFTR provocan fibrosis quística. El transporte de cloruro es inhibido en una variedad de tipos celulares, en particular pulmones y páncreas. Esto causa incapacidad de secretar iones cloruro desde la célula y el agua que acompañaría a los iones para el equilibrio osmótico. El resultado neto es un moco espeso que se seca y bloquea diversos conductos en los tejidos. Esto ocasiona problemas en los pulmones (las vías respiratorias se bloquean con una capa de moco denso) e insuficiencia pancreática, ya que las secreciones pancreáticas no pueden llegar al intestino delgado a causa del bloqueo del conducto pancreático. Se piensa que los heterocigotos para la CFTR tienen algún grado de protección contra el cólera. d. Para el transporte activo se requieren energía y proteínas transportadoras. (1) Es posible transportar compuestos contra un gradiente electroquímico, mientras que en el transporte facilitado sólo pueden viajar a favor de dicho gradiente. (2) Los transportadores acoplados pueden llevar un compuesto mientras otro compuesto viaja a favor de su gradiente de concentración, como en el transporte de glucosa ligado a sodio (también llamado transporte activo secundario). El sodio baja su gradiente electroquímico y la glucosa viaja por delante. Como se indica en la figura 4-4, la Na1-, K1-ATPasa genera el gradiente de sodio de un lado a otro de la membrana.



113

Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer Líquido extracelular 3 Na+

2 K+

P 3 Na+

ATP

P

ADP

P Pi

Citoplasma

2 K+

FIGURA 4-4. Transporte activo por la Na-, K-ATPasa. Note que se trata de un transporte electrógeno, ya que se transportan tres iones de sodio hacia fuera de la célula a cambio de dos iones potasio que entran. Esto crea un gradiente de concentración y un gradiente de carga de un lado a otro de la membrana.

e. Transporte vesicular a través de la membrana plasmática (1) La endocitosis es el transporte vesicular hacia dentro de la célula. (a) La pinocitosis es el proceso por el cual se forma la vesícula alrededor del líquido que contiene moléculas dispersadas. (b) La fagocitosis es la formación de la vesícula alrededor de la materia en partículas. (c) La endocitosis mediada por receptor es la formación de vesículas cubiertas de clatrina que median la internalización de receptores unidos a la membrana en vesículas cubiertas en el lado intracelular con subunidades de la proteína clatrina. El colesterol entra en las células mediante endocitosis mediada por receptor. (d) La potocitosis es la endocitosis que ocurre a través de cavéolas (regiones específicas de la membrana plasmática). (2) La exocitosis es el transporte vesicular hacia fuera de la célula. La liberación de insulina desde las células  del páncreas se produce por exocitosis. Las vesículas que contienen insulina preformada se fusionan con la membrana plasmática y liberan su contenido en el ambiente extracelular. 3. Lisosomas a. Los lisosomas son los organelos intracelulares de la digestión y están rodeados por una membrana simple. b. Algunas enzimas contenidas por lisosomas son nucleasas, fosfatasas, glucosidasas, esterasas y proteasas, con pH óptimo de alrededor de 5.5 (figura 4-5).

Proteínas

Mucopolisacáridos Polisacáridos Oligosacáridos

Proteasas Proteases

Glucosidasas Glycosidases

Lisosoma DNA y RNA Deoxyribonucleases Desoxirribonucleasas Ribonucleasas Ribonucleaseses

Glucuronidases Glucuronidasas Sulfatasas Sulfatases

Monosacáridos

Fosfoacilgliceroles Fosfolipasas

Diacilgliceroles

Nucleótidos

Fosfatasas Phosphatases Monoacilgliceroles

Lysozyme Lisozima

Aminoácidos

Triacilgliceroles Lipasas

Fosfatasas Phosphatases Nucleósidos

Fosfato Ácidos grasos inorgánico (Pi)

Glicerol

Fosfato inorgánico (Pi)

Moléculas de grupo cabeza (colina, etc.)

Depósitos celulares en el citoplasma

FIGURA 4-5. Reacciones lisosómicas. Estas enzimas son activas al pH ácido del lisosoma, e inactivas si de manera accidental se liberan en el citosol.

114

Bioquímica, biología molecular y genética c. Los lisosomas contienen una ATPasa vesicular (bomba de protones) que transporta activamente protones desde el citoplasma hacia el interior del lisosoma para reducir el pH intralisosómico. d. Los lisosomas participan en la endocitosis mediada por receptor, ya que la vesícula cubierta de clatrina formada por la membrana plasmática se fusiona para formar endosomas tempranos, los cuales pueden madurar a endosomas tardíos. Éstos se convertirán en lisosomas cuando acumulen hidrolasas y su pH intracelular se reduzca. e. Los lisosomas participan en la autofagia (“comerse a sí mismo”), en la cual los autofagosomas se fusionan con un lisosoma y éste digiere el contenido intracelular de aquéllos.

CORRELACIÓN CLÍNICA

Las enfermedades del almacenamiento lisosómico se producen cuando una enzima lisosómica es defectuosa (o lo es un grupo de enzimas como en la enfermedad de células I). El lisosoma se llena de material que no se puede digerir, lo que interfiere en el funcionamiento lisosómico normal. Algunos ejemplos de defectos enzimáticos específicos son enfermedad de Tay–Sachs, enfermedad de Gaucher, enfermedad de Pompei y síndrome de Hurler. La enfermedad de células I es un problema de direccionamiento de las enzimas lisosómicas al organelo, y faltan muchas proteínas lisosómicas, lo que ocasiona la muerte en la niñez. Las proteínas dirigidas carecen de su señal manosa-6-fosfato (M6P), y no pueden unirse al receptor de M6P para ser transferidas a los lisosomas desde el aparato de Golgi. Muchas de las proteínas lisosómicas se secretan fuera de la célula, donde no pueden hacer daño ya que el pH es mayor de 7 y las enzimas tienen pH óptimo de 5.5. 4. Mitocondrias a. Las mitocondrias contienen la mayoría de las enzimas para las vías de oxidación de combustible y fosforilación oxidativa y por tanto generan la mayor parte del ATP requerido por las células de los mamíferos. b. Las mitocondrias tienen dos membranas: (1) La membrana externa presenta poros constituidos por proteínas llamadas porinas, y es permeable a sustancias con peso molecular hasta de 1 000 Da. (2) La membrana interna es muy impermeable, y permite el establecimiento de un gradiente protónico de un lado a otro de la membrana. Se requieren transportadores específicos para llevar compuestos desde el citoplasma hacia las mitocondrias y viceversa. c. Las mitocondrias contienen su propio genoma circular, que codifica 13 diferentes subunidades de proteínas implicadas en la fosforilación oxidativa. El resto de las proteínas mitocondriales se codifican en el núcleo, se sintetizan en el citoplasma y se transportan al interior de las mitocondrias. d. Las mutaciones heredadas en el DNA mitocondrial causan problemas musculares, nerviosos y renales.

CORRELACIÓN CLÍNICA

Dado que las mitocondrias contienen su propio genoma, que codifica varias subunidades necesarias para la fosforilación oxidativa, junto con genes que codifican tRNA, rRNA y otros factores requeridos para la síntesis de proteínas, las mutaciones en cualquiera de estos genes pueden dar por resultado mitocondrias defectuosas. Los trastornos mitocondriales se deben a una mutación en el genoma mitocondrial, y más a menudo afectan el funcionamiento del sistema nervioso y los músculos, dos tejidos con muy altas necesidades de energía. Son ejemplos de enfermedades mitocondriales la neuropatía óptica hereditaria de Leber y la epilepsia miocolónica con fibras rojas rasgadas (MERRF, myoclonic epilepsy with ragged red fibers). Los trastornos mitocondriales se heredan por línea materna, y todos los niños que heredan mitocondrias defectuosas expresarán algún componente de la enfermedad (algunos tendrán afección leve y otros más grave, según la distribución de mitocondrias normales y mutantes que se asignaron al óvulo cuando se produjo). El patrón de herencia de los trastornos mitocondriales se considerará con más detalle en el Capítulo 10. 5. Peroxisomas a. Los peroxisomas son organelos citoplásmicos que participan en reacciones oxidativas usando oxígeno molecular, y en muchos casos producen peróxido de hidrógeno. b. Las enfermedades peroxisómicas son causadas por mutaciones que afectan la síntesis de enzimas peroxisómicas funcionales, la incorporación de estas proteínas en peroxisomas o la biogénesis de peroxisomas.



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

115

CORRELACIÓN CLÍNICA

Entre los trastornos peroxisómicos se incluyen suprarrenoleucodistrofia y síndrome de Zellweger. El término suprarrenoleucodistrofia se refiere a varios trastornos estrechamente relacionados que interfieren en la oxidación peroxisómica de ácidos grasos de cadena muy larga (las mitocondrias oxidarán los ácidos grasos más cortos). Los ácidos grasos de cadena muy larga se acumulan en el sistema nervioso y las glándulas suprarrenales, y pueden interferir en el funcionamiento de los nervios al alterar la vaina de mielina. El funcionamiento suprarrenal disminuye lentamente a medida que en la glándula se acumulan ácidos grasos de cadena muy larga. Entre los síntomas se encuentran pérdida de capacidades neurológicas, degeneración de los sistemas visual y auditivo, convulsiones y enfermedad de Addison (por insuficiencia suprarrenal crónica). El síndrome de Zellweger es un trastorno de la biogénesis de peroxisomas. Cuando no se producen peroxisomas de manera adecuada no pueden ocurrir determinadas reacciones enzimáticas, incluidas las que intervienen en la formación correcta de mielina en el sistema nervioso. Se acumulan ácidos grasos de cadena muy larga, así como ácido fitánico (un producto vegetal), que interfieren en el funcionamiento normal del sistema nervioso. También se afecta la síntesis de ácidos biliares y plasmalógenos, lo que causa hepatomegalia. La enfermedad es letal en la lactancia; la muerte suele ocurrir en los primeros seis meses de vida.

6. Núcleo a. El núcleo es el organelo subcelular más grande y aloja el genoma de la célula. La replicación del DNA, la transcripción y el ensamblaje de los ribosomas se realizan dentro del núcleo. b. La envoltura nuclear rodea al núcleo, y consiste en una membrana externa y una interna unidas por poros. (1) La membrana externa es continua con el retículo endoplásmico rugoso. (2) La membrana nuclear interna es en mayor medida una barrera impermeable. (3) El RNA y otros materiales que deben exportarse del núcleo salen por los poros. c. El nucléolo, una subestructura del núcleo, es el sitio de la transcripción del rRNA y del ensamblaje de los ribosomas. 7. Retículo endoplásmico (RE) a. El RE es una red membranosa intracelular consistente en RE liso (REL), desprovisto de ribosomas, y RE rugoso (RER), salpicado de ribosomas. b. El REL tiene muchas funciones, como ser el sitio de síntesis de muchos lípidos grandes y el depósito de enzimas oxidativas del citocromo P450 que se usan para destoxificación y en la síntesis de moléculas hidrófobas. c. El RER participa en la síntesis de hormonas secretadas y algunas proteínas dirigidas a organelos intracelulares (ver Capítulo 3). d. El RER también es el sitio de inicio de las modificaciones postraduccionales de las proteínas recién sintetizadas. 8. Aparato de Golgi a. El aparato de Golgi interviene en la modificación de las proteínas producidas en el RER y su clasificación y distribución a lisosomas, vesículas secretorias o membrana plasmática. b. Entre las modificaciones postraduccionales están adición de oligosacáridos de cadena ramificada complejos, sulfatación y fosforilación. 9. Citoesqueleto a. La estructura de la célula, la forma de la superficie celular y la disposición de los organelos subcelulares dependen de tres principales componentes proteínicos, los cuales se consideran parte del citoesqueleto. b. Los microtúbulos son responsables del movimiento de vesículas y organelos. (1) La principal proteína es la tubulina.

CORRELACIÓN CLÍNICA

La esferocitosis hereditaria se debe a una mutación heredada en el citoesqueleto de los eritrocitos. Con más frecuencia es causada por deficiencia de espectrina, un componente esencial de la membrana interna y el citoesqueleto eritrocíticos. La falta de espectrina provoca la pérdida de área superficial del eritrocito, y debido a su forma alterada, estas células son retiradas rápidamente de la circulación por el bazo, lo que produce anemia. Otras proteínas del citoesqueleto eritrocítico cuya mutación también puede causar esferocitosis son anquirina, banda 3 y proteína 4.2.

116

Bioquímica, biología molecular y genética A

Extremo “más” A

A

A

A

A

A

A

Actina F

A A A A A

A

A

Pi

A A A A Extremo “menos”

Subunidad de actina G

FIGURA 4-6. Filamentos de actina. El polímero de actina F se ensambla a partir de subunidades de actina G unidas a ATP. El filamento crece en su extremo “más”, y la disociación de actina-GDP ocurre en el extremo “menos” del polímero.

(2) La red de microtúbulos comienza en el centríolo, dentro del núcleo y se extiende hacia fuera hasta la membrana plasmática.

(3) Los microtúbulos consisten en grupos polimerizados de dímeros de -tubulina y -tubulina que forman protofilamentos organizados alrededor de un centro hueco.

(4) Existen tres polipéptidos de tubulina diferentes: ,  y . La -tubulina sólo se encuentra en centrosomas y cuerpos polares del huso. c. Los filamentos delgados, que forman un citoesqueleto, contienen principalmente actina. (1) El polímero de actina es la actina F; la actina monomérica es la actina G (figura 4-6). (2) Dentro de la actina F, cada actina G contiene un ATP o ADP unido que modifica la estructura terciaria de la actina. (3) Los polímeros de actina forman filamentos delgados (microfilamentos) y están unidos a proteínas formadoras de enlaces cruzados relacionadas con la superficie celular. d. Los filamentos intermedios (FI), con función estructural, contienen principalmente polímeros de proteína fibrosa que dan soporte estructural a las membranas. Hay una gran cantidad de proteínas que participan en la formación de los FI.

II.  SEÑALIZACIÓN CELULAR POR MENSAJEROS QUÍMICOS 1. Las características generales de los mensajeros químicos se ilustran en la figura 4-7. 2. Las acciones de los mensajeros químicos pueden clasificarse como endocrinas, paracrinas y autocrinas. a. Las hormonas endocrinas son secretadas por un tipo celular específico, pasan a la sangre y ejercen sus acciones en células efectoras específicas, que pueden estar a alguna distancia. b. Las acciones paracrinas son las realizadas en células cercanas; una hormona secretada por una célula actúa en las células vecinas. c. Las acciones autocrinas implican un mensajero que actúa en la célula que lo secretó. 3. Tipos de mensajeros químicos: a. El sistema nervioso secreta dos tipos de mensajeros: neurotransmisores de molécula pequeña (como la acetilcolina) y neuropéptidos (por lo común péptidos pequeños con cuatro a 35 aminoácidos). b. Las hormonas del sistema endocrino son hormonas polipeptídicas (como insulina y glucagón), catecolaminas (como adrenalina), hormonas esteroideas (derivadas de colesterol, como el estrógeno) y hormonas tiroideas.



117

Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer 1 SECRECIÓN Estímulo

Célula secretoria

Mensajeros químicos

2 DIFUSIÓN/UNIÓN AL RECEPTOR

Receptor en la membrana plasmática

3 DIFUSIÓN TRANSDUCCIÓN DE SEÑALES Receptor intracelular

FIGURA 4-7. Características generales de los mensajeros químicos. 1. Secreción del mensaje químico. 2. Unión del mensaje al receptor en la superficie celular. 3. Difusión de un mensaje hidrofóbico a través de la membrana plasmática y unión a un receptor intracelular.

Célula objetivo

RESPUESTA

c. El sistema inmunitario utiliza los mensajeros conocidos como citocinas, pequeñas proteínas con peso molecular promedio de 20 kDa. Existen diferentes clases de citocinas (como interferones, interleucinas, factores de necrosis tumoral y factores estimulantes de colonias), pero todas son secretadas por las células del sistema inmunitario e inducen cambios en la transcripción génica de las células efectoras. d. Los eicosanoides provienen de ácidos grasos de cadena larga, y son prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos. e. Los factores de crecimiento son polipéptidos que actúan estimulando la proliferación celular (hiperplasia) o el aumento de tamaño celular (hipertrofia). 4. Receptores intracelulares y de membrana plasmática a. Los receptores de mensajeros químicos pueden ser proteínas intracelulares o proteínas integrales de membrana (figura 4-8). Receptores de superficie celular Receptor de superficie celular Membrana plasmática

Molécula señal hidrofílica Receptores intracelulares

Proteína portadora

FIGURA 4-8. Receptores intracelulares y de membrana. Los receptores de membrana tienen dominios de unión extracelulares. Los receptores intracelulares se unen a hormonas esteroideas u otros mensajeros capaces de difundirse a través de la membrana plasmática. Tales receptores pueden residir en el citoplasma y transponerse al núcleo o residir en el núcleo unidos a DNA o a otras proteínas.

Molécula señal hidrofóbica pequeña Receptor citosólico

Receptor nuclear

DNA

118

Bioquímica, biología molecular y genética b. La mayoría de los receptores intracelulares para mensajeros lipófilos son factores de transcripción específicos de gen. c. Superfamilia de receptores de hormona esteroidea/hormona tiroidea (1) Estas moléculas lipófilas se transportan en la sangre unidas a albúmina sérica, o a proteínas de transporte más específicas, como globulina de unión a hormona esteroidea o globulina de unión a hormona tiroidea. (2) Una vez en la célula, el mensajero lipofílico se une a su receptor, que a menudo se dimeriza (con otros factores de transcripción intracelulares) para unirse a las regiones proximales al promotor en el DNA para modificar la expresión génica.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

El síndrome de insensibilidad a andrógeno (arreactividad a andrógenos ligada al sexo) se debe a la mutación de un receptor de andrógeno que es codificado por el cromosoma X. Los varones que heredan esta mutación de sus madres no pueden reaccionar a los andrógenos (como la testosterona) y es posible que nazcan con genitales ambiguos. Esta mutación no afecta el desarrollo de la mujer en el estado heterocigoto. Existen diversos niveles de expresión fenotípica, desde leve hasta grave, según el tipo de mutación heredado. d. Receptores de membrana plasmática y transducción de señales (1) Principales clases de receptores de membrana plasmática (a) Receptores de canal iónico 1. La transducción de señales consiste en un cambio conformacional cuando un ligando se une, lo cual permite el flujo de iones por el canal. 2. El receptor de acetilcolina es un ejemplo de receptor de canal iónico.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La miastenia grave es un trastorno neuromuscular debido a un estado autoinmunitario que produce anticuerpos contra el receptor de acetilcolina. El receptor no puede ser activado por acetilcolina y la célula muscular no es capaz de reaccionar al neurotransmisor, por lo que no ocurre la contracción. El síntoma sobresaliente del trastorno es fatiga muscular. El tratamiento consiste en inhibidores de acetilcolinesterasa (de modo que la acetilcolina permanezca por un periodo prolongado en la unión neuromuscular) e inmunosupresores para reducir la producción de los autoanticuerpos dirigidos contra el receptor. (b) Receptores que son cinasas o se unen a éstas y las activan 1. Se muestran ejemplos de estos receptores en la figura 4-9. 2. La característica en común de esta clase de receptores es que el dominio cinasa intracelular del receptor (o el dominio cinasa de la proteína relacionada) se activa cuando el mensajero se une al dominio extracelular. 3. La vía de transducción de señales se propaga corriente abajo a través de proteínas transductoras de señales que se unen al complejo mensajero–receptor activado. (c) Los receptores heptahelicoidales (figura 4-10) contienen siete dominios transmembrana y son el tipo más común de receptor de membrana plasmática. 1. Estos son receptores acoplados a proteína G (GPCR), ya que funcionan con una proteína G para transmitir la señal. 2. Las proteínas G inducen la producción de un segundo mensajero, como cAMP, o cambios en moléculas derivadas de PI.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

El cólera, causado por una toxina secretada por Vibrio cholerae, afecta las células del epitelio intestinal. La toxina consiste en dos clases de sub­unidades, designadas A y B. La subunidad B ayuda a la subunidad A a entrar en las células, donde esta última ADP-ribosila la subunidad Gs, con lo cual anula la actividad de GTPasa intrínseca. Esto ocasiona la activación constitutiva de la adenilato ciclasa y concentraciones altas de cAMP. El cAMP elevado causa la activación de la proteína cinasa A, que fosforila una variedad de proteínas, incluida la CFTR. La CFTR activada transportará cloruro fuera de las células del epitelio intestinal, de modo que al cloruro le sigue agua y resulta diarrea acuosa. El tratamiento es prevenir la deshidratación. La diarrea acuosa suele eliminar las bacterias causales de la luz del intestino, de modo que la enfermedad es autolimitada.



119

Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer A. Tirosina cinasa receptora

B. JAK-STAT receptoras Citocina

Factor de crecimiento

Heterodímero

Homodímero

P P

P

P

JAK

Dominio tirosina cinasa

JAK

P

Proteína Dominio transductora SH2 de señales

Dominio tirosina cinasa

P

Proteína transductora de señales

STAT

C. Serina-treonina cinasas receptoras Dímero de citocina

Heterodímero

P P Fosforilación

Dominio serina cinasa Smad

Proteína transductora de señales

FIGURA 4-9. Receptores que son cinasas o que se unen a cinasas. Los dominios cinasa se muestran en verde y los sitios de fosforilación se indican con flechas verdes. A. Tirosina cinasas receptoras. B. JAK-STAT receptoras. C. Serina-treonina cinasas receptoras.

(2) Transducción de señales a través de receptores tirosina cinasa (tirosina cinasas receptoras) (a) La activación de los receptores de tirosina cinasas conduce a la activación de la vía de las MAP cinasas (figura 4-11) (b) Una vez que se activa raf, también lo hace la MEK cinasa, que a su vez activa la ERK cinasa, lo que modifica la actividad del factor de transcripción génico, con lo cual se regula a la alza o a la baja la transcripción de muchos genes implicados en la supervivencia y proliferación celulares. Receptores heptahelicoidales Primer mensajero hormona

FIGURA 4-10. Receptores serpentinos y segundos mensajeros. El complejo hormona-receptor activado estimula una proteína G heterotrimérica y vía estimulación de enzimas unidas a la membrana, diferentes proteínas G inducen la generación de uno o más segundos mensajeros intracelulares.

GDP Proteína G heterotrimérica

Enzima relacionada con la membrana

cAMP o DAG, segundo mensajero IP3 Respuesta celular

1. Unión a factor de crecimiento

y dimerización Factor de crecimiento

Factor de crecimiento

4. Ensamblaje del complejo

Dominio tirosina cinasa P

P

2. Autofosforilación

P

P

P

P P

P

Ras Grb2

SOS (GEF)

3. Unión de proteínas adaptadoras, como Grb2

5 Intercambio . de nucleótidos

de guanina y activación de ras

GDP

Ras GDP

GTP

GTP Raf

6. Ras se une a raf e inicia la vía de las MAP cinasas

FIGURA 4-11. Transducción de señales por tirosina cinasas receptoras. 1. Unión y dimerización. 2. Autofosforilación. 3. Unión de GRB2 y SOS. 4. SOS es un factor de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) que se une a ras, una proteína G monomérica anclada a la membrana plasmática. 5. GEF activa el intercambio de GTP por GDP unida en ras. 6. Ras activada que contiene GTP se une a la enzima objetivo raf, con lo cual activa ésta y una serie de cinasas corriente abajo, las MAP cinasas.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La neurofibromatosis 1 (NF-1, enfermedad de von Recklinghausen) se debe a una mutación en el gen de la neurofibromina, que es una proteína activadora de GTPasa (GAP) para ras. Los defectos en la neurofibromina dan por resultado un producto génico de ras que es activo por periodos prolongados, lo cual causa proliferación celular anómala. Múltiples neurofibromas del sistema nervioso se deben a la herencia de este trastorno. El producto génico se considera un gen supresor tumoral. (c) Las proteínas con dominios SH2 reconocen residuos fosfotirosina, y pueden dirigirse de manera específica a un tipo de receptor con respecto a otro. (d) Las tirosina cinasas receptoras también tienen vías de señalización adicionales que implican otros factores distintos de la vía de las MAP cinasas. (3) Fosfatos de fosfatidilinositol en la transducción de señales (a) Tanto los receptores de tirosina cinasas como los receptores helicoidales pueden inducir cambios en el metabolismo del PI. 1. El 4’,5’-bisfosfato de fosfatidilinositol puede escindirse para generar dos mensajeros intracelulares, diacilglicerol (DAG) y trifosfato de inositol (IP3). 2. El 3’,4’,5’-trifosfato de fosfatidilinositol puede servir como sitio de acoplamiento a la membrana plasmática para proteínas de transducción de señales. 3. En la figura 4-12 se muestra la vía de generación de estos importantes derivados de PI. (b) Las señales de fosfoinosítido son de corta duración, ya que el ciclo del PI regenera éste a partir de las señales. Este ciclo puede ser interrumpido por litio, el cual inhibe la fosfatasa que convierte el fosfato de inositol en inositol libre. (4) El receptor de insulina es un ejemplo de receptor capaz de activar no sólo la vía de las MAP cinasas, sino también la vía de las proteína cinasas B (PK B o Akt) (figura 4-13). (a) La activación de la PI-3 cinasa causa la generación de 3 ,4 ,5-trifosfato de fosfatidilinositol, que es un sitio de unión a la membrana para proteínas que tienen dominios con homología de pleckstrina, como PDK1 y PK B (figura 4-14). (b) La activación de PK B (Akt) promueve la supervivencia celular (es antiapoptósica), además de propagar algunos efectos específicos de la insulina.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La diabetes resulta de alteraciones en la señalización de insulina. El receptor de insulina es necesario para transmitir la señal de que el páncreas ha liberado insulina, lo cual ocurre cuando la glucemia aumenta. La diabetes tipo I se define como la incapacidad de producir insulina, de modo que el receptor de insulina no se activa. Esto conduce a la incapacidad del músculo y los adipocitos de transportar glucosa desde la circulación y también reduce los efectos promotores del crecimiento de la insulina. La diabetes tipo 2 es una baja reactividad celular a la insulina, lo que puede producirse de diversas maneras.

120



121

Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

Membrana plasmática P 1

Cinasas

P

6

5

2

3

4

Fosfatidilinositol (PI)

P

Diacilglicerol (DAG)

PLC

+

P P

4,5-bisfosfato de PI (PI-4,5-bisP)

P 1,4,5-trifosfato de inositol (IP3) Segundos mensajeros

PI-3-cinasa

P

P

P P 3,4,5-trifosfato de PI (PI-3,4,5-triP) Sitio de acoplamiento para los dominios de homología de la pleckstrina

FIGURA 4-12. Principales vías para la generación de las moléculas señal fosfoinosítido. PLC es fosfolipasa C.

Insulina

 PIP



 

GAP1 Grb2 P

PIP

PIP

PLC P

P

IRS

PI-3-cinasa

P

IRS

P

P P

P P P

P

P P

FIGURA 4-13. Señalización por el receptor de insulina. Los dominios tirosina cinasa se muestran en verde y las flechas indican autofosforilación. El receptor activado se une a moléculas de IRS y las fosforila en múltiples sitios, con lo que forma sitios de unión para proteínas con dominios SH2, por ejemplo, GRB2, fosfolipasa Cγ, y PI-3-cinasa. Estas proteínas relacionadas también se relacionan con derivados fosfoinosítido (PIP) en la membrana.

122

Bioquímica, biología molecular y genética Ins





P

P P IRS

P P P PI-3,4,5-triP

P P

P Dominios PH

P

P

P

P

P

P

P

PI-3-cinasa activada

P

Fosforilación y activación de PKB por PDK1 PDK 1

Disociación

PK B PKB activa

P

P

FIGURA 4-14. Vía de señalización de las proteína cinasa B (Akt) usada por el receptor de insulina. Dominios PH, dominios de homología pleckstrina; PDK1, proteína cinasa 1 dependiente de fosfoinosítido; PKB, proteina cinasa B.

(5) Transducción de señales por receptores de citocina: usa las proteínas JAK-STAT. (a) Los receptores de citocina no tienen un dominio cinasa intrínseco, pero se relacionan con JAK cinasas. (b) Cuando las citocinas se unen a los receptores ocurren dimerización y fosforilación cruzada entre las JAK cinasas; esto último permite que las proteínas STAT (transductoras de señales y activadoras de la transcripción) del dominio SH2 se unan al complejo receptor–cinasa. (c) Las STAT se fosforilan, dimerizan y viajan al núcleo para modificar la transcripción génica (figura 4-15). (d) La señalización por STAT es modulada por las familias de proteínas SOCS (supresoras de la señalización por citocina) y PIAS (inhibidores proteínicos de STAT activado), algunos de los cuales son inducidos por STAT.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

El síndrome de inmunodeficiencia combinada grave (SICG) existe en dos tipos, ya sea deficiencia de adenosina desaminasa (ver Capítulo 9) y SICG ligada al sexo, en la que falta una subunidad del receptor de citocina; el gen defectuoso es el gen IL2RG (interleukin 2 receptor, gamma). Esta subunidad es común a muchos receptores de citocina diferentes y cuando es defectuosa las células sanguíneas inmaduras no reaccionan de manera apropiada a las señales de proliferación y diferenciación, de lo que resulta la falta de un sistema inmunitario funcional. Los individuos que heredan esta mutación tienen múltiples infecciones en una etapa temprana de la vida, incluidas micosis. Es rara la supervivencia mayor de un año.

Jak

Jak

P

P

P

P

a citocinas, se dimerizan y se unen a Jak

Citosol

P

4. Las STAT se disocian del P

1. Los receptores se unen

P

P

2. Las Jak se fosforilan entre sí y al receptor

P

P

STAT P P

3. El receptor se une a las STAT y las fosforila

FIGURA 4-15. Pasos de la señalización por receptor de citocina.

receptor, se dimerizan y se transponen al núcleo

P P



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

123

TGF-

S P

S

P

Tipo II

P P S S R-Smad

1. TGF- se une al receptor tipo II

2. El receptor tipo II

fosforila al receptor tipo I

3. El receptor tipo I activado fosforila R-Smad

P P S S R-Smad Co-Smad

4. R-Smad forma un

complejo con Co-Smad y migra al núcleo

FIGURA 4-16. Los receptores serina-treonina y proteínas SMAD. El R-SMAD fosforilado se dimeriza con el SMAD común (SMAD 4) y luego se transpone al núcleo para activar o inhibir la expresión de genes objetivo.

(6) Receptores serina-treonina cinasas (a) Los receptores para la familia TGF-b de factores de crecimiento son serina-treonina cinasas (figura 4-16). (b) Hay receptores tipo I y tipo II 1. El factor de crecimiento transformante  (TGF-) se une al principio a un receptor tipo II, que entonces convoca a un receptor tipo I al complejo. 2. El receptor tipo II fosforila la cinasa del receptor tipo I y la activa. 3. El receptor tipo I se une a un receptor-SMAD (R-SMAD), al que fosforila en un residuo serina. 4. El R-SMAD fosforilado se disocia del receptor y se dimeriza con SMAD 4, el SMAD común. 5. El complejo SMAD se transpone al núcleo para modificar la transcripción génica. 6. Uno de los genes activados es un SMAD inhibidor, que regula el tiempo de actividad de la señal (terminación de señal). (7) Transducción de señales a través de receptores heptahelicoidales (a) Estos receptores contienen siete dominios transmembrana. (b) La unión del ligando al receptor es transducida por la activación de proteínas G heterotriméricas, de las cuales existen muchas clases. (c) El esquema básico para la activación de las proteínas G heterotriméricas se ilustra en la figura 4-17. Este ejemplo muestra una hormona que conduce a la activación por adenilato ciclasa. (d) Las subunidades  de las proteínas G heterotriméricas, además de unirse a GTP, tienen actividad intrínseca de GTPasa, que autorregula el tiempo que la proteína G es activa. (e) Hay cinco clases principales de proteínas G, como se indica en la tabla 4-1. Note que hay proteínas G que pueden activar su objetivo, así como otras que lo inhiben. (f) Las concentraciones de cAMP también se modulan a través de la regulación de la cAMP fosfodiesterasa, la enzima que convierte cAMP en 5’-AMP. Las metilxantinas, como cafeína y teofilina, inhiben la cAMP fosfodiesterasa y actúan manteniendo concentraciones elevadas de cAMP.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La bacteria Bordetella pertussis coloniza los pulmones y secreta una toxina que ingresa en las células pulmonares. La toxina es capaz de ADP-ribosilar una proteína Gi, y bloquear la activación de esta clase de proteínas G. Lo que significa que cuando la célula recibe las señales apropiadas la adenilato ciclasa no puede inactivarse, y las concentraciones de cAMP permanecerán elevadas. La proteína cinasa A es activa y el metabolismo y la señalización celulares no son apropiados para las condiciones dadas. Este mecanismo de acción contrasta con el de la toxina del cólera, en el cual la Gs es activada de manera continua, debido a que la modificación por ADP-ribosilación inhibe su actividad de GTPasa. (g) La señalización de PI a través de receptores heptahelicoidales ocurre a través de la familia Gq de proteínas G. La Gq actúa en la fosfolipasa C, la cual hidroliza PIP2 a DAG e IP3.

124

Bioquímica, biología molecular y genética

1. El receptor se une

2. La proteína G intercambia

a la hormona

GTP por GDP y se disocia

 GDP

 



 

GDP

3. La proteína objetivo se une

 GDP

4. El GTP se hidroliza y

a GTP-Gs



GTP

GTP



5. Gs se une a las subunidades

Gs se disocia

y al receptor

Pi Adenilil-ciclasa

 ATP

GTP

cAMP





GDP

GDP





FIGURA 4-17. Receptores serpentinos y proteínas G heterotriméricas. En el ejemplo mostrado, la proteína objetivo es adenilato ciclasa, que produce cAMP. Note que cuando la proteína G se activa (se une a GTP), la subunidad -GTP se disocia de las otras dos subunidades para activar (o inhibir) su proteína objetivo.

1. El IP3 se une al retículo sarcoplásmico o endoplásmico, lo que induce la liberación

de calcio en el citoplasma. La liberación de calcio activa las enzimas que contienen la subunidad calcio–calmodulina, incluida una proteína cinasa. 2. El DAG, que permanece unido a la membrana, activa la proteína cinasa C, lo cual propaga la respuesta al fosforilar proteínas objetivo apropiadas. (8) Actividad y número de receptores después de unión a hormona (a) El número de receptores puede reducirse por regulación a la baja. (b) La actividad de los receptores puede reducirse por fosforilación u otras modificaciones covalentes. (9) Los mecanismos de terminación de la señal incluyen lo siguiente: (a) Termina la liberación del mensajero químico inicial. (b) Ocurre desensibilización o regulación a la baja. t a b l a

4-1

Subunidades de las proteínas G heterotriméricas

Subunidad G 

Acción

Algunos usos fisiológicos

s; G(s)a

Estimula la adenilil-ciclasa

i/o; G(i/o) (la señal también fluye por subunidades ) t; G(t)

Inhibe la adenilil-ciclasa

Glucagón y adrenalina para regular enzimas metabólicas, hormonas polipeptídicas regulatorias para controlar la síntesis de hormonas esteroideas y hormona tiroides, y por algunos neurotransmisores (p. ej., dopamina) para controlar canales iónicos Adrenalina; muchos neurotransmisores, incluidos acetilcolina, dopamina, serotonina Participa en la vía de las transducinas, la cual media la detección de luz en el ojo Adrenalina, acetilcolina, histamina, hormona tiroestimulante (TSH), interleucina 8, somatostatina, angiotensina Tromboxano A2 y ácido lisofosfatídico actúan como señales para modificar elementos del citoesqueleto

q/11; G(q/11) 12/13; G(12/13)

aExiste

Estimula la cGMP fosfodiesterasa Activa la fosfolipasa C Activa Rho-GEF (factor de intercambio de nucleótidos de guanina)

la tendencia creciente de designar las subunidades de las proteínas G heterotriméricas sin usar subíndices.



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer (c) (d) (e) (f)

125

Se activan las proteína fosfatasas para revertir los procesos de fosforilación. Se activan las GTPasas para bloquear la actividad de la proteína G. Se activan las fosfodiesterasas para reducir las concentraciones de cAMP. Los genes inducidos se transcriben y traducen para producir proteínas que antagonizan las señales positivas iniciadas por el mensajero químico.

III.  BIOLOGÍA MOLECULAR DEL CÁNCER 1. Cáncer es el término que se aplica a un grupo de enfermedades en las cuales las células dejan de reaccionar a las restricciones normales a la proliferación y son resistentes a la apoptosis. 2. El cáncer es causado por mutaciones en genes celulares normales y por cada gen que causa cáncer (un oncogén) hay un gen celular correspondiente llamado protooncogén (figura 4-18).

Células normales

Mutación en protooncogén o gen supresor tumoral

Proliferación de la célula mutada

Múltiples mutaciones en protooncogenes; mutaciones en genes supresores tumorales

Invasión de tejido circundante Invasión de vaso sanguíneo

Metástasis

FIGURA 4-18. Producción de cáncer. La acumulación de mutaciones en varios genes causa transformación. Las células cancerosas cambian de morfología, proliferan, invaden otros tejidos y metastatizan.

126

Bioquímica, biología molecular y genética Dimetilnitrosamina H3C

N

N

O

Daño del DNA

CH3 Oxidación en el hígado HOH2C

N

N

O

CH3 El grupo metilo activado se transfiere a la guanina O

CH3 N

N

H

H N Mutación

H

N

N

Durante la replicación la metilguanina se aparea con timina, lo que introduce una mutación en generaciones ulteriores

FIGURA 4-19. Mutaciones en el DNA causadas por nitrosaminas. Los metabolitos de las nitrosaminas metilan guanina (se muestra en verde en la figura).

3. Una mutación de ganancia de función dará por resultado un oncogén; una mutación de pérdida de función, que provoca cáncer, se clasifica como un supresor tumoral. 4. Los tumores pueden ser benignos o malignos (infiltrar y destruir tejido circundante). 5. Los tumores pueden metastatizar, separarse de la masa en crecimiento del tumor y viajar por la sangre o linfa a órganos no relacionados donde son capaces de establecer nuevos sitios de células cancerosas. 6. El daño del DNA puede causar mutaciones, que provocan cáncer. a. La alteración de la secuencia de bases del DNA puede causar mutaciones en protooncogenes, con el resultado de cáncer. b. Las mutaciones en las proteínas necesarias para la reparación por escisión de nucleótidos causan xerodermia pigmentada y cáncer de piel. c. Algunos agentes químicos pueden modificar el DNA y alterar la secuencia de bases (figura 4-19). 7. Las mutaciones por ganancia de función en protooncogenes ocurren por una variedad de mecanismos (figura 4-20). a. Trastorno de la regulación de la expresión del gen. b. El gen puede transponerse a otra región del genoma, lo que altera su patrón regulatorio. c. El gen puede amplificarse y sobreexpresarse.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La leucemia mielógena crónica (LMC) resulta de una transposición entre los cromosomas 9 y 22, y crea una proteína de fusión, bcr-abl, en el sitio en que el DNA se ha fusionado. Abl es una tirosina cinasa que ahora está bajo control del gen bcr, lo que causa expresión inapropiada de la actividad de la abl cinasa. Esto provoca proliferación celular e inhibición de la diferenciación celular. Como esta proteína de fusión es una proteína celular única, presente sólo en células tumorales, fue el blanco de estudio de un diseño racional de fármacos. El análisis de la estructura de la proteína bcr-abl identificó zonas en que la unión potencial de un fármaco podría inhibir la actividad de cinasa (específicamente para esta cinasa y ninguna otra). Esto condujo a la producción del imatinib, que se unió a la proteína bcr-abl, inhibió su actividad y causó la remisión del tumor. Se presentaron recurrencias de la LMC, y cuando se analizaron, la proteína bcr-abl había mutado en el sitio de unión del fármaco, lo que hizo a la cinasa resistente a la inhibición por el medicamento. El linfoma de Burkitt se debe a una transposición del protooncogén myc, un factor de transcripción, que (continúa)



127

Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer Protooncogén Promotor Región codificadora DNA normal

A. Radiación o carcinógeno químico

La mutación en una región codificadora causa la producción de una proteína hiperactiva Promotor fuerte o intensificador

C. Amplificación génica

La mutación en el promotor causa expresión excesiva

Gen X

Expresión de múltiples copias del protooncogén

B.

Gen Y

Reordenamiento génico

El protooncogén está ahora bajo el control del promotor fuerte o intensificador

El protooncogén o una parte de él se fusiona con otro gen

La proteína de fusión se produce en exceso o es hiperactiva

FIGURA 4-20. Mutaciones transformantes en protooncogenes.

coloca la expresión de myc bajo un promotor constitutivo de manera que myc se expresa de manera inapropiada en el ciclo celular, lo cual ocasiona proliferación celular incorrecta. La transposición más común ocurre entre los cromosomas 8 y 14 (myc se encuentra normalmente en el cromosoma 8, y se mueve al cromosoma 14 bajo el control de elementos reguladores de inmunoglobulina). Una forma de linfoma de Burkitt se vincula con infección por el virus de Epstein–Barr (VEB) en 95% de los casos. 8. Mutaciones en enzimas reparadoras del DNA a. Las enzimas implicadas en la reparación del DNA son genes supresores tumorales; la pérdida de función causa aumento de la probabilidad de mutación, y con el tiempo la mutación de un protooncogén. b. BRCA1 y BRCA2 (genes implicados en el cáncer mamario) intervienen en la reparación de rupturas de una y dos cadenas en el DNA. c. El cáncer colorrectal hereditario sin poliposis (CCHSP) resulta de mutaciones en los genes implicados en la reparación de errores de apareamiento.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Varios cánceres resultan de mutaciones en enzimas implicadas en la reparación del DNA. La ataxia telangiectasia se debe a una mutación en el gen AT, necesario para la producción de la proteína ATM. La ATM proteína cinasa transmite a p53 la señal de que hay DNA dañado, de modo que el ciclo celular pueda detenerse y se inicie la reparación del DNA. También es convocada a los sitios de rotura de la doble cadena y señaliza a otras enzimas reparadoras para que se le unan en el sitio de daño. En ausencia de actividad de ATM esas señales se pierden y el DNA dañado se duplica, lo que incrementa la probabilidad de que ocurran mutaciones en las generaciones futuras de (continúa)

128

Bioquímica, biología molecular y genética

células. La anemia de Fanconi es causada por mutaciones en cualquiera de las 15 proteínas implicadas en la reparación del DNA. Hay ocho proteínas centrales que forman un complejo que se desplaza del citoplasma al núcleo cuando se detecta daño en el DNA y el cual es necesario para reparar el daño. Las mutaciones en cualquiera de estas proteínas pueden causar anemia de Fanconi. El cáncer mamario, de la variedad hereditaria, se debe a mutaciones en BRCA1 o BRCA2 y ambas proteínas intervienen en la reparación del DNA, en particular de roturas de una o ambas cadenas del DNA. En su fase inicial el cáncer mamario depende de estrógeno para la proliferación, por lo cual pueden usarse agentes capaces de bloquear la acción del estrógeno (como tamoxifeno) para tratar la enfermedad. Un pequeño porcentaje de los cánceres de mama expresan el receptor HER2/neu en la superficie celular (análogo al receptor EGF). La herceptina, un anticuerpo monoclonal dirigido contra la proteína HER2, ha resultado eficaz para ayudar a marcar para su destrucción las células que sobreexpresan HER2. Las células de cáncer mamario triplemente negativas (pérdida de la expresión de receptor de estrógeno, pérdida de la expresión de HER2 y pérdida de la expresión de receptor de andrógeno) son las más difíciles de tratar, aunque los inhibidores de PARP son promisorios para el tratamiento de esas células cancerosas. El síndrome de Li–Fraumeni ocurre cuando un individuo hereda una copia mutada de p53. Pueden producirse múltiples tumores cuando el alelo normal deja de funcionar. Esta proteína participa en la reparación del DNA, ya que p53 es el guardián del genoma, como se describe más adelante en este capítulo. El cáncer de colon hereditario puede ser poliposis adenomatosa del colon (PAC, o APC, adenomatous polyposis coli) o CCHSP. La PAC se inicia al heredar una mutación en el gen APC, que regula el factor de transcripción -catenina. En ausencia de APC, La -catenina siempre es activa, lo que lleva a la transcripción de genes promotores del crecimiento. El CCHSP entra en la clase de enfermedades debidas a errores en la reparación del DNA, porque los cuatro genes identificados que pueden causar CCHSP intervienen en la reparación de errores de apareamiento. 9. Oncogenes: mutaciones en genes que controlan el crecimiento y la división normales (tabla 4-2) a. Cascada de transducción de señales (figura 4-21). (1) Las mutaciones en los genes que codifican los factores de crecimiento y los receptores de factores de crecimiento pueden convertir el protooncogén en un oncogén (sobreexpresión y expresión interna de los factores de crecimiento, y la producción de receptores que han mutado de modo que siempre están activados, incluso en ausencia del ligando). (2) Las mutaciones en proteínas de transducción de señales pueden convertir protooncogenes en oncogenes. El mejor ejemplo de esto es una mutación que causa la pérdida de actividad de GTPasa en ras. Ello ocurre en una gran proporción de todos los tumores del ser humano. (3) Las mutaciones en factores de transcripción pueden convertir protooncogenes en oncogenes al alterar sus acciones regulatorias normales (p. ej., expresión incorrecta durante el ciclo celular).

CORRELACIÓN CLÍNICA  

El protooncogén RET es una tirosina cinasa receptora. Una ganancia de función en RET provoca neoplasias endocrinas múltiples (NEM) tipos 2A y 2B. Entre los tumores que se producen están feocromocitoma y carcinoma tiroideo medular, además de otros tumores endocrinos. El tumor de Wilms es principalmente un trastorno pediátrico que en 20% de los casos se debe a una mutación del factor de transcripción dedo de zinc. También se observan otras mutaciones en la -catenina (ver cáncer de colon, antes), que es importante en la regulación de la familia TCF de factores de transcripción. El trastorno de la expresión normal de los genes durante el desarrollo hace que se forme el tumor renal. b. Oncogenes y ciclo celular c. Ciclinas y cinasas dependientes de ciclina (CDK, cyclin-dependent Kinases) controlan la progresión de una fase del ciclo celular a otra. d. El complejo ciclina–CDK también es regulado por fosforilación y a través de proteínas inhibitorias conocidas como inhibidores de cinasa dependiente de ciclina (CKI, cyclin-dependent Kinase inhibitors). Los CKI hacen más lenta la progresión del ciclo celular al unirse a los complejos ciclina–CDK e inhibirlos. e. La transición G1/S es regulada por dos CDK (cdk4 y cdk6), ciclina D, el producto del gen del retinoblastoma rb, y la familia E2F de factores de transcripción. (1) El rb se une a E2F e impide la posterior transcripción génica. (2) Cuando cdk4 y cdk6 se unen a ciclina D, y se activan, rb se fosforila y se disocia de E2F, lo cual permite la nueva transcripción génica y el ciclo celular continúa.



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer t a b l a

4-2

129

Clases de oncogenes, mecanismo de activación y tumores relacionados del ser humano

Clase Factores de crecimiento Cadena  del factor de crecimiento derivado de plaquetas Factores de crecimiento de fibroblastos

Protooncogén

Mecanismo de activación

Ubicación

Enfermedad

Sis

Sobreexpresión

Secretada

Glioma Fibrosarcoma

int-2

Amplificación

Secretados

Sobreexpresión

Secretados

Cáncer mamario Cáncer vesical Melanoma Carcinoma de estómago

Sobreexpresión

Membrana celular

Carcinoma escamocelular pulmonar

Amplificación

Membrana celular Membrana celular

Cánceres de mama, ovario, pulmón, estómago Leucemia mielomonocítica crónica

Hst Receptores del factor de crecimiento erb-B1 Familia de receptores del factor de crecimiento epidérmico erb-B2 PDGFR

Transposición

SMO

Mutación puntual

Membrana celular

Carcinoma basocelular

Proteínas de transducción de señales Proteínas G ras

Mutación puntual

Citoplasma

akt2 raf abl

Amplificación Sobreexpresión Transposición

Citoplasma Citoplasma Citoplasma

src

Sobreexpresión

Citoplasma

Múltiples cánceres, incluidos de pulmón, colon, tiroides, páncreas, muchas leucemias Carcinoma ovárico Leucemia mielógena Leucemia mielógena crónica Leucemia linfoblástica aguda Carcinoma colónico

RARα

Transposición

Núcleo

Leucemia promielocítica aguda

Hox11

Transposición

Núcleo

Myc

Transposición Amplificación

Núcleo Núcleo

fos, jun

Fosforilación

Núcleo

Leucemia aguda de linfocitos T Linfoma de Burkitt Neuroblastoma, carcinoma microcítico pulmonar Osteosarcoma, sarcoma

Bcl-2

Transposición

Mitocondrias

Linfoma folicular de linfocitos B

Ciclina D

Amplificación

Núcleo

Linfoma Cánceres de mama, hígado, esófago

CDK4

Amplificación Mutación puntual

Núcleo Núcleo

Glioblastoma, sarcoma Melanoma

Receptor del factor de crecimiento derivado de plaquetas Receptor hedgehog

Serina-treonina cinasa Tirosina cinasa

Receptores hormonales Receptor retinoide Factores de transcripción

Reguladores de apoptosis

Reguladores del ciclo celular Ciclinas

Cinasa dependiente de ciclina

Esta tabla no incluye todo; sólo se presentan ejemplos de cada clase.

(3) El complejo cdk4–ciclina D activado (junto con el complejo cdk6–ciclina D) también es regulado por CKI. La pérdida de función de los CKI provocaría cáncer (por un mecanismo supresor tumoral). 10. Genes supresores tumorales a. La pérdida de función causa proliferación celular descontrolada. b. Se les considera oncogenes recesivos, ya que se requiere la pérdida de actividad de ambos alelos. Los oncogenes se consideran dominantes en su acción, porque sólo un alelo mutado basta para la proliferación de células tumorales.

130

Bioquímica, biología molecular y genética

(I) Factor de crecimiento

(II)

Dominio cinasa

(IV) Proteína G (III) Proteínas de transducción de señales (V) Proteína cinasas no receptoras

Proteína cinasas activadas

(VI) Factor de transcripción Secuencia regulatoria génica

FIGURA 4-21. Sitios de protooncogenes para mutaciones transformantes en vías de señalización utilizadas por factor de crecimiento. Las mutaciones en factores de crecimiento (I) o receptores del factor de crecimiento (II), proteínas de transducción de señales (III), proteínas G (IV), cinasas no receptoras (V) o factores de transcripción (VI) pueden provocar cáncer.

(1) Gen del retinoblastoma (rb) (a) Si se hereda una copia mutada de rb, hay una probabilidad de 100% de que el individuo desarrolle retinoblastoma. La pérdida de actividad de rb altera la transición G1/S y permite que las células entren en el ciclo celular activo cuando no deberían hacerlo (ver antes). (b) El retinoblastoma esporádico adquiere dos mutaciones específicas en los genes rb durante el lapso de vida del individuo. (2) p53, el guardián del genoma (a) La proteína p53 es un factor de transcripción que regula el ciclo celular y la apoptosis. (b) Se observa pérdida de actividad de p53 en más de 50% de los tumores del ser humano. (c) La proteína actúa deteniendo el ciclo celular cuando detecta daño del DNA. 1. Cuando p53 encuentra daño del DNA se induce la síntesis de CKI, junto con proteínas que ayudan a reparar el daño del DNA. 2. Si el daño no puede repararse, p53 activa genes implicados en la apoptosis, o muerte celular programada, de modo que la célula muere en vez de duplicar el DNA dañado. (3) Ras es regulada por GAP; la pérdida de actividad de GAP mantendrá ras activa por periodos prolongados e inducirá la transformación. La neurofibromatosis se debe a una mutación en una proteína GAP, NF-1. (4) La familia de las glucoproteínas cadherinas regula la adhesión célula a célula dependiente de calcio, y es fijada dentro de la célula por cateninas, que se unen a filamentos de actina. (a) Las proteínas cateninas tienen dos funciones: 1. Fijan cadherinas al citoesqueleto. 2. Actúan como factores de transcripción. (b) La -catenina se une a un complejo que contiene la proteína reguladora APC, la cual activa la -catenina para su degradación. (c) Si APC es inactivada la -catenina aumenta, se transpone al núcleo y activa la transcripción de myc y ciclina D1, lo que ocasiona la proliferación celular. Por tanto, APC es un supresor tumoral (su pérdida de función causa proliferación celular), y en la mayoría de los cánceres de colon esporádicos del ser humano se encuentran mutaciones en APC (figura 4-22). (d) Las mutaciones hereditarias en APC causan la forma más común de cáncer colónico hereditario, la poliposis adenomatosa familiar.



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

131

-catenina y APC en la transcripción génica

Degradación

-catenina

APC

Inactivación de APC

FIGURA 4-22. Función de las cateninas en la regulación de la expresión génica. El complejo APC activa la -catenina para su degradación proteolítica. Si se inactiva APC, la concentración de -catenina aumenta.

Activación de la transcripción génica DNA myc

11. Transposiciones cromosómicas y cáncer a. Determinados tumores se deben a transposiciones cromosómicas específicas. b. La LMC (transposición entre los cromosomas 9 y 22) crea una nueva tirosina cinasa, bcr-abl, que no es regulada y provoca aumento de la proliferación celular (ver la correlación clínica anterior). c. El linfoma de Burkitt, una transposición entre los cromosomas 8 y 14, coloca el protooncogén myc (un factor de transcripción) bajo el control del promotor de inmunoglobulina, que es constitutivo. La expresión inapropiada de myc causa transformación (ver la correlación clínica anterior). d. El linfoma folicular resulta de una transposición entre los cromosomas 14 y 18, lo que coloca el factor antiapoptósico Bcl-2 (ver más adelante) bajo el control de un promotor de inmunoglobulina. La expresión constante de Bcl-2 bloquea la apoptosis, y al final causa transformación.

IV.  CÁNCER Y APOPTOSIS 1. La apoptosis es una serie de sucesos regulada dependiente de energía por medio de la cual una célula se autodestruye. A diferencia de la necrosis, la apoptosis no implica una serie inflamatoria de sucesos. a. La célula se encoge. b. La cromatina se condensa. c. El núcleo se fragmenta. d. La membrana celular forma ampollas. e. La célula se rompe en vesículas apoptósicas rodeadas por membrana. 2. La apoptosis consiste en una fase de inicio, una fase de integración de señales y una fase de ejecución. a. La apoptosis es iniciada por señales externas que actúan a través de receptores de muerte o privación de hormonas del crecimiento. La pérdida de la integridad mitocondrial también puede causar el inicio de la apoptosis. b. En la fase de integración de señales, las señales proapoptósicas son antagonizadas por señales antiapoptósicas para tomar una decisión acerca de si debe ocurrir la apoptosis. c. La fase de ejecución consiste en los sucesos reales que permiten a una célula iniciar la apoptosis, mediada al principio por caspasas, que son cisteína proteasas que rompen enlaces junto a residuos aspartato. (1) Las caspasas se encuentran en las células como los cimógenos inactivos, procaspasas, que deben ser activados antes de que puedan romper las proteínas específicas. (2) La célula contiene tanto caspasas iniciadoras (que inician la activación de otras caspasas) como caspasas de ejecución (activadas por las caspasas iniciadoras y que llevan a efecto la destrucción de la célula). d. Vía de los receptores de muerte para la apoptosis (1) Los receptores de muerte son un subgrupo de receptores del factor de necrosis tumoral 1. (2) El receptor de muerte activado forma un andamiaje que une dos moléculas de una procaspasa, las cuales se escinden una a otra para generar caspasas iniciadoras activas.

132

Bioquímica, biología molecular y genética

(3) Las caspasas iniciadoras activan caspasas de ejecución y Bid (un miembro de la familia Bcl-2; ver más adelante). Bid truncado activa la vía de integridad mitocondrial para la apoptosis.

(4) La activación de los receptores de muerte por fármacos (como infliximab y etanercept) se usa e.

f.

g.

h.

para tratar trastornos autoinmunitarios mediante la inducción de apoptosis en las células del sistema inmunitario. Vía de integridad mitocondrial (1) Esta vía puede ser iniciada por falta del factor de crecimiento, lesión celular, liberación de determinados esteroides y calcio citoplásmico elevado. (2) Tales cambios ocasionan la liberación de citocromo c desde la membrana mitocondrial interna. (3) Una vez que el citocromo c está en el citoplasma se une a apaf (factor activador de proteasas proapoptósicas), que se une a una caspasa y forma un complejo activo llamado apoptosoma, el cual activa caspasas de ejecución. Integración de señales proapoptósicas y antiapoptósicas por la familia Bcl-2 de proteínas (1) La familia Bcl-2 de proteínas son tomadoras de decisiones que integran señales proapoptósicas y antiapoptósicas para determinar si una célula debe desarrollar apoptosis (tabla 4-3). (2) Las proteínas antiapoptósicas tipo Bcl-2 antagonizan las señales de muerte de una de dos maneras. (a) Se insertan en la membrana mitocondrial interna para antagonizar los factores proapoptósicos formadores de canales iónicos, con lo que reducen la liberación de citocromo c. (b) Pueden unirse a apaf para impedir la formación del apoptosoma. (3) Los factores proapoptósicos corresponden a dos categorías, formadores de canales iónicos y proteínas sólo con el dominio BH-3. (a) Los miembros formadores de canales iónicos se dimerizan con otros miembros sólo con el dominio BH-3 para formar un canal en la membrana mitocondrial interna a fin de que el citocromo c salga de las mitocondrias. (b) El dominio BH-3 es la secuencia proteínica que permite a las proteínas unirse a otros miembros de la familia Bcl-2. (c) Los miembros sólo con el dominio BH-3 de esta familia de proteínas únicamente pueden unirse a otros miembros de la familia Bcl-2 para activar factores proapoptósicos. Las células cancerosas evitan la apoptosis (1) La vía Akt permite a las células evitar la apoptosis mediante la fosforilación del factor proapoptósico BAD y inactivándolo, con lo que promueve la proliferación celular (figura 4-14). (2) La vía de las MAP cinasas activa la proteína cinasa RSK, que también fosforila BAD, con lo que promueve la proliferación celular. Los microRNA también regulan la apoptosis por modulación de las concentraciones de mRNA para varias proteínas implicadas en la muerte celular programada.

t a b l a

4-3

Ejemplos de miembros de la familia Bcl-2

Antiapoptósicos Bcl-2 Bcl-x Bcl-w Proapoptósicos Formadores de canales Bax Bak Bok Proapoptósicos Sólo BH3 Bad Bid Bim En la actualidad se conocen alrededor de 30 miembros de la familia Bcl-2. Estas proteínas tienen funciones específicas de tejido y específicas de vía de señalización para regular la apoptosis. Hay superposición en la especificidad de tejido. Por ejemplo, Bcl-2 se expresa en folículos capilares, intestino delgado, neuronas y sistema linfático, mientras que Bcl-x se expresa en sistema nervioso y células hematopoyéticas.



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

133

Tipo celular Alteración génica Epitelio normal Pérdida de APC Epitelio hiperproliferativo

Adenoma temprano Activación de ras Adenoma intermedio Pérdida de un gen supresor tumoral Adenoma tardío Pérdida de actividad de p53

FIGURA 4-23. Posibles pasos en la producción de cáncer de colon. Los cambios no siempre ocurren en este orden, pero los tumores más benignos tienen la frecuencia más baja de mutaciones, y los más malignos tienen la frecuencia más alta.

Carcinoma Otras alteraciones Metástasis

V. EL CÁNCER REQUIERE MÚLTIPLES MUTACIONES (FIGURA 4-23) 1. Son necesarias múltiples alteraciones genéticas para transformar células normales en células malignas. 2. Se ha estimado que se requieren cuatro a siete mutaciones para que las células normales se transformen.

VI. VIRUS Y CÁNCER EN EL SER HUMANO 1. Se han relacionado tres retrovirus de RNA con cáncer en el ser humano. a. El virus de la leucemia de linfocitos T del adulto (VLTH-1) contiene un oncogén viral (tax) que tiene una contraparte en el genoma del huésped humano. b. El VIH provoca progresión tumoral por inmunosupresión. c. Hepatitis C 2. Los virus de DNA también pueden provocar transformación. a. Las infecciones crónicas de hepatitis B provocan carcinoma hepatocelular. b. El virus de Epstein–Barr codifica un factor tipo Bcl-2, y antagoniza la apoptosis en células infectadas. c. El virus del herpes (VHH-8) causa sarcoma de Kaposi.

Autoevaluación Las preguntas 1 a 10 examinan el conocimiento básico del lector y no tienen el formato estándar de viñeta clínica.

la cual el número de receptores en la superficie celular disminuye. Esto se debe al siguiente proceso:

Las preguntas 11 a 35 tienen relevancia clínica y el estilo USMLE.

(A) Endocitosis (B) Exocitosis (C) Pinocitosis (D) Potocitosis (E) Fagocitosis

Preguntas de conocimiento básico 1.  Una bacteria cultivada a 15 °C tiene diferente composición de ácidos grasos en sus membranas que la misma bacteria cultivada a 37 °C. ¿Cuál de los siguientes enunciados describe mejor la composición de ácidos grasos a esas diferentes temperaturas? (A) La bacteria a menor temperatura tiene

(B)

(C)

(D) (E)

mayor porcentaje de ácidos grasos ­saturados que la cultivada a mayor temperatura La bacteria a menor temperatura tiene mayor porcentaje de ácidos grasos de cadena larga que la cultivada a mayor temperatura La bacteria a menor temperatura tiene mayor porcentaje de ácidos grasos insaturados que la cultivada a mayor temperatura La bacteria a menor temperatura tiene mayor concentración de colesterol que la cultivada a mayor temperatura La bacteria a menor temperatura tiene menor concentración de colesterol que la cultivada a mayor temperatura

2.  Un patólogo de 57 años que se cortó al realizar una necropsia presenta visión borrosa, demencia, cambios de personalidad y fasciculaciones musculares muy poco tiempo después. La proteína que causa estos cambios conductuales se describe mejor como:

(A) (B) (C) (D) (E)

Una proteína citoplásmica soluble Una proteína periférica de membrana Una proteína integral de membrana Una proteína anclada a GPI Una proteína secretora

3.  Muchos factores de crecimiento, tras unirse a su receptor, exhiben regulación a la baja, en

134

4.  Los gradientes protónicos de un lado a otro de la membrana son esenciales para el funcionamiento de los siguientes organelos (elija sólo una respuesta): (A) Lisosomas (B) Mitocondrias (C) Núcleo (D) Lisosomas y mitocondrias (E) Lisosomas y núcleo (F) Núcleo y mitocondrias 5.  Suponga que hay un microRNA que participa en la regulación de la expresión de un inhibidor de ciclina cinasa específico. ¿Cómo podría una alteración en este microRNA provocar proliferación celular descontrolada? (A) Sobreexpresión del microRNA, de modo que actúa como oncogén

(B) Expresión reducida del microRNA, de modo que actúa como supresor tumoral

(C) Pérdida total de la actividad del mi-

croRNA, de modo que no puede unirse a su mRNA objetivo (D) Pérdida de especificidad del microRNA por su objetivo, de modo que no se abordan diferentes mRNA (E) Ningún cambio en la actividad del ­microRNA puede provocar proliferación celular descontrolada

6.  La regulación de las proteínas G heterotriméricas es similar a la regulación del siguiente proceso: (A) (B) (C) (D) (E)

Síntesis de DNA Síntesis de RNA Síntesis de proteína Transporte activo Transporte facilitado



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

7.  Un mensaje transmitido por el siguiente ejemplo de mensajero químico quizá sería afectado con mayor probabilidad por una mutación que redujera en gran medida la fluidez de la membrana plasmática: (A) Citocina (B) Hormona esteroidea (C) Factor de crecimiento transformante (D) Insulina (E) Glucagón 8.  El síndrome de Li–Fraumeni resulta de lo siguiente (elija sólo una respuesta): (A) (B) (C) (D)

Incapacidad de reconocer daños del DNA Incapacidad de regular CDK Incapacidad de regular una tirosina cinasa Incapacidad de regular la transcripción génica (E) Incapacidad de activar una proteína G heterotrimérica

9.  Las transposiciones cromosómicas pueden causar proliferación celular descontrolada ­debido a:

(A) (B) (C) (D) (E)

Interferencia en la mitosis Interferencia en la síntesis de DNA Entrecruzamiento desigual durante la mitosis Expresión inapropiada de genes transpuestos Pérdida de la expresión génica

10.  La interferencia en la señalización generalizada por citocinas puede causar el siguiente trastorno:

(A) Suprarrenoleucodistrofia (B) IDCG (C) Influenza (D) Miastenia grave (E) Diabetes tipo 1

Preguntas estilo USMLE Las preguntas 11 y 12 se basan en el caso que sigue:

135

(C) Endocitosis (D) Difusión facilitada (E) Pinocitosis 12.  ¿Cuánta energía se requiere para el transporte hacia el interior de las células de la mayor parte de la sustancia ilegal que el fisicoculturista usa? (A) No se requiere energía (B) Se usa una molécula de ATP por cada molécula transportada de la sustancia

(C) Sólo se usan unas pocas moléculas de ATP para abrir y cerrar el canal por el que se difunden muchas moléculas de la sustancia (D) Este es un ejemplo de cotransporte, en el cual la energía genera un gradiente de sodio a través de la membrana, y es difícil calcular la cantidad exacta de energía (E) El transportador debe ser fosforilado una vez para el transporte de muchos solutos Las preguntas 13 y 14 se basan en el caso que sigue: Un niño de 12 años es hospitalizado con cetoacidosis y glucemia de 700 mg/dl (los valores normales en ayuno son de 80 a 100 mg/dl). Se demuestra que no tiene péptido C detectable mientras no se hagan más pruebas.

13.  Una posible causa de la glucemia elevada es la siguiente:

(A) Falta de un gradiente de sodio a través de las membranas celulares

(B) Falta de un gradiente de calcio a través de las membranas celulares

(C) Falta de un gradiente de cloruro a través de las membranas celulares

(D) Cantidad reducida de moléculas transportadoras de glucosa en la membrana encefálica

(E) Cantidad reducida de moléculas transportadoras de glucosa en la membrana muscular

(F) Cantidad reducida de moléculas transportadoras de glucosa en la membrana hepática

Un fisicoculturista ha desarrollado 25 kg de músculo en los últimos seis meses, gracias al levantamiento de más peso y a la inyección de un fármaco ilegal. Nunca experimentó hipoglucemia en ese lapso.

14.  El niño se trata de manera apropiada, por

11.  El mecanismo por el cual la sustancia ilegal

(A) Lisosoma (B) Aparato de Golgi (C) Mitocondria (D) Núcleo (E) Peroxisoma

ingresa a las células musculares del fisicoculturista es con mayor probabilidad:

(A) Difusión simple (B) Transporte activo

lo que la glucemia se reduce y no hay deshidratación. Una vez que la glucosa se transporta al interior de las células, ¿cuál organelo es responsable de generar energía a partir de la oxidación de glucosa a dióxido de carbono y agua?

136

Bioquímica, biología molecular y genética

15.  A una persona se le diagnostica bacteriemia

18.  Una lactante de 15 meses recibió la inmu-

estreptocócica del grupo A. Una de las principales defensas del organismo en este tipo de enfermedad es la fagocitosis de las bacterias por los eosinófilos. Una vez interiorizadas, las bacterias son destruidas por fusión del fagosoma con un organelo intracelular específico. ¿Cuál de los siguientes anularía la actividad de ese organelo de modo que las bacterias no fueran incapacitadas? (A) Inhibición de la actividad de sodio–potasio ATPasa (B) Interferencia en la síntesis mitocondrial de proteína (C) Bloqueo del transporte a través de poros nucleares (D) Inhibición de una ATPasa transponedora de protones (E) Inhibición de una ATPasa activada por calcio

nización contra sarampión, paperas y rubéola. ¿Cuál de los siguientes mensajeros químicos es responsable de la capacidad del organismo de montar una reacción inmunitaria contra esta vacuna?

16.  Las hidrolasas lisosómicas son dirigidas al lisosoma por la adición de un residuo carbohidrato a la proteína. La incapacidad de agregar este carbohidrato causa una enfermedad en la cual las hidrolasas lisosómicas se tratan como proteínas secretadas y se exportan de la célula en vez de ser llevadas a los lisosomas. Las proteínas secretadas tendrán el siguiente efecto en las células y proteínas en la circulación: (A) Se digerirán las proteínas de membrana de las células sanguíneas (B) Se eliminarán los carbohidratos de la superficie de las células sanguíneas (C) Las membranas de las células sanguíneas se harán porosas, lo que causará la muerte de esas células (D) Se degradarán las proteínas circulantes, mientras que las células sanguíneas estarán protegidas contra las enzimas (E) Las proteínas circulantes serán dirigidas al bazo para su eliminación (F) No habrá efecto en las proteínas y células en la circulación

17.  Una mujer de 25 años tiene temor intenso cuando conduce dentro de un túnel. Se siente a punto del desmayo, suda mucho, tiene palpitaciones e hiperventila. Se le prescribe diazepam para reducir sus síntomas. El tipo de mensajero químico favorecido por este tratamiento se describe mejor como: (A) Neuropéptido (B) Amina biógena (C) Neurotransmisor de molécula grande (D) Citocina (E) Proteína G

(A) Neuropéptidos (B) Aminas biógenas (C) Hormonas esteroideas (D) Citocinas (E) Aminoácidos 19.  Una mujer de 30 años de edad se presenta con pérdida de peso de 7 kg en el último mes, intolerancia al calor, taquicardia, temblor, exoftalmia bilateral y una masa en la parte anterior del cuello. La hormona producida en exceso en este trastorno requiere lo siguiente:

(A) Ácido araquidónico (B) Colesterol (C) Tirosina (D) Triptófano (E) Glutamato 20.  Un niño de tres años es llevado al médico por tres días de febrícula, dolor articular y un exantema con aspecto “de encaje” en brazos y piernas. El exantema comenzó en la cara y da al niño el aspecto de tener las “mejillas abofeteadas”. El mensajero químico que causó los ­síntomas (vasodilatación que se presenta en clínica como un “exantema”) puede clasificarse como:

(A) Citocina (B) Neuropéptido (C) Eicosanoide (D) Hormona esteroidea (E) Aminoácido 21.  Un hombre de 62 años de edad tiene una placa rojiza y áspera con escamas blancas en la parte superior de la oreja. No busca tratamiento, tres años después la placa ha crecido y se ha convertido en una lesión elevada con una zona central ulcerosa que no cicatriza. De los siguientes, ¿cuál es el factor causal más probable de este cáncer?

(A) (B) (C) (D) (E)

Creación de dímeros de pirimidina Creación de radicales hidroxilo Virus de RNA oncogénico Mutación del receptor de TNF Roturas de la doble cadena del DNA

22. Una mujer de 32 años tiene cáncer de mama. Su madre y una tía materna tuvieron esta



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

enfermedad, y su abuela materna tuvo cáncer de ovario. ¿Cuál de los siguientes factores describe mejor el mecanismo que subyace a este problema hereditario?

(A) Un supresor tumoral que causa pérdida de la apoptosis

(B) Un supresor tumoral que causa incapacidad de reparar el DNA

(C) Un supresor tumoral que conduce a una vía de MAP cinasas constitutivamente activa (D) Un oncogén que causa pérdida de la apoptosis (E) Un oncogén que causa incapacidad de reparar el DNA (F) Un oncogén que conduce a una vía de MAP cinasas constitutivamente activa

23.  Un niño de cuatro años y sus padres fueron a la playa y encontraron algunas almejas, que comieron más tarde. Unas pocas horas después, el niño presentó fiebre, vómito y diarrea acuosa profusa. Fue llevado al servicio de urgencias (SU) y se le trató por una posible deshidratación. Se recuperó sin contratiempos. La última causa molecular de sus síntomas es:

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

ADP-ribosilación de una proteína Gs Fosforilación de una proteína Gs Acetilación de una proteína Gs ADP-ribosilación de una proteína Gs Fosforilación de una proteína Gs Acetilación de una proteína Gs

24.  Un niño de cuatro años ha tenido múltiples episodios de neumonía y esteatorrea y ha bajado de su curva de crecimiento normal. Una prueba de sudor fue positiva para iones cloruro. La causa de que este niño esté en peligro de episodios recurrentes de neumonía es:

(A) Destrucción de células pulmonares por elastasa

(B) Actividad defectuosa de 1-antitripsina (C) Exceso de agua en los pulmones (D) Acumulación de moco seco en los pulmones

(E) Pérdida de células pulmonares debido a un defecto de la reparación del DNA

25.  Un fármaco experimental se añade al cultivo de una célula eucariota. Si bien el fármaco se diseñó para interferir en un proceso de transporte de membrana, los investigadores observan que en las células tratadas con el fármaco los lisosomas se convierten con rapidez en cuerpos de inclusión. Ninguno de los materiales dirigidos hacia los lisosomas para su eliminación es digerido por el lisosoma y

137

todos permanecen intactos dentro del organelo. Un análisis del contenido lisosómico en células tratadas con el fármaco indica que todo el complemento de enzimas lisosómicas está presente en el organelo. Suponiendo que el fármaco se dirige sólo a una proteína, ¿cuál de las siguientes es el blanco más probable?

(A) Una proteína de la membrana interna que (B) (C) (D) (E)

permite a la membrana lisosómica hacerse permeable a moléculas pequeñas Una ATPasa transponedora de protones en la membrana lisosómica Una bomba de cloruro en la membrana lisosómica La enzima que agrega manosa-6-fosfato a las enzimas lisosómicas El receptor de manosa-6-fosfato

26.  Un niño de cinco años de edad comienza a mostrar regresión en los logros del desarrollo, en particular el neurológico. Poco después entra en coma y muere dos años después sin haber salido de él. En la necropsia se observa que las vainas de mielina del encéfalo son ­anómalas, ya que contienen gran cantidad de ácidos grasos de cadena muy larga en sus fosfolípidos. Las glándulas suprarrenales también tienen aspecto anómalo. A nivel molecular, el niño heredó una mutación que lo hizo incapaz de catalizar reacciones que ocurren en el siguiente organelo intracelular:

(A) Lisosomas (B) Núcleo (C) Mitocondrias (D) Peroxisomas (E) Aparato de Golgi (F) Nucléolo Las preguntas 27 a 29 se basan en el caso que sigue: Una mujer de 42 años perdió lentamente la capacidad de mantener los ojos abiertos al final del día. Presenta prolapso palpebral, pese a todos sus esfuerzos por mantenerlos abiertos. Esto no ocurre temprano por la mañana. La exploración revela debilidad muscular generalizada conforme el día avanza.

27.  Un fármaco que podría ayudar a estabilizar este trastorno haría lo siguiente:

(A) Estimular la producción de células (B) (C) (D) (E)

inmunitarias Estimular la producción de adrenalina Inhibir la producción de acetilcolina Inhibir la acetilcolinesterasa Estimular la catecol-O-transferasa

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Bioquímica, biología molecular y genética

28.  Además de la respuesta a la pregunta anterior, un fármaco que podría ayudar a estabilizar este trastorno haría lo siguiente:

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

Estimular la apoptosis Inhibir la apoptosis Estimular la proliferación celular Inhibir la proliferación celular Inducir el crecimiento muscular Inhibir el crecimiento muscular

29.  Para establecer el diagnóstico se realizó Western blot usando el suero del paciente como fuente de anticuerpos. La corrida de proteína en el gel debe realizarse con:

(A) Acetilcolinesterasa (B) Receptor de acetilcolina (C) Receptor de adrenalina (D) Catecol-O-metiltransferasa (E) Receptor de glucocorticoide (F) HMG-CoA reductasa 30.  Un niño de 12 años presenta cansancio y letargo, se descubre que tiene anemia microcítica hipocrómica. El examen al microscopio de los eritrocitos del niño revela una forma esférica en lugar de cóncava. La mutación de este paciente se encuentra más a menudo en una proteína localizada en la siguiente estructura del eritrocito:

(A) Citoesqueleto (B) Núcleo (C) Mitocondrias (D) Retículo endoplásmico (E) Membrana plasmática 31.  Un hombre de 39 años es llevado al SU a causa de lo que se sospecha fue un intento de suicidio. Tiene la visión borrosa, la piel muy seca, caliente y enrojecida, la boca seca, retención urinaria, confusión, alucinaciones, pérdida del equilibrio y taquicardia. Los paramédicos encontraron en su departamento un frasco de amitriptilina vacío. La fecha en el frasco es de apenas una semana atrás, sin embargo, no se encuentra una sola píldora. Los efectos que el hombre experimenta se deben a la inhibición del siguiente proceso:

(A) Señalización del receptor muscarínico de acetilcolina

(B) Señalización del receptor nicotínico de acetilcolina

(C) Señalización de GABA (D) Señalización de serotonina (E) Señalización de catecolamina 32.  Un hombre de 21 años es evaluado en busca de un trastorno depresivo mayor. Durante la

entrevista, admite haber tenido varios episodios de sentirse “en la cima del mundo,” ser capaz de funcionar muy bien con sólo 4 h de sueño cada noche, usar hasta el límite sus tarjetas de crédito (algo muy raro en él) y tener encuentros sexuales “indiscriminados” con múltiples parejas. La medicación elemental más usada para tratar el trastorno de este paciente causará la acumulación del siguiente compuesto:

(A) Inositol (B) Fosfatidilinositol (C) Fosfato de inositol (D) Bisfosfato de inositol (E) Trifosfato de inositol (F) Diacilglicerol 33.  En la exploración sistemática de un neonato se observa ausencia unilateral del reflejo rojo. La resonancia magnética revela que un tumor bloquea la retina. La mutación causante de este tumor afecta la regulación de la siguiente fase del ciclo celular: (A) G0 a G1 (B) G1 a S (C) S a G2 (D) G2 a M (E) M a G1 (F) G1 a G0 34.  Un hombre de 45 años presenta sangre en las heces. La investigación revela un carcinoma de colon de fase 3 (Dukes 3), con múltiples pólipos en el colon. El interrogatorio revela que su padre y su abuelo tuvieron cáncer de colon en la quinta década de vida. Un posible evento activador inicial de este tumor es:

(A) Pérdida de la actividad de -catenina (B) Activación de -catenina (C) Pérdida de actividad del factor de transcripción myc

(D) Activación de Bcl-2 (E) Pérdida de la expresión de ciclina (F) Ganancia de expresión de ciclina 35.  Una mujer de 29 años se presenta con fatiga crónica durante los últimos nueve meses. Tuvo mononucleosis y los análisis de sangre revelan infección viral crónica. Cuando las células de una biopsia hepática se colocaron en condiciones en las que debía iniciarse la apoptosis, continuaron multiplicándose. La infección viral probablemente fue causada por:

(A) (B) (C) (D) (E)

Virus de Epstein–Barr Virus de la influenza Virus del sarcoma de los simios Virus de la poliomielitis Virus del herpes simple

Respuestas 1. La respuesta es C.  Es necesario que la fluidez de la membrana sea constante a las dos temperaturas para que la bacteria prolifere. A la temperatura menor, habrá un porcentaje más alto de ácidos grasos insaturados y ácidos grasos de cadena corta, los cuales tienen menor punto de fusión que los ácidos grasos saturados de cadena larga. Las membranas bacterianas no contienen colesterol. 2. La respuesta es D.  El patólogo contrajo una enfermedad priónica, que resulta del hecho de que la proteína priónica adopta una conformación alterna y precipita en tejido nervioso. La proteína priónica normal es una proteína acoplada por GPI. 3. La respuesta es A.  La endocitosis mediada por receptor es el agrupamiento de receptores sobre depresiones cubiertas de clatrina en la membrana interna, con posterior invaginación de la membrana para formar una vesícula intracelular que contiene el complejo receptor–factor de crecimiento. La exocitosis es el efecto opuesto: una vesícula intracelular se fusiona con la membrana plasmática para liberar su contenido en el espacio extracelular. La pinocitosis es la endocitosis sin los receptores: es posible interiorizar partículas mediante la formación de vesículas sobre la superficie celular. La potocitosis es el ingreso a la célula mediado por receptor a través de cavéolas y no de depresiones cubiertas de clatrina. La fagocitosis es la formación de una membrana alrededor de una partícula, y la posterior endocitosis de esa membrana que contiene la partícula (o bacterias). 4. La respuesta es D.  Los lisosomas dependen de un gradiente protónico para acidificar su ambiente intracelular, de modo que las hidrolasas lisosómicas estén a su pH óptimo (de alrededor de 5.5). Las mitocondrias requieren un gradiente protónico de un lado a otro de su membrana interna a fin de sintetizar ATP por fosforilación oxidativa. El núcleo no concentra protones; el espacio intranuclear tiene el mismo pH que el citoplasma. 5. La respuesta es A.  Los inhibidores de ciclina cinasa actúan como frenos en el ciclo celular. Si el inhibidor de ciclina cinasa puede eliminarse de la célula, entonces el ciclo celular puede proceder de manera descontrolada. Los microRNA reducen la cantidad de proteína formada a partir del mRNA objetivo. A fin de eliminar la producción del inhibidor de ciclina cinasa, los microRNA necesitarían sobreexpresarse, de modo que todos los mRNA objetivos estén unidos y la traducción del producto génico se detenga. Reducir la expresión del microRNA causaría sobreexpresión del inhibidor de ciclina cinasa, y mayor control del ciclo celular. Esto también ocurre si el microRNA pierde toda su actividad (sobreproducción de su objetivo) o pierde su especificidad (de nuevo, sobreproducción del objetivo). 6. La respuesta es C.  Las proteínas G heterotriméricas se unen a GTP en la subunidad , lo que activa la subunidad. La activación es autocontrolada por una GTPasa integrada que se encuentra dentro de la subunidad . Esta actividad hidroliza lentamente el GTP unido hasta GDP, lo cual inactiva la subunidad, y permite que el heterotrímero vuelva a formarse. Se presentan eventos similares en la síntesis de proteína con factores de inicio y factores de elongación. Estos factores son activos cuando están unidos a GTP, y una actividad de GTPasa integrada dentro de estos factores limita el tiempo que permanecen activos. Estos sistemas de control no se observan en la síntesis de DNA o RNA, ni en el transporte mediado por portadores a través de la membrana celular. 7. La respuesta es B.  Las hormonas esteroideas deben entrar en la célula por difusión pasiva, y si la membrana es menos fluida, será más difícil para la hormona entrar en la célula para unirse a su receptor. Citocinas, factores de crecimiento transformante (TGF), insulina y glucagón se unen a receptores transmembrana, que transmiten su señal a la porción citoplásmica del receptor. Es menos probable que aquellas señales conformacionales sean afectadas por la fluidez de la membrana que el paso de la hormona esteroidea a través de ésta. La disminución de la fluidez de la membrana puede alterar la dimerización de los receptores, pero los eventos de unión iniciales aún deben ocurrir de manera normal.

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Bioquímica, biología molecular y genética

8. La respuesta es A.  El síndrome de Li–Fraumeni resulta de una mutación hereditaria en p53, el guardián del genoma. Esta proteína vigila el DNA en busca de daño, y si lo detecta, actúa como un factor de transcripción para detener el ciclo celular, permitir la reparación del daño del DNA y luego permitir que el ciclo continúe. Si el daño del DNA no puede repararse, entonces se induce la apoptosis de modo que la célula no duplique el DNA dañado. P53 no regula las CDK, tirosina cinasas, o proteínas G. La pérdida de la expresión de p53 alterará la transcripción génica (no se inducirán enzimas de reparación, ni la apoptosis si el daño no puede repararse), pero no impide la regulación normal de la transcripción génica. 9. La respuesta es D.  En la mayoría de las transposiciones que conducen a la proliferación celular descontrolada, un gen se expresa de manera inapropiada porque se ha desplazado a un sitio adyacente a un promotor constitutivo (como el gen myc adyacente al promotor de inmunoglobulina en el linfoma de Burkitt). No ocurre la desregulación de la proliferación celular, debido a problemas con mitosis o replicación del DNA, no con el entrecruzamiento. En la mayoría de los casos, el problema es expresión aumentada o inapropiada del gen transpuesto y no pérdida de la expresión génica. 10. La respuesta es B.  La IDCG ligada al sexo se debe a la falta de una subunidad común de la citocina receptora (la subunidad ), lo cual afecta la capacidad de diversas citocinas de transmitir señales a células hematopoyéticas. La suprarrenoleucodistrofia se debe a la acumulación de ácidos grasos de cadena muy larga, por diversas razones. La influenza es causada por un virus. La miastenia grave se debe a la producción de autoanticuerpos dirigidos contra el receptor de acetilcolina. La diabetes tipo 1 resulta de la incapacidad de producir insulina. 11. La respuesta es A.  Muy probablemente, el fisicoculturista se inyecta testosterona, una hormona esteroidea, que ayuda a formar masa muscular. Las hormonas esteroideas son sustancias liposolubles, y cruzan las membranas por difusión simple. El receptor para hormonas esteroideas se encuentra dentro de la célula (en el citoplasma o el núcleo) y una vez que la hormona esteroidea ingresa en la célula, se une al receptor de manera saturable. Cuando la concentración de la hormona es la misma dentro y fuera de las células, el transporte cesa. El transporte activo es el uso de energía para concentrar un soluto contra su gradiente de concentración, que no es el caso del transporte de hormona esteroidea a través de la membrana. La difusión facilitada requiere un portador unido a la membrana (sin energía), pero como ya se dijo, el portador (receptor) para estas hormonas es intracelular. Las hormonas esteroideas no entran en las células por endocitosis o pinocitosis. El hecho de que el fisicoculturista nunca tuviera hipoglucemia después de usar el fármaco sugiere que no se inyectaba insulina. 12. La respuesta es A.  La difusión simple no consume energía, y es el mecanismo de transporte si se trata de una hormona esteroidea. Las otras respuestas requieren ATP, que sería necesario para un proceso de transporte activo, ya sea que se trate de activación de un canal por fosforilación o de generación de un gradiente a través de la membrana para cotransporte. La difusión simple y la facilitada no requieren ninguna fuente de energía para el transporte. 13. La respuesta es E.  El niño tiene diabetes tipo 1 y no produce insulina. Uno de los efectos de la insulina es estimular la transposición de transportadores GLUT4 de las vesículas internas a la membrana plasmática de las células musculares y adiposas. El aumento de las moléculas de transporte de glucosa en la superficie celular es importante para reducir la glucemia con rapidez. El transportador GLUT4 participa en la difusión facilitada y no depende de un gradiente iónico a través de la membrana para el transporte eficaz, al igual que los transportadores de glucosa del intestino delgado. 14. La respuesta es C.  Las mitocondrias son organelos para la oxidación de combustible y la generación de ATP. Los lisosomas contienen enzimas hidrolíticas que degradan proteínas y otras moléculas grandes. El aparato de Golgi forma vesículas para el transporte de moléculas a la membrana plasmática y para secreción. El núcleo realiza la replicación génica y la transcripción de DNA. 15. La respuesta es D.  Los fagosomas se fusionan con los lisosomas, donde la acidez y las enzimas digestivas destruyen el contenido del fagosoma (en este caso, las bacterias fagocitadas). Las enzimas digestivas tienen pH óptimo de 5.5, el cual se mantiene dentro del lisosoma por las acciones de una bomba de protones (una actividad de ATPasa transponedora de protones). El núcleo y las mitocondrias no intervienen en la digestión lisosómica del contenido del fagosoma. El bloqueo de la sodio ATPasa, la potasio ATPasa, o de una ATPasa activada por calcio afectará en gran medida a otros organelos, pero no la capacidad del lisosoma de degradar su contenido.



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

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16. La respuesta es F.  La mayoría de las hidrolasas lisosómicas tienen su actividad máxima a un pH ácido cercano a 5.5 (pH óptimo) y poca actividad en un ambiente neutro o básico. El pH intralisosómico se mantiene cerca de 5.5 por ATPasas vesiculares, que bombean protones activamente hacia el lisosoma. El citosol y otros componentes celulares tienen pH cercano a 7.2, por lo tanto están protegidos contra las hidrolasas que lleguen a escapar. El pH de la sangre se mantiene entre 7.2 y 7.4, de modo que las enzimas lisosómicas que escapen no tendrán actividad a ese pH, y no afectarán las proteínas y células en la circulación. La enfermedad de células I resulta de la incapacidad de abordar de manera apropiada proteínas lisosómicas, y es una enfermedad del almacenamiento lisosómico. 17. La respuesta es B.  La paciente tiene un trastorno de ansiedad y crisis de pánico. Estos síntomas a menudo se tratan con psicoterapia y benzodiacepinas. Los pacientes con trastornos de ansiedad tienen bajos valores de ácido -aminobutírico (GABA, gamma-aminbutyric acid). Las benzodiacepinas, como diazepam, incrementan la eficiencia de la transmisión sináptica por GABA, con lo que ayudan a hacer más eficaz cualquier molécula de GABA presente. Esto ocurre a través de la unión del fármaco a receptores de GABA, de modo que cuando el GABA se une al receptor, la respuesta al GABA es mayor que en ausencia del fármaco (un efecto es dejar canales de cloruro abiertos por periodos más largos en respuesta al GABA, con lo que se despolariza la membrana y se envía una señal inhibitoria). El GABA es el principal neurotransmisor inhibidor. Es una amina biógena o un neurotransmisor “de molécula pequeña” y proviene de la descarboxilación del glutamato. Los neuropéptidos son el otro tipo de mensajero químico secretado por el sistema nervioso, y suelen ser péptidos pequeños. Las citocinas son mensajeros proteínicos pequeños del sistema inmunitario. Las proteínas G ayudan a transmitir las señales inducidas por proteínas que se unen a receptores heptahelicoidales (como los receptores de adrenalina o glucagón). El GABA no transmite su señal a través de una proteína G. 18. La respuesta es D.  Las citocinas son los mensajeros del sistema inmunitario. Neuropéptidos y aminas biógenas (neurotransmisores de molécula pequeña) son mensajeros del sistema nervioso. Las hormonas esteroideas son mensajeros del sistema endocrino. Los aminoácidos (como glicina y glutamato) pueden actuar como mediadores dentro del sistema nervioso. Una vez que se aplica la inyección, las células inmunitarias secretan citocinas para inducir la síntesis de anticuerpos contra los antígenos inyectados a la niña. 19. La respuesta es C.  El paciente tiene hipertiroidismo, o enfermedad de Grave, una sobreproducción de hormona tiroidea. La hormona tiroidea se deriva en parte de tirosina, que se une a yodo para producir las formas activas, T3 y T4. El colesterol es un precursor de las hormonas esteroideas. El ácido araquidónico es un precursor de los eicosanoides (prostaglandinas). Se requiere triptófano para la producción de serotonina y glutamato para producir GABA. Los síntomas descritos no se presentan en caso de sobreproducción de hormonas esteroideas, eicosanoides, serontonina o GABA. 20. La respuesta es C.  El paciente tiene la quinta enfermedad, un trastorno viral causado por el parvovirus B19. El aspecto de “mejillas abofeteadas” de este exantema es muy característico. Los eicosanoides controlan el funcionamiento celular en respuesta a lesión (en este caso una infección viral). En respuesta a la infección viral, las células del endotelio vascular secretan prostaglandinas que actúan en las células del músculo liso para inducir vasodilatación, lo que causa el enrojecimiento del individuo infectado. La liberación de eicosanoides también puede ser la causa de la fiebre que a veces acompaña a la quinta enfermedad. Neuropéptidos, citocinas, hormonas esteroideas o aminoácidos no provocan la vasodilatación que se produce en esta enfermedad. 21. La respuesta es A.  Originalmente este hombre presentaba una queratosis actínica que en el lapso de tres años se convirtió en un carcinoma escamocelular. La queratosis actínica se produce en zonas de la piel con exposición frecuente al sol, como la parte superior de las orejas. La exposición frecuente a la radiación UV causó la formación de dímeros de pirimidina en el DNA. Si las células no pueden reparar el daño del DNA con suficiente rapidez, con el tiempo ocurren cambios cancerosos. La queratosis actínica puede representar un estado precanceroso hacia carcinoma escamocelular. La eliminación de la queratosis habría prevenido la aparición del tumor. Se crean radicales hidroxilo por efecto de radiación ionizante como los rayos X, no la luz solar. Virus de RNA oncógenos como el VLTH-1 podrían causar linfomas o leucemias, pero no se han implicado en el carcinoma escamocelular. Pueden presentarse mutaciones del receptor del TNF en las células

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Bioquímica, biología molecular y genética del sistema inmunitario, con el resultado de apoptosis, lo que ocasionaría un defecto inmunitario, pero no el cáncer que se observa. La radiación UV no induce roturas en la doble cadena del DNA.

22. La respuesta es B.  El cáncer mamario hereditario se debe a mutaciones heredadas en cualquiera de los genes supresores tumorales BRCA1 o BRCA2. Estos genes codifican proteínas que tienen importantes funciones en la reparación del DNA (principalmente roturas de una y dos cadenas) y es la pérdida de esta función lo que predispone a la paciente a los cánceres mamario y ovárico. La incapacidad de reparar las roturas en el esqueleto provoca errores durante la replicación y ocurrirán mutaciones que con el tiempo causan pérdida del control sobre la proliferación. Se trata de un trastorno de pérdida de función, que caracteriza los genes implicados como supresores tumorales. Heredar una copia mutada de BRCA1 significa que la otra copia, BRCA1 normal, debe perderse en una célula en particular a fin de que se inicie la enfermedad (pérdida de heterocigocidad). Para el cáncer mamario, esto ocurre 85% del tiempo (penetrancia de heredar una mutación de BRCA1 o BRCA2). Un oncogén es un gen dominante, de modo que sólo una copia mutada puede causar la enfermedad. Las mutaciones de BRCA1 o BRCA2 no causan de manera directa pérdida de la apoptosis, ni conducen a una vía de MAP cinasas constitutivamente activa. 23. La respuesta es A.  El cólera es causado por Vibrio cholerae, que se encuentra en alimentos, agua y mariscos crudos contaminados. La toxina del cólera, formada por múltiples subunidades, utiliza algunas de éstas para permitir que una subunidad específica con actividad enzimática ingrese en las células del epitelio intestinal. Esta toxina cataliza la ADP-ribosilación de Gs, con lo que inhibe la actividad de GTPasa de la subunidad  de la proteína G, y de este modo induce la activación constitutiva de la adenilato ciclasa y la acumulación de altas concentraciones de cAMP. Esto provoca la activación de canales iónicos por los que iones potasio, sodio y cloruro salen de las células del epitelio intestinal a la luz, junto con agua. El resultado es diarrea acuosa. El tratamiento consiste en rehidratación con electrólitos. Debido al volumen de agua perdido, la enfermedad suele ser autolimitada, ya que las bacterias que causan el trastorno son arrastradas fuera del intestino. 24. La respuesta es D.  El niño exhibe los síntomas de la fibrosis quística, causada por una mutación en la CFTR. La CFTR es necesaria para el transporte de cloruro a través de la membrana, es activada mediante fosforilación por la proteína cinasa activada por cAMP, y cuando se activa permite el flujo de cloruro a favor de su gradiente electroquímico. Una CFTR defectuosa también altera la composición iónica de la mucosa, con lo que reduce su capacidad de absorber agua por ósmosis, de modo que la mucosa se seca en diversos conductos y tejidos, incluidas las células pulmonares. Éstas normalmente secretan una mocosa acuosa delgada para capturar partículas pequeñas, que son llevadas a través del pulmón para su deglución o expulsión por tos. Cuando el agua no puede salir de las células pulmonares, el moco se seca, con el resultado de disfunción pulmonar por taponamiento de los bronquios. 25. La respuesta es B.  Los lisosomas tienen una sola membrana (no hay una membrana externa, como en las mitocondrias) la cual contiene una ATPasa transponedora de protones. La ATPasa concentra protones dentro del lisosoma, a expensas de la hidrólisis de ATP, para acidificar el contenido del organelo de modo que las enzimas lisosómicas sean activas. Si no es posible reducir el pH intrave­ sicular, las enzimas digestivas serán inactivas y no ocurrirá la digestión. Atacar una bomba de cloruro en la membrana lisosómica no afectará la actividad de las enzimas lisosómicas. Si éstas no se marcaran con un residuo manosa-6-fosfato en el aparato de Golgi, no podrían unirse al receptor de manosa-6-fosfato para ser dirigidas hacia los lisosomas. Si el fármaco alterara cualquiera de esas proteínas (la enzima responsable de agregar el manosa-6-fosfato o el receptor de manosa-6-fosfato), entonces las enzimas lisosómicas no estarían en los lisosomas, que no es el caso. Tal fármaco causaría los síntomas de la enfermedad de células I. 26. La respuesta es D.  El niño tiene los síntomas de la suprarrenoleucodistrofia ligada al sexo, que es un trastorno ligado al cromosoma X con una mutación en el gen ABCD1. Este gen es necesario para el transporte de ácidos grasos de cadena muy larga al interior del peroxisoma para su catabolismo. En ausencia de esta actividad, los ácidos grasos de cadena muy larga se acumulan, se incorporan en fosfolípidos, y modifican la estructura de la mielina, lo que ocasiona los trastornos neurológicos observados. Los lisosomas, el núcleo y el aparato de Golgi no participan en la oxidación de los ácidos grasos de cadena muy larga. El nucléolo se encuentra en el núcleo y es el sitio de formación de los ribosomas. Las mitocondrias oxidan ácidos grasos, pero no cuando son ácidos grasos de cadena



Capítulo 4   Biología celular, transducción de señales y biología molecular del cáncer

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muy larga (de más de 20 carbonos). En esos casos, los pasos iniciales de la oxidación se producen en el peroxisoma y cuando la longitud de las cadenas se ha reducido, el ácido graso parcialmente oxidado se transfiere a las mitocondrias para terminar la oxidación del compuesto. 27. La respuesta es D.  La mujer tiene miastenia grave, que se debe a autoanticuerpos dirigidos contra el receptor de acetilcolina. Por lo tanto, disminuye la acetilcolina de las células musculares, debido a disminución del número de receptores funcionales de acetilcolina en la unión neuromuscular. Una manera de tratar este trastorno consiste en inhibir la acetilcolinesterasa, la enzima que degrada acetilcolina en la unión neuromuscular. Al mantener altas las concentraciones de acetilcolina en la unión, hay mayor probabilidad de que los receptores activos se ocupen y la señal procedente de la neurona pueda transmitirse. Inhibir la producción de acetilcolina exacerbaría el problema, al igual que estimular la producción de células inmunitarias (potencialmente se generarían más autoanticuerpos). La adrenalina no interviene en la unión neuromuscular, y la estimulación de catecol-Otransferasa es un mecanismo que inhibe la acción de catecolaminas en tejido distinto del nervioso, y no contribuye al avance de la miastenia grave. 28. La respuesta es A.  La mujer tiene miastenia grave, causada por un trastorno autoinmunitario en el cual anticuerpos dirigidos contra el receptor de acetilcolina contrarrestan la capacidad de la acetilcolina de estimular las células musculares en la unión neuromuscular. Pueden usarse inmunosupresores para reducir la producción de autoanticuerpos. Tales fármacos actúan, en parte, al activar el receptor de factor de necrosis tumoral, que activa la apoptosis en las células y ocasiona su destrucción. Inhibir la apoptosis exacerbaría el problema, ya que las células productoras de anticuerpos sobrevivirían más tiempo y continuarían produciendo los anticuerpos dirigidos contra el receptor de acetilcolina. Los fármacos que afectan el músculo no ayudarían a corregir el trastorno, ya que se trata de un problema exclusivo del receptor de acetilcolina expresado en la superficie muscular. La estimulación o inhibición de la proliferación celular no impide que las células productoras de anticuerpo continúen haciéndolo y no sería un objetivo farmacológico eficaz para esta enfermedad. 29. La respuesta es B.  La mujer tiene miastenia grave, que se debe a la presencia de anticuerpos autoinmunitarios dirigidos contra el receptor de acetilcolina en la unión neuromuscular. Para confirmar el diagnóstico por Western blot, se correría una muestra de receptor de acetilcolina en gel de poliacrilamida, la proteína se transferiría a papel filtro y éste se incubaría con el suero del paciente. Si el suero contiene anticuerpos que se unan al receptor de acetilcolina, los anticuerpos se unirán al papel filtro, y se visualizarán mediante un anticuerpo secundario enlazado a una enzima indicadora. Se establecerían testigos para demostrar que el suero de un individuo que no tiene miastenia grave no permite la formación de una banda en Western blot. Usar acetilcolinesterasa, el receptor de adrenalina, catecol-O-metiltransferasa, el receptor de glucocorticoide, o HMG-CoA reductasa en el gel no permitiría la detección de anticuerpos contra el receptor de acetilcolina en la muestra de sangre del paciente. 30. La respuesta es A.  El niño tiene esferocitosis hereditaria, que se debe a una mutación en una proteína del citoesqueleto de los eritrocitos. La mutación más común ocurre en la espectrina, aunque las mutaciones en anquirina, banda 3 y proteína 4.2 también pueden producir este fenotipo. Debido a la mutación en la proteína del citoesqueleto, la membrana se torna esférica en lugar de cóncava. Esto ocasiona la eliminación de las células esféricas por el bazo, con el resultado de anemia y esplenomegalia. Las mutaciones en las proteínas de la membrana plasmática o el retículo endoplásmico no causarán este trastorno. Los eritrocitos no tienen núcleo ni mitocondrias. 31. La respuesta es A.  Muchas clases de fármacos, incluidos algunos antihistamínicos (p. ej., difenihidramina), algunos antipsicóticos (p. ej., olanzapina), antidepresores tricíclicos (p. ej., amitriptilina) y atropínicos (p. ej., atropina, escopolamina) tienen efectos anticolinérgicos o efectos secundarios, y actúan como antagonistas del receptor de acetilcolina. Los receptores muscarínicos de acetilcolina actúan por activación de la proteína G, mientras que los receptores nicotínicos de acetilcolina actúan como canales iónicos, y permiten el flujo de sodio a través del receptor una vez que éste se ha activado. En este caso, la sobredosis del fármaco inhibe los receptores muscarínicos, lo cual se observa en los síntomas neurovegetativos y del sistema nervioso central. Éste es un caso muy típico de sobredosis de anticolinérgico, con los síntomas “clásicos” de “ciego como un murciélago”, “seco como un hueso”, “rojo como un betabel”, “loco como un sombrerero” y “caliente como una liebre”. La

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Bioquímica, biología molecular y genética sobredosis no está afectando los receptores nicotínicos de acetilcolina, ni los receptores de GABA, serotonina o catecolaminas.

32. La respuesta es C.  El paciente ha presentado los síntomas clásicos del trastorno bipolar. El litio es un tratamiento de primera línea para este trastorno y su mecanismo de acción consiste en interrumpir el ciclo del PI al bloquear la acción de las inositol monofosfatasas, las enzimas que convierten el fosfato de inositiol en inositol libre, de modo que el fosfatidilinositol pueda resintetizarse a partir de CDP-diacilglicerol e inositol. Al interrumpirse el ciclo, los segundos mensajeros clave del ciclo del PI no pueden generarse de manera continua, lo que ocasiona disminución de las capacidades de señalización. 33. La respuesta es B.  El niño tiene retinoblastoma hereditario, que se debe a una mutación hereditaria en el gen rb. Dado que éste es un gen supresor tumoral, una vez que se produce la pérdida de la heterocigosidad, se pierde la acción de rb en el ciclo celular. Rb ayuda a regular la familia E2F de factores de transcripción. Una vez que se sintetiza ciclina D y activa un par de CDK, la proteína rb se fosforila, lo cual provoca su salida de un complejo con los factores E2F. La eliminación de rb del complejo proteínico activa las proteínas E2F, lo cual inicia una nueva transcripción génica para permitir la transición de la célula a la fase S del ciclo celular. En ausencia de cualquier producto génico funcional de rb, la transición a la fase S es desregulada, y ocurre de manera continua, lo que ocasiona crecimiento tumoral. El producto del gen rb no es necesario para ningún otro punto de verificación del ciclo celular. 34. La respuesta es B.  El paciente tiene cáncer de colon hereditario, de manera específica poliposis adenomatosa del colon, que se presenta en la cuarta o quinta década de vida, con múltiples pólipos que cubren la luz del colon. La proteína defectuosa es APC, que regula la actividad de -catenina. La pérdida del funcionamiento de APC causa activación inapropiada de -catenina, que es un factor de transcripción y puede estimular la expresión de myc y ciclina D1, para promover la proliferación celular. La expresión inapropiada de myc y ciclina D1 por pérdida de APC es un evento iniciador de la tumorigénesis. La mutación de APC no afecta la actividad de BCl-2, que es una actividad antiapoptósica. Si bien la pérdida de actividad de APC causa aumento de la expresión de ciclina, esta ganancia se debe a la activación de b-catenina, que sería un evento iniciador de la formación del tumor. 35. La respuesta es A.  La infección por el virus de Epstein–Barr inducirá la síntesis de un factor tipo Bcl-2 que antagoniza la apoptosis, y permite que las célular infectadas por el virus sobrevivan y continúen produciendo más virus. Este factor no está presente en los otros virus enumerados como posibles respuestas.

capítulo

5

Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

El estudio de este capítulo servirá en la clínica principalmente para comprender los principios básicos de la producción de energía, la función de las vitaminas y los mecanismos de interrupción de la producción de energía por toxinas o deficiencias. También se considera la toxicidad de los radicales derivados de oxígeno y su relación con enfermedad.

GENERALIDADES ■ ■ ■ ■ ■ ■

El trifosfato de adenosina (ATP, adenosine triphosphate) transfiere energía desde los procesos que la producen hacia aquellos en que se utiliza. La mayoría de los carbonos de glucosa, ácidos grasos, glicerol y aminoácidos se convierten en última instancia en acetil-CoA. Estas reacciones producen ATP (figura 5-1). El acetil-CoA se oxida en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA, tricarboxylic acid). Se libera CO2, y se transfieren electrones a NAD1 y FAD, para producir NADH y FADH2. NADH y FADH2 transfieren los electrones al O2 vía la cadena de transporte de electrones. La energía de esta transferencia de electrones se usa para producir ATP por el proceso de fosforilación oxidativa. Los cofactores, muchos de los cuales son minerales o compuestos producidos a partir de vitaminas, ayudan a las enzimas que catalizan las reacciones de estas vías metabólicas. Dentro de las células pueden generarse especies reactivas de oxígeno y si su síntesis y utilización no se controlan de manera cuidadosa, puede ocurrir daño celular.

I. BIOENERGÉTICA •• Para una reacción bioquímica, aA 1 bB  cC 1 dD

el cambio de energía libre (ΔG) se relaciona con las concentraciones de los sustratos y productos y con el cambio de energía libre estándar de la reacción a pH 7 (ΔGo′). El cambio de energía libre estándar es determinado por los enlaces químicos que se rompen y se forman. •• Las reacciones con ΔG negativo proceden de manera espontánea, pero no así las que tienen ΔG positivo. Si ΔG 5 0, la reacción está en equilibrio, y Keq 5

[C]c [D]d [A]a [B]b

donde los sustratos y productos están en sus concentraciones de equilibrio (eq). Por lo tanto, ΔGo∙ 52RT ln Keq

•• El cambio de energía libre indica el sentido en que ocurrirá una reacción, pero no la velocidad de la reacción. Las enzimas determinan la velocidad.

145

146

Bioquímica, biología molecular y genética Ácidos grasos Glucosa

Aminoácidos ATP

NADH

NADH Piruvato

FAD(2H)

Nitrógeno

NADH

Urea Acetil-CoA

Cuerpos cetónicos

Fase 1 de la respiración Oxidación de combustibles

Ciclo de los TCA CO2 CO2 FAD(2H) NADH O2 H 2O

ATP ADP + Pi

cadena de transporte de electrones

Fase 2 de la respiración Generación de ATP por fosforilación oxidativa

+ + H+ + ∆p +

FIGURA 5-1. Generación de trifosfato de adenosina (ATP) a partir de combustibles en la sangre, y respiración celular. Δp, gradiente de protones.

A. Cambio de energía libre en sistemas biológicos 1. El cambio de energía libre (la energía disponible para realizar trabajo útil a presión y temperatura constantes) es definido por la ecuación ΔG 5 ΔH2TΔS

donde, ΔG es el cambio de energía libre; ΔH es el cambio de entalpía (contenido de calor); ΔS es el cambio de entropía (distribución al azar o en desorden); y T es la temperatura absoluta en Kelvin (K). 2. Para una reacción bioquímica, el cambio de energía libre puede usarse para predecir el sentido en que procederá la reacción. 3. Para la reacción en la cual aA 1 bB  cC 1 dD

(donde las letras mayúsculas simbolizan la molécula y las letras minúsculas indican el número de moléculas), el cambio de energía libre depende de las concentraciones de los sustratos y productos y del valor de la constante ΔGo∙. [C]c [D]d a b   [A] [A]

ΔG 5 ΔG °′1 RT In   

donde, ΔG o′ es el cambio de energía libre estándar a pH 7 (sin tomar en cuenta la concentración del agua); R es la constante de los gases; T es la temperatura absoluta; y [ ] significa concentración. 4. Si ΔG es negativo, la reacción ocurrirá de manera espontánea con liberación de energía. Si ΔG es positivo, la reacción no ocurrirá de manera espontánea. Si ΔG 5 0, la reacción está en equilibrio, y aunque los sustratos reaccionan para formar productos y éstos reaccionan para formar sustratos, no hay cambio neto en las concentraciones.

B. Constante de equilibrio y cambio de energía libre 1. En el equilibrio, ∆G 5 0 y [C]c [D]d [A]a [A]b

ΔG o′ 5 −RT In    

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno t a b l a

5-1

147

Naturaleza aditiva de los cambios de energía libre

Glucosa 1 Pi → glucosa-6-P 1 H2O

ΔG′ 5 13.3 kcal/mol

ATP 1 H2O → ADP 1 Pi

ΔG′ 5 27.3 kcal/mol

Suma: glucosa 1 ATP → glucosa 6-P1 ADP

ΔG′ 5 24.0 kcal/mol

2. La constante de equilibrio (Keq) se relaciona con las concentraciones de los sustratos y productos en el equilibrio:

Keq 5

[C]c [D]d [A]a [B]b

Por lo tanto, ΔG°′ 5 2RT ln Keq. a. Si Keq 5 1, ΔG°′ 5 0. b. Si Keq > 1, ΔG°′ es negativo. c. Si Keq < 1, ΔG°′ es positivo.

3. A mayor valor negativo de ΔG°′, menos sustrato con respecto al producto se requiere para producir un ΔG negativo (es decir, más probable que la reacción sea espontánea).

4. Para una secuencia de reacciones que tienen intermediarios en común, los cambios de energía libre estándar son aditivos (tabla 5-1).

C. Importancia de los cambios de energía libre para los sistemas biológicos 1. La velocidad de una reacción no se relaciona con su cambio de energía libre. a. Una reacción con cambio de energía libre muy negativo no necesariamente ocurre con rapidez. b. La velocidad de una reacción depende de las propiedades de la enzima que la cataliza. (1) Una enzima incrementa la rapidez con que una reacción alcanza el equilibrio. No afecta Keq (las concentraciones relativas de sustratos y productos en equilibrio). 2. La mayoría de las reacciones bioquímicas forman parte de vías; por lo tanto, otras reacciones están agregando sustratos y retirando productos de manera constante. a. Las actividades relativas de las enzimas que catalizan las reacciones individuales de una vía difieren. b. Algunas reacciones están cerca del equilibrio (ΔG 5 0). Su sentido puede ser modificado con facilidad por cambios pequeños en las concentraciones de sus sustratos o productos. c. Otras reacciones están lejos del equilibrio. Los factores alostéricos que modifican la actividad de esas enzimas pueden cambiar el flujo global por la vía.

II. PROPIEDADES DEL TRIFOSFATO DE ADENOSINA •• El ATP contiene la base adenina, el azúcar ribosa y tres grupos fosfato unidos entre sí por dos enlaces anhídrido. •• El ATP se produce a partir de difosfato de adenosina (ADP, adenosine diphosphate) y fosfato inorgánico (Pi, inorganic phosphate) principalmente por el proceso de fosforilación oxidativa. •• La energía libre que se genera cuando el ATP se hidroliza se emplea para impulsar reacciones que requieren energía. •• El ATP puede transferir grupos fosfato a otros compuestos como glucosa y formar ADP. •• El ADP puede aceptar grupos fosfato de compuestos como fosfocreatina y formar ATP.

A. Estructura del ATP El ATP consiste en la base adenina, el azúcar ribosa, y tres grupos fosfato (figura 5-2).

1. La adenosina (un nucleósido) contiene la base adenina unida a ribosa. 2. El monofosfato de adenosina (AMP, adenosine monophosphate) es un nucleótido que contiene adenosina con un grupo fosfato esterificado al 5-hidroxilo del azúcar.

148

Bioquímica, biología molecular y genética NH2 Enlaces fosfato de alta energía

–

O

O O

P –

O

P

HC O

O –

N

P

O

O

O







–

OCH2 H H OH

C N

C C

N CH

Adenina

N

O H

H

D-Ribosa

OH

5'-trifosfato de adenosina

FIGURA 5-2. Estructura del trifosfato de adenosina (ATP) y localización de los dos enlaces de alta energía en la molécula.

ATP

3. El ADP contiene un segundo grupo fosfato unido por un enlace anhídrido. 4. El ATP contiene un tercer grupo fosfato. B. Funciones del ATP El ATP tiene un cometido central en los intercambios de energía en el organismo.

1. El ATP se consume y regenera de manera constante.

a. Se consume en procesos como contracción muscular, transporte activo y reacciones de biosíntesis. b. Se regenera por la oxidación de los alimentos. 2. La energía libre que se genera cuando el ATP se hidroliza se usa para impulsar reacciones que requieren energía. a. El ATP puede ser hidrolizado a ADP y fosfato inorgánico (Pi) o a AMP y pirofosfato (PPi, pyrophosphate). ATP, ADP y AMP son interconvertidos por la reacción de la adenilato cinasa (llamada miocinasa en el músculo). ATP 1 AMP  2ADP

b. A veces se usan otros trifosfatos de nucleósido (GTP, UTP y CTP) para impulsar reacciones bioquímicas. Pueden provenir del ATP, y tienen la misma energía libre de Gibbs para la hidrólisis que los dos enlaces de alta energía del ATP. 3. Para la hidrólisis de ATP a ADP y Pi, ΔG°′ 5 27.3 kcal/mol. a. Los enlaces anhídrido del ATP a menudo se denominan “enlaces de alta energía.” b. Sin embargo, ΔG°′ es grande no porque se rompa un solo enlace, sino porque los productos de la hidrólisis son más estables que el ATP. 4. El ATP puede transferir grupos fosfato a compuestos como la glucosa y formar ADP. 5. El ADP puede aceptar grupos fosfato de compuestos como fosfoenolpiruvato, fosfocreatina o 1,3-bisfosfoglicerato y formar ATP.

III. PORTADORES DE ELECTRONES Y VITAMINAS •• Determinados cofactores de enzimas intervienen en la transferencia de electrones de los alimentos al O2, un proceso que genera energía para la producción de ATP. •• El NAD1 (derivado de la vitamina niacina) y el FAD (derivado de la vitamina riboflavina) suministran electrones a la cadena de transporte de electrones. En ésta, el mononucleótido de flavina (FMN, flavin mononucleotide) y la coenzima Q (CoQ; ubiquinona) pasan los electrones a citocromos que contienen hem, los cuales a su vez los transfieren a O2. Como consecuencia de estos procesos, se produce ATP. •• Otros cofactores implicados en la extracción de energía del alimento son coenzima A (CoA; sintetizada a partir de la vitamina pantotenato), pirofosfato de tiamina (sintetizado a partir de la vitamina tiamina), y ácido lipoico.

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

149

•• Otros cofactores derivados de vitaminas hidrosolubles intervienen en diversas reacciones metabólicas. Entre estos cofactores están NADPH (derivado de la vitamina niacina), biotina, fosfato de piridoxal (derivado de la vitamina B6), tetrahidrofolato (derivado de la vitamina folato), vitamina B12 y vitamina C. •• Las vitaminas liposolubles (A, D, E y K) también participan en el metabolismo.

A. Principales cofactores en la generación de ATP a partir de los alimentos Cuando el alimento se oxida a CO2 y H2O, se transfieren electrones principalmente a dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD1) y dinucleótido de flavina y adenina (FAD). 1. El NAD1 acepta un ion hidruro, el cual reacciona con su anillo nicotinamida. El NAD1 se reduce; el sustrato (RH2) se oxida y se libera un protón. NAD1 1 RH2  NADH 1 H1 1 R

a. El NAD1 interviene a menudo en la oxidación de un grupo hidroxilo a una cetona. O

OH R



C R1

+ NAD+

R C R1 + NADH + H+

H

b. El anillo nicotinamida del NAD1 proviene de la vitamina niacina (ácido nicotínico) y, en medida limitada, del aminoácido triptófano. 2. El FAD acepta dos átomos de hidrógeno (con sus electrones). El FAD se reduce y el sustrato se oxida. FAD 1 RH2  FADH2 1 R

a. El FAD es un mejor agente oxidante que NAD1, y con frecuencia participa en reacciones que producen un doble enlace carbono-carbono. R2CH22CH22R1 1 FAD  R2CH5CH2R1 1 FADH2

b. El FAD proviene de la vitamina riboflavina.

B. Componentes de la cadena de transporte de electrones Los cofactores reducidos, NADH y FADH2, transfieren electrones a la cadena de transporte de electrones, que se localiza en la membrana mitocondrial interna. La cadena consiste en varios complejos proteínicos, designados I a IV. 1. El FMN recibe electrones del NADH en el complejo I y los transfiere a través de centros Fe2S a la coenzima Q. a. El FMN es un derivado de la riboflavina. 2. La coenzima Q recibe electrones del FMN y también, a través de centros Fe2S, del FADH2 (como el complejo II). a. El FADH2 no se encuentra libre en solución como NAD1 y NADH; está estrechamente unido a enzimas. b. La coenzima Q puede sintetizarse en el organismo. No proviene de una vitamina. 3. Los citocromos en el complejo III reciben electrones de la forma reducida de la coenzima Q. a. Cada citocromo consiste en un grupo hem (figura 5-3) unido a una proteína. b. El hierro del grupo hem se reduce cuando el citocromo acepta un electrón. Fe31  Fe21

c. El hem se sintetiza a partir de glicina y succinil-CoA en el ser humano. No proviene de una vitamina. 4. En última instancia el oxígeno (O2) recibe los electrones al final de la cadena de transporte de electrones y se reduce a H2O (una función del complejo IV).

150

Bioquímica, biología molecular y genética

CH3 (CH2

CH

CH2)3 H

C

CH2

CH3

H C OH HC

O

CH N

C H –

COO

CH2

CH3

FIGURA  5-3. Estructura general del grupo hem, que está presente en hemoglobina, mioglobina y los citocromos b, c y c1. Cada citocromo tiene un hem con una modificación distinta de las cadenas laterales (indicada con las líneas de trazo discontinuo), de lo que resulta un potencial reductor ligeramente distinto y, en consecuencia, una posición diferente en la secuencia de transferencia de electrones.

N Fe N

CH2

CH

N HC

CH2

CH CH3

CH2 CH2 –

COO

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La anemia por deficiencia de hierro o anemia ferropénica se debe a la falta de hierro para la síntesis de hem, lo que provoca un menor suministro de oxígeno a los tejidos. Esto, junto con menores concentraciones de hem en la cadena de transferencia de electrones debido a los bajos valores de hierro, puede causar debilidad muscular por la incapacidad de sintetizar cantidades adecuadas de ATP. C. Coenzima A La coenzima A (CoASH) contiene un grupo sulfhidrilo que reacciona con ácidos carboxílicos para formar tioésteres, como acetil-CoA, succinil-CoA y palmitoil-CoA (figura 5-4). O

CoASH

Forma tioésteres con grupos acilo ( C R )

SH CH2 CH2 NH C

O

CH2 CH2

Fosfopantoteína

NH H

C

O

C

OH

H 3C C

CH3

CH2 O

–

O P O

Ácido pantoténico

O

O– P O

N

H O

H 2–O

N

O

CH2 H

3PO

H

NH2 N N

H

H

OH

3',5'-bisfosfato de adenosina

FIGURA  5-4. Estructura de la coenzima A. La flecha indica dónde se unen los grupos acilo (p. ej., acetilo, succinilo y grasoacilo) para formar tioésteres.

151

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

1. El ΔG′ para la hidrólisis del enlace tioéster es de 27.5 kcal/mol (un enlace de alta energía). 2. La coenzima A contiene la vitamina ácido pantoténico. a. El ácido pantoténico también está presente en el complejo de la ácido graso sintasa.

D. Tiamina y ácido lipoico, cofactores para las a-cetoácido deshidrogenasas 1. Las a-cetoácido deshidrogenasas catalizan descarboxilaciones oxidativas en una secuencia de reacciones en las que participan pirofosfato de tiamina, ácido lipoico, coenzima A, FAD y NAD1.

2. Las principales a-cetoácido deshidrogenasas son:

a. Piruvato deshidrogenasa, el complejo enzimático que realiza la descarboxilación oxidativa de piruvato, formando acetil-CoA. b. a-Cetoglutarato deshidrogenasa, que cataliza la conversión de -cetoglutarato en succinil-CoA. c. El complejo de la a-cetoácido deshidrogenasa, implicado en la oxidación de los aminoácidos de cadena ramificada. (1) El pirofosfato de tiamina (figura 5-5A) interviene en la descarboxilación de α-cetoácidos. (a) El carbono a del a-cetoácido se une de manera covalente al pirofosfato de tiamina, y el grupo carboxilo se libera como CO2. (b) El pirofosfato de tiamina también es el cofactor para la enzima transcetolasa de la vía de los fosfatos de pentosa. (c) El pirofosfato de tiamina se forma a partir de ATP y la vitamina tiamina. (2) El ácido lipoico participa en la oxidación del grupo ceto del a-cetoácido descarboxilado (figura 5-6). (a) Después de que un a-cetoácido se descarboxila, el resto del compuesto se oxida al transferirse del pirofosfato de tiamina al ácido lipoico, que se reduce en la reacción.

A. Pirofosfato de tiamina (TPP, thiamine

C. Fosfato de piridoxal (PLP, pyridoxal phosphate) (de la vitamina B6) R

phyrophosphate)

R

C

H 3C C

C N

–

COO

CO2

H

NH2 N

O

+

C CH2

N

C

C C

S

–

C CH2 CH2 O

CO2

HN

– –

O

P O P O

P

C

H OH

O –

O

CH3

+

N

O

O

B. Biotina-enzima Grupo reactivo O

O

O

–

O

O

CH3

NH2

Sitio de unión de la coenzima

H

D. Ascorbato

(vitamina C)

NH H N

S Biotina

O

Lisina

HO HN CH O

C

HO

6

H 5

O 4 3

O

1 2

O–

OH

L -Ascorbato

FIGURA 5-5. Estructuras de pirofosfato de tiamina (A), biotina (B), fosfato de piridoxal (C), y ascorbato (D). Las flechas indican los sitios reactivos. Cuando un a-cetoácido se une a pirofosfato de tiamina, el grupo ceto se enlaza y el grupo carboxilo se libera como CO2.

152

Bioquímica, biología molecular y genética Ácido lipoico Cadena lateral de la lisina

S Ácido lipoico oxidado H2C O Cetona C R Pirofosfato de tiamina

CH (CH2)4

H2C

(CH2)4

Enzima

NAD+

FADH2

NADH + H+

FAD R

O

Ácido

R

CH (CH2)4

C

C SCoA

˜

CoASH

O

S C H2

N H

O H S

C

C H2

C Ácido lipoico reducido

O

S

N

(CH2)4

Enzima

H

FIGURA 5-6. Función del ácido lipoico en la descarboxilación oxidativa de los a-cetoácidos.

b. El compuesto oxidado, que forma un tioéster con lipoato, se transfiere entonces al azufre de la coenzima A. c. Dado que hay una cantidad limitada de lipoato en la célula, el lipoato reducido debe reoxidarse de modo que se pueda reutilizar en estos tipos de reacciones. Es reoxidado por FAD, que se reduce a FADH2, y más tarde es reoxidado por NAD1. d. El ácido lipoico no proviene de una vitamina.

E. Otros cofactores derivados de vitaminas liposolubles 1. El NADPH (la forma reducida del NADP1) proporciona equivalentes reductores para la síntesis de ácidos grasos y otros compuestos y para la reducción de glutatión. a. El NADP1 es idéntico al NAD1 excepto porque contiene un grupo fosfato más. 2. La biotina participa en la carboxilación del piruvato (el cual forma oxaloacetato), acetil-CoA (que forma malonil-CoA) y propionil-CoA (que forma metilmalonil-CoA). a. La vitamina biotina se une de manera covalente a un residuo lisilo de la enzima (ver figura 5-5B). 3. El fosfato de piridoxal, un aldehído, interactúa con un aminoácido para formar una base de Schiff. Pueden generarse diversos productos, según la enzima (ver figura 5-5C). a. Los aminoácidos se transaminan, descarboxilan o desaminan en reacciones que requieren fosfato de piridoxal. b. El fosfato de piridoxal proviene de la vitamina B6 (piridoxina). 4. El tetrahidrofolato (figura 8-16) transfiere unidades de un carbono (más reducidas que el CO2) desde compuestos como la serina a compuestos como el dUMP (para formar dTMP). a. El tetrahidrofolato se sintetiza a partir de la vitamina folato. 5. La vitamina B12, que contiene cobalto, interviene en dos reacciones del organismo. a. Transfiere grupos metilo del tetrahidrofolato a la homocisteína (para formar metionina). b. Participa en la conversión de metilmalonil-CoA en succinil-CoA. 6. La vitamina C (ácido ascórbico) tiene por lo menos tres funciones en el organismo (ver figura 5-5D). a. Interviene en reacciones de hidroxilación, como la hidroxilación de residuos prolilo en el precursor del colágeno. b. Actúa en la absorción de hierro. c. Es un antioxidante.

F. Vitaminas liposolubles (figura 5-7) 1. La vitamina K participa en la activación de precursores de protrombina y otros factores de la coagulación por carboxilación de residuos glutamato. En las reacciones dependientes de vitamina K no se utiliza biotina.

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

A.

Vitamina K O

Función CH3 Coagulación sanguínea

O

B.

Vitamina A (retinal)

O CH

C.

Visión Crecimiento Reproducción

Vitamina E HO H 3C

D.

153

CH3

CH3

O

CH3

Vitamina D3

H

CH3

H

CH3 H H 3C

C

CH2

CH2

CH2

CH3

Antioxidante

CH3 CH CH3

H 2C

Captación de Ca2+ en el intestino y movilización desde el hueso

HO FIGURA 5-7. Vitaminas liposolubles y sus principales funciones.

2. La vitamina A es necesaria para las reacciones lumínicas de la visión, para crecimiento y reproducción normales, y para diferenciación y mantenimiento de los tejidos epiteliales. a. El Δ11-cis-retinal se une a la proteína opsina y forma rodopsina. (1) La luz hace que el Δ11-cis-retinal de la rodopsina se convierta en todo-trans-retinal, que se disocia de la opsina, lo que causa cambios que permiten que la luz sea percibida por el cerebro. b. El ácido retinoico, la forma más oxidada de la vitamina A, actúa como una hormona esteroidea (Capítulo 9). 3. La vitamina E actúa como antioxidante. a. Impide que radicales libres oxiden compuestos como los ácidos grasos poliinsaturados. b. Una consecuencia importante de prevenir el daño por radicales libres es que se mantiene la integridad de las membranas, las cuales contienen ácidos grasos en los fosfolípidos. 4. La vitamina D (como 1,25-dihidroxicolecalciferol) interviene en el metabolismo del calcio (Capítulo 9).

154

Bioquímica, biología molecular y genética

t a b l a

5-2

Deficiencias vitamínicas y sus manifestaciones

Vitaminas liposolubles

Manifestaciones de deficiencia

Vitamina A

Ceguera nocturna, xeroftalmía

Vitamina D

Mineralización ósea inadecuada, raquitismo en niños

Vitamina E

Incapacidad reproductiva, distrofia muscular, anomalías neurológicas

Vitamina K

Coagulación sanguínea deficiente

Vitaminas hidrosolubles

Manifestaciones de deficiencia

Vitamina C

Escorbuto

Tiamina

Beriberi

Riboflavina

Orales: lesiones de la cavidad bucal

Niacina

Pelagra (diarrea, dermatitis, demencia, muerte)

Vitamina B6 (piridoxina)

Convulsiones, dermatitis, anemia

Folato

Anemia megaloblástica (por trastorno de la división y el crecimiento celulares)

Vitamina B12

Anemia megaloblástica, síntomas neurológicos (por desmielinización)

Biotina

Anorexia, náusea, vómito, glositis, alopecia, dermatitis escamosa seca

Ácido pantoténico

Indiferencia, fatiga, síndrome de "pies ardorosos"

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Las deficiencias vitamínicas (tabla 5-2) suelen deberse a consumo alimentario insuficiente o a menor conversión de la vitamina en sus derivados coenzimáticos a causa de fármacos, enfermedades u otros factores. También pueden estar implicadas disminuciones de absorción intestinal, transporte plasmático, almacenamiento en los tejidos, unión a proteínas, o aumento de la excreción. A menudo ocurren múltiples deficiencias, por lo común de las vitaminas hidrosolubles, que se almacenan en cantidades limitadas que pueden agotarse en semanas. Las reservas de las vitaminas liposolubles son mayores, por lo que se agotan con mayor lentitud. Son posibles efectos tóxicos por el consumo excesivo de las vitaminas liposolubles.

IV. CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS •• El ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA, tricarboxylic acid), también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de Krebs, es la principal vía productora de energía en el organismo. Se realiza en las mitocondrias. •• Los alimentos entran al ciclo como acetil-CoA, que se oxida a dióxido de carbono y agua a fin de generar energía. •• El ciclo también participa en la síntesis de ácidos grasos, aminoácidos y glucosa. •• El ciclo comienza con el compuesto de cuatro carbonos oxaloacetato, añade dos carbonos de la acetilCoA, pierde dos carbonos como CO2, y regenera el compuesto de cuatro carbonos oxaloacetato. •• El ciclo transfiere electrones a NAD1 y FAD. •• Cuando los electrones son llevados después al O2 por la cadena de transporte de electrones, se genera ATP en el proceso de fosforilación oxidativa. •• El ATP también se genera a partir de GTP, producido en una reacción del ciclo por fosforilación al nivel del sustrato.

A. Reacciones del ciclo de los TCA (figura 5-8) 1. Todas las enzimas del ciclo de los TCA están en la matriz mitocondrial, excepto la succinato deshidrogenasa, que se encuentra en la membrana mitocondrial interna.

2. La oxidación de los carbonos de la acetil-CoA a dióxido de carbono requiere la captura de ocho electrones de la molécula.

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

CH3C

155

O SCoA

Acetil-CoA

–

COO C

CoASH

O Citrato sintasa

CH2 –

Malato deshidrogenasa

COO Oxaloacetato

CH2

H2O

HO

COO– –

COO CH

C

CH2

–

HO

COO–

NADH + H+

NAD+

Aconitasa

COO Citrato

COO– CH2

CH2 –

COO Malato H2O

ATP

COO–

COO

HO

C

H

COO– Isocitrato NAD+

Fosforilación oxidativa

HC

C

Cadena de transporte de electrones

Fumarasa

H2O

O2

COO

–

Isocitrato deshidrogenasa

CH2 FAD(2H) –

CH2

COO CoASH

–

CH2

–

GDP + Pi GTP

C

O

COO– –Cetoglutarato CO2

CH2

COO Succinato Succinato tiocinasa

C NAD+

COO

CH2

CH2

NADH + H+

CoASH O

-Cetoglutarato deshidrogenasa

˜

FAD Succinato deshidrogenasa

CO2

NADH + H+

CH COO– Fumarato

–

H

SCoA Succinil-CoA

FIGURA 5-8. Ciclo de los TCA. Las enzimas y coenzimas de oxidación2reducción se muestran en verde oscuro. La entrada de los dos carbonos del acetil-CoA en el ciclo de los TCA se indica con el recuadro verde. Los carbonos liberados como CO2 se presentan en recuadros grises.

a. El acetil-CoA y el oxaloacetato se condensan, formando citrato. (1) Enzima: citrato sintasa. (2) La ruptura del enlace tioéster de alta energía de la acetil-CoA impulsa esta condensación. (3) El citrato (el producto) es un inhibidor de esta reacción. b. El citrato se isomeriza a isocitrato por un reordenamiento de la molécula. (1) Enzima: aconitasa. (2) El aconitato actúa como un intermediario unido a la enzima. (3) En condiciones fisiológicas ésta es una reacción desfavorable que procede hacia la formación de citrato.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Ocurre intoxicación por fluoroacetato cuando el fluoroacetato se activa y se convierte en su derivado CoA; la citrato sintasa condensa el fluoroacetilCoA con oxaloacetato para producir fluorocitrato, que es un potente inhibidor de la aconitasa. Esto inactiva el ciclo de los TCA, reduce la producción de energía y causa la muerte de las células (o el organismo).

156

Bioquímica, biología molecular y genética

3. El isocitrato se oxida a a-cetoglutarato en una reacción de dos pasos en la cual primero ocurre una oxidación y luego una descarboxilación. Se produce CO2, y los electrones se transfieren a NAD1 para formar NADH y H1. Este paso captura dos de los ocho electrones presentes en los carbonos de la acetil-CoA. a. Enzima: isocitrato deshidrogenasa. b. Esta enzima reguladora clave del ciclo de los TCA es activada de manera alostérica por ADP e inhibida por NADH. 4. El a-cetoglutarato es convertido en succinil-CoA en una reacción de descarboxilación oxidativa, en términos mecánicos la misma que la reacción de la piruvato deshidrogenasa. Se libera CO2, y se producen succinil-CoA, NADH y H1. Este paso captura otros dos electrones de los carbonos de la acetil-CoA. a. Enzima: a-cetoglutarato deshidrogenasa. b. Esta enzima requiere cinco cofactores: pirofosfato de tiamina, ácido lipoico, CoASH, FAD, y NAD1 (ver Sección III D). 5. La succinil-CoA se escinde a succinato. La ruptura del enlace tioéster de alta energía de la succinilCoA impulsa la fosforilación al nivel del sustrato de GDP a GTP. Dado que en ello no participa la cadena de transporte de electrones, no es una fosforilación oxidativa; sin embargo, si el flujo de electrones se detuviera, este paso también se bloquearía. a. Enzima: succinato tiocinasa. b. Esta enzima también se llama succinil-CoA sintetasa. 6. El succinato se oxida a fumarato. El succinato transfiere dos hidrógenos junto con sus electrones al FAD, y forma FADH2. Después de este paso, se han capturado seis de los ocho electrones de los carbonos de la acetil-CoA. a. Enzima: succinato deshidrogenasa. b. Esta enzima está presente en la membrana mitocondrial interna. Las otras enzimas del ciclo se encuentran en la matriz. 7. El fumarato es convertido en malato por la adición de agua al doble enlace. a. Enzima: fumarasa. 8. El malato se oxida, lo que regenera el oxaloacetato y de este modo completa el ciclo. Dos hidrógenos con sus electrones se transfieren al NAD1, lo que produce NADH y H y finaliza la captura de los ocho electrones de los carbonos de la acetil-CoA. a. Enzima: malato deshidrogenasa.

B. Producción de energía por el ciclo de los TCA 1. El NADH y el FADH2 (producidos por el ciclo) donan electrones a la cadena de transporte de electrones. Por cada mol de NADH, se generan alrededor de 2.5 moles de ATP por cada mol de  FADH2, se generan casi 1.5 moles de ATP mediante el paso de estos electrones al O2 (fosforilación oxidativa). Además, se produce GTP cuando se escinde la succinil-CoA. El GTP produce ATP: (GTP 1 ADP  ATP 1 GDP)

2. La energía total generada por una ronda del ciclo, partiendo con 1 mol de acetil-CoA, es de alrededor de 10 moles de ATP.

C. Regulación del ciclo de los TCA El ciclo de los TCA es regulado por la necesidad de energía de la célula en la forma de ATP. El ciclo de los TCA actúa de manera concertada con la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa en la membrana mitocondrial interna para producir ATP. 1. La célula tiene cantidades limitadas de nucleótidos de adenina (ATP, ADP y AMP). 2. Cuando se utiliza ATP, se producen ADP y fosfato inorgánico (Pi). 3. Cuando la concentración de ADP es alta con respecto a la de ATP —es decir, cuando la célula necesita energía— las reacciones de la cadena de transporte de electrones se aceleran. El NADH se oxida con rapidez; en consecuencia, el ciclo de los TCA se acelera. a. Un aspecto de este proceso es que el ADP activa de manera alostérica la isocitrato deshidro­genasa.

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

157

4. Cuando la concentración de ATP es alta —es decir, cuando la célula tiene un suministro adecuado de energía2 la cadena de transporte de electrones se desacelera, se acumula NADH, y en consecuencia el ciclo de los TCA se inhibe. a. El NADH inhibe de manera alostérica la isocitrato deshidrogenasa. Se acumula isocitrato, y dado que el equilibrio de la aconitasa favorece al citrato, la concentración de éste aumenta. El citrato inhibe la citrato sintasa, la primera enzima del ciclo. b. Las concentraciones altas de NADH (y bajas de NAD1) también afectan las reacciones del ciclo que generan NADH, de lo que resulta una desaceleración del ciclo por acción de masa. (1) El oxaloacetato es convertido en malato cuando las concentraciones de NADH son altas y, por lo tanto, se dispone de menos sustrato (OAA) para la reacción de la citrato sintasa.

D. Vitaminas requeridas para las reacciones del ciclo de los TCA 1. Se usa niacina para la síntesis de la porción nicotinamida del NAD, que se usa en las reacciones de isocitrato deshidrogenasa, a-cetoglutarato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa.

2. Se emplea riboflavina para la síntesis de FAD, que es el cofactor para la succinato deshidrogenasa. Una a-cetoglutarato deshidrogenasa también requiere FAD.

3. La a-cetoglutarato deshidrogenasa, un complejo multienzimático (ver Sección III D), contiene ácido lipoico y otros cuatro cofactores que se sintetizan a partir de vitaminas. a. Se utiliza tiamina en la síntesis de pirofosfato de tiamina. b. Pantotenato para CoASH. c. Riboflavina para FAD. d. Niacina para NAD1.

E. Complejo de la piruvato deshidrogenasa Para que los carbonos de la glucosa ingresen en el ciclo de los TCA, la glucosa es convertida primero en piruvato por glucólisis, y luego el piruvato forma acetil-CoA. 1. Secuencia de reacción a. La piruvato deshidrogenasa, un complejo multienzimático que sólo se encuentra en la matriz mitocondrial, cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato, y forma acetil-CoA. b. Las reacciones catalizadas por el complejo de la piruvato deshidrogenasa son análogas a las catalizadas por el complejo de la a-cetoglutarato deshidrogenasa. Estos complejos enzimáticos requieren las mismas cinco coenzimas, cuatro de las cuales contienen vitaminas (ver Sección IV D 3). 2. Regulación de la piruvato deshidrogenasa a. En contraste con la a-cetoglutarato deshidrogenasa, la piruvato deshidrogenasa existe en una forma fosforilada (inactiva) y una forma desfosforilada (activa). b. Una cinasa relacionada con el complejo multienzimático fosforila la subunidad piruvato descarboxilasa, con lo que inactiva el complejo piruvato deshidrogenasa. (1) Los productos de la reacción de la piruvato deshidrogenasa, acetil-CoA y NADH, activan la cinasa, y los sustratos, CoASH y NAD1, la inactivan. La cinasa también es inactivada por ADP. c. Una fosfatasa desfosforila y activa el complejo de la piruvato deshidrogenasa. d. Cuando la concentración de sustratos es alta, la deshidrogenasa se activa, y el piruvato es convertido en acetil-CoA. Cuando la concentración de productos es alta, la deshidrogenasa es relativamente inactiva (figura 5-9).

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La intoxicación por arsénico se debe a la combinación de arsenito y arseniato. El arsenito inhibe enzimas y cofactores que contienen grupos sulfhidrilo libres adyacentes (como ácido lipoico), e interfieren en las reacciones del ciclo de los TCA (piruvato deshidrogenasa y a-cetoglutarato deshidrogenasa). El arseniato actúa como un análogo de fosfato e inhibe las reacciones de fosforilación al nivel del sustrato que en algún punto utilizan fosfato inorgánico como sustrato.

Pi PDC inactiva ADP ADP Piruvato Acetil-CoA NADH

–

– + +

Fosfatasa

Cinasa

+

ATP

Ca2+

Pi PDC activa +

Piruvato

–

Acetil-CoA

CoASH

CO2

NAD+

–

+

FIGURA 5-9. Regulación del complejo de la piruvato deshidrogenasa (PDC, pyruvate dehydrogenase complex). El complejo contiene tanto PDC cinasa como PDC fosfatasa.

NADH

F. Funciones de síntesis del ciclo de los TCA (figura 5-10) Los intermediarios del ciclo de los TCA se utilizan en el estado de ayuno en el hígado para la producción de glucosa, y en el estado posprandial, para la síntesis de ácidos grasos. Dichos intermediarios también se emplean para sintetizar aminoácidos o para convertir un aminoácido en otro. Aminoácidos

Piruvato CO2 ATP

PDH

Biotina

ADP + Pi Glucosa

Lactato Ácidos grasos

1 Acetil-CoA

Oxaloacetato

Citrato

Aspartato

5

Malato

Isocitrato

Aminoácidos

CO2 Aminoácidos

4

 - Cetoglutarato

Fumarato

Succinato

Succinil-CoA B12

Metil-malonil-CoA Valina Isoleucina

Biotina

3

CO2

TA

2

GDH + NH4

Glutamato NAD+

NADH

CO2

Propionil-CoA

Ácidos grasos de cadena impar FIGURA 5-10. Reacciones anapleróticas y de biosíntesis en que intervienen intermediarios del ciclo de los TCA. Las reacciones de síntesis que forman ácidos grasos y glucosa se indican con líneas de trazo discontinuo. GDH, glutamato deshidrogenasa; PDH, piruvato deshidrogenasa; TA, transaminación; ➊ a ➎, reacciones anapleróticas.

158

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

159

1. Las reacciones anapleróticas reponen intermediarios del ciclo de los TCA a medida que se les retira para la síntesis de glucosa, ácidos grasos, aminoácidos u otros compuestos. a. Una reacción anaplerótica clave es catalizada por la piruvato carboxilasa, que carboxila piruvato y forma oxaloacetato. (1) La piruvato carboxilasa requiere biotina, un cofactor que comúnmente participa en reacciones de fijación de CO2. (2) La piruvato carboxilasa, presente en hígado, encéfalo y tejido adiposo (pero no en el múscu­lo), es activada por acetil-CoA. b. Los aminoácidos producen intermediarios del ciclo de los TCA a través de reacciones anaple­róticas. (1) El glutamato es convertido en α-cetoglutarato. (2) Los aminoácidos que forman glutamato son glutamina, prolina, arginina e histidina. (3) El aspartato se transamina para formar oxaloacetato. La asparagina puede producir aspartato. (4) Valina, isoleucina, metionina y treonina producen propionil-CoA, que es convertida en metilmalonil-CoA y luego en succinil-CoA, un intermediario del ciclo de los TCA. (5) Fenilalanina, tirosina y aspartato forman fumarato. 2. Síntesis de glucosa a. La síntesis de glucosa ocurre en la vía de la gluconeogénesis, en la que participan intermediarios del ciclo de los TCA. b. Conforme se sintetiza glucosa, se retiran malato u oxaloacetato del ciclo de los TCA y se reponen mediante reacciones anapleróticas. (1) El piruvato, producido a partir de lactato o alanina, es convertido por la piruvato carboxilasa en oxaloacetato, el cual forma malato. (2) Diversos aminoácidos que aportan carbono para la gluconeogénesis son convertidos en intermediarios del ciclo de los TCA, el cual forma malato y, por lo tanto glucosa. 3. Síntesis de ácidos grasos a. La vía para la síntesis de ácidos grasos a partir de glucosa incluye reacciones del ciclo de los TCA. (1) A partir de glucosa, se produce piruvato y es convertido en oxaloacetato (por la piruvato carboxilasa) y en acetil-CoA (por la piruvato deshidrogenasa). (2) El oxaloacetato y el acetil-CoA se condensan para formar citrato, que se usa para la síntesis de ácidos grasos. (3) La piruvato carboxilasa cataliza la reacción anaplerótica que repone intermediarios del ciclo de los TCA. 4. Síntesis de aminoácidos a. En la síntesis de aminoácidos a partir de glucosa intervienen intermediarios del ciclo de los TCA. (1) La glucosa es convertida en piruvato, que forma oxaloacetato, el cual por transaminación forma aspartato y, más tarde, asparagina. (2) La glucosa es convertida en piruvato, el cual forma tanto oxaloacetato como acetil-CoA, que se condensan y generan citrato. Éste forma isocitrato y luego a-cetoglutarato, a partir del cual se producen glutamato, glutamina, prolina y arginina. 5. La interconversión de aminoácidos implica intermediarios del ciclo de los TCA. Por ejemplo, los carbonos del glutamato pueden ingresar en el ciclo de los TCA al nivel del a-cetoglutarato y cursar el ciclo, formando oxaloacetato, el cual puede transaminarse a aspartato.

V. CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES Y FOSFORILACIÓN OXIDATIVA •• El ATP se genera como resultado de la energía producida cuando se transfieren electrones de NADH y FADH2 a oxígeno molecular mediante una serie de portadores de electrones, llamados de manera colectiva cadena de transporte de electrones. Entre los componentes de la cadena están FMN, centros Fe2S, coenzima Q y una serie de citocromos (b, c1, c, y aa3). •• La energía producida por la transferencia de electrones a través de la cadena de transporte de electrones se usa para bombear protones de un lado a otro de la membrana mitocondrial interna, desde la

160

•• •• •• ••

•• ••

Bioquímica, biología molecular y genética

matriz hacia el lado citosólico. Se genera un gradiente electroquímico, que consiste en un gradiente protónico y un potencial de membrana. Los protones vuelven a la matriz a través del complejo de la ATP sintasa, lo cual induce la producción de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. El ATP se transporta de la matriz mitocondrial al citosol en intercambio por ADP (el sistema contratransporte de ATP2ADP). La oxidación de 1 mol de NADH genera unos 2.5 moles de ATP, mientras que la oxidación de 1 mol de FADH2 genera alrededor de 1.5 moles de ATP. Dado que la energía generada por la transferencia de electrones al O2 a través de la cadena de transporte de electrones se emplea en la producción de ATP, el proceso global se conoce como fosforilación oxidativa. El transporte de electrones y la producción de ATP ocurren de manera simultánea y están estrechamente acoplados. NADH y FADH2 se oxidan sólo si se dispone de ADP para la conversión en ATP (es decir, si se está utilizando ATP y convirtiendo en ADP).

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Los anestésicos inhalables pueden causar hipertermia maligna. Los principales anestésicos inhalables (halotano, éter y metoxiflurano) inducen una reacción en personas susceptibles que causa el desacoplamiento de la fosforilación oxidativa y el transporte de electrones. La producción de ATP disminuye; se genera calor; y la temperatura aumenta mucho. Se estimula el ciclo de los TCA, y la producción excesiva de CO2 causa acidosis respiratoria. A. Generalidades de la cadena de transporte de electrones 1. Se producen NADH y FADH2 en glucólisis, oxidación-b de ácidos grasos, ciclo de los TCA y otras

reacciones oxidativas. El NADH y FADH2 transfieren electrones a los componentes de la cadena de transporte de electrones, que se localizan en la membrana mitocondrial interna. 2. El NADH se difunde libremente desde la matriz hacia la membrana, mientras que el FADH2 está firmemente unido a las enzimas que lo producen dentro de la membrana mitocondrial interna. 3. Las mitocondrias están separadas del citoplasma por dos membranas. El interior, soluble, de una mitocondria se denomina matriz. La matriz está rodeada por la membrana interna, que contiene pliegues llamados crestas. a. La transferencia de electrones de NADH a O2 ocurre en tres etapas, cada una de las cuales implica un gran complejo proteínico en la membrana mitocondrial interna. b. Cada complejo utiliza la energía de la transferencia de electrones para bombear protones hacia el lado citosólico de la membrana. c. Se genera un potencial electroquímico o fuerza protomotriz. (1) El potencial electroquímico consiste en un potencial de membrana y un gradiente de pH. (2) El lado citosólico de la membrana es más ácido (es decir, tiene mayor [H1]) que la matriz. 4. La membrana mitocondrial interna es impermeable a los protones. Los protones pueden reentrar en la matriz sólo a través de portadores apropiados. Uno de éstos es el complejo de la ATP sintasa (la F0-F1/ATPasa), que induce la generación de ATP. a. El complejo de la ATP sintasa contiene proteínas (F0) que forman un canal en la membrana mitocondrial interna, a través de los cuales los protones pueden fluir, y un pedúnculo fijo a una cabeza sintetizadora de ATP (F1) que se proyecta en la matriz. 5. Durante la transferencia de electrones a través de la cadena de transporte de electrones, parte de la energía se pierde como calor. 6. La cadena de transporte de electrones tiene ΔG°′, muy negativo, y por tanto los electrones fluyen del NADH (o el FADH2) hacia el O2.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La intoxicación por cianuro se debe a la unión del cianuro a Fe31 en el citocromo aa3. Como resultado, el O2 no puede recibir electrones; se inhibe la respiración; se detiene la producción de energía; y producirse la muerte con rapidez.

161

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno Espacio intermembrana

CoQH2

Fe-S FMN

I

NADH NAD+ NADH:CoA oxidorreductasa

Matriz

3-Fosfato de glicerol deshidrogenasa

4H+ FAD

CoQ II Fe-S FAD

4H+ Fe-s

CoQH2 CoQ

Fe-S (FAD)

Succinato Succinato ETF:Q deshidrogenasa oxidorreductasa

Cyt c1

Cyt b

III Complejo de los citocromos b-c1

Cyt c

2H+ CuA

Cyt a Cyt a3 CuB IV 1/2 O2 + 2H+ H2O Citocromo c oxidasa

FIGURA 5-11. Componentes de la cadena de transporte de electrones. Las flechas gruesas indican el flujo de electrones. CoQ, coenzima Q (ubiquinona); Cyt, citocromo; Fe-S, centros hierro-azufre; FMN, mononucleótido de flavina.

B. Tres etapas principales del transporte de electrones (figura 5-11) 1. Transferencia de electrones del NADH a la coenzima Q a. El NADH entrega electrones al FMN vía el complejo de la NADH deshidrogenasa (complejo I). Este complejo también se conoce como NADH:CoQ oxidorreductasa. (1) El NADH se produce en las reacciones de -cetoglutarato deshidrogenasa, isocitrato deshidrogenasa y malato deshidrogenasa del ciclo de los TCA, en la reacción de la piruvato des­ hidrogenasa que convierte piruvato en acetil-CoA, en la oxidación- de los ácidos grasos, y en otras reacciones de oxidación. (2) El NADH producido en la matriz mitocondrial se difunde a la membrana mitocondrial interna, donde transfiere electrones al FMN, que está fuertemente unido a una proteína. b. El FMN entrega los electrones a través de una serie de complejos hierro2azufre (Fe2S) a la coenzima Q, la cual acepta electrones uno a la vez, formando primero la semiquinona y luego ubiquinol. c. La energía producida por estas transferencias de electrones se emplea para bombear protones al lado citosólico de la membrana mitocondrial interna. d. A medida que los protones fluyen de regreso a la matriz por los poros en el complejo de la ATP sintasa, se genera ATP. 2. Transferencia de electrones de la coenzima Q al citocromo c a. La coenzima Q entrega electrones a través de centros Fe2S a los citocromos b y c1, que transfieren los electrones al citocromo c. El complejo proteínico implicado en estas transferencias se denomina complejo III, o complejo de los citocromos b-c1. También se le da el nombre de CoQ:C1 oxidorreductasa. (1) Cada uno de estos citocromos contiene hem como grupo prostético pero tiene diferentes apoproteínas. (2) En el estado férrico (Fe31), el hierro hem puede aceptar un electrón y reducirse al estado ferroso (Fe21). (3) Dado que los citocromos sólo pueden portar un electrón a la vez, dos moléculas en cada complejo de citocromo deben reducirse por cada molécula de NADH que se oxida. b. La energía producida por la transferencia de electrones de la coenzima Q al citocromo c se emplea para bombear protones a través de la membrana mitocondrial interna. c. Se genera ATP conforme los protones fluyen de regreso a la matriz a través de los poros en el complejo de la ATP sintasa. d. Los electrones del FADH2, producidos por reacciones como la oxidación de succinato a fumarato, entran en la cadena de transporte de electrones en el complejo II, el cual contiene succinato deshidrogenasa. El complejo II transferirá electrones a la coenzima Q, sin el bombeo acompañante de protones a través de la membrana mitocondrial interna (figura 5-11). 3. Transferencia de electrones del citocromo c al oxígeno a. El citocromo c transfiere electrones al complejo del citocromo aa3, el cual a su vez los transfiere a oxígeno molecular, al que reduce a agua. La citocromo oxidasa (complejo IV) cataliza esta transferencia de electrones.

162

Bioquímica, biología molecular y genética

(1) Los citocromos a y a3 contienen cada uno un hem y dos proteínas distintas con cobre. (2) Se requieren dos electrones para reducir un átomo de oxígeno; así, por cada NADH que se oxida, una mitad de O2 se convierte en H2O. b. La energía producida por la transferencia de electrones del citocromo c al oxígeno se usa para bombear protones a través de la membrana mitocondrial interna. c. Conforme los protones fluyen de regreso a la matriz, se genera ATP.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La lactoacidosis es la acumulación de ácido láctico en la sangre, de modo que el ácido excede las capacidades amortiguadores de la sangre y reduce el pH sanguíneo. Se trata de una situación potencialmente letal que requiere tratamiento rápido para devolver a la sangre su pH normal. Una causa de lactoacidosis es la hipoxia. En condiciones anaeróbicas, el ciclo de los TCA y la fosforilación oxidativa no pueden ocurrir, y la glucólisis (Capítulo 6) debe proporcionar toda la energía a la célula. Para que la glucólisis funcione de manera eficaz en ausencia de oxígeno, el NADH reduce a lactato el piruvato producido, y el lactato se ­acumula. Una deficiencia hereditaria del complejo de la piruvato deshidrogenasa también puede causar lactoacidosis, porque el piruvato no se convertiría en acetil-CoA de manera eficiente, y el exceso de piruvato se metabolizaría a lactato para permitir una glucólisis eficaz. Una mutación heredada en la piruvato carboxilasa también produciría la acumulación de piruvato, y se formaría un exceso de lactato. C. Producción de ATP 1. La producción de ATP está acoplada a la transferencia de electrones al O2 por la cadena de transporte de electrones. El proceso global se conoce como fosforilación oxidativa.

2. Los protones fluyen a favor de su gradiente electroquímico a través de la ATP sintasa unida a la membrana. El flujo de protones a través de la ATPasa permite a la enzima sintetizar ATP.

3. La cantidad exacta de ATP que se genera en este proceso no se ha establecido de manera inequívoca, pero las estimaciones actuales indican que por cada par de electrones que entra en la cadena a partir de NADH, se bombean 10 protones fuera de las mitocondrias. Dado que se requiere que cuatro protones fluyan por la ATPasa para sintetizar un ATP, pueden generarse 2.5 moles (10 dividido entre 4) de ATP a partir de 1 mol de NADH. a. Por cada mol de NADH que se oxida, 0.5 moles de O2 se reducen a H2O, y se forman alrededor de 2.5 moles de ATP. b. Por cada mol de FADH2 que se oxida, se generan cerca de 1.5 moles de ATP porque los electrones procedentes del FADH2 entran en la cadena vía la coenzima Q, lo que evita el paso de la NADH deshidrogenasa. Los electrones que entran vía el complejo II causan la extrusión de seis protones por cada par de electrones, en lugar de los 10 protones por par de electrones de partida en el complejo I. Esto se debe a que el complejo II no extruye protones cuando por él fluyen electrones.

D. Antiporte de ATP2ADP El ATP producido en las mitocondrias es transferido al citosol a cambio de ADP por una proteína de transporte presente en la membrana mitocondrial interna conocida como nucleótido de adenina translocasa (ANT, adenine nucleotide translocase). La energía para su transporte proviene del gradiente de protones, ya que el ATP tiene cuatro cargas negativas (que salen de la matriz) y el ADP ­contiene tres cargas negativas (que entran en la matriz).

E. Inhibidores del transporte de electrones y la fosforilación oxidativa 1. Agentes que actúan en componentes de la cadena de transporte de electrones a. Si existe un bloqueo en cualquier punto de la cadena de transporte de electrones, todos los portadores situados antes del bloqueo se acumularán en sus estados reducidos, mientras que los situados después del bloqueo se acumularán en sus estados oxidados. En consecuencia, no se consumirá O2, no se generará ATP, y el ciclo de los TCA se desacelerará debido a la acumulación de NADH. (1) La rotenona, un veneno para peces, forma un complejo con el complejo I y hace que se acumule NADH. No bloquea la transferencia de electrones a la cadena a partir de FADH2.

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

163

(2) Las antimicinas (antibióticos) bloquean el paso de electrones a través del complejo de los citocromos b-c1 (complejo III).

(3) El cianuro y el monóxido de carbono, agentes tóxicos de uso común en casos de suicidio, se combinan con citocromo oxidasa (complejo IV) y bloquean la transferencia de electrones al O2.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Un infarto agudo de miocardio se debe a reducción del riego sanguíneo en una región específica del corazón. Las arterias coronarias a menudo se estrechan (estenosan) a causa de placas ateroescleróticas. Si ocurren oclusiones coronarias, algunas regiones del músculo cardiaco pueden verse privadas de riego sanguíneo y, por lo tanto, de oxígeno por periodos prolongados. La falta de oxígeno inhibe los procesos de transporte electrónico y fosforilación oxidativa, que da por resultado una disminución en la producción de ATP. Se daña el músculo cardiaco o miocardio, al tener falta de la energía requerida para la contracción y el mantenimiento de la integridad de las membranas. Escapan a la sangre enzimas liberadas de las células dañadas (incluida la fracción MB de la creatina cinasa). Si el daño es relativamente ligero, es posible que la persona se recupere. Si el funcionamiento cardiaco se ve muy afectado, puede provocar la muerte. 2. Inhibidores de la síntesis de ATP a. Dado que la síntesis de ATP y el transporte de electrones están acoplados, si el complejo de la ATP sintasa es inhibido o si no se dispone de un suministro adecuado de ADP, la síntesis de ATP será inhibida, no se consumirá O2, los componentes de la cadena de transporte de electrones se acumularán en sus estados reducidos, y el ciclo de los TCA se desacelerará. b. El atractilósido inhibirá la ANT. Así, la síntesis de ATP se detendrá debido a la falta de ADP en la matriz mitocondrial. c. Agentes como diciclohexilcarbodiimida (DCCD) y oligomicina bloquean el poro protónico de la ATPasa, con lo que impiden la síntesis de ATP y bloquean la fosforilación oxidativa.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

El tratamiento del SIDA puede tener consecuencias no deseadas. La azidotimidina (AZT), que interfiere en la actividad de la transcriptasa inversa, también puede actuar como inhibidor de la DNA polimerasa mitocondrial. En estas condiciones, el tratamiento con AZT puede causar agotamiento del DNA mitocondrial, con el resultado de debilidad muscular por incapacidad de producir suficiente ATP. 3. Agentes desacopladores a. Sustancias como el dinitrofenol son ionóforos que permiten que los protones provenientes del citosol reingresen en la matriz sin pasar por el poro en el complejo de la ATP sintasa. Así, desacoplan transporte de electrones y producción de ATP. b. Los desacopladores incrementan el ritmo de consumo de O2, el transporte de electrones, el ciclo de los TCA, y la producción de CO2. c. La producción de ATP disminuye porque el gradiente protónico a través de la membrana mitocondrial interna se disipa. d. La energía generada por el aumento en el ritmo de la respiración (transporte de electrones y consumo de O2) se pierde como calor. 4. En la tabla 5-3 se presenta un resumen de los inhibidores de la cadena de transferencia de electrones y la fosforilación oxidativa.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Los trastornos de la fosforilación oxidativa exhiben diversos síntomas. Las mitocondrias contienen su propio genoma, y las mutaciones en el DNA mitocondrial pueden ocasionar enfermedad. Las principales enfermedades de este tipo se listan en la tabla 5-4. La genética de la herencia mitocondrial se expone en el Capítulo 10.

164

Bioquímica, biología molecular y genética

t a b l a

5-3

Inhibidores de la fosforilación oxidativa

Inhibidor

Sitio de inhibición

Rotenona, amital

Transferencia de electrones del complejo I a la coenzima Q

Antimicina C

Transferencia de electrones del complejo III al citocromo c

Monóxido de carbono (CO)

Transferencia de electrones del complejo IV al oxígeno

Cianuro (CN)

Transferencia de electrones a través del complejo IV al oxígeno

Atractilósido

Inhibe la ANT

Oligomicina

Inhibe el flujo de protones a través del componente F0 de la ATP sintasa

Dinitrofenol

Desacoplador; facilita la transferencia de protones a través de la membrana mitocondrial interna

Valinomicina

Ionóforo de potasio; facilita la transferencia de iones potasio a través de la membrana mitocondrial interna

VI. TOXICIDAD DEL OXÍGENO Y LESIÓN POR RADICALES LIBRES •• El oxígeno puede aceptar electrones individuales para crear radicales de oxígeno altamente reactivos. •• El oxígeno puede formar especies reactivas de oxígeno (ROS, reactive oxygen species), superóxido (O22), peróxido de hidrógeno (H2O2) y radical hidroxilo (HO·).

t a b l a

5-4

Ejemplos de enfermedades de la fosforilación oxidativa (OXPHOS) debidas a mutaciones del mtDNA

Síndrome

Síntomas característicos

Mutación del mtDNA

I. Reordenamientos del mtDNA en que se eliminan o duplican genes Síndrome de Kearns-Sayre

Inicio antes de los 20 años de edad, caracterizado por oftalmoplejía, retinitis pigmentada atípica, miopatía mitocondrial y uno de los siguientes: defecto de la conducción cardiaca, síndrome cerebeloso o proteínas del LCR elevadas.

Deleción de segmentos contiguos de tRNA y polipéptidos OXPHOS, o mutaciones de replicación consistentes en mtDNA normales dispuestos en tándem y un mtDNA con una mutación de deleción.

Síndrome de Pearson

Trastorno sistémico de la fosforilación oxidativa que afecta de manera predominante la médula ósea.

Deleción de segmentos contiguos de tRNA y polipéptidos OXPHOS, o mutaciones de replicación consistentes en mtDNA normales dispuestos en tándem y un mtDNA con una mutación de deleción.

II. Mutaciones puntuales del mtDNA en genes de tRNA o RNA ribosómico MERRF (myoclonic epilepsy and ragged red fiber disease)

tRNALys Epilepsia mioclónica progresiva, una miopatía mitocondrial con fibras rojas rasgadas y demencia de progresión lenta. Inicio de los síntomas: niñez tardía a edad adulta.

MELAS (mitochondrial myopathy, Enfermedad neurodegenerativa progresiva encephalomyopathy, lactic acido- caracterizada por episodios parecidos a evento vascular cerebral que comienzan a sis, and stroke-like episodes) ocurrir entre los 5 y 15 años de edad y una miopatía mitocondrial.

80 a 90% de las mutaciones ocurren en tRNALeu

III. Mutaciones de sentido alterado del mtDNA en polipéptidos OXPHOS Enfermedad de Leigh (encefalopatía necrosante subaguda)

Media de edad de inicio, 1.5 a 5 años; entre 7 a 20% de los casos tienen mutaciones en las subunidades F0 de la F0-F1/ATPasa. las manifestaciones clínicas están atrofia óptica, oftalmoplejía, nistagmo, anomalías respiratorias, ataxia, hipotonía, espasticidad y retraso o regresión del desarrollo.

LHON (Leber hereditary optic neuropathy)

Inicio tardío, atrofia óptica aguda.

90% de los casos en Europa y Asia resultan de mutación en la NADH deshidrogenasa.

165

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

•• Las ROS pueden generarse de manera controlada (enzimática) o de manera no controlada (no enzimática). •• Los radicales de oxígeno pueden ser letales para las células, y comienzan por dañar lípidos y proteínas. •• Las especies reactivas de nitrógeno y oxígeno (RNOS, reactive nitrogen-oxygen species) se generan durante el metabolismo, y también son letales para las células. •• La protección contra ROS y RNOS incluye enzimas, como superóxido dismutasa (SOD) y glutatión peroxidasa. •• Las vitaminas C y E protegen contra el daño por radicales.

A. Oxígeno y generación de ROS 1. El oxígeno es un birradical (contiene dos electrones individuales no apareados en distintos orbitales). 2. El oxígeno puede aceptar cuatro electrones para reducirse a agua (figura 5-12). a. b. c. d.

La adición de un electrón genera superóxido. La adición de un segundo electrón genera peróxido de hidrógeno. La adición de un tercer electrón genera agua y el radical hidroxilo. La adición del último electrón genera la segunda molécula de agua.

B. Características de las ROS 1. Los radicales libres reactivos extraen electrones de otros compuestos para completar sus propios orbitales, con lo que inician reacciones en cadena de radicales libres.

2. El radical hidroxilo es la ROS más potente. Las reacciones en cadena iniciadas por radicales hidroxilo conducen a la formación de peróxidos de lípido y radicales orgánicos.

3. El superóxido también es muy reactivo, pero su alcance es limitado por su baja solubilidad. 4. El peróxido de hidrógeno no es un radical, pero genera radicales hidroxilo con facilidad a través de interacciones con metales de transición, como hierro (12) y cobre (11).

5. Las RNOS derivan principalmente del radical libre óxido nítrico (NO, nitric oxid), que se combina con oxígeno o superóxido para producir más RNOS (tabla 5-5).

C. Principales fuentes de ROS primarios en la célula 1. La coenzima Q genera superóxido como subproducto de la cadena de transporte de electrones (figura 5-13).

2. Oxidasas, oxigenasas y peroxidasas O2

Oxígeno e– O2 –

Superóxido e–, 2H+ H2O2

Peróxido de hidrógeno e–, H+ H2O + OH•

Radical hidroxilo

FIGURA 5-12. Reducción del oxígeno en cuatro pasos de un electrón cada uno. El peróxido de hidrógeno, la forma semirreducida del oxígeno, ha aceptado dos electrones y por tanto no es un radical de oxígeno.

e–, H+ H 2O

166

Bioquímica, biología molecular y genética Especies reactivas de oxígeno (ROS) y especies reactivas de nitrógeno y oxígeno (RNOS)

5-5

t a b l a Especie reactiva

Propiedades

O2 anión superóxido

Producido por la cadena de transporte de electrones y en otros sitios. No puede difundirse lejos del sitio de origen. Genera otras ROS.

H2O2, peróxido de hidrógeno

No es un radical libre, pero puede generarlos por reacción con un metal de transición (p. ej., Fe21). Puede difundirse al interior de las membranas celulares y a través de ellas.

OH•, radical hidroxilo

La especie más reactiva al atacar moléculas biológicas. Se produce a partir de H2O2 en la reacción de Fenton en presencia de Fe21 o Cu1.

RO•, R•, R-S, radicales orgánicos

Radicales libres orgánicos (R denota el resto del compuesto). Se producen a partir de ROH, RH (p. ej., en el carbono de un doble enlace en un ácido graso), o en el ataque de RSH OH•.

RCOO•, radical peroxilo

Radical peroxilo orgánico, como el que se forma durante la degradación de lípidos (también se representa como LOO•).

HOCl, ácido hipocloroso

Se produce en los neutrófilos durante la explosión respiratoria para destruir microorganismos invasores. Ejerce sus efectos tóxicos por reacciones de halogenación y oxidación. La especie atacante es OCl2.

O2↓↑, oxígeno singlete

Oxígeno con espins antiparalelos. Se produce a altas presiones parciales de oxígeno por absorción de rayos UV. Se desintegra tan rápido que probablemente no es una fuente de efectos tóxicos significativos in vivo.

NO, óxido nítrico

RNOS. Radical libre producido de manera endógena por la óxido nítrico sintasa. Se une a iones metálicos. Se combina con O2 u otros radicales que contienen oxígeno para producir más RNOS.

ONOO2, peroxinitrito

RNOS. Agente oxidante fuerte que no es un radical libre. Puede generar NO2 (dióxido de nitrógeno), que sí es un radical.

2,

a. La mayoría de las oxidasas celulares se unen a oxígeno y transfieren electrones individuales al oxígeno vía un cofactor metálico. Accidentalmente pueden liberarse intermediarios radicales libres de estas reacciones. b. Las enzimas del citocromo P450 son una fuente importante de radicales libres que escapan de las reacciones. (1) Las enzimas del citocromo P450 intentan destoxificar xenobióticos solubilizándolos mediante reacciones de oxidación. (2) La inducción de enzimas del citocromo P450 por alcohol, fármacos o productos químicos causa un aumento en la generación de radicales libres y daño celular. c. Se generan enzimáticamente peróxido de hidrógeno y peróxidos de lípido como productos de reacción en peroxisomas, mitocondrias y retículo endoplásmico. 3. La radiación ionizante tiene suficiente energía para romper las moléculas de agua en radicales hidroxilo e hidrógeno, con el resultado de lesiones cutáneas por radiación, alteraciones de bases en el DNA, cáncer y muerte celular. NAD+

NADH

NADH deshidrogenasa

FMN/Fe–S

O2 O2

CoQH•

CoQ

–

Fe–S Citocromo b–c1, Fe-H Fe-H c O2 H 2O

Fe-H–Cu Citocromo aa3

FIGURA 5-13. Generación de superóxido por la coenzima Q en la cadena de transporte de electrones. En el proceso de transportar electrones al oxígeno, algunos escapan cuando CoQH• inteactúa por accidente con oxígeno para formar superóxido. Fe2H representa el centro Fe2hem de los citocromos.

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

Enzimas respiratorias

Daño proteínico

Daño de la membrana

Daño del DNA

167

Daño mitocondrial

SER RER

Núcleo (DNA)

DNA

–

O2 OH•

H2O

Na+

Ca2+

Tumefacción celular Aumento de la permeabilidad Influjo masivo de Ca2+

Peroxidación lipídica FIGURA 5-14. Lesión celular mediada por radicales libres. El superóxido y el radical hidroxilo inician la peroxidación lipídica en las membranas citoplásmica, mitocondrial, nuclear y del retículo endoplásmico. El aumento de la permeabilidad celular da por resultado el influjo de calcio, que causa más daño mitocondrial. Los grupos sulfhidrilo de la cisteína y otros aminoácidos de las proteínas se oxidan y degradan. El DNA nuclear y mitocondrial puede oxidarse, de lo que resultan roturas de cadena y otros tipos de daño. Las RNOS tienen efectos similares.

D. Reacciones de ROS con componentes celulares (figura 5-14) 1. Las reacciones en cadena que forman radicales libres lipídicos y peróxidos de lípido en las membranas constituyen una considerable proporción de las lesiones inducidas por ROS. Causan daños a las membranas de todos los organelos. 2. En las proteínas, los aminoácidos prolina, histidina, arginina, cisteína y metionina son susceptibles a ataque mediado por hidroxilo y daño oxidativo. Esto puede causar fragmentación, formación de enlaces cruzados, formación de agregados y pérdida de actividad de las proteínas. 3. Los radicales libres derivados de oxígeno también son una fuente importante de daño del DNA, como alteraciones de bases o roturas de una o dos cadenas en el esqueleto carbonado.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La degeneración macular relacionada con la edad es una causa importante de ceguera, y se debe a daño oxidativo crónico del epitelio pigmentado de la retina, de modo que el cerebro ya no es capaz de procesar la luz correctamente.

E. Óxido nítrico y especies reactivas de nitrógeno y oxígeno 1. La óxido nítrico sintasa produce óxido nítrico (NO), que es un radical libre. El NO, si bien es un importante segundo mensajero en diversos procesos fisiológicos, también puede ser tóxico. a. El NO puede tener efectos tóxicos directos al combinarse con compuestos que contengan hierro, que también tienen electrones no apareados. b. Cuando el NO se encuentra en altas concentraciones, puede inducir la formación de otras RNOS peligrosas. 2. Algunas RNOS son peroxinitrito (formada por NO y superóxido), ácido peroxinitroso, dióxido de nitrógeno y ion nitronio, todos los cuales pueden dañar e inactivar proteínas.

168

Bioquímica, biología molecular y genética

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Las píldoras de nitroglicerina se usan contra la angina de pecho porque la nitroglicerina se descompone en NO, un potente vasodilatador. La vasodilatación incrementa el riego sanguíneo cardiaco y reduce el dolor.

F. Formación de radicales libres durante fagocitosis e inflamación 1. En respuesta a agentes infecciosos y otros estímulos, las células fagocíticas del sistema inmunitario consumen oxígeno con rapidez, lo que se denomina explosión respiratoria.

2. La explosión respiratoria genera ROS, ácido hipercloroso (HOCl) y RNOS a fin de destruir los materiales fagocitados. a. La NADPH oxidasa cataliza la formación de superóxido a partir de oxígeno y NADPH (figura 5-15). El superóxido generado se libera dentro del fagolisosoma y se convierte en otras ROS. b. La mieloperoxidasa genera ácido hipocloroso (HOCl), un potente oxidante que destruye el contenido del fagosoma. c. Cuando los neutrófilos humanos se activan para producir NO, también se activa la NADPH oxidasa, y la combinación de NO y superóxido genera RNOS.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La enfermedad granulomatosa crónica puede deberse a defectos genéticos en la NADPH oxidasa. Una NADPH oxidasa defectuosa significa que la producción de superóxido durante la explosión respiratoria se ve muy afectada, y el paciente exhibe mayor susceptibilidad a infecciones bacterianas y micóticas. También ocurre desregulación de las respuestas inflamatorias normales.

G. Defensas celulares contra los efectos tóxicos del oxígeno (figura 5-16) 1. Enzimas depuradoras antioxidantes a. La SOD produce peróxido de hidrógeno y oxígeno a partir de dos moléculas de superóxido. Se encuentra en las mitocondrias.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La esclerosis lateral amiotrófica (ELA, enfermedad de Lou Gehrig) tiene varias causas. Una forma de ELA es familiar (hereditaria) y el defecto genético se ha rastreado hasta una forma de SOD. Esto sugiere que el daño oxidativo crónico con el tiempo causará falla muscular.

NADPH

O2

1

NADPH oxidasa

NADP+

NO

H2O2

3

iNOS

5

2

Bacteria HOCl

–

O2

Cl–

mieloperoxidasa

6

Fe2+ Fe3+

4

OH•

ONOO– Bacteria

Invaginación de la membrana citoplásmica del neutrófilo

FIGURA 5-15. Producción de ROS durante la explisión fagocítica por neutrófilos activados. (1) generación de superóxido por NADPH oxidasa. (2) a (6) conversión de superóxido en otras ROS (y RNOS). El resultado es el ataque de las membranas y otros componentes de las células fagocitadas y la ulterior lisis.

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

169

Secuestro de Fe Hemosiderina catalasa

SOD

Compartimentalización

H2O2 Peroxisomas

Ferritina

Citoplasma –

O2

Mitocondria

Bicapa lipídica Vitamina E + de todas las membranas celulares β-caroteno

GSH SOD glutatión peroxidasa

SOD + glutatión peroxidasa + GSH

FIGURA 5-16. Compartimentalización de las defensas contra los radicales libres. El sitio de las enzimas de defensa contra radicales libres (en verde) concuerda con el tipo y cantidad de ROS generadas en cada compartimiento subcelular ulterior. Otra forma de compartimentalización implica el secuestro de hierro, que se almacena como hierro movilizable en la ferritina. El exceso de hierro se almacena en depósitos de hemosiderina no movilizables. El glutatión (GSH) es un antioxidante no enzimático.

b. La catalasa convierte dos moléculas de peróxido de hidrógeno en dos moléculas de agua y oxígeno molecular. La catalasa se encuentra en peroxisomas y células que utilizan una explosión respiratoria. c. La glutatión peroxidasa y la glutatión reductasa utilizan el tripéptido protector glutatión (-glutamilcisteína-glicina) como protección contra el daño oxidativo. (1) La glutatión peroxidasa emplea dos moléculas de GSH reducido, más peróxido de hidrógeno, para generar glutatión oxidado (GSSG) y dos moléculas de agua. Esta enzima requiere el metal selenio y es la causa de la mayor parte del requerimiento diario de selenio en los alimentos. (2) La glutatión reductasa reduce el GSSG a glutatión reducido (GSH) usando NADPH como fuente de electrones. 2. Antioxidantes no enzimáticos (depuradores de radicales libres) a. Vitamina E, que se adquiere en las fracciones lipídicas de alimentos como hígado, yema de huevo y cereales. b. Vitamina C (ácido ascórbico). c. Carotenoides (derivados del -caroteno). d. Flavonoides, que se adquieren de vino tinto, té verde y chocolate.

Autoevaluación Las preguntas 1 a 10 examinan el conocimiento básico del lector acerca de la bioquímica y no tienen el formato estándar de viñeta clínica.

3.  De la energía total disponible a partir de la oxi-

Las preguntas 11 a 35 tienen relevancia clínica y el estilo USMLE.

(A) (B) (C) (D) (E)

Preguntas de conocimiento básico Consulte la siguiente ecuación al responder las preguntas 1 y 2. Considérese la reacción catalizada por la fumarasa: fumarato 1 H2O  malato

1.  Cuando se mide en ausencia de fumarasa, el ΔG°’ para esta reacción es de 0 kcal/mol (descuidando cualquiera de los términos relacionados con H2O). La constante de equilibrio para esta reacción sería por lo tanto:

(A) (B) (C) (D) (E)

0 0.5 1.0 10.0 50.0

dación de acetato, ¿cuál porcentaje se transfiere vía el ciclo de los TCA a NADH, FADH2 y GTP? 38% 42% 81% 86% 100%

4.  ¿Cuál porcentaje de la energía disponible a partir de la oxidación de acetato se convierte en ATP? (A) (B) (C) (D) (E)

3% 30% 40% 85% 100%

2.  Se agrega fumarasa a una solución que

5.  Una mutación hace que la concentración celular de una enzima aumente 100 veces en una reacción bioquímica. Por lo tanto, la constante de equilibrio para la reacción catalizada por la enzima cambiaría de la siguiente manera:

inicialmente contenía 20 μM de fumarato. Después de que se establece el equilibrio, la concentración de malato es:

(A) Disminuiría a la mitad (B) Permanecería igual (C) Aumentaría de manera proporcional con

(A) (B) (C) (D) (E)

la concentración de la enzima

2 μM 5 μM 10 μM 20 μM 50 μM

(D) Cambiaría de manera inversamente proporcional con la concentración de la enzima

(E) Disminuiría en un factor de 100

Para responder las preguntas 3 y 4 consulte las siguientes reacciones y los valores relacionados. ΔG°’ aproximado (kcal/mol)

Reacción Acetato 1 2 O2 → 2 CO2 1 2 H2O

2243

NAD1

253

FADH2 1 ½ O2 → FAD 1 H2O

241

NADH 1 1 H2O

H1

1 ½ O2 →

GTP → GDP 1 Pi

28

ATP → ADP 1 Pi

28

6.  Considere la sección sobre el ciclo de los TCA en la que el isocitrato se convierte en fumarato. Este segmento del ciclo de los TCA puede describirse mejor como sigue: (A) Estas reacciones rinden 5 mol de enla(B) (C) (D) (E)

170

ces fosfato de alta energía por mol de isocitrato Estas reacciones requieren una coenzima sintetizada en el ser humano a partir de niacina (nicotinamida) Estas reacciones son catalizadas por enzimas que sólo se encuentran en la membrana mitocondrial Estas reacciones producen 1 mol de CO2 por cada mol de isocitrato oxidado Se requiere GTP para impulsar una de las reacciones

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

7.  En el ciclo de los TCA, una función del pirofosfato de tiamina es: (A) Aceptar electrones provenientes de la oxi(B) (C) (D) (E)

dación de piruvato y -cetoglutarato Aceptar electrones provenientes de la oxidación de isocitrato Formar un intermediario covalente con el  carbono del -cetoglutarato Formar un tioéster con el grupo sulfhidrilo de CoASH Formar un tioéster con el grupo sulfhidrilo del ácido lipoico

8.  ¿Cuál de las siguientes es una propiedad de la piruvato deshidrogenasa? (A) La enzima contiene sólo una cadena polipeptídica

(B) La enzima requiere pirofosfato de tiamina como cofactor

(C) La enzima produce oxaloacetato a partir de piruvato

(D) La enzima es convertida en una forma activa por fosforilación (E) La enzima se activa cuando las concentraciones de NADH aumentan

9.  ¿Cuál de los siguientes componentes de la cadena de transporte de electrones sólo acepta electrones, y no los dona?

(A) (B) (C) (D) (E)

Citocromo b Oxígeno Coenzima Q FMN Citocromo c1

10.  ¿Cuál de los siguientes tejidos del ojo depende casi exclusivamente del metabolismo anaeróbico en lugar del ciclo de los TCA/transporte de electrones?

(A) (B) (C) (D) (E)

Córnea Cristalino Músculo ciliar Retina Todos los tejidos del ojo usan de manera exclusiva la glucólisis anaeróbica como fuente de energía

Preguntas estilo USMLE Las preguntas 11 y 12 se basan en el paciente que sigue: Una mujer de 43 años de edad se sometió a una dieta de toronja y papas por varios meses en un esfuerzo por perder peso. Ahora refiere un exantema que cubre la mayor parte del cuerpo,

171

lengua grande y carnosa, náusea y diarrea, y algo de confusión.

11.  ¿Cuál de los siguientes cofactores o complejos enzimáticos sería el más afectado por este trastorno? (A) (B) (C) (D)

Concentración of NAD1 Concentración de FAD Concentración de coenzima Q Funcionamiento de los componentes FMN del complejo I (E) Funcionamiento de los componentes del complejo III que contienen citocromo

12.  Para revertir los síntomas descritos en la paciente, debe recomendarse una dieta rica en:

(A) (B) (C) (D) (E)

Hortalizas de hoja verde Granos enteros y carne Frutos cítricos Naranja y hortalizas amarillas Pastel de chocolate

Las preguntas 13 y 14 se basan en el caso que sigue: Un alcohólico acude al médico con tumefacción y fisuras de los labios, agrietamiento de las comisuras de la boca, enrojecimiento ocular y un exantema escamoso y aceitoso del escroto.

13.  ¿Cuál de los siguientes cofactores de complejos enzimáticos sería el más afectado por este trastorno? (A) (B) (C) (D)

Concentración de NAD1 Concentración de NADP1 Concentración de coenzima Q Funcionamiento de los componentes FMN del complejo I (E) Funcionamiento de los componentes del complejo III que contienen citocromo

14.  ¿Cuál de los alimentos que siguen ayudaría más a revertir los síntomas descritos en el paciente? (A) (B) (C) (D) (E)

Brócoli Zanahorias Toronjas Trigo Pastel de chocolate

15.  Un bombero es llevado al servicio de urgencias (SU) desde un incendio. Refiere c­ efalea, debilidad, confusión y dificultad para respirar. Tiene la piel y las membranas mucosas de color rosado o rojo intensos. La causa de estos síntomas inhibe el transporte

172

Bioquímica, biología molecular y genética

de electrones y la fosforilación oxidativa por el siguiente mecanismo:

(A) Desacoplamiento de transporte de electro(B) (C) (D) (E)

nes y fosforilación Combinación con NADH deshidrogenasa Combinación con citocromo oxidasa Inhibición del suministro adecuado de ADP Combinación con coenzima Q

16.  Una paciente se somete a una apendectomía con anestesia general (succinilcolina y un anestésico inhable) cuando comienza a presentar rigidez muscular, taquicardia e hipertermia. ¿Cuál de los siguientes enunciados describe mejor el mecanismo de este proceso? (A) Desacoplamiento de transporte de electro(B) (C) (D) (E)

nes y fosforilación Inhibición de la NADH deshidrogenasa Inhibición de la citocromo oxidasa Inhibición del suministro adecuado de ADP Combinación con coenzima Q

17.  Un paciente se encuentra en choque septicémico y presenta perfusión y oxígenación deficientes de los tejidos. El principal producto final del metabolismo de la glucosa en estos tejidos será la acumulación de:

(A) (B) (C) (D) (E)

Piruvato Acetil-CoA Lactato Urea Citrato

(D) Riñón (E) Corazón 19.  La metformina es el medicamento oral estándar de primera línea para la diabetes tipo 2. El uso de este fármaco tiene como efecto secundario potencial lactoacidosis. ¿Cuál de los siguientes enunciados explica por qué esta acumulación de ácido láctico se observa rara vez en la clínica?

(A) Los eritrocitos utilizan el lactato como combustible

(B) Las células renales utilizan el lactato como combustible

(C) Las células miocárdicas utilizan el lactato como combustible

(D) Los grupos de músculos voluntarios grandes utilizan el lactato como combustible

(E) El lactato entra directamente en el ciclo de los TCA para ser oxidado

20.  ¿En cuál de los siguientes escenarios un paciente con diabetes tipo 2 que usa metformina para el control de la glucemia debe recibir el consejo de suspender el fármaco debido a un mayor riesgo de lactoacidosis?

(A) Anemia grave (B) Pielonefritis incipiente (C) Pérdida grave de tejido cardiaco por infarto de miocardio

(D) Desgarro grave del músculo cuadríceps (E) Aumento de peso considerable

18.  ¿Cuál de los siguientes tipos celulares no puede utilizar el ciclo de los TCA ni la cadena de transporte de electrones?

(A) Encéfalo (B) Eritrocitos (C) Hígado

21.  La ROS más potente es: (A) Peróxido de hidrógeno (B) Superóxido (C) Radical hidroxilo (D) Óxido nítrico (E) Coenzima Q

22.  Al consultar fuentes de Internet, un paciente diseñó su propio plan dietético en un intento de prevenir la degeneración macular. Cada mañana desayunaba huevos tibios, jugo de naranja y zanahoria, y vino tinto. ¿Cuál de los componentes de su dieta podría protegerlo en efecto contra la degeneración macular? Carotenoides

Flavonoides

Vitamina C

Vitamina D

Vitamina E

A

Sí

Sí

Sí

No

Sí

B

Sí

No

Sí

Sí

Sí

C

Sí

Sí

No

No

Sí

D

No

No

No

Sí

Sí

E

No

Sí

No

No

No

F

No

No

Sí

Sí

No

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

23.  ¿Cuál de los siguientes fármacos admi-

del contenido mitocondrial también demuestra valores elevados de -cetoglutarato en las células tratadas con el fármaco. El medicamento podría interferir en una reacción que requiere la vitamina:

nistrados a largo plazo podría inducir una respuesta fisiológica que podría ser una fuente importante de radicales libres?

(A) (B) (C) (D) (E)

Ciprofloxacino Isoniazida Cimetidina Cetoconazol Ninguno de estos fármacos tiene el potencial de incrementar la formación de radicales libres.

(A) (B) (C) (D) (E)

sivo, en el cual los concursantes deben sobrevivir en un sitio aislado por un lapso prolongado, presenta diarrea recurrente, dermatitis y dificultad para recordar. Estos síntomas podrían deberse a la falta de lo siguiente: Niacina Tiamina Riboflavina Vitamina C Vitamina D

(A) (B) (C) (D) (E)

25.  Un alcohólico crónico de 40 años de edad es hospitalizado a causa de diversos síntomas, como pérdida de la sensibilidad en manos y pies, nistagmo y problemas de equilibrio al caminar. Este paciente podría tener dificultad con la reacción catalizada por:

(A) (B) (C) (D) (E)

Biotina Vitamina K Pantotenato Ascorbato Piridoxina

27.  Un hombre acude al SU con temperatura elevada, sudoración y aumento de la frecuencia respiratoria. Estaba rociando insecticida e inhaló por accidente algo de la sustancia. Se administró el insecticida a células cultivadas, y se demostró que el ritmo de consumo de oxígeno por las células era mucho mayor que en ausencia del compuesto. Muy probablemente la sustancia actúa de modo parecido a como lo hace la siguiente:

24.  Un participante de un reality show televi-

(A) (B) (C) (D) (E)

173

Dintrofenol Cianuro Monóxido de carbono Rotenona Atractilósido

28.  Una paciente que tiene un ataque cardiaco es llevada al SU. Una placa ateroesclerótica bloqueó una arteria coronaria importante, lo que impidió el acceso de la sangre a una zona del corazón. Como resultado, en las células del miocardio afectadas hubo un incremento de:

-Cetoglutarato deshidrogenasa Succinato deshidrogenasa Fumarasa Malato deshidrogenasa Piruvato carboxilasa

(A) Ritmo de producción de CO2 (B) Velocidad de la cadena de transporte de electrones

26.  Un científico desarrolló un farmaco el cual,

(C) Concentración de ADP (D) Gradiente de protones a través de la mem-

cuando se suministra a células eucarióticas, eleva la concentración de lactato. Un análisis

(E) Rapidez de consumo de O2

brana mitocondrial interna

29.  Un científico realiza un experimento con mitocondrias aisladas en una solución amortiguada, en presencia de ADP. En el tiempo 5 0, se agregan oxígeno y succinato a la suspensión mitocondrial, y se mide el consumo de oxígeno en función del tiempo. En distintos momentos después de iniciar el experimento (los tiempos 1, 2, 3 y 4 en la figura), se agregan a la solución diferentes sustancias.

Consumo de oxígeno

4

2 1 0 Tiempo

3

174

Bioquímica, biología molecular y genética

¿Cuáles son las sustancias que se agregan en los tiempos 1, 2, 3 y 4? Tiempo 1

Tiempo 2

Tiempo 3

Tiempo 4

A

Antimicina

Oligomicina

Cianuro

Monóxido de carbono

B

Antimicina

Cianuro

Dinitrofenol

Oligomicina

C

Rotenona

Oligomicina

Dinitrofenol

Cianuro

D

Rotenona

Dinitrofenol

Oligomicina

Monóxido de carbono

E

Dinitrofenol

Rotenona

Oligomicina

Cianuro

F

Dinitrofenol

Cianuro

Oligomicina

Dinitrofenol

30.  Un hombre de 52 años de edad se colapsa de repente en el trabajo, y algunos compañeros le administran RCP mientras llega la ambulancia. Al llegar al hospital, el análisis de sangre muestra aumento de la concentración de troponina I. Se administra un activador de plasminógeno tisular, pero este tratamiento causa más daño al órgano afectado. La causa puede ser:

(A) Liberación de citocromo a desde las (B) (C) (D) (E)

mitocondrias Aumento de la generación de radicales de oxígeno Concentración elevada de ácido láctico Inhibición del ciclo de los TCA por la administración de un activador de plasminógeno tisular Desacoplamiento de oxidación y fosforilación

31.  Un hombre de 23 años de edad resultó ser VIH positivo en estudios realizados tres años antes. Ha recibido diversos fármacos contra ese virus desde entonces, incluida AZT, junto con algunos compuestos didesoxi e inhibidores de proteasa de VIH. Hace poco comenzó a experimentar debilidad muscular, hasta el punto en que tuvo dificultad para caminar. Esta complicación se debe a:

(A) Inhibición de la RNA polimerasa nuclear

(D) (E) (F)

(A) Conversión de peróxido de hidrógeno en radicales hidroxilo

(B) Conversión de superóxido en peróxido de hidrógeno y oxígeno

(C) Conversión de glutatión oxidado en glutatión reducido

(D) Formación de ácido clorhídrico (E) Formación de superóxido 33.  Un hombre de 42 años de edad ha experimentado calambres y rigidez musculares, junto con debilidad muscular grave en la pierna izquierda. Con el tiempo la debilidad muscular ha empeorado, su habla se ha hecho farfullante y debe usar una silla de ruedas para desplazarse. Presenta dificultad para deglutir, y se le dijo que le quedan menos de dos años de vida. Los antecedentes familiares indican que el padre del paciente comenzó a experimentar debilidad muscular leve antes de morir en un accidente automovilístico. Los síntomas del paciente pueden explicarse mejor al nivel molecular como sigue:

por la AZT

(A) Aumento de la actividad del NADPH

por la AZT Inhibición de la RNA polimerasa mitocondrial por la AZT Inhibición de la DNA polimerasa mitocondrial por la AZT Desacoplamiento de la fosforilación oxidativa por la AZT Liberación de citocromo c de las mitocondrias inducida por AZT

(B) Aumento de la actividad de catalasa (C) Concentraciones elevadas de peróxido de

(B) Inhibición de la DNA polimerasa nuclear (C)

náusea, vómito y dolor abdominal. Recibió antibióticos profilácticos el año pasado, pero aún contrae diversos tipos de infecciones, tanto bacterianas como micóticas. La exploración física revela hepatoesplenomegalia. Muy probablemente el niño heredó una mutación que impide la siguiente reacción:

32.  Un niño de cuatro años de edad tiene el antecedente de infecciones cutáneas, neumonía,

oxidasa

hidrógeno

(D) Concentraciones elevadas de superóxido (E) Disminución de la actividad de glutatión peroxidasa

(F) Disminución de la actividad de mieloperoxidasa

34.  Un corredor de fondo se entrena, y como parte de su preparación debe correr múltiples tramos de 800 m para incrementar su potencia.

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno La generación de energía por el ciclo de los TCA mejora en estas condiciones debido a:

(A) Activación alostérica de isocitrato deshidrogenasa por aumento del NADH

(B) Activación alostérica de fumarasa por aumento del ADP

(C) Disminución rápida de la concentración de intermediarios de 4-carbonos (D) Inhibición por producto de la citrato sintasa (E) Estimulación del flujo a través de varias enzimas por disminución del cociente NADH/NAD1

175

35.  Un hombre es llevado al SU porque ingirió un insecticida. Su frecuencia respiratoria es muy baja. El Poison Control Center indica que este insecticida específico se une al citocromo c y lo inhibe por completo. Por lo tanto, ¿qué ocurrirá en las mitocondrias de este paciente?

(A) La coenzima Q estará en el estado oxidado (B) Los citocromos a y a3 estarán en el estado reducido

(C) La tasa de síntesis de ATP será de aproximadamente cero

(D) La tasa de producción de CO2 aumentará (E) La tasa de consumo de oxígeno aumentará

Respuestas 1. La respuesta es C. Si ΔG°’  0, entonces 2RT ln Keq 5 0, dado que ΔG°’ 5 2RT ln Keq. Para que 2RT ln Keq sea igual a 0, ln Keq debe ser 0, lo cual significa que Keq 5 1 (el logaritmo natural de 1 5 0). 2. La respuesta es C. A partir de la respuesta a la pregunta 1, se sabe que Keq 5 1 5 [Malato]/[Fumarato] 5 X/(20 2 X). Así, (20 2 X) 5 X, 20 5 2X, y X 5 10 μM. 3. La respuesta es D. En el ciclo de los TCA, cada vuelta del ciclo produce 3 NADH, 1 FADH2 y 1 GTP. Cada NADH libera 53 kcal/mol; por lo tanto, los 3 NADH rinden 159 kcal/mol de energía. El FADH2 libera 41 kcal/mol, y el GTP, 8 kcal/mol. La energía capturada es 159 1 41 1 8, o 208 kcal/mol. La energía total disponible es 243 kcal/mol, de modo que la fracción de energía capturada es 208/243, u 86%. 4. La respuesta es B. Se producen unos 10 ATP (7.5 de NADH, 1.5 de FADH2, y 1 de GTP) en el ciclo de los TCA (10 3 8 kcal 5 80 kcal). El porcentaje de la energía total disponible a partir de la oxidación de acetato que se convierte en ATP es 80/243, o 33%. 5. La respuesta es B. Una enzima incrementa la rapidez con que una reacción alcanza el equilibrio pero no cambia la concentración de los reactivos y productos en equilibrio; es decir, la Keq no es afectada por la enzima, por lo que un cambio en la concentración de la enzima no tendrá efecto en la Keq. 6. La respuesta es B. En la conversión de isocitrato a fumarato, se producen 2 CO2, 2 NADH (que contiene niacina), 1 GTP y 1 FADH2. Se generan un total de alrededor de 7.5 ATP. Las enzimas para estas reacciones se encuentran todas en la matriz mitocondrial excepto la succinato deshidrogenasa, que es una proteína de la membrana mitocondrial interna. No se requiere GTP en ninguna de las reacciones, sino que se produce en la conversión de succinil-CoA a succinato. 7. La respuesta es C. El pirofosfato de tiamina interviene en la formación y ruptura de enlaces carbonocarbono. Es un cofactor necesario para las reacciones de descarboxilación oxidativa, en las cuales se rompe un enlace carbono-carbono y se libera dióxido de carbono. En términos mecanísticos, el pirofosfato de tiamina forma un intermediario covalente con el  carbono de un sustrato -cetoácido, el cual, en el ciclo de los TCA, es un -cetoglutarato. El pirofosfato de tiamina no interviene en reacciones redox ni en la formación de tioésteres. 8. La respuesta es B. La piruvato deshidrogenasa convierte piruvato en acetil-CoA. Contiene múltiples subunidades: un componente deshidrogenasa que somete el piruvato a descarboxilación oxidativa, una dihidrolipoil-transacetilasa que transfiere el grupo acetilo a la coenzima A, y una dihidrolipoildeshidrogenasa que reoxida el ácido lipoico. Pirofosfato de tiamina, ácido lipoico, coenzima A, NAD1 y FAD sirven como cofactores para estas reacciones. Además, está presente una cinasa que fosforila e inactiva el componente descarboxilasa. Acetil-CoA y NADH activan esta cinasa, con lo que desactivan la piruvato deshidrogenasa. Una fosfatasa desfosforila la subunidad descarboxilasa, con lo que reactiva la piruvato deshidrogenasa. 9. La respuesta es B. En condiciones fisiológicas, el oxígeno es el receptor terminal de electrones en la cadena de transporte de electrones, y el agua no donará electrones a otros sustratos para regenerar oxígeno. Los citocromos, FMN y coenzima Q aceptan y donan electrones durante el flujo electrónico a través de la cadena de transporte de electrones. 10. La respuesta es B. El metabolismo aeróbico requiere un suministro de O2. El oxígeno suele obtenerse de la sangre, que circula por los vasos sanguíneos. Sin embargo, el tejido transparente no puede tener una red extensa de vasos sanguíneos, dado que éstos crearían opacidades que bloquearían la transmisión de la luz. La córnea está expuesta a la atmósfera y obtiene oxígeno por difusión del aire. El cristalino no tiene capilares y no está expuesto al aire, por lo que utiliza el metabolismo anaeróbico. La glucosa y el lactato se difunden desde y hacia el humor acuoso y el vítreo. El músculo ciliar y la retina tienen extensos sistemas de vasos sanguíneos, y pueden realizar la fosforilación oxidativa a fin de generar energía.

176

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

177

11. La respuesta es A. Esta paciente tiene los síntomas clásicos de la pelagra, una deficiencia de vitamina B3 (niacina). El NAD1 proviene de la niacina. La pelagra causa las cuatro D: dermatitis, demencia, diarrea y defunción. La riboflavina es el precursor tanto de FAD como de FMN. La coenzima Q se sintetiza a partir de acetil-CoA, y su concentración no sería tan afectada como la de NAD1. El hem se sintetiza a partir de succinil-CoA y glicina, y una reducción en los valores de hem causaría anemia y no los síntomas descritos para esta paciente.

12. La respuesta es B. Si bien las hortalizas de hoja verde son ricas en otras vitaminas del complejo B, granos enteros, carnes, pescados e hígado son las mejores fuentes de niacina. Los cítricos son ricos en vitamina C. Las hortalizas anaranjadas y amarillas son ricas en vitamina A. El pastel de chocolate abunda en flavonoides (que son antioxidantes), grasas y carbohidratos.

13. La respuesta es D. Este paciente tiene deficiencia de vitamina B2 (riboflavina), o arriboflavinosis,

como lo indican los síntomas. Tanto la producción de FAD como la de FMN requieren vitamina B2. El NAD1 y el NADP1 derivan de niacina. La coenzima Q proviene de la acetil-CoA, y la vitamina B2 no es necesaria para la síntesis del anillo hem, que deriva de succinil-CoA y glicina.

14. La respuesta es A. Hortalizas de color verde oscuro (en especial el brócoli), carnes y productos lácteos son todos ricos en riboflavina. Las zanahorias tienen alto contenido de vitamina A, las toronjas, de vitamina C y los granos enteros de niacina. El pastel de chocolate es rico en flavonoides (que son antioxidantes), grasas y carbohidratos.

15. La respuesta es C. Los síntomas experimentados por el bombero podrían ser causados por cianuro o monóxido de carbono, los cuales inhiben la citocromo c oxidasa. Tanto el monóxido de carbono como el cianuro son subproductos de la oxidación de combustibles, y se generan en los incendios. Es más probable el bombero inhaló humo que contenía uno de esos compuestos o ambos. Los dos bloquean la reducción de oxígeno a agua, con lo que detienen la cadena de transferencia de electrones y la fosforilación oxidativa. Ninguno de ellos es un desacoplador, ni bloquea la ANT (de modo que la concentración de ADP no disminuirá). La rotenona, un veneno para peces, forma complejos con la NADH deshidrogenasa (complejo I) para inhibir el flujo de electrones del complejo I a la coenzima Q. Ni el cianuro ni el monóxido de carbono se unirán a la coenzima Q y bloqueará su capacidad de aceptar o donar electrones.

16. La respuesta es A. La paciente experimenta hipertermia maligna, que es similar en sus síntomas al desacoplamiento de la cadena de transferencia de electrones y la síntesis de ATP. La succinilcolina y varios anestésicos inhalables pueden actuar como desacopladores del transporte de electrones en individuos susceptibles. La inhibición del complejo I (NADH deshidrogenasa), o de la citocromo oxidasa, bloquearía tanto el flujo de electrones como la síntesis de ATP, y no se producirían rigidez muscular ni hipertermia. Lo mismo ocurriría si se impidiera que la coenzima Q aceptara y donara electrones. Un desacoplador no causará una disminución de la concentración de ADP, dado que el ATP no puede sintetizarse en esas condiciones, y se esperaría que los valores de ADP aumentaran.

17. La respuesta es C. Sin oxígeno, no es posible el metabolismo aeróbico, de modo que la cadena de transferencia de electrones se detendrá (sin oxígeno, la citocromo oxidasa no puede retirar electrones de la cadena para reducir oxígeno a agua). La síntesis de ATP en las mitocondrias se detendrá debido al acoplamiento de oxidación y fosforilación. El ciclo de los TCA se detendrá por la acumulación de NADH en las mitocondrias (como la cadena de transferencia de electrones está completamente reducida a causa de la falta de oxígeno, el NADH no puede donar electrones a un complejo I reducido), y el NADH inhibe enzimas clave del ciclo de los TCA. Sin embargo, los tejidos aún necesitan energía, por lo que usan la glucólisis anaeróbica para generar ATP. El producto final, piruvato, se convierte en lactato para regenerar NAD1 de modo que la glucólisis pueda continuar. La acumulación de lactato (que es un callejón sin salida metabólico) puede causar lactoacidosis en el paciente.

18. La respuesta es B. La respiración celular ocurre en las mitocondrias. Los eritrocitos carecen de éstas, y sólo pueden utilizar la glucólisis anaeróbica para la producción de energía. Las células de encéfalo, hígado, riñones y corazón contienen mitocondrias, y pueden realizar la fosforilación oxidativa, así como la glucólisis anaeróbica.

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Bioquímica, biología molecular y genética

19. La respuesta es C. La metformina puede incrementar la captación de glucosa por los tejidos y elevar la formación de lactato. Además, por mecanismos desconocidos, al parecer bloquea la captación de lactato por el hígado (esto podría deberse a la escasa gluconeogénesis que ocurre en el hígado en presencia de metformina, ya que el lactato es un sustrato clave para la gluconeogénesis). Los múscu­los cardiacos, con su gran cantidad de mitocondrias, utilizarán lactato como combustible y pueden superar la acumulación de lactato por dosis terapéuticas de metformina. Es sólo en raros casos (alrededor de 1 entre 10 000) cuando el tratamiento con metformina causa lactoacidosis. El lactato no entra en el ciclo de los TCA para ser oxidado, ya que primero debe convertirse en piruvato, y luego en acetil-CoA para entrar en el ciclo. Los eritrocitos generan lactato, pero no lo utilizan como combustible. Las células renales y otras tampoco lo utilizan de preferencia como combustible, comparadas con el miocardio.

20. La respuesta es C. La metformina tiende a incrementar las concentraciones sanguíneas circulantes de lactato debido al menor uso de éste por el hígado para la gluconeogénesis, que se inhibe en presencia de metformina. Sin embargo, el exceso de lactato puede ser usado por el corazón como una fuente de energía, lo cual reduce los valores circulantes de lactato. Si la pérdida de células miocárdicas (y de sus mitocondrias) es significativa debido a un infarto de miocardio, el lactato elevado a causa del uso de metformina se acumulará, dado que ya no es metabolizado por el corazón. Esto podría causar lactoacidosis, que puede ser letal. También es posible que el lactato se acumule en la insuficiencia renal; no obstante, ninguna de las otras condiciones enumeradas causará insuficiencia renal. La pielonefritis no suele causarla. El desgarro muscular puede provocar mioglobinuria, y ésta es una posible causa de insuficiencia renal, pero sería un resultado poco común. Los eritrocitos producen lactato, y por lo tanto la anemia provocaría baja formación de éste. Un aumento de peso significativo no sería una razón para suspender la metformina.

21. La respuesta es C. El radical hidroxilo es la ROS más potente. Provoca reacciones en cadena que producen peróxidos de lípido y radicales orgánicos. El peróxido de hidrógeno no es un radical, pero puede generar radicales hidroxilo a través de interacciones con metales de transición. El superóxido es una potente ROS, pero su potencia disminuye a causa de su baja solubilidad. El NO y la coenzima Q no son ROS, aunque el NO es un radical, y dará origen a especies reactivas de nitrógeno y oxígeno (RNOS).

22. La respuesta es A. La degeneración macular puede ser causada por daño oxidativo de la mácula, de modo que el paciente trata de incrementar su consumo de compuestos antioxidantes para protegerse contra la generación de ROS. No hay fuentes de vitamina D en la dieta del paciente. Los carotenoides, presentes en el jugo de naranja, son antioxidantes. En el vino hay flavonoides, otros potentes antioxidantes. El jugo de naranja contiene vitamina C, que también es antioxidante. La vitamina E, un antioxidante muy potente, se encuentra en la yema de huevo. La función de la vitamina D como antioxidante es tema de controversia, ya que su principal cometido es mantener la homeostasis del calcio, aunque hay algunos informes de su uso como antioxidante. En cualquier caso, ninguna de las fuentes alimenticias del paciente aporta vitamina D.

23. La respuesta es B. Ciprofloxacino, cimetidina y cetoconazol inhiben el citocromo P450. Su modo de destoxificación no requiere las acciones del citocromo P450. Sin embargo, la isoniazida induce la formación de citocromo P450 como un medio para oxidar el fármaco a fin de eliminarlo del organismo. Las enzimas del citocromo P450 son una fuente importante de producción de radicales libres, que puede ocurrir cuando de manera accidental escapen electrones de las reacciones y se combinen con oxígeno molecular.

24. La respuesta es A. El concursante tiene los síntomas de la pelagra, que se caracteriza por las cuatro D (diarrea, dermatitis, demencia y al final defunción). La pelagra se debe a la falta de niacina en la alimentación. La deficiencia de tiamina ocasionará beriberi; la de riboflavina, arriboflavinosis; la de vitamina C, escorbuto; y la de vitamina D, raquitismo. Sólo la pelagra producirá los síntomas observados en el paciente.

25. La respuesta es A. El paciente exhibe los síntomas del beriberi, causado por deficiencia de vitamina B1 o tiamina. Ésta es necesaria para las reacciones de descarboxilación oxidativa, como las catalizadas por piruvato deshidrogenasa y -cetoglutarato deshidrogenasa. Esta última enzima requiere tiamina (como pirofosfato de tiamina), ácido lipoico, CoASH, FAD y NAD1. La succinato

Capítulo 5   Generación de ATP a partir de combustibles metabólicos y toxicidad del oxígeno

179

deshidrogenasa sólo requiere FAD; la fumarasa no requiere de cofactor, la malato deshidrogenasa requiere NAD1, y la piruvato carboxilasa requiere biotina.

26. La respuesta es C. La elevación del lactato, así como del -cetoglutarato en el ciclo de los TCA, sugiere un defecto en reacciones que catalizan descarboxilaciones oxidativas. Se acumularía piruvato si la piruvato deshidrogenasa fuera defectuosa, y el incremento en la concentración de piruvato elevaría la producción de lactato. Se necesitan cinco cofactores para las reacciones de descarboxilación oxidativa, y son NAD1, FAD, ácido lipoico, pirofosfato de tiamina y coenzima A (derivada del ácido pantoténico). Al parecer el fármaco actúa bloqueando la conversión de ácido pantoténico en coenzima A. La biotina se usa en reacciones de carboxilación, al igual que la vitamina K. El ascorbato se utiliza en la hidroxilación de la prolina, y la vitamina B6 ayuda a catalizar diversas reacciones en que intervienen aminoácidos.

27. La respuesta es A. El insecticida actúa como desacoplador de oxidación y fosforilación, lo que reduce la síntesis de ATP al tiempo que incrementa la captación de oxígeno (mayor frecuencia respiratoria). A medida que el desacoplador disipa el gradiente de protones, la energía usada para generar el gradiente se pierde como calor (lo que ocasiona la sudoración y el aumento de temperatura que se observan en el trabajador). De los fármacos enumerados como posibles respuestas, sólo el dinitrofenol (DNP) actúa como desacoplador. El cianuro y el monóxido de carbono interfieren con la citocromo oxidasa (complejo IV) y bloquean la transferencia de electrones al oxígeno. La rotenona bloquea el flujo de electrones del complejo I a la coenzima Q, y el atractilósido inhibe la ANT, lo cual reduce el ADP en las mitocondrias y causa el cese de la fosforilación oxidativa. El consumo de oxígeno no continuaría en presencia de atractilósido, debido a la pérdida de la síntesis de ATP, y al acoplamiento de consumo de oxígeno y producción de ATP.

28. La respuesta es C. La ausencia de riego sanguíneo reduciría el suministro de O2 al corazón, lo que

desaceleraría la cadena de transporte de electrones. La reducción del ritmo de la cadena de transferencia de electrones ocasionaría un aumento en la concentración intramitocondrial de NADH, y esto a su vez frenaría el ciclo de los TCA. La consecuencia sería una reducción en la producción de dióxido de carbono. Los valores de ATP dentro de las mitocondrias también disminuirán, ya que el ATP se transporta al citoplasma a cambio de ADP. Dado que se bloqueó la fosforilación oxidativa, el ADP que entra en las mitocondrias no puede reconvertirse en ATP, lo que ocasiona la acumu­ lación de ADP en estas condiciones.

29. La respuesta es C. En el tiempo 5 0, el succinato dona electrones a la cadena de transferencia de electrones a través del complejo II. El succinato se convierte en fumarato, y el FADH2 generado dona los electrones a la coenzima Q vía el complejo II. La adición de un compuesto en el tiempo 5 1 no afecta el consumo de oxígeno, y el ritmo de este consumo es el mismo que antes de agregar la sustancia. La rotenona inhibe el complejo I, y no afectaría los electrones que se donan a través del complejo II. La antimicina bloquea la transferencia de electrones del complejo III al complejo IV, y se esperaría que bloqueara la transferencia de electrones y el consumo de oxígeno a partir de los electrones donados por el complejo II. El ditrofenol es un desacoplador, y se esperaría que incrementara el ritmo de consumo de oxígeno, ya que un desacoplador disipa el gradiente de protones y facilita que la cadena de transferencia de electrones bombee protones fuera de las mitocondrias. En el tiempo 5 2, el flujo de electrones cesa, pero se reanuda en el tiempo 5 3, y a mayor velocidad. Así, en el tiempo 5 3 se agrega un desacoplador (dinitrofenol). El hecho de que el flujo de electrones pueda recomenzar después de detenerse sugiere que la sustancia agregada en el tiempo 5 2 inhibió la fosforilación, ya que ésta y consumo de oxígeno están acoplados. Inhibir la fosforilación con oligomicina bloqueará el consumo de oxígeno sin inhibir ningún paso de la cadena de transferencia de electrones. Ésta es la razón de que el consumo de oxígeno pueda reanudarse una vez que se agrega el desacoplador. En el tiempo 5 4, todo el flujo de electrones cesa, y eso puede deberse a la adición de cianuro o de monóxido de carbono, pues ambos inhiben el complejo IV.

30. La respuesta es B. El paciente experimenta lesión por reperfusión isquémica. Esta persona ha tenido un ataque cardiaco, en el cual una región del miocardio se ha hecho anaeróbica debido a la falta de suministro de oxígeno. En estas células, la cadena de transferencia de electrones mitocondrial se reduce, ya que falta el aceptor terminal de electrones (oxígeno). Cuando se administra tPA para disolver el coágulo que bloquea el suministro de oxígeno al miocardio dañado, se permite el reingreso rápido de oxígeno a las células dañadas. Debido a la hipoxia, en estas células la coenzima Q está

180

Bioquímica, biología molecular y genética reducida por completo en la membrana mitocondrial, y la entrada repentina de oxígeno hace que de manera accidental algún electrón se transfiera al oxígeno, lo que genera el radical superóxido. Esto incrementa el daño por radicales al miocardio ya dañado, y en general el daño al tejido. Las mitocondrias no liberan citocromo a (puede ocurrir liberación de citocromo c si el daño es suficiente, lo que iniciaría la apoptosis en las células cardiacas). Los valores de ácido láctico son elevados debido a que se usa la glucólisis anaeróbica para generar energía, pero la alta concentración de lactato no contribuye a un mayor daño del miocardio. El tPA no tiene un efecto directo en la actividad de las enzimas del ciclo de los TCA, y no es un desacoplador.

31. La respuesta es D. La AZT es un finalizador de la cadena de DNA, con afinidad máxima por la transcriptasa inversa viral. Sin embargo, la DNA polimerasa mitocondrial también reconocerá y utilizará la AZT como sustrato, lo que interferirá en la replicación del DNA mitocondrial y en la división de las mitocondrias. En algunos pacientes sometidos a tratamiento prolongado con AZT, la reducción del funcionamiento mitocondrial genera los síntomas observados. Suspender el agente causal suele revertir esta complicación. La AZT no afecta la RNA polimerasa, ni es un desacoplador de la fosforilación oxidativa. Por sí misma no induce la liberación de citocromo c por las mitocondrias (una señal para iniciar la apoptosis), aunque si se dañan suficientes mitocondrias dentro de una célula, ésta podría decidir someterse a apoptosis.

32. La respuesta es E. El niño tiene los síntomas de la granulomatosis crónica, que en la forma hereditaria se debe a un defecto en un componente de la NADPH oxidasa. Esta enzima es responsable de la explosión respiratoria en los neutrófilos, y produce superóxido a partir de oxígeno y NADPH. El superóxido formado ayuda a destruir bacterias y hongos invasores. En ausencia de esta actividad, el organismo tiene dificultad para protegerse de infecciones bacterianas y micóticas. La conversión de peróxido de hidrógeno a radicales hidroxilo no es catalizada por enzimas, de modo que la pérdida de tal conversión no puede ser hereditaria. Las mutaciones en la SOD (que cataliza la conversión de superóxido en peróxido de hidrógeno y oxígeno) pueden causar ELA, pero no granulomatosis crónica. La pérdida de glutatión reductasa puede provocar anemia hemolítica, pero no los síntomas observados. Los neutrófilos no producen ácido clorhídrico. Sin embargo, el estómago sí lo hace, y la pérdida de la producción de ácido puede causar trastornos digestivos.

33. La respuesta es D. El hombre tiene la forma hereditaria de ELA, que más a menudo se debe a una mutación inactivadora en SOD. La falta de actividad de SOD provocaría concentraciones elevadas de superóxido, el cual, por un mecanismo desconocido, causaría pérdida de la actividad motora de las neuronas. Las mutaciones hereditarias en NADPH oxidasa, catalasa, glutatión peroxidasa o mieloperoxidasa no se han correlacionado con ELA.

34 La respuesta es E. Durante el ejercicio aeróbico, el músculo necesita generar ATP por fosforilación oxidativa. Para que esto ocurra, los valores de NADH disminuyen (un incremento inhibiría las enzimas del ciclo de los TCA), lo que ocasiona una disminución del cociente NADH/NAD1. Si bien el citrato es un inhibidor de la citrato sintasa, si esto se produjera durante el ejercicio, el ciclo de los TCA se detendría, no se aceleraría. La actividad de la isocitrato deshidrogenasa es inhibida (no estimulada) por el NADH, y la fumarasa no es una enzima regulada. Si la concentración de los intermediarios del ciclo de los TCA disminuyera, el ciclo también se desaceleraría, pero se requiere lo contrario en condiciones en las que se necesita generar energía, por ejemplo durante el ejercicio.

35 La respuesta es C. Si el citocromo c no funciona, todos los componentes de la cadena de transporte de electrones entre él y el O2 permanecen en el estado oxidado, y los componentes situados antes del citocromo c se reducen. La cadena de transporte de electrones no funcionará; no se consumirá O2; no se generará un gradiente de protones; y no se producirá ATP. No se oxidará NADH, por lo que aumentará el cociente NADH/NAD1. Debido a este mayor cociente, el ciclo de los TCA se desacelerará y, por tanto, la producción de CO2 disminuirá.

capítulo

6

Metabolismo de los carbohidratos

El material de este capítulo servirá principalmente para comprender el metabolismo de la glucosa y otros carbohidratos, las bases científicas del tratamiento de la diabetes y otros trastornos de los carbohidratos y la formación de compuestos que contienen glucosa en todos los tejidos corporales.

GENERALIDADES ■ ■ ■ ■ ■

■ ■

■

Entre los carbohidratos de los alimentos están almidón, sacarosa, lactosa y fibra no digerible. El principal producto de la digestión de los carbohidratos es glucosa, pero también se produce algo de galactosa y fructosa. La glucosa es una fuente importante de combustible que las células oxidan para generar energía. Después de una comida, se convierte en glucógeno o en triacilgliceroles y se almacena. La glucosa también es convertida en compuestos como proteoglucanos, glucoproteínas y glucolípidos. Cuando la glucosa entra en las células, es convertida en glucosa-6-fosfato, un compuesto clave en varias vías metabólicas. ■ El principal destino de la glucosa-6-fosfato es ingresar en la vía de la glucólisis, que produce piruvato y genera NADH y ATP. ■ La glucosa-6-fosfato puede convertirse en glucosa-1-fosfato y luego en UDP-glucosa, que se usa para la síntesis de glucógeno o compuestos como los proteoglucanos. ■ La glucosa-6-fosfato también puede entrar en la vía de pentosas, que produce NADPH (para reacciones como la biosíntesis de ácidos grasos) y ribosa-5-fosfato para la producción de nucleótidos. La fructosa y la galactosa son convertidas en intermediarios de las vías por las cuales se metaboliza la glucosa. El glucógeno es la principal forma de almacenamiento de glucosa en los animales. Las reservas más grandes se encuentran en músculo e hígado. ■ El glucógeno muscular se usa para generar ATP para la contracción muscular. ■ El glucógeno hepático se usa para mantener la glucemia durante el ayuno o el ejercicio. El mantenimiento de la glucemia es una función importante del hígado. ■ El hígado produce glucosa por glucogenólisis y gluconeogénesis.

I.  ESTRUCTURA DE LOS CARBOHIDRATOS •• Los carbohidratos son compuestos que contienen por lo menos tres átomos de carbono, varios grupos hidroxilo y por lo general un grupo aldehído o cetona. Pueden contener grupos fosfato, amino o sulfato. •• En el organismo, los monosacáridos (los carbohidratos más simples) suelen ser de la serie D.

181

182

Bioquímica, biología molecular y genética

•• Los monosacáridos forman anillos que por lo común contienen cinco o seis miembros y se denominan furanosas y piranosas, respectivamente. El grupo hidroxilo en el carbono anomérico (el carbono del carbonilo) puede estar en la configuración α o en la β. •• Los monosacáridos se unen mediante enlaces O-glucosídicos para formar disacáridos, oligosacáridos y polisacáridos. •• Los nucleótidos contienen enlaces N-glucosídicos. •• Los monosacáridos pueden oxidarse a los ácidos correspondientes o reducirse a los polioles correspondientes.

A. Monosacáridos 1. Nomenclatura a. Los monosacáridos más simples tienen la fórmula (CH2O)n. Los que poseen tres carbonos se llaman triosas; cuatro, tetrosas; cinco, pentosas; y seis, hexosas. b. Se denominan aldosas o cetosas, según su grupo funcional más oxidado sea un aldehído o una cetona (figura 6-1). 2. Azúcares d y l a. La configuración del átomo de carbono asimétrico más alejado del grupo aldehído o cetona determina si un monosacárido pertenece a la serie d o a la l. En la forma d, el grupo hidroxilo está a la derecha; en la forma l, está a la izquierda (ver figura 6-1). b. Un carbono asimétrico tiene cuatro diferentes grupos químicos unidos a él. c. Los azúcares de la serie d, que se relacionan con el d-gliceraldehído, son los más comunes en la naturaleza (figura 6-2). 3. Estereoisómeros, enantiómeros y epímeros a. Los estereoisómeros tienen la misma fórmula química pero difieren en la posición de los grupos hidroxilo en uno o más de sus carbonos asimétricos. b. Los enantiómeros son estereoisómeros que constituyen imágenes en el espejo entre sí (figu­ra 6-1). c. Los epímeros son estereoisómeros que difieren en la posición del grupo hidroxilo en sólo un carbono asimétrico. Por ejemplo, d-glucosa y d-galactosa son epímeros que difieren en el carbono 4 (ver figura 6-2). 4. Estructuras anulares de los carbohidratos a. Aunque los monosacáridos a menudo se representan como cadenas rectas (proyecciones de Fischer), existen principalmente como estructuras anulares en las cuales el grupo aldehído o cetona ha reaccionado con un grupo hidroxilo de la misma molécula (figura 6-3). b. Los anillos furanosa y piranosa contienen cinco y seis miembros, respectivamente, y suelen representarse como proyecciones de Haworth (ver figura 6-3). c. El grupo hidroxilo en el carbono anomérico puede estar en la configuración α o b. En la configuración , el grupo hidroxilo en el carbono anomérico está a la derecha en la proyección de Fischer y abajo del plano del anillo en la proyección de Haworth. En la configuración b, está a la izquiera en la proyección de Fischer y arriba del plano en la proyección de Haworth (figura 6-4). d. En solución, ocurre mutarrotación. Las formas α y b se equilibran a través de la forma aldehído de cadena recta (ver figura 6-4).

Aldosa

Cetosa

O H

C

H

C

O

OH

CH2OH D -Gliceraldehído

H

C

HO

C

CH2OH H

CH2OH L - Gliceraldehído

Enantiómeros (imágenes en el espejo)

C

O

CH2OH Dihidroxiacetona FIGURA  6-1. Ejemplos de triosas, los monosacáridos más pequeños.



183

Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos O

O

H

C

H

C

OH

H

C

H

C

OH

HO

C

H

HO

C

H

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

CH2OH

C

O

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

CH2OH

D - Glucosa

FIGURA 6-2. Hexosas comunes de la configuración d.

CH2OH

CH2OH

D - Galactosa

D - Fructosa

Epímeros

B. Glucósidos 1. Formación de glucósidos a. Los enlaces glucosídicos se forman cuando el grupo hidroxilo del carbono anomérico de un monosacárido reacciona con un grupo –OH o –NH de otro compuesto. b. Se forman -glucósidos o -glucósidos según la posición del átomo unido al carbono anomérico del azúcar. 2. O-Glucósidos a. Los monosacáridos pueden unirse mediante enlaces O-glucosídicos entre sí, para formar O-glucósidos. b. Los disacáridos contienen dos monosacáridos. La sacarosa, la lactosa y la maltosa son los disacáridos más comunes (figura 6-5). c. Los oligosacáridos contienen hasta alrededor de 12 monosacáridos (ver Secciones II B y C). d. Los polisacáridos contienen más de 12 monosacáridos; por ejemplo, glucógeno, almidón y glucosaminoglucanos (que se consideran más adelante). 3. N-Glucósidos a. Los monosacáridos pueden unirse mediante enlaces N-glucosídicos a compuestos que no son carbohidratos. Los nucleótidos contienen enlaces N-glucosídicos (ver Capítulo 3).

H H HO H H

1 2 3 4 5 6

O

1

C OH

C

H

C

OH

H

C

OH

H

CH2OH

D-Glucosa

6 CH2OH

FIGURA  6-3. Anillos furanosa y piranosa formados a partir de fructosa y glucosa. Se indican los carbonos anoméricos.

C5 H H 4C HO OH 3C H

2

C

O

H C1 H OH C2 OH

a-D-Glucopiranosa

HO

3 4 5 6

CH2OH C

O

C

H

C

OH

C

OH

CH2OH

D-Fructosa

6 1 O HOH2C CH2OH 5C C2 HO OH H H 4C C3 OH H

a-D-Fructofuranosa

184

Bioquímica, biología molecular y genética O

CH2OH O H H H HO OH

H

C

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H OH

H

OH

CH2OH O H H OH HO OH H

CH2OH

a-D-Glucopiranosa

D-Glucosa

(36%)

H H OH

FIGURA  6-4. Mutarrotación de la glucosa en solución. Se indica el porcentaje de cada forma.

b-D-Glucopiranosa

(< 0.1%)

(63%)

C. Derivados de carbohidratos 1. Los grupos fosfato pueden unirse a carbohidratos. a. Glucosa y fructosa pueden fosforilarse en los carbonos 1 y 6. b. Los grupos fosfato pueden unir azúcares a nucleótidos, como en UDP-glucosa. 2. Los grupos amino, que a menudo están acetilados, pueden unirse a azúcares (p. ej., glucosamina y galactosamina). 3. Los grupos sulfato son frecuentes en los azúcares (p. ej., sulfato de condroitina y otros glu­co­sa­mi­no­glucanos).

D. Oxidación de carbohidratos 1. Formas oxidadas a. El carbono anomérico de una aldosa (C1) puede oxidarse a un ácido. La glucosa forma ácido glucónico (gluconato). El 6-fosfogluconato es un intermediario en la vía de los fosfatos de pentosa. b. El carbono 6 de una hexosa puede oxidarse a un ácido urónico.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La oxidación de glucosa por la glucosa oxidasa (una prueba muy específica para glucosa) se usa en laboratorios clínicos y de otros tipos para medir la cantidad de glucosa en solución.

HOCH2 H H HO OH H

O H

HOCH2 H

1

O

H H

4

OH

O

HOCH2 H

OH

H OH

H

OH

HO H H OH H

HOCH2

O 1

H H OH

O

H H

4

O

HOCH2

H

OH

H OH

H

OH

Lactosa (Galactosa- (1 4) - glucosa) FIGURA 6-5. Disacáridos más comunes.

HO OH

O H

H

Maltosa (Glucosa-  (1 4) - glucosa) HOCH2

H H

OH O

H H

HO

HO

H

H

1

O 2

CH2OH

Sacarosa (Glucosa-  (1 2) - fructosa)



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

185

(1) Los ácidos urónicos se encuentran en los glucosaminoglucanos de los proteoglucanos (ver figura 6-8).

(2) La glucosa forma ácido glucurónico. La conjugación con ácido glucurónico hace más solubles los compuestos lípidos (p. ej., diglucurónido de bilirrubina).

2. Prueba para azúcares reductores

a. Los azúcares reductores contienen un carbono anomérico libre que puede oxidarse. (1) Cuando el carbono anomérico se oxida, otro compuesto se reduce. Si el producto reducido de esta reacción es colorido, la intensidad del color puede usarse para determinar la cantidad del azúcar reductor que se ha oxidado. (2) Esta reacción es la base de la prueba para azúcares reductores, que se usa en laboratorios clínicos. La prueba no es específica para un azúcar. Aldosas como la glucosa dan un resultado positivo. Cetosas como la fructosa también son azúcares reductores porque forman aldosas en las condiciones de prueba.

E. Reducción de carbohidratos 1. El grupo aldehído o cetona de un azúcar puede reducirse a un grupo hidroxilo, y formar un poliol (polialcohol).

2. La glucosa se reduce a sorbitol, y la galactosa a galactitol. F. Glucosilación de proteínas Los grupos aldehído de los azúcares de manera no enzimática forman bases de Schiff con grupos amino de proteínas. Después, los reordenamientos de Amadori forman interacciones covalentes estables.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Una fracción glucosilada de la hemoglobina, HbA1c, normalmente constituye de 4 a 6% de la hemoglobina total, pero aumenta cuando los eritrocitos se exponen a altas concentraciones de glucosa en la sangre. Al medir los valores de HbA1c puede determinarse el control glucémico en individuos con diabetes. La American Diabetes Association utiliza el intervalo de 5.7 a 6.4% para definir “prediabetes”.

II.  PROTEOGLUCANOS, GLUCOPROTEÍNAS Y GLUCOLÍPIDOS •• Los proteoglucanos consisten en largas cadenas lineales de glucosaminoglucanos unidas a una proteína central. Cada cadena está formada por un disacárido repetitivo que suele tener carga negativa y contiene una hexosamina y un ácido urónico. Con frecuencia hay grupos sulfato. •• Los glucosaminoglucanos se sintetizan a partir de UDP-azúcares. •• Las glucoproteínas contienen cadenas de polisacárido más cortas, por lo común ramificadas. •• Además de glucosa, galactosa y sus derivados amino, las glucoproteínas contienen manosa, l-fucosa y ácido N-acetilneuramínico (NANA, N-acetylneuraminic acid). •• En el caso de las cadenas con enlace O, el polisacárido crece por la adición sucesiva de unidades monosacárido de UDP-azúcares a residuos serina o treonina en una proteína. •• En el caso de las cadenas con enlace N, se sintetizan carbohidratos ramificados en fosfato de dolicol y se transfieren al nitrógeno amida de un residuo asparagina en una proteína. •• Los glucolípidos son miembros de la clase de los esfingolípidos. •• La porción carbohidrato se sintetiza a partir de UDP-azúcares que se agregan al grupo hidroximetilo de la ceramida y luego de manera sucesiva al extremo no reductor de la cadena. •• El ácido N-acetilneuramínico (derivado de CMP-NANA) a menudo forma ramas a partir de la cadena principal. •• Los proteoglucanos, las glucoproteínas y los glucolípidos se sintetizan en el retículo endoplásmico (RE) y el aparato de Golgi; se degradan por la acción de los lisosomas.

186

Bioquímica, biología molecular y genética

A. Los proteoglucanos se encuentran en matriz extracelular o sustancia fundamental de tejido conectivo, líquido sinovial de las articulaciones, humor vítreo del ojo, secreciones de células productoras de moco y cartílago. 1. Estructura de los proteoglucanos a. Los proteoglucanos consisten en una proteína central con largas cadenas no ramificadas de polisacárido (­glucosaminoglucanos). La estructura general recuerda un cepillo para biberones. b. Estas cadenas están formadas por unidades disacárido repetitivas, que suelen contener un ácido urónico y una hexosamina. El ácido urónico por lo común es ácido d-glucurónico o ácido l-idurónico. c. El grupo amino de la hexosamina suele estar acetilado, y con frecuencia hay grupos sulfato presentes en los carbonos 4 y 6. d. Un residuo xilosa y dos galactosa conectan la cadena de disacáridos repetitivos con la proteína central. 2. Síntesis de proteoglucanos a. La proteína se sintetiza en el RE. b. Los glucosaminoglucanos se producen por la adición de azúcares a residuos serina o treonina de la proteína. Los UDP-azúcares sirven como los precursores. c. En RE y aparato de Golgi, las cadenas de glucosaminoglucano crecen por adición sucesiva de azúcares al extremo no reductor. (1) Grupos sulfato, donados por 5'-fosfosulfato de 3'-fosfoadenosina (PAPS), se agregan después de que la hexosamina se incorpora a la cadena. (2) Debido al ácido urónico y los grupos sulfato, los glucosaminoglucanos tienen carga negativa, lo cual hace que las cadenas se hidraten intensamente. d. Se secretan proteoglucanos de la célula. e. Los proteoglucanos pueden unirse de modo no covalente con ácido hialurónico (un glucosaminoglucano) y formar grandes agregados, que actúan como tamices moleculares por los que sólo pueden penetrar moléculas pequeñas. 3. Degradación de proteoglucanos por enzimas lisosómicas a. Dado que los proteoglucanos se localizan fuera de la célula son captados por endocitosis. Las vesículas endocíticas se fusionan con los lisosomas. b. Enzimas lisosómicas específicas para cada monosacárido retiran los azúcares, uno a la vez, del extremo no reductor de la cadena. c. Sulfatasas retiran los grupos sulfato antes de que el residuo azúcar se hidrolice.

B. Las glucoproteínas actúan como enzimas, hormonas, anticuerpos y proteínas estructurales. Se encuentran en líquidos extracelulares y en los lisosomas y se unen a la membrana celular. Participan en interacciones célula-célula. 1. Estructura de las glucoproteínas a. La porción carbohidrato de las glucoproteínas difiere de la de los proteoglucanos en que es más corta y con frecuencia ramificada (figura 6-6).

NANA

NANA

Gal

Gal

GlcNAc

GlcNAc

Man

Man

Man

GlcNAc

GlcNAc GlcNAc Asn

Fuc Cadena de proteína

FIGURA 6-6. Ejemplo del componente carbohidrato de una glucoproteína. Note que, en este caso, el carbohidrato está unido a una asparagina (enlace N). NANA, ácido N-acetilneuramínico; Gal, galactosa; GlcNAc, N-acetilglucosamina; Man, manosa; Fuc, fucosa.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

187

(1) Las glucoproteínas contienen manosa, l-fucosa y NANA además de glucosa, galactosa y sus derivados amino. El NANA es un miembro de la clase de los ácidos siálicos.

(2) Los determinantes antigénicos de las sustancias de los tipos sanguíneos ABO y Lewis son azúcares en los extremos de estas ramas carbohidrato. b. Los carbohidratos están unidos a la proteína por los grupos hidroxilo de residuos serina y treonina o la amida N de la asparagina. 2. Síntesis de glucoproteínas a. La proteína se sintetiza en el RE. En RE y aparato de Golgi, la cadena de carbohidrato se produce por la adición sucesiva de unidades monosacárido al extremo no reductor. UDP-azúcares, GDPmanosa, GDP-l-fucosa y CMP-NANA actúan como precursores. b. Para las glucoproeínas con enlace O, el azúcar inicial se agrega a un residuo serina o treonina en la proteína y la cadena carbohidrato se alarga entonces. c. El fosfato de dolicol interviene en la síntesis de glucoproteínas con enlace N, en las cuales el componente carbohidrato se une a la amida N de la asparagina. (1) El fosfato de dolicol, una larga cadena alcohol que contiene unas 20 unidades isopreno de cinco carbonos, puede sintetizarse a partir de acetil-CoA. (2) Se agregan azúcares de manera sucesiva al fosfato de dolicol, que se une a la membrana del RE. (3) La cadena ramificada de polisacárido se transfiere a una amida N de un residuo asparagina en la proteína. (4) En el RE y el aparato de Golgi, se retiran azúcares de la cadena y otros se agregan. d. Las glucoproteínas se segregan dentro de los lisosomas en la célula, se fijan a la membrana o son secretadas por la célula. (1) Las enzimas lisosómicas son glucoproteínas. Un residuo fosfato de manosa dirige estas glucoproteínas a los lisosomas. La incapacidad de agregar esta modificación manosa-6-fosfato a la proteína da por resultado la secreción de la proteína desde la célula, un trastorno conocido como enfermedad de células I. (2) Cuando se fija glucoproteína a la membrana celular, la porción carbohidrato se extiende hacia el espacio extracelular y un segmento hidrófobo de la proteína se acopla a la membrana.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La enfermedad de células I es un trastorno del direccionamiento de proteínas lisosómicas a los lisosomas (el nombre formal de la afección es mucoli­pidosis tipo II). La presencia de manosa-6-fosfato en la cadena de carbohidrato de las prooteínas lisosómicas es reconocida por un receptor de manosa-6-fosfato para el envío adecuado de estas proteínas desde el aparato de Golgi hacia el lisosoma. La adición del manosa-6-fosfato a los precursores de las proteínas lisosómicas es un proceso de dos pasos, y la primera enzima de este proceso es defectuosa en la enfermedad de células I debido a mutaciones. Las proteínas lisosómicas se secretan en lugar de ser enviadas a los lisosomas. Se pierde el funcionamiento lisosómico, y con frecuencia se produce la muerte en los primeros 10 años de vida. Los lisosomas se llenan de material no digerido y semejan cuerpos de inclusión, de ahí el nombre de la enfermedad.

3. Degradación de glucoproteínas a. Enzimas lisosómicas específicas para cada monosacárido retiran azúcares de manera sucesiva de los extremos no reductores de las cadenas.

C. Glucolípidos 1. Los glucolípidos (o esfingolípidos) derivan del lípido ceramida (ver figura 7-3). Esta clase de compuestos incluye cerebrósidos y gangliósidos. Algunas toxinas bacterianas y algunos virus utilizan glucolípidos como receptores. a. Los cerebrósidos se sintetizan a partir de ceramida y UDP-azúcares. b. Los gangliósidos tienen residuos ácido N-acetilneuramínico (derivados de CMP-NANA) que se ramifican desde la cadena lineal de oligosacárido.

188

Bioquímica, biología molecular y genética

t a b l a

6-1

Enzimas defectuosas en las mucopolisacaridosis

Enfermedad

Deficiencia enzimática

Productos acumulados

Hunter Hurler 1 Scheie Maroteaux–Lamy Mucolipidosis VII Sanfilippo A Sanfilippo B Sanfilippo D

Iduronato sulfatasa a-l-iduronidasa N-acetilgalactosamina sulfatasa b-Glucuronidasa Heparán sulfamidasa N-acetilglucosaminidasa N-acetilglucosamina 6-sulfatasa

Sulfato de heparán, sulfato de dermatán Sulfato de heparán, sulfato de dermatán Sulfato de dermatán Sulfato de heparán, sulfato de dermatán Sulfato de heparán Sulfato de heparán Sulfato de heparán

Estos trastornos comparten muchas características clínicas, aunque existen variaciones significativas entre ellos, e incluso dentro del mismo trastorno, según la cantidad de actividad residual. En la mayoría de los casos, están afectados múltiples aparatos y sistemas (los principales son hueso y cartílago). En algunos trastornos hay afección neuronal significativa, que desemboca en retraso mental.

2. Los glucolípidos se encuentran en la membrana celular; la porción carbohidrato se extiende hacia el espacio extracelular.

3. Son degradados por enzimas lisosómicas.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La deficiencia de enzimas lisosómicas da por resultado incapacidad de degradar las porciones carbohidrato de proteoglucanos y esfingolípidos, lo que causa mucopolisacaridosis y esfingolipidosis (gangliosidosis), respectivamente. En los lisosomas se acumulan productos en parte digeridos. Los tejidos se llenan de estos “cuerpos residuales” y su funcionamiento se altera. Estas enfermedades, entre las que se encuentran las mucopolisacaridosis de Hunter y de Hurler y las gangliosidosis de Tay–Sachs y de Gaucher, a menudo son fatales. En la tabla 6-1 se enumeran las mucopolisacaridosis. Las esfingolipidosis se describen con más detalle en el Capítulo 7.

III.  DIGESTIÓN DE LOS CARBOHIDRATOS •• Los principales carbohidratos de los alimentos son almidón, sacarosa y lactosa. •• En la boca, la α-amilasa salival actúa en el almidón, rompiendo los enlaces α-1,4 entre residuos glucosa. •• En el intestino, la α-amilasa panreática continúa la digestión de los almidones. •• Las enzimas relacionadas con el borde en cepillo de las células del epitelio intestinal digieren sacarosa, lactosa y los productos del almidón generados por la α-amilasa. •• Los productos finales de la digestión de los carbohidratos —glucosa, fructosa y galactosa— son absorbidos por las células del epitelio intestinal y luego secretados por éstas en la sangre.

A. Los carbohidratos de los alimentos (principalmente almidón, sacarosa y lactosa) constituyen alrededor de 50% de las calorías en la alimentación promedio en Estados Unidos. 1. El almidón, la forma de almacenamiento de carbohidrato en las plantas, es similar en estructura al glucógeno (figura 6-7). a. El almidón contiene amilosa (largas cadenas no ramificadas de unidades glucosa unidas entre sí por enlaces α-1,4) y amilopectina (cadenas con enlaces α-1,4 que tienen ramas con enlaces α-1,6). La amilopectina tiene menos ramas que el glucógeno. 2. La sacarosa (un componente del azúcar de mesa y la fruta) contiene residuos glucosa y fructosa unidos por sus carbonos anoméricos (ver figura 6-5). 3. La lactosa (azúcar de la leche) contiene galactosa unida a glucosa por enlaces β-1,4 (ver figura 6-5).

B. Digestión de los carbohidratos de los alimentos en la boca (figura 6-8) En la boca, la α-amilasa salival degrada el almidón al romper enlaces α-1,4 entre residuos glucosa en las cadenas (ver figura 6-10). Las dextrinas (oligosacáridos lineales y ramificados) son los productos principales que llegan al estómago.

CH O

2 OH

O

OH

CH

2 OH

O

OH

Enlace glucosídico -1,4 CH2OH O O

O

OH

OH O CH2

OH

O

Residuo glucosa con enlace -1,6

CH2OH O

O

OH

OH Residuo glucosa con enlace -1,4

Enlace glucosídico -1,6

O

OH OH

OH

Extremo reductor unido a glucogenina Extremos no reductores

FIGURA 6-7. Estructura del glucógeno. El glucógeno está formado por unidades glucosilo unidas por enlaces glucosídicos α-1,4 y α-1,6.

Almidón Lactosa Sacarosa

-Amilasa salival Sacarosa Lactosa

-Dextrinas

Estómago Páncreas

-Amilasa HCO3 –

Trisacáridos y oligosacáridos Maltosa, isomaltasa Maltasa isomaltasa

Sacarosa Lactosa

Intestino delgado

Glucosa

Sacarasa Lactasa

Glucosa Fructosa Glucosa Galactosa

Fibra FIGURA 6-8. Repaso de la digestión de carbohidratos. El almidón es digerido por las α-amilasas salival y pancreática y por maltasa e isomaltasa de las células intestinales. La sacarosa y la lactosa son digeridas por enzimas intestinales. Las reacciones metabólicas posteriores ocurren después de que los azúcares se absorben.

Colon

Heces

189

190

Bioquímica, biología molecular y genética

C. Digestión de carbohidratos en el intestino (ver figura 6-8) El contenido estomacal pasa al intestino, donde el bicarbonato secretado por el páncreas neutraliza el ácido estomacal, con lo que eleva el pH al intervalo óptimo para la acción de las enzimas intestinales. 1. Digestión por enzimas pancreáticas (ver figura 6-8) a. El páncreas secreta una a-amilasa que actúa en la luz del intestino delgado y, como la amilasa salival, rompe enlaces α-1,4 entre residuos glucosa. b. Los productos de la α-amilasa pancreática son los disacáridos maltosa e isomaltosa, trisacáridos, y pequeños oligosacáridos que contienen enlaces α-1,4 y α-1,6. 2. Digestión por enzimas de las células intestinales a. Los complejos de enzimas, producidos por células del epitelio intestinal y localizados en sus bordes en cepillo, continúan la digestión de los carbohidratos (ver figura 6-8). (1) La glucoamilasa (una a-glucosidasa) y otras maltasas escinden residuos de glucosa de los extremos no reductores de los oligosacáridos y también rompen el enlace α-1,4 de la maltosa, con lo que liberan los dos residuos de glucosa. (2) La isomaltasa rompe enlaces α-1,6, con lo que libera residuos de glucosa de oligosacáridos ramificados. (3) La sacarasa convierte sacarosa en glucosa y fructosa. (4) La lactasa (una β-galactosidasa) convierte lactosa en glucosa y galactosa.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La deficiencia de lactasa intestinal es un trastorno común en el cual la lactosa no se digiere y es oxidada por bacterias en el intestino, lo que produce gas, y ocasiona timpanismo y diarrea acuosa. Esto también puede ocurrir en caso de pérdida de células del epitelio intestinal por gastroenteritis viral.

D. Carbohidratos que no pueden digerirse Los polisacáridos indigeribles son parte de la fibra alimentaria que pasa por el intestino a las heces. Por ejemplo, ya que las enzimas producidas por las células humanas no rompen los enlaces β-1,4 de la celulosa, este polisacárido es indigerible.

E. Absorción de glucosa, fructosa y galactosa La glucosa, la fructosa y la galactosa, los productos finales generados por la digestión de los carbohidratos de los alimentos, son absorbidas por las células del epitelio intestinal. 1. Son introducidas en las células por proteínas de transporte, que se mueven a favor de un gradiente de concentración. 2. La glucosa también entra en las células en una proteína de transporte que lleva iones de sodio además del monosacárido. Éste es un proceso de transporte activo secundario. 3. Los azúcares son llevados entonces a la sangre por transportadores facilitativos en el lado seroso de las células del epitelio intestinal.

IV.  ESTRUCTURA Y METABOLISMO DEL GLUCÓGENO •• El glucógeno, principal forma de almacenamiento de glucosa en los animales, consiste en cadenas de residuos de glucosa unidos entre sí por enlaces α-1,4, con ramas unidas por enlaces α-1,6. •• El glucógeno se sintetiza a partir de glucosa (figura 6-9). •• La UDP-glucosa aporta los componentes glucosa, que son agregados a los extremos no reductores de un glucógeno cebador por la glucógeno sintasa. •• Las ramas son formadas por una enzima ramificante, la glucosil-4:6 transferasa. •• La degradación del glucógeno genera glucosa-1-fosfato como producto principal, pero también se forma glucosa libre (ver figura 6-9). •• Las unidades glucosa son retiradas de los extremos no reductores de las cadenas de glucógeno por la glucógeno fosforilasa, la cual produce glucosa-1-fosfato.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos Degradación de glucógeno

Glucógeno

Síntesis de glucógeno

glucógeno sintasa 4:6-transferasa (enzima ramificante)

Enzima desramificante

D1

191

S3

Glucógeno cebador

Glucosa (pequeña cantidad)

UDP-G

Otras vías

UDP-glucosa pirofosforilasa

glucógeno fosforilasa

UTP

Glucosa 1-P

S2

fosfoglucomutasa

D2

glucosa-6fosfatasa (sólo en el hígado)

Glucosa 1-P

Pi

Glucosa

hexocinasa glucocinasa (hígado)

ATP

Glucólisis Vía de las pentosa fosfatos Otras vías

S1

Membrana celular Glucosa FIGURA 6-9. Esquema de la síntesis y degradación de glucógeno. S1, S2 y S3 representan los pasos implicados en la síntesis de glucógeno. D1 y D2 representan los pasos implicados en la degradación de glucógeno. UDP-G representa UDP-glucosa, un nucleótido-azúcar activado.

•• Tres de las cuatro unidades glucosa en un punto de ramificación son desplazadas por una glucosil-4:4 transferasa al extremo no reductor de otra cadena. •• La unidad glucosa restante unida por un enlace α-1,6 al punto de ramificación es convertida en glucosa libre por una α-1,6-glucosidasa. •• El glucógeno hepático se usa para mantener la glucemia durante el ayuno o el ejercicio. •• Su degradación es estimulada por glucagón y por adrenalina vía un mecanismo en el que participa el monofosfato de adenosina cíclico (cAMP) (ver Capítulo 3). •• Con el glucógeno muscular se genera ATP para la contracción muscular. •• La adrenalina, vía cAMP, estimula la degradación del glucógeno muscular.

A. Estructura del glucógeno El glucógeno es un polímero ramificado grande que consiste en residuos d-glucosa (ver figura 6-7).

1. Los enlaces entre residuos glucosa son a-1,4 excepto en los puntos de ramificación, donde el enlace es a-1,6. La ramificación es más frecuente en el interior de la molécula y menos frecuente en la periferia; el promedio es de una rama α-1,6 cada ocho a 10 residuos. 2. Una unidad glucosa localizada en el extremo reductor de cada molécula de glucógeno se une a la proteína glucogenina. 3. La molécula de glucógeno se ramifica como un árbol y tiene muchos extremos no reductores en los cuales se producen la adición y liberación de residuos glucosa durante la síntesis y la degradación, respectivamente.

B. Síntesis de glucógeno La UDP-glucosa es el precursor en la síntesis de glucógeno.

1. Síntesis de UDP-glucosa

a. La glucosa entra en las células y es fosforilada a glucosa-6-fosfato por la hexocinasa (o por la glucocinasa en el hígado). El ATP aporta el grupo fosfato. b. La fosfoglucomutasa convierte el glucosa-6-fosfato en glucosa-1-fosfato.

192

Bioquímica, biología molecular y genética

c. El glucosa-1-fosfato reacciona con UTP, y forma UDP-glucosa en una reacción catalizada por UDP-glucosa pirofosforilasa. En esta reacción se libera pirofosfato inorgánico. (1) El PPi es degradado por una pirofosfatasa a 2 Pi. Esta eliminación de producto ayuda a impulsar el proceso hacia la síntesis de glucógeno. 2. Acción de la glucógeno sintasa (figura 6-10) a. La glucógeno sintasa es la enzima reguladora clave de la síntesis de glucógeno. Transfiere residuos glucosa de la UDP-glucosa a los extremos no reductores de un glucógeno cebador. (1) La UDP se libera y reconvierte en UTP por reacción con ATP. b. Los cebadores, que están unidos a la glucogenina, son moléculas de glucógeno que fueron parcialmente degradadas en el hígado durante ayuno o en músculo e hígado durante ejercicio. 3. Formación de ramas (ver figura 6-10) a. Cuando una cadena contiene 11 o más residuos glucosa, del extremo no reductor de la cadena se retira un oligómero de seis a ocho residuos de longitud. Se reinserta mediante un enlace a-1,6 a un residuo glucosa en una cadena con enlaces α-1,4. b. Estas ramas son creadas por la enzima ramificante, una glucosil-4:6 transferasa, que rompe un enlace α-1,4 y forma uno α-1,6. c. Los nuevos puntos de ramificación están por lo menos a cuatro residuos (en promedio a siete a 11 residuos) de puntos de ramificación ya existentes. 4. Crecimiento de cadenas de glucógeno a. La glucógeno sintasa continúa agregando residuos glucosa a los extremos no reductores de las ramas recién formadas así como a los extremos de las cadenas originales. b. Mientras las cadenas siguen creciendo, la enzima ramificante produce ramas adicionales.

Residuo glucosa con enlace -1,4

Residuo glucosa con enlace -1,6

Centro de glucógeno UDP-glucosa UDP

Glucógeno sintasa

Centro de glucógeno 6 UDP-glucosa 6 UDP

Glucógeno sintasa

Centro de glucógeno

4:6-Transferasa (enzima ramificante)

Centro de glucógeno UDP-glucosa

Glucógeno sintasa

Continúa con la síntesis de glucógeno en todos los extremos no reductores

FIGURA 6-10. Síntesis de glucógeno.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos Residuo glucosa con enlace -1,4

193

Residuo glucosa con enlace -1,6

Centro de glucógeno

8 Pi

Glucógeno fosforilasa

4:4-Transferasa

Centro de glucógeno

-1,6-Glucosidasa 1 Glucosa ( ) Centro de glucógeno Glucógeno fosforilasa

FIGURA 6-11. Degradación del glucógeno.

La degradación continúa

C. Degradación del glucógeno (figura 6-11) 1. Acción de la glucógeno fosforilasa a. La glucógeno fosforilasa, la enzima reguladora clave para la degradación del glucógeno, elimina residuos de glucosa, uno a la vez, de los extremos no reductores de las moléculas de glucógeno. b. La fosforilasa utiliza fosfato inorgánico (Pi) para romper enlaces α-1,4, con lo que produce glucosa-1-fosfato. c. La fosforilasa puede actuar sólo hasta a cuatro unidades glucosa de un punto de ramificación. 2. Eliminación de ramas a. Las cuatro unidades que quedan en una rama son retiradas por la enzima desramificante, que tiene actividad tanto de glucosil-4:4 transferasa como de α-1,6-glucosidasa. (1) Tres de los cuatro residuos glucosa que permanecen en el punto de ramificación se retiran como un trisacárido y se unen al extremo no reductor de otras cadena por acción de una 4:4 transferasa, la cual rompe un enlace α-1,4 y forma un nuevo enlace α-1,4. (2) La última unidad glucosa en el punto de ramificación, con enlace α-1,6, es hidrolizada por la a-1,6-glucosidasa, que genera glucosa libre. 3. Degradación de cadenas de glucógeno a. El proceso realizado por las enzimas fosforilasa y desramificante se repite, y genera glucosa-1-fosfato y glucosa libre en una proporción aproximada de 10:1 que refleja la longitud de las cadenas en la región externa de la molécula de glucógeno. 4. Destino de las unidades glucosilo liberadas del glucógeno (ver figura 6-9) a. En el hígado, se degrada glucógeno para mantener la glucemia. (1) El glucosa-1-fosfato es convertido por la fosfoglucomutasa en glucosa-6-fosfato. (2) La glucosa-6-fosfatasa libera fosfato inorgánico, y la glucosa libre pasa a la sangre. Esta enzima también actúa en la gluconeogénesis (ver Sección VI A 3). b. En el músculo, se degrada glucógeno a fin de generar energía para la contracción. (1) La fosfoglucomutasa convierte glucosa-1-fosfato en glucosa-6-fosfato, que ingresa en la vía de la glucólisis y es convertida en lactato o en CO2 y H2O, para generar ATP. (2) El músculo no contiene glucosa-6-fosfatasa y, por lo tanto, no contribuye al mantenimiento de la glucemia.

194

Bioquímica, biología molecular y genética

D. Degradación lisosómica de glucógeno El glucógeno también es degradado por una a-glucosidasa presente en los lisosomas. La degradación lisosómica no es necesaria para mantener la glucemia normal. La falta de actividad de esta enzima causa una enfermedad letal por almacenamiento de glucógeno, la enfermedad de Pompe.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

En las enfermedades por almacenamiento de glucógeno éste se acumula en mayor medida en el hígado, el músculo o ambos. Ocurren deficiencias enzimáticas principalmente en la degradación del glucógeno o su conversión en glucosa. Dado que en hígado y músculo se encuentran diferentes formas de las enzimas (isozimas), es posible que se vea afectado un tejido y no el otro. En el hígado, las enfermedades por almacenamiento de glucógeno causan hepatomegalia y trastornos que van de hipoglucemia leve a insuficiencia hepática. En el músculo causan problemas que van de dificultad para realizar actividad física extenuante a insuficiencia cardiorrespiratoria (tabla 6-2). Algunos de estos trastornos son letales a una edad temprana.

t a b l a

6-2

Enfermedades por almacenamiento de glucógeno

Enzima afectada

Principal órgano afectado

Manifestacionesa

O

Glucógeno sintasa

Hígado

Ib

Glucosa-6-fosfatasa (enfermedad de Von Gierke)

Hígado

II

α-Glucosidasa lisosómica (enfermedad de Pompe): pueden verse síntomas clínicos en niñez, juventud o madurez, según la naturaleza de la mutación

Todos los órganos con lisosomas

III

Amilo-1,6-glucosidasa (desramificante): IIIa es la forma de hígado y músculo, la forma IIIb es específica del hígado, y IIIc es una forma específica de músculo Amilo-4,6-glucosidasa (enzima ramificante) (enfermedad de Andersen)

Hígado, músculo esquelético, corazón

Glucógeno fosforilasa muscular (enfermedad de McArdle) (se expresa en formas del adulto o infantil) Glucógeno fosforilasa hepática (enfermedad de Her) y su sistema activador (incluye mutaciones en fosforilasa cinasa hepática y PKA hepática) Fosfofructocinasa 1 (síndrome de Tarui)

Músculo esquelético

Hipoglucemia, hipercetonemia, retraso en el crecimiento, muerte a edad temprana. Hipertrofia de hígado y riñones, retraso en el crecimiento, hipoglucemia en ayuno grave, acidosis, lipemia, gota, disfunción de trombocitos. Forma infantil: hipotonía muscular progresiva de inicio temprano, insuficiencia cardiaca, muerte antes de los dos años de edad. Forma juvenil: miopatía de inicio más tardío con afección cardiaca variable. Forma del adulto: características tipo distrofia muscular de las cinturas escapular y pélvica. Se forman depósitos de glucógeno en los lisosomas. Hipoglucemia en ayuno; hepatomegalia en la niñez en algunas características miopáticas. Los depósitos de glucógeno tienen ramas externas cortas. Hepatoesplenomegalia; los síntomas pueden deberse a una reacción hepática a la presencia de un cuerpo extraño (glucógeno con ramas externas largas). Por lo común letal. Dolor muscular inducido por actividad, calambres y debilidad progresiva, a veces con mioglobinuria. Hepatomegalia, hipoglucemia leve; buen pronóstico.

GLUT2 (transportador de glucosa/galactosa); síndrome de Fanconi–Bickel

Intestino, páncreas, riñón, hígado

Tipo

IV

V VIc

VII XI

Hígado

Hígado

Músculo, eritrocitos

Como en el tipo V; además, hemólisis enzimopática. Acumulación de glucógeno en hígado y riñones; raquitismo, retraso en el crecimiento, glucosuria.

aTodas

estas enfermedades excepto el tipo 0 se caracterizan por aumento en los depósitos de glucógeno. glucosa-6-fosfatasa está formada por varias subunidades que también transportan glucosa, glucosa-6-fosfato, fosfato y pirofosfato a través de las membranas del retículo endoplásmico. Por lo tanto, hay varios subtipos de esta enfermedad, que corresponden a defectos en las diferentes subunidades. El tipo Ia es falta de actividad de glucosa-6-fosfatasa; el tipo Ib es falta de actividad de glucosa-6-fosfato translocasa; el tipo Ic es falta de actividad de fosfotranslocasa; el tipo Id es falta de actividad de glucosa translocasa. cLas enfermedades por almacenamiento de glucógeno IX (fosforilasa cinasa hepática) y X (proteína cinasa A hepática) se han reclasificado como VI, que ahora se refiere al sistema activador de glucógeno fosforilasa hepática. bLa

Fuentes: Parker PH, Ballew M and Greene HL. Nutritional management of glycogen storage disease. Annu Rev Nutr. 1993;13:83–109. Copyright © 1993 by Annual Reviews, Inc.; Shin YS. Glycogen storage disease: clinical, biochemical and molecular heterogeneity. Semin Ped Neurol. 2006;13: 115–120; Bayraktar Y. Glycogen storage diseases: new perspectives. World J. Gastroenterol. 2007;13:2541-2553.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

195

Glucagón (sólo en el hígado) Adrenalina +

Glucosa

+

Membrana celular Citoplasma

adenilato ciclasa

Proteína G

GTP +

ATP

1

proteína fosfatasa

fosforilasa cinasa (inactiva)

glucógeno fosforilasa b (inactiva)

Pi

ATP

4

ADP

2

Glucosa glucocinasa

Glucosa 6-P

subunidad regulatoria-cAMP glucógeno sintasa– P (inactiva)

ATP

3 fosforilasa cinasa– P (activa)

AMP

cAMP

proteína cinasa A (inactiva) Pi

fosfodiesterasa

ADP

proteína fosfatasa

proteína 5 cinasa A activa ATP

glucógeno sintasa (activa)

ADP

glucógeno fosforilasa a (activa) P

proteína fosfatasa

Glucógeno Pi

Glucosa 1-P

Pi

UDP-Glucosa

6

Glucosa 1-P

Glucosa 6-P Hígado Glucosa-6fosfatasa Glucosa sanguínea

FIGURA  6-12. Regulación hormonal de la síntesis y degradación de glucógeno. Las líneas de trazo continuo indican reacciones que predominan cuando abundan glucagón o adrenalina. Los pasos 1 a 6, indicados por números dentro de círculos, corresponden a las secciones IV E 1 a 6 del texto. Las líneas de trazo discontinuo verdes indican reacciones que disminuyen en el hígado de individuos en ayuno (también se promueven en presencia de insulina). Note que la proteína cinasa A fosforila tanto la fosforilasa cinasa como la glucógeno sintasa.

E. Regulación de la degradación del glucógeno (figura 6-12) 1. Las hormonas que utilizan AMP 3',5'-cíclico (cAMP) como segundo mensajero estimulan un mecanismo que causa la fosforilación de enzimas.

2. Se estimula la degradación de glucógeno, y se inhibe la síntesis cuando las enzimas del metabolismo del glucógeno se fosforilan. a. El glucagón actúa en las células hepáticas, y la adrenalina (epinefrina) actúa tanto en las hepáticas como en las musculares para estimular la degradación de glucógeno. (1) Estas hormonas, vía proteínas G, activan la adenilato ciclasa en la membrana celular, que convierte ATP en cAMP (figuras 4-10 y 4-17). (2) La adenilato ciclasa también se llama adenil-ciclasa o adenilil-ciclasa. b. El cAMP activa la proteína cinasa A (ver figura 6-12), que consta de dos subunidades reguladoras y dos catalíticas. El cAMP se une a las subunidades reguladoras (inhibidoras) y escinde las subunidades catalíticas en una forma activa. c. La proteína cinasa A fosforila la glucógeno sintasa, lo cual la hace menos activa y por tanto reduce la síntesis de glucógeno. d. La fosforilasa cinasa A fosforila la fosforilasa cinasa. e. La fosforilasa cinasa fosforila la fosforilasa b, convirtiéndola a su forma activa, fosforilasa a. f. La fosforilasa a escinde residuos glucosa de los extremos no reductores de las cadenas de glucógeno, con lo que produce glucosa-1-fosfato, el cual se oxida o, en el hígado, se convierte en glucosa sanguínea. g. Cascada de cAMP

196

Bioquímica, biología molecular y genética

(1) El proceso activado por cAMP es una cascada en la que la señal hormonal inicial es amplificada muchas veces. (a) Una molécula de hormona, al activar la enzima adenilato ciclasa, produce muchas moléculas de cAMP, que activan la proteína cinasa A. (b) Una molécula de proteína cinasa A activa fosforila muchas moléculas de fosforilasa cinasa, las cuales a su vez convierten muchas moléculas de fosforilasa b en fosforilasa a. (c) Una molécula de fosforilasa a produce muchas moléculas de glucosa-1-fosfato a partir de glucógeno. (d) El resultado neto es que una molécula de hormona puede generar decenas de miles de moléculas de glucosa-1-fosfato, que forma glucosa-6-fosfato. La oxidación del glucosa-6-fosfato genera cientos de miles de moléculas de ATP. h. Otros mecanismos reguladores en el músculo (1) Además de la regulación mediada por cAMP, el monofosfato de adenosina (AMP, adenosine monophosphate) y el Ca21 estimulan la degradación de glucógeno en el músculo. (a) La fosforilasa b es activada por el aumento de AMP, que ocurre durante la contracción muscular por las siguientes reacciones: CONTRACCIÓN 2 ATP     2 ADP 1 2 Pi ADENILATO CINASA (MIOCINASA) 2 ADP    AMP 1 ATP SUMA: ATP 

  AMP 1 2 Pi

(b) La fosforilasa cinasa es activada por Ca21, que se libera del retículo sarcoplásmico durante la contracción muscular. 1. El Ca21 se une a la calmodulina, que sirve como una subunidad de fosforilasa cinasa. El cambio conformacional inducido por la unión de calcio a la calmodulina es suficiente para activar la forma no fosforilada de la fosforilasa cinasa.

F. Regulación de la síntesis de glucógeno (ver figura 6-12) La insulina, que se eleva después de una comida, estimula la síntesis de glucógeno en hígado y músculo.

1. Factores que promueven la síntesis de glucógeno en el hígado

a. En el estado posprandial, la degradación del glucógeno disminuye porque el glucagón es bajo, y la cascada de cAMP no está activada. (1) El cAMP es convertido en AMP por una fosfodiesterasa de la membrana celular. (2) Conforme el cAMP disminuye, las subunidades reguladoras vuelven a unir las subunidades catalíticas de la proteína cinasa A, y la enzima se inactiva. (3) La desfosforilación de la fosforilasa cinasa y la fosforilasa a las inactiva. La insulina causa la inactivación de las fosfatasas que desfosforilan estas enzimas. (a) Una fosfatasa clave es la proteína fosfatasa I (PP-1, protein phosphatase). (b) La PP-1 es regulada por un inhibidor proteínico, que se activa mediante fosforilación por proteína cinasa A. El inhibidor, cuando está fosforilado, se une a PP-1 y la inhibe. (c) El complejo PP-1:inhibidor permite la hidrólisis lenta por PP-1 del inhibidor fosforilado. Cuando el inhibitor se desfosforila deja de tener afinidad por PP-1 y se desprende del complejo, lo que da por resultado una PP-1 completamente activa. b. La síntesis de glucógeno es promovida por la activación de la glucógeno sintasa y por el aumento en la concentración de glucosa, la cual entra en las células hepáticas desde la vena porta hepática. (1) La forma fosforilada inactiva de la glucógeno sintasa se desfosforila, lo cual hace que la enzima se active. La insulina causa la activación de la fosfatasa que cataliza esta reacción. 2. Factores que promueven la síntesis de glucógeno en el músculo a. Después de una comida, el músculo tendrá bajas concentraciones de cAMP, AMP y Ca21 si no está contrayéndose y la adrenalina es baja. En consecuencia, no ocurrirá la degradación de glucógeno muscular.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

197

b. La insulina estimula la síntesis de glucógeno por mecanismos similares a los del hígado. c. Además, la insulina estimula el transporte de glucosa hacia las células musculares, lo que aporta más sustrato para la síntesis de glucógeno.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Insulinomas y glucagónomas son tumores neuroendocrinos raros del páncreas que pueden liberar de manera episódica grandes cantidades de insulina o glucagón, respectivamente. Los insulinomas ocasionarán hipoglucemia, debido a estimulación del transporte de glucosa al interior de células musculares y adiposas, en particular si la insulina se libera en condiciones de ayuno. Los glucagónomas ocasionarán hiperglucemia ya que se indica al hígado que libere glucosa vía glucogenólisis y gluconeogénesis en presencia de glucagón.

V. GLUCÓLISIS •• La glucólisis es la vía por la cual la glucosa se convierte en piruvato. Ocurre en el citosol de todas las células del organismo. •• En las reacciones iniciales, una hexosa es fosforilada dos veces por ATP y luego degradada a dos triosa fosfatos. •• La glucosa se fosforila a glucosa-6-fosfato, que se isomeriza a fructosa-6-fosfato. •• La fructosa-6-fosfato es fosforilada por la enzima reguladora clave, fosfofructocinasa-1. El producto es fructosa-1,6-bisfosfato, que se degrada a dos triosa fosfato. •• En la segunda serie de reacciones, las triosa fosfato producen ATP. •• En general, la glucólisis produce ATP, NADH y piruvato. •• El ATP es producido de manera directa por reacciones catalizadas por fosfoglicerato cinasa y piruvato cinasa. •• Aunque el NADH producido en el citosol no puede entrar de manera directa en las mitocondrias, mediante una lanzadera es posible introducir equivalentes reductores en este organelo, donde generan ATP. •• El piruvato puede entrar en las mitocondrias y convertirse en acetil-CoA, que es oxidado en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA, tricarboxylic acid), con lo que se genera más ATP. •• El piruvato también puede convertirse en oxaloacetato (OAA) mediante una reacción que repone los intermediarios del ciclo de los TCA, y puede reducirse a lactato o transaminarse a alanina.

A. Transporte de glucosa al interior de las células 1. La glucosa viaja a través de la membrana celular en una proteína de transporte. 2. La insulina estimula el transporte de glucosa al interior de las células musculares y adiposas al hacer que proteínas transportadoras de glucosa (GLUT4) intracelulares se desplacen a la membrana celular (tabla 6-3). 3. La insulina no estimula en forma significativa el transporte de glucosa al interior de tejidos como hígado, encéfalo o eritrocitos.

t a b l a

6-3

Efecto de la insulina en los sistemas de transporte de glucosa de diversos tejidos

Tejidos Hígado Encéfalo Eritrocitos Adiposo Músculo 0 indica sin efecto; 1 indica estimulación.

Efecto de la insulina en el transporte de glucosa 0 0 0 1 1

198

Bioquímica, biología molecular y genética

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La deficiencia de GLUT1 puede tener graves consecuencias. El transportador GLUT1 transpone glucosa a través de la barrera hematoencefálica. Cuando un alelo es defectuoso, el ritmo de entrada de glucosa en el sistema nervioso es insuficiente para las necesidades de las células, lo que ocasiona convulsiones, retraso del desarrollo y microcefalia. El tratamiento consiste en una dieta cetógena, rica en grasas, a fin de producir cuerpos cetónicos como una fuente alterna de energía para el sistema nervioso. B. Reacciones de la glucólisis (figura 6-13) 1. La glucosa es convertida en glucosa-6-fosfato en una reacción que emplea ATP y produce ADP. a. Enzimas: hexocinasa en todos los tejidos y, en hígado y páncreas, glucocinasa. Ambas enzimas están sujetas a mecanismos regulatorios. O H

C

O

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

ATP

ADP

H

C

CH2OH

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

hexocinasa (glucocinasa en el hígado)

C

O

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

fosfoglucosa isomerasa 2–

CH2OPO3

CH2OH D-Glucosa

Porción isomerizada de aldehído a cetoazúcar

2–

CH2OPO3

Glucosa-6-fosfato

Fructosa-6-fosfato ATP fosfofructocinasa 1

2–

CH2OPO3

ADP

C

2–

CH2OPO3 Ruptura aldólica

C

O

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

O

CH2OH

aldolasa

Dihidroxicetona fosfato O

2–

CH2OPO3

H

C

H

C

Fructosa-1,6-bisfosfato

OH

triosa fosfato isomerasa

2–

CH2OPO3

Gliceraldehído3-fosfato Pi

Gliceraldehído3-fosfato deshidrogenasa

NAD+ NADH + H+ Fosfato de acilo de alta energía H

O

C ~ OPO3 C

2–

OH

2–

CH2OPO3

1,3-Bisfosfoglicerato ADP Fosfato enólico de alta energía O C C

–

O O

CH3 Piruvato

O

ATP ADP piruvato cinasa

–

C O C~

2– OPO3

CH2 Fosfoenolpiruvato

fosfoglicerato cinasa

ATP O H 2O enolasa

H

O

–

C

O

C

2– OPO3

CH2OH 2-Fosfoglicerato

fosfogliceromutasa

H

–

C

O

C

OH

2–

CH2OPO3

3-Fosfoglicerato

FIGURA 6-13. Reacciones de la glucólisis. Estas reacciones ocurren en el citosol. Los fosfatos de alta energía se indican mediante las líneas onduladas verdes.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

199

2. La glucosa-6-fosfato se isomeriza a fructosa-6-fosfato. a. Enzima: fosfoglucosa isomerasa

3. La fructosa-6-fosfato es fosforilada por ATP, y forma fructosa-1,6-bisfosfato y ADP. Esta reacción es el primer paso limitante (o "regulador") de la glucólisis. a. Enzima: fosfofructocinasa 1 (PFK1, phospho fructokinase) b. La PFK1 es regulada por varios efectores. 4. La fructosa-1,6-bisfosfato es degradado a las triosas fosfato gliceraldehído-3-fosfato y dihidroxicetona fosfato (DHAP, dihydroxyacetone phosphate). a. Enzima: aldolasa 5. El DHAP se isomeriza a gliceraldehído-3-fosfato. a. Enzima: triosa fosfato isomerasa (1) Nota: el resultado neto de las reacciones 1 a 5 es que se forman 2 mol de gliceraldehído-3-fosfato a partir de 1 mol de glucosa, a expensas de dos enlaces de alta energía. 6. El gliceraldehído-3-fosfato es oxidado por NAD1 y reacciona con fosfato inorgánico para formar 1,3-bisfosfoglicerato y NADH 1 H1. a. Enzima: gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa b. El grupo aldehído del gliceraldehído-3-fosfato se oxida a un ácido carboxílico, que forma un anhídrido de alta energía con fosfato inorgánico. c. Un residuo cisteína en el sitio activo es esencial para que esta reacción tenga lugar. 7. El 1,3-bisfosfoglicerato reacciona con ADP para producir 3-fosfoglicerato y ATP. a. Enzima: fosfoglicerato cinasa 8. El 3-fosfoglicerato es convertido en 2-fosfoglicerato por la transferencia del grupo fosfato del carbono 3 al carbono 2. a. Enzima: fosfogliceromutasa 9. El 2-fosfoglicerato se deshidrata a fosfoenolpiruvato (PEP, phosphoenolpyvurate), lo que crea un fosfoenol de alta energía. a. Enzima: enolasa 10. El fosfoenolpiruvato reacciona con ADP para formar piruvato y ATP en la última reacción de la glucólisis. a. Enzima: piruvato cinasa La piruvato cinasa es más activa en el estado posprandial que en el de ayuno. 11. El resumen de las reacciones de la vía glucolítica es que glucosa 1 2 NAD1 1 2 Pi 1 2 ADP rinde 2 piruvato 1 2 NADH 1 4 H1 1 2 ATP 1 2 H2O.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La deficiencia de piruvato cinasa causa baja producción de ATP en la glucólisis. Los eritrocitos tienen ATP insuficiente para sus bombas de membrana, y el resultado es anemia hemolítica, aunque el suministro de oxígeno a los tejidos no necesariamente se ve afectado. A medida que se acumula fosfoenolpiruvato, es convertido en 2-fosfoglicerato, lo que incrementa los valores de 2,3-bisfosfoglicerato en los eritrocitos. La concentración elevada de 2,3-bisfosfoglicerato promueve una mayor liberación de oxígeno de la hemoglobina en los tejidos que en presencia de valores normales de 2,3-bisfosfoglicerato. C. Reacciones especiales en los eritrocitos 1. En los eritrocitos, el 1,3-bisfosfoglicerato puede convertirse en 2,3-bisfosfoglicerato, un compuesto que reduce la afinidad de la hemoglobina por el oxígeno.

2. El 2,3-bisfosfoglicerato se desfosforila para formar fosfato inorgánico y 3-fosfoglicerato, un intermediario que reingresa en la vía glucolítica.

D. Enzimas reguladoras de la glucólisis (figura 6-14) 1. La hexocinasa se encuentra en la mayoría de los tejidos, y proporciona glucosa-6-fosfato para la producción de ATP incluso cuando la glucemia es baja. a. La hexocinasa tiene baja Km para la glucosa (alrededor de 0.1 mM). Por lo tanto, funciona cerca de su velocidad máxima (Vmáx), incluso con concentraciones sanguíneas de glucosa en ayuno (alrededor de 5 mM).

200

Bioquímica, biología molecular y genética Glucosa

– hexocinasa

Glucosa 6-P

Fructosa 6-P ATP

+ –

fosfofructocinasa 1 AMP, F-2,6-bisP ATP, citrato ADP Fructosa-1,6-bisfosfato Gliceraldehído 3-P Pi NAD+ NADH + H+ 1,3-Bisfosfoglicerato ATP

PEP piruvato cinasa + –

NAD+

F-1,6-bisP ATP

ATP

NADH

Lactato

Piruvato

NAD+ NADH

Piruvato piruvato deshidrogenasa

Acetil-CoA

+ –

ADP, Ca2+ NADH, acetil-CoA

Mitocondria

FIGURA  6-14. Principales sitios de regulación en la vía glucolítica. Hexocinasa y PFK1 son las principales enzimas reguladoras en el músculo esquelético. La actividad de piruvato deshidrogenasa en las mitocondrias determina si el piruvato es convertido en lactato o acetil-CoA. En el hígado, glucocinasa, PFK1 (activada por F-2,6-P) y piruvato cinasa son las enzimas clave. La regulación mostrada para piruvato cinasa sólo se aplica para la isozima hepática (L, liver).

b. La hexocinasa es inhibida por su producto, el glucosa 6-fosfato. Por lo tanto, es más activa cuando el glucosa-6-fosfato se utiliza con rapidez. 2. La glucocinasa se encuentra en hígado y pancreas y funciona a una velocidad significativa sólo después de una comida. a. La glucocinasa tiene Km elevada para la glucosa (alrededor de 6 mM). Por lo tanto, es muy activa después de una comida cuando la concentración de glucosa en la vena porta hepática es alta, y es relativamente inactiva en el ayuno, cuando la glucemia es baja. b. La glucocinasa se induce cuando los valores de insulina son altos. c. La glucocinasa no es inhibida por su producto, el glucosa-6-fosfato, a concentraciones fisiológicas. d. La glucocinasa es regulada por una proteína reguladora de glucocinasa, que se une a la glucocinasa a bajas concentraciones de glucosa y la secuestra en el núcleo. Cuando la glucemia aumenta, la glucocinasa es llevada de vuelta al citoplasma y liberada de la proteína reguladora. 3. La PFK1 es regulada por varios factores. Funciona a un ritmo acelerado en el hígado cuando la glucemia es alta o en células como las musculares cuando se requiere ATP.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

Fructosa-2,6-bisP

Posprandial

Glucosa 6-P

4

Ayuno

Pi

PK2 - P

proteína cinasa A + cAMP

3

ADP ATP

5

fosfatasa + insulina

Fructosa 6-P

Pi

PFK 2

1

201

ADP

ATP +

2

PFK 1

ATP ADP

Fructosa-1,6-bisP FIGURA 6-15. Regulación de la concentración de F-2,6-P en el hígado. El F-2,6-P es un activador de la fosfofructocinasa 1 (PFK1), que convierte fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bisfosfato. La fosfofructocinasa 2 (PFK2) actúa como una cinasa en el estado posprandial y como una fosfatasa durante el ayuno. Regula las concentraciones celulares de fructosa-2,6-bisfosfato. Los números en un círculo corresponden a las secciones V D 3 (1) a (5) en el texto.

a. La PFK1 es activada por el fructosa-2,6-bisfosfato (F-2,6-P), un importante mecanismo regulatorio en el hígado (figura 6-15). (1) Después de una comida, la fosfofructocinasa 2 (PFK2) forma F-2,6-P a partir de fructosa-6fosfato. (2) El F-2,6-P activa la PFK1, y se estimula la glucólisis. El hígado utiliza la glucólisis para producir ácidos grasos en la síntesis de triacilglicerol. (3) En el estado de ayuno (cuando el glucagón está elevado), la PFK2 es fosforilada por proteína cinasa A, la cual es activada por cAMP. (4) La PFK2 fosforilada convierte el F-2,6-P en fructosa-6-fosfato. La concentración de F-2,6-P disminuye, y la PFK1 es menos activa. (5) En el estado posprandial, la insulina estimula las fosfatasas (como la PP-1). Una fosfatasa desfosforila PFK2, lo cual la hace más activa para formar F-2,6-P a partir de fructosa-6-fosfato. La concentración de F-2,6-P aumenta, y la PFK1 es más activa. (6) Así, la PFK2 actúa como una cinasa (en el estado posprandial, cuando está desfosforilada) y como una fosfatasa (en el estado de ayuno cuando está fosforilada). La PFK2 cataliza dos reacciones distintas. (7) La isozima muscular de la PFK2 no es regulada por fosforilación, aunque la isozima cardiaca sí lo es, y en el corazón la actividad de cinasa de la PFK2 es inducida por fosforilación (lo opuesto de lo que ocurre en el hígado). b. La PFK1 es activada por AMP, un importante mecanismo regulatorio en el músculo (ver figura 6-14). (1) En el músculo durante el ejercicio, las concentraciones de AMP son altas y las de ATP son bajas. (2) La glucólisis es promovida por una PFK1 más activa, y se genera ATP. c. La PFK1 es inhibida por ATP y citrato, los mecanismos regulatorios importantes en el músculo. (1) Cuando el ATP es elevado, la célula no necesita ATP, y la glucólisis se inhibe. (2) Las altas concentraciones de citrato indican que en el ciclo de los TCA ingresan cantidades adecuadas de sustrato, y que las concentraciones intramitocondriales de NADH y ATP son altas. Por ello, la glucólisis se desacelera. 4. Piruvato cinasa a. La piruvato cinasa es activada por fructosa-1,6-bisfosfato e inhibida por alanina y por fosforilación en el hígado durante el ayuno, cuando los valores de glucagón son altos (ver figura 6-14). (1) El glucagón, vía cAMP, activa la proteína cinasa A, que fosforila y inactiva la piruvato cinasa.

202

Bioquímica, biología molecular y genética Glucosa

Alanina

fosfato de piridoxal alanina aminotransferasa

piruvato carboxilasa

NADH Piruvato ATP CO2

biotina

ADP + Pi Oxaloacetato

NAD+

deshidrogenasa láctica

CO2

Lactato

piruvato deshidrogenasa

NAD+ NADH + H+

Acetil-CoA

FIGURA 6-16. Destino del piruvato.

(2) La inhibición de la piruvato cinasa promueve la gluconeogénesis. (3) La isozima muscular de la piruvato cinasa no es regulada por fosforilación. b. La piruvato cinasa se activa en el estado posprandial. (1) La insulina estimula fosfatasas que desfosforilan y activan la piruvato cinasa.

E. Destino del piruvato (figura 6-16) 1. Conversión en lactato a. El NADH puede reducir el piruvato en el citosol, al formar lactato, y regenerando NAD1. La enzima es la deshidrogenasa láctica (o lactato deshidrogenasa, LDH). (1) El NADH, que se produce por glucólisis, debe reconvertirse en NAD1 de modo que los carbonos de la glucosa puedan seguir fluyendo por la vía de la glucólisis. Esto es de particular importancia en condiciones anaeróbicas.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

El aumento de la concentración de lactato en la sangre causa acidosis (lactoacidosis). Este trastorno puede deberse a hopoxia o a ingestión de alcohol. La falta de oxígeno frena la cadena de transporte de electrones, por lo que aumentan los valores de NADH. Esto hace que se convierta en lactato más piruvato de lo normal. La concentración elevada de NADH por metabolismo de alcohol también incrementa la conversión de piruvato en lactato. La deficiencia de tiamina, común en los alcohólicos, reduce la actividad de piruvato deshidrogenasa, lo cual hace que se acumule piruvato y forme lactato. La deficiencia de tiamina también desacelera el ciclo de los TCA en el paso de la α-cetoglutarato deshidrogenasa. Éste y otros trastornos que frenan el ciclo de los TCA también pueden producir lactoacidosis. (2) La LDH convierte piruvato en lactato. La LDH consta de cuatro subunidades que pueden ser del tipo muscular (M) o del tipo cardiaco (H, heart). (a) Existen cinco isozimas (MMMM, MMMH, MMHH, MHHH y HHHH), que pueden separarse por electroforesis. (b) Diferentes tejidos tienen diferentes mezclas de estas isozimas. (3) El lactato es liberado por los tejidos (p. ej., eritrocitos o músculo en actividad física) y usado por el hígado para la gluconeogénesis o por tejidos como el cardiaco y renal, donde se convierte en piruvato y se oxida para producir energía. (4) La reacción de la LDH es reversible. 2. Conversión en acetil-CoA a. El piruvato puede entrar en las mitocondrias y ser convertido por la deshidrogenasa pirúvica o (piruvato deshidrogenasa) en acetil-CoA, capaz de participar en el ciclo de los TCA. 3. Conversión en oxaloacetato a. El piruvato puede ser convertido en oxaloacetato por la piruvato carboxilasa, una enzima presente en tejidos como hígado y encéfalo, y hace poco se demostró que también se encuentra en el músculo. b. Esta reacción sirve para reponer los intermediarios del ciclo de los TCA.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

203

4. Conversión en alanina a. El piruvato puede transaminarse para formar el aminoácido alanina.

F. Generación de ATP por glucólisis 1. Producción de ATP y NADH en la vía glucolítica a. De manera global, cuando 1 mol de glucosa se convierte en 2 mol de piruvato, se usan 2 mol de ATP en el proceso, y se producen 4 mol de ATP para un rendimiento neto de 2 mol de ATP. Además, se generan 2 mol de NADH citosólico. 2. Energía generada por la conversión de glucosa en lactato a. Si el NADH generado por la glucólisis se usa para reducir piruvato a lactato, el rendimiento neto es de 2 mol de ATP por mol de glucosa convertido en lactato. 3. Energía generada por la conversión de glucosa en CO2 y H2O (figura 6-17) a. Cuando la glucosa se oxida por completo a CO2 y H2O, se generan alrededor de 30 o 32 mol de ATP. (1) Se generan 2 mol de ATP y 2 mol de NADH a partir de la conversión de 1 mol de glucosa en 2 mol de piruvato. (2) Los 2 mol de piruvato entran en las mitocondrias y son convertidos en 2 mol de acetil-CoA, que producen 2 mol de NADH, que generan cerca de 5 mol de ATP por fosforilación oxidativa. (3) Los 2 mol de acetil-CoA se oxidan en el ciclo de los TCA, para generar alrededor de 20 mol de ATP. (4) El NADH, producido en el citosol por glucólisis, no puede cruzar de manera directa la membrana mitocondrial. Por lo tanto, los electrones pasan a la cadena de transporte de electrones mitocondrial mediante dos sistemas lanzadera. (a) Lanzadera de glicerol fosfato (figura 6-18) 1. El DHAP citosólica es reducida a glicerol-3-fosfato por el NADH. 2. La glicerol-3-fosfato reacciona con una deshidrogenasa unida a FAD en la membrana mitocondrial interna. La DHAP se regenera y reingresa en el citosol. 3. Cada mol de FADH2 que se produce genera alrededor de 1.5 mol de ATP vía fosforilación oxidativa. 4. Dado que la glucólisis produce 2 mol de NADH por mol de glucosa, esta lanzadera pruduce cerca de 3 mol de ATP. (b) Lanzadera de malato y aspartato (ver figura 6-19) 1. El oxaloacetato citosólico es reducido a malato por el NADH. La reacción es catalizada por la deshidrogenasa málica (malato deshidrogenasa) citosólica. 2. El malato entra en la mitocondria y es reoxidado a oxaloacetato por la deshidrogenasa málica mitocondrial, lo que genera NADH en la matriz. 3. El oxaloacetato no puede cruzar la membrana mitocondrial. Para reintegrar carbono al citosol, el oxaloacetato se transamina a aspartato, que puede ser

Glucosa 2 NADH

lanzaderas

˜ 3 o 5 ATP 2 ATP

2 Piruvato piruvato deshidrogenasa

2 NADH

˜ 5 ATP

6 NADH 2 FADH2 2 GTP

˜ 20 ATP

2 Acetil-CoA FIGURA  6-17. Producción de trifosfato de adenosina (ATP) por la conversión de glucosa en CO2. El ATP producido por fosforilación oxidativa es aproximado (lo que se indica con el símbolo ~).

Ciclo de los TCA 4 CO2

Total: ˜ 30 o 32 ATP

204

Bioquímica, biología molecular y genética Glucosa

Piruvato

NAD+ NADH + H+

Glicerol 3-P deshidrogenasa citosólica

Glicerol 3-P Membrana mitocondrial interna

DHAP Glicerol 3-P deshidrogenasa mitocondrial

FAD

FAD(2H)

Cadena de transporte de electrones

FIGURA  6-18. El glicerol 3-P actúa como lanzadera para transferir electrones a través de la membrana mitocondrial interna. DHAP, dihidroxicetona fosfato.

transportado al citosol y reconvertido en oxaloacetato por otra reacción de transaminación. 4. Se debe señalar que el transportador para malato requiere el movimiento opuesto de α-cetoglutarato; para el aspartato se requiere el movimiento opuesto de glutamato. Éstos son transportadores de intercambio a través de la membrana mitocondrial interna. 5. En la matriz mitocondrial, cada mol de NADH genera cerca de 2.5 mol de ATP vía fosforilación oxidativa. 6. Dado que la glucólisis produce 2 mol de NADH por mol de glucosa, se producen alrededor de 5 mol de ATP en esta lanzadera. 4. Producción máxima de ATP a. De manera global, cuando 1 mol de glucosa se oxida a CO2 y H2O, se producen cerca de 30 mol de ATP si se usa la lanzadera de glicerol fosfato, o 32 mol si se usa la lanzadera de malato y aspartato.

VI.  GLUCONEOGÉNESIS (FIGURA 6-20) •• La gluconeogénesis, que ocurre principalmente en el hígado, es la síntesis de glucosa a partir de compuestos distintos de los carbohidratos. •• Los principales precursores para la gluconeogénesis son lactato, aminoácidos (que forman piruvato o intermediarios del ciclo de los TCA), y glicerol (que forma DHAP). Los ácidos grasos de cadena par no producen glucosa neta. Citosol

Mitocondria

Glucosa 2 NAD+

Malato

2 NADH

Oxaloacetato

2 Piruvato

Malato Oxaloacetato

-KG

-KG

Glutamato

Glutamato

TA

TA

Aspartato

NAD+ NADH Cadena transportadora de electrones

Aspartato

Membrana mitocondrial interna

FIGURA 6-19. Lanzadera de malato y aspartato para transferir electrones a través de la membrana mitocondrial interna. El proceso se describe en el texto. α-KG, α-cetoglutarato.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

205

Glucosa Pi

Glucocinasa

glucosa-6-fosfatasa

Glucosa 6-P

Fructosa 6-P Pi

fosfofructocinasa 1

fructosa-1,6-bisfosfatasa

Fructosa-1,6-bisfosfato DHAP Glicerol

Gliceraldehído 3-P

Glicerol 3-P

Fosfoenolpiruvato fosfoenolpiruvato carboxicinasa

Amino ácidos

Ciclo Oxaloacetato de los TCA

piruvato cinasa

Amino ácidos

piruvato carboxilasa

Piruvato piruvato deshidrogenasa

Alanina Lactato

Acetyl CoA FIGURA 6-20. Reacciones clave de la gluconeogénesis a partir de los precursores alanina, lactato y glicerol. Las flechas gruesas indican pasos que difieren de los propios de la glucólisis. Las flechas de trazo discontinuo son reacciones glucolíticas que resultan inhibidas (❙) en condiciones en que se está produciendo la gluconeogénesis.

•• La gluconeogénesis implica varios pasos enzimáticos que no ocurren en la glucólisis; por lo tanto, no se genera glucosa por la simple inversión de la glucólisis. •• La piruvato carboxilasa convierte piruvato en oxaloacetato en la mitocondria. El oxaloacetato es convertido en malato o aspartato, que viaja al citosol y es reconvertido en oxaloacetato. •• La fosfoenolpiruvato carboxicinasa convierte oxaloacetato en fosfoenolpiruvato. Éste forma fructosa-1,6bisfosfato por reversión de los pasos de la glucólisis. •• La fructosa-1,6-bisfosfatasa convierte fructosa-1,6-bisfosfato en fructosa-6-fosfato, que es convertido en glucosa 6-P. •• La glucosa-6-fosfatasa convierte el glucosa-6-fosfato en glucosa libre, que pasa a la sangre. •• La gluconeogénesis se produce en condiciones en que piruvato deshidrogenasa, piruvato cinasa, PFK1 y glucocinasa son relativamente inactivas. La baja actividad de estas enzimas impide que ocurran ciclos fútiles y asegura que, de manera global, el piruvato sea convertido en glucosa. •• La síntesis de 1 mol de glucosa a partir de 2 mol de lactato requiere energía equivalente a cerca de 6 mol de ATP.

A. Reacciones de la gluconeogénesis 1. Conversión de piruvato en fosfoenolpiruvato (figura 6-21) a. En el hígado, el piruvato es convertido en fosfoenolpiruvato.

206

Bioquímica, biología molecular y genética Glucosa PEP 4 Fosfoenolpiruvato carboxicinasa

Citosol

CO2 GDP

+

ADP

GTP

Piruvato cinasa (PK)

Inactiva PK– P

ATP

Alanina

OAA

Piruvato

NADH NAD+

Glucagón vía cAMP

1 NADH

Asp

Malato 3

TG de tejido adiposo

Piruvato 2 Piruvato carboxilasa

Lactato

NAD+

CO2

+

Biotina ATP

Asp

1

OAA 2

+ Activada por – Inhibida por

Enzima inducible Enzima inactiva

El OAA sale de la mitocondria ya sea como 1 aspartato o 2 malato

Malato

NADH NAD

+

AG

–

ADP Pi

Glucagón vía cAMP

NADH Piruvato deshidrogenasa

Mitocondria

AG

Acetil-CoA

Cuerpos cetónicos

FIGURA 6-21. Conversión de piruvato en fosfoenolpiruvato (PEP). Sígase el diagrama comenzando con los precursores alanina y lactato. AG, ácido graso; OAA, oxaloacetato; TG, triacilglicerol.

(1) El piruvato (producido a partir de lactato, alanina y otros aminoácidos) es convertido primero en oxaloacetato por la piruvato carboxilasa, una enzima mitocondrial que requiere biotina y ATP. (a) El oxaloacetato no puede cruzar directamente la membrana mitocondrial interna. Por lo tanto, es convertido en malato o aspartato, que sí pueden hacerlo y reconvertirse en oxaloacetato en el citosol. (2) El oxaloacetato es decarboxilado por la fosfoenolpiruvato carboxicinasa para formar fosfoenolpiruvato. Esta reacción requiere GTP. (3) El fosfoenolpiruvato es convertido en fructosa-1,6-bisfosfato por reversión de las reacciones glucolíticas (figura 6-22). 2. Conversión de fructosa-1,6-bisfosfato en fructosa-6-fosfato (ver figura 6-22) a. La fructosa-1,6-bisfosfato es convertida en fructosa-6-fosfato en una reacción que libera fosfato inorgánico y es catalizada por fructosa-1,6-bisfosfatasa. b. La fructosa 6-P es convertida en glucosa 6-P por la misma isomerasa usada en la glucólisis.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos Glucosa

Pi

ATP Glucocinasa

Glucosa-6-fosfatasa

ADP

(Retículo endoplásmico)

Glucosa-6-fosfato

Fructosa-6-fosfato Fosfofructocinasa 1

ATP

– ATP AMP y F-2,6-P bajos

ADP

207

Pi Fructosa-1,6-bisfosfatasa

Fructosa-1,6-bisfosfato

Dihidroxiacetona fosfato

NADH NAD+ Glicerol cinasa

Glicerol

ATP ADP

Gliceraldehído3-fosfato Pi

NAD+ NADH 1,3-Bisfosfoglicerato

Citosol

ADP Glicerol3-fosfato

ATP 3-Fosfoglicerato

2-Fosfoglicerato – Inhibida por

Enzima inducible Enzima inactiva

H2O Fosfoenolpiruvato (PEP)

FIGURA 6-22. Conversión de fosfoenolpiruvato y glicerol en glucosa. Las reacciones gluconeogénicas se indican con flechas verdes. F-2,6-P,F-2,6-P, fructosa-2,6-bisfosfato.

3. Conversión de glucosa-6-fosfato en glucosa a. El glucosa-6-fosfato libera fosfato inorgánico, que produce glucosa libre la cual pasa a la sangre. La enzima es glucosa-6-fosfatasa. b. La glucosa-6-fosfatasa interviene tanto en la gluconeogénesis como en la glucogenólisis (ver figura 6-12).

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La hipoglucemia (baja concentración sanguínea de azúcar) es causada por la incapacidad del hígado de mantener los valores de glucosa en la sangre. Puede deberse a exceso de insulina, captación celular excesiva de glucosa, o por un defecto en la glucogenólisis o la gluconeogénesis. Esto es consecuencia de enfermedad hepática, tumores secretores de insulina, o administración de dosis excesivas de insulina o sulfonilureas. La ingestión excesiva de alcohol también puede causar hipoglucemia. El metabolismo del alcohol eleva las concentraciones de NADH en el hígado, que inhiben la gluconeogénesis. Se han observado mutaciones extremadamente raras tanto en la fosfoenolpiruvato carboxicinasa como en la fructosa-1,6-bisfosfatasa. Las mutaciones en cualquiera de ellas causarán hipoglucemia; las mutaciones hereditarias en la fosfoenolpiruvato carboxicinasa provocan la muerte a edad temprana.

208

Bioquímica, biología molecular y genética

B. Enzimas que regulan la gluconeogénesis 1. En condiciones de ayuno, el glucagón se eleva y estimula la gluconeogénesis. Debido a los cambios en la actividad de determinadas enzimas, se impide que ocurran ciclos fútiles, y el flujo global de carbono va de piruvato a glucosa (ver figuras 6-21 y 6-22). 2. Un ciclo fútil es la recirculación continua de sustratos y productos con consumo neto de energía y ningún cambio significativo en la concentración de sustratos. Esto también se conoce como reciclado de sustrato, ya que el mismo sustrato se sintetiza y degrada (recicla) de manera continua. a. Piruvato deshidrogenasa (ver figura 6-21) (1) La disminución de insulina e incremento de glucagón estimula la liberación de ácidos grasos a partir de tejido adiposo. (2) Los ácidos grasos viajan al hígado y se oxidan, produciendo acetil-CoA, NADH y ATP que causan la inactivación de la piruvato deshidrogenasa. (3) Dado que la piruvato deshidrogenasa es relativamente inactiva, el piruvato se convierte en oxaloacetato, no en acetil-CoA. b. Piruvato carboxilasa (1) La piruvato carboxilasa, que convierte piruvato en oxaloacetato, es activada por la acetil-CoA (que se genera por la oxidación de ácidos grasos dentro de las mitocondrias). (2) Debe señalarse que la piruvato carboxilasa es activa tanto en el estado posprandial como en el de ayuno. c. Fosfoenolpiruvato carboxicinasa (PEPCK, phosphoenolpyruvate carboxykinase) (1) La PEPCK es una enzima inducible. (2) La transcripción del gen que codifica la PEPCK es estimulada por la unión de proteínas (CREB, proteína de unión a elemento de respuesta a AMP cíclico) que se fosforilan en respuesta a cAMP y por la unión de complejos glucocorticoide–proteína a elementos reguladores en el gen. (3) El aumento en la producción de mRNA para PEPCK conduce a una mayor traducción, de lo que resulta un incremento de las concentraciones de PEPCK en la célula. d. Piruvato cinasa (1) El glucagón, vía cAMP y proteína cinasa A, causa la fosforilación y inactivación de la piruvato cinasa. (2) Ya que la piruvato cinasa es relativamente inactiva, el fosfoenolpiruvato formado a partir de oxaloacetato no se reconvierte en piruvato sino que, en una serie de pasos, forma fructosa-1,6-bisfosfato, que se transforma en fructosa-6-fosfato. e. Fosfofructocinasa 1 (figura 6-22) (1) La PFK1 es relativamente inactiva porque las concentraciones de sus activadores, AMP y F-2,6-P, son bajas y la su inhibidor, ATP, es relativamente alta. f. Fructosa-1,6-bisfosfatasa (1) La concentración de F-2,6-P, un inhibidor de la fructosa-1,6-bisfosfatasa, es baja durante el ayuno. Por lo tanto, la fructosa-1,6-bisfosfatasa es más activa. (2) La fructosa-1,6-bisfosfatasa también se induce en el estado de ayuno. g. Glucocinasa (1) La glucocinasa es relativamente inactiva porque tiene alta Km para la glucosa, y en condiciones que favorecen la gluconeogénesis, la concentración de glucosa es baja. Por lo tanto, la glucosa libre no se reconvierte en glucosa 6-P.

C. Precursores de la gluconeogénesis El lactato, los aminoácidos y el glicerol son los principales precursores de la gluconeogénesis en el ser humano. 1. El lactato es oxidado por NAD1 en una reacción catalizada por LDH para formar piruvato, el cual puede ser convertido en glucosa (ver figura 6-21). a. Entre las fuentes de lactato están eritrocitos y músculo activo. 2. Los aminoácidos para la gluconeogénesis provienen de la degradación de proteína muscular. a. Los aminoácidos se liberan directamente en la sangre desde el músculo, o los carbonos de los aminoácidos son convertidos en alanina y glutamina y se liberan. (1) La alanina también se forma por transaminación de piruvato proveniente de la oxidación de glucosa. (2) La glutamina es convertida en alanina por tejidos como intestino y riñón. b. Los aminoácidos viajan al hígado y aportan carbono para la gluconeogénesis. En términos cuantitativos, la alanina es el principal aminoácido gluconeogénico. c. El nitrógeno de los aminoácidos es convertido en urea.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

209

3. El glicerol, que se deriva de triacilgliceroles de la grasa, reacciona con ATP para formar glicerol3-fosfato, que se oxida a DHAP y se convierte en glucosa (ver figura 6-22).

D. Función de los ácidos grasos en la gluconeogénesis 1. Ácidos grasos de cadena par a. Los ácidos grasos se oxidan a acetil-CoA, que entra en el ciclo de los TCA. b. Por cada dos carbonos de acetil-CoA que entran en el ciclo de los TCA, dos carbonos se liberan como CO2. Por lo tanto, no se produce síntesis neta de glucosa a partir de acetil-CoA. c. La reacción de la piruvato deshidrogenasa es irreversible, por lo que la acetil-CoA no puede ser convertida en piruvato. d. Aunque los ácidos grasos de cadena par no proporcionan carbonos para la gluconeogénesis, la oxidación β de los ácidos grasos genera ATP que impulsa la gluconeogénesis. 2. Ácidos grasos de cadena impar a. Los tres carbonos del extremo carbonilo de un ácido graso de cadena impar son convertidos en propionato. El propionato entra en el ciclo de los TCA como succinil-CoA, que forma malato, un intermediario en la formación de glucosa (figura 6-21).

E. Necesidades de energía para la gluconeogénesis 1. A partir de piruvato (ver figuras 6-21 y 6-22) a. La conversión de piruvato en oxaloacetato por la piruvato carboxilasa requiere un ATP. b. La conversión de oxaloacetato en fosfoenolpiruvato por la fosfoenolpiruvato carboxicinasa requiere un GTP (el equivalente de un ATP). c. La conversión de 3-fosfoglicerato en 1,3-bisfosfoglicerato por la fosfoglicerato cinasa requiere un ATP. d. Dado que se requieren 2 mol de piruvato para formar 1 mol de glucosa, se requieren 6 mol de fosfato de alta energía para la síntesis de 1 mol de glucosa. 2. A partir de glicerol (ver figura 6-22) a. El glicerol entra en la gluconeogénesis al nivel del DHAP. (1) La conversión de glicerol en glicerol-3-fosfato, que se oxida a DHAP, requiere un ATP. (2) Ya que se requieren 2 mol de glicerol para formar 1 mol de glucosa, se requieren 2 mol de fosfato de alta energía para la síntesis de 1 mol de glucosa.

VII.  METABOLISMO DE FRUCTOSA Y GALACTOSA •• Aunque la glucosa es el monosacárido más abundante en los alimentos, también se obtienen cantidades significativas de fructosa y galactosa, principalmente a partir de sacarosa y lactosa. •• Después de que fructosa y galactosa entran en las células, se fosforilan en el carbono 1 y se convierten en intermediarios de las vías del metabolismo de la glucosa. •• La fructosa se metaboliza principalmente en el hígado, donde se convierte en fructosa-1-fosfato y se degrada para producir DHAP y gliceraldehído, el cual se fosforila a gliceraldehído-3-fosfato. Estas dos triosa fosfato son intermediarios de la glucólisis. •• La fructosa puede producirse a partir de sorbitol, que se genera a partir de glucosa. •• La galactosa se fosforila a galactosa-1-fosfato, que reacciona con UDP-glucosa. Los productos son glucosa-1-fosfato y UDP-galactosa, la cual se epimeriza a UDP-glucosa. El resultado neto es que la galactosa se convierte en los componentes glucosa de UDP-glucosa y glucosa-1-fosfato, intermediarios en las vías del metabolismo de la glucosa. •• La UDP-galactosa se usa en la síntesis de glucoproteínas, glucolípidos y proteoglucanos. •• La UDP-galactosa reacciona con glucosa en la glándula mamaria para formar el azúcar de la leche, lactosa. •• La galactosa puede reducirse a galactitol.

A. Metabolismo de la fructosa La principal fuente alimentaria de fructosa es el disacárido sacarosa del azúcar de mesa y la fruta, pero también se encuentra como monosacárido en el jarabe de maíz, que se usa como endulzante.

210

Bioquímica, biología molecular y genética Fructosa

ATP ADP

Glucosa

Fructocinasa

Fructosa 1-P Aldolasa B

Dihidroxiacetona P Gliceraldehído ATP ADP

ATP ADP

hexocinasa

Glucosa 6-P

Glucosa 1-P

Fructosa 6-P Fructosa-1,6-BP

aldolasa B (hígado) aldolasa A (músculo)

triosa cinasa

Gliceraldehído 3-P

Glucógeno

DHAP

Gliceraldehído 3-P

Lactato

Piruvato Ácidos grasos Ciclo de los TCA

FIGURA 6-23. Metabolismo de la fructosa (en verde) y su relación con la glucólisis. En el hígado, la aldolasa B degrada fructosa-1-fosfato (F-1-P) en la vía para la utilización de fructosa, y fructosa-1,6-bisfosfato en la vía para la glucólisis.

1. Conversión de fructosa en intermediarios glucolíticos (figura 6-23) a. La fructosa se metaboliza principalmente en el hígado donde se convierte en piruvato o, en condiciones de ayuno, en glucosa. (1) La fructosa es fosforilada por ATP para formar fructosa-1-fosfato. La enzima es fructocinasa. (2) La fructosa-1-fosfato es degradada por la aldolasa B para formar DHAP y gliceraldehído, que es fosforilado por ATP a gliceraldehído-3-fosfato. La DHAP y gliceraldehído-3-fosfato son intermediarios de la glucólisis. (La aldolasa B es la misma enzima hepática que degrada fructosa-1,6-bisfosfato en la glucólisis.) b. En tejidos distintos del hígado, el principal destino de la fructosa es la fosforilación por hexocinasa para formar fructosa-6-fosfato, que entra en la glucólisis. La afinidad de la hexocinasa por la fructosa es un vigésimo de la que tiene por la glucosa. 2. Producción de fructosa a partir de glucosa (vía de los polioles) a. La glucosa es reducida a sorbitol por la aldosa reductasa, que reduce el grupo aldehído a alcohol. b. El sorbitol es reoxidado entonces en el carbono 2 por la sorbitol deshidrogenasa para formar fructosa. c. La fructosa, derivada de la glucosa en las vesículas seminales, es la principal fuente de energía para las células espermáticas.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Hay dos trastornos relacionados con el metabolismo de la fructosa. Existe deficiencia de fructocinasa en la fructosuria esencial; por lo tanto, la fructosa no puede metabolizarse con la rapidez normal. La concentración sanguínea de fructosa aumenta, y aparece fructosa en la orina. Este trastorno es benigno. La forma más grave es la intolerancia hereditaria a la fructosa (IHF). En la IHF, la aldolasa B, principal isozima hepática de la enzima glucolítica aldolasa, es defectuosa. En tales condiciones, la aldolasa B aún funciona de manera normal en la glucólisis (y otras isozimas de la aldolasa pueden participar en la glucólisis), pero no en el metabolismo de la fructosa (sólo la aldolasa B puede degradar la fructosa-1-fosfato). La fructosa-1-fosfato se acumula e inhibe la producción de glucosa, lo que causa hipoglucemia grave si se ingiere fructosa. Debe evitarse la fructosa (presente principalmente en la sacarosa) en los alimentos.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos Galactosa ATP

Galactocinasa

211

Galactosemia no clásica Galactosemia clásica

ADP

Galactosa-1-fosfato UDPglucosa Epimerasa

Galactosa-1-fosfato uridililtransferasa

UDPgalactosa

Galactosa-1-fosfato

Glucosa-6-fosfato (Hígado)

Glucólisis (otros tejidos)

Glucosa FIGURA  6-24. Conversión de galactosa en intermediarios del metabolismo de la glucosa. La galactosa-1-fosfato uridilil-transferasa es deficiente en la galactosemia clásica, y la galactocinasa, en la galactosemia no clásica.

B. Metabolismo de la galactosa El disacárido lactosa, presente en la leche y sus derivados, es la principal fuente alimentaria de galactosa. 1. Conversión de galactosa en intermediarios de las vías de la glucosa (figura 6-24) a. La galactosa es fosforilada por ATP a galactosa 1-P. La enzima es la galactocinasa. b. El galactosa 1-P reacciona con UDP-glucosa y forma glucosa-1-fosfato y UDP-galactosa. La enzima es la galactosa-1-fosfato uridilil-transferasa. c. La UDP-galactosa se epimeriza a UDP-glucosa en una reacción fácilmente reversible. La enzima es UDP-glucosa epimerasa. d. La repetición de las tres reacciones antes mencionadas da por resultado la conversión de galactosa en UDP-glucosa y glucosa-1-fosfato. (1) En el hígado, estos derivados de glucosa son convertidos en glucosa sanguínea durante el ayuno o en glucógeno después de una comida. En diversos tejidos, el glucosa-1-fosfato forma glucosa 6-P y entra en la glucólisis.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Los trastornos relacionados con el metabolismo de la galactosa provocan galactosemias. La acumulación de altas concentraciones de galactosa en la sangre después de la ingestión de lactosa puede deberse a deficiencia de galactocinasa o a deficiencia de uridilil-transferasa. En ambos trastornos se acumula galactosa y se reduce a galactitol, lo que causa catarata. La deficiencia de uridilil-transferasa es más grave, y produce elevación de galactosa-1-fosfato, la cual inhibe la fosfoglucomutasa y, por tanto, interfiere en la síntesis y degradación de glucógeno. Puede ocurrir hipoglucemia después de la ingestión de galactosa. Debe evitarse la galactosa de los alimentos (presente en mayor medida en la leche y sus derivados, pero también en “endulzantes artificiales” y como “relleno” en algunos medicamentos). 2. Otros destinos de la UDP-galactosa (figura 6-25) a. La UDP-galactosa puede producirse a partir de galactosa o de glucosa vía UDP-glucosa y una epimerasa. (1) La UDP-galactosa aporta componentes galactosa para la síntesis de glucoproteínas, glucolípidos y proteoglucanos. (a) La enzima que agrega unidades galactosa a las cadenas de polisacárido en crecimiento es la galactosil-transferasa. (2) La UDP-galactosa reacciona con glucosa en la glándula mamaria en lactancia para producir el azúcar de la leche lactosa. (a) La proteína modificadora, a-lactoalbúmina, se une a la galactosil-transferasa, con lo que reduce su Km para glucosa de modo que la glucosa se une a galactosa (de UDP-galactosa), formando lactosa.

212

Bioquímica, biología molecular y genética Glucosa Glucosa-6-fosfato Glucosa-1-fosfato

Glucógeno

UDP- glucosa u ri d

Galactosa

Galactosa 1-P Glucosa

epimeras a

ilil - t r a n

UDP- galactosa sfe ra s a

Glucoproteínas Muchas células Glucolípidos Proteoglucanos

galactosil-transferasa 1 a-lactoalbúmina

Glucosa 1-P Glucosa

UDP

Glándula mamaria

Lactosa FIGURA 6-25. Metabolismo de la difosfato de uridina galactosa (UDP-galactosa). La UDP-galactosa puede producirse a partir de glucosa o galactosa de los alimentos.

3. Conversión de galactosa en galactitol a. La aldosa reductasa reduce el aldehído de galactosa a un alcohol, formando galactitol. El galactitol es un epímero C4 del sorbitol.

VIII.  VÍA DE LAS PENTOSAS FOSFATO •• En las reacciones oxidativas irreversibles de la vía, un carbono del glucosa-6-fosfato se libera como CO2; se genera NADPH; y se produce ribulosa-5-fosfato (figura 6-26). •• Se emplea NADPH para la biosíntesis reductiva (en particular de ácidos grasos) y como protección contra el daño oxidativo (p. ej., por reducción de glutatión). •• La ribulosa-5-fosfato aporta ribosa-5-fosfato para la biosíntesis de nucleótidos o genera pentosa fosfato, que entran en la porción no oxidativa de la vía. •• En las reacciones no oxidativas reversibles, las pentosas fosfato producidos a partir de la ribulosa-5-fosfato se convierten en los intermediarios glucolíticos fructosa-6-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato. •• Puesto que las reacciones no oxidativas son reversibles, pueden usarse a fin de generar ribosa-5-fosfato para la síntesis de nucleótidos a partir de intermediarios de la glucólisis.

A. Reacciones de la vía de las pentosas fosfato 1. Reacciones oxidativas (figura 6-27) a. La glucosa 6-P se convierte en 6-fosfogluconolactona, y el NADP1 se reduce a NADPH 1 H1. (1) Enzima: glucosa-6-fosfato deshidrogenasa b. La 6-fosfogluconolactona se hidroliza a 6-fosfogluconato. (1) Enzima: gluconolactonasa c. El 6-fosfogluconato se somete a oxidación, seguida de descarboxilación. Se libera CO2, y se genera un segundo NADPH 1 H1 a partir de NADP1. Los carbonos restantes forman ribulosa-5-fosfato. (1) Enzima: 6-fosfogluconato deshidrogenasa



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

213

Síntesis de ácidos grasos

Glucosa

2

NADP+

Glucosa-6-fosfato

2 NADPH

Oxidativas

Otras reacciones CO2

Reducción de glutatión

Ribulosa-5-fosfato Fructosa-6-fosfato

No oxidativas Ribosa-5-fosfato

Gliceraldehído-3-fosfato NADH

Biosíntesis de nucleótidos

ATP Piruvato Glucólisis

Vía de la pentosa fosfato

FIGURA 6-26. Generalidades de la vía de la pentosa fosfato.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa causa la producción de cantidades insuficientes de NADPH en determinadas condiciones (p. ej., cuando se usan antipalúdicos). Como resultado, el glutatión no se reduce de manera adecuada y, por lo tanto, no está disponible para reducir compuestos que se producen en el metabolismo de esos fármacos. Los eritrocitos se lisan, y puede ocurrir anemia hemolítica. Éste es un trastorno ligado al cromosoma X (ligado al sexo), y los individuos que heredan esta mutación están protegidos en alguna medida contra el paludismo.

2. Reacciones no oxidativas (ver figura 6-26) a. La ribulosa-5-fosfato se isomeriza a ribosa-5-fosfato o se epimeriza a xilulosa-5-fosfato. b. La ribosa-5-fosfato y el xilulosa-5-fosfato experimentan reacciones, catalizadas por transcetolasa y transaldolasa, que transfieren unidades de carbono, y en última instancia forman fructosa6-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato. (1) La transcetolasa, que requiere pirofosfato de tiamina, transfiere unidades de dos carbonos. (2) La transaldolasa transfiere unidades de tres carbonos. 3. Reacciones globales de la vía de las pentosas fosfato (figura 6-28) 3 glucosa 6-P 1 6 NADP1 → 3 ribulosa 5-P 1 3 CO2 1 6 NADPH 3 ribulosa 5-P → 2 xilulosa 5-P 1 ribosa-5-P 2 xilulosa 5-P 1 ribosa-5-P → 2 Fructosa 6-P 1 gliceraldehído-3-P

B. Funciones del NADPH (figura 6-26) 1. La vía de las pentosas fostato produce NADPH para la síntesis de ácidos grasos. En estas condiciones, el fructosa-6-fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato generados en la vía reingresan en la glucólisis.

214

Bioquímica, biología molecular y genética H O C H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

CH2OPO3 2– Glucosa-6-fosfato NADP1

Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa

NADPH 1 H1

O C H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

O

CH2OPO3 2– 6-Fosfoglucono-lactona H2O

Gluconolactonasa

H1

O C

O–

H

C

OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

CH2OPO3 2– 6-Fosfogluconato NADP1 6-Fosfogluconato deshidrogenasa

NADPH 1 H1 CO2

CH2OH C

O

H

C

OH

H

C

OH

CH2OPO3 2– Ribulosa-5-fosfato

FIGURA  6-27. Reacciones oxidativas de la vía de las pentosa fosfato. Estas reacciones son irreversibles. La deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa puede causar anemia hemolítica. El carbono 1 del glucosa-6-fosfato se oxida a un ácido y luego se libera como dióxido de carbono en una oxidación seguida por una descarboxilación. Cada uno de los pasos de oxidación genera NADPH.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos 6 NADPH

215

3 CO2

3 Glucosa 6-P

3 Ribosa 5-P epimerasa

Xilulosa 5-P

isomerasa

Ribosa 5-P

epimerasa

Xilulosa 5-P

transcetolasa

Gliceraldehído 3-P transaldolasa

Fructosa 6-P

Sedoheptulosa 7-P Eritrosa 4-P Fructosa 6-P

transcetolasa

Gliceraldehído 3-P

Glucólisis FIGURA 6-28. Secuencia de reacciones balanceada en la vía de las pentosa fosfatos.

2. El NADPH también se usa para reducir glutatión (g-glutamilcisteinilglicina). a. El glutatión ayuda a prevenir el daño oxidativo a las células al reducir el peróxido de hidrógeno (H2O2) (ver Capítulo 4). b. El glutatión también se usa para transportar aminoácidos a través de las membranas de determinadas células en el ciclo del g-glutamilo.

C. Generación de ribosa-5-fosfato (ver figura 6-26) 1. Cuando las concentraciones de NADPH son bajas, las reacciones oxidativas de la vía pueden usarse a fin de generar ribosa 5-P para la biosíntesis de nucleótidos.

2. Cuando las concentraciones de NADPH son altas, la porción no oxidativa reversible de la vía puede usarse a fin de generar ribosa-5-fosfato para la biosíntesis de nucleótidos a partir de fructosa-6-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato.

IX.  MANTENIMIENTO DE LA GLUCEMIA •• La glucemia se mantiene dentro de un intervalo estrecho, aunque la naturaleza de la alimentación varía mucho y la persona saludable come periódicamente en el día y ayuna entre comidas y por la noche. Incluso en circunstancias en las que una persona no come por periodos prolongados, la glucemia disminuye lentamente. •• Las principales hormonas que regulan la glucemia son insulina y glucagón. •• Después de una comida, la glucosa sanguínea es aportada por carbohidratos de los alimentos. •• Durante el ayuno, el hígado mantiene la glucemia por los procesos de glucogenólisis y gluconeogénesis. •• En las primeras horas de ayuno, la glucogenólisis es principalmente responsable de mantener la glucemia. •• Conforme el ayuno avanza y las reservas de glucógeno disminuyen, la gluconeogénesis se vuelve una fuente adicional importante de glucosa sanguínea. •• Después de alrededor de 30 h, cuando las reservas hepáticas de glucógeno se agotan, la gluconeogénesis pasa a ser la única fuente de glucosa sanguínea.

216

Bioquímica, biología molecular y genética

•• Todas las células usan glucosa como fuente de energía; sin embargo, la producción de glucosa durante el ayuno es de particular importancia para tejidos como encéfalo y eritrocitos. •• Durante el ejercicio, la glucemia también es mantenida por glucogenólisis hepática y gluconeogénesis.

A. Glucemia en el estado posprandial 1. Cambios en las concentraciones de insulina y glucagón (figura 6-29) a. La concentración de insulina en sangre aumenta cuando la comida se digiere, después del aumento de la glucemia. (1) El aumento de las concentraciones sanguíneas de glucosa y determinados aminoácidos (en particular arginina y leucina) causa la liberación de insulina por las células β del páncreas.

Glucagón (pg/ml)

Insulina (μU/ml)

Glucosa (mg/dl)

Ingestión de glucosa 200 100

100 50

70 50 30 0

1

2

3

Horas

Glucagón (pg/ml)

Insulina (μU/ml)

Glucosa (mg/dl)

Ingestión de proteína 200 100

20 10

150 100 50 0

1 Horas

2

3

FIGURA 6-29. Cambios en las concentraciones de glucosa, insulina y glucagón en respuesta a la ingestión de glucosa o proteína.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

217

b. La concentración sanguínea de glucagón cambia según el contenido de la comida. Una comida rica en carbohidratos hace que la concentración de glucagón disminuya. Una comida rica en proteína eleva el glucagón (figura 6-29). (1) Con una alimentación mixta normal, el glucagón permanecerá relativamente constante después de una comida, mientras que la insulina aumentará. 2. Destino de la glucosa de los alimentos en el hígado a. La glucosa se oxida para producir energía. El exceso de glucosa es convertido en glucógeno y en los triacilgliceroles de la lipoproteína de muy baja densidad (VLDL). (1) La enzima glucocinasa tiene alta Km para la glucosa (alrededor de 6 mM), por lo que su velocidad aumenta después de una comida cuando la glucemia se eleva. Con una alimentación rica en carbohidratos se induce la glucocinasa. (2) La insulina promueve la síntesis de glucógeno, lo cual causa la activación de PP-1, la fosfatasa que desfosforila y activa la glucógeno sintasa. (3) También se estimula la síntesis de triacilgliceroles. Éstos son convertidos en VLDL y liberados en la sangre. 3. Destino de la glucosa de los alimentos en los tejidos periféricos a. Todas las células oxidan glucosa para producir energía. (1) La insulina estimula el transporte de glucosa a las células adiposas y musculares. (2) En el músculo, la insulina estimula la síntesis de glucógeno. (3) Las células adiposas convierten glucosa en el componente glicerol para la síntesis de triacil­gliceroles. 4. Retorno de la glucemia a valores de ayuno a. La captación de glucosa de los alimentos por los tejidos (en particular hígado, adiposo y músculo) causa que la glucemia disminuya. b. Alrededor de 2 h después de una comida, la glucemia ha vuelto al valor en ayuno de 5 mM u 80 a 100 mg/dl.

B. Glucemia en el estado de ayuno (figura 6-30) 1. Cambios en las concentraciones de insulina y glucagón a. Durante el ayuno, la concentración de insulina disminuye y la de glucagón aumenta. b. Estos cambios hormonales promueven la glucogenólisis y gluconeogénesis en el hígado, de modo que se mantiene la glucemia. 2. Estimulación de la glucogenólisis a. Unas pocas horas después de una comida, al aumentar la concentración de glucagón, se es­ timula la glucogenólisis y comienza a suministrar glucosa a la sangre (ver figura 6-12). 3. Estimulación de la gluconeogénesis a. Hacia las 4 h después de una comida, el hígado ya está aportando glucosa a la sangre vía gluconeogénesis y glucogenólisis (figura 6-31). b. Mecanismos regulatorios impiden que ocurran ciclos fútiles y promueven la conversión de precursores gluconeogénicos en glucosa (ver figuras 6-21 y 6-22). 4. Estimulación de la lipólisis (ver figura 6-30) a. Durante el ayuno se estimula la degradación de triacilgliceroles de la grasa, y se liberan en la sangre ácidos grasos y glicerol. b. Los ácidos grasos son oxidados por determinados tejidos y convertidos en cuerpos cetónicos por el hígado. El ATP y el NADH producidos por la oxidación β de los ácidos grasos promueven la gluconeogénesis. c. El glicerol es una fuente de carbono para la gluconeogénesis en el hígado. 5. Funciones relativas de glucogenólisis y gluconeogénesis en el mantenimiento de la glucemia (ver figura 6-31) a. La glucogenólisis se estimula cuando la glucemia desciende al valor en ayuno después de una comida. Es la principal fuente de glucosa sanguínea por las siguientes 8 a 12 h. b. La gluconeogénesis se estimula en las pocas horas (4) siguientes a una comida, y aporta una proporción cada vez mayor de glucosa sanguínea si el estado de ayuno persiste. c. Hacia las 20 h de ayuno, gluconeogénesis y glucogenólisis son aproximadamente iguales como fuentes de glucosa sanguínea. d. Cuando las reservas hepáticas de glucógeno se agotan, predomina la gluconeogénesis. e. En alrededor de 30 h de ayuno, el glucógeno hepático se agota, y en lo sucesivo la gluconeogénesis es la unica fuente de glucosa sanguínea.

218

Bioquímica, biología molecular y genética Glucógeno Glucagón

Hígado

+

+

cAMP

Glucosa 1-P

Glucosa 6-P Fructosa 6-P

DHAP Gliceraldehído 3-P

Glicerol Glicerol

OAA

PEP

Ácidos grasos

CO2 cAMP

–

Glucosa +

Lactato

Glucagón

Aminoácidos

N

Acetil-CoA

Encéfalo

Fructosa-1,6-bisP

Piruvato Ácidos grasos

Glucosa

Eritrocito

Urea

Lactato

Cuerpos cetónicos Cuerpos cetónicos

Triacilglicerol

Tejido adiposo

Sangre

Aminoácidos

Urea

Músculo

Riñones

Orina

Glucosa oxidada (g/h)

FIGURA 6-30. Interrelaciones de los tejidos en la producción de glucosa durante el ayuno. Síganse los precursores lactato, aminoácidos y glicerol hasta la glucosa sanguínea.

40

Glucosa ingerida

20 Glucogenólisis

Gluconeogénesis

8 16 24

2 8 16 24 32 40

Horas

Días

Posprandial

Ayuno

Inanición

FIGURA  6-31. Fuentes de glucosa sanguínea en los estados posprandial, de ayuno y de inanición. Note que la escala cambia de horas a días. (Modificado de Hanson RW, M ­ ehlman MA. (eds). Gluconeogenesis: Its Regulation in Mammalian Species. New York, NY: John Wiley & Sons; 1976:518. Copyright ©1976 by John Wiley & Sons, Inc. Reimpreso con autorización de John Wiley & Sons, Inc.)



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

219

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La diabetes mellitus ocurre por una variedad de mecanismos. La hiperglucemia se debe a deficiencia de insulina (diabetes tipo 1, antes llamada diabetes mellitus insulinodependiente [DMID]) o a disminución de la secreción o incapacidad de los tejidos de reaccionar a la insulina (diabetes tipo 2, antes llamada diabetes mellitus insulinoindependiente [DMII]). Si no se trata la diabetes mellitus, el organismo reacciona como si presentará inanición. Las reservas de combustible se degradan en presencia de glucemia elevada, y puede producirse cetoacidosis, en particular en el tipo 1. Son afectadas muchas vías metabólicas. La exposición de los eritrocitos a la glucosa ocasiona glucosilación de la hemoglobina. Un aumento de la fracción HbA1c por arriba de 6% de la hemoglobina total es una indicación de que la glucemia de un paciente diabético ha estado elevada durante las últimas seis a ocho semanas. Entre los fármacos usados para tratar la diabetes tipo 2 están las sulfonilureas, que incrementan la secreción de insulina por el páncreas, y la metformina, que activa la proteína cinasa activada por AMP en hígado y músculo. La activación de esta enzima reduce la gluconeogénesis, y causa la transposición de transportadores GLUT4 musculares desde vesículas intracelulares hacia la superficie celular. El efecto global es reducir la glucemia sin incrementar la secreción de insulina. Los fármacos que inhiben la glucoamilasa intestinal (una enzima del borde en cepillo que degrada disacáridos y trisacáridos) también pueden reducir la glucemia después de una comida. Sin embargo, en estas condiciones, puede presentarse flatulencia y diarrea debido a que los azúcares son metabolizados por las bacterias colónicas (como en la deficiencia de lactasa). La diabetes juvenil de inicio en la madurez (MODY, maturity onset of diabetes in the young) es un grupo de trastornos de la regulación de la glucosa difíciles de clasificar como diabetes tipo 1 o tipo 2. Muchas formas de MODY son hereditarias, y en la actualidad hay seis genes conocidos que, si mutan, pueden causar MODY. Las mutaciones en los genes que codifican glucocinasa pancreática y factor nuclear 1α de hepatocitos (HNF-1α, hepatocyte nuclear factor 1- alpha) son las más conocidas que causan MODY. Los síntomas expresados por los individuos varían con el gen mutante, pero tienen en común hiperglucemia en condiciones de ayuno.

C. Glucemia durante ayuno prolongado (inanición) Incluso después de cinco a seis semanas de inanición, la glucemia aún está en el rango de 65 mg/dl. Los cambios en la utilización del combustible por diversos tejidos impiden que la glucemia disminuya de manera abrupta durante el ayuno prolongado. 1. La concentración sanguínea de cuerpos cetónicos aumenta, y el encéfalo utiliza cuerpos cetónicos como fuente de energía, lo cual reduce su uso de glucosa sanguínea. 2. Disminuye el ritmo de la gluconeogénesis y, por lo tanto, de la producción de urea por el hígado. 3. Se ahorra proteína muscular. Se usa menos proteína muscular a fin de aportar aminoácidos para la gluconeogénesis.

D. Glucemia durante la actividad física Durante el ejercicio, la glucemia se mantiene esencialmente por los mismos mecanismos que intervienen durante el ayuno. 1. Uso de combustibles endógenos a. Cuando el músculo en actividad se contrae, utiliza ATP. b. El ATP se regenera al principio a partir de fosfato de creatina. c. El glucógeno muscular se oxida para producir ATP. El AMP activa la fosforilasa b, y la Ca21calmodulina activa la fosforilasa cinasa. La hormona adrenalina causa la producción de cAMP, que estimula la degradación de glucógeno (ver figura 6-12). 2. Uso de combustibles procedentes de la sangre a. Cuando el fujo sanguíneo hacia el músculo en actividad aumenta, el músculo capta y oxida la glucosa y los ácidos grasos de la sangre. Una proteína cinasa activada por AMP en el músculo estimula la captación de glucosa en este sitio en ausencia de insulina. b. Cuando la glucemia comienza a disminuir, el hígado, por los procesos de glucogenólisis y gluconeogénesis, mantiene la concentración sanguínea de glucosa.

Autoevaluación Las preguntas 1 a 10 examinan el conocimiento básico del lector acerca de bioquímica básica y no tienen el formato estándar de viñeta clínica. Las preguntas 11 a 35 tienen relevancia clínica y el estilo USMLE.

(A) Glucosa (B) Fructosa y galactosa (C) Galactosa y glucosa (D) Fructosa y glucosa (E) Glucosa, fructosa y galactosa

2.  La degradación inmediata del glucógeno en

Preguntas de conocimiento básico 1.  Después de la digestión de una rebanada de pastel que contiene harina, leche y sacarosa como principales ingredientes, los carbohidratos primordiales que pasan a la sangre son (elija la mejor respuesta):

condiciones normales da origen a: (A) Más glucosa que glucosa-1-fosfato (B) Más glucosa-1-fosfato que glucosa (C) Cantidades iguales de glucosa y glucosa-1-fosfato (D) Ni glucosa ni glucosa-1-fosfato (E) Sólo glucosa-1-fosfato

3.  La fosforilasa cinasa puede describirse mejor como sigue: Activada en respuesta a:

Blanco de la actividad enzimática:

¿Activa en presencia de cafeína?

Sustrato requerido para la actividad enzimática

A

Insulina

Glucógeno fosforilasa

Sí

ATP

B

Insulina

Glucógeno fosforilasa

Sí

GTP

C

Insulina

Enzima ramificante

No

ATP

D

Adrenalina

Enzima ramificante

No

GTP

E

Adrenalina

Glucógeno fosforilasa

Sí

ATP

F

Adrenalina

Glucógeno fosforilasa

Sí

GTP

4.  En un embrión con deficiencia completa de

6.  La cafeína, una metilxantina, se ha agregado

piruvato cinasa, ¿cuántos moles netos de ATP se generan en la conversión de 1 mol de glucosa en 1 mol de piruvato?

a varios tipos celulares. ¿Cuál de los siguientes efectos se esperaría en distintos tipos celulares tratados con cafeína y epinefrina?

(A) 0 (B) 1 (C) 2 (D) 3 (E) 4

(A) Disminución de la actividad de proteína cinasa A hepática (B) Disminución de la actividad de proteína cinasa A muscular (C) Aumento de la actividad de piruvato cinasa hepática (D) Disminución de la actividad de glucógeno sintasa hepática (E) Disminución de la actividad de glucógeno fosforilasa hepática

5.  ¿Cuál de los siguientes es un mecanismo regulatorio empleado por el músculo para la glucólisis? (A) Inhibición de PFK1 por AMP (B) Inhibición de hexocinasa por su producto (C) Activación de piruvato cinasa cuando la concentración de glucagón es elevada (D) Inhibición de aldolasa por fructosa-1,6-bisfosfato (E) Inhibición de glucocinasa por F-2,6-P

220

7.  ¿Cuál de las siguientes opciones ocurre du­ rante la conversión de piruvato en glucosa ­durante la gluconeogénesis? (A) Se requiere biotina como cofactor (B) El carbono del CO2, agregado en una reacción, aparece en el producto final



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

(C) Sólo se utiliza energía en la forma de GTP (D) Todas las reacciones ocurren en el citosol (E) Todas las reacciones ocurren en la mitocondria

8.  Un intermediario común en la conversión de glicerol y lactato en glucosa es: (A) Piruvato (B) Oxaloacetato (C) Malato (D) Glucosa-6-fosfato (E) Fosfoenolpiruvato

9.  La vía de las pentosa fosfato genera: (A) NADH, que puede usarse en la síntesis de ácidos grasos (B) Ribosa-5-fosfato, que puede usarse en la biosíntesis de ATP (C) Piruvato y fructosa-1,6-bisfosfato por la acción directa de transaldolasa y transcetolasa (D) Xilulosa-5-fosfato por una de las reacciones oxidativas (E) Glucosa a partir de ribosa-5-fosfato y CO2

10.  ¿Cuál de los siguientes metabolitos es usado por todas las células para glucólisis, síntesis de glucógeno y vía de la lanzadera de monofosfato de hexosa? (A) Glucosa-1-fosfato (B) Glucosa-6-fosfato (C) UDP-glucosa (D) Fructosa-6-fosfato (E) Fosfoenolpiruvato

Preguntas estilo USMLE 11.  Un paciente tiene un defecto genético que hace que las células del epitelio intestinal produzcan disacaridasas con actividad mucho menor de lo normal. Comparado con una persona saludable, después de comer un tazón de leche y avena endulzada con azúcar de mesa el paciente tendrá mayores concentraciones de (elija la mejor respuesta): (A) (B) (C) (D) (E)

Maltosa, sacarosa y lactosa en heces Almidón en heces Galactosa y fructosa en heces Glucógeno en los músculos Insulina en la sangre

12.  Un lactante que recibe una fórmula sintética tiene un azúcar en sangre y orina. Este compuesto da una prueba de azúcares reductores positiva, pero la prueba resulta negativa

221

cuando se mide con glucosa oxidasa. El tratamiento de sangre y orina con ácido (que rompe enlaces glucosídicos) no eleva la cantidad de azúcar reductor medida. ¿Cuál de los siguientes compuestos es más probable que se encuentre en la sangre y la orina del lactante? (A) Glucosa (B) Fructosa (C) Sorbitol (D) Maltosa (E) Lactosa

13.  Una niña de tres años de edad ha sido melindrosa para comer desde el destete, en particular cuando en la alimentación se incluyen frutas. En tal caso la niña se torna caprichosa, suda y tiene vértigo y letargo. Su madre notó esta correlación, y mientras se omitan las frutas de su alimentación la niña no presenta esos síntomas. El problema de la niña es probable que se deba a: (A) Baja concentración de fructosa en la sangre (B) Alta concentración de gliceraldehído en las células hepáticas (C) Alta concentración de sacarosa en las heces (D) Alta concentración de fructosa-1-fosfato en las células hepáticas (E) Baja concentración de fructosa en la orina

14.  Un niño sano de un año de edad es llevado a una visita programada al médico y se descubre que tiene cataratas en ambos ojos. Los análisis de sangre demuestran concentraciones elevadas de galactosa y galactitol. Para determinar cuál enzima podría ser defectuosa en el niño, ¿cuál metabolito intracelular debe medirse? (A) Galactosa (B) Fructosa (C) Glucosa (D) Galactosa-1-fosfato (E) Fructosa-1-fosfato (F) Glucosa-6-fosfato

15.  Una mujer embarazada con deficiencia de lactasa y que no tolera la leche teme no poder producir leche de sufuciente valor calórico para nutrir a su bebé. Lo mejor que puede decírsele es que: (A) Debe consumir galactosa pura a fin de producir el componente galactosa de la lactosa (B) No podrá amamantar a su bebé porque no puede producir lactosa

222

Bioquímica, biología molecular y genética

(C) La producción de lactosa por la glándula mamaria no requiere la ingestión de leche o sus derivados (D) Puede producir lactosa directamente por degradación de α-lactoalbúmina (E) Una dieta rica en grasas saturadas le permitirá producir lactosa

16.  Un alcohólico crónico tuvo problemas de equilibrio hace poco, se confunde con facilidad y presenta nistagmo. Un análisis de la siguiente enzima determinará la causa bioquímica de los síntomas: (A) Isocitrato deshidrogenasa (B) Transaldolasa (C) Gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (D) Transcetolasa (E) Glucosa-6-fosfato deshidrogenasa

17.  En una prueba de tolerancia a la glucosa un individuo en el estado metabólico basal ingiere una gran cantidad de glucosa. Si el individuo exhibe una respuesta normal, esta ingestión causa lo siguiente: (A) Mayor actividad de glucógeno sintasa en el hígado (B) Aumento del cociente de fosforilasa a sobre fosforilasa b en el hígado (C) Aumento del ritmo de formación de lactato por los eritrocitos (D) Inhibición de la actividad de PP-1 en el hígado (E) Aumento de la actividad de CREB

18.  Un lactante de tres meses estaba irritable y bastante letárgico entre comidas, y comenzó a desarrollar timpanismo. La exploración física demostró hepatomegalia, mientras que el análisis de sangre entre las comidas reveló lactato y ácido úrico elevados, así como hipoglucemia. Muy probablemente este niño tiene una mutación en la siguente enzima: (A) Glucógeno fosforilasa hepática (B) Glucógeno sintasa (C) Glucosa-6-fosfatasa (D) Glucógeno fosforilasa muscular (E) Piruvato cinasa

19.  Un paciente de 16 años de edad con diabetes mellitus tipo 1 es hospitalizado con glucemia de 400 mg/dl. (El intervalo de referencia para la glucosa en sangre es de 80 a 100 mg/dl.) Una hora después de que se inicia la infusión

de insulina, la glucemia ha disminuido a 320 mg/dl. Una hora más tarde es de 230 mg/dl. La glucemia del paciente disminuyó porque la infusión de insulina causó lo siguiente: (A) Estimulación del transporte de glucosa a través de las membranas celulares de hígado y encéfalo (B) Estimulación de la conversión de glucosa en glucógeno y triacilglicerol en el hígado (C) Inhibición de la síntesis de cuerpos cetónicos a partir de la glucosa sanguínea (D) Estimulación de la glucogenólisis en el hígado (E) Inhibición de la conversión de glucógeno muscular en glucosa sanguínea Las preguntas 20 y 21 se basan en el caso que sigue: Un paciente se presenta con una infección bacteriana que produce una endotoxina la cual se descubre, tras extensos análisis de laboratorio, que inhibe la fosfoenolpiruvato carboxicinasa.

20.  El paciente tendría muy poca glucosa producida a partir del siguiente precursor gluconeogénico: (A) Alanina (B) Glicerol (C) Ácidos grasos de cadena par (D) Fosfoenolpiruvato (E) Fructosa

21.  La administración de una dosis alta de glucagón a este paciente dos a tres horas después de una comida rica en carbohidratos daría por resultado lo siguiente: (A) Aumento sustantial de la glucemia (B) Disminución de la glucemia (C) Tendría escaso efecto en la glucemia

22.  La administración de una dosis alta de glucagón a este paciente 30 h después de una comida rica en carbohidratos daría por resultado lo siguiente: (A) Aumento sustancial de la glucemia (B) Disminución de la glucemia (C) Tendría escaso efecto en la glucemia

23.  Un paciente de 65 años de edad refiere de tumefacción, dolor y sensación de raspadura ocasionales en las rodillas. La radiografía revela estrechamiento del espacio articular. El paciente sólo desea que se le prescriban productos “naturales” orales para ayudar a



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

revertir el problema. Los productos disponibles para él son ejemplos de los siguientes tipos de compuestos: (A) Proteoglucanos (B) Polioles (C) Glucolípidos (D) Disacáridos (E) Glucoproteínas Las preguntas 24 y 25 se basan en el caso que sigue: Una mujer sometida a quimioterapia para cáncer de mama presenta timpanismo, diarrea y exceso de gas siempre que toma leche. No había presentado este problema antes.

24.  ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor el mecanismo que causa los síntomas en la paciente? (A) Daño de las glándulas salivales por la quimioterapia (B) Daño del páncreas por la quimioterapia (C) Daño del borde en cepillo intestinal por la quimioterapia (D) Infiltración del cáncer en el intestino delgado (E) Infiltración del cáncer en el páncreas (F) Infiltración del cáncer en las glándulas salivales

25.  Los síntomas que la mujer experimenta se deben a reducción de la síntesis de la siguiente enzima: (A) Sacarasa (B) Lactasa (C) Amilasa (D) Isomaltasa (E) Trehalasa Las preguntas 26 a 28 se basan en el caso que sigue: Un hombre de 50 años de edad con diabetes tipo 2 recibe glipizida para ayudar a controlar su glucemia. Un día no puede recordar si ya tomó el medicamento, así que de manera accidental toma una segunda dosis. Dos horas después, de repente comienza a presentar irritabilidad, temblores, taquicardia y mareo.

26.  El paciente presenta lo siguiente debido a su sobredosis del fármaco: (A) Hiperglucemia (B) Hipoglucemia (C) Lactoacidosis

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(D) Cetoacidosis (E) Hiperamoniemia

27.  Los síntomas del paciente son causados por la siguiente hormona: (A) Insulina (B) Glucagón (C) Epinefrina (D) Glucocorticoesteroides (E) Testosterona

28.  En respuesta a la sobredosis de glipizida, el paciente ha liberado hormonas que causarán la liberación de glucosa por el hígado. Esto ocurre a través de la activación inicial de la siguiente enzima hepática: (A) (B) (C) (D) (E)

Adenilato ciclasa Proteína cinasa A Glucógeno sintasa Fosforilasa cinasa Glucógeno fosforilasa

29.  Un paciente con diabetes tipo 1 se autoinyecta insulina antes de su comida de la tarde, pero se distrae y olvida comer. Unas pocas horas después el individuo se desmaya. Los paramédicos llegan, realizan una prueba de glucemia urgente y encuentran que es de 45 mg/dl. La glucemia era tan baja debido a que el siguiente tejido asimiló la mayor parte de la glucosa en las condiciones dadas: (A) Encéfalo (B) Hígado (C) Eritrocitos (D) Tejido adiposo (E) Células del epitelio intestinal

30.  A un paciente se le diagnostica diabetes tipo 1 poco antes de cumplir 20 años y se le trata con insulina exógena, pero un segundo médico piensa que el paciente no tiene diabetes tipo 1, sino el tipo 2. Una medición de lo siguiente permitiría al médico determinar el diagnóstico correcto: (A) Insulina (B) Péptido C (C) Glucagón (D) Adrenalina (E) HbA1c

31.  A un lactante de tres meses que presentaba convulsiones se le diagnosticó una deficiencia de GLUT1, que da por resultado baja captación de glucosa por el encéfalo. ¿Cuál de los siguientes sustratos aportaba energía a ese órgano?

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Bioquímica, biología molecular y genética

(A) Lactato (B) Aminoácidos (C) Ácidos grasos (D) Glicerol (E) Cuerpos cetónicos Las preguntas 32 y 33 se basan en el caso que sigue: Un hombre de 50 años de edad con el antecedente de arteriopatía coronaria presenta episodios de mareo, temblor, palpitaciones, hambre, cefalea, debilidad y confusión. Entre los episodios se encuentra bien. Tuvo uno de esos epi­sodios durante su última visita al médico, cuando le extrajeron sangre para diversos análisis. Los resultados del laboratorio revelan insulina y péptido C elevados, y glucemia baja.

32.  ¿Cuál de los siguientes diagnósticos concuerda mejor con los síntomas y valores de laboratorio? (A) Insulinoma (B) Feocromocitoma (C) Inyección de insulina exógena (D) Tumor carcinoide (E) Cáncer hepático

33.  Para tratar los síntomas del paciente durante un episodio, ¿cuál de los siguientes fármacos sería el más seguro de administrar? (A) Adrenalina (B) Glucagón (C) Insulina (D) Amilina (E) Testosterona

34.  Los pacientes con diabetes a menudo informan agudeza visual cambiante cuando la glucemia presenta elevación crónica. ¿Cuál de las siguientes opciones podría explicar la agudeza visual fluctuante con la hiperglucemia? (A) Aumento del sorbitol en el cristalino (B) Disminución de la fructosa en el cristalino (C) Aumento de la fosforilación oxidativa en el cristalino (D) Degeneración macular (E) Aumento del galactitol en el cristalino

35.  Una pareja y sus dos hijos pasaban el verano en Panamá, consiguieron fármacos con amigos (sobrantes del viaje del año anterior) para contrarrestar la posibilidad de contagiarse de paludismo durante su estancia en el país. Los miembros de la familia tomaban el medicamento todos los días durante sus vacaciones y al volver a casa siguieron tomándolo por otra semana. Durante el viaje, uno de los hijos se quejó de cansancio; después del regreso estaba aún más cansado y manifestaba dolor en la parte superior del abdomen. Fue llevado al servicio de urgencias, donde se determinó que estaba anémico. La exploración física detallada revela ligero color amarillo de las escleróticas. En presencia del fármaco, el niño tenía dificultad para realizar la siguiente reacción: (A) Síntesis de hem (B) Conversión de glutatión oxidado en glutatión reducido (C) Absorción de hierro (lo que reduce la síntesis de hemoglobina) (D) Conversión de superóxido en oxígeno (E) Conversión de peróxido de hidrógeno en oxígeno

Respuestas 1. La respuesta es E.  El pastel contiene almidón, lactosa (azúcar de la leche) y sacarosa (azúcar de mesa). La digestión del almidón produce glucosa. La lactasa degrada la lactosa en galactosa y glucosa, y la sacarasa degrada la sacarosa en fructosa y glucosa. Por tanto, las células del epitelio intestinal absorberán de la luz intestinal, y luego secretarán en la sangre, glucosa, galactosa y fructosa. Las células del epitelio intestinal no usarán estos azúcares como fuente de energía. 2. La respuesta es B.  La fosforilasa produce glucosa-1-fosfato a partir de residuos de glucosa con enlaces α-1,4. La glucosa libre se produce a partir de residuos unidos por enlaces α-1,6 en los puntos de ramificación debido a la actividad de α-1,6-glucosidasa de la enzima desramificante. La degradación del glucógeno produce glucosa-1-fosfato y glucosa en una proporción aproximada de 10:1, que es la proporción de los enlaces α-1,4 y α-1,6. 3. La respuesta es E.  El glucagón en el hígado y la epinefrina tanto en el hígado como en el músculo elevan la concentración de cAMP, lo que activa la proteína cinasa A. La proteína cinasa A fosforila y activa la fosforilasa cinasa, que a su vez fosforila y activa la fosforilasa. Estas reacciones de fosforilación requieren ATP. La enzima ramificante no es un sustrato para la fosforilasa cinasa. Los inhibidores de fosfodiesterasa, como la cafeína, mantienen el cAMP elevado, lo cual permite que la proteína cinasa A sea activa, lo que a su vez mantiene la fosforilasa cinasa activa y en su forma fosforilada. 4. La respuesta es A.  Normalmente se usa 1 mol de ATP para convertir 1 mol de glucosa en 1 mol de glucosa-6-fosfato y un segundo mol de ATP para convertir 1 mol de fructosa-6-fosfato en el bisfosfato. Se producen dos triosa fosfatos en la degradación de fructosa-1,6-bisfosfato. Cuando los dos triosa fosfatos se convierten en piruvato, se generan cuatro ATP, dos por la fosfoglicerato cinasa y dos por la piruvato cinasa. La producción neta es de dos ATP. Si hay deficiencia completa de piruvato cinasa, se producirán dos ATP menos, y por tanto la producción neta de ATP será de cero. No es probable que el embrión sobreviva con deficiencia completa de esta enzima. 5. La respuesta es B.  La hexocinasa es inhibida por su producto, glucosa-6-fosfato. La PFK1 es acti­va­da por AMP y F-2,6-P. El F-2,6-P no inhibe la glucocinasa, ni hay glucocinasa en el músculo. La aldolasa no es inhibida por su sustrato, fructosa-1,6-bisfosfato. La piruvato cinasa es inactivada por fosforilación mediada por glucagón en el hígado, pero no en el músculo. La isozima muscular de la piruvato cinasa no es un sustrato para la proteína cinasa A. Además, las células musculares no reaccionan al glucagón ya que no expresan receptores para glucagón. 6. La respuesta es D.  Si la fosfodiesterasa que degrada cAMP se inhibiera (un efecto de la cafeína) en presencia de epinefrina, la concentración de cAMP se elevaría. La proteína cinasa A se haría más activa en hígado y músculo; la piruvato cinasa se haría menos activa en el hígado; y la actividad de glucógeno sintasa disminuiría en músculo e hígado. La actividad de fosforilasa aumentaría en músculo e hígado debido a la fosforilación constante por la fosforilasa cinasa, que es activada por la proteína cinasa A. 7. La respuesta es A.  En las mitocondrias, el CO2 se agrega al piruvato para formar oxaloacetato. La enzima es piruvato carboxilasa, que requiere biotina y ATP. El oxaloacetato sale de la mitocondria como malato o aspartato y se regenera en el citosol. El oxaloacetato es convertido en fosfoenolpiruvato por una reacción que utiliza GTP y libera el mismo CO2 que se agregó en la mitocondria. El resto de las reacciones ocurren en el citosol. 8. La respuesta es D.  El único intermediario incluido en la lista que la vía de la gluconeogénesis a partir de glicerol tiene en común con la vía de la gluconeogénesis a partir de lactato es el glucosa-6-fosfato. El glicerol entra en la gluconeogénesis como DHAP. Por lo tanto, evita los otros compuestos (piruvato, oxaloacetato, malato y fosfoenolpiruvato) por los cuales los carbonos del lactato deben pasar en su camino a la síntesis de glucosa.

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Bioquímica, biología molecular y genética

9. La respuesta es B.  En las reacciones oxidativas de la vía de las pentosa fosfato, la glucosa es convertida en ribulosa-5-fosfato y CO2, con producción de NADPH. Estas reacciones no son reversibles. La ribosa-5-fosfato y xilulosa-5-fosfato se forman a partir de ribulosa-5-fosfato en dos de las reacciones no oxidativas de la vía. La ribosa-5-fosfato se usa para la biosíntesis de nucleótidos como el ATP. Una serie de reacciones catalizadas por transcetolasa y transaldolasa produce los intermediarios glucolíticos fructosa-6-fosfato y gliceraldehído-3-fosfato. La glucosa se produce por gluconeogénesis en el ser humano, y no directamente en la vía de la lanzadera de monofosfato de hexosa. 10. La respuesta es B.  El glucosa-6-fosfato es común a todas las vías. Puede convertirse en glucosa1-fosfato para la síntesis de glucógeno o ir directamente a la vía de las pentosa fosfato, o bien proceder a través del fructosa-6-fosfato en la glucólisis. La UDP-glucosa se forma a partir de glucosa1-fosfato y puede usarse para formar glucógeno, lactosa, glucoproteínas y glucolípidos. 11. La respuesta es A.  En este paciente, el almidón será digerido por las α-amilasas salival y pancreática a pequeños oligosacáridos y maltosa, pero se producirá una cantidad menor de lo normal de glucosa debido a la deficiencia de disacaridasas del borde en cepillo, que tienen actividad de maltasa, isomaltasa, sacarasa y lactasa. La sacarosa y la lactosa no se degradarán. Habrá más maltosa, sacarosa y lactosa en las heces y menos monosacáridos en la sangre y los tejidos. Los valores de insulina serán menores de lo normal, debido a las bajas concentraciones de glucosa que entran en la sangre. El glucógeno muscular no aumentará, dado que hay menos glucosa en la circulación, y es posible que en estas condiciones no se secrete insulina, la cual se requiere para la entrada de glucosa en el músculo. 12. La respuesta es B.  La fructosa da positivo en la prueba de los azúcares reductores y negativo en la prueba de glucosa oxidasa. Es un monosacárido, y por lo tanto no la degrada el ácido. La glucosa da positivo en la prueba de la enzima glucosa oxidasa. El sorbitol carece de un grupo aldehído o cetona, y por tanto no puede oxidarse en la prueba de azúcares reductores. La maltosa y la lactosa son disacáridos que se someten a hidrólisis ácida, lo cual duplica la cantidad de azúcar reductor. Es probable que este lactante tenga fructosuria benigna o el trastorno más peligroso, IHF. Una prueba de galactosa oxidasa descartaría la posibilidad de que el azúcar fuera galactosa. 13. La respuesta es D.  El paciente tiene IHF, que se debe a una mutación en la aldolasa B. La sacarosa todavía sería degradada por la sacarasa, y por tanto no aumentaría en las heces. La fructosa no se metabolizaría de modo normal, por lo que estaría elevada en la sangre y la orina. La aldolasa B no degradaría el fructosa-1-fosfato, por lo que su concentración sería elevada y el producto, gliceraldehído, no se generaría. 14. La respuesta es D.  En niño tiene una forma de galactosemia. El galactitol elevado entra en el cristalino del ojo y queda atrapado. La diferencia de presión osmótica a ambos lados del cristalino causa la formación de catarata. La galactosa es fosforilada por la galactocinasa a galactosa-1-fosfato, que reacciona con UDP-glucosa en una reacción catalizada por galactosa-1-fosfato uridilil-transferasa para formar UDP-galactosa y glucosa-1-fosfato. Una epimerasa convierte UDP-galactosa en UDPglucosa. Las deficiencias de galactocinasa (forma no clásica) o galactosa-1-fosfato uridilil-transferasa (fórma clásica) causan galactosemia, con concentración elevada de galactosa y galactitol (galactosa reducida) en la sangre. Una medición intracelular de galactosa-1-fosfato puede permitir el diagnóstico definitivo (tal concentración no existirá si el defecto radica en la galactocinasa, y será muy elevada si la galactosa-1-fosfato uridilil-transferasa es defectuosa). 15. La respuesta es C.  La mujer será capaz de amamantar a su bebé, porque puede producir lactosa a partir de aminoácidos y otros carbohidratos. Para ello no tendrá que ingerir galactosa pura, ni siquiera lactosa. La glucosa, que se obtiene por gluconeogénesis o de los alimentos, puede convertirse en UDP-galactosa (glucosa → glucosa-6-fosfato → glucosa-1-fosfato → UDP-glucosa → UDP-galactosa). La UDP-galactosa reacciona con glucosa libre para formar lactosa. La α-lactoalbúmina es una proteína que sirve como el modificador de la galactosil-transferasa, la cual cataliza esta reacción. Los aminoácidos de la α-lactoalbúmina pueden usarse para producir glucosa, pero los productos inmediatos de la degradación de la α-lactoalbúmina no son lactosa. No es posible sintetizar carbohidratos a partir de grasas.



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

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16. La respuesta es D.  El paciente tiene los síntomas del beriberi, que se debe a deficiencia de tiamina. De las enzimas enumeradas, la transcetolasa sería la menos activa debido a que requiere pirofosfato de tiamina como cofactor. Las otras enzimas de la lista no requieren cofactores excepto por las tres deshidrogenasas, que requieren NAD1 o NADP1, según la enzima. 17. La respuesta es A.  Después de la ingestión de glucosa el cociente insulina:glucagón aumenta, la cAMP fosfodiesterasa se activa, la concentración de cAMP desciende, y la proteína cinasa A se inac­ tiva. Esto ocasiona la activación de glucógeno sintasa por PP-1. El cociente de fosforilasa a sobre fosforilasa b también es reducido por PP-1, de modo que la degradación de glucógeno disminuye. Los eritrocitos continúan usando glucosa y forman lactato al ritmo normal, ya que la glucosa es la única fuente de energía para estas células. La CREB también se inactiva en estas condiciones, con lo que disminuye la concentración de PEPCK (vía regulación transcripcional) dentro de la célula. 18. La respuesta es C.  El niño tiene los síntomas de la enfermedad de von Gierke, el cual se debe a falta de actividad de glucosa-6-fosfatasa. En este trastorno no pueden usarse glucógeno hepático ni precursores de la gluconeogénesis (p. ej., alanina y glicerol) para mantener la glucemia normal. El último paso (la conversión de glucosa-6-fosfato en glucosa) es deficiente para la glucogenólisis y la gluconeogénesis. No puede usarse glucógeno muscular para mantener la glucemia, porque el músculo no contiene glucosa-6-fosfatasa. Una glucógeno fosforilasa hepática defectuosa (enfermedad de Her) no afectará la capacidad del hígado de elevar la glucemia mediante la gluconeogénesis. Además, la falta de glucógeno fosforilasa hepática no causa acumulación de ácido láctico y ácido úrico, aunque puede observarse una leve hipoglucemia en ayuno. Los defectos en la glucógeno sintasa hepática (enfermedad por almacenamiento de glucógeno tipo 0) causarán la muerte temprana, con hipoglucemia e hipercetonemia. El músculo no contribuye a la glucemia, por lo que un defecto en la glucógeno fosforilasa muscular (enfermedad de McArdle) no causará los síntomas observados, pero ocasionará intolerancia al ejercicio. Un defecto en la piruvato cinasa provocará anemia hemolítica, pero no los otros síntomas observados en el paciente. 19. La respuesta es B.  La glucemia disminuye porque la insulina estimula el transporte de glucosa a las células musculares y adiposas, y la conversión de glucosa en glucógeno y triacilgliceroles en el hígado. Los cuerpos cetónicos no provienen de la glucosa sanguínea. Durante el ayuno, cuando el hígado produce cuerpos cetónicos, también sintetiza glucosa. El carbono para la síntesis de cuerpos cetónicos proviene de ácidos grasos. La insulina estimula la síntesis de glucógeno, no la glucogenólisis. El glucógeno muscular no es convertido en glucosa sanguínea. 20. La respuesta es A.  La fosfoenolpiruvato carboxicinasa convierte oxaloacetato en fosfoenolpiruvato. Es una enzima gluconeogénica necesaria para la conversión de carbonos de aminoácido y lactato (pero no fosfoenolpiruvato o glicerol) en glucosa. La acetil-CoA proveniente de la oxidación de ácidos grasos no es convertida en glucosa. La fructosa puede convertirse en glucosa sin actividad de PEPCK (fructosa a fructosa-1-fosfato, fructosa-1-fosfato a DHAP y gliceraldehído, gliceraldehído a gliceraldehído-3-fosfato, luego la producción de fructosa-1,6-bisfosfato a partir de DHAP y gliceraldehído-3-fosfato, pérdida de fosfato a fructosa-6-fosfato, isomerización a glucosa-6-fosfato, luego pérdida de fosfato para producir glucosa). 21. La respuesta es A.  De 2 a 3 h después de una comida rica en carbohidratos, las reservas de glucógeno del paciente estarán completas. El glucagón estimulará la glucogenólisis, y la glucemia aumentará. La gluconeogénesis aún estará deteriorado, pero ya que los valores de glucógeno son altos, el hígado será capaz de exportar cantidades significativas de glucosa. 22. La respuesta es C.  Después de 30 h de una comida, normalmente el glucógeno hepático está agotado, y después de este tiempo la glucemia se mantiene sólo por la gluconeogénesis. Sin embargo, en este caso una enzima gluconeogénica clave es inhibida por una endotoxina. Por lo tanto, la gluconeogénesis no ocurrirá al ritmo normal y las reservas de glucógeno se agotarán más rápido de lo normal. La glucemia no cambiará en forma significativa si se administra glucagón después de 30 h de ayuno. 23. La respuesta es A.  El paciente tiene osteoartritis, y quiere usar glucosamina/sulfato de condroitina para dar amortiguamiento a la articulación. Estas moléculas son proteoglucanos, que consisten en cadenas lineales largas de glucosaminoglucanos unidas a una proteína central. Cada cadena está

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Bioquímica, biología molecular y genética formada por disacáridos repetitivos, pero por definición los disacáridos constan de sólo dos azúcares. Un poliol es un polialcohol. Un glucolípido es un esfingolípido, y no contribuye a la estabilidad articular. Las glucoproteínas típicas no se encuentran en las articulaciones, ni se expenden como suplementos orales, lo que sí ocurre con los proteoglucanos.

24. La respuesta es C.  La quimioterapia ataca células en rápida proliferación. Las células externas del recubrimiento intestinal (borde en cepillo) son células en proliferación rápida y suelen ser afectadas por la quimioterapia. La lactasa se encuentra en el borde en cepillo. El cáncer que metastatiza al intestino delgado no afectaría la totalidad del órgano. La infiltración del cáncer al páncreas o a las glándulas salivales tampoco afectaría la actividad de lactasa. 25. La respuesta es B.  La lactasa convierte la lactosa (azúcar de la leche) en glucosa y galactosa. En ausencia de actividad de lactasa (la quimioterapia está destruyendo las células en proliferación rápida, como las del epitelio intestinal, donde se encuentra la lactasa), la lactosa entra en el colon, donde la flora bacteriana la metaboliza a gases y ácidos. Los gases producen flatulencia, y los ácidos causan un desequilibrio osmótico que impulsa el agua a salir del epitelio colónico y entrar en la luz del colon, lo que ocasiona la diarrea. La sacarasa convierte sacarosa (azúcar de mesa) en glucosa y fructosa. La amilasa ayuda a digerir los almidones vegetales. La isomaltasa libera residuos glucosa a partir de oligosacáridos ramificados. La trehalasa degrada la trehalosa, que es un disacárido glucosa α-1,1-glucosa. 26. La respuesta es B.  El paciente se ha hecho hipoglucémico debido a la liberación excesiva de insulina desde el páncreas. La glipizida es una sulfonilurea que estimula esta liberación. Si se consume en exceso, la insulina promoverá la captación de glucosa de la circulación por células adiposas ym ­ usculares, con el resultado de hipoglucemia y glucemia insuficiente para el funcionamiento normal del encéfalo. La lactoacidosis puede deberse a esa sobredosis, pero sería secundaria a los sín­tomas hipoglucémicos observados. No se presentarían concentraciones elevadas de amoniaco, ya que la glipizida no modifica el metabolismo de los aminoácidos. Las altas concentraciones de insulina liberadas por el fármaco inhibirían la liberación de ácidos grasos desde los adipocitos, por lo tanto no se dispondría de precursores de la síntesis de cuerpos cetónicos, y no ocurriría cetoacidosis. 27. La respuesta es C.  El paciente tiene una crisis hipoglucémica. La glipizida es una sulfonilurea que estimula la liberación de insulina desde el páncreas y puede causar hipoglucemia. Se liberan ­glucagón, epinefrina y glucocorticoesteroides para elevar la glucemia. Los síntomas observados en el paciente son efectos secundarios de la epinefrina en el sistema nervioso autónomo. Las concentraciones de testosterona no serían alteradas por la glipizida. 28. La respuesta es A.  La epinefrina, al unirse a su receptor, activa una proteína Gs, la cual se une a adenilato ciclasa y la activa. La adenilato ciclasa convierte ATP en cAMP. Al aumentar la concentración de cAMP, éste se une a las subunidades reguladoras de la proteína cinasa A, lo cual permite que dichas subunidades se liberen de las subunidades catalíticas. Esto activa la proteína cinasa A, que entonces fosforila tanto la glucógeno sintasa como la fosforilasa cinasa. La glucógeno fosforilasa es activada por fosforilación mediante la fosforilasa cinasa. Así, de los procesos enumerados, la activación de la adenilato ciclasa es el suceso inicial. 29. La respuesta es D.  La insulina estimula el transporte de glucosa al interior de las células musculares y adiposas a través de la movilización de transportadores GLUT4 de las vesículas internas a la superficie celular. La insulina no estimula de manera significativa el transporte de glucosa al interior de tejidos como hígado, encéfalo o eritrocitos, que utilizan distintas variantes de los transportadores de glucosa. Sólo GLUT4 reacciona a la insulina. 30. La respuesta es B.  La principal diferencia entre la diabetes tipo 1 y la tipo 2 es la capacidad del organismo de producir insulina endógena. Los pacientes con el tipo 1 no producen insulina, mientras que los enfermos con el tipo 2 sí la producen, pero tienen dificultad para reaccionar a ella. La insulina se sintetiza como preproinsulina, luego es modificada y el péptido C se retira de la molécula, para producir insulina activa. Las personas con diabetes tipo 1 carecen de péptido C (la insulina exógena que se inyecta tampoco tiene péptido C), mientras que en el tipo 2 se produce péptido C. Las concentraciones de glucagón y adrenalina son similares en ambos tipos de diabetes. Dado que el paciente ya recibe insulina, es inútil medir la concentración de insulina madura en la sangre. La concentración de HbA1c mide el control glucémico en las últimas seis semanas, y suele estar



Capítulo 6   Metabolismo de los carbohidratos

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elevada en ambos tipos de diabetes. Medir la HbA1c no permitiría distinguir entre la diabetes tipo 1 y la tipo 2 en este paciente. 31. La respuesta es E.  El encéfalo sólo puede usar glucosa o cuerpos cetónicos como fuente de energía. Aunque el corazón puede obtener energía del lactato, el encéfalo no puede hacerlo. Si la glucemia es baja, el único sustrato disponible serían cuerpos cetónicos. Los ácidos grasos no cruzan la barrera hematoencefálica y no son una buena fuente de energía para el encéfalo. El hígado convierte ácidos grasos en cuerpos cetónicos para su uso por el encéfalo. Los aminoácidos son una buena fuente de carbono para la gluconeogénesis, pero el encéfalo no oxida aminoácidos a un ritmo apreciable. El encéfalo no puede usar glicerol como fuente de energía ya que carece de glicerol cinasa, una enzima necesaria en el metabolismo del glicerol. El tratamiento de una deficiencia de GLUT1 es una dieta cetógena, alta en grasas, de modo que de manera continua se generen cuerpos cetónicos a fin de aportar combustible para el encéfalo. 32. La respuesta es A.  Los síntomas y resultados de laboratorio son clásicos de insulinoma. Un insulinoma es un tumor de las células β del páncreas que de manera episódica libera grandes cantidades de insulina. En esos momentos, el paciente experimenta los síntomas de hipoglucemia. Un feocromocitoma es un tumor de la glándula suprarrenal que de manera episódica libera adrenalina y noradrenalina al organismo. Un feocromocitoma no causaría hipoglucemia (la adrenalina estimula el hígado a exportar glucosa), ni elevaría la concentración de insulina o péptido C. Si el paciente estuviera inyectándose insulina, el péptido C sería bajo, ya que la insulina exógena carece de él. Ni un tumor hepático ni un tumor carcinoide liberarían insulina a la sangre. 33. La respuesta es B.  El glucagón es la principal hormona catabólica que contrarresta los efectos de la insulina. Puede elevar la glucemia por estimulación de gluconeogénesis y glucogenólisis. Agregar insulina exacerbaría la situación metabólica, ya que la causa del problema es exceso de insulina. La amilina suprime el efecto del glucagón, y no contrarrestaría los efectos de la alta concentración de insulina. La epinefrina puede ayudar a contrarrestar la insulina y elevar la glucemia, pero sería peligrosa en un paciente con arteriopatía coronaria conocida y palpitaciones. 34. La respuesta es A.  Las concentraciones fluctuantes de azúcares y polioles en el cristalino pueden causar fluctuación de la agudeza visual. En caso de hiperglucemia habría mayor concentración de sorbitol en el cristalino. Éste no contiene mitocondrias y no puede usar el ciclo de los TCA/cadena de transporte de electrones para generar energía. El galactitol causa los mismos problemas que el sorbitol, pero el galactitol es un derivado de la galactosa, mientras que el sorbitol se produce a partir de glucosa. El paciente tiene hiperglucemia, de modo que no se esperaría que se acumulara galactitol en el cristalino. La degeneración macular afecta la retina, pero en este caso es el cristalino el tejido afectado. Reducir la concentración de fructosa en el cristalino reduciría la de sorbitol, lo que aminoraría el problema de agudeza visual, no lo provocaría. 35. La respuesta es B.  El niño carece de actividad de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (un trastorno ligado al sexo) y, como reacción al fármaco (muy probablemente primaquina), presenta anemia hemolítica por la incapacidad de regenerar glutatión reducido para proteger las membranas eritrocíticas del daño oxidativo. El color amarillo de las escleróticas se debe a la acumulación de bilirrubina, ya que la hemoglobina liberada de los eritrocitos no puede ser metabilizada de manera adecuada por el hígado, y convertida en la forma diglucurónido más soluble. El dolor abdominal puede deberse a la formación de cálculos de bilirrubina en la vesícula biliar. La glucosa-6-fosfato deshidrogenasa produce NADPH en los eritrocitos, que es necesario para la glutatión reductasa, la enzima que convierte glutatión oxidado en glutatión reducido. El fármaco no bloquea la síntesis de hem o la absorción de hierro, ni afecta el metabolismo de radicales de oxígeno (por superóxido dismutasa o catalasa).

capítulo

7

Metabolismo de lípidos y etanol

Los principales objetivos clínicos de este capítulo son comprender los principios básicos de los trastornos de los lípidos y su tratamiento, entender la obesidad y la pérdida de peso y familiarizarse con el fundamento de los fármacos que actúan en los eicosanoides.

GENERALIDADES ■ ■ ■

■

■ ■

■

■ ■ ■

■

■

■

230

Los lípidos son un grupo diverso de compuestos relacionados por su insolubilidad en agua. Las membranas contienen lípidos, en particular fosfoglicéridos, esfingolípidos y colesterol. Los triacilgliceroles, que constituyen la principal fuente de energía para el organismo, se obtienen de los alimentos o se sintetizan, principalmente en el hígado. Se transportan en la sangre como lipoproteínas y se almacenan en el tejido adiposo (figura 7-1A). Las principales clases de lipoproteínas sanguíneas son quilomicrones, lipoproteína de muy baja densidad (VLDL, very low-density lipoprotein), lipoproteína de densidad intermedia (IDL, intermediate-density lipoprotein), lipoproteína de baja densidad (LDL, low-density lipoprotein) y lipoproteína de alta densidad (HDL, high-density lipoprotein). Los quilomicrones se producen en células intestinales a partir de lípido de los alimentos y la VLDL se forma en el hígado, en mayor medida a partir de carbohidratos de los alimentos. Los triacilgliceroles de quilomicrones y VLDL son hidrolizados en la sangre por lipoproteína lipasa a ácidos grasos y glicerol. En las células adiposas, los ácidos grasos se convierten en triacilgliceroles y se almacenan. La IDL consiste en los restos de la VLDL después de la digestión de algunos de los triacilgliceroles. La IDL puede presentar endocitosis por células hepáticas y digestión por enzimas lisosómicas o ser convertida en LDL por digestión adicional de sus triacilgliceroles. La LDL se somete a endocitosis y digestión lisosómica, tanto en el hígado como en los tejidos periféricos. Los remanentes de quilomicrones son endocitados por el hígado. El colesterol viaja en la sangre como un componente de las lipoproteínas sanguíneas. Es sintetizado en la mayoría de las células del organismo. La principal enzima reguladora es hidroximetilglutaril (HMG)-CoA reductasa. El colesterol es un componente de las membranas celulares. En el hígado, el colesterol se convierte en sales biliares, y forma hormonas esteroideas en tejidos endocrinos. La HDL transfiere proteínas (incluido un activador de la lipoproteína lipasa, apoC-II) a quilomicrones y VLDL. La HDL también capta colesterol de tejidos periféricos y de otras lipoproteínas sanguíneas. En última instancia este colesterol vuelve al hígado. Durante el ayuno, los ácidos grasos (procedentes de reservas de triacilglicerol en tejido adiposo) son oxidados por diversos tejidos para producir energía (ver figura 7-1B). En el hígado, los ácidos grasos son convertidos en cuerpos cetónicos, que se oxidan en tejidos como músculos y riñones. Los eicosanoides (prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos) provienen de ácidos grasos poliinsaturados.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

A Sangre

Glucosa

Lípido (TG)

Glicerol 3-P Quilomicrones

TG

Linfa

AG CoA

VLDL

Hígado TG Quilomicrones 2-MG + AG

L TG P L

Músculo CO2 + H2 O

TG AG

Tejidos periféricos TG

Tejido adiposo Intestino delgado

Estado posprandial

B

Pared capilar

Sangre Glucosa

Glucosa

Hígado

Glicerol

Cuerpos cetónicos

Triacilgliceroles

Tejido adiposo

Ayuno

Cuerpos cetónicos

Ácidos grasos

Acetil-CoA CO2 + H2 O

Músculo

FIGURA  7-1. A. Generalidades del metabolismo de los lípidos en el estado posprandial. AG, ácido graso; HDL, lipoproteína de alta densidad; LPL, lipoproteína lipasa; 2-MG, 2-monoacilglicerol; TG, triacilglicerol; TG dentro de un círculo, triacilgliceroles de VLDL y quilomicrones; VLDL, lipoproteína de muy baja densidad. B. Generalidades del metabolismo de los lípidos en el estado de ayuno.

231

232

Bioquímica, biología molecular y genética

I.  ESTRUCTURA DE LOS LÍPIDOS •• Los lípidos tienen estructuras diversas pero son similares en que son insolubles en agua.

A. Los ácidos grasos existen en estado libre o esterificados a glicerol (figura 7-2). 1. En el ser humano, los ácidos grasos suelen tener número par de átomos de carbono y 16 a 20 átomos de carbono de longitud, y pueden ser saturados o insaturados (contener dobles enlaces). Se describen con base en el número de carbonos y las posiciones de los dobles enlaces (p. ej., el ácido araquidónico, que tiene 20 carbonos y cuatro dobles enlaces, es 20:4, Δ5,8,11,14). Todos los ácidos grasos naturales tienen dobles enlaces en la configuración cis. 2. Los ácidos grasos poliinsaturados a menudo se clasifican conforme a la posición del primer doble enlace a partir del extremo ω (el carbono más alejado del grupo carboxilo; p. ej., ω-3 o ω-6).

B. Los monoacilgliceroles (monoglicéridos), diacilgliceroles (diglicéridos) y triacilgliceroles (triglicéridos) contienen uno, dos y tres ácidos grasos esterificados a glicerol, respectivamente. C. Los fosfoglicéridos contienen ácidos grasos esterificados a las posiciones 1 y 2 del componente glicerol y un grupo fosforilo en la posición 3 (p. ej., fosfocolina).

ÉFLGRVJUDVRV

*OLFHURO &+2+

2 5

&

2+

+

(VWUXFWXUDJHQHUDO

&

2+

&+2+

2 &+

2²

&+  &

3DOPLWDWR 2 &+

&+ 

&+

&+

&+ 

&

2²

2OHDWRΔ 2

&+

&+ 

2²

&

(VWHDUDWR 0RQRDFLOJOLFHURO PRQRJOLFpULGR

'LDFLOJOLFHURO GLJOLFpULGR 2

2 

+

 

&+ &

2

2+

&+2+

&5

7ULDFLOJOLFHURO WULJOLFpULGR



2 5&

2

 

&+ &

2

+

&+2+

&5

2 

2 5 &

2

 

&+ &

2

2

+

&+

&5

2

&5

FIGURA  7-2. Estructuras de ácidos grasos, glicerol y acilgliceroles. R indica una cadena alifática lineal. Los ácidos grasos se identifican por el número de carbonos y el número de dobles enlaces y sus posiciones (p.ej., 18:1, Δ9).



233

Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol Fosforilcolina O Ceramida

O

P

OCH2

CH2

+

N

O–

CH3 CH3 CH3

Esfingomielina Galactosa Ceramida

Gal Galactocerebrósido Oligosacárido

Ceramida

Glc

Gal

GalNAc

NANA Gangliósido Sitio de adición de azúcar CH2OH H C H C

FIGURA  7-3. Esfingolípidos, derivados de la ceramida. La es­ tructura de la ceramida se muestra en la parte inferior. La porción de la ceramida mostrada en verde es esfingosina. Diferentes grupos se añaden a la porción hidroxilo de la ceramida para formar esfingomielina, cerebrósidos y gangliósidos. NANA, ácido N-acetilneuramínico, también llamado ácido siálico; Glc, glucosa; Gal, galactosa; GalNac, N-acetilgalactosamina.

NH OH

C

O

CH

(CH2)n

CH

CH3

(CH2)12 CH3 Ceramida

D. Los esfingolípidos contienen ceramida con una variedad de grupos enlazados (figura 7-3). 1. La esfingomielina contiene fosfocolina. 2. Los cerebrósidos contienen un residuo de azúcar. 3. Los gangliósidos contienen varios residuos azúcar, uno de los cuales es ácido siálico. E. El colesterol contiene cuatro anillos y una cadena lateral alifática (ver figura 7-11). Sales biliares y hormonas esteroideas se derivan del colesterol (ver figura 7-12).

F. Prostaglandinas y leucotrienos provienen de ácidos grasos poliinsaturados como el ácido araquidónico. G. Las vitaminas liposolubles son las vitaminas A, D, E y K (ver figura 5-7).

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Los esfingolípidos por lo general son degradados por enzimas lisosómicas. Si estas enzimas son deficientes, en las células se acumulan esfingolípidos parcialmente degradados, lo que afecta el funcionamiento celular; puede ocasionar la muerte. Una α-galactosidasa es deficiente en la enfermedad de Fabry, una β-glucosidasa en la enfermedad de Gaucher, una esfingomielinasa en la enfermedad de Neimann–Pick, y una hexosaminidasa en la enfermedad de Tay–Sachs. Estas enfermedades se conocen como esfingolipidosis o gangliosidosis. Las esfingolipidosis se resumen en la tabla 7-1.

234

Bioquímica, biología molecular y genética

t a b l a

7-1

Enzimas deficientes en las esfingolipidosis (gangliosidosis)

Enfermedad

Enzima deficiente

Lípido acumulado

Fucosidosis Gangliosidosis generalizada

a-Fucosidasa GM1-b-galactosidasa

Cer–Glc–Gal–GalNAc–Gal:Fuc isoantígeno H Cer–Glc–Gal(NeuAc)–GalNAc:Gal gangliósido GM1

Enfermedad de Tay–Sachs Enfermedad variante de Tay–Sachs o de Sandhoff

Hexosaminidas A

Cer–Glc–Gal(NeuAc):GalNAc gangliósido GM2 Cer–Glc–Gal–Gal:GalNAc globósido más gangliósido GM2

Enfermedad de Fabry

a-Galactosidasa Ceramida lactosidasa (b-galactosidasa) Arilsulfatasa A b-Galactosidasa b-Glucosidasa Esfingomielinasa Ceramidasa

Lipidosis por lactósido de ceramida Leucodistrofia metacromática Enfermedad de Krabbe Enfermedad de Gaucher Enfermedad de Niemann–Pick Enfermedad de Farber

Hexosaminidasas A y B

Cer–Glc–Gal:Gal globotriaosilceramida Cer–Glc:Gal lactósido de ceramida Cer–Gal:OSO33–sulfogalactosilceramida Cer:Gal galactosilceramida Cer:Glc glucosilceramida Cer:P–colina esfingomielina Acil:esfingosina ceramida

NeuAc, ácido N-acetilneuramínico; Cer, ceramida: Glc, glucosa; Gal, galactosa; Fuc, fucosa. Los dos puntos indican que el enlace no puede romperse debido a la deficiencia enzimática relacionada con la enfermedad.

II. MEMBRANAS •• La membrana celular (plasmática) es un mosaico fluido de lípidos y proteínas. •• Las proteínas sirven como transportadores, enzimas, receptores y mediadores que permiten que los componentes extracelulares, como las hormonas, ejerzan efectos intracelulares.

A. Estructura de la membrana 1. Las membranas están formadas principalmente por lípidos y proteínas (ver figura 4-1). 2. Los fosfolípidos son los principales lípidos de la membrana, pero también hay esfingolípidos y colesterol. a. Los fosfolípidos forman una bicapa, en la cual sus grupos cabeza hidrófilos interactúan con agua en las superficies extracelular e intracelular, y sus cadenas grasoacilo hidrófobas se encuentran en la porción central de la membrana. 3. Las proteínas periféricas están incorporadas en la periferia; las proteínas integrales de membrana se extienden de un lado a otro. 4. Hay carbohidratos unidos a proteínas y lípidos en el lado externo de la membrana celular. Se extienden hasta el espacio extracelular. 5. Lípidos y proteínas pueden difundirse lateralmente dentro del plano de la membrana. Por lo tanto, la membrana es un mosaico fluido.

B. Función de la membrana 1. Las membranas sirven como barreras que separan el contenido de una célula del ambiente externo, o el contenido de los organelos del resto de la célula.

2. Las proteínas de la membrana celular tienen muchas funciones. a. Algunas intervienen en el transporte de sustancias a través de la membrana. b. Otras son enzimas que catalizan reacciones bioquímicas. c. Las de la superficie exterior pueden funcionar como receptores que se unen a ligandos externos como hormonas o factores de crecimiento. d. Otras son mediadores que ayudan al complejo ligando–receptor a iniciar una serie de eventos (p. ej., proteínas G); en consecuencia, los segundos mensajeros (p. ej., cAMP) que modifican el metabolismo se producen dentro de la célula. Así, un agente externo, como una hormona, puede inducir efectos intracelulares sin ingresar en la célula.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

235

III.  DIGESTIÓN DEL TRIACILGLICEROL DE LOS ALIMENTOS •• La principal grasa de los alimentos es triacilglicerol, que se obtiene de las reservas de grasa de las plantas y los animales que se consumen. •• Los triacilgliceroles de los alimentos, que son hidroinsolubles (liposolubles), son emulsificados por sales biliares y se digieren en el intestino delgado a ácidos grasos y 2-monoacilgliceroles. A partir de estos productos digestivos se resintetizan triacilgliceroles en las células del epitelio intestinal, los cuales se secretan en quilomicrones vía la linfa en la sangre. •• Los ácidos grasos de cadena intermedia y corta son lo suficientemente solubles para pasar por las células del epitelio intestinal e ingresar en la circulación sin incorporarse en triglicéridos.

A. Los triacilgliceroles de los alimentos se digieren en el intestino delgado por un proceso que requiere sales biliares y secreciones del páncreas (figura 7-4). 1. Las sales biliares se sintetizan en el hígado a partir de colesterol y se secretan en la bilis. Pasan al intestino, donde emulsifican los lípidos ingeridos.

2. El páncreas secreta enzimas digestivas y bicarbonato, que neutraliza el ácido estomacal, con lo que eleva el pH al intervalo óptimo para las enzimas digestivas.

Triacilglicerol (TG) Vesícula biliar

Sales biliares (sb)

HCO3– Páncreas

Lipasa colipasa

sb

Sangre

sb

sb TG

Quilomicrones

sb

sb

colipasa lipasa

Intestino delgado

AG +

O R CO

Linfa OH

OH 2-Monoacilglicerol (2-MG) sb

Micela

sb AG 2-MG sb sb

Quilomicrones

sb

Quilomicrones nacientes AG apoB48 2–MG

sb (Íleon)

FosfoTG lípidos

sb

FIGURA 7-4. Digestión de triacilgliceroles en la luz intestinal. sb, sales biliares; AG, ácido graso; 2-MG, 2-monoacilglicerol; TG, triacilgliceroles.

236

Bioquímica, biología molecular y genética

3. La lipasa pancreática, con ayuda de la colipasa, digiere los triacilgliceroles a 2-monoacilgliceroles y ácidos grasos libres, que se empacan en micelas. Las micelas, que son diminutas gotas emulsificadas por sales biliares, también contienen otros lípidos de los alimentos, como colesterol y las vitaminas liposolubles. 4. Las micelas viajan a las microvellosidades de las células del epitelio intestinal, que absorben los ácidos grasos, 2-monoacilgliceroles, y otros lípidos de los alimentos. 5. Las sales biliares se reabsorben, se reciclan en el hígado, y se secretan en el intestino durante ciclos digestivos posteriores (figura 7-5).

B. Síntesis de quilomicrones 1. En las células del epitelio intestinal, los ácidos grasos de las micelas son activados por la ácido ­graso-CoA sintetasa (tiocinasa) para formar ácido graso-CoA.

2. Un ácido graso-CoA reacciona con un 2-monoacilglicerol para formar un diacilglicerol. Entonces otro ácido graso-CoA reacciona con el diacilglicerol para formar un triacilglicerol.

3. Los triacilgliceroles pasan a la linfa empacados en quilomicrones nacientes, los cuales al final ingresan en la sangre.

4. Los ácidos grasos de cadena intermedia no necesitan incorporarse en triglicéridos para pasar a la circulación. Estos ácidos grasos son lo suficientemente solubles para entrar en la sangre de manera directa y son captados por los órganos apropiados como fuente de energía.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

El bloqueo del conducto biliar por problemas como cálculos de colesterol o tumores duodenales o pancreáticos puede causar concentración deficiente de sales biliares en el intestino. La digestión y absorción de lípidos de los alimentos disminuyen. Las enfermedades que afectan el páncreas, como fibrosis quística y alcoholismo, pueden causar disminución de bicarbonato y enzimas digestivas en la luz intestinal. (Se requiere bicarbonato para elevar el pH intestinal a fin de que sales biliares y enzimas digestivas puedan funcionar.) Si las grasas de los alimentos no se digieren de manera adecuada, puede provocar esteatorrea. La malabsorción de grasas puede ocasionar deficiencias calóricas y falta de vitaminas liposolubles y ácidos grasos esenciales.

Hígado

Sales biliares

Páncreas

Estómago

Vesícula biliar Conducto colédoco Circulación enterohepática, que transporta sales biliares

95%

Íleon 5% Heces

FIGURA  7-5. Reciclaje de sales biliares. Las sales biliares se sintetizan en el hígado, se almacenan en la vesícula biliar, se secretan en el in­testino delgado, se reabsorben en el íleon, y vuelven al hígado vía la circu­ lación enterohepática. En circunstancias normales, 5% o menos de los ácidos biliares en la luz intestinal se excretan en las heces.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

237

IV.  SÍNTESIS DE ÁCIDOS GRASOS Y TRIACILGLICEROL •• La lipogénesis, que es la síntesis de ácidos grasos y su esterificación a glicerol para formar triacilgliceroles, se produce principalmente en el hígado del ser humano, con carbohidratos de los alimentos como principal fuente de carbono. •• La síntesis de novo de ácidos grasos a partir de acetil-CoA ocurre en el citosol en el complejo de ácido graso sintasa. •• La acetil-CoA, derivada principalmente de glucosa, es convertida por la acetil-CoA carboxilasa en malonil-CoA. •• La cadena ácido graso acil- en crecimiento en el complejo de la ácido graso sintasa se alarga, dos carbonos a la vez, por la adición del compuesto de tres carbonos malonil-CoA, que se decarboxila después. Con cada adición de dos carbonos, la cadena en crecimiento –que inicialmente contenía un grupo β-ceto– se reduce en una serie de pasos que requieren NADPH. •• El NADPH se produce en la vía de las pentosas fosfato y en la reacción catalizada por la enzima málica. •• El palmitato, que es el producto liberado por el complejo de la ácido graso sintasa, es convertido en una serie de otros ácidos grasos-CoA por reacciones de elongación y desaturación. •• El ácido graso-CoA se combina con glicerol-3-fosfato en el hígado para formar triacilgliceroles por una vía en la que el ácido fosfatídico sirve como intermediario. •• Los triacilgliceroles, empacados en VLDL, se secretan en la sangre.

A. Conversión de glucosa en acetil-CoA para la síntesis de ácidos grasos (figura 7-6) 1. La glucosa entra en las células hepáticas y es convertida vía glucólisis en piruvato, el cual ingresa en las mitocondrias.

2. El piruvato es convertido en acetil-CoA por la piruvato deshidrogenasa y en oxaloacetato (OAA) por la piruvato carboxilasa.

3. Dado que la acetil-CoA no puede cruzar de manera directa la membrana mitocondrial y entrar en el citosol para usarse en el proceso de síntesis de ácidos grasos, acetil-CoA y oxaloacetato se condensan para formar citrato, que sí puede cruzar la membrana mitocondrial. 4. En el citosol, el citrato es degradado a oxaloacetato y acetil-CoA por la citrato liasa, una enzima que requiere ATP y es inducida por insulina. a. El oxaloacetato proveniente de la reacción de la citrato liasa es reducido en el citosol por NADH, lo que produce NAD1 y malato. La enzima es la malato deshidrogenasa citosólica. b. En una reacción posterior, el malato es convertido en piruvato, se produce NADPH, y se libera CO2. La enzima es la enzima málica (también llamada malato deshidrogenasa descarboxilante o malato deshidrogenasa dependiente de NADP1). (1) El piruvato reingresa en la mitocondria y es reutilizado. (2) El NADPH aporta los equivalentes reductores para reacciones que ocurren en el complejo de la ácido graso sintasa. (a) El NADPH es producido no sólo por la enzima málica sino también por la vía de las pentosas fosfato. 5. La acetil-CoA (procedente de la reacción de la citrato liasa o de otras fuentes) aporta carbonos para la síntesis de ácidos grasos en el citosol.

B. Síntesis de ácidos grasos por el complejo de la ácido graso sintasa (figura 7-7) 1. La ácido graso sintasa es un complejo multienzimático situado en el citosol. Tiene dos subunidades idénticas con siete actividades catalíticas.

2. Esta enzima contiene un residuo fosfopanteteína, derivado de la vitamina ácido pantoténico, y un residuo cisteína; ambos poseen grupos sulfhidrilo capaces de formar tioésteres con grupos acilo. La cadena grasoacilo creciente se mueve de uno de estos residuos sulfhidrilo a otro a medida que se alarga. a. Adición de unidades de 2-carbonos (1) Inicialmente, la acetil-CoA reacciona con el residuo fosfopantoteinilo y luego el grupo acetilo se transfiere al residuo cisteinilo. El grupo acetilo aporta el carbono ω del ácido graso producido por el complejo de la ácido graso sintasa. (2) Un grupo malonilo de la malonil-CoA forma un tioéster con el grupo sulfhidrilo del fosfo­pantoteinilo.

238

Bioquímica, biología molecular y genética A

Glucosa Hígado

Otros lípidos

TG Glucólisis

Glicerol 3-P DHAP

Piruvato

ácido graso sintasa

NADPH

Sangre

Malonil-CoA

Piruvato

acetil-CoA carboxilasa

Acetil-CoA

OAA

Citrato

B

VLDL

Palmitato NADP+

OAA

Apoproteínas

FACoA

AcetilCoA

Citrato

Glucosa CO2 Piruvato

NADPH NADP+ enzima málica

Malato Piruvato

OAA

malato deshidrogenasa citosólica

Acetil-CoA

Citrato

citrato liasa

Citrato

NAD+ NADH

OAA

Acetil-CoA

ADP + Pi ATP

FIGURA 7-6. Lipogénesis, la síntesis de triacilgliceroles (TG) a partir de glucosa. A. En el ser humano, la síntesis de ácidos grasos a partir de glucosa ocurre principalmente en el hígado. Los ácidos grasos (AG) se convierten en TG, se empacan en VLDL, y se secretan en la circulación. B. El citrato aporta acetil-CoA para la síntesis de ácidos grasos, además de iniciar una vía para la producción de NADPH vía enzima málica. OAA, oxaloacetato.

(a) Se forma malonil-CoA a partir de acetil-CoA en una reacción de carboxilación que requiere biotina y ATP. (b) La enzima es acetil-CoA carboxilasa, una enzima reguladora que es inhibida por fosforilación, activada por desfosforilación y por citrato, e inducida por insulina. La enzima que fosforila la acetil-CoA carboxilasa es la proteína cinasa activada por AMP (no la proteína cinasa A). (3) El grupo acetilo en el complejo de la ácido graso sintasa se condensa con el grupo malonilo; el CO2 que la acetil-CoA carboxilasa agregó al grupo malonilo se libera; y se produce un grupo 𝛃-cetoacilo, que contiene cuatro carbonos.



239

Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol 1

AG sintasa

s

Ci

P SH

P

P SH

S

SH

SH

C

S

O

S O

C

CH

CH

3

3

CO2

S

C

O

C CH

CH2

O

C

S C

O

S H

NADP+

3

O

C CH

SCoA

Acetil-CoA

NADPH + H+

P

CH2

3

COO–

O CH3

2 P

P

3

S ATP

CO2

O

ADP + Pi

C

CH2

Biotina

COO

acetil-CoA carboxilasa

SH O

C SCoA

CH2

–

HCOH

Malonil-CoA

CH

3

Palmitato (C16)

4 H2O

2 NADP+ P S

SH O

C

5

H2O

2 NADPH

4

3

NADP+ NADPH + H+

CO2 P S

SH

C

O

2

P S C

1

S C

O

O

P SH

P S

S

C

O

SH

C

O

5

P S C

O

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

CH2

C

COO–

CH2

CH2

CH2

CH

CH2

CH2

CH2

CH2

CH

3

O

CH

3

CH

3

CH

3

S H

CH

3

CH

3

FIGURA 7-7. Síntesis de ácidos grasos. La malonil-CoA aporta las unidades de 2-carbonos que se agregan a la cadena grasoacilo en crecimiento. Los pasos de adición y reducción (1 a 5) se repiten hasta que se produce ácido palmítico. cis-SH, un residuo cisteinilo; P, un grupo fosfopantoteinilo unido al complejo de la ácido graso sintasa.

b. Reducción del grupo 𝛃-cetoacilo (1) El grupo b-ceto es reducido por NADPH a un grupo b-hidroxilo. (2) Entonces ocurre deshidratación, que produce un grupo enoilo con el doble enlace entre los carbonos 2 y 3. (3) Por último, el doble enlace es reducido por NADPH y se genera un grupo acilo de 4-carbonos. (a) El NADPH para esas reacciones se produce en la vía de las pentosas fosfato y en una reacción catalizada por la enzima málica. c. Elongación de la cadena grasoacilo (1) El grupo acilo se transfiere al grupo sulfhidrilo del cisteinilo y la malonil-CoA reacciona con el grupo fosfopantoteinilo. Se produce la condensación de los grupos acilo y malonilo con liberación de CO2, seguida de las tres reacciones que reducen el grupo b-ceto. Ahora la cadena es dos carbonos más larga. (2) Esta serie de reacciones se repite hasta que la cadena en crecimiento tiene 16-carbonos de largo. (3) El palmitato, un ácido graso saturado de 16-carbonos, es el producto final liberado por hidrólisis del complejo de la ácido graso sintasa.

C. Elongación y desaturación de ácidos grasos El palmitato puede alargarse y desaturarse para formar una serie de ácidos grasos.

1. La elongación de ácidos grasos de cadena larga ocurre en el retículo endoplásmico, por reacciones un tanto parecidas a las que se producen en el complejo de la ácido graso sintasa. a. El malonil-CoA aporta las unidades de 2-carbonos que se agregan a la palmitoil-CoA o a ácido graso-CoA de cadena más larga. b. La malonil-CoA se condensa con el grupo carbonilo del residuo acilo del ácido graso y se libera CO2. c. El grupo b-ceto es reducido por NADPH a un grupo b-hidroxilo, ocurre deshidratación, y se forma un doble enlace, que es reducido por NADPH.

240

Bioquímica, biología molecular y genética

2. La desaturación de ácidos grasos es un proceso complejo que requiere O2, NADPH y citocromo b5.

a. En el ser humano, la desaturación puede agregar dobles enlaces en las posiciones 5, 6 y 9 de un ácido graso-CoA. (1) Las plantas pueden introducir dobles enlaces entre el carbono 9 y el carbono ω, pero no así los animales. Por lo tanto, determinados ácidos grasos insaturados de las plantas son esenciales en la alimentación del ser humano. (2) Linoleato (18:2, Δ9,12) y 𝛂-linolenato (18:3, Δ9,12,15) son las principales fuentes de los ácidos grasos esenciales en la alimentación. Se emplean en la síntesis de ácido araquidónico y otros ácidos grasos poliinsaturados a partir de los cuales se producen los eicosanoides (p. ej., prostaglandinas).

D. Síntesis de triacilgliceroles (figura 7-8) 1. En las células del epitelio intestinal, la síntesis de triacilglicerol ocurre por una vía distinta que en otros tejidos (sección III B). Este triacilglicerol se convierte en un componente de los quilomicrones. Al final, los grupos ácidos graso se almacenan en triacilgliceroles de tejido adiposo. 2. En hígado y tejido adiposo, el glicerol-3-fosfato aporta el componente glicerol que reacciona con dos ácido graso-CoA para formar ácido fosfatídico. El grupo fosfato se escinde para formar un diacilglicerol, que reacciona con otro ácido graso-CoA para formar un triacilglicerol. a. El hígado puede usar glicerol para producir glicerol-3-fosfato por una reacción que requiere ATP y es catalizada por glicerol cinasa. b. El tejido adiposo, que carece de glicerol cinasa, no puede generar glicerol-3-fosfato a partir de glicerol. c. Tanto el hígado como el tejido adiposo pueden convertir glucosa, mediante glucólisis, en dihidroxicetona fosfato (DHAP, dihydroxyacetone phosphate), que es reducida por NADH a glicerol-3-fosfato. d. El triacilglicerol se almacena en el tejido adiposo. e. En el hígado, el triacilglicerol se incorpora a VLDL, que ingresa en la sangre. En última instancia, los grupos ácido graso se almacenan en triacilgliceroles de tejido adiposo.

E. Síntesis de fosfolípidos 1. Los fosfolípidos se sintetizan a partir de ácido fosfatídico. 2. Los grupos cabeza se agregan al ácido fosfatídico por uno de dos mecanismos (figura 7-9). a. Fosfatidilcolina y fosfatidiletanolamina se producen por activación de grupos cabeza. b. La fosfatidilserina se forma por sustitución de un grupo cabeza de serina por etanolamina en la fosfatidiletanolamina. c. Fosfatidilinositol, fosfatidilglicerol y cardiolipina se forman por activación de ácido fosfatídico a CDP-DAG (CDP-diacilglicerol). d. Los ácidos grasos en las posiciones 1 y 2 no tienen que ser los mismos; en muchos casos, el ácido graso en la posición 2 es insaturado, mientras que el de la posición 1 es saturado.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La dipalmitoilfosfatidilcolina es el principal componente del surfactante (agente tensoactivo) pulmonar en adultos, que permite el funcionamiento normal de los pulmones. Este fosfolípido se produce en el feto después de la semana 30 de gestación. Los lactantes prematuros no tienen una cantidad adecuada de este fosfolípido. Como resultado, puede ocurrir el síndrome de dificultad respiratoria aguda.

F. Regulación de la síntesis de triacilglicerol a partir de carbohidratos 1. La síntesis de triacilgliceroles a partir de carbohidratos ocurre en el hígado en el estado posprandial. 2. Las enzimas reguladoras clave en la vía se activan, y una alimentación rica en carbohidratos causa su inducción. a. Las enzimas glucolíticas glucocinasa, fosfofructocinasa 1, y piruvato cinasa son activas (ver los mecanismos en el Capítulo 6). b. La piruvato deshidrogenasa se desfosforila y activa. c. La piruvato carboxilasa es activada por acetil-CoA.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

241

A Hígado

Hígado y tejido adiposo

Glicerol

Glucosa ATP DHAP

ADP

glicerol cinasa

NADH NAD+ Glicerol 3-P FA1CoA

FA2CoA O R2C

O

O O

CR1 O

O

O–

P –

O Ácido fosfatídico Pi O O CR1

O R2C O

OH Diacilglicerol FA3CoA O O CR1

O R2C O

O O CR3

Triacilglicerol Hígado VLDL sanguínea

Reservas de grasa

B Activación de ácidos grasos CoASH

ATP FA

FA-AMP

FA CoA

AMP

Síntesis de triacilglicerol O R2C O

OH

OH 2-Monoacilglicerol

FA1CoA CoASH

O R2C O

O OCR1

OH Diacilglicerol

FA3CoA CoASH

O R2C O

O OCR1

Apoproteína B48

O OCR3

Quilomicrones Otros lípidos nacientes

Triacilglicerol

FIGURA 7-8. Síntesis de triacilgliceroles en (A) hígado, tejido adiposo y (B) células intestinales. DHAP, dihidroxicetona fosfato; R, cadena alifática de un ácido graso; VLDL, lipoproteína de muy baja densidad.

242

Bioquímica, biología molecular y genética Ácido fosfatídico

1

Grupo cabeza fosforilado

2 Pi

CTP Diacilglicerol CDP-grupo cabeza CMP Glicerofosfolípido Fosfatidilcolina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilserina

CTP

PPi

CDP–diacilglicerol Grupo cabeza CMP Glicerofosfolípido Fosfatidilinositol Cardiolipina Fosfatidilglicerol

FIGURA  7-9. Estrategias para la adición del grupo cabeza al ácido fosfatídico para formar glicerofosfolípidos. En ambos casos se usa CTP para impulsar la reacción.

d. La citrato liasa es inducible. e. La acetil-CoA carboxilasa es inducida, activada por citrato, y convertida a su estado desfosforilado activo por una fosfatasa que es estimulada por insulina. f. El complejo de la ácido graso sintasa es inducible. 3. El NADPH, que aporta los equivalentes reductores para la síntesis de ácidos grasos, es producido por la enzima málica, inducible, y por las enzimas inducibles de la vía de las pentosas fosfato, glucosa6-fosfato deshidrogenasa y 6-fosfogluconato deshidrogenasa. 4. La malonil-CoA, el producto de la acetil-CoA carboxilasa, inhibe la carnitina aciltransferasa I (carnitina palmitoiltransferasa I), con lo que impide que los ácidos grasos recién sintetizados entren en las mitocondrias y experimenten β-oxidación (ver figura 7-15).

V. FORMACIÓN DE DEPÓSITOS DE TRIACILGLICEROL EN EL TEJIDO ADIPOSO •• Los depósitos de triacilglicerol del tejido adiposo son una fuente importante de combustible para el ser humano. El hombre promedio de 70 kg tiene cerca de 15 kg de grasa. •• Después de una comida, los triacilgliceroles se almacenan en células adiposas (adipocitos). Se sintetizan a partir de ácidos grasos (generados principalmente por la acción de lipoproteína lipasa en quilomicrones y VLDL) y de un componente glicerol (derivado de glucosa). •• El almacenamiento de triacilgliceroles en el tejido adiposo es mediado por insulina, que estimula las células adiposas a secretar lipoproteína lipasa y captar glucosa, la fuente de glicerol (vía la formación de DHAP) para la síntesis de triacilglicerol.

A. Hidrólisis de triacilgliceroles de quilomicrones y VLDL (figura 7-10) 1. Los triacilgliceroles de quilomicrones y VLDL son hidrolizados a ácidos grasos y glicerol por la lipoproteína lipasa, que está unida a las membranas de las células de las paredes de los capilares en el tejido adiposo. 2. La lipoproteína lipasa se sintetiza en las células adiposas y se secreta en un proceso estimulado por insulina, que está elevada después de una comida. a. La apoproteína CII, que se transfiere de HDL a quilomicrones y VLDL, es un activador de la lipoproteína lipasa.

B. Síntesis de triacilgliceroles en el tejido adiposo 1. Los ácidos grasos liberados de quilomicrones y VLDL por la lipoproteína lipasa son captados por las células adiposas y convertidos en triacilgliceroles, pero el glicerol no se usa porque el tejido adiposo carece de glicerol cinasa (ver figura 7-8). a. El transporte de glucosa a las células adiposas es estimulado por insulina, que aumenta después de una comida.



243

Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol Estado posprandial TG Glucosa Sangre

FIGURA  7-10. Formación de reservas de triacilglicerol en tejido adiposo en el estado posprandial. Note que la insulina estimula tanto el transporte de glucosa a las células adiposas (adipocitos) como la síntesis y secreción de lipoproteína lipasa (LPL) desde las células. La apoproteína C-II activa LPL. DHAP, dihidroxicetona fosfato; AG, ácido graso; LPL, lipoproteína lipasa; ⊕, estimulado por; TG, triacilglicerol; TG dentro de un círculo, triacilglicerol de quilomicrones y VLDL.

Glucosa

+

DHAP

Insulina Quilomicrones

+

Remanentes VLDL LDL

TG

IDL

+

CII

L P L

Glicerol-3fosfato LPL

AG Hígado

Glicerol

FACoA AG

Adipocito

b. La glucosa se convierte en DHAP, que es reducida por NADH para formar glicerol-3-fosfato, el cual se usa para producir el componente glicerol. 2. Los triacilgliceroles se almacenan en grandes glóbulos de grasa en los adipocitos.

VI.  METABOLISMO DE COLESTEROL Y SALES BILIARES •• Aunque el colesterol se sintetiza en la mayoría de los tejidos del organismo, donde es un componente de las membranas celulares, se produce principalmente en hígado e intestino. •• El colesterol y sus ésteres se transportan en lipoproteínas de la sangre. •• Todos los carbonos del colesterol provienen de la acetil-CoA. •• Los intermediarios clave en la biosíntesis de colesterol son HMG-CoA, ácido mevalónico, pirofosfato de isopentenilo y escualeno. La principal enzima reguladora es HMG-CoA reductasa. •• En el hígado, las sales biliares se forman a partir de colesterol por hidroxilación del anillo esterol, oxidación de la cadena lateral y conjugación del grupo ácido carboxílico con glicina o taurina. •• Las sales biliares se almacenan en la vesícula biliar y se liberan durante una comida para ayudar a la digestión de lípidos. De las sales biliares 95% se reasorbe y recicla. •• El anillo esterol no puede degrarse. Se excreta intacto, principalmente como sales biliares no reabsorbidas. •• El colesterol se almacena en los tejidos como ésteres de colesterol. •• En determinados tejidos endocrinos, el colesterol es convertido en hormonas esteroideas. •• Un precursor de colesterol puede convertirse en 1,25-dihidroxicolecalciferol, la forma activa de la vitamina D3.

A. El colesterol se sintetiza a partir de acetil-CoA citosólica en una serie de reacciones (figura 7-11). 1. La glucosa es una fuente importante de carbono para la acetil-CoA. Ésta se produce a partir de glucosa en la misma serie de reacciones usadas para producir acetil-CoA citosólica para la biosíntesis de ácidos grasos (ver figura 7-6). 2. La acetil-CoA citosólica forma acetoacetil-CoA, que se condensa con otra acetil-CoA para formar HMG-CoA. a. La acetil-CoA presenta reacciones similares en la mitocondria, donde se usa HMG-CoA para la síntesis de cuerpos cetónicos. 3. La HMG-CoA citosólica, un intermediario clave en la biosíntesis de colesterol, se reduce en el retícu­lo endoplásmico a ácido mevalónico por acción de la enzima reguladora HMG-CoA reductasa. a. La HMG-CoA reductasa es inhibida por colesterol. En el hígado, también es inhibida por las sales biliares y se induce cuando la concentración sanguínea de insulina es elevada. También es regulada por fosforilación mediante la proteína cinasa activada por AMP.

244

Bioquímica, biología molecular y genética

AcetilCOO– CoA 2 NADPH CH2 + AcetoacetilCH3 C OH HMG- CoA CH3 CoA reductasa CH2 ( – colesterol) C

COO– CH2 C

CO2 CH2

2 ATP ATP

C

OH Pi

CH2

CH2

CH2OH

O

SCoA HMG - CoA

Mevalonato

CH3

CH2

O

P

O

P

Pirofosfato de isopentenilo (C5 = unidad isopreno) Se condensan dos isoprenos Pirofosfato de geranilo (C10 ) C5 (unidad isopreno) Pirofosfato de farnesilo (C15 ) Se combinan dos pirofosfatos de farnesilo

Lanosterol

Ciclasa

Escualeno (C30)

OH

HO Colesterol Hígado

Glándulas endocrinas

Sales biliares Hormonas esteroideas FIGURA 7-11. Biosíntesis de colesterol. HMG-CoA, hidroximetilglutaril-CoA; ⊖, inhibido por; P dentro de un círculo, grupo fosfato.

4. El ácido mevalónico se fosforila y descarboxila para formar el isoprenoide de 5-carbonos (C-5) pirofosfato de isopentenilo.

5. Dos unidades pirofosfato de isopentenilo se condensan y forman un compuesto C-10, pirofosfato de geranilo, que reacciona con otra unidad C-5 para formar un compuesto C-15, pirofosfato de farnesilo. 6. El escualeno se forma a partir de dos unidades C-15 y luego se oxida y cicla, formando lanosterol. 7. El lanosterol es convertido en colesterol en una serie de pasos. 8. La estructura anular del colesterol no puede degradarse en el organismo. Las sales biliares en las heces son la principal forma en que se excreta el núcleo esteroide.

B. Las sales biliares se sintetizan en el hígado a partir de colesterol (figura 7-12). 1. Un grupo 𝛂-hidroxilo se agrega al carbono 7 del colesterol. Una 7𝛂-hidroxilasa, que es inhibida por las sales biliares, cataliza este paso limitante de la velocidad (ver figura 7-12A).

2. El doble enlace se reduce y se producen más hidroxilaciones de lo que resultan dos compuestos. Uno tiene grupos α-hidroxilo en las posiciones 3 y 7, y el otro en las posiciones 3, 7 y 12.

A Hígado Colesterol 7-hidroxilasa

–

Ácidos biliares

7-Hidroxicolesterol Reducción, hidroxilación y conversión de hidroxilos a  3, 7, 12,-Triol

3, 7-Diol

B

Oxidación de la cadena lateral COO–

OH

HO

ATP CoASH AMP + Pi

OH

HO

Ácido quenodesoxicólico

Ácido cólico (pK ~ 6)

–

COO

HO

Ácido cólico

O OH

C

SCoA

CH3

CH3

OH

HO

Colil-CoA

+

H3N CH2

CH2

+

SO3–

H3N CH2 CoASH

Taurina

CoASH

O C HO

CH3

COO

–

Glicina O

SO3–

N H

CH3

C HO

CH3

N H

COO–

CH3

HO

OH

HO

OH Ácido glicocólico pK˜4

Ácido taurocólico pK˜2

C Hígado (sintetiza 0.2–0.6 g/día y recicla > 95%) Las sales biliares secundarias se reconjugan, pero no se rehidroxilan

Hígado Colesterol

Circulación enterohepática

Sales biliares

Vesícula biliar

Digestión de grasas Intestino

Las sales biliares se reabsorben (12–32 g/día) y vuelven al hígado para reciclarse: > 95% de eficiencia

Fondo de sales biliares = 2–4 g (se recicla 6–8 veces/día) Las bacterias intestinales desconjugan y deshidroxilan sales biliares < 5% Heces (0.2–0.6 g/día)

FIGURA 7-12. Síntesis y destino de las sales biliares. A. Síntesis de sales biliares. Se generan dos series de sales biliares, una con grupos α-hidroxilo en las posiciones 3 y 7 (la serie quenocolato) y otra con grupos α-hidroxilo en las posiciones 3, 7 y 12 (la serie colato). B. Conjugación de sales biliares, que reduce el pKa de las sales biliares, convirtiéndolas en detergentes más eficaces. C. Generalidades del metabolismo de las sales biliares.

245

246

Bioquímica, biología molecular y genética

3. La cadena lateral se oxida y se convierte en una cadena ramificada de 5-carbonos, que contiene un ácido carboxílico en el extremo. a. El ácido biliar con grupos hidroxilo en las posiciones 3 y 7 es el ácido quenocólico. El ácido biliar con grupos hidroxilo en las posiciones 3, 7 y 12 es el ácido cólico. b. Estos ácidos biliares tienen todos pK aproximado de 6. A un pH > 6, las moléculas son sales (es decir, se ionizan y portan carga negativa). A pH = 6 (el pH de la luz intestinal), la mitad de las molécules están ionizadas y portan carga negativa. A pH < 6, las moléculas se protonan y su carga disminuye al hacerlo el pH. 4. Conjugación de las sales biliares (ver figura 7-12B) a. Las sales biliares son activadas por ATP y coenzima A, y forman sus derivados CoA, que a su vez pueden formar conjugados con glicina o taurina. b. La glicina, un aminoácido, forma una amida con el grupo carboxilo de una sal biliar, con lo que genera ácido glicocólico o ácido glicoquenocólico. Estas sales biliares tienen todas pK aproximado de 4, menor que el de las sales biliares no conjugadas, por lo que están ionizadas de modo más completo al pH = 6 de la luz intestinal y son mejores detergentes. c. La taurina, derivada del aminoácido cisteína, forma una amida con el grupo carboxilo de una sal biliar. Debido al grupo sulfito en el componente taurina, los ácidos taurocólico y tauroquenocólico tienen pK aproximado de 2. Se ionizan muy fácilmente en el intestino y son los mejores detergentes entre las sales biliares. 5. Destino de las sales biliares (ver figura 7-12C) a. El ácido cólico, el ácido quenocólico y sus conjugados son las principales sales biliares. Se producen en el hígado y se secretan en la bilis a través de la vesícula biliar hacia el intestino, donde, dado que son anfipáticas (contienen tanto regiones hidrófobas como hidrófilas), ayudan a la digestión de los lípidos. b. En el intestino, las sales biliares pueden ser desconjugadas y deshidroxiladas (en la posición 7) por bacterias intestinales. c. Las sales biliares se reabsorben en el íleon y vuelven al hígado, donde pueden reconjugarse con glicina o taurina. Sin embargo, no se rehidroxilan. Las que carecen del grupo 7α-hidroxilo se llaman sales biliares secundarias. d. El hígado recicla alrededor de 95% de las sales biliares cada día; 5% se pierde en las heces.

C. Las hormonas esteroideas se sintetizan a partir de colesterol, y el 1,25-dihidroxicolecalciferol (vitamina D3 activa) se sintetiza a partir de un precursor del colesterol (ver Capítulo 9).

VII.  LIPOPROTEÍNAS SANGUÍNEAS •• Las lipoproteínas sanguíneas transportan triacilgliceroles hidroinsolubles y colesterol de un tejido a otro. •• Los principales portadores de triacilgliceroles son quilomicrones y VLDL. •• Los triacilgliceroles de quilomicrones y VLDL son digeridos en los capilares por la lipoproteína lipasa. Los ácidos grasos que se producen son captados por las células y se oxidan para generar energía o se convierten en triacilgliceroles y se almacenan. El glicerol se usa para la síntesis de triacilglicerol o se convierte en DHAP y se oxida para generar energía, ya sea de manera directa o después de la conversión en glucosa en el hígado. •• Los remanentes de los quilomicrones son captados por las células hepáticas mediante el proceso de endocitosis y son degradados por enzimas lisosómicas. Los productos son reutilizados por la célula. •• La VLDL se convierte en IDL, que es degradada por acción lisosómica en el hígado o convertida en LDL por digestión adicional de triacilgliceroles. •• La LDL, producida a partir de IDL, es captada por diversos tejidos y aporta colesterol, que los tejidos utilizan. •• La HDL, que es sintetizada por el hígado, transfiere apoproteínas, incluidas apoC-II y apoE, a quilomicrones y VLDL. •• La HDL capta colesterol de las membranas celulares o de otras lipoproteínas. El colesterol es convertido en ésteres de colesterol por la reacción de la lecitina:colesterol aciltransferasa (LCAT). Parte de este éster



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

247

de colesterol se transfiere a otras lipoproteínas. El éster de colesterol es llevado por esas lipoproteínas o por HDL al hígado e hidrolizado a colesterol libre, que se usa para la síntesis de VLDL o se convierte en sales biliares.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La ateroesclerosis implica la formación de placas ricas en lípido en la íntima de las arterias. Las placas comienzan como estrías de grasa que contienen células espumosas, que inicialmente son macrófagos llenos de LDL oxidada. Estas lesiones tempranas se convierten en placas fibrosas que pueden ocluir una arteria y causar un infarto de miocardio o un infarto cerebral. La formación de estas placas a menudo se relaciona con anomalías en el metabolismo de la lipoprotéina plasmática. En contraste con las otras lipoproteínas, la HDL tiene un efecto protector. A. Composición de las lipoproteínas sanguíneas (tabla 7-2) Los principales componentes de las lipoproteínas son triacilgliceroles, colesterol, ésteres de colesterol, fosfolípidos y proteínas. Los componentes proteínicos (llamados apoproteínas) se designan A, B, C y E (tabla 7-3). 1. Los quilomicrones son las menos densas de las lipoproteínas sanguíneas porque tienen más triacilglicerol y menos proteína. 2. La VLDL es más densa que los quilomicrones pero aún tiene un contenido de triacilglicerol. 3. La IDL, que proviene de la VLDL, es más densa que ésta y tiene menos de la mitad de triacilglicerol. 4. La LDL tiene menos triacilglicerol y más proteína y, por tanto, es más densa que la IDL de la cual proviene. La LDL tiene el máximo contenido de colesterol y sus ésteres. 5. La HDL es la lipoproteína más densa. Tiene el menor contenido de triacilglicerol y el mayor de proteína.

B. Metabolismo de los quilomicrones (figura 7-13) 1. Los quilomicrones se sintetizan en células del epitelio intestinal. Sus triacilgliceroles provienen de lípidos ingeridos, y su principal apoproteína es apoB-48.

2. Los quilomicrones viajan en la linfa y la sangre. La ApoC-II, (el activador de la lipoproteína lipasa) y la apoE se transfieren a quilomicrones nacientes desde la HDL, y se forman quilomicrones maduros.

t a b l a

7-2

Características de las principales lipoproteínas Intervalo de diámetro de partícula (mm)

Lipoproteína

Intervalo de densidad (g/ml)

Quilomicrones

0.930

Remanentes de quilomicrones

0.930–1.006

30–80

Lenta, pre-b

VLDL

0.930–1.006

30–80

IDL

1.006–1.019

LDL

75–1,200

Movilidad electroforética Origen

TG

Lípido (%)a Col

PL

80–95

2–7

3–9

Pre-b

55–80

5–15

10–20

25–35

Lenta pre-b

20–50

20–40

15–25

1.019–1.063

18–25

b

5–15

40–50

20–25

HDL2

1.063–1.125

9–12

a

5–10

15–25

20–30

HDL3

1.125–1.210

5–9

a

Lip(a)

1.050–1.120

25

Pre-b

Función Suministro de lípidos de los alimentos Retorno de lípidos de los alimentos al hígado Suministro de lípidos endógenos Retorno de lípidos endógenos al hígado; precursor de LDL Suministro de colesterol a las células Reversión del transporte de colesterol Reversión del transporte de colesterol

TG, triacilgliceroles; Col, suma de colesterol libre y esterificado; PL, fosfolípido; VLDL, lipoproteína de muy baja densidad; IDL, lipoproteína de densidad intermedia; LDL, lipoproteína de baja densidad; HDL, lipoproteína de alta densidad. aEl resto de la composición porcentual corresponde a apoproteínas.

248

Bioquímica, biología molecular y genética

t a b l a

7-3

Características de las principales apoproteínas

Apoproteína

Principal fuente tisular

Masa molecular (dalton)

Distribución de lipoproteínas

ApoA-I ApoA-II

Intestino, hígado Hígado

28 016 17 414

HDL (quilomicrones) HDL (quilomicrones)

ApoA-IV

Intestino

46 465

HDL (quilomicrones)

ApoB-48

Intestino

264 000

Quilomicrones

ApoB-100

Hígado

540 000

VLDL, IDL, LDL

ApoC-I

Hígado

6 630

ApoC-II

Hígado

8 900

ApoC-III

Hígado

8 800

ApoE

Hígado

34 145

Quilomicrones, VLDL, IDL, HDL Quilomicrones, VLDL, IDL, HDL Quilomicrones, VLDL, IDL, HDL Remanentes de quilomicrones, VLDL, IDL, HDL

Apo(a)

Hígado

Lipoproteína “pequeña” a (Lp(a))

Función metabólica Activa LCAT; componente estructural de la HDL Incierta; podría regular la transferencia de apoproteínas de HDL a otras partículas de lipoproteína Incierta; podría participar en el ensamblaje de HDL y quilomicrones Ensamblaje y secreción de quilomicrones desde el intestino delgado Ensamblaje y secreción de VLDL; proteína estructural de VLDL, IDL y LDL; ligando para el receptor de LDL Desconocida; podría inhibir la captación hepática de remanentes de quilomicrones y VLDL Cofactor activador de lipoproteína lipasa (LPL) Inhibidor de LPL; podría inhibir la captación hepática de remanentes de quilomicrones y VLDL Ligando para la unión de varias lipoproteínas al receptor de LDL, a la proteína relacionada con receptor de LDL (LRP), y tal vez a un receptor de apoE distinto Desconocida; consiste en apoB-100 unida por un enlace disulfuro a apoproteína (a)

3. En tejidos periféricos, en particular tejido adiposo y músculo, los triacilgliceroles son digeridos por lipoproteína lipasa.

4. Los remanentes de quilomicrones interactúan con los receptores en la superficie de las células hepáticas y son captados por endocitosis. El contenido es degradado por enzimas lisosómicas, y los productos (aminoácidos, ácidos grasos, glicerol, colesterol y fosfato) se liberan en el citosol y se reutilizan.

C. Metabolismo de la VLDL (ver figura 7-13B) 1. La VLDL se sintetiza en el hígado, en particular después de una comida rica en carbohidratos. Consiste en triacilgliceroles empacados con colesterol, apoproteínas (en especial apoB-100) y fosfolípidos y se libera en la sangre. 2. En tejidos periféricos, en particular tejido adiposo y músculo, los triacilgliceroles de VLDL son digeridos por lipoproteína lipasa y la VLDL se convierte en IDL.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La deficiencia familiar de lipoproteína lipasa (LPL) se caracteriza por concentraciones muy altas de triglicéridos circulantes (hipertrigliceridemia), debido a que los triglicéridos de los quilomicrones permanecen en la circulación porque no pueden ser digeridos en ausencia de actividad de LPL. Los pacientes presentan dolor abdominal recurrente (pancreatitis), xantomas y hepatoesplenomegalia. El tratamiento consiste en reducir el consumo de grasas a menos de 15% de las calorías totales, o cerca de 20 g de grasa al día. Esto reducirá en gran medida la síntesis de quilomicrones, y reducirá de manera drástica la concentración de triglicéridos circulantes. En una prueba para LPL se mide la actividad de LPL en la sangre de un individuo tratado con heparina; la LPL se fija a las paredes capilares por unión al glucosaminoglucano heparina, de modo que la heparina circulante pueda competir con la unida a la superficie y liberar de aquí la LPL unida. Si en presencia de apolipoproteína C-II activa (el activador de LPL) se observa actividad mínima, puede diagnosticarse deficiencia de LPL. La deficiencia familiar de apolipoproteína C-II (apoC-II) es un trastorno muy raro con los mismos síntomas que la deficiencia de LPL. La apoC-II es el activador de LPL en la superficie capilar, y en ausencia de actividad de apoC-II, la actividad de LPL se reduce mucho, lo que ocasiona quilomicronemia. La deficiencia de apoC-II puede distinguirse de la deficiencia de LPL mediante la prueba mencionada antes para la actividad de LPL en plasma heparinizado. Si se añade apoC-II funcional a la mezcla de ensayo, es posible determinar si la apoC-II aún es capaz de inducir. En caso afirmativo, entonces el defecto se encuentra en la apoC-II.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

249

A Linfa Quilomicrones Quilomicrones

Quilomicrones

Célula del epitelio intestinal

Lisosomas

TG de L quilomi- P crones L CII

Hígado

Vesícula endocítica

Remanentes de quilomicrones

AG Colesterol Aminoácidos Glicerol

Paredes capilares

Sangre

AG

CO2 + H2 O Músculo

AG + Glicerol AG

Receptores

Depósitos de TG

Tejido adiposo

Paredes capilares

B

Sangre Glucosa AG

Colesterol Aminoácidos AG Pi Glicerol

TG

VLDL

VLDL

Lisosomas

TG L P de VLDL L CII AG + Glicerol

IDL

Hígado

IDL TG

Colesterol Aminoácidos AG Pi Glicerol

LDL Receptor de LDL Lisosomas

Células periféricas

H T G L

Músculo CO2 + H2O AG Tejido adiposo AG Depósitos de TG

Macrófago LDL oxidada Célula espumosa Íntima vascular

FIGURA 7-13. Metabolismo de quilomicrones y VLDL. A. Destino de los quilomicrones. B. Destino de las VLDL. AG, ácidos grasos; Pi, fosfato inorgánico; HTGL, triglicérido lipasa hepática.

250

Bioquímica, biología molecular y genética

3. La IDL vuelve al hígado, es captada por endocitosis, y es degradada por enzimas lisosómicas. La IDL también puede ser degradada aún más y formar LDL.

4. La LDL reacciona con los receptores en diversas células, es captada por endocitosis y es digerida por enzimas lisosómicas. a. La colesterol, liberado de ésteres de colesterol por una esterasa lisosómica, puede ser usado para la síntesis de las membranas celulares o para la síntesis de sales biliares en el hígado o de hormonas esteroideas en tejidos endocrinos. b. El colesterol inhibe la HMG-CoA reductasa (una enzima clave en la biosíntesis de colesterol) y, por tanto, reduce la rapidez de síntesis de colesterol en la célula. c. El colesterol inhibe la síntesis de receptores de LDL (regulación a la baja) y, por tanto, reduce la cantidad de colesterol captada por las células. d. El colesterol activa la acilo:colesterol aciltransferasa (ACAT), que convierte colesterol en ésteres de colesterol para su almacenamiento en las células.

D. Metabolismo de la HDL (ver figura 7-14) 1. La HDL es sintetizada por el hígado y liberada en la sangre como pequeñas partículas con forma de disco. La principal proteína de la HDL es apoA.

2. La apoC-II, que es transferida por la HDL a quilomicrones y VLDL, sirve como activador de la lipoproteína lipasa. La apoE también se transfiere y sirve como factor de reconocimiento de receptores de la superficie celular. La ApoC-II y la apoE se transfieren de vuelta a la HDL después de la digestión de los triacilgliceroles de quilomicrones y VLDL. 3. El colesterol, que la HDL obtiene de las membranas celulares o de otras lipoproteínas, es convertido en ésteres de colesterol por la reacción de la LCAT, que es activada por apoAI. Un ácido graso de la posición 2 de la lecitina (fosfatidilcolina), un componente de la HDL, forma un éster con el grupo 3-hidroxilo del colesterol, de lo que resultan lisolecitina y un éster de colesterol. Dado que los ésteres de colesterol se acumulan en el centro de la lipoproteína, las partículas de HDL se hacen esferoides. 4. La HDL transfiere ésteres de colesterol a otras lipoproteínas a cambio de diversos lípidos. La proteína de transferencia de ésteres de colesterol (CETP, cholesterol ester transfer protein) media este intercambio. La HDL y otras lipopro­teínas llevan los ésteres de colesterol de vuelta al hígado. Hígado Sales biliares Acción lisosómica

Sangre ApoB-48 Quilomicrón naciente

HDL Colesterol

HDL ApoC II ApoA

Glucosa

ApoB-48

ApoE

ApoCII Quilomicrón

ApoE ApoB-100 VLDL naciente

LCAT IDL

ApoAI C CE HDL

LDL

CE

TG

VLDL

CETP

TG C

C

C

C

ApoB-100 VLDL ApoCII

ApoE Membrana celular

C Célula

FIGURA 7-14. Funciones y destino de la HDL. La LDL naciente se sintetiza en las células hepáticas e intestinales. Los pasos se describen en el texto. C, colesterol; CE, éster de colesterol; LCAT, lecitina:colesterol aciltransferasa; PL, fosfolípido; TG, triacilglicerol.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

251

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La deficiencia familiar de LCAT ocasiona aumento de la concentración de colesterol en la sangre (hipercolesterolemia). La LCAT es la enzima que esterifica el colesterol en partículas de HDL (por eliminación de un ácido graso en la posición 2 de la fosfatidilcolina, y esterificación del colesterol con este ácido graso). La incapacidad de la HDL de aceptar colesterol de los tejidos causa aumento del colesterol libre en la sangre, el cual tiende a depositarse en tejidos específicos (córneas, riñones y eritrocitos). Las principales complicaciones de este trastorno son insuficiencia renal, anemia y opacidades corneales. La enfermedad de Tangier es un trastorno codominante que da por resultado disminución considerable de HDL en la circulación. La característica distintiva de esta enfermedad es el color anaranjado de las amígdalas, a causa de la acumulación de lípido en éstas. Debido a la pérdida del efecto protector de la HDL, estos individuos también están propensos a cardiopatía coronaria prematura. La mutación se produce en la proteína ABC1, responsable de transportar colesterol de las células a la partícula de HDL. No existe tratamiento para esta enfermedad. 5. Las partículas de HDL y otras lipoproteínas son captadas por el hígado por endocitosis e hidrolizadas por enzimas lisosómicas.

6. El colesterol, liberado de ésteres de colesterol, puede ser empacado por el hígado en VLDL y liberado en la sangre o convertido en sales biliares y secretado en la bilis.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

En las hiperlipidemias, la concentración sanguínea de colesterol, triacilgliceroles o ambos está elevada por sobreproducción de lipoproteínas o defectos en diversas etapas de su degradación. Las elevaciones de lípidos en la sangre (en particular LDL) se asocian con alta incidencia de ataques cardiacos y eventos vasculares cerebrales. En la hipercolesterolemia familiar, los receptores celulares para LDL son defectuosos. Por lo tanto, la LDL no es captada a un ritmo normal por las células y degradada por enzimas lisosómicas. El aumento resultante en la LDL sanguínea (que contiene gran cantidad de colesterol y ésteres de colesterol) se relaciona con xantomas (depósitos de lípido que a menudo se forman bajo la piel) y arteriopatía coronaria. El tratamiento suele incluir dietas bajas en grasas saturadas y colesterol, inhibidores de la HMG-CoA reductasa (p. ej., lovastatina), resinas fijadoras de ácidos biliares y ácido nicotínico (niacina). En la hipertrigliceridemia por deficiencias de LPL o apoC-II (el activador de la lipoproteína lipasa), las concentraciones de triacilglicerol aumentan mucho debido a disminución de la degradación de VLDL y quilomicrones. Estas deficiencias se asocian con xantomas característicos e intolerancia a alimentos grasosos. Las dietas bajas en grasa suelen ser eficaces (ver más adelante). En la diabetes mellitus (DM), los valores de VLDL con frecuencia están elevados, lo que causa altas concentraciones sanguíneas de triacilglicerol. El colesterol también puede estar elevado. En la diabetes, las altas concentraciones de VLDL se deben a alteración del metabolismo de carbohidratos y lípidos por disminución de los valores de insulina (DM tipo 1) o resistencia a la insulina (DM tipo 2). El consumo de ácidos grasos trans (grasas trans) también es nocivo para la salud relacionada con los lípidos. Las grasas trans (que se forman cuando los ácidos grasos poliinsaturados se hidrogenan parcialmente a fin de prolongar su fecha de caducidad; reducir algunos de los dobles enlaces en los ácidos grasos crea algunos dobles enlaces trans. Recuerde que virtualmente todos los ácidos grasos insaturados que existen en la naturaleza tienen la configuración cis.) elevan las concentraciones de LDL y reducen las de HDL por un mecanismo mal definido. El consumo recomendado de grasa trans es no más de 1% de las calorías totales consumidas, lo cual cubre la pequeña cantidad de grasas trans presente en los alimentos.

VIII.  DESTINO DE LOS TRIACILGLICEROLES DEL TEJIDO ADIPOSO •• Durante el ayuno, de los depósitos de triacilglicerol en el tejido adiposo se liberan ácidos grasos y glicerol y sirven como una fuente de combustible para otros tejidos. •• La insulina disminuye y el glucagón aumenta durante el ayuno, lo cual causa la activación de la lipasa sensible a hormona por un mecanismo dependiente de cAMP. La lipasa sensible a hormona inicia la conversión de triacilgliceroles del tejido adiposo en ácidos grasos y glicerol, que se liberan en la sangre.

252

Bioquímica, biología molecular y genética

•• Los ácidos grasos se transportan en la sangre en complejos con albúmina, son captados por diversos tejidos y se oxidan para generar energía. En el hígado, los ácidos grasos se convierten en cuerpos cetónicos y el glicerol se convierte en glucosa. Esos combustibles son fuentes de energía para otros tejidos.

A. Lipólisis y triacilgliceroles de tejido adiposo 1. En el estado de ayuno ocurre la lipólisis de triacilgliceroles de tejido adiposo. 2. La insulina disminuye y el glucagón aumenta, lo que estimula la lipólisis. (La adrenalina y otras hormonas promueven la lipólisis por el mismo mecanismo.) a. Los valores de cAMP aumentan, y se activa la proteína cinasa A. b. La proteína cinasa A fosforila y, por tanto, activa la lipasa sensible a hormona del tejido adiposo. 3. La lipasa sensible a hormona inicia la lipólisis, y de las células adiposas se liberan ácidos grasos y glicerol.

B. Destino de ácidos grasos y glicerol 1. Los ácidos grasos son llevados en la sangre por la albúmina. a. En tejidos como el muscular y riñones, los ácidos grasos se oxidan para generar energía. b. En el hígado, los ácidos grasos son convertidos en cuerpos cetónicos que se oxidan en tejidos como el muscular y riñones. Durante la inanición (después de un ayuno de tres días o más), el encéfalo utiliza cuerpos cetónicos como fuente de energía. 2. El hígado utiliza glicerol como fuente de carbono para la gluconeogénesis, que produce glucosa para tejidos como encéfalo y eritrocitos.

IX.  OXIDACIÓN DE ÁCIDOS GRASOS •• Los ácidos grasos, que son la principal fuente de energía en el ser humano, se oxidan en mayor medida por β-oxidación. •• Antes de la oxidación, se activan ácidos grasos de cadena larga, con lo que forman ácido graso-CoA, que es transportada a las mitocondrias por un sistema portador de carnitina. •• El proceso de la β-oxidación ocurre en las mitocondrias. En los cuatro pasos que producen FADH2 y NADH, dos carbonos se escinden de un ácido graso-CoA y se liberan como acetil-CoA. Esta serie de pasos se repite hasta que un ácido graso de cadena par se convierte por completo en acetil-CoA. •• Se obtiene ATP cuando FADH2 y NADH interactúan con la cadena transportadora de electrones o cuando la acetil-CoA se oxida aún más. •• En tejidos como el músculo esquelético y el cardiaco, la acetil-CoA ingresa en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) y se oxida a CO2 y H2O. En el hígado, la acetil-CoA es convertida en cuerpos cetónicos. •• La β-oxidación es regulada por los mecanismos que controlan la fosforilación oxidativa (es decir, por la demanda de ATP). •• Los ácidos grasos también presentan oxidación α, ω y peroxisómica.

A. Activación de ácidos grasos 1. En el citosol, los ácidos grasos de cadena larga son activados por ATP y coenzima A y se forma ácido graso-CoA (figura 7-15). Los ácidos grasos de cadena corta se activan en las mitocondrias.

2. El ATP se convierte en AMP y pirofosfato (PPi), el cual es degradado por pirofosfatasa a dos fosfatos

inorgánicos (2 Pi). Dado que se rompen dos enlaces fosfato de alta energía, se usa el equivalente de dos moléculas de ATP para la activación del ácido graso.

B. Transporte de ácido graso-CoA desde el citosol hasta las mitocondrias 1. El ácido graso-CoA del citosol reacciona con carnitina en la membrana mitocondrial externa, y forma acilcarnitina. La enzima es la carnitina aciltransferasa I (CAT I), también llamada carnitina palmitoiltransferasa I (CPT I). La acilcarnitina pasa a la membrana interna, donde se reconvierte en ácido graso-CoA o acil-CoA,, que entra en la matriz. La segunda enzima es la carnitina aciltransferasa II (CAT II).



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol Lipoproteínas sanguíneas (ingeridas) TG de tejido adiposo

AG

Albúmina Sangre

AG- albúmina Membrana celular Citosol

AG ATP CoASH

AMP + PPi

Activación

2 Pi

AG CoA Membrana mitocondrial externa Carnitina AG•carnitina Membrana mitocondrial interna Matriz mitocondrial

CoASH AG CoA

CH2

CH3





CH2

CH2

O ácido graso-CoA

C ~ SCoA

[total C = n]

1

FAD

acil-CoA deshidrogenasa

O

 CH3

~ 1.5 ATP

FAD (2H)

CH2

CH

2

CH

trans 2 grasoenoil-CoA

C ~ SCoA

H2O

enoil-CoA hidratasa

-Oxidación Espiral

CH3

CH2



OH CH

L -- Hidroxiacil-CoA

C ~ SCoA

NAD+

3 -hidroxiacil-CoA deshidrogenasa

CH3

O CH2

CH2



NADH + H+ O C

~ 2.5 ATP

O CH2

- Cetoacil-CoA

C ~ SCoA

CoASH

4 -cetotiolasa

O

O

CH2 C SCoA + CH3 [total C = (n – 2)] ácido graso-CoA CH3

C ~ SCoA Acetil-CoA

Otras reacciones

TCA

Cuerpos cetónicos (hígado)

FIGURA 7-15. Activación y oxidación de ácidos grasos. AG, ácido graso; TG, triacilglicerol.

253

254

Bioquímica, biología molecular y genética

2. La carnitina aciltransferasa I, que cataliza la transferencia de grupos acilo de la coenzima A a la carnitina, es inhibida por malonil-CoA, un intermediario en la síntesis de ácidos grasos. Por lo tanto, cuando se sintetizan ácidos grasos en el citosol, la malonil-CoA inhibe su transporte a las mitocondrias y, por tanto, impide un ciclo fútil (síntesis seguida de degradación inmediata). 3. Dentro de la mitocondria, el ácido graso-CoA presenta 𝛃-oxidación.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La deficiencia de carnitina puede ser primaria o secundaria. Una deficiencia primaria de carnitina resulta de la incapacidad de transportar carnitina (un compuesto no esencial) al interior de las células que la necesitan: hepáticas y musculares. Esto causa disminución de la oxidación de ácidos grasos y en el caso del músculo, intolerancia al ejercicio y daño muscular durante la actividad física, lo que ocasiona mioglobinuria. En el hígado, la falta de oxidación de ácidos grasos puede ocasionar hipoglucemia hipocetósica: hipoglucemia (por falta de energía para la gluconeogénesis) aunada a concentración subnormal de cuerpos cetónicos (por deficiencia en la oxidación de ácidos grasos). Los principales órganos y sistemas afectados son músculo cardiaco (miocardiopatía), sistema nervioso central (deficiencia de combustible) y músculo esquelético (daño muscular). La deficiencia secundaria de carnitina es causada por otros trastornos metabólicos (como mutación de la carnitina aciltransferasa II, o trastornos de la oxidación de ácidos grasos). Los derivados acilcarnitina pueden acumularse en los tejidos y la sangre en una deficiencia secundaria de carnitina. La acumulación de acilcarnitinas de cadena larga es tóxica y puede provocar paro cardiaco repentino. La acumulación de ácidos orgánicos, por defectos en el metabolismo de los aminoácidos, también puede causar agotamiento de carnitina, ya que estos ácidos, que se forman a partir de derivados de CoA, a menudo se transfieren a la carnitina como una manera de retirar del organismo el ácido que se acumula.

C. 𝛃-oxidación de ácidos grasos de cadena par

La 𝛃-oxidación (en la cual todas las reacciones implican el carbono β de una acil-CoA) es una espiral que consta de una secuencia de cuatro pasos, de los cuales los tres primeros son similares a los del ciclo de los TCA entre succinato y oxaloacetato. Estos pasos se repiten hasta que todos los carbonos de una acil-CoA de cadena par son convertidos en acetil-CoA (ver figura 7-15). 1. El FAD acepta hidrógenos de una acil-CoA en el primer paso. Se forma un doble enlace entre los carbonos α y β, y una enoil-CoA. El FADH2 que se produce interactúa con la cadena de transporte de electrones, y genera ATP. a. Enzima: acil-CoA deshidrogenasa (hay múltiples variantes de esta enzima, como acil-CoA de cadena corta deshidrogenasa [SCAD, short-chain acyl-CoA dehydrogenase], acil-CoA de cadena intermedia deshidrogenasa [MCAD, medium-chain acyl-CoA dehydrogenase], acil-CoA de cadena larga deshidrogenasa [LCAD, long-chain acyl-CoA dehydrogenase], y acil-CoA de cadena muy larga deshidrogenasa [VLCAD, very long-chain acyl-CoA dehydrogenase].)

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Una deficiencia genética de la MCAD para la β-oxidación impide el uso normal de ácidos grasos como combustibles. Se produce hipoglucemia en ayuno, y se excretan en la orina ácidos dicarboxílicos (producidos por ω oxidación), así como acilglicinas (glicina conjugada con ácidos dicarboxílicos para ayudar a la excreción de éstos). La deficiencia de MCAD es una enfermedad autosómica recesiva con frecuencia de 1/15 000 nacimientos vivos.

2. Se agrega H2O al doble enlace, y se forma un β-hidroxiacil-CoA. a. Enzima: enoil-CoA hidratasa

3. La 𝛃-hidroxiacil-CoA es oxidada por NAD+ a una β-cetoacil-CoA. El NADH que se produce interactúa con la cadena transportadora de electrones, y genera ATP. a. Enzima: l-3-hidroxiacil-CoA deshidrogenasa (que es específica para el isómero l de la β-hidroxiacil-CoA)



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

255

CORRELACIÓN CLÍNICA  

La enfermedad emética jamaiquina (síndrome hipoglucémico tóxico) es causada por una toxina (hipoglicina) del fruto inmaduro del árbol akee. Esta toxina inhibe una acil-CoA deshidrogenasa de la β-oxidación; en consecuencia, debe oxidarse más glucosa para compensar la disminución en la capacidad de usar ácidos grasos como combustible y puede presentarse hipoglucemia grave. La ω oxidación de los ácidos grasos aumenta y en la orina se excretan ácidos dicarboxílicos. Las víctimas de esta enfermedad a menudo letal suelen ser niños desprevenidos.

4. El enlace entre los carbonos 𝛂 y 𝛃 de la β-cetoacil-CoA es roto por una tiolasa que requiere coenzima A. Se produce acetil-CoA a partir de los dos carbonos en el extremo carboxilo de la acil-CoA original y los carbonos restantes forman una acil-CoA dos carbonos más corta que la original. a. Enzima: 𝛃-cetotiolasa 5. La acil-CoA acortada repite estos cuatro pasos. Las repeticiones continúan hasta que todos los carbonos de la acil-CoA original se convierten en acetil-CoA. a. La palmitoil-CoA, de 16-carbonos, experimenta siete repeticiones. b. En la última repetición, una acil-CoA de 4-carbonos (butiril-CoA) se degrada a dos acetil-CoA. 6. Se genera energía a partir de los productos de la β-oxidación. a. Cuando se oxida una palmitoil-CoA, se forman siete FADH2, siete NADH y ocho acetil-CoA. (1) Los siete FADH2 generan cada uno alrededor de 1.5 ATP, para un total aproximado de 10.5 ATP. (2) Los siete NADH generan cada uno alrededor de 2.5 ATP, para un total aproximado de 17.5 ATP. (3) Las ocho acetil-CoA pueden entrar en el ciclo de los TCA y cada una produce cerca de 10 ATP, para un total aproximado de 80 ATP. (4) A partir de la oxidación de la palmitoil-CoA a CO2 y H2O, se produce un total aproximado de 108 ATP. b. La producción neta de ATP a partir del palmitato que entra en la célula desde la sangre es de alrededor de 106, porque el palmitato debe someterse a activación (un proceso que requiere el equivalente de 2 ATP) antes de poder ser oxidado (108 ATP 2 2 ATP = 106 ATP). c. La oxidación de otros ácidos grasos rendirá diferentes cantidades de ATP.

D. Oxidación de ácidos grasos de cadena impar e insaturados 1. Los ácidos grasos de cadena impar producen acetil-CoA y propionil-CoA. a. Estos ácidos grasos repiten los cuatro pasos de la espiral de la β-oxidación y producen acetil-CoA hasta la última escisión, cuando los tres carbonos restantes se liberan como propionil-CoA. b. La propionil-CoA, pero no la acetil-CoA, puede convertirse en glucosa (ver Capítulo 6, sección VI D 2; y figura 8-7). 2. Los ácidos grasos insaturados, que comprenden alrededor de la mitad de residuos de ácido graso en los lípidos del ser humano, requieren otras enzimas además de las cuatro que catalizan los pasos repetitivos de la espiral de la β-oxidación. La vía de reacción difiere, según el doble enlace esté en un carbono par o impar. a. Ocurre 𝛃-oxidación hasta que un doble enlace del ácido graso insaturado está cerca del extremo carboxilo de la cadena grasoacilo. (1) Si el doble enlace se origina en un carbono impar (como 3, 5, 7, etc.), una isomerasa convertirá el posterior ácido graso cis-Δ3 en uno trans-Δ2 (figura 7-16). (2) Si el doble enlace se origina en un carbono par (como 4, 6, 8, etc.), el eventual ácido graso trans-Δ2, cis-Δ4 será reducido por una 2,4-dienoil-CoA reductasa, que requiere NADPH y genera una trans-Δ3-acil-CoA y NADP+. La isomerasa convertirá la trans-Δ3 acil-CoA en una trans-Δ2 acil-CoA para permitir que la β-oxidación continúe. b. Rendimiento de ATP para ácidos grasos insaturados (1) Si el doble enlace se origina en un carbono impar, entonces a diferencia de lo que ocurre en el caso de un ácido graso completamente saturado con la misma longitud de carbonos, habrá 1.5 ATP menos por cada insaturación en la posición del carbono impar, debido a que se produce un FADH2 menos por cada insaturación.

256

Bioquímica, biología molecular y genética 12

18

9

1

C

-oxidación (tres espirales) 4

Linoleolil-CoA cis-9, cis-12 SCoA O

3 Acetil-CoA 3

C

2

O

cis-3, cis-6

SCoA

Enoil-CoA isomerasa 4

2

1

C

3

4

trans-2, cis-6

O

Una espiral de -oxidación y el primer paso de la segunda espiral 5

SCoA

Acetil-CoA

2

SCoA

1

C

3

O

trans-2, cis-4

NADPH + H+ 2,4-Dienoil-CoA reductasa

5

NADP+ 1

3 4

C

2

O

trans-3

SCoA

Enoil-CoA isomerasa 5

1

3 4

2

C

O SCoA

-oxidación (cuatro espirales) 5 Acetil-CoA

trans-2

FIGURA  7-16. Oxidación del linoleato. Después de tres espirales de β-oxidación (líneas de trazo discontinuo), ahora hay un doble enlace 3–4 y uno 6–7. El doble enlace 3,4-cis se isomeriza a un doble enlace 2,3-trans, que tiene la configuración correcta para que actúe la enzima normal. Cuando el otro doble enlace finalmente alcanza una configuración cis-Δ4, la introducción de un doble enlace trans-Δ2 en la misma estructura aporta un sustrato para la 2,4-dienoilCoA reductasa, que reduce los dos dobles enlaces a un solo doble enlace trans-Δ3. La isomerasa convierte el doble enlace trans-Δ3 en un doble enlace trans-Δ2, lo cual permite que la oxidación del ácido graso continúe.

(2) Si el doble enlace se origina en un carbono par, entonces a diferencia de lo que ocurre en un ácido graso completamente saturado con longitud equivalente, se produce un equivalente de NADH menos (o 2.5 ATP), debido al uso de NADPH en el paso catalizado por la 2,4-dienoilCoA reductasa.

E. 𝛚 oxidación de ácidos grasos 1. El carbono 𝛚 (omega) o carbono metilo de los ácidos grasos se oxida a un grupo carboxilo en el retículo endoplásmico.

2. Entonces puede ocurrir la β-oxidación en las mitocondrias en este extremo del ácido graso así como en el extremo carboxilo original. Se producen ácidos dicarboxílicos.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

257

F. Oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga en los peroxisomas 1. El proceso difiere de la β-oxidación en que la VLCAD usa O2 molecular, se forma peróxido de hidrógeno (H2O2), y no se genera FADH2 en el primer paso de la β-oxidación en los peroxisomas.

2. Los ácidos grasos de cadena más corta que se producen viajan a las mitocondrias, donde experimentan β-oxidación, lo que genera ATP.

G. 𝛂 oxidación de ácidos grasos en los peroxisomas 1. Los ácidos grasos de cadena ramificada se oxidan en el carbono α (principalmente en el encéfalo y otros tejidos nerviosos), y el carbono carboxilo se libera como CO2. Las ramas pueden interferir en la vía de β-oxidación normal, más a menudo en el paso de la acil-CoA deshidrogenasa. 2. El ácido graso se degrada entonces inicialmente en un carbono y luego dos carbonos a la vez. Se producen tanto acetil-CoA como propionil-CoA si las ramas son grupos metilo.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Entre los trastornos peroxisómicos se encuentran suprarrenoleucodistrofia y síndrome de Zellweger. La suprarrenoleucodistrofia es un trastorno ligado al sexo que afecta el transporte de ácidos grasos de cadena muy larga a los peroxisomas para los procesos iniciales de la oxidación. La pérdida de esta actividad causa la acumulación de ácidos grasos de cadena muy larga, que al parecer marcan las glándulas suprarrenales y la vaina de mielina para su destrucción, por incorporación en los lípidos de membrana que rodean esas estructuras. Los niños que heredan esta mutación experimentan déficit cognitivo, deterioro del sistema nervioso, convulsiones, deterioro visual y tal vez enfermedad de Addison, una pérdida de funcionamiento de la glándula suprarrenal. El síndrome de Zellweger es un trastorno de la biogénesis peroxisómica y constituye una de las leucodistrofias. La falta de peroxisomas causa acumulación de ácidos grasos de cadena muy larga e incapacidad de degradar ácidos grasos ramificados (como el ácido fitánico) y da origen a síndrome de Zellweger, suprarrenoleucodistrofia neonatal y enfermedad de Refsun infantil. La estructura de mielina se altera debido a la acumulación de esos ácidos grasos, en particular ácido fitánico. Entre los signos y síntomas están hepatomegalia, retraso mental y convulsiones. Los lactantes con síndrome de Zellweger tienen debilidad muscular y pueden ser incapaces de moverse o succionar.

X.  SÍNTESIS Y UTILIZACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS •• Los cuerpos cetónicos, acetoacetato y β-hidroxibutirato, pueden ser usados como combustibles. Se sintetizan principalmente en las mitocondrias hepáticas siempre que la concentración sanguínea de ácidos grasos sea alta. •• Los ácidos grasos se activan en las células hepáticas y se convierten en acetil-CoA, que genera ATP. A medida que aumentan los valores de NADH y ATP, se acumula acetil-CoA. •• La acetil-CoA reacciona con acetoacetil-CoA para formar HMG-CoA, que se escinde para generar acetoacetato. •• El acetoacetato puede reducirse a un segundo cuerpo cetónico, 3-hidroxibutirato (β-hidroxibutirato), por acción del NADH. •• Se produce acetona por descarboxilación espontánea (no enzimática) de acetoacetato. •• El hígado no puede usar cuerpos cetónicos porque carece de la enzima tiotransferasa que activa el acetoacetato. •• Los cuerpos cetónicos son usados como combustibles por tejidos como el muscular y riñones. Durante la inanición (ayuno de tres a cinco días), el encéfalo también oxida cuerpos cetónicos. •• Los cuerpos cetónicos entran en las células, donde el 3-hidroxibutirato se oxida a acetoacetato en una reacción que produce NADH. •• El acetoacetato, que se obtiene directamente de la sangre o se produce a partir de 3-hidroxibutirato, es activado a acetoacetil-CoA por reacción con succinil-CoA. El acetoacetil-CoA es degradado por la β-cetotiolasa a dos acetil-CoA, que entran en el ciclo de los TCA y son oxidados a CO2 y H2O, con lo que se genera ATP.

258

Bioquímica, biología molecular y genética O CH3

O

C~ SCoA

+

CH3

Tiolasa

C~ SCoA

2 Acetil-CoA

Co-ASH O C

CH3

CH2

~

C

Acetoacetil-CoA

O

S-CoA O CH3

HMG CoA sintasa

Co-ASH OH

CH3

C~ SCoA

C

O CH2

C

O–

CH2

~

C

3-Hidroxi-3-metilglutaril-CoA (HMG-CoA)

O

S-CoA

HMG-CoA liasa

Acetil-CoA O

CH3 D--Hidroxibutirato deshidrogenasa

C

NAD+ CH

CH2

C

NADH + H+

OH CH3

O O–

Acetoacetato Espontánea

CO2 O

O CH2

C

O– D-β-Hidroxibutirato

CH3

C

CH3

Acetona

FIGURA  7-17. Síntesis de cuerpos cetónicos. La porción de HMG-CoA mostrada en el recuadro se libera como acetil-CoA, y el resto de la molécula forma acetoacetato. Éste se reduce a β-hidroxibutirato si los valores de NADH son altos, y la descarboxilación espontánea del acetoacetato forma acetona.

A. La síntesis de cuerpos cetónicos (figura 7-17) ocurre en las mitocondrias hepáticas cuando la concentración sanguínea de ácidos grasos es alta (durante ayuno, inanición, o por alto contenido de grasa en los alimentos). La 𝛃-oxidación produce NADH y ATP y causa la acumulación de acetil-CoA. El hígado produce glucosa a partir de oxaloacetato, de modo que disminuye la condensación de acetil-CoA con oxaloacetato para formar citrato. 1. Dos moléculas de acetil-CoA se condensan para producir acetoacetil-CoA. Esta reacción es catalizada por la tiolasa o una isoenzima de la tiolasa. 2. Acetoacetil-CoA y acetil-CoA forman HMG-CoA en una reacción catalizada por HMG-CoA sintasa. 3. La HMG-CoA es escindida por la HMG-CoA liasa a acetil-CoA y acetoacetato.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

259

4. El acetoacetato puede ser reducido por una deshidrogenasa que requiere NAD (3-hidroxibutirato deshidrogenasa) a 3-hidroxibutirato. Ésta es una reacción reversible.

5. El acetoacetato también se descarboxila, de manera espontánea en una reacción no enzimática y forma a­ cetona (la causa del olor del aliento en los diabéticos cetósicos).

6. El hígado carece de succinil-CoA-acetoacetato-CoA transferasa (una tiotransferasa), por lo que no puede usar cuerpos cetónicos. Así, el hígado libera en la sangre acetoacetato y 3-hidroxibutirato.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Si un paciente con diabetes tipo 1 que deja de tomar insulina tiene una enfermedad o se somete a estrés, la glucemia puede aumentar mucho, con el resultado de cetoacidosis diabética. La disminución de insulina y el aumento de glucagón hacen que el tejido adiposo libere mayores cantidades de ácidos grasos, que son convertidos en cuerpos cetónicos por el hígado. La descarboxilación del acetoacetato produce acetona, que da un olor característico al aliento del paciente. La concentración de cuerpos cetónicos puede hacerse en extremo elevada y causar acidosis metabólica que, si no se trata de manera rápida y eficaz, puede causar coma y la muerte. B. Utilización de cuerpos cetónicos 1. Cuando el hígado libera cuerpos cetónicos en la sangre, son captados por tejidos periféricos como el muscular y riñones, donde se oxidan para generar energía. a. Durante la inanición, los cuerpos cetónicos aumentan en la sangre hasta una concentración que permite la entrada en las células del encéfalo, donde se oxidan. 2. El acetoacetato puede entrar en las células directamente, o producirse en la oxidación de 3-hidroxibutirato por la 3-hidroxibutirato deshidrogenasa. En esta reacción se forma NADH, que puede generar ATP. 3. El acetoacetato se activa al reaccionar con succinil-CoA para formar acetoacetil-CoA y succinato. La enzima es la succinil-CoA-acetoacetato-CoA transferasa (una tiotransferasa). 4. La acetoacetil-CoA es degradada por la tiolasa a dos acetil-CoA, que entran en el ciclo de los TCA y se oxidan a CO2 y H2O. 5. La oxidación de cuerpos cetónicos produce energía. a. Un acetoacetato produce dos acetil-CoA, cada uno de los cuales puede generar unos 10 ATP, o un total aproximado de 20 ATP vía el ciclo de los TCA. b. Sin embargo, la activación del acetoacetato causa la generación de un ATP menos porque no se produce GTP, el equivalente del ATP, cuando se usa succinil-CoA para activar el acetoacetato. (En el ciclo de los TCA, cuando la succinil-CoA forma succinato, se genera GTP.) Por lo tanto, la oxidación de acetoacetato tiene un rendimiento neto de sólo 19 ATP. c. Cuando se oxida 3-hidroxibutirato, se forman 2.5 ATP adicionales porque la oxidación de 3-hidroxibutirato a acetoacetato produce NADH.

XI.  METABOLISMO DE FOSFOLÍPIDOS Y ESFINGOLÍPIDOS •• Fosfolípidos y esfingolípidos son los principales componentes de las membranas celulares. Son moléculas anfipáticas; es decir, una porción de la molécula es hidrófila y se relaciona con H2O, y otra porción contiene las cadenas de hidrocarburo derivadas de ácidos grasos, que son hidrófobas y se relacionan con lípidos (ver figuras 7-2 y 7-3). •• Los fosfoglicéridos (los principales fosfolípidos) contienen glicerol, ácidos grasos y fosfato. El fosfato se esterifica a colina, serina, etanolamina o inositol. •• Los fosfoglicéridos se sintetizan en varias vías. •• En la degradación de fosfoglicéridos intervienen fosfolipasas, cada una específica para una de las ligaduras éster de los enlaces fosfodiéster. •• Los esfingolípidos son la esfingomielina (que contiene fosfocolina) y los cerebrósidos y gangliósidos (que contienen residuos azúcar). Estos compuestos son los principales componentes de las membranas celulares en el tejido nervioso.

260

Bioquímica, biología molecular y genética

•• Los esfingolípidos se sintetizan a partir de ceramida, que se produce con serina y palmitoil-CoA. •• Durante la degradación, las unidades fosfocolina y azúcar de los esfingolípidos son retiradas por enzimas lisosómicas.

A. Síntesis y degradación de fosfoglicéridos Los fosfoglicéridos se sintetizan por un proceso similar en sus pasos iniciales a la síntesis de triacilglicerol (el glicerol-3-fosfato se combina con dos acil-CoA para formar ácido fosfatídico) (ver figura 7-9). 1. Síntesis de fosfatidilinositol a. El ácido fosfatídico reacciona con CTP para formar CDP-diacilglicerol, que reacciona con inositol para formar fosfatidilinositol. b. El fosfatidilinositol puede ser fosforilado aún más para formar 4,5-bisfosfato de fosfatidilino­ sitol, que se degrada en respuesta a diversos estímulos para formar los compuestos 1,4,5trisfosfato de inositol (IP3) y diacilglicerol (DAG), que sirven como segundos mensajeros (ver Capítulo 9). 2. Síntesis de fosfatidiletanolamina, fosfatidilcolina y fosfatidilserina (figura 7-18) a. El ácido fosfatídico libera fosfato inorgánico, y se produce diacilglicerol. El diacilglicerol reacciona con compuestos que contienen nucleótidos citosina para formar fosfatidiletanolamina y fosfatidilcolina. (1) Fosfatidiletanolamina (a) El diacilglicerol reacciona con CDP-etanolamina para formar fosfatidiletano­ lamina. (b) La fosfatidiletanolamina también puede formarse por descarboxilación de fosfa­tidilserina.

O

R2

O

CH2

C O

CH

O

C R1

CH2OH Diacilglicerol

CDP-ethanolamina

CDP-colina

CMP

CMP

O 1 CH 2 2

O R2

C O

CH2

O

P

O

R2

+

CH2

O

3 SAM

Etanolamina

O

CH

3

O

C R1

O

CH2NH3

–

O

C O

1 CH 2 2

O

CH2

O

P O

Fosfatidiletanolamina

Colina

O

CH

3

C R1 O

CH2

–

CH2

CH3 +

N

CH3

CH3

Fosfatidilcolina

Serina

CO2

Etanolamina O O R2

C O

1 CH 2 2

O

CH2

+

O

CH

3

Serina

C R1

O

P

NH3 O

CH2

CH

COO–

O– Fosfatidilserina

FIGURA  7-18. Síntesis de los principales fosfolípidos. SAM, S-adenosilmetionina, un donador de grupos metilo para muchas reacciones bioquímicas.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

261

(2) Fosfatidilcolina

(a) El diacilglicerol reacciona con CDP-colina para formar fosfatidilcolina (lecitina). (b) La fosfatidilcolina también puede formarse por metilación de fosfatidiletanolamina. La S-adenosilmetionina (SAM) aporta los grupos metilo. 1. Además de ser un componente importante de las membranas celulares y las lipoproteínas sanguíneas, la fosfatidilcolina aporta el ácido graso para la síntesis de ésteres de colesterol en HDL por la reacción de la LCAT y, como el derivado dipalmitoilo, actúa como surfactante pulmonar. Si los alimentos son deficientes en colina, la fosfatidilcolina puede sintetizarse de novo a partir de glucosa (ver figura 7-18). (3) Fosfatidilserina (a) La fosfatidilserina se forma cuando la fosfatidiletanolamina reacciona con serina, que sustituye el componente etanolamina (ver figura 7-18). 3. Degradación de fosfoglicéridos a. Los fosfoglicéridos son hidrolizados por fosfolipasas. b. La fosfolipasa A1 libera el ácido graso en la posición 1 del componente glicerol; la fosfolipasa A2 libera el ácido graso en la posición 2; la fosfolipasa C libera la base fosforilada (p. ej., colina) en la posición 3; y la fosfolipasa D genera la base libre.

B. Síntesis y degradación de esfingolípidos (figura 7-19) Los esfingolípidos derivan de serina, no de glicerol.

1. La serina se condensa con palmitoil-CoA en una reacción en la cual la serina es decarboxilada por una enzima que requiere piridoxal fosfato.

2. El producto se convierte en un derivado de esfingosina. 3. Una acil-CoA forma una amida con el nitrógeno, y un compuesto resultante es la ceramida. 4. El componente hidroximetilo de la ceramida se combina con diversos compuestos para formar esfingolípidos. a. La fosfatidilcolina reacciona con ceramida para formar esfingomielina. b. UDP-galactosa, o UDP-glucosa, reacciona con ceramida para formar galactocerebrósidos o glucocerebrósidos. c. Una serie de azúcares puede agregarse a la ceramida, con UDP-azúcares como precursores. El CMP-NANA ­(ácido N-acetilneuramínico, un ácido siálico) puede formar ramas a partir de la cadena de carbohidrato. Estos compuestos ceramida-oligosacárido son gangliósidos. 5. Los esfingolípidos son degradados por enzimas lisosómicas. La pérdida de una de estas enzimas puede causar una esfingolipidosis (tabla 7-1).

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Comprender las vías del metabolismo de los lípidos ha permitido el desarrollo de diversos fármacos en un intento de controlar las concentraciones de lípido en seres humanos. Las estatinas reducen los valores de colesterol al inhibir la HMG-CoA reductasa; la reducción del colesterol intracelular causa la regulación a la alza del receptor de LDL, que retira LDL (y su colesterol) de la circulación, y por lo tanto aminora el colesterol circulante. Los individuos con receptores de LDL disfuncionales (homocigotos) no mejorarían con un tratamiento a base de estatinas. Los secuestradores de ácidos biliares actúan fijando los ácidos biliares en el intestino e interfiriendo en la circulación enterohepática, ya que la combinación de ácido biliar y fármaco se excreta en las heces en vez de que el ácido biliar se recicle. Esto fuerza una disminución del colesterol intracelular, ya que más colesterol debe convertirse en ácidos biliares para que la digestión se realice de modo adecuado. Fármacos como la ezetimida interfieren en la absorción de colesterol en el intestino delgado, ya que el colesterol de los alimentos se excreta en las heces. Tales fármacos, en combinación con estatinas, suelen ser más eficaces que éstas solas para reducir los valores de colesterol circulante. Los fibratos actúan al reducir la concentración de triglicéridos y, en algunos casos, elevando la de HDL. Los fibratos activan el factor de transcripción PPARα, que regula los genes implicados en la síntesis de ácidos grasos y triglicéridos en el hígado.

262

Bioquímica, biología molecular y genética CH2OH

Serina

HC

NH2

COO – O

+ Palmitoil-CoA CO2

(CH2)14

CH3

C

SCoA

PLP O CH2OH

H

Ceramida

C

NH2

C

O

P

OCH2

CH2

+

N

O–

Fosfatidilcolina

CH3 CH3 CH3

Esfingomielina CH2OH

(CH2)14 CH3

O

FACoA

H

C

H

C

NH2 C

OH

O

CH

(CH2)n

CH

CH3

UDP-galactosa Ceramida

Gal

Galactocerebrósido

(CH2)12 CH3

UDP- glucosa

Ceramida

Glucocerebrósido UDP- azúcares

CMP- NANA

Ceramida

Glc Gal GalNac NANA

Gangliósido FIGURA  7-19. Síntesis de esfingolípidos. FA, grupos grasoacilo derivados de ácidos grasos; Gal, galactosa; GalNAc, N-acetilgalactosamina; Glc, glucosa; NANA, ácido N-acetilneuramínico; PLP, piridoxal fosfato. El recuadro más grande contiene la porción de la ceramida derivada de la serina.

XII.  METABOLISMO DE LOS EICOSANOIDES •• Los eicosanoides (prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos) se sintetizan a partir de ácidos grasos poliinsaturados (p. ej., ácido araquidónico). Estos ácidos grasos son liberados de fosfolípidos de membrana por la fosfolipasa A2, que es inhibida por glucocorticoides y otros antiinflamatorios esteroideos. •• Para la síntesis de prostaglandinas, el ácido graso poliinsaturado se cicliza y oxida por acción de una ciclooxigenasa, la cual es inhibida por ácido acetilsalicílico (ASA) y los antiinflamatorios no esteroideos (AINE). Ocurren posteriores oxidaciones y reordenamientos que producen una serie de prostaglandinas, incluidas las prostaciclinas. •• Los tromboxanos se producen a partir de determinadas prostaglandinas. •• Los leucotrienos se producen a partir de ácido araquidónico por una vía que difiere de la vía de síntesis de prostaglandinas.



Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

263

Alimentos (ácidos grasos esenciales) Linoleato

Ácido araquidónico O O

OC

R1

O

P

R2 C O Colina

Fosfolípido de membrana Fosfolipasa A2 –

Epóxidos

COO–

cyt P450

lipooxigenasa

11

9

7

O 6

14

5

Ácido araquidónico (C20:4,∆5,8,11,14)

–

Ciclooxigenasa

LTA4

–

ASA y otros AINE

Leucotrienos COOH

O O

COO

Glucocorticoides

OH Tromboxanos

TXA2

O

COO–

O

PGE2

PGH2

OH

PGF2

PGA2

PGI2 (prostaciclina)

Prostaglandinas FIGURA  7-20. Prostaglandinas, tromboxanos y leucotrienos. LT, leucotrieno; PG, prostaglandina; TX, tromboxano. Para cada una de las clases de prostaglandinas (H, E, F, A), el anillo contiene grupos hidroxilo y ceto en diferentes posiciones, y el subíndice se refiere al número de dobles enlaces en la porción no anular. La clase con dos dobles enlaces proviene del araquidonato. Otras clases (con uno o tres dobles enlaces) derivan de otros ácidos grasos poliinsaturados. AINE, antiinflamatorios no esteroideos; , inhibe.

A. Prostaglandinas, prostaciclinas y tromboxanos (figura 7-20) 1. Los ácidos grasos poliinsaturados que contienen 20 carbonos y tres a cinco dobles enlaces (p. ej., ácido araquidónico) suelen esterificarse a la posición 2 del componente glicerol de los fosfolípidos en las membranas celulares. Para su síntesis se requieren ácidos grasos esenciales como el ácido linoleico (18:2, Δ9,12) de los alimentos. 2. El ácido graso poliinsaturado es escindido del fosfolípido de membrana por la fosfolipasa A2, que es inhibida por los antiinflamatorios esteroideos.

264

Bioquímica, biología molecular y genética

3. Se añade oxígeno, y se forma un anillo de 5-carbonos por acción de una ciclooxigenasa que produce la prostaglandina inicial, que es convertida en otras clases de prostaglandinas y en los tromboxanos.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Los antiinflamatorios no esteroideos (AINE), como ácido acetilsalicílico (ASA) e ibuprofeno, inhiben la ciclooxigenasa implicada en la síntesis de prostaglandinas. Estos fármacos reducen dolor, inflamación y fiebre relacionados con la acción de las prostaglandinas. El ASA acetila de manera irreversible la enzima en las plaquetas, al inhibir la formación de tromboxano (TXA2), lo que reduce la agregación plaquetaria por el lapso de vida de la plaqueta. Dado que las plaquetas se recambian con rapidez, con frecuencia se recomienda la ingestión diaria de pequeñas dosis de ASA para inhibir la agregación plaquetaria (formación de trombos) que, junto con las placas ateroescleróticas, a menudo precipita ataques cardiacos. Hay dos formas de ciclooxigenasa, COX1 y COX2. El ASA y muchos AINE afectan ambas, pero los fármacos específicos de COX2, como el celecoxib, son inhibidores reversibles que sólo afectan la COX2, la enzima inducida durante eventos inflamatorios. a. Las prostaglandinas tienen una multitud de efectos que difieren de un tejido a otro e incluyen inflamación, dolor, fiebre y aspectos de reproducción. Estos compuestos se conocen como autacoides porque ejercen sus efectos principalmente en el tejido en el que se producen. b. Determinadas prostaciclinas (PGI2), producidas por células del endotelio vascular, inhiben la agregación plaquetaria, mientras que determinados tromboxanos (TXA2) promueven la agregación plaquetaria. 4. La inactivación de las prostaglandinas ocurre cuando la molécula se oxida a partir de los extremos carboxilo y ω-metilo para formar ácidos dicarboxílicos que se excretan en la orina.

B. Leucotrienos El ácido araquidónico, derivado de fosfolípidos de membrana, es el principal precursor de la síntesis de los leucotrienos. 1. En el primer paso, se agrega oxígeno por acción de lipooxigenasas, y se forma una familia de moléculas lineales, los ácidos hidroperoxieicosatetraenoicos (HPETE). 2. Una serie de compuestos, que comprende la familia de los leucotrienos, se produce a partir de esos HPETE. Los leucotrienos intervienen en reacciones alérgicas. Los leucotrienos también contribuyen a los síntomas del asma al actuar como agentes broncoconstrictores, estrechar las vías respiratorias y dificultar la respiración.

XIII.  METABOLISMO DEL ETANOL A. El etanol es tanto liposoluble como hidrosoluble. B. Más de 80% del etanol absorbido se metaboliza en el hígado. 1. En una vía del metabolismo del etanol intervienen la alcohol deshidrogenasa (deshidrogenasa alcohólica) y la acetaldehído deshidrogenasa (figura 7-21).

2. En la otra vía participa el sistema microsómico oxidante de etanol (SMOE) hepático, que requiere una enzima que contiene citocromo P450 (CYP2E1) (figura 7-22).

3. Las enzimas metabolizantes del etanol existen como una familia de isozimas y variaciones individuales en la expresión de la isozima pueden determinar la tolerancia de un individuo al alcohol. a. Hay por lo menos siete formas distintas de alcohol de cadena intermedia deshidrogenasa. b. Hay por lo menos tres formas distintas de aldehído deshidrogenasa. (1) La ALDH2 es la versión mitocondrial de la aldehído deshidrogenasa y exhibe baja Km para su sustrato. (2) La ALDH2*2 es una variante alélica común con Km muy alta y Vmáx reducida en comparación con la ALDH2.



265

Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol CH3CH2OH Etanol NAD+ ADH

CH3 C

NADH + H+ O H

Acetaldehído NAD+ ALDH

CH3 C FIGURA 7-21. Vía del metabolismo del etanol. ADH, deshidrogenasa alcohólica; ALDH, acetaldehído deshidrogenasa.

NADH + H+ O O–

Acetato

(3) La acumulación de acetaldehído causa náusea y vómito.

(a) Los homocigotos para ALDH2*2 tienen muy baja tolerancia al alcohol, debido a la rápida acumulación de acetaldehído. (b) La inhibición de la aldehído deshidrogenasa por fármacos es un tratamiento para el alcoholismo (disulfiram). 4. El acetato generado por el metabolismo del etanol en el hígado puede convertirse en acetil-CoA para generación de energía en el hígado, o secretarse en la circulación para su uso por músculo esquelético. 5. Sistema microsómico oxidante de etanol (SMOE) (figura 7-23) a. El SMOE tiene mucho mayor Km para etanol que la alcohol deshidrogenasa y es inducido por etanol. (1) Muchas enzimas del citocromo P450 son inducidas por sustrato, lo que origina tolerancia. (2) Los fármacos son metabolizados por enzimas del citocromo P450, y a medida que aumenta la tasa de depuración de un fármaco, se requieren dosis mayores de éste para obtener el mismo efecto (tolerancia). (3) El etanol inhibe determinados sistemas P450, lo cual puede ocasionar interacciones adversas etanol–fármaco, en particular cuando está implicada la tolerancia. b. El SMOE se utiliza cuando las concentraciones de etanol son elevadas.

C. Efectos tóxicos del etanol 1. Algunas hepatopatías inducidas por alcohol son hígado graso, hepatitis inducida por alcohol y cirrosis. a. El hígado graso resulta de la inhibición por etanol de la oxidación de ácidos grasos, de lo que resulta acumulación de ácidos grasos en el hígado. CH3CH2OH Etanol S M O E

RE FIGURA 7-22. Reacción catalizada por el sistema microsómico oxidante de etanol (SMOE) en el retículo endoplásmico (RE).

NADPH + H+ + O2 NADP+ + 2H2O CH3 C

O H

Acetaldehído

266

Bioquímica, biología molecular y genética

NADPH

NADP+, H+

FAD e– e–

RH

O2

ROH, H2O

FMN Fe-hem

Citocromo P450 reductasa

Citocromo P450

FIGURA 7-23. Estructura general de las enzimas del citocromo P450. Para CYP2E1, RH es etanol, y ROH es acetaldehído.

b. La hepatitis inducida por alcohol resulta de la generación de acetaldehído y radicales libres por el metabolismo del etanol en el hígado (a través de la vía de oxidación por el SMOE). c. La cirrosis ocurre por la acumulación de daños en los hepatocitos, que ocasiona fibrosis y pérdida del funcionamiento hepático. 2. Los efectos agudos del etanol se deben a aumento del cociente NADH/NAD+ a causa del metabolismo del etanol. a. Ocurren alteraciones en el metabolismo de los ácidos grasos, la oxidación de éstos es inhibida por las altas concentraciones de NADH. Los ácidos grasos se acumulan en el hígado, producen triacilgliceroles, e incrementan la producción de VLDL. La exportación de VLDL está disminuida en los alcohólicos crónicos, lo que ocasiona hígado graso debido a deterioro de la síntesis de proteínas por disfunción hepática crónica. b. La cetoacidosis inducida por alcohol se debe a la alta concentración de acetil-CoA producida por el metabolismo del etanol y la oxidación de ácidos grasos. El elevado NADH inhibe el ciclo de los TCA, lo que causa la formación de cuerpos cetónicos. Sin embargo, los tejidos usan acetato como combustible en lugar de los cuerpos cetónicos, lo que ocasiona la cetoacidosis. c. Se produce lactoacidosis, hiperuricemia e hipoglucemia debido a las altas concentraciones de NADH en el hígado. El NADH elevado convierte piruvato en lactato, y el lactato elevado interfiere en la excreción de ácido úrico por los riñones. El NADH alto también produce hipoglucemia, debido al uso de precursores gluconeogénicos para fines distintos de la gluconeogénesis. Debido a los altos valores de NADH el lactato no es convertido en piruvato, el malato no es convertido en oxaloacetato y el glicerol-3-fosfato no es convertido en DHAP. 3. La toxicidad del acetaldehído (figura 7-24) provoca hepatitis alcohólica y daño por radicales libres (a través de la unión del acetaldehído a enzimas de defensa contra radicales libres) (ver figura 7-24, pasos 1 y 2). 4. La formación de radicales libres se favorece durante la intoxicación por etanol, debido a la inducción del SMOE (figura 7-24, pasos 3, 4 y 5). 5. En última instancia, la intoxicación crónica por etanol puede causar cirrosis hepática y pérdida del funcionamiento del hígado. a. El hígado aumenta en tamaño y en contenido de grasa y colágeno. b. Se pierde el funcionamiento hepático, al igual que las vías metóbolicas normales. (1) Se pierden vías de biosíntesis y desintoxicación. (2) Se reduce la síntesis de proteínas sanguíneas. (3) Se reduce la síntesis de urea, de lo que resulta hiperamoniemia. (4) Disminuye la conjugación y excreción de bilirrubina (el producto de la degradación del hem), que resulta en ictericia. (5) A medida que las células hepáticas pierden la capacidad de mantener sus membranas, en la sangre resultan medibles enzimas específicas del hígado, como aminotransferasas (AST y ALT), y son un buen marcador de daño hepático. (6) Con el tiempo, los fibroblastos infiltran el hígado y producen colágeno, lo que ocasiona fibrosis hepática y finalmente insuficiencia hepática global.



267

Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

H2O Glutatión oxidado

Peroxidación de lípidos Radicales tóxicos (ROS)

3 NADPH

+

NAD

Unión a glutatión

1

Unión a aminoácidos

2

+

–

Proteínas (factores de la coagulación) Unión a microtúbulos

Proteínas

– Deterioro de la secreción de proteínas

SMOE

ADH

Etanol

NADP

Aminoácidos

Acetaldehído

Acetaldehído

NADH

Acetaldehído

4 Daño por radicales libres Liberación de enzimas ALT y AST Tumefacción H2O

6

e t c

NADH

Acetato

Acetato

–

Ácidos grasos Glicerol3-fosfato

5

Triacilgliceroles

VLDL

VLDL

Acumulación de proteína y lípido por trastorno de la secreción H2O

FIGURA 7-24. Desarrollo de la hepatitis inducida por alcohol. Note los efectos del acetaldehído en secreción de proteína, peroxidación de lípido, daño por radicales libres, tumefacción del hígado y liberación de sus enzimas, y deterioro de la secreción de VLDL.

Autoevaluación Las preguntas 1 a 10 examinan el conocimiento básico del lector acerca de los fundamentos de la bioquímica y no tienen el formato estándar de viñeta clínica. Las preguntas 11 a 35 tienen relevancia clínica y el estilo USMLE.

Preguntas de conocimiento básico 1.  Una deficiencia de secreción exocrina pancreática puede dar por resultado lo siguiente: (A) (B) (C) (D) (E)

Aumento del pH en la luz intestinal Aumento de la absorción de vitaminas liposolubles Disminución de la formación de micelas de sales biliares Aumento de la concentración sanguínea de quilomicrones Disminución de la cantidad de grasa en las heces

2.  Elija la respuesta que describa de manera más precisa algunas propiedades de la acetil-CoA carboxilasa. Cofactor requerido

Localización intracelular

Modificador alostérico

Enzima que cataliza una modificación covalente

A

Biotina

Mitocondrial

Citrato

PKA

B

Biotina

Citoplásmica

Citrato

Proteína cinasa activada por AMP

C

Tiamina

Mitocondrial

Acetil-CoA

PKA

D

Tiamina

Citoplásmica

Acetil-CoA

Proteína cinasa activada por AMP

E

Ninguno

Mitocondrial

Malonil-CoA

PKA

F

Ninguno

Citoplásmica

Malonil-CoA

Proteína cinasa activada por AMP

3.  La síntesis de ácidos grasos a partir de glucosa en el hígado se describe mejor como sigue: (A) (B) (C) (D) (E)

La vía sólo ocurre en las mitocondrias. Requiere un derivado del ácido pantoténico unido de modo covalente. Requiere NADPH proveniente sólo de la vía de las pentosa fosfato. La vía es regulada principalmente por isocitrato. La vía no incluye una reacción de carboxilación.

4.  ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor la síntesis de triglicérido en el tejido adiposo?

Fuente de Fuente de ácidos grasos backbone

Requiere coenzima A

Requiere Requiere lipoproteína lipasa 2-monoacilglicerol

A

VLDL

Glicerol

Sí

No

Sí

B

Quilomicrones

Glicerol

No

Sí

No

C

VLDL y quilomicrones

DHAP

Sí

No

Sí

D

VLDL y quilomicrones

DHAP

Sí

No

No

E

Quilomicrones

DHAP

No

Sí

Sí

F

VLDL

Glicerol

No

Sí

No

268



269

Capítulo 7   Metabolismo de lípidos y etanol

5.  ¿Cuál de las siguientes secuencias coloca las lipoproteínas en el orden de la más densa a la menos densa? (A) (B) (C) (D) (E)

HDL/VLDL/quilomicrones/LDL HDL/LDL/VLDL/quilomicrones LDL/quilomicrones/HDL/VLDL VLDL/quilomicrones/LDL/HDL LDL/quilomicrones/VLDL/HDL

6.  ¿Cuál de las siguientes combinaciones representa mejor las condiciones de ayuno? Modificación de acetil-CoA carboxilasa

Producción de cuerpos cetónicos

Actividad de lipasa sensible a hormona

Destino del glicerol

A

Inactiva

Glucólisis

Alta

Desfosforilación

B

Activa

Glucólisis

Alta

Fosforilación

Sí

C

Inactiva

Glucólisis

Alta

Desfosforilación

No

Producción de VLDL

No

D

Activa

Gluconeogénesis

Baja

Fosforilación

No

E

Inactiva

Gluconeogénesis

Baja

Desfosforilación

Sí

F

Activa

Gluconeogénesis

Baja

Fosforilación

Sí

Las preguntas 7 a 10 se basan en el siguiente escenario: Una molécula de ácido palmítico, unida al carbono 1 del componente glicerol de un triacilglicerol, se ingiere y digiere. Pasa a la sangre, se almacena en un adipocito y en última instancia se oxida a CO2 y H2O en una célula muscular. Elija el complejo molecular sanguíneo en el cual el residuo palmitato es llevado del primer sitio al segundo en cada una de las cuatro preguntas que siguen. Una respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

7. De la luz del intestino a la superficie de la célula del epitelio intestinal 8. De la célula del epitelio intestinal a la sangre 9. En la sangre, desde el intestino hasta un adipocito 10. De un adipocito a una célula muscular

(A) VLDL (B) Quilomicrón (C) Complejo ácido graso– albúmina (D) Micela de sales biliares (E) LDL

Preguntas estilo USMLE

hipoglucemia hipocetósica. Los análisis de sangre no detectan ácidos dicarboxílicos de cadena intermedia.

11.  Una vez que el bebé recibe un diagnóstico y tratamiento, su dieta debe ser muy r­ estringida. En teoría, ¿cuál de los siguientes ácidos grasos podrá consumir y metabolizar? (A) (B) (C) (D)

Un ácido graso de 8-carbonos Un ácido graso de 14-carbonos Un ácido graso de 20-carbonos Sólo ácidos grasos insaturados, sin importar la longitud de la cadena (E) Sólo ácidos grasos saturados, sin importar la longitud de la cadena

12.  ¿Cuál de los siguientes alimentos o suplementos sería permisible en la dieta restringida del paciente anterior? (A) (B) (C) (D) (E)

Aceite de coco Atún Nueces Espinacas Complementos de ácido oleico

Las preguntas 11 a 13 se basan en el caso que sigue:

13.  ¿Cuál de los siguientes suplementos sería

Un lactante de seis meses estaba bien, hasta que presentó gastroenteritis viral y no toleró la alimentación oral por dos días. Es hospitalizado con encefalopatía, cardiomegalia e insuficiencia cardiaca, tono muscular débil e

(A) Ácido pantoténico (B) Niacina (C) Riboflavina (D) Carnitina (E) Tiamina

benéfico para el paciente?

270

Bioquímica, biología molecular y genética

Las preguntas 14 y 15 se basan en el caso que sigue: Un hombre de 50 años tiene colesterol elevado y se le prescribe lovastatina. Se le aconseja dejar de beber su vaso acostumbrado de jugo de toronja cada mañana.

14.  ¿Qué podría ocurrir si alguien que recibe lovastatina consume jugo de toronja por largos periodos? (A) (B) (C) (D) (E)

Aumento de la concentración de colesterol Dolor y molestia musculares Esteatorrea Reflujo ácido Disminución de los valores de HDL

15.  Dado que el jugo de toronja interfiere en la acción de la lovastatina, ¿cuál de los siguientes enunciados explica mejor esta interacción? (A) El jugo de toronja inhibe la enzima del citocromo P450 que modifica la lovastatina para su excreción (B) El jugo de toronja estimula la enzima del citocromo P450 que modifica la lovastatina para su excreción (C) El jugo de toronja es un inhibidor competitivo de la unión de lovastatina al colesterol (D) El jugo de toronja es un inhibidor competitivo de la HMG-CoA reductasa (E) El jugo de toronja reduce la velocidad máxima de la HMG-CoA reductasa

18.  Se ha determinado que un individuo tiene hipertrigliceridemia, con concentración de triglicéridos de 350 mg/dl (lo normal es 180 mg/dl) causa la excreción de glucosa en la orina.

CORRELACIÓN CLÍNICA  

Las enfermedades por deficiencia enzimática que afectan diversos tejidos a menudo causan la excreción de sustancias en la orina. Un ejemplo de este tipo de enfermedades es la fenilcetonuria (PKU), un defecto en la producción de fenilalanina hidroxilasa o tetrahidrobiopterina. La menor conversión de fenilalanina en tirosina causa la aparición de fenilalanina y sus productos de degradación (p. ej., fenilcetonas) en la orina. La enfermedad de orina en jarabe de arce (EOJA) se debe a la deficiencia de a-cetoácido deshidrogenasa. Se excretan los aminoácidos de cadena ramificada (valina, isoleucina y leucina). La alcaptonuria se debe a la deficiencia de ácido homogentísico oxidasa. Los productos oxidados del ácido homogentísico dan a la orina un color oscuro. Es frecuente la asociación con artritis. La cistinuria se debe a la deficiencia de la proteína transportadora de cisteína intestinal y renal. La cistina no se reabsorbe y se acumula en la orina, y forma cálculos renales. La homocistinuria se produce por deficiencias de metionina sintasa (homocisteína en metionina), cistationina (continúa)



Capítulo 9   Endocrinología molecular y generalidades del metabolismo tisular

349

sintasa (homocisteína 1 serina Ž cistationina), o los cofactores para estas enzimas (folato y vitamina B12 para la metionina sintasa, y vitamina B6 para la cistationina sintasa). Se acumula homocisteína, se oxida a homocistina, y se excreta. La homocistinemia (altas concentraciones de homocisteína en la sangre) se relaciona con enfermedad vascular aterosclerótica. La cistationuria se debe a la deficiencia de cistationasa. Se excreta cistationina. A veces son útiles las dosis altas de vitamina B6, que es el precursor del cofactor (piridoxal fosfato) de la enzima. La fructosuria benigna se debe a una deficiencia de fructocinasa. La fructosa no se fosforila, y por tanto se acumula y excreta. No hay consecuencias dañinas. La galactosemia puede deberse a deficiencias de galactocinasa o galactosa-1-fosfato uridiltransferasa. En la deficiencia de galactocinasa se acumula galactosa, causa catarata y pasa a la orina. En la deficiencia de uridiltransferasa (galactosemia clásica), se producen hipoglucemia, ictericia y otros problemas, además de catarata y presencia de galactosa en la orina. La deficiencia de MCAD se debe a la falta de ácido graso de cadena intermedia-CoA deshidrogenasa. Los ácidos grasos no pueden oxidarse de manera completa. En consecuencia, debe oxidarse más glucosa para generar energía, lo que resulta en hipoglucemia. El aumento de la  oxidación de ácidos grasos produce ácidos dicarboxílicos que se excretan en la orina.

Autoevaluación Las preguntas 1 a 10 examinan el conocimiento básico del lector acerca de los fundamentos de la bioquímica y no tienen el formato estándar de viñeta clínica. Las preguntas 11 a 35 tienen relevancia clínica y el estilo USMLE.

Preguntas de conocimiento básico Las preguntas 1 a 6 son de relacionar columnas. Para cada pregunta numerada, seleccione la opción con la letra que mejor corresponda. Cada respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

1.  Su liberación es inhibida por tiroxina. 2.  Se une a los receptores en las células de Leydig. 3.  Estimula la producción de factor de crecimiento insulinoide (IGF). 4.  Estimula la síntesis de proteínas de la leche. 5.  Estimula la producción de progesterona por el cuerpo amarillo. 6.  Estimula la producción de estradiol por el folículo ovárico inmaduro. (A) Luteotropina (LH) (B) Prolactina (PRL) (C) Tirotropina (TSH) (D) Somatotropina (GH) (E) Folitropina (FSH) Las preguntas 7 a 10 son de relacionar columnas. Para cada descripción de un paciente determinado, seleccione la causa más probable entre las opciones con letra. Cada respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

(C) Acromegalia por un tumor productor de somatotropina (GH) que se desarrolló en la edad adulta (D) Síndrome de Cushing por un tumor suprarrenal

Preguntas tipo UMSLE 11.  Una mujer de 35 años presenta obesidad central, “joroba de búfalo,” diabetes tipo 2, estrías abdominales y “facies de luna llena”. La hormona que se produce en exceso en este síndrome se origina de: (A) Progesterona (B) Testosterona (C) Estradiol (D) Aldosterona (E) Ácido quenocólico

12.  Los pacientes con enfermedad de Graves y síndrome de Cushing producen en exceso hormonas que tienen en común lo siguiente: (A) Reaccionan con receptores en la membrana celular (B) Utilizan segundos mensajeros (C) Se unen a receptores intracelulares (D) Se unen a RNA para producir proteínas con actividad fisiológica (E) Inducen rRNA para anular la expresión de un gen específico

13.  Una mujer de 32 años ha tenido tres meses

pies grandes, estatura normal, hiperglucemia. 8.  Extremidades delgadas, obesidad central, mejillas adiposas, complexión tosca, hiperglucemia. 9.  Hipertensión y cardiopatía. 10.  Galactorrea, amenorrea, visión borrosa.

de menstruaciones irregulares y secreción de leche por ambas mamas. Al microscopio se observa que la secreción tiene muchos glóbulos de grasa, pero no eritrocitos. No recibe medicamentos, se sometió a ligadura tubaria bilateral, y su prueba de embarazo es negativa. ¿Cuál de las siguientes sustancias inhibiría la liberación de la hormona que esta paciente produce en exceso? Elija sólo una respuesta.

(A) Concentración sanguínea elevada de aldosterona y renina por una placa ateroesclerótica en una arteria renal (B) Hiperprolactinemia por un tumor hipofisario

(A) GnRH (B) Dopamina (C) TRH (D) Somatostatina (E) Estradiol

7.  Mandíbula grande en protrusión, manos y

350

14.  Un joven de 20 años presenta pérdida de peso, intolerancia al calor, exoftalmia bilateral, caída palpebral, sudoración y taquicardia. Estos síntomas se deben a mayor producción y secreción de una hormona que proviene de: (A) Colesterol (B) Dopamina (C) Triptófano (D) Tirosina (E) Glutamato

15.  A una mujer de 60 años se le diagnosticó arteritis temporal y se le trata con prednisona oral. ¿Cuál de los siguientes mecanismos es la base para este tratamiento? (A) (B) (C) (D) (E)

351

Capítulo 9   Endocrinología molecular y generalidades del metabolismo tisular

Causa la lisis de linfocitos Induce la síntesis de PEPCK Suprime la respuesta inmunitaria Induce la síntesis de lipocortina Inhibe la fosforilación oxidativa en las células inmunitarias

T4 radiactiva unida a anticuerpo (%)



Curva estándar 60 50 40 30 20 10 0

0.005

0.01 0.015 T4 no radiactiva (μg)

17.  Conforme al radioinmunoensayo, la concentración sanguínea aproximada de T4 es: (A) (B) (C) (D) (E)

0.015 μg/dl 0.15 μg/dl 15 μg/dl 20 μg/dl 30 μg/dl

16.  Un paciente de 68 años desarrolló gastritis

18.  El paciente se clasifica mejor como:

atrófica, y dos años después presenta anemia macrocítica hipercrómica. Es muy probable que su anemia se deba a:

(A) Hipotiroideo (B) Normal (C) Hipertiroideo

(A) La gastritis atrófica causa malabsorción de vitamina B12 (B) La gastritis atrófica eleva el pH en el duodeno, lo que ocasiona malabsorción de folato (C) También esta afectada la parte terminal del íleon, de modo que la absorción de hierro es deficiente (D) La gastritis atrófica incrementa la absorción de eritrocitos por el bazo (E) La síntesis de hem se inhibe en estas condiciones Las preguntas 17 a 19 se basan en el caso que sigue: Un paciente informa nerviosismo, palpitaciones, sudoración y pérdida de peso sin pérdida de apetito, y tiene bocio. Al sospechar un defecto del funcionamiento tiroideo, el médico ordena una prueba de T4 sérica total. La prueba se realiza por radioinmunoensayo. La curva estándar para el ensayo, que mide T4 en 0.1 ml de suero, se muestra en la figura. Los valores normales de T4 son de 4 a 10 μg/dl. En un ensayo de 0.1 ml del suero del paciente, 15% del T4 radiactivo estaba unido al anticuerpo.

0.02

19.  La concentración de TSH en la sangre del paciente también se midió por radioinmuno­ ensayo. Si el funcionamiento hipofisario es normal, la concentración de TSH del paciente muy probablemente será: (A) Mayor de lo normal (B) Normal (C) Menor de lo norma

20.  Una mujer de 23 años ingiere una sobredosis de paracetamol en un intento de suicidio. Es llevada al servicio de urgencias (SU) y se trata con un fármaco. Este tratamiento está diseñado para incrementar la síntesis de: (A) NAPQI (N-acetil-p-benzoquinona imina) (B) Glutatión (C) Glicina (D) Alanina (E) NAPDH

21.  ¿Cuál de las siguientes enfermedades predispone a un paciente a la intoxicación por paracetamol? (A) Diabetes tipo 1 (B) Diabetes tipo 2

352

Bioquímica, biología molecular y genética

(C) Alcoholismo (D) Anemia perniciosa (E) Obesidad Las preguntas 22 y 23 se basan en el caso que sigue: A un hombre de 32 años se le diagnostica depresión atípica y resistente. El tratamiento con varios antidepresivos tradicionales falla y se le prescribe selegilina.

22.  Los pacientes que reciben este fármaco puede tener una crisis hipertensiva si consumen alimentos que contienen: (A) Triptófano (B) Tiramina (C) Alanina (D) Glicina (E) Treonina

23.  ¿Cuál de los siguientes alimentos debe evitar el paciente mencionado? (A) Leche (B) Pescado fresco (C) Helado (D) Quesos añejos (E) Lechuga romana

24.  Un hombre de 43 años, alto ejecutivo, acude al médico debido a mareo persistente cuando se pone de pie con rapidez. También tiene fatiga crónica, alguna debilidad muscular y deseo inusual de alimentos salados. El médico advierte que el paciente tiene un bronceado constante, y la sangre que se extrae durante la visita demuestra concentraciones normales de colesterol pero también hipoglucemia, hiperpotasiemia e hiponatremia. La causa subyacente de estos problemas es: (A) (B) (C) (D) (E)

Insuficiencia suprarrenal Insuficiencia hipofisaria Falta de insulina Falta de glucagón Falta de GH

25.  Una mujer de 30 años necesita zapatos cada vez más largos y anchos. Tampoco puede usar sus anillos. Una exploración física revela arcos supraópticos prominentes, mandíbula en protrusión y espacios entre todos los dientes. Esta mujer puede tener un tumor en: (A) Hipotálamo (B) Médula ósea (C) Glándulas suprarrenales (D) Páncreas (E) Tejido adiposo

26.  Una mujer de 45 años ha tenido tres fracturas vertebrales y recibe el diagnóstico de osteoporosis temprana. También ha tenido varios cálculos renales. Los exámenes de laboratorio habituales revelan hipercalciemia. Este trastorno se debe a mayor secreción de una hormona de: (A) Tiroides (B) Suprarrenales (C) Hipotálamo (D) Páncreas (E) Paratiroides

27.  Un paciente con obesidad central, extremidades delgadas y estrías púrpuras en el abdomen informa debilidad muscular, depresión y visión borrosa. La glucemia fue de 280 mg/dl (el intervalo de referencia es de 80 a 100 mg/dl). No hubo cuerpos cetónicos en la orina. El cortisol plasmático fue de 56 μg/ml (el intervalo de referencia es de 3 a 31 μg/ml), y los valores plasmáticos de ACTH fueron de 106 pg/ml (el intervalo de referencia es de 0 a 100 pg/ml). Se administró una dosis baja (1 mg) de dexametasona (un glucocorticoide sintético) por la tarde. Esta dosis no suprimió la concentración plasmática de cortisol la mañana siguiente. Después de una prueba de supresión con una dosis alta (8 mg) de dexametasona, el cortisol plasmático fue de 21 μg/ml. Con base en esta información, si el problema del paciente se debe a una sola causa, el diagnóstico más probable es: (A) DM tipo 2 (B) DM tipo 1 (C) Un tumor secretor del lóbulo anterior de la hipófisis (D) Un tumor secretor del lóbulo posterior de la hipófisis (E) Un tumor secretor de la corteza suprarrenal

28.  Un contador de 24 años refiere una secreción mamaria blanca. Es muy probable que experimente: (A) Un tumor del lóbulo posterior de la hipófisis que podría extirparse quirúrgicamente (B) Producción excesiva de OT en el hipotálamo (C) Deficiencia de receptores de testosterona en las glándulas mamarias (D) Un prolactinoma que reduciría su actividad secretoria en respuesta a la bromocriptina (un análogo de dopamina) (E) Un glucagonoma



353

Capítulo 9   Endocrinología molecular y generalidades del metabolismo tisular

29.  Una mujer acude a su médico familiar con adelgazamiento del cabello, vello facial excesivo y alta concentración sanguínea de ACTH y baja de cortisol. El médico debe considerar seriamente: (A) Un tumor de la adenohipófisis que produce cantidades anormalmente grandes de POMC (B) Un tumor de la médula suprarrenal que secreta cantidades anormalmente grandes de su producto hormonal normal (C) Una deficiencia genética de una enzima en la vía de síntesis de cortisol (D) Una mutación en el gen de la CRH que reduce la producción de este polipéptido (E) Un insulinoma

30.  Después de un accidente automovilístico,

excesiva de agua en la orina), amenorrea (falta de menstruación) e intolerancia al frío, y su ritmo de crecimiento disminuye de manera notable. Los síntomas se relacionan mejor con la siguiente opción: (A) Daño de riñones y ovarios por el accidente (B) Daño de la hipófisis (C) Los síntomas podrían aliviarse con dosis orales de hormonas de los lóbulos anterior y posterior de la hipófisis (D) Los síntomas requerirían tratamiento a largo plazo con estrógeno, tiroxina y glucocorticoide, y restricción del consumo de agua (E) Daño del páncreas por la expansión de la bolsa de aire

una niña de 14 tiene diabetes insípida (pérdida

31.  Un hombre de 69 años ha tenido letargo, y en su evaluación médica anual se mide la concentración de testosterona. Los resultados del laboratorio indican un valor de 168 ng/dl (el intervalo normal es de 250 a 800 ng/dl, según la edad), así que el paciente acepta la sugerencia de su médico de inyectarse testosterona cada dos semanas. ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor algunas propiedades de la testosterona en este paciente? Precursora de un andrógeno más activo A

No

B

No

C

No

D

Sí

E

Sí

F

Sí

Localización del receptor Citoplasma Núcleo Citoplasma Núcleo Citoplasma Núcleo

32.  Un paciente con ancestros del Mediterráneo recibió primaquina para protegerlo contra el paludismo en previsión de un viaje a ultramar. El paciente desarrolló con rapidez anemia hemolítica por una mutación en mayor medida silenciosa en la siguiente vía o enzima: (A) Enzima málica (B) Glucólisis (C) Lanzadera de monofosfatos de hexosa (D) Gluconeogénesis (E) Oxidación de ácidos grasos

El estradiol es un precursor

Reprime la síntesis de glucocorticoides

Estimula la liberación de GnRH

Sí

Sí

No

No

Sí

Sí

Sí

Sí

No

No

No

Sí

Sí

No

Sí

No

No

No

33.  Una deficiencia de vitamina B12 puede afectar la síntesis de hem al reducir la concentración de (elija la mejor respuesta): (A) Acetil-CoA (B) Succinil-CoA (C) Glicina (D) Alanina (E) Succinato

354

Bioquímica, biología molecular y genética

34.  Un individuo tiene una mutación tal que la liberación de GnRH está muy reducida. Esta mutación tendría sus mayores efectos en la liberación de:

(A) GH (B) T3 y T4 (C) PRL (D) IGF (E) LH y FSH

35.  Un adolescente de Australia presenta gota debido a una deficiencia alimentaria. ¿Cuál se esperaría que fuera la situación en este caso? Elija la mejor respuesta. Desequilibrio de sal en la sangre

Secreción de TSH

Secreción de TRH

Producción de calor

A

No

Aumentada

Aumentada

Aumentada

B

Sí

Aumentada

Disminuida

Aumentada

C

No

Aumentada

Aumentada

Disminuida

D

Sí

Disminuida

Disminuida

Disminuida

E

No

Disminuida

Aumentada

Disminuida

F

Sí

Disminuida

Disminuida

Aumentada

Respuestas 1. La respuesta es C.  La tiroxina (el producto final) inhibe la liberación de TSH por el lóbulo anterior de la hipófisis. La tiroxina carece de efecto en la liberación de LH, PRL, GH o FSH. 2. La respuesta es A.  La LH se une a los receptores en las células de Leydig y estimula la liberación de testosterona. PRL, TSH, GH y FSH no se unen a las células de Leydig. 3. La respuesta es D.  La GH estimula la liberación de IGF por el hígado y otros tejidos. Las otras hormonas enumeradas no estimulan la liberación de IGF por ningún tejido. 4. La respuesta es B.  La PRL es la única hormona enumerada que estimula la síntesis de proteínas de la leche. La PRL inducirá la a-lactoalbúmina, que a su vez estimulará la producción de lactosa. 5. La respuesta es A.  La LH estimula el cuerpo amarillo para producir progesterona. 6. La respuesta es E.  La FSH estimula la maduración del folículo ovárico, que produce estradiol. 7. La respuesta es C.  En la acromegalia, la estatura es normal, pero mandíbula, manos, pies y tejidos blandos crecen. Con frecuencia se produce DM debido a estimulación de la gluconeogénesis por GH y a la incapacidad de la glucosa de suprimir la liberación de GH por el tumor. 8. La respuesta es D.  La producción excesiva de cortisol causa degradación muscular (de aquí las extremidades delgadas), depósito de grasa en cara y abdomen, delgadez cutánea (debido a la degradación de proteína) y aumento de los eritrocitos (de aquí el enrojecimiento). La glucemia está elevada porque el cortisol estimula la gluconeogénesis. Al parecer estos síntomas no se deben a elevación de renina, aldosterona, PRL o GH. 9. La respuesta es A.  La placa en la arteria renal causa la liberación de renina, que eleva la aldosterona, y por tanto la presión arterial. Es probable que las placas ateroescleróticas también sean la causa de la cardiopatía. La liberación de PRL (producción de leche), GH o cortisol no causará hipertensión ni cardiopatía. 10. La respuesta es B.  Un tumor del lóbulo anterior de la hipófisis que produce PRL podría causar la síntesis de leche (galactorrea) e inhibir la producción de LH y FSH, e inducir amenorrea. Si el tumor crece sobre los nervios ópticos, podría resultar visión borrosa. La sobreproducción de aldosterona/ renina, GH o cortisol no provocaría esos síntomas. 11. La respuesta es A.  La paciente tiene síndrome de Cushing, y produce el glucocorticoide cortisol en exceso. El cortisol, la testosterona y la aldosterona se sintetizan a partir de progesterona. El estradiol se produce a partir de testosterona. El ácido quenocólico es una de las sales biliares y proviene del colesterol. 12. La respuesta es C.  La enfermedad de Graves se debe a hipersecreción de hormona tiroidea, mientras que el síndrome de Cushing es la sobreproducción de cortisol. Las hormonas esteroideas y las tiroideas cruzan la membrana celular y se unen a receptores intracelulares. El complejo hormona–receptor se une a DNA, no a RNA. Hormonas polipeptídicas y adrenalina reaccionan con los receptores en la membrana celular, e inducen a segundos mensajeros a transmitir la señal de que el receptor está ocupado. El RNA ribosómico (rRNA) no anula la expresión génica; la inducción de microRNA tiene esa capacidad. 13. La respuesta es B.  La paciente tiene un microadenoma liberador de prolactina en el lóbulo anterior de la hipófisis, que causa periodos menstruales irregulares y galactorrea. La dopamina del hipotálamo inhibe la liberación de PRL. La GnRH inhibe LH y FSH (lo cual podría afectar los periodos menstruales, pero no causa galactorrea). La TRH estimula la TSH, que a su vez estimula la producción de T3 y T4. La somatostatina inhibe la liberación de GH y puede usarse en el tratamiento de los insulinomas. El estradiol no afecta la secreción de PRL como lo hace la dopamina.

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Bioquímica, biología molecular y genética

14. La respuesta es D.  El paciente tiene hipertiroidismo de la enfermedad de Graves, una sobreproducción de hormona tiroidea, la cual proviene de la tirosina. El hipertiroidismo incrementa el ritmo de oxidación de combustibles por músculos y otros tejidos, lo que eleva la producción de calor y causa intolerancia al calor y aumento de la sudoración. También están aumentadas frecuencia cardiaca y presión arterial, y ocurre pérdida de peso a pesar de un apetito saludable. La dopamina (una catecolamina) también proviene de la tirosina y puede hidroxilarse a noradrenalina, que entonces puede metilarse a adrenalina, pero las catecolaminas no pueden transformarse en tiroxina. El triptófano puede metabolizarse a serotonina y melatonina. El colesterol es la base de las hormonas esteroideas progesterona, testosterona, estradiol, cortisol y aldosterona. El glutamato da origen a GABA en una reacción de descarboxilación. 15. La respuesta es D.  La prednisona es un glucocorticoide sintético, y en este caso se administra como antiinflamatorio. Los glucocorticoides ejercen sus efectos antiinflamatorios al estimular la lipocortina, una proteína que inhibe la fosfolipasa A2, la enzima limitante de la velocidad en la síntesis de prostaglandina, tromboxano y leucotrienos. La fosfolipasa A2 retira el ácido graso iniciador (por lo común ácido araquidónico) de un fosfolípido, dejando atrás un lisofosfolípido. Los glucocorticoides también suprimen la respuesta inmunitaria al causar la lisis de linfocitos. Esto sería útil para tratar algo como el lupus, pero no se clasifica como un efecto antiinflamatorio. Los glucocorticoides promueven la gluconeogénesis al inducir la síntesis de PEPCK (lo cual no es un efecto antiinflamatorio). Los glucocorticoides no afectan la fosforilación oxidativa, aunque pueden modificar la regulación de la glucólisis en determinados tipos celulares. 16. La respuesta es A.  Este paciente tiene dificultad para absorber vitamina B12 por dos razones. La primera es que el estómago ya no produce cantidades suficientes de factor intrínseco. La gastritis atrófica causa la pérdida de las células glandulares del estómago, y el remplazo de estas células por tejidos intestinal y fibroso. Esto ocasiona la pérdida del funcionamiento de las células estomacales, y la producción y secreción de menos factor intrínseco. Además, la vitamina B12 unida a las proteínas de los alimentos será difícil de separar de sus proteínas portadoras debido a la falta de ácido estomacal. Después de que los depósitos corporales de vitamina B12 se agotan (alrededor de dos años), se produce anemia debido a la incapaciad de los reticulocitos de crecer y dividirse. La pérdida de ácido eliminará el estímulo para la secreción pancreática de bicarbonato, de modo que el pH no aumentará en el duodeno, por lo que la absorción de folato continuará normalmente. La parte terminal del íleon no es afectada en la gastritis atrófica, pero sí puede serlo en la enfermedad de Crohn. La deficiencia de hierro causará anemia microcítica hipocrómica, no la forma que se observa. La síntesis de hem no es afectada en estas condiciones. 17. La respuesta es C.  Si 15% de la T4 radiactiva se une al anticuerpo, la cantidad de T4 en 0.1 ml del suero del paciente es 0.015 μg/0.1 ml o 15 μg/dl (1 dl = 100 ml). 18. La respuesta es C.  La concentración de T4 del paciente es mayor que el intervalo normal, lo que indica que el paciente es hipertiroideo. 19. La respuesta es C.  La hormona tiroidea suprime la secreción de TSH por el lóbulo anterior de la hipófisis. Si los valores de hormona tiroidea son elevados, las concentraciones de TSH serán menores de lo normal. Es probable que este paciente tenga enfermedad de Graves, en la cual anticuerpos estimulantes de la tiroides promueven la producción de T3 y T4 por la glándula tiroides. Estas hormonas tiroideas inhiben la liberación de TSH por el lóbulo anterior de la hipófisis. 20. La respuesta es B.  El paracetamol es desintoxicado por una vía de sulfotransferasa (que sulfata el paracetamol para su excreción) o una vía de glucuroniltransferasa (que agrega glucuronato al paracetamol para su excreción), así como por una enzima P450 que produce NAPQI, tóxica. La NAPQI es desintoxicada por conjugación con glutatión, que entonces permite que el conjugado se excrete en la orina. Las dosis altas de NAPQI agotan las concentraciones celulares normales de glutatión. El fármaco administrado es N-acetilcisteína, que eleva los valores de glutatión para conjugarse con NAPQI a fin de desintoxicar el compuesto. Incrementar la concentración de NAPQI sería counterproducente, y elevar los valores de aminoácidos o NADPH no ayudará a reducir la NAPQI a niveles subtóxicos. 21. La respuesta es C.  La enzima que produce la sustancia tóxica NAPQI, CYP2E1, es inducida por alcohol. La diabetes (tipo 1 o 2) no causará la inducción de CYP2E1, ni lo harán la anemia perniciosa (deficiencia de factor intrínseco) o la obesidad (en ausencia de alcoholismo). Los



Capítulo 9   Endocrinología molecular y generalidades del metabolismo tisular

357

alcohólicos crónicos tienen baja tolerancia al paracetamol debido a la inducción del SMOE, lo que da por resultado mayores valores de CYPE21. 22. La respuesta es B.  La monoamina oxidasa (MAO) es una enzima clave en la inactivación de catacolaminas y serotonina. La selegilina es un inhibidor de la MAO; estas sustancias inhiben el catabolismo de algunas aminas de los alimentos. Si se consume tiramina puede ocurrir una crisis hipertensiva, ya que la tiramina induce la liberación de noradrenalina en la circulación. Si se consume triptófano puede producirse un síndrome serotonínico. Alanina, treonina y glicina no son catabolizados por la MAO, y tomar el fármaco no afectará su metabolismo. La tiramina se encuentra en alimentos añejados, como el vino y algunos quesos. 23. La respuesta es D.  La tiramina se produce por descarboxilación de tirosina durante la fermentación. No son afectados los alimentos ricos en proteína frescos y debidamente refrigerados. Vinos añejados y chocolate también son ricos en tiramina. 24. La respuesta es A.  El paciente exhibe los síntomas de la enfermedad de Addison, iniciada por in­ suficiencia suprarrenal. Debido al problema en las glándulas suprarrenales, no pueden producirse y liberarse cortisol y aldosterona. La falta de cortisol causa hipoglucemia y fatiga. La falta de aldos­ terona altera el equilibrio de sal en la sangre y el apetito por sal. La hiperpigmentación se debe a la producción excesiva de ACTH, que da origen a la MSH. Los valores de ACTH son altos debido a la menor represión de la síntesis de ACTH, que se debe a la falta de liberación de cortisol desde la corteza suprarrenal. Un descenso de la insulina causaría diabetes, no la constelación de síntomas observada en este paciente. La falta de GH (en el adulto) provocaría aumento de grasa corporal, colesterol elevado y pérdida de densidad ósea. La falta de glucagón causaría hipoglucemia, pero no los otros síntomas observados en este paciente. 25. La respuesta es A.  La paciente presenta los síntomas de la acromegalia, causada por secreción excesiva o episódica de GH en el adulto (si las placas de crecimiento no se hubieran cerrado, el resultado sería gigantismo). La GH se forma en la hipófisis y se secreta de ahí en respuesta a GHRH, que se produce en el hipotálamo. Un tumor del hipotálamo, que secreta GHRH, causaría secreción excesiva de GH y los síntomas observados. Los tumores de médula ósea (leucemia), glándulas suprarrenales (diversos trastornos endocrinos), páncreas o tejido adiposo no elevarían los valores de GH. 26. La respuesta es E.  La paciente tiene hiperparatiroidismo, que es la hipersecreción de PTH desde las glándulas paratiroides. La PTH incrementa la absorción de calcio de los alimentos y la liberación de calcio de óseo, lo que debilita los huesos. El aumento del calcio en los riñones puede inducir la formación de sales insolubles, que crean cálculos renales. Dado que el calcio está elevado en la circulación, se observa hipercalciemia. Estos síntomas no se presentan si las hormonas de tiroides, glándulas suprarrenales, hipotálamo o páncreas se liberan en grandes concentraciones. 27. La respuesta es C.  Dado que ACTH y cortisol estaban elevados inicialmente, la causa más probable es un tumor del lóbulo anterior de la hipófisis que produce un exceso de ACTH, lo que causa sobreproducción de cortisol por la glándula suprarrenal. Esta conclusión es apoyada por el hecho de que la administración de una dosis muy alta de un glucocorticoide (dexametasona) hizo que la concentración plasmática de cortisol disminuyera (los glucorticoides inhiben la liberación de ACTH.) La hiperglucemia del paciente fue causada por el cortisol elevado. La diabetes (tipo 1 o 2) no causa estrías púrpuras en el abdomen, debilidad muscular ni depresión (en cualquier tipo de diabetes puede ocurrir retinopatía, que desemboca en ceguera). 28. La respuesta es D.  El contador tiene galactorrea (producción inapropiada de leche) causada por un prolactinoma (un tumor del lóbulo anterior de la hipófisis que secreta PRL). La dopamina, el principal regulador de la secreción de PRL, inhibe la producción de PRL y su liberación por la adenohipófisis. La bromocriptina es un fármaco que actúa como la dopamina al inhibir la liberación de PRL. Mientras que la OT estimula la expulsión de leche por la glándula mamaria, la PRL es necesaria para la producción de leche en la glándula. Ni glucagón ni testosterona afectan la producción de leche. La PRL se produce en el lóbulo anterior de la hipófisis, no en el posterior. 29. La respuesta es C.  La producción excesiva de ACTH por la adenohipófisis es causada por la falta de supresión por cortisol, porque los valores de éste son bajos. Un tumor que produce POMC (el precursor de la ACTH) causaría valores altos de ACTH y cortisol. Es probable que la concentración de CRH sea alta (debido a la falta de supresión por cortisol), de lo que resultan los valores elevados

358

Bioquímica, biología molecular y genética de ACTH. El problema debe estar en la corteza suprarrenal (no en la médula), que no produce cantidades suficientes de cortisol en respuesta a la ACTH. Debido a una enzima deficiente en la vía del cortisol, los precursores de éste se emplean para producir andrógenos en exceso, que causan los caracteres sexuales secundarios masculinos de la paciente.

30. La respuesta es B.  Una lesión de la hipofisis que redujera la producción hormonal podría explicar todos los síntomas. Una baja concentración de vasopresina (ADH) causa diabetes insípida. Los valores bajos de LH y FSH causan amenorrea. Un descenso de TSH ocasiona disminución de hormona tiroidea, que a su vez reduce la TMB (y la producción de calor corporal). La falta de GH frena el crecimiento. Las hormonas de los lóbulos anterior y posterior de la hipófisis son pequeños péptidos que serían digeridos por enzimas proteolíticas en el intestino si se administraran por vía oral. Tiroxina y glucocorticoides aliviarían algunos de sus problemas, pero el estrógeno solo no restauraría la menstruación, y el consumo de agua tendría que incrementarse, no restringirse. 31. La respuesta es F.  La testosterona se reduce a DHT, un andrógeno más activo. La testosterona es una hormona esteroidea, y por lo tanto se une a receptores intracelulares (nucleares) y el complejo hormona–receptor actúa como un factor de transcripción. La testosterona es un precursor de estradiol, no al contrario. La testosterona inhibe la síntesis de GnRH y no reprime la síntesis de glucocorticoides. 32. La respuesta es C.  Lo más probable es que el paciente tenga deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidro­genasa, una de las enzimas que producen NADPH. Cuando esta enzima es defectuosa, ni ella ni la enzima posterior en la vía de la lanzadera de monofosfatos de hexosa (6-fosfogluconato deshidrogenasa) producen NADPH. Los eritrocitos tienen NADPH insuficiente; en estas condiciones, para mantener el glutatión en su forma reducida (protectora) y en presencia de un agente oxidante fuerte (primaquina), se daña la membrana celular de los eritrocitos y éstos presentan lisis, lo que produce la anemia hemolítica. Las mutaciones en glucólisis, gluconeogénesis y oxidación de ácidos grasos no corresponden a este patrón de daño en presencia de un agente oxidante fuerte. Las mutaciones en la glucólisis (como en la piruvato cinasa) pueden causar anemia, pero ello produce en ausencia de agentes oxidantes también. Los eritrocitos no oxidan ácidos grasos ni realizan la gluconeogénesis. 33. La respuesta es B.  La vitamina B12 participa en dos reacciones en el organismo: conversión de homocisteína en metionina y conversión de metilmalonil-CoA en succinil-CoA. La metilmalonil-CoA se produce en diversas vías de degradación de aminoácidos, y a partir de la oxidación de ácidos grasos de cadena impar. En ausencia de vitamina B12, la succinil-CoA sólo se produciría como un intermediario del ciclo de los TCA, y si se extrajera del ciclo para la síntesis de hem, la producción de energía podría verse afectada. La glicina suele obtenerse de los alimentos, aunque en una deficiencia de vitamina B12 también podría ocasionar deficiencia funcional de folato, con el resultado de inhibición de la serina hidroximetiltransferasa, la enzima que convierte serina en glicina, y requiere tetrahidrofolato libre. Succinil-CoA y glicina son los precursores de la síntesis de hem. Una deficiencia de vitamina B12 no inhibiría la producción de acetil-CoA, succinato o alanina. 34. La respuesta es E.  La GnRH estimula la liberación de dos hormonas hipofisarias, LH y FSH. La GHRH estimula la liberación de GH; la TSH, la liberación de T3 y T4; y la PRH, la liberación de PRL. El IGF estimula el crecimiento celular, y su producción es estimulada por la liberación de GH. La somatostatina reduce la secreción de GH, que también reduciría la secreción de IGF. 35. La respuesta es C.  El paciente tiene deficiencia alimentaria de yodo. En este caso, la tiroides no produce cantidades normales de hormona tiroidea. En consecuencia, hay menor retroinhibición de la producción y liberación de TRH y TSH, por lo que se libera más de ambas hormonas. Los valores bajos de hormona tiroidea reducen la producción de calor, no la incrementan. La aldosterona afecta los valores de sal en la sangre, no de hormonas tiroideas.

capítulo

10

Genética humana básica –introducción

Los principales objetivos clínicos de este capítulo son comprender los patrones de herencia, saber cómo orientar a las parejas sobre las probabilidades de tener un hijo con una enfermedad específica y entender la formación de los gametos y aquellos aspectos de este proceso que pueden desembocar en aborto.

GENERALIDADES ■ ■ ■

■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

■

■

Las células humanas son diploides; la mitad de los cromosomas provienen de la madre y la otra mitad del padre. Un cariotipo exhibe todos los cromosomas de una célula. La herencia mendeliana, basada en la distribución independiente de los cromosomas durante la meiosis, puede clasificarse como expresión dominante, expresión recesiva y expresión ligada al sexo (la cual a su vez puede ser dominante o recesiva). La herencia mitocondrial siempre viene de la madre. Los alelos residen en loci específicos en los cromosomas. Las mutaciones son alteraciones en la secuencia de alelos que pueden causar enfermedad. Los eventos de no disyunción en la meiosis (o la mitosis) pueden provocar aneuploidía, que a menudo termina en enfermedad. La dosis génica es importante, ya que la expresión excesiva o deficiente de genes, debido a trisomía, monosomía o variación en el número de copias, puede causar enfermedad. Entre las anomalías de la estructura cromosómica están inversiones, replicaciones, inserciones, formación de isocromosomas, deleciones y transposiciones. La ecuación de Hardy–Weinberg permite hacer estimaciones de frecuencias alélicas y frecuencias heterocigóticas en una población determinada. Las enfermedades multifactoriales implican interacciones significativas entre los genes y los factores ambientales. Las expansiones por repetición de tripletes en genes y a su alrededor pueden causar enfermedad si son demasiado grandes. La anticipación es un aumento en el número de repeticiones de tripletes en generaciones sucesivas, lo cual se correlaciona con la gravedad del trastorno en estas generaciones. La impronta es la modificación de la expresión de un alelo sin alterar la secuencia de nucleótidos del alelo. Es específica de sexo. Hombres y mujeres improntan alelos de manera distinta. La impronta permanece durante toda la vida de la célula y su progenie. Se reinicia (vuelve a cero) cuando se producen células germinales. Cuando se analizan en árboles genealógicos, los supresores tumorales exhiben patrón de herencia autosómica dominante, aunque el mecanismo molecular sea recesivo. La pérdida de un alelo funcional se conoce como pérdida de la heterocigosidad, y ocurre por una variedad de mecanismos.

359

360

Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 10-1. Un ejemplo de cariotipo masculino.

I.  PATRONES DE HERENCIA MENDELIANA 1. El ser humano es un organismo diploide, lo cual significa que cada célula somática contiene dos copias de cada cromosoma, una de cada progenitor.

2. Las células somáticas humanas contienen 46 cromosomas (dos copias de cada uno de los autosomas –los cromosomas 1 a 22–, y dos cromosomas sexuales, que pueden ser XX [mujer] o XY [hombre]). 3. Un cariotipo exhibe todos los cromosomas de una célula, obtenidos en un frotis en metafase (figura 10-1). 4. Las células germinales (óvulos y espermatozoides) se producen por meiosis y contienen el número haploide de cromosomas (23), que consiste en una copia de cada autosoma y un cromosoma sexual. 5. Un principio importante de la genética mendeliana es el de la distribución independiente de los cromosomas durante la meiosis: cada cromosoma de un par se distribuye al azar a una célula hija. No hay ligadura de cromosomas cuando se segregan durante la meiosis. 6. El principio de distribución independiente permite calcular las probabilidades de transmisión de un alelo mutante en una familia extendida. 7. Los patrones de herencia de una enfermedad pueden rastrearse en un árbol genealógico a través de múltiples generaciones. En la figura 10-2 se presentan los símbolos comunes usados en los árboles genealógicos.

II. GENES 1. Los genes residen en sitios específicos, llamados locus (pl. loci), en un cromosoma determinado. 2. La forma de un gen en un locus dado es un alelo; así, cada locus tiene dos alelos (uno por cromosoma). a. Dos alelos idénticos son homocigóticos; la persona que los posee es un homocigoto. b. Dos alelos de un locus son heterocigóticos cuando tienen diferente secuencia de nucleótidos, lo cual puede deberse a mutaciones. La persona con esos alelos es un heterocigoto.



Capítulo 10   Genética humana básica

361

Masculino

Femenino Gemelos no idénticos (dicigóticos) Sexo no especificado

Individuo afectado

Procreación Gemelos idénticos (monocigóticos) Mujer portadora

Procreación consanguínea (entre familiares)

FIGURA 10-2. Símbolos usados en los árboles genealógicos.

3. El fenotipo son los rasgos observables del individuo, producidos por la interacción de los genes y el ambiente.

4. El genotipo es la composición genética del individuo. 5. La heredabilidad es la capacidad de heredar un rasgo de un progenitor, y depende de dos variables: un componente genético y un componente ambiental.

a. Un componente genético de 100% indica influencia nula del ambiente en la herencia del fenotipo del individuo.

b. Un componente genético de 10% indicaría que el principal determinante del fenotipo es ambiental más que genético.

6. Un rasgo dominante es el que se manifiesta aunque un alelo esté en estado heterocigótico. 7. En los rasgos codominantes, ambos alelos de un par heterocigótico se expresan (un ejemplo son los antígenos de tipo sanguíneo).

8. Un rasgo recesivo sólo se manifiesta cuando el gen está en estado homocigótico. 9. Un rasgo está ligado al sexo (o ligado al cromosoma X) cuando el alelo mutante se localiza en el cromosoma X; en este caso la enfermedad sólo suele expresarse en hombres (ya que éstos tienen un cromosoma X). Las mujeres con un alelo mutante en el cromosoma X son portadoras del trastorno, y por lo general no expresan la enfermedad porque el alelo “normal” está presente. 10. La penetrancia se refiere a la expresión de un fenotipo cuando se hereda un alelo mutante específico. Una penetrancia de 100% significa que todo aquel que herede el alelo mutante expresará la enfermedad. 11. La expresividad variable es la gravedad del fenotipo expresado a consecuencia de un alelo mutante. Incluso si la penetrancia es de 100%, la misma mutación puede exhibir diferentes fenotipos (expresividad variable) en distintos miembros de la misma familia que heredan el alelo.

III. MUTACIONES 1. Las alteraciones en la secuencia del DNA (mutaciones) de un alelo pueden dar por resultado un producto génico no funcional o no regulado (ver Capítulo 3).

2. Las mutaciones pueden clasificarse como sigue: a. Mutaciones puntuales (un cambio en una base del DNA). b. Deleciones (pérdida de bases en el DNA).

362

Bioquímica, biología molecular y genética

c. Inserciones (se agrega una nueva secuencia de DNA al DNA existente). d. Pérdida de un cromosoma e. Copia extra de un alelo (la trisomía de un cromosoma autosómico causa enfermedad). f. La expansión por repeticiones de trinucleótidos, o sea la expansión de secuencias de trinucleótidos específicas en un gen, puede provocar enfermedad.

g. La epigenética se refiere a las modificaciones químicas del DNA, las histonas o ambos (p. ej., metilación y acetilación) que no implican alteraciones en la secuencia de bases.

IV.  PATRONES DE HERENCIA 1. Herencia autosómica dominante a. La figura 10-3 es un árbol genealógico con herencia autosómica dominante. (1) Un individuo afectado tiene un progenitor con la enfermedad (a menos que exprese una nueva mutación).

(2) Los individuos afectados son heterocigotos, ya que la homocigosidad para estos rasgos tiene muy baja probabilidad estadística.

(3) Un progenitor afectado tiene probabilidad de 50% de transmitir el alelo afectado a su descendencia.

(4) La transmisión del rasgo es independiente del sexo, y ambos sexos pueden expresar la enfermedad.

b. El análisis de la cuadrícula de Punnet ayuda a calcular las probabilidades de transmitir el alelo alterado a los hijos (figura 10-4).

c. En los patrones de herencia autosómica dominante, 50% de los hijos estarán afectados, y el otro 50% serán sanos (hay una probabilidad de uno de cada dos de heredar el alelo mutante).

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Algunos ejemplos de trastornos autosómicos dominantes son acondroplasia (enanismo, debido a una mutación en un receptor de FGF), enfermedad de ­Huntington tipo 2 (debida a una expansión por repetición de tripletes en el gen HTT ), hipercolesterolemia (por una mutación en el receptor de LDL), síndrome de Marfan (a causa de una mutación en la proteína fibrosa fibrilina), poliquistosis renal (por mutaciones en varias proteínas de membrana), esclerosis tuberosa (si bien muchos casos de esta enfermedad se deben a nuevas mutaciones en los genes TSC1 y TSC2), y neurofibromatosis tipo 1 (NF-1) (causada por mutaciones en el gen NF1, que codifica una proteína activadora de GTPasa; muchos casos de NF-1 se deben a nuevas mutaciones en el gen NF1). 2. Herencia autosómica recesiva a. La figura 10-5 es un árbol genealógico con herencia autosómica recesiva. (1) Ambos sexos son afectados por igual. (2) La transmisión del rasgo debe provenir de ambos progenitores. 1

I Aa

1

II

aa

2

3

Aa

aa

1

2

2

4

aa

3

aa

4

5

6

III Aa

aa

Aa

aa

aa

aa

FIGURA 10-3. Árbol genealógico para un trastorno autosómico dominante. La “A” mayúscula es el alelo mutante, y la “a” minúscula es el alelo normal. Los símbolos más oscuros indican las personas con la enfermedad.



363

Capítulo 10   Genética humana básica

A

FIGURA 10-4. Análisis de la cuadrícula de Punnet para un trastorno autosómico dominante. El gen para la enfermedad se indica con la “A” mayúscula. Note que 50% de la descendencia heredará el trastorno.

a

Aa

Aa

aa

aa

(afectado) (afectado)

a

(afectado)

a

(3) Si todos los descendientes son heterocigotos, es posible que la enfermedad no se exprese en algunas generaciones.

(4) La figura 10-6 es una cuadrícula de Punnet en la que se analiza un caso de herencia autosómica recesiva. Note que uno de cuatro niños será afectado por la enfermedad, y dos de cuatro serán portadores de la enfermedad.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Entre los ejemplos de enfermedades autosómicas recesivas se encuentran albinismo (que afecta a 1 de 20 000 nacidos vivos, y se debe a la pérdida de tirosinasa de los melanocitos), fibrosis quística (que afecta a 1 de 2 500 nacidos vivos de ascendencia del norte de Europa, y se debe a una mutación de la proteína regulador de conductancia transmembrana de la fibosis quística, CFTR), fenilcetonuria (que afecta a 1 de 14 000 nacidos vivos, y se debe en mayor medida a una mutación en la fenilalanina hidroxilasa), hemocromatosis (enfermedad por almacenamiento de hierro, que afecta a alrededor de 1 de 600 nacidos vivos, y se debe a diversas mutaciones implicadas en absorción y transporte de hierro), y anemia drepanocítica (que afecta a 1 de 400 nacidos vivos en poblaciones afroamericanas y africanas, y es un cambio de aminoácidos E6V en la cadena β de la globina). 3. Herencia ligada al sexo a. Los hombres son hemicigóticos para los genes localizados en el cromosoma X. b. Trastornos recesivos ligados al sexo (1) En los árboles genealógicos de estas enfermedades no ocurre transmisión de hombre a hombre (figura 10-7).

(2) Las mujeres suelen ser asintomáticas (ver una excepción más adelante, hipótesis de Lyon).

I Aa

AA

II AA

Aa

AA

Aa

AA

III AA FIGURA 10-5. Árbol genealógico para un trastorno con herencia autosómica recesiva. En este caso, la “a” minúscula representa el alelo con la enfermedad; una persona con el genotipo aa expresará el trastorno, mientras que el genotipo Aa representa un portador.

Aa

Aa

Aa

AA

IV aa

Aa

aa

AA

364

Bioquímica, biología molecular y genética

A A

(afectado)

a

AA

a Aa

(normal)

(portador)

aA

aa

(portador) (afectado)

FIGURA 10-6. Análisis de la cuadrícula de Punnett para la herencia autosómica recesiva. Note que uno de cada cuatro hijos heredará ambos alelos mutantes, y expresará la enfermedad.

(3) Hijos e hijas tienen ambos probabilidad de 50% de heredar el alelo mutante de la madre, pero los hijos expresarán la enfermedad y las hijas no.

(4) En la figura 10-8 se presenta en análisis de la cuadrícula de Punnet para los trastornos recesivos ligados al sexo.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Son ejemplos de trastornos recesivos ligados al sexo hemofilia A (1 de 12 500 nacidos vivos, debido a una mutación en el gen que codifica el factor VIII, necesario para la coagulación sanguínea), distrofia muscular de Duchenne (1 de 100 000 nacidos vivos, debida principalmente a grandes deleciones en el gen DMD), ceguera para los colores rojo y verde (1 de 20 hombres con ancestros en Europa, debida a mutaciones en los fotorreceptores llamados conos), determinadas formas del síndrome de Alport (debido a mutaciones en un gen específico que codifica colágeno), y deficiencia de ornitina transcarbamoilasa (1 de 100 000 nacidos vivos, el error congénito del ciclo de la urea más común). c. Dosis génica e hipótesis de Lyon (1) La expresión de genes en un cromosoma adicional (trisomía), o la pérdida de expresión de genes en un cromosoma (monosomía, debida a una deleción cromosómica) es nociva para el desarrollo humano (ver una exposición más detallada en la Sección VI). Sin embargo, las alteraciones en la cantidad de cromosomas sexuales se toleran. (2) El cromosoma X es alrededor de cinco veces mayor que el cromosoma Y, y si las mujeres expresaran todos los genes de ambos cromosomas X, expresarían más genes que los hombres. (3) Para compensar, y mantener la dosis génica igual entre los sexos, ocurre la inactivación de un cromosoma X (o inactivación X). (a) Un cromosoma X de cada célula se inactiva y condensa en lo que se conoce como cuerpo de Barr (figura 10-9). La inactivación ocurre al azar en cuanto al origen (materno o paterno) del cromosoma. (b) Sólo una pequeña parte del cuerpo de Barr es transcripcionalmente activa.

FIGURA 10-7. Árbol genealógico que demuestra la herencia recesiva ligada al sexo. Las mujeres con un alelo defectuoso son portadoras de la enfermedad.



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Capítulo 10   Genética humana básica

X X

Y FIGURA 10-8. Análisis de la cuadrícula de Punnett para la transmisión recesiva ligada al sexo de un alelo.

XX

(mujer normal)

XY

(hombre normal)

x Xx

(mujer portadora)

xY

(hombre afectado)

(c) Si una mujer hereda tres cromosomas X (su cariotipo es XXX), se inactivan dos cromosomas X. No hay un fenotipo relacionado con la posesión de múltiples copias del cromosoma X en mujeres. (d) La inactivación X fue planteada por Mary Lyon, y se conoce como la hipótesis de Lyon. (4) Si ocurre inactivación X desigual (más células inactivan el cromosoma X paterno que el materno), una mujer puede expresar síntomas de un trastorno recesivo ligado al sexo. d. Trastornos dominantes ligados al sexo (figura 10-10) (1) Las mujeres que portan un trastorno dominante ligado al sexo expresan síntomas de la enfermedad.

Xp

Xm

Espermatozoide Cigoto

Óvulo

Xm Xp

El patrón de inactivación se anula en la meiosis

El patrón de inactivación se reinicia (vuelve a 0) en el cigoto

Ocurre inactivación al azar

Xm Xp

Xm Xp

Xm Xp

Xm Xp

Células somáticas El patrón de inactivación se mantiene durante la mitosis

Xm Xp

Xm Xp

Xm Xp

Xm Xp

Una vez que ocurre la inactivación, el mismo cromosoma X permanece inactivado en todas las células de la progenie FIGURA 10-9. Hipótesis de Lyon. La barra oscura representa los cromosomas inactivados. La hipótesis de Lyon explica el modo en que se mantienen cantidades iguales de genes activos en hombres y mujeres. La inactivación en la etapa de 16 células es aleatoria. Una vez que se inactiva un cromosoma X en una célula, todas las células hijas posteriores tienen el mismo patrón de inactivación X. En el cigoto, tanto el cromosoma X materno (Xm) como el paterno (Xp) son activos.

366

Bioquímica, biología molecular y genética

FIGURA 10-10. Ejemplo de herencia dominante ligada al sexo. El hombre de la generación I tiene una enfermedad dominante ligada al sexo, y la transmite a su hija, pero no a su hijo. La hija transmite después el alelo defectuoso a un hijo y a una hija.

(2) Los hombres afectados transmitirán la enfermedad a sus hijas 100% de las veces, pero no a sus hijos.

(3) Las mujeres pueden expresar síntomas menos graves que los hombres debido a la presencia de un alelo correspondiente sin la mutación.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Entre los ejemplos de trastornos dominantes ligados al sexo están raquitismo hipofosfatémico (debido a mutaciones en el gen PHEX) e incontinencia pigmentaria tipo 1 (más tarde la enfermedad es letal en hombres, pero no en mujeres. La mutación se encuentra en el gen IKBKG, que regula una familia de factores de transcripción.).

4. Herencia mitocondrial a. Las mitocondrias tienen un genoma de 16 569 pb, que codifica varias proteínas y moléculas de tRNA. Las proteínas son necesarias para la fosforilación oxidativa, y el tRNA, para sintetizar las proteínas codificadas por las mitocondrias. b. Las mutaciones en el genoma mitocondrial pueden causar defectos en la fosforilación oxidativa y disminución de la producción de energía por las mitocondrias que contienen un genoma mutante. c. Una célula tiene múltiples mitocondrias, y el término heteroplasmia se refiere al hecho de que algunas mitocondrias contienen genomas normales, y otras tienen genomas mutantes. Homoplasmia es el término que se usa cuando todas las mitocondrias contienen el mismo genoma. d. Todas las mitocondrias se heredan de la madre (las mitocondrias del espermatozoide no entran en el óvulo), así que la herencia mitocondrial es un ejemplo de herencia materna. e. En la figura 10-11 se presenta un ejemplo de árbol genealógico con herencia mitocondrial. (1) Todos los hijos de una mujer afectada expresarán la enfermedad (penetrancia de 100%), pero habrá expresividad variable según el número de mitocondrias mutantes que cada hijo herede. (2) Los hijos de un hombre afectado no serán afectados. (3) Los síntomas de las enfermedades se manifiestan en tejidos con alta demanda de energía, como muscular y sistema nervioso.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Son ejemplos de trastornos mitocondriales neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON, Leber’s hereditary optic neuropathy), debida a una mutación en un gen que codifica una proteína, epilepsia mioclónica con fibras rojas rasgadas (MERRF, myoclonic epilepsy with ragged red fibers), que se debe a una mutación en un gen de tRNA mitocondrial, encefalomiopatía mitocondrial con lactoacidosis y episodios tipo evento vascular cerebral (MELAS, mitochondrial encephalomyopathy, lactic acidosis and stroke-like episode), también debida a una mutación en un gen distinto que codifica tRNA mitocondrial, y enfermedad de Kearns–Sayre, caracterizada por debilidad muscular, daño cerebeloso e insuficiencia cardiaca, por deleción de parte del genoma mitocondrial.



Capítulo 10   Genética humana básica

367

FIGURA 10-11. Ejemplo de árbol genealógico que demuestra la herencia mitocondrial.

V.  RESUMEN DE LOS PATRONES DE HERENCIA VER LA TABLA 10-1. t a b l a

10-1

Resumen de patrones de herencia (análisis del árbol genealógico)

Frecuencia con que el hijo hereda el rasgo

Sexo de los individuos afectados

Patrones de árbol genealógico en las familias

Autosómica dominante Autosómica recesiva

50%

Ambos

25%

Ambos

Ocurre la transmisión de padre a hijo Consanguinidad

Ligada al sexo: recesiva ligada al sexo

Hombres

Ligada al sexo: dominante ligada al sexo

50% para hijos de una mujer portadora, y 50% de probabilidad de que una hija sea portadora; 0% para hijos de un hombre afectado, aunque 100% de las hijas son portadoras 50% de los hijos afectados, y 50% de las hijas afectadas si la madre lo está; 0% de los hijos y 100% de las hijas son afectados si el padre lo está

Vertical, sin omisión de generaciones Horizontal, con omisión de generaciones Horizontal, se observa omisión de generaciones

Ambos

Vertical, el fenotipo afectado se ve en todas las generaciones

Trastornos mitocondriales

100% si la madre tiene la enfermedad, 0% si es el padre el que la tiene

Ambos

Vertical, transmisión materna

Ausencia de transmisión de padre a hijo, la expresión suele ser menos grave en mujeres heterocigotas que en hombres afectados Ausencia de transmisión de padre a hijo

Otros

Ausencia de transmisión de padre a hijo; son raras las mujeres afectadas

VI. CITOGENÉTICA 1. Una proporción significativa de las enfermedades se deben a defectos cromosómicos (alteraciones lo suficientemente grandes para verse al microscopio), que ocurren con frecuencia de 1 en 150 nacidos vivos. a. Son la principal causa de retardo mental. b. Son la principal causa de aborto espontáneo. (1) Se observan defectos cromosómicos en 50% de las pérdidas del embarazo en el primer trimestre. (2) Se observan defectos cromosómicos en 20% de las pérdidas del embarazo en el segundo trimestre. 2. Mitosis y división celular a. Las células humanas contienen 46 cromosomas, que corresponden a 22 pares de autosomas (numerados del 1 al 22), y dos cromosomas sexuales (XX en mujeres y XY en hombres). b. El número haploide de cromosomas es 23, también llamado n. c. El número diploide es 2n, o 46 cromosomas.

368

Bioquímica, biología molecular y genética

d. En la mitosis, el DNA se duplica, lo que genera un estado 4n, y luego la división celular crea dos células hijas con contenido 2n de DNA.

3. Meiosis y formación de gametos a. La meiosis es el proceso de convertir el contenido 2n de DNA en contenido n. b. Esto ocurre a través de dos divisiones meióticas. c. Primero la célula duplica su DNA, con lo que crea un contenido 4n de DNA. d. En la meiosis I, la célula se divide de modo que cada célula hija obtiene un contenido 2n del DNA, pero a diferencia de lo que sucede en la mitosis, en la etapa 2n la célula contiene duplicados exactos de cada cromosoma excepto por regiones en que ha ocurrido entrecruzamiento entre cromosomas homólogos. e. En la meiosis II, la célula vuelve a dividirse, creando un contenido n de DNA en las células germinales. f. El entrecruzamiento del material genético entre cromosomas homólogos ocurre durante la meiosis I. 4. Estructura y nomenclatura de los cromosomas a. Los cromosomas contienen centrómeros, a los cuales los cromosomas homólogos se unen durante la división celular. (1) Los cromosomas metacéntricos tienen el centrómero en la parte media. (2) Los cromosomas submetacéntricos tienen el centrómero entre la parte media y la punta. (3) Los cromosomas acrocéntricos tienen el centrómero en la punta. b. Los telómeros son los extremos de los cromosomas. c. El brazo corto de un cromosoma se conoce como “p”, y el brazo largo se llama “q”. d. Mediante tinción apropiada, los cromosomas pueden subdividirse en regiones; por ejemplo, 14q32 se refiere a la segunda banda en la tercera región del brazo largo del cromosoma 14. e. La nomenclatura para el cariotipo se resume en la tabla 10-2. 5. Anomalías del número de cromosomas a. La euploidía se refiere a la posesión de un múltiplo de 23 cromosomas (23 es el número haploide o haploidía, 46 es el número diploide o diploidía, 69 es el número triploide o triploidía, y 92 es el número tetraploide o tetraploidía). b. Triploidía y tetraploidía son incompatibles con la vida humana. c. La aneuploidía se refiere a condiciones en que el número total de cromosomas no es un múltiplo de 23. (1) Las aneuploidías son principalmente monosomías (una copia de un cromosoma) o trisomías (tres copias de un cromosoma). (2) Las monosomías autosómicas casi siempre son letales.

t a b l a

10-2

Nomenclatura de cromosomas y cariotipo

Designación

Significado

1 a 22 X, Y p q Del Der Dup Ins Inv

Número de los autosomas Cromosomas sexuales Brazo corto del cromosoma (del fr. petit) Brazo largo del cromosoma Deleción de material cromosómico Derivado, un cromosoma con reordenamiento estructural Replicación de parte de un cromosoma Inserción de DNA en un cromosoma Inversión del DNA en un cromosoma

/

Designación que indica mosaicismo; dos tipos de células diferentes en un individuo. El primer cariotipo va antes de la /; el segundo cariotipo va después Transposición; las regiones transpuestas se describen después del símbolo t Terminal (también pter, o qter, cuando se refiere al extremo terminal de un brazo cromosómico específico) Cromosoma anular (los dos extremos se unen para formar una estructura anular) Antes del número cromosómico, indican adición (1) o pérdida (2) de un cromosoma completo; después del número cromosómico, indican ganancia o pérdida de parte de un cromosoma, p. ej., 5p– indica pérdida de parte del brazo corto del cromosoma 5; sin embargo, del (5p) es la nomenclatura preferida para tal pérdida

t Ter r 1o2

Reimpreso con autorización de ISCN. An International System for Human Cytogenetic Nomenclature. Mitelman F, ed. Basel, Switzerland: S. Karger; 1995.



Capítulo 10   Genética humana básica

369

(3) Las trisomías autosómicas son letales, con sólo algunas excepciones (tabla 10-3). Las aneuploidías de un cromosoma sexual son mejor toleradas.

d. La aneuploidía puede ocurrir por no disyunción. (1) La no disyunción es la distribución cromosómica desigual durante la meiosis I o II; es decir, se asigna un número “erróneo” de cromosomas a las células hijas (demasiado a una y muy poco a la otra). (2) En la figura 10-12 se ilustra el modo en que un evento de no disyunción ocurre durante la meiosis. (3) Si se dispone de los marcadores cromosómicos apropiados, es posible determinar si un evento de no disyunción ocurrió en la meiosis I o II. 6. Defectos de la estructura cromosómica a. Inversiones: dos rupturas en un mismo cromosoma y una inversión de material genético entre las rupturas.

t a b l a

10-3

Principales síndromes de aneuploidía compatibles con el nacimiento de un producto vivo

Síndrome

Anomalía cromosómica

Principales características

Síndrome de Patau

Trisomía 13

Síndrome de Edward Síndrome de Down Síndrome de Turner Síndrome de Klinefelter Triple X

Trisomía 18

Monosomía X

XYY

XYY

Labio y paladar hendidos, defectos graves del sistema nervioso central, polidactilia; ocurre en 1 de cada 10 000 nacidos vivos, 90% mueren en el transcurso de 12 meses Bajo peso al nacer, defectos del sistema nervioso central, defectos cardiacos; ocurre en 1 de cada 6 000 nacidos vivos, 90% mueren en el transcurso de 12 meses Hipotonía, rasgos faciales característicos, retardo del desarrollo y mental, defectos cardiacos, mayor riesgo de leucemia; ocurre en 1 de cada 800 nacidos vivos Baja estatura, amenorrea, falta de caracteres sexuales secundarios; ocurre en 1 de cada 5 000 nacidas vivas Testículos pequeños, esterilidad, estatura elevada, problemas de aprendizaje; ocurre en 1 de cada 1 000 nacidos vivos hombres Discapacidades del aprendizaje, sin defectos físicos mayores; ocurre en 1 de cada 1 000 nacidas vivas Problemas de aprendizaje y conductuales en algunos individuos; ocurre en 1 de cada 1 000 nacidos vivos hombres

Trisomía 21

XXY XXX

Adaptado con autorización de Korf BR. Human Genetics: A Problem-Based Approach. 2nd ed. Boston, MA: Blackwell Science; 2000.

PRIMERA DIVISIÓN MEIÓTICA

NO DISYUNCIÓN

SEGUNDA DIVISIÓN MEIÓTICA

NO DISYUNCIÓN

GAMETOS FECUNDACIÓN CIGOTO CIGOTO TRISÓMICO

CIGOTO MONOSÓMICO

CIGOTO TRISÓMICO

FIGURA 10-12. Ejemplos de no disyunción en la meiosis I y II. Adaptado de Gelehrter TD, Collins FS. Principles of Medical Genetics. Baltimore, MD: Williams & Wilkins; 1990: 165.

370

Bioquímica, biología molecular y genética

b. Replicaciones: parte de un cromosoma se duplica e inserta en el mismo cromosoma. c. Inserciones: una sección de un cromosoma se inserta en otro cromosoma, y no necesariamente se produce pérdida de material genético.

d. Isocromosomas: una división del centrómero anómala puede dar por resultado intercambio de brazos completos entre cromosomas homólogos, de modo que un isocromosoma puede contener dos brazos p o dos brazos q provenientes de las dos copias de un cromosoma determinado. e. Transposiciones (1) Las transposiciones recíprocas (figura 10-13) ocurren cuando se producen rupturas en dos cromosomas distintos e intercambio del material entre las rupturas. (a) En una transposición recíproca no se pierde material genético (transposición equilibrada). (b) Los individuos con transposiciones equilibradas tienen fenotipo normal, pero la formación de gametos puede ser afectada, lo que resulta en múltiples abortos espontáneos por monosomías o trisomías (o ambas) en el feto.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Las transposiciones cromosómicas pueden causar enfermedad, en particu­lar si un gen es regulado de modo inapropiado, o si se crea una proteína de fusión en uno de los cromosomas transpuestos. La leucemia mielógena crónica (LMC), debida a una transposición entre los cromosomas 9 y 22, resulta de la creación de la proteína de fusión bcr-abl, que es una tirosina cinasa no regulada. El linfoma de Burkitt, una transposición entre los cromosomas 8 y 14, causa la expresión no regulada de myc, y proliferación celular descontrolada.

(2) Transposiciones robertsonianas (figura 10-14) (a) Las transposiciones robertsonianas ocurren entre cromosomas acrocéntricos (13, 14, 15, 21, 22) en los cuales los brazos cortos (satélites) se pierden y los brazos largos se fusionan entre los dos cromosomas.

Transposición recíproca Transposición Transposición recíproca recíproca

FIGURA 10-13. Transposición recíproca entre los cromosomas 3 y 21. En este caso, un fragmento del cromosoma 3 ahora está unido al cromosoma 21, y un fragmento del cromosoma 21 está unido al brazo largo del cromosoma 3. Adaptado de Gelehrter TD, Collins FS. Principles of Medical Genetics. Baltimore MD: Williams & Wilkins; 3 3 3 1990: 167.

der(3) der(3) der(3) 21 21 21

der(21) der(21) der(21)



371

Capítulo 10   Genética humana básica Transposición robertsoniana

Pérdida de satélites

21

FIGURA 10-14. Ejemplo de transposición robertsoniana entre los cromosomas 14 y 21. Adaptado de Gelehrter TD, Collins FS. Principles of Medical Genetics. Baltimore MD: Williams & Wilkins; 1990: 168.

t a b l a

10-4

14

der(14:21)

Lista parcial de los síndromes de microdeleción cromosómica

Síndrome

Características

Langer–Gideon WAGR Retinoblastoma Prader–Willi Angelman Miller–Dieker Smith–Magenis Alagille DiGeorge

Cabello ralo, nariz bulbosa, epífisis cónicas, exostosis cartilaginosas, retardo mental Tumor de Wilms, aniridia, anomalías genitales y renales Retinoblastoma, retardo mental, facies dismórfica Hipotonía, trastorno alimentario, obesidad, retardo mental Hipotonía, convulsiones, risa inapropiada, descoordinación Lisencefalia, facies dismórfica Facies característica, retardo mental Displasia biliar, estenosis pulmonar, anomalías vertebrales, facies dismórfica Defecto cardiaco congénito, hipoplasia de paratiroides y timo, anomalías faciales

Deleción 8q24.1 11p13 13q14.1 15q11 (paterno) 15q11 (materno) 17p13.3 17p11.2 20p11 22q11

Adaptado de Jorde C, White M. Medical Genetics. 1995. [Table 6-3]; Korf BR. Human Genetics: A Problem-Based Approach. 2nd ed. Boston, MA: ­Blackwell Science; 2000. [Table 5-3.]

(b) La pérdida de genes de los brazos cortos no causa problemas ya que los genes perdidos son principalmente los que codifican rRNA, que están presentes en múltiples copias en todo el genoma. (c) Los individuos que portan una transposición robertsoniana tienen 45 cromosomas y fenotipo normal. (d) Como en las transposiciones recíprocas, la formación de gametos puede verse afectada, lo que ocasiona múltiples abortos por monosomías o trisomías fetales. f. Síndromes de microdeleción: síndromes con fenotipo constante pero complejo a causa de una deleción cromosómica pequeña (menos de cinco megabases). (1) A menudo se requiere la técnica hibridación fluorescente in situ (FISH, fluorescent in situ hybridation) para detectar tales microdeleciones. (2) En la tabla 10-4 se presenta una lista parcial de síndromes de microdeleción.

7. Citogenética prenatal a. Entre las indicaciones para su uso están edad materna avanzada (> 35 años), antecedente familiar de un niño con un trastorno cromosómico, y resultados anómalos en un estudio prenatal.

b. Amniocentesis (estudio de referencia) (1) Puede realizarse en las semanas 15 a 16 de la gestación.

372

Bioquímica, biología molecular y genética

(2) Se obtienen células fetales del líquido amniótico, se les cultiva y se establece su cariotipo. (3) Hay un riesgo de 0.5% de pérdida del embarazo.

c. Muestreo de vellosidades coriónicas (1) Puede realizarse entre las semanas 10 y 12 de la gestación. (2) Se obtienen células placentarias, se purifican las células fetales, y se establece su cariotipo. (3) Hay un riesgo de 0.5% de pérdida del embarazo. d. Cordocentesis (1) Muestreo de sangre del cordón umbilical después de las 18 semanas de gestación. (2) Se emplea si los métodos anteriores arrojan resultados ambiguos. (3) Hay un riesgo de 1 a 2% de pérdida del embarazo.

VII.  GENÉTICA DE POBLACIONES 1. El equilibrio de Hardy–Weinberg se basa en cinco suposiciones para una población grande (más de 1 000 individuos). a. Apareamiento aleatorio entre individuos b. Poblaciones bastante grandes c. Frecuencia de mutación insignificante entre el alelo silvestre y el de la enfermedad d. Migración insignificante hacia y desde la población e. Ausencia de selección, y todos los genotipos son viables y fecundos 2. Considérense dos alelos, A y a, en un locus particular; aa representa un fenotipo enfermo para un trastorno autosómico recesivo. a. Sea p 5 frecuencia del alelo A en la población. b. Sea q 5 frecuencia del alelo a en la población. c. p 1 q 5 1. d. Si se eleva al cuadrado p 1 q 5 1, se obtiene la ecuación de Hardy–Weinberg, p2 1 2pq 1 q2 5 1. (1) p2 representa la frecuencia de homocigotos AA en la población (tipo silvestre). (2) q2 representa la frecuencia de homocigotos aa en la población (los que tienen la enfermedad autosómica recesiva). (3) 2pq representa la frecuencia de portadores (heterocigotos) en la población. 3. Ejercicio de resolución de problemas a. La frecuencia de fibrosis quística (FQ) en individuos con ancestros del norte de Europa es de 1 en 2 500. ¿Cuál es la frecuencia de portadores de FQ en esa población? b. El término q2 5 1y2 500, así que q (la frecuencia alélica de la enfermedad) 5 1y50. c. Dado que p 1 q 5 1, p 5 49y50, que puede aproximarse a 1. d. La frecuencia de portadores (frecuencia de heterocigotos) es 2pq, o 2 × 1y50 × 1, o 1 en 25 individuos en esta población.

VIII.  ENFERMEDADES MULTIFACTORIALES (RASGOS COMPLEJOS) 1. Las enfermedades multifactoriales resultan de la interacción de múltiples genes (el genotipo) con el ambiente; su estudio es complejo debido a las interacciones génicas necesarias para promover el fenotipo observado (más que sólo un alelo mutante).

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Son ejemplos de trastornos con rasgos complejos enfermedad cardiovascular, cáncer, asma, enfisema, hipertensión, diabetes tipo 2 y defectos congénitos.



Capítulo 10   Genética humana básica

373

2. Riesgo versus riesgo relativo a. El riesgo es la probabilidad de que un niño nazca con un rasgo específico. b. El riesgo relativo es el cociente del riesgo de que la persona tenga el rasgo de estudio del riesgo de que una persona al azar de la población lo tenga. A mayor riesgo relativo, mayor la probabilidad de que una pareja tenga un hijo con un rasgo determinado. c. Los factores ambientales son importantes, aun en el útero. (1) En el caso de gemelos idénticos (mismo genotipo), si uno nace con paladar hendido, la probabilidad de que el otro también lo tenga no es de 100%, sino de 40%. (2) El riesgo relativo de que un gemelo monocigótico tenga paladar hendido cuando el otro lo tiene es de 400; sin embargo, la frecuencia de paladar hendido es de 0.1%, y esto se traduce en una probabilidad de 40% de que ambos gemelos tengan el trastorno. d. De manera simplista, es posible suponer que los defectos congénitos, u otros rasgos complejos, requieren que se acumule determinada cantidad de alelos mutantes para que el sujeto exprese el defecto. (1) Así, si una pareja tiene un hijo con paladar hendido, por ejemplo, el riesgo relativo de que un segundo hijo lo tenga es mayor que en la población general ya que se sabe que entre los dos miembros de la pareja tienen suficientes alelos mutantes para formar este fenotipo. (2) Otro defecto congénito, la estenosis pilórica, es más frecuente en hombres que en mujeres. Por tanto, si una mujer tuvo estenosis pilórica de niña, entonces el riesgo relativo de transmitir el trastorno a su hijo es mayor que si fue el padre quien lo presentó cuando niño.

IX.  EXPANSIONES POR REPETICIÓN DE TRIPLETES 1. Varias enfermedades se deben a una expansión por repetición de tripletes dentro de una región transcrita de un gen.

2. El número de repeticiones heredadas se correlaciona con la gravedad del trastorno, de ahí su expresividad variable.

3. Las enfermedades no necesariamente tienen penetrancia de 100%; los individuos en un árbol genealógico pueden heredar una repetición, pero no expresar la enfermedad, y por tanto pueden transmitir la repetición de tripletes a sus hijos, quienes expresarían el trastorno. 4. Dentro de un árbol genealógico, la transmisión de la enfermedad tiene un modo de herencia autosómico dominante. 5. Mediante inmunoelectrotransferencia de DNA (o de Southern) es posible determinar el tamaño de las expansiones mediante la identificación de polimorfismos de longitud de fragmentos de restricción apropiados, o por reacción en cadena de la polimerasa (RCP) usando cebadores que rodeen las regiones repetidas. 6. En el caso de enfermedades en que las expansiones por repetición de tripletes son importantes se ha observado que la longitud de la expansión aumenta con cada generación, y la gravedad del trastorno es mayor en generaciones posteriores (inicio más temprano y síntomas más graves). Este fenómeno se conoce como anticipación. La expansión de tripletes tiende a causar problemas durante la replicación del DNA, y durante la formación de los gametos pueden agregarse tripletes adicionales a esta región.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Entre las enfermedades debidas a expansiones por repetición de tripletes se incluyen distrofia miotónica (DM), síndrome de cromosoma X frágil, corea de Huntington, ataxia espinocerebelosa y atrofia muscular espinobulbar. La DM se debe a una repetición de CTG en la región 3’ no traducida del gen, que codifica una proteína cinasa. La expansión de tripletes podría inhibir la transcripción del gen, o la traducción del mRNA producido a partir del gen. La presencia de 50 o más copias de la repetición causará una forma leve de DM. Más de 100 copias provocarán la DM clásica, y más de 1 000 copias inducirán la DM congénita.

374

Bioquímica, biología molecular y genética

X. IMPRONTA 1. La impronta se refiere a la modificación de la capacidad de un gen de expresarse por un medio distinto del cambio de la secuencia de bases del DNA. a. Los alelos improntables se transmiten de modo mendeliano. b. La expresión del gen es determinada por el sexo del progenitor. (1) La impronta materna se refiere a los alelos que las mujeres modifican durante la formación de los gametos, que tal vez nunca se expresen en sus hijos. (2) La imporonta paterna se refiere a los alelos que los hombres modifican durante la formación de los gametos, que tal vez nunca se expresen en sus hijos. (3) Para los fines de este texto, se supondrá que el suceso de impronta ha bloqueado la expresión del alelo, aunque ello no es universalmente cierto para todos los genes improntados. 2. Si un cigoto se forma con dos juegos de cromosomas paternos (dos espermatozoides fecundan un óvulo que carece de DNA materno), el resultado es una mola hidatiforme (androgenética), inviable. 3. Si un cigoto se forma con dos juegos de cromosomas maternos (por un problema de división celular durante la meiosis femenina), el resultado es un teratoma ovárico (ginogenético). 4. En la figura 10-15 se muestran ejemplos de impronta materna y paterna en árboles genealógicos (recuérdese que la impronta materna se interpreta en el sentido de que los alelos son inactivados por la madre, mientras que la impronta paterna es la inactivación de alelos por el padre). a. Impronta materna: cuando se producen los óvulos, determinados alelos se marcan (un ejemplo de marcado de genes es la metilación de bases adenina, o de bases citosina en islas de CpG en el promotor génico), lo cual hace que esos genes no se expresen cuando se fecunda el óvulo, y en ninguna de las células de la progenie. b. El alelo paterno correspondiente no se inactiva durante la impronta materna, así que para aquellos genes inactivados por la madre el feto es hemicigótico.

Patrón de impronta materna, en el que el gen paterno tiene una mutación

Patrón de impronta paterna, en el que el gen materno tiene una mutación

FIGURA 10-15. Árboles genealógicos de impronta idealizados; ejemplos de impronta materna (arriba) y de impronta paterna (abajo).



Capítulo 10   Genética humana básica

375

c. Si el padre tiene una mutación inactivadora en un gen con impronta materna, entonces el feto carecerá de la expresión de ese gen (el alelo materno está improntado y el paterno es mutante), y puede presentarse una enfermedad. d. La probabilidad de transmitir ese alelo mutante a los hijos sería de 50% (el padre tiene un gen normal y un alelo mutado en el locus de la impronta). 5. Son ejemplos de trastornos por impronta en el mismo locus el síndrome de Prader–Willi y el síndrome de Angelman. a. El síndrome de Prader–Willi se presenta en alrededor de 1 de cada 10 000 nacidos vivos. b. El cariotipo revela una pequeña deleción en el brazo largo del cromosoma 15 (15q), siempre de origen paterno. c. El síndrome de Angelman exhibe la misma deleción, pero siempre de origen materno. d. Los síntomas de ambas enfermedades son muy distintos (figura 10-16). e. Estas observaciones indican que hay genes con impronta materna y con impronta paterna en esta región del cromosoma 15, y la pérdida de un alelo correspondiente (a través de la deleción) puede causar enfermedad, que difiere según cuáles genes falten, estén inactivados o ambas cosas.

CORRELACIÓN CLÍNICA   

Otros ejemplos de enfermedades por impronta son determinados tipos de cáncer (tumor de Wilms con deleciones maternas en el cromosoma 11), retinoblastoma (la primera mutación que ocurre con mayor frecuencia en el cromosoma paterno), y corea de Huntington (alrededor de 5 a 10% de las expansiones por repetición de tripletes de origen paterno causan síntomas que no se observan en la contraparte materna).

Cromosomas 15 normales

zona eliminada

FIGURA 10-16. Ilustración esquemática de los síndromes de Prader–Willi y de Angelman; se indican los diferentes síntomas según el cromosoma que contenga la deleción.

Paterno

Síndrome de Prader-Willi • hipotonía • deterioro inicial • facies característica • retardo del desarrollo • hipogonadismo • trastorno alimentario

Síndrome de Angelman • hipotonía • convulsiones • movimientos descoordinados a sacudidas • sonrisa/risa sin motivo • mutismo • retraso del desarrollo grave Materno

376

Bioquímica, biología molecular y genética

XI.  GENÉTICA DE LOS SUPRESORES TUMORALES 1. Como se expuso en el Capítulo 4, los supresores tumorales son oncogenes recesivos, aunque el árbol genealógico de las enfermedades que causan exhibe un tipo dominante de transmisión (figura 10-17). a. El ejemplo que se ilustra en la figura 10-17 es el retinoblastoma (Rb), que puede ser hereditario o esporádico. La variedad esporádica representa 60% de los casos. b. El locus genético es 13q14. c. Note el patrón de expresión autosómico dominante en la forma hereditaria de Rb, y que el Rb bilateral predomina (también pueden producirse osteosarcomas); en contraste, la forma esporádica es cáncer en un sólo ojo, y los tumores no se encuentran en otros sitios. 2. En el Rb hereditario (y otros tumores debidos a supresores tumorales), uno de los alelos de Rb ya está mutado en todas las células, y con el tiempo la probabilidad de que el alelo normal correspondiente pierda su actividad es de 100%, con la consecuente formación de un tumor. 3. En el Rb esporádico, tanto la mutación inicial como el segundo suceso deben ocurrir de la nada, lo cual hace a estos tumores menos frecuentes, y nunca son bilaterales (figura 10-18). 4. El modelo de dos golpes de Knudson explica estos resultados. Se produce un tumor cuando se producen dos sucesos en el mismo linaje celular los cuales inciden en ambas copias de un gen. Deben ocurrir dos sucesos raros para que se produzca un tumor esporádico. Sin embargo, una persona que nace con la primera mutación sólo necesita adquirir una mutación adicional para desarrollar un tumor. 5. La pérdida del alelo normal correspondiente se conoce como pérdida de heterocigosidad. Esto puede ocurrir de diversas maneras. a. No disyunción, de manera que una célula pierde el alelo Rb normal (un ejemplo de no disyunción mitótica). b. No disyunción seguida de re-replicación del cromosoma existente (ahora hay dos copias idénticas del cromosoma en la célula, ambas con la mutación Rb). c. Recombinación mitótica, de modo que la mutación Rb está presente en ambos alelos de una célula. Hereditario

Esporádico

Retinoblastoma bilateral Retinoblastoma unilateral

FIGURA 10-17. Análisis de un árbol genealógico que indica tanto Rb hereditario (arriba) como esporádico.



Capítulo 10   Genética humana básica Individuo sano normal

Retinoblastoma hereditario

Gen Rb1 mutante heredado

De manera ocasional una célula inactiva uno de sus dos genes Rb1 normales

De manera ocasional una célula inactiva su única copia del gen Rb1 normal Proliferación celular excesiva que causa retinoblastoma

377

Retinoblastoma no hereditario De manera ocasional una célula inactiva uno de sus dos genes Rb1 normales

Muy rara vez la segunda copia del gen Rb1 se inactiva en la misma célula Proliferación celular excesiva que causa retinoblastoma

Resultado: Sin tumor

Resultado: La mayoría de las personas con el gen heredado desarrolla el tumor

Sólo alrededor de 1 de cada 30 000 personas normales desarrolla el tumor

FIGURA 10-18. Ilustración de la manera en que las mutaciones del gen Rb pueden causar enfermedad. Note las diferencias entre la transmisión hereditaria y no hereditaria del Rb.

d. Conversión génica, un suceso que puede presentarse durante la mitosis (aunque es más común en la meiosis) y en la cual la información genética de un cromosoma se transfiere al otro cromosoma; en este caso, se copia el alelo Rb mutante y se sustituye el alelo Rb silvestre en el cromosoma correspondiente. e. Una deleción del alelo Rb funcional del cromosoma correspondiente. f. Una mutación puntual en el alelo Rb funcional, de modo que se hace no funcional. 6. Si bien se eligió el Rb como ejemplo, los principios anteriores de aplican a todos los genes supresores tumorales (como p53, APC, BRCA1, BRCA2, NF1 [neurofibromas] y NF2 [neuromas acústicos], WT1 [tumor de Wilms] y p16 [puede causar melanomas]).

Autoevaluación Instrucciones: las preguntas o enunciados incompletos de esta sección van seguidos de respuestas o conclusiones de los enunciados. Seleccione la opción que mejor corresponda en cada caso. Todas las preguntas tienen el formato USMLE. 1.  A una mujer embarazada de 40 años le preocupan mucho las posibles anomalías cromosómicas en su feto. Se le somete a amniocentesis y se demuestra que el producto tiene el cariotipo 47 XXX. ¿Cuál de los siguientes es el resultado más probable del embarazo?

(A) Una niña con fenotipo normal (B) Un niño con fenotipo normal (C) Dado que las trisomías casi siempre son letales, ocurrirá un aborto espontáneo

(D) Dado que las trisomías casi siempre son letales, el embarazo culminará con un mortinato (E) Dado que las trisomías casi siempre son letales, el bebé morirá poco después de nacer

2.  Un hombre de 27 años se somete a estudios por lo que parece ser un trastorno feminizante, ya que es alto y tiene vello facial ralo, testículos pequeños y ginecomastia. También tiene coordinación deficiente y problemas de lenguaje y lectura. Durante los estudios se descubre que su cariotipo es anormal. ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor la causa de dicho cariotipo?

(A) Repetición de trinucleótidos (B) No disyunción (C) Mutación puntual (D) Transposición (E) Deleción 3.  Una adolescente de 16 años tiene hambre constante, obesidad, ojos almendrados, estrabismo, retardo mental y retraso del desarrollo puberal. ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor la causa de esta anomalía cromosómica?

(A) Repetición de trinucleótidos (B) No disyunción (C) Mutación puntual

378

(D) Transposición (E) Deleción Las preguntas 4 y 5 se basan en el caso que sigue: Una mujer de 20 años se somete a estudios de infertilidad. Nunca ha experimentado un periodo menstrual. Tiene baja estatura, tórax amplio, membranas en el cuello e implantación baja de las orejas. Se demuestra que su cariotipo es anómalo.

4.  ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor la causa de esta anomalía genética?

(A) Trisomía (B) Monosomía (C) Repetición de trinucleótidos (D) Transposición (E) Mutación puntual 5.  La causa del cariotipo anómalo de la mujer es: (A) (B) (C) (D) (E) (F)

No disyunción materna No disyunción paterna No disyunción materna y paterna No disyunción materna o paterna Transposición recíproca Transposición robertsoniana

Las preguntas 6 y 7 se basan en el caso que sigue: Un hombre de 22 años tiene cara alargada, frente amplia, orejas, mandíbula y testículos grandes, autismo, retraso del habla y el lenguaje y asterixis. Su única hermana es normal, excepto por presentar timidez extrema.

6.  ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor la base de esta anomalía cromosómica?

(A) Autosómica dominante (B) Codominante (C) Autosómica recesiva



Capítulo 10   Genética humana básica

(D) Repetición de trinucleótidos (E) Herencia mitocondrial 7.  El patrón fenotípico del trastorno de este hombre se describe mejor como:

(A) Expresividad completa (B) Expresividad variable (C) Efecto de dosificación génica (D) Homoplasmia (E) Heteroplasmia 8.  Durante los estudios médicos de rutina para actividades deportivas (carrera de fondo) se descubre que un hombre de 19 años tiene hiperglucemia en ayuno (alrededor de 7.5 mM). Las mediciones de péptido C e insulina indican valores cercanos a los normales en condiciones de ayuno. Después de comer, la glucemia sólo se eleva un poco con respecto a lo normal en ayuno antes de estabilizarse en los valores de ayuno. El estudiante indica que no orina ni bebe agua en exceso, pero recuerda que su madre tuvo diabetes gestacional cuando estaba embarazada de él. Este trastorno en la homeostasis de la glucosa se tipifica mejor en el siguiente tipo de herencia:

(A) Autosómica dominante (B) Autosómica recesiva (C) Ligada al sexo (D) Mitocondrial (E) Multifactorial 9.  Un hombre de 35 años, leñador y político de Illinois, es muy alto y delgado y tiene aracnodactilia, tórax en embudo, paladar alto y arqueado, luxación del cristalino e insuficiencia aórtica. Su esposa tiene estatura y peso normales y no presenta ninguno de los síntomas del hombre. ¿Cuál es la probabilidad de que uno de sus hijos presente características similares a las del padre?

(A) (B) (C) (D) (E)

100% 75% 50% 25% 0%

10.  Una mujer de 32 años ha presentado múltiples trombosis venosas profundas y embolias pulmonares, en especial durante sus embarazos. Recibe tratamiento a largo plazo con warfarina. Su padre murió de

379

embolia pulmonar después de una cirugía para desprendimiento de retina. Ninguno de sus tres hermanos y de sus dos hijos ha tenido problemas de coagulación. ¿Cuál de los siguientes patrones de herencia tipifica mejor este problema genético?

(A) Autosómico dominante (B) Autosómico dominante incompleto (C) Codominante (D) Autosómico recesivo (E) Ligado al sexo Las preguntas 11 y 12 se basan en el caso que sigue: El sueño de toda la vida de un joven de 22 años fue convertirse en un piloto de combate de la US Air Force. Aprobó sin problemas su examen de la vista, pero no así la porción en color del cartel de Snellen estándar.

11.  ¿Cuál es la probabilidad de que el hermano del sujeto tenga el mismo problema?

(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

100% 75% 67% 50% 33% 25% 0%

12.  Si el paciente anterior se casa con una mujer saludable y tiene un hijo y una hija, ¿cuál de los siguientes patrones de herencia se presentará?

(A) El hijo será daltónico y la hija será normal

(B) La hija será daltónica y el hijo será normal

(C) Ambos hijos serán daltónicos (D) El hijo será portador y la hija será normal

(E) La hija será portadora y el hijo será normal Las preguntas 13 y 14 se basan en el caso que sigue: Un hombre afroamericano de 20 años acude al SU con dolor intenso de abdomen, espalda baja y costillas. Toda la vida ha tenido episodios similares. Los análisis de sangre revelan anemia microcítica hipocrómica intensa. Un frotis de sangre periférica muestra eritrocitos

380

Bioquímica, biología molecular y genética

de forma anómala, y la electroforesis de la hemoglobina confirma la anomalía.

13.  ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor este defecto genético?

(A) Repetición de trinucleótidos (B) Mutación puntual (C) Trisomía (D) Deleción (E) Transposición 14.  Si el paciente anterior procrea con una mujer que tiene genes de hemoglobina normales, ¿cuál de los siguientes patrones de herencia se presentará?

(A) Todos los hijos tendrán la enfermedad (B) (C)

(D) (E)

del padre, y todas las hijas serán portadoras Todos los hijos e hijas tendrán la enfermedad del padre Todos los hijos e hijas serán portadores de la enfermedad (tienen el gen mutante, pero no expresan el fenotipo de la enfermedad) Todos los hijos e hijas tendrán hemoglobina normal, como la madre Todas las hijas tendrán la enfermedad del padre, y todos los hijos serán portadores

15.  A un hombre de 35 años que no fuma se le diagnostica enfisema. Su padre murió de esta enfermedad a los 30 años, pero él fumaba. El padre también tenía cirrosis y pancreatitis recurrente aunque no bebía alcohol. ¿Cuál de los siguientes patrones de herencia tipifica este proceso patológico?

(A) Autosómico dominante (B) Dominancia incompleta (C) Codominante (D) Autosómico recesivo (E) Ligado al sexo Las preguntas 16 a 18 se refieren al caso que sigue: Un hombre de 22 años informa a su oftalmólogo que perdió la parte central de la visión en el ojo derecho por una semana, y dos semanas después le ocurrió en el ojo izquierdo. Tiene dos hermanos mayores que experimentaron lo mismo a los 21 y 23 años, y también una hermana mayor que tuvo los mismos problemas oculares a partir de los 24 años.

16.  ¿Cuál de las siguientes opciones tipifica la herencia de este tipo de defecto genético?

(A) Autosómica dominante (B) Autosómica recesiva (C) Ligada al sexo (D) Mitocondrial (E) Repetición de trinucleótidos 17.  Si el paciente tiene hijos, ¿cuál de los siguientes patrones se presentará?

(A) Todos sus hijos tendrán la enfermedad

(B) Ninguno de sus hijos tendrá la enfermedad

(C) Sólo los hombres tendrán la enfermedad

(D) Sólo las mujeres tendrán la enfermedad

(E) Todos sus hijos serán portadores de la enfermedad

18.  Si la hermana del paciente tiene hijos, ¿cuál de los siguientes patrones se presentará?

(A) Todos sus hijos tendrán la enfermedad

(B) Ninguno de sus hijos tendrá la enfermedad

(C) Sólo los hombres tendrán la enfermedad

(D) Sólo las mujeres tendrán la enfermedad (E) Todos sus hijos serán portadores de la enfermedad Las preguntas 19 a 21 se basan en el caso que sigue: Un niño de un año ha sido hospitalizado dos veces a causa de infecciones pulmonares, a menudo tuvo sibilancias y disnea, y presenta retraso en el aumento de estatura y peso, a pesar de su muy buen apetito. Una prueba posterior revela que su sudor contiene concentraciones elevadas de iones cloruro.

19.  El patrón de herencia de este trastorno es: (A) Autosómico dominante (B) Autosómico recesivo (C) Recesivo ligado al sexo (D) Dominante ligado al sexo (E) Mitocondrial (F) Multifactorial 20.  Si la frecuencia de individuos afectados por esta enfermedad es de 1 en 2 500 en una

población específica, ¿cuál es la frecuencia de portadores en esa población?

(A) (B) (C) (D) (E)

I

1 en 10 1 en 25 1 en 50 1 en 100 1 en 1 250

1

2

1

2

1

fenotipo normal. ¿Cuál es la probabilidad de que ella sea portadora de la enfermedad? 100% 75% 67% 50% 33% 25% 0%

Las preguntas 22 y 23 se basan en el caso que sigue: Una pareja no ha podido llevar un embarazo a término. Han experimentado tres abortos espontáneos en los últimos dos años y quieren comprender cuál podría ser el problema.

22.  La pareja debe someterse a la siguiente prueba inicial:

(A) (B) (C) (D)

Análisis del cariotipo de la mujer Análisis del cariotipo del hombre Análisis del cariotipo de ambos Estudio FISH de la mujer con sondas específicas de cromosoma (E) Estudio FISH del hombre con sondas específicas de cromosoma (F) Estudio FISH de ambos con sondas específicas de cromosoma

23.  Los abortos muy probablemente se Múltiples cromosomas X Monosomías autosómicas Trisomías autosómicas Monosomías o trisomías autosómicas (E) Trisomía 21 (F) Falta del cromosoma Y

24.  La familia del árbol genealógico mostrado tiene un miembro con una enfermedad autosómica recesiva. Suponiendo que se trata de un trastorno raro, ¿cuál es la probabilidad de que el individuo III-1 sea un portador del alelo mutante?

2

3

III (A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

100% 75% 67% 50% 33% 25% 0%

25.  ¿Cuál de las siguientes observaciones descartaría un rasgo ligado al sexo en el árbol genealógico de una familia extendida?

(A) Expresión de la enfermedad en hombres (B) Expresión de la enfermedad en mujeres (C) Transmisión de la enfermedad de mujer a hombre

(D) Transmisión de la enfermedad de hombre a hombre

(E) La enfermedad no se presenta en algunas generaciones del árbol genealógico

26.  Considérese el árbol genealógico mostrado, en el cual los individuos afectados expresan una enfermedad autosómica recesiva rara. ¿Cuál es la probabilidad de que el hijo en gestación de la pareja exprese la enfermedad?

debieron a:

(A) (B) (C) (D)

3

II

21.  El niño de un año tiene una hermana con

(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

381

Capítulo 10   Genética humana básica

1

I

II III IV V

1

2

2

3

3

4

1

2

1

2

?

1

4

5

382 (A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

Bioquímica, biología molecular y genética

(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

1y2 1y4 1y8 1y16 1y32 1y64 1y128

31.  Una pareja de alrededor de 35 años ha

Las preguntas 27 a 30 se basan en el siguiente árbol genealógico: 1

I

1

II

2

2

1

3

2

3

4

5

4

5

III 1

2

3

4

IV 27.  ¿Cuál es la manera de transmisión más probable de esta enfermedad?

(A) Autosómico recesivo (B) Autosómico dominante (C) Mitocondrial (D) Recesivo ligado al sexo (E) Dominante ligado al sexo 28.  ¿Cuál es la probabilidad de que el individuo III-5 sea portador de la enfermedad?

(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

0% 25% 33% 50% 67% 75% 100%

0% 25% 33% 50% 67% 75% 100%

29.  ¿Cuál es la probabilidad de que el

tenido dos hijos y una hija. Un niño y la niña tienen sordera grave, pero el otro niño tiene sólo déficit auditivo leve. El padre tiene audición normal, pero la madre utiliza un auxiliar auditivo del lado derecho. El hermano de la madre también tiene déficit auditivo, pero sus tres hijos son normales. Un probable modo de herencia de este trastorno es:

(A) Autosómico recesivo (B) Autosómico dominante (C) Dominante ligado al sexo (D) Recesivo ligado al sexo (E) Mitocondrial (F) Expansión por repetición de tripletes 32.  Una familia en particular tiene un trastorno recesivo ligado al sexo. Usando como marcador el alelo de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa, que contiene dos formas polimórficas, A y B, se determina el genotipo de todos los miembros del árbol genealógico en busca del alelo A, el B o ambos. Considerando el árbol genealógico mostrado, ¿cuál es la probabilidad de que el individuo IV-1 exprese esta enfermedad? 1

I AA

1

II

0% 25% 33% 50% 67% 75% 100%

30.  ¿Cuál es la probabilidad de que el individuo II-3 sea portador de la enfermedad?

A

2

1

AA

2

3

III AB

A 1

IV (A) 100% (B) 75%

A

3

B

AA

individuo IV-3 sea portador de la enfermedad?

(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G)

2

A



Capítulo 10   Genética humana básica

(C) 50% (D) 25% (E) 0% 33.  La frecuencia génica para una enfermedad recesiva ligada al sexo es de 1 en 1 000 en la población general. ¿Cuál es la frecuencia de hombres afectados en esta población?

(A) (B) (C) (D) (E)

1 en 10 1 en 100 1 en 500 1 en 1 000 1 en 2 000

34.  La frecuencia de la anemia drepanocítica en la población afroamericana es de 1 en 400. ¿Cuál es la frecuencia del estado de portador en esta población?

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

383

1 en 5 1 en 10 1 en 20 1 en 40 1 en 50 1 en 100

35.  Una mujer con fenotipo normal se somete a un análisis del cariotipo por dificultades para concebir. Se descubre que tiene tres cuerpos de Barr, pero no transposiciones ni grandes deleciones. Su cariotipo se representaría mejor como sigue:

(A) (B) (C) (D) (E)

48 XXXXY 46 XX 48 XXXX 48 XXXY 48 XXYY

Respuestas 1. La respuesta es A. El bebé nacerá de una mujer con fenotipo normal, ya que se inactivarán dos cromosomas X por célula, y se convertirán en cuerpos de Barr. De esta manera, durante el desarrollo del feto no se presentarán efectos de dosificación génica. No hay cromosoma Y, por lo que el bebé no será hombre. Las trisomías de cromosomas autosómicos son letales excepto por las trisomías 21, 18 y 13. Sin embargo, las polisomías del cromosoma X pueden ser asintomáticas.

2. La respuesta es B. Este paciente tiene síndrome de Klinefelter o 47 XXY. Este trastorno se debe a no disyunción de los cromosomas X en el óvulo, que luego se combinan con un cromosoma Y durante la fecundación, o en el espermatozoide, en cuyo caso un espermatozoide XY se combina con un óvulo que porta un cromosoma X. Aunque uno de los cromosomas X se convertirá en un cuerpo de Barr, los hombres con el cariotipo 47 XXY tienen baja concentración de testosterona en comparación con los hombres que son 46 XY. Si bien no todos los individuos tienen síntomas, los descritos en la pregunta son los síntomas clásicos del síndrome de Klinefelter. Repeticiones de trinucleótidos, mutaciones puntuales, transposiciones o deleciones no causarán el genotipo 47 XXY. Éste sólo puede ocurrir por un evento de no disyunción en la formación de los óvulos de la madre o los espermatozoides del padre. El evento de no disyunción que conduce al genotipo 47 XXY al parecer se presenta con la misma frecuencia entre la madre y el padre.

3. La respuesta es E. Esta paciente tiene el fenotipo clásico del síndrome de Prader–Willi, que es causado por la herencia de una deleción parcial (microdeleción) del cromosoma 15 del padre. Los alelos maternos correspondientes en las regiones eliminadas se han improntado, y algunos se han inactivado, lo que causa pérdida de expresión génica y el fenotipo que se observa en la paciente.

4. La respuesta es B. Esta paciente tiene síndrome de Turner o 45 XO. Carece de un segundo cromosoma sexual (X). No tiene cuerpo de Barr y es estéril. Su fenotipo es femenino.

5. La respuesta es D. La monosomía X (síndrome de Turner) puede deberse a no disyunción materna (se crea un óvulo que carece de un cromosoma X, mientras que otro óvulo tiene dos cromosomas X) o a no disyunción paterna (un espermatozoide carece del cromosoma X, mientras que otro espermatozoide contiene tanto el cromosoma X como el Y). El síndrome de Turner no es causado por eventos de transposición, ya sea recíproca o robertsoniana (recuérdese que las transposiciones robertsonianas sólo ocurren entre cromosomas acrocéntricos, y el cromosoma X no es acrocéntrico).

6. La respuesta es D. El paciente tiene síndrome de cromosoma X frágil, el trastorno de retardo mental hereditario más común en hombres. Hay una repetición de trinucleótido en el gen FMR1 (en la región 5’ no traducida) del cromosoma X. A más repeticiones, más graves los signos y síntomas. Los hombres son afectados con mayor gravedad que las mujeres (con sólo un cromosoma X), y muchas mujeres con cromosoma X frágil lucen asintomáticas excepto por timidez excesiva (interacciones sociales torpes). El síndrome de cromosoma X frágil debe su nombre a que ese cromosoma se rompe en la región antes mencionada cuando las células se cultivan en un medio deficiente en folato.

7. La respuesta es B. El síndrome de cromosoma X frágil, que es el trastorno que el paciente presenta, exhibe expresividad variable según el número de repeticiones heredadas. Algunos hombres son asintomáticos, pero el nieto de un hombre asintomático puede presentar expresión completa del trastorno (recuérdese que los hombres no pueden transmitir un cromosoma X a sus hijos, sólo a sus hijas). Aunque la anomalía esté presente, es posible que el individuo no exhiba características de la enfermedad. En caso de expresión completa, todo aquél que tenga anomalías genéticas mostrará el espectro completo del proceso patológico (100% de penetrancia y expresividad). Homoplasmia y heteroplasmia son términos usados en herencia mitocondrial. La heteroplasmia se refiere al hecho de que algunas mitocondrias contienen genomas normales, y otras, genomas mutantes. La homoplasmia se refiere al hecho de que todas las mitocondrias contienen el mismo

384



Capítulo 10   Genética humana básica

385

genoma. El término dosis génica alude a la expresión de demasiados genes, como en las trisomías, lo cual no ocurre en trastornos por repetición de tripletes.

8. La respuesta es A. El paciente exhibe los signos de la diabetes juvenil de inicio en la madurez (MODY), que puede deberse a una mutación en el gen de la glucocinasa pancreática, por lo que su Km aumenta. El incremento de Km para la glucocinasa haría que la glucosa sólo se metabolizara a concentraciones mayores de lo normal. Una vez que la glucosa se metaboliza en las células β del páncreas, y que los valores de ATP aumentan, puede liberarse insulina. La mutación de la glucocinasa hace que la liberación de insulina ocurra a concentraciones de glucosa mayores de lo normal. La madre también expresa el gen mutante de la glucocinasa. Durante el embarazo, el efecto de las hormonas placentarias tiende a inhibir la acción de la insulina, y en una madre con MODY, en la cual la insulina no se libera de manera adecuada debido a la mutación de la glucocinasa, la glucemia aumenta de manera significativa durante el embarazo, lo cual ocasiona diabetes gestacional. La MODY, en términos de la mutación de la glucocinasa, se transmite de manera autosómica dominante.

9. La respuesta es C. El sujeto tiene el fenotipo de un individuo con síndrome de Marfan, que se hereda con patrón autosómico dominante. La mutación está en la proteína fibrilina, que es una glucoproteína presente en fibras elásticas de tejido conectivo. Dado que se trata de un trastorno autosómico dominante, el hombre tiene probabilidad de uno de cada dos (50%) de transmitir la mutación a sus hijos.

10. La respuesta es B. La paciente tiene factor V Leiden, que es el trastorno hipercoagulable hereditario más común en Estados Unidos. Los individuos que heredan una copia de esta mutación (heterocigotos) están en mayor riesgo de coagulación, pero ese riesgo es menor que el de alguien que sea homocigótico para la mutación. Así, el alelo mutante no tiene dominancia completa (dado que el estado homocigótico aumenta los riesgos de la coagulación), y se denomina dominancia incompleta. No todos quienes heredan sólo un alelo mutante desarrollan un problema de la coagulación. La codominancia implicaría dos mutaciones del gen (de los cuales cualquiera o ambos producirían el proceso patológico). El gen mutante para el factor V Leiden no está en el cromosoma X o el Y, así que el trastorno no está ligado al sexo. Así que una persona que hereda sólo un alelo mutante puede expresar síntomas de la enfermedad, el proceso de herencia no es autosómico recesivo.

11. La respuesta es D. Rojo y verde son los colores estándares de un cartel de Snellen, y se usan para detectar el daltonismo o “ceguera para el color” más común en hombres jóvenes, que es la ceguera para los colores rojo y verde. Éste es un rasgo recesivo ligado al sexo. Las mujeres pueden ser portadoras sin problemas de percepción de colores, pero pueden tener ceguera para los colores rojo y verde si son homocigotas para la mutación. La mitad de los hijos hombres de una mujer portadora serán normales y la mitad tendrán ceguera para rojo y verde. Ninguno de los hijos de un hombre afectado tendrá el problema, pero todas sus hijas serán portadoras. La madre de la persona en cuestión es portadora de la ceguera a los colores rojo y verde, y tendría probabilidad de 50% de transmitir el alelo mutante de uno de sus cromosomas X al hermano del paciente.

12. La respuesta es E. La ceguera para los colores rojo y verde es un trastorno recesivo ligado al sexo. El hombre que tiene la enfermedad transmitirá su cromosoma X (con la mutación) a su hija, que entonces será portadora del trastorno (dado que el cromosoma X heredado de la madre contiene un alelo normal). El padre transmite su cromosoma Y a su hijo, quien hereda su cromosoma X de su madre, por lo que no hereda la mutación y será normal en cuanto a discriminar los colores rojo y verde.

13. La respuesta es B. La anemia drepanocítica se debe a una mutación puntual en el gen de la ca-

dena de la β-globina de la hemoglobina, en la que un ácido glutámico es sustituido por valina en la sexta posición (E6V). En condiciones de desoxigenación, la valina en esta posición puede ejercer interacciones hidrófobas con otra molécula de hemoglobina desoxigenada, que lleva a la polimerización de la hemoglobina en la célula. El largo polímero de hemoglobina altera la forma del eritrocito, y ocasiona la pérdida de su elasticidad, con la consecuencia de hemólisis y sedimentación. La forma alterada (de hoz) de las células impide su entrada en los capilares, con el resultado de crisis vasooclusivas y los síntomas típicos observados durante una crisis drepanocítica. Se trata

386

Bioquímica, biología molecular y genética de una enfermedad autosómica recesiva, y la probabilidad de que dos portadores tengan un hijo afectado con anemia drepanocítica es de 25%.

14. La respuesta es C. Dado que el padre tiene dos genes de hemoglobina mutantes (sus dos genes

de β-globina contienen la mutación E6V) y su pareja tiene dos genes de β-globina normales, toda la descendencia tendrá un gen normal y uno drepanocítico y, por lo tanto, todos serán portadores (los hijos tendrán el rasgo drepanocítico). Ya que se trata de un rasgo autosómico recesivo y no uno ligado al sexo, el sexo de la descendencia es irrelevante.

15. La respuesta es C. La deficiencia de α-1 antitripsina (A1AT) es codominante. La codominancia significa que múltiples versiones del gen pueden ser activas o expresarse, y el rasgo genético se debe a los efectos de ambos alelos expresados. El gen SERPINA1, en el cromosoma 14, codifica A1AT, una proteína que protege los tejidos (en especial los pulmones) contra la elastasa de los neutrófilos. La A1AT se sintetiza en el hígado y se secreta en la circulación. En condiciones normales, los neutrófilos pulmonares engullen y destruyen partículas presentes en el aire inhalado. A veces, la proteasa elastasa escapa de los neutrófilos, y es inactivada por A1AT. En ausencia de A1AT funcional, la elastasa destruye las células pulmonares, y se producirá enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) en una fase muy temprana de la vida. Si el paciente fuma, el trastorno se exacerba. Una mutación común en A1AT causa plegamiento incorrecto y acumulación de la forma mal plegada e inactiva de la proteína en el hígado. Esto puede provocar cirrosis hepática y finalmente insuficiencia hepática.

16. La respuesta es D. La LHON se debe a una mutación en el genoma mitocondrial, así que su herencia se clasifica como mitocondrial. Todas las mitocondrias se heredan de la madre, puesto que las mitocondrias de los espermatozoides no entran en el óvulo. Toda la descendencia de una madre afectada tendrá la enfermedad (penetrancia de 100%), aunque la expresividad es muy variable según el grado de heteroplasmia exhibido por cada hijo. Los hombres no pueden transmitir enfermedades mitocondriales.

17. La respuesta es B. La enfermedad es un trastorno mitocondrial, LHON. Las enfermedades mitocondriales se heredan de la madre, ya que todas las mitocondrias del embrión en desarrollo provienen del óvulo, y ninguna del espermatozoide. Puesto que el paciente es un hombre, ninguna de sus mitocondrias mutantes entrará en el óvulo, y ninguno de sus hijos expresará la enfermedad, ni será portador de ella.

18. La respuesta es A. Como el paciente tiene un trastorno mitocondrial (que heredó de su madre), su hermana tiene la misma enfermedad. Al ser mujer, transmitirá mitocondrias mutantes a todos sus hijos e hijas, que expresarán el trastorno.

19. La respuesta es B. El niño tiene los síntomas clásicos de la FQ, un trastorno autosómico recesivo. La prevalencia de la FQ en la población del norte de Europa es de 1 en 2 500, con frecuencia de portadores de 1 en 25. La proteína mutante es la FQTR, que regula el transporte de cloruro a través de las membranas. La desecación del conducto pancreático reduce la cantidad de secreciones del páncreas que llegan al intestino, lo cual ocasiona los problemas digestivos de los pacientes con FQ.

20. La respuesta es B. Usando el equilibrio de Hardy–Weinberg, q2 (la frecuencia de la enfermedad) es igual a 1 en 2 500, así que q es igual a 1 en 50. La frecuencia del estado de heterocigoto (portador) es 2pq (q es 1 en 50, y p es muy cercano a 1), o 1 en 25. La enfermedad del niño es FQ, y las frecuencias poblacionales son las de individuos con ancestros en el norte de Europa.

21. La respuesta es C. Un hermano de un individuo afectado, en quien la enfermedad se debe a transmisión autosómica recesiva, tiene probabilidad de dos de cada tres de ser un portador. La distribución alélica a partir de los progenitores da por resultado cuatro posibilidades: tener la enfermedad, ser homocigótico para el alelo tipo silvestre, y dos posibles maneras de ser un portador (heredar el alelo variante de la madre o del padre). Dado que la hermana no expresa la enfermedad, tiene dos probabilidades de ser portadora y una de ser homocigótica normal, o sea probabi­ lidad de dos de cada tres de portar el alelo mutante.

22. La respuesta es C. Es muy probable que uno de los miembros de la pareja tiene una transposición, que causa la formación de gametos anómalos en términos de número cromosómico durante



Capítulo 10   Genética humana básica

387

la meiosis. El estudio FISH puede no detectar transposiciones y no sería capaz de detectar este problema. Una transposición cromosómica en cualquiera de los progenitores (recíproca o robertsoniana) puede causar los problemas de concepción que la pareja experimenta.

23. La respuesta es D. Las transposiciones causarían problemas durante la meiosis, lo cual haría que los gametos carecieran de un cromosoma (o una porción de un cromosoma) o adquirieran un cromosoma adicional (o una porción de él). Esto provocaría monosomías o trisomías autosómicas después de la fecundación, la mayoría de las cuales son incompatibles con la vida y causan el final temprano del embarazo. Se toleran múltiples cromosomas X, y no causarían la terminación del embarazo. La trisomía 21 ocasiona el síndrome de Down, que es compatible con la vida y no causa aborto prematuro. La falta del cromosoma Y daría por resultado un producto del sexo femenino, no la terminación del embarazo.

24. La respuesta es E. El individuo II-3 no contribuye a este cálculo, ya que es externo a la familia, y la enfermedad es rara en la población, de modo que su riesgo de ser portador es muy bajo. La probabilidad de que el individuo II-2 sea un portador es de 2y3, y es la hija no afectada de un individuo afectado. Hay una probabilidad de 50% de que II-2 transmita el alelo mutante a su hijo hombre ­(III-1), de manera que la probabilidad de que III-1 herede este alelo es de 2y3 3 1y2, o 1y3 (33%).

25. La respuesta es D. Los rasgos ligados al sexo se transmiten vía el cromosoma X. Los hombres transmiten su cromosoma Y a sus hijos, y su cromosoma X a sus hijas. Así, un hombre afectado no puede transmitir un alelo X mutante a su hijo hombre, por lo que la presencia de una transmisión de hombre a hombre en un árbol genealógico elimina categóricamente la transmisión vía cromosoma X como el patrón genético de herencia.

26. La respuesta es F. La probabilidad de que el individuo II-2 transmita el alelo mutante a III-1 es de 50%, y la probabilidad de que III-1 transmita el alelo mutante a IV-1 también es de 50%. La probabilidad de que IV-1 haya transmitido el alelo mutante a V-1 es de 50%, por lo que la probabilidad global de que el alelo enfermo en II-2 se transmita a V-1 es de 1y8. Lo mismo es válido para las probabilidades de que II-4 transmita a III-2, a IV-2 y a V-1. Para que V-1 exprese la enfermedad, todos estos eventos deben ocurrir, de modo que hay una probabilidad de 1y64 de que V-1 exprese el trastorno (1y8 3 1y8).

27. La respuesta es D. Éste es un ejemplo de enfermedad recesiva ligada al sexo. Sólo los hombres expresan la enfermedad, y obtuvieron el alelo mutante de sus madres, quienes no la expresan (así que no puede tratarse de un trastorno dominante ligado al sexo). También se observa que determinadas generaciones pueden no ser afectadas, pero que el gen todavía se transmite en el árbol genealógico vía los miembros del sexo femenino de la familia.

28. La respuesta es A. Ya que es un trastorno recesivo ligado al sexo, cualquier hombre que tenga el alelo mutante expresará la enfermedad, y no sería un portador de la enfermedad. Puesto que el individuo III-5 no expresa la enfermedad, no porta el alelo mutante, y no puede transmitirlo a sus hijas.

29. La respuesta es G. El padre del individuo IV-3 tiene la enfermedad, y la ha transmitido en su cromosoma X (que porta el alelo mutante) a sus hijas. La hija no expresa la enfermedad porque también porta un alelo normal que heredó de su madre. Todas las hijas de padres con trastornos ligados al sexo serán portadoras de la enfermedad.

30. La respuesta es D. Ya que los individuos IV-1 y III-4 expresan la enfermedad, sus madres (III-2 y II-4) deben ser portadoras. El III-2 también debe haber adquirido el alelo de la enfermedad de su madre, II-2. El II-3 es la hermana de II-2 y de II-4, y habría tenido una probabilidad de 50% de heredar el alelo mutante de su madre, I-2.

31. La respuesta es E. Éste es un ejemplo de herencia mitocondrial en el que toda la transmisión ocurre desde la mujer (todos los hijos de una mujer afectada exhiben el rasgo, con expresividad variable), y un órgano que utiliza energía de manera intensiva es afectado con mayor gravedad. El antecedente familiar indica que no ocurre la transmisión masculina del trastorno (el hermano de la madre), y es evidente la expresividad variable debido al grado de heteroplasmia heredado por cada hijo.

32. La respuesta es C. Los alelos para la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa permiten rastrear los cromosomas X en el árbol genealógico, y determinar las probabilidades de que alguien haya

388

Bioquímica, biología molecular y genética heredado el alelo X que causa la enfermedad. Al analizar al individuo III-3, que tiene el trastorno, es posible determinar que una forma polimórfica “A” de la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa viaja con el locus de la enfermedad. El III-1 heredó su alelo “A” de su madre (II-1), la cual tiene dos alelos “A”, uno en cada cromosoma X. Ya que no se sabe cuál de los cromosomas X de II-1 contiene el alelo mutante, II-1 tiene 50% de probabilidad de transmitir el cromosoma X con el alelo mutante a su hija, III-1 (el alelo “B” en III-1 provino de su padre). Cuando III-1 y III-2 tienen su hijo, IV-1, el alelo “A” de IV-1 debe provenir de la madre, ya que el padre transmitió el cromosoma Y a IV-1, y no su cromosoma X. Éste es el mismo cromosoma que tiene 50% de probabilidad de portar la mutación, así que hay 50% de probabilidad de que IV-1 exprese el trastorno.

33. La respuesta es D. Si la frecuencia de la enfermedad en la población es de 1 en 1 000, y el trastorno es ligado al sexo, eso significa que de cada 1 000 hombres, uno estaría afectado, ya que cada hombre tiene un cromosoma X. Dado que las mujeres tienen dos cromosomas X, la frecuencia de portadores es de 1 en 500, pues 500 mujeres tendrían 1 000 cromosomas X, uno de los cuales contendría el alelo mutante.

34. La respuesta es B. Si la frecuencia de este trastorno autosómico recesivo (anemia drepanocítica)

es de 1 en 400, entonces q2 5 1y400, y q 5 1y20. La frecuencia de heterocigotos, conforme al equilibrio de Hardy–Weinberg, es 2pq, o 2 3 1 3 1y20, esto es, 1 en 10. Para los fines de este cálculo, se está considerando p, que es en realidad de 19y20, pero en términos prácticos equivale a 1.

35. La respuesta es C. Si la mujer expresa tres cuerpos de Barr, entonces tiene cuatro cromosomas X por célula, tres de los cuales se han inactivado. Esto le daría un total de 48 cromosomas, y cuatro de ellos serían cromosomas X, para un cariotipo 48 XXXX. Cualquier cariotipo con un cromosoma Y correspondería a un hombre.

Autoevaluación final Instrucciones: cada una de las preguntas numeradas de esta sección va seguida por posibles respuestas. Seleccione la opción que mejor corresponda en cada caso. 1.  Un paciente que debe perder peso comienza a comer en restaurantes de comida rápida y no modifica su nivel de actividad física. La composición de su ingesta cambia en que el consumo de carbohidratos disminuye en 50 gdía y el consumo de grasa aumenta en 50 gdía. Por lo demás, su alimentación permanece igual. ¿Qué le ocurrirá al paciente después de seguir esta dieta durante tres meses? ¿Pérdida de peso? ¿Cambio calórico en la dieta? No Sí No Sí No Sí

A B C D E F

Sin cambio Aumento de 250 kcaldía Disminución de 250 kcaldía Sin cambio Aumento de 250 kcaldía Disminución de 250 kcaldía

Las preguntas 2 y 3 se basan en el siguiente caso: Una paciente con obesidad e hipertensión requiere una dieta reductiva. Pesa 80 kg y lleva una vida sedentaria.

2.  ¿Cuál es la cantidad aproximada de calorías que la paciente consume cada día con ese peso? (A) 1 920 (B)   2 500

(C)   3 350 (D)   4 220

(E)   5 490

3.  Se recomienda a la paciente que reduzca su ingreso calórico a 10% menos del sugerido para alguien de su peso y nivel de actividad. Este cambio puede lograrse efectuando lo siguiente en su dieta: (A) Reducción del consumo de proteína en 45 gdía (B) Reducción del consumo de carbohidratos en 45 gdía

(C) Reducción del consumo de grasa en 45 gdía (D) Reducción del consumo de carbohidratos en 17.5 gdía, y el de grasa en 20 gdía

(E) Reducción del consumo de grasa en 17.5 gdía, y el de carbohidratos en 20 gdía

4.  Un paciente se somete a una dieta líquida muy baja en calorías y debe ingerir suplementos para asegurar que reciba los minerales y vitaminas esenciales para mantener la salud. En las condiciones apropiadas, ¿cuál de los siguientes compuestos puede sintetizar el cuerpo humano y no necesitaría suplementarse en el mismo grado que los otros? (A) Riboflavina (B) Ácido linoleico (C) Leucina (D) Tiamina (E) Niacina 5.  Una persona que por accidente ingiere la toxina de un moho que inhibe por completo la fosfoenolpiruvato carboxicinasa aún podría formar cantidades sustanciales de glucosa sanguínea a partir de: (A) (B) (C) (D) (E)

Reservas musculares de glucógeno Lactato producido por los eritrocitos Fructosa ingerida Galactosa ingerida Fructosa o galactosa ingeridas

6.  Una solución contiene 2 3 1023 molL de un ácido débil (pK 5 3.5) y 2 3 1023 molL de su base conjugada. El valor que más se aproxima a su pH es:

(A) 4.1 (B)   3.9

(C)   3.5 (D)   3.1

(E)   2.7

7.  El sistema del citocromo P450 hepático en

individuos normales tiene capacidad (Vm) de oxidar unos 10 nmol del fármaco X por minuto por gramo de hígado. Cuando la concentración del fármaco X en el hígado es de 2 M, se forman productos de oxidación a un ritmo de 4 nmolming de hígado. ¿Cuál es la Km del citocromo P450 para este fármaco?

(A) 4 nM (B)   5 nM

(C)   10 nM (D)   2 M

(E)   3 M

389

390

Bioquímica, biología molecular y genética

(D) La administración de tiamina al paciente

de tejido de un paciente. Las propiedades cinéticas de esta enzima y las de la misma enzima que se aísla de un individuo normal se muestran en la gráfica. ¿Cuál de los siguientes enunciados describe mejor estos resultados?

debe dar por resultado que una mayor proporción de la enzima esté en el complejo enzima activa2TPP (E) La administración de TPP reduce la Vmáx de la enzima sin alterar la Km

 9HORFLGDG

ѥPROPLQPJGHSURWHtQD ²

8.  La enzima Y se purifica a partir de una muestra

²

9.  La falta de ácido pantoténico afectaría de manera más directa la reacción catalizada por la siguiente enzima:

 3DFLHQWH  1RUPDO







 3LURIRVIDWRGHWLDPLQD





ѥPRODU ²

(A) Las enzimas tienen diferente Vmáx (B) Se requiere una menor concentración de pirofosfato de tiamina (TPP) para saturar la enzima del paciente (C) La enzima del paciente tiene Km para TPP que es menor que la de la enzima normal

(A) Citrato sintasa (B) Isocitrato deshidrogenasa (C) Succinato deshidrogenasa (D) Fumarasa (E) Malato deshidrogenasa 10.  Un luchador universitario ha ayunado durante cinco días para estar dentro del peso de su categoría en un torneo. En estas condiciones, la glucosa es el principal combustible para el siguiente tejido: (A) Músculo (B) Encéfalo (C) Hígado (D) Eritrocitos (E) Riñones

11.  ¿Cuál de las siguientes opciones describe mejor la hemoglobina A (HbA) del adulto?

A B C D E F

Número total de átomos de hierro por molécula de HbA

Tipos de subunidades

4 4 4 2 2 2

2α, 2β 2α, 2γ 2α, 2β 2α, 2γ 2α, 2β 2α, 2γ

Los protones estabilizan:

El 2,3-bisfosfoglicerato estabiliza:

Forma desoxi Forma desoxi Forma desoxi Forma oxigenada Forma oxigenada Forma oxigenada

Forma desoxi Forma oxigenada Forma desoxi Forma oxigenada Forma desoxi Forma oxigenada

Las preguntas 12 y 13 se basan en el siguiente caso: Un hombre indigente es atendido en una clínica a causa de sangrado gingival y dientes flojos. Al interrogarlo sobre su alimentación, revela que los últimos seis meses sólo ha ingerido leche con chocolate y hamburguesas de un local de comida rápida.

12.  Los síntomas del paciente se deben a: (A) Menor síntesis de fibrilina (B) Menor síntesis de colágeno (C) Menor formación de enlaces de hidrógeno en el colágeno

Tiene mayor afinidad por la unión a HbA: CO O2 CO2 CO O2 CO2

(D) Mayor formación de enlaces de hidrógeno en el colágeno

(E) Menor formación de enlaces disulfuro en el colágeno

(F) Mayor formación de enlaces disulfuro en el colágeno

13.  Debido a su alimentación, el paciente tiene deficiencia de la vitamina que sigue, lo cual causa los síntomas observados.

(A) (B) (C) (D) (E)

Vitamina A Vitamina C Vitamina B1 Vitamina B2 Vitamina B6



Autoevaluación final

391

14.  ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor los combustibles y el uso que el organismo hace de ellos después de un ayuno de una noche?

A B C D E F

El encéfalo utiliza:

Los eritrocitos utilizan:

El músculo utiliza:

Se sintetizan cuerpos cetónicos en:

Glucosa Ácidos grasos Cuerpos cetónicos Glucosa Ácidos grasos Cuerpos cetónicos

Glucosa Ácidos grasos Cuerpos cetónicos Glucosa Ácidos grasos Cuerpos cetónicos

Ácidos grasos Cuerpos cetónicos Glucosa Ácidos grasos Cuerpos cetónicos Glucosa

Músculo Encéfalo Hígado Hígado Encéfalo Músculo

15.  ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor algunos aspectos de la síntesis de proteína en las eucariotas? Aminoácido iniciador A B C D E F

Met N-formil-met Met N-formil-met Met N-formil-met

Acoplamiento de transcripción-traducción

Tamaño de los ribosomas

No No No Sí Sí Sí

80S 70S 80S 70S 80S 70S

Ocurre en: Núcleo Núcleo RER RER RER Núcleo

Las preguntas 16 y 17 se basan en la observación que sigue: Se determinó la secuencia para una porción de un gen responsable de una enfermedad por almacenamiento lisosómico (Tay-Sachs). Se muestran la secuencia génica normal y la del gen mutante. (Hay un punto sobre cada quinta base y un número sobre cada décima base.)



• 10 • 20 • Normal CGTATATCCTATGGCCCTGACCCAG Mutante CGTATATCTATCCTATGGCCCTGAC Las secuencias mostradas están en el mismo marco de lectura, comenzando con la base en el extremo 5′.

16.  La secuencia de los aminoácidos codificados

(E) Una deleción hace que se produzca una

en esta región es:

proteína casi del tamaño normal, pero en el marco de lectura incorrecto (F) Una inserción da por resultado una proteína casi del tamaño normal, pero en el marco de lectura incorrecto

(A) R-I-S-Y-G-P-D (B) A-I-S-T-G-P-P (C) D-P-G-Y-S-I-R (D) No hay secuencia, ya que la primera se­ cuencia codificadora es una señal de terminación (E) No hay secuencia, ya que la base T no se encuentra en el RNA

17.  En este caso, la enfermedad de Tay-Sachs se debe a:

(A) Una sustitución de aminoácidos conservativa en el gen mutante (B) Una sustitución de aminoácidos no conservativa en el gen mutante (C) Una proteína truncada producida por el gen mutante (D) Una proteína mucho mayor de lo normal producida por el gen mutante

18.  Un científico ha creado una línea de células eucariotas incapaz de sintetizar mRNA a 42 °C, pero con síntesis normal a 35 °C. Suponiendo que esto se debe a un cambio de una sola base en el DNA, ¿cuál de los siguientes es un posible blanco de esta mutación? (A) La RNA polimerasa muta de modo que no puede unirse directamente a la región promotora del DNA a la temperatura no permisible (B) La enzima tapadera no funciona a la tem­ peratura elevada (C) El espliceosoma ya no puede reconocer la secuencia AGGU en la unión por empalme (splice) a la temperatura más alta

392

Bioquímica, biología molecular y genética

(D) La ribonucleótido reductasa es inactiva a la

19.  ¿Cuál cambio de bases ocurre en el DNA

temperatura más alta (E) TFIID contiene una mutación en una de sus proteínas, de modo que no se une al DNA

a la temperatura más alta que al final causará mutaciones y la muerte celular?

Las preguntas 19 y 20 se refieren al siguiente experimento: Se creó una línea de células con sensibilidad variable a la temperatura, en la cual se observa que cuando las células se colocan a la temperatura no permisible se desarrollan durante dos o tres generaciones, y luego dejan de proliferar y mueren. Un análisis del DNA de las células cultivadas a la temperatura más alta indica una concentración significativa de uracilo en el DNA, que no estaba presente en las células cultivadas a la menor temperatura (permisible).

(A) (B) (C) (D) (E)

A:T a T:A C:G a T:A T:A a C:G G:C a C:G A:U a C:G

20.  La enzima con mayor probabilidad defectuosa a la temperatura no permisible es:

(A) Ligasa (B) DNA polimerasa (C) Transcriptasa inversa (D) Una endonucleasa (E) Una glucosilasa

21.  Se determina la secuencia de una sección del DNA de un individuo con una enfermedad autosómica recesiva para determinar la naturaleza de la mutación. Se usan dos enzimas de restricción, Kpn1, con una secuencia de reconocimiento de secuencia de GGTACC, y EcoR1, con una secuencia de reconocimiento de GAATTC. En estudios previos se demostró que el gen mutante presenta un polimorfismo de longitud de los fragmentos de restricción el cual permitió desarrollar una prueba diagnóstica. ¿Cuál de las siguientes opciones refleja mejor los datos mostrados en la figura?

Enzima de restricción con la que se crean los fragmentos para la secuenciación A B C D E

Kpn1 EcoR1 Kpn1 EcoR1 Kpn1

Enzima de restricción que crea el polimorfismo EcoR1 EcoR1 EcoR1 Kpn1 Kpn1

El DNA de esta muestra es la muestra mutante 2 2 1 1 1



Autoevaluación final

22.  Un investigador ha desarrollado una línea

de células procariotas que no se dividen a 42 °C, sino a 35 °C. En un análisis del DNA celular a la temperatura no permisible se encuentra un gran número de ácidos nucleicos monocatenarios cortos consistentes en RNA y DNA. También se encontró DNA monocatenario mucho más largo. La enzima mutante es con mayor probabilidad:

(A) (B) (C) (D) (E)

DNA ligasa DNA polimerasa I DNA polimerasa II DNA primasa DNA girasa

(A) (B) (C) (D) (E) (F) (G) (H)

393

Glucólisis hepática Glucólisis muscular Gluconeogénesis hepática Gluconeogénesis muscular Glucogenólisis hepática Glucogenólisis muscular Vía de las pentosas fosfato hepática Vía de las pentosas fosfato eritrocítica

24.  Por accidente, un individuo ingiere una sobredosis de suplementos que contiene ácido clorogénico, una sustancia que inhibe la glucosa-6-fosfatasa. Después de un ayuno de toda la noche, este individuo, comparado con una persona sana, exhibirá lo siguiente:

23.  Una estudiante, preocupada por sus exámenes, no ha comido en 48 h; sin embargo, su glucemia aún se encuentra en los valores normales de ayuno. En este momento, la glucosa sanguínea es producida por la siguiente vía:

(A) (B) (C) (D) (E)

Aumento de la gluconeogénesis Aumento de la glucogenólisis Aumento del glucógeno hepático Aumento de la glucemia Disminución de los ácidos grasos séricos

25.  Para determinar el padre genético de un niño (C), se realiza una prueba de laboratorio basada en un polimorfismo de longitud de los fragmentos de restricción (RFLP, restriction fragment length polymorphism) en una región corriente arriba de un gen conocido. Esta región contiene una cantidad variable de repeticiones en tándem (CVRT). En consecuencia, HpaI produce fragmentos de restricción que difieren en tamaño. Se muestra el mapa de fragmentos de restricción.

$

+SD

+SD

*HQFRQRFLGR

&957

%

0

&

)

)

)

    

El DNA, extraído de un niño (C), de la madre (M) y de tres hombres (F1, F2 y F3), se digirió con HpaI y se sometió a electroforesis. Se usó una sonda que se hibridaba con el gen conocido, de modo que sólo se visualizaran bandas que contuvieran este gen. Se muestra el gel. Los números a la izquierda se refieren al tamaño en pares de kilobases (kb) de los fragmentos de restricción de HpaI que se unieron a

394

Bioquímica, biología molecular y genética

la sonda. Con base en estos datos, el hombre que con mayor probabilidad es el padre del niño es: (A) F1 (B) F2

(C) F3 (D) Cualquiera de estos hombres; la prueba no puede distinguir entre ellos

(E) Ninguno de estos hombres

26. Un científico desarrolló un análogo de triglicérido que actúa como un potente inhibidor del suicidio de la lipasa pancreática. Se esperaría que en estudios sobre el uso de este inhibidor se obtuviera el siguiente resultado en animales sometidos a alimentación normal:

Esteatorrea A B C D E F

Deficiencia de ­prostaglandina con el tiempo

Sí No Sí No Sí No

Concentración de quilomicrones con el tiempo

Sí No Sí No Sí No

Síntomas de fibrosis quística

Baja Baja Baja Alta Alta Alta

Sí Sí No No Sí No

Las preguntas 27 y 28 se basan en las siguientes ecuaciones, en las cuales se muestra el cambio de energía libre estándar (ΔG°′) para cada una de las reacciones en la conversión de malato a isocitrato. Malato 1 NAD1 → oxaloacetato 1 NADH 1 H ΔG°′ 5 7.1 kcalmol Oxaloacetato 1 acetil-CoA → citrato 1 CoASH ΔG°′ 5 27.7 kcalmol Citrato → isocitrato ΔG°′ 5 11.5 kcalmol

27.  ¿Cuál es el ΔG°′ (en kcalmol) para la conversión neta de malato en isocitrato?

(A) (B) (C) (D) (E)

213.3 22.1 20.9 1 0.9 1 1.5

28. La constante de equilibrio para la conversión neta de malato en isocitrato es:

(A) 0 (B) > 1 (C) < 1 29.  Cuando un corredor comienza una carrera de 1 500 m, un aumento en la hidrólisis de ATP durante la contracción muscular puede ocasionar:

(A) Disminución en el ritmo de oxidación de palmitato a acetil-CoA

(B) Disminución en el ritmo de oxidación de NADH por la cadena transportadora de electrones (C) Activación de la fosfofructocinasa 1 (PFK-1) (D) Aumento del gradiente de protones de un lado a otro de la membrana mitocondrial interna

(E) Disminución en el ritmo de formación de lactato

30.  Un científico que estudiaba la cadena transportadora de electrones desarrolló un compuesto que se une a todos los citocromos en las proteínas de esa cadena. Una vez unido, el compuesto bloquea la aceptación de electrones por el hierro del grupo hem del citocromo. Con mayor probabilidad ocurrirá lo que sigue en presencia de un sustrato oxidable:

(A) Aumentará la cantidad de calor generado por la oxidación del NADH

(B) No será afectada la velocidad de oxidación del succinato

(C) Aún podrá generarse ATP mediante la oxidación de NADH por transferencia de electrones al O2 (D) Muerte celular por falta de ATP (E) Aún podrá generarse el gradiente electroquímico de un lado a otro de la membrana mitocondrial interna

31.  Se descubre que un niño de tres años de edad tiene pocos eritrocitos, aunque exhibe muy pocos signos de anemia. Un análisis de eritrocitos marcados indica un rendimiento muy



Autoevaluación final

reducido de ATP comparado con el de alguien sin anemia. ¿Qué se esperaría que aumente en los eritrocitos en este niño?

(A) (B) (C) (D) (E)

Lapso de vida Velocidad de oxidación de ácidos grasos Producción de ATP Cociente NADHNAD+ Actividad de hexocinasa

Las preguntas 32 y 33 se basan en el siguiente caso: Un niño de 10 años de edad presenta intolerancia al ejercicio, se queja de dolor de piernas y brazos tras sólo un breve lapso de actividad física. El dolor empeora si se intentan actividades anaeróbicas; para la mayoría de las aeróbicas el niño puede completar la tarea, pero mucho más despacio que sus compañeros de clase. Nunca se ha observado anemia hemolítica en este niño. Una biopsia muscular reveló valores elevados de glucógeno. Una prueba de esfuerzo en la que el niño oprimía una pelota de caucho una y otra vez demostró baja producción de lactato con respecto a la de alguien sin intolerancia al ejercicio.

32.  La deficiencia enzimática más probable en este niño es de:

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

Fosforilasa hepática Fosforilasa muscular Glucosa-6-fosfatasa hepática Glucosa-6-fosfatasa muscular PFK-1 hepática PFK-1 muscular

33.  Ninguno de los progenitores del niño tiene intolerancia al ejercicio. ¿Cuál es la probabilidad de que tengan otro hijo con el mismo fenotipo que este niño?

(A) 0% (B) 25% (C) 33% (D) 50% (E) 100% Las preguntas 34 y 35 se basan en el siguiente caso: Una mujer presenta cólicos abdominales y flatulencia siempre que ingiere productos lácteos, de modo que decide dejar de consumirlos. Gran parte de su vida ha sido así, se sometió a una dieta especial durante los años de crecimiento, pero se cansó de ella al ingresar en la universidad.

395

34.  ¿Cual deficiencia enzimática es más probable en esta mujer?

(A) (B) (C) (D) (E)

Fructocinasa Aldolasa Lactasa Glucoamilasa Amilasa pancreática

35.  ¿Cuál de los siguientes enunciados es exacto en lo que se refiere al metabolismo de los azúcares en esta mujer?

(A) No puede producir mucopolisacáridos que contengan galactosa

(B) No puede producir lactosa durante la lactancia

(C) Es probable que tenga una deficiencia de calcio

(D) Es probable que tenga altos valores de galactosa-1-fosfato

(E) Es probable que tenga altos valores de fructosa-1-fosfato

Las preguntas 36 y 37 se basan en el siguiente caso: Una mujer con diabetes tipo 1 fue a un viaje y se quedó sin la insulina. En lugar de enfrentar la molestia de conseguir una prescripción, decidió olvidarse de la insulina durante cinco días, hasta volver a casa. Sin embargo, al cuarto día presentó letargo, náusea y dificultad para mantenerse en pie. Fue llevada de prisa al servicio de urgencias para evaluación.

36.  Las pruebas sanguíneas de la mujer indicarían concentraciones elevadas de:

(A) Glucosa (B) Cuerpos cetónicos (C) Insulina (D) Glucosa y cuerpos cetónicos (E) Cuerpos cetónicos e insulina (F) Glucosa e insulina 37.  Después de un tratamiento apropiado, ¿cuál de las siguientes enzimas hepáticas tendría actividad más baja que antes del tratamiento?

(A) (B) (C) (D) (E)

Fructosa 1,6-bisfosfatasa Piruvato cinasa Piruvato deshidrogenasa PFK-1 PFK-2 (actividad de cinasa)

396

Bioquímica, biología molecular y genética

38.  ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor algunas propiedades de los proteoglucanos? Contienen unidades disacárido repetitivas

Ocurre degradación en los lisosomas

Sí Sí Sí No No No

A B C D E F

El carbohidrato se une de modo covalente a las proteínas

Sí No Sí No Sí No

Ocurre sulfatación antes de la adición del azúcar al proteoglucano

Sí Sí Sí No No No

Sí Sí No No Sí No

Las preguntas 39 y 40 se basan en el caso que sigue: Un lactante de 18 meses de edad presenta retraso en el crecimiento a pesar de su apetito saludable, sus heces son frecuentes y malolientes. Una prueba de sudor en busca de iones cloruro fue positiva.

39.  En este niño es más probable que esté afectada la digestión de: Lactosa

Sacarosa

Almidón

Triglicéridos

Proteínas

Sí No Sí No Sí No

Sí Sí Sí No No No

Sí No Sí Sí No No

No No No Sí Sí Sí

No Sí No Sí No Sí

A B C D E F

40.  El niño tiene una hermana de tres años

41.  Una mujer presenta dolor intermitente en

sin ninguno de sus síntomas. ¿Cuál es la probabilidad de que sea portadora de la enfermedad?

la zona del estómago, en particular después de comer. Las técnicas de visualización revelaron un gran cálculo biliar que bloqueaba la parte superior del colédoco. Tal bloqueo causaría un incremento de:

(A) 25% (B) 33% (C) 50% (D) 67% (E) 100%

(A) (B) (C) (D) (E)

La formación de quilomicrones El reciclaje de sales biliares La excreción de sales biliares La excreción de grasa en las heces La formación de VLDL

42.  Una mujer de 20 años de edad con diabetes mellitus (DM) es hospitalizada en un estado de semiinconsciencia con fiebre, náusea, vómito y olor a acetona en el aliento. ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor los diversos aspectos de su afección? Glucemia A B C D E F

> 100 mgdl < 100 mgdl > 100 mgdl < 100 mgdl > 100 mgdl < 100 mgdl

Tratamiento inicial

Origen de la acetona

Glucosa infusión

Acetil-CoA

Glucagón inyectado

Hidroxibutirato

Insulina inyectada

Acetoacetato

Glucosa infusión

Acetil-CoA

Glucagón inyectado

Hidroxibutirato

Insulina inyectada

Acetoacetato

pH sanguíneo < 7.4 > 7.4 < 7.4 > 7.4 < 7.4 > 7.4



397

Autoevaluación final

43.  ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor la biosíntesis de ácidos grasos de novo a partir de citrato citosólico?

Se requiere NADH A B C D E F

No No No Sí Sí Sí

Principal producto:

Ocurre a un cociente glucagón:insulina que se describe mejor como:

Ácido palmítico Ácido esteárico Ácido palmítico Ácido esteárico Ácido palmítico Ácido esteárico

Cofactores requeridos

Bajo Alto Bajo Alto Bajo Alto

Biotina Coenzima A Biotina y coenzima A Biotina Coenzima A Biotina y coenzima A

44.  ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor la síntesis de triacilglicerol a partir de glucosa en el hígado?

A B C D E F

Transporta acetil-CoA a través de la membrana mitocondrial

Pueden obtenerse equivalentes reductores de:

El 2-monoacilglicerol es un intermediario

Citrato Malato Oxaloacetato Citrato Malato Oxaloacetato

Enzima málica Ciclo de los TCA Piruvato deshidrogenasa Enzima málica Piruvato deshidrogenasa Ciclo de los TCA

Sí No Sí No No Sí

Un intermediario necesario en la síntesis de triglicéridos es: Fosfatidilcolina Fosfatidilserina Ácido fosfatídico Ácido fosfatídico Fosfatidilserina Fosfatidilcolina

45.  Un científico ha desarrollado una línea de adipocitos que a 42 °C no pueden degradar triglicéridos a glicerol y ácidos grasos libres. A 25 °C, la degradación de triglicéridos es normal. ¿Cuál de las siguien­ tes opciones refleja mejor las enzimas en las que una mutación sensible a la temperatura puede producir este fenotipo? Proteína cinasa A A B C D E F

Adenilato cinasa

Sí No Sí No Sí No

No No No Sí Sí Sí

Las preguntas 46 a 48 se basan en el caso que sigue: Un hombre de 40 años tuvo un ataque cardiaco, su concentración de colesterol era de 322 mgdl. El padre del paciente murió de un ataque cardiaco a los 47 años, y su hermano de 38 tuvo uno el año pasado.

46.  Estos individuos con seguridad son heterocigotos para una mutación en:

(A) HMG-CoA reductasa (B) HMG-CoA liasa

Receptor de insulina

Receptor de glucagón

No Sí No Sí No Sí

(C) (D) (E) (F)

Sí No Sí No Sí No

Glicerol cinasa Sí Sí No No Sí No

Apolipoproteína B48 Apolipoproteína B100 Receptor de LDL La proteína microsómica de transferencia de triglicéridos

47.  Se prescribe una estatina al paciente y a los cuatro meses la concentración de colesterol circulante es de 180 mgdl. Las estatinas pueden producir este efecto debido a que:

(A) Elevan la concentración celular de escualeno (B) Reducen la concentración celular de HMG-CoA

398

Bioquímica, biología molecular y genética

(C) Incrementan la cantidad de receptores de LDL en la superficie celular (D) Incrementan la concentración sanguínea de triacilglicerol (E) Incrementan la actividad celular de acil:colesterol aciltransferasa (ACAT)

48. ¿Cuál sería la probabilidad de que un hermano o hermana del paciente presente un infarto de miocardio antes de los 20 años de edad? (A) 0% (B) 25% (C) 33%

(D) 50% (E) 67% (F) 100%

49.  ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor algunas propiedades de las sales biliares?

A B C D E F

Pueden contener glicina o serina

Más eficaces como detergentes a pH < 3.0

No No No Sí Sí Sí

No Sí No Sí No Sí

Son moléculas anfipáticas

50.  Un neonato de dos días de edad está muy irritable y letárgico, y rechaza el alimento. Es llevado al servicio de urgencias, los análisis de sangre indican hiperamoniemia e hipercitrulinemia. ¿Cuál de las siguientes enzimas con mayor probabilidad es defectuosa en este lactante?

(A) (B) (C) (D) (E)

Argininosuccinato sintetasa Carbamoilfosfato sintetasa I Formiminotransferasa Ornitina transcarbamoilasa Arginasa

51.  Un neonato de tres días de edad se torna cada vez más irritable, letárgico y difícil de alimentar. Los padres lo llevan de prisa al servicio de urgencias, donde los estudios de sangre demuestran hiperamoniemia, el análisis de orina indica grandes cantidades de ácido orótico. Ninguno de los padres ha tenido nunca ninguno de esos resultados anómalos en sangre y orina. El modo de transmisión de esta enfermedad es:

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

Autosómico recesivo Autosómico dominante Mitocondrial Multifactorial Recesivo ligado al sexo Dominante ligado al sexo

52.  Una mutación inactivadora en la siguiente enzima alteraría el ciclo de glucosa-alanina durante el ayuno:

Sí Sí No No No Sí

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

Se reabsorben en el íleon y se sintetizan en el hígado

Derivan del colesterol

Sí No Sí No Sí No

Sí Sí Sí No No Sí

Citrato sintasa hepática Citrato sintasa muscular Piruvato deshidrogenasa hepática Piruvato deshidrogenasa muscular Piruvato cinasa hepática Piruvato cinasa muscular

53.  Un niño de ocho años es llevado para una exploración física debido a que su maestro insiste que algo “no anda bien” y que el niño no rinde en clase. El paciente es notablemente alto y delgado, con extremidades largas y una ligera curvatura en la columna vertebral (escoliosis). Presenta tórax en embudo y luxación de cristalino unilateral. Hace poco tuvo varios coágulos sanguíneos que requirieron tratamiento. Después de la exploración y de algunas pruebas, se prescriben al paciente dosis farmacológicas de vitamina B6, y al parecer este tratamiento alivia algunos de los síntomas. La enzima que con mayor probabilidad es defectuosa en el niño es:

(A) (B) (C) (D) (E)

Cistationina -sintasa S-adenosilhomocisteína hidrolasa Metionina sintasa N5,N10-metilentetrahidrofolato reductasa SAM sintetasa

54.  Una niña de 12 años emigra de Rusia a Estados Unidos con sus padres. Tiene retardo mental, temblor de brazos y piernas y periodos de hiperactividad. Una prueba de sangre indica



399

Autoevaluación final

concentración elevada de fenilpiruvato. Una posible enzima defectuosa en esta niña es:

(C) -Cetoácido de cadena ramificada

(A) Tirosinasa (B) Ácido homogentísico 1,2-dioxigenasa

(D) Monoamina oxidasa (E) Dihidrobiopterina reductasa

deshidrogenasa

55.  Se esperaría que una deficiencia de vitamina B6 redujera la síntesis del siguiente neurotransmisor:

A B C D E F

Ácido -aminobutírico (GABA)

Serotonina

Adrenalina

Dopamina

Histamina

No No No Sí Sí Sí

Sí No Sí Sí No Sí

Sí No No Sí Sí Sí

No Sí No Sí No Sí

Sí No Sí Sí No No

56.  Al comparar la síntesis de novo de IMP y UMP, ¿cuál de las siguientes opciones representa mejor los puntos en común de las vías?

A B C D E F

Ambas requieren PRPP

Ambas requieren derivados de folato

Ambas requieren glutamina

Ambas requieren glicina

Ambas requieren ácido aspártico

Sí Sí Sí No No No

No No Sí Sí No Sí

Sí No Sí No Sí No

No No No Sí Sí Sí

Sí Sí No Sí No Sí

57.  Un profesor universitario en la celebración de su cumpleaños número 60, ingirió demasiado paté de hígado y vino. A la mañana siguiente despertó con resaca y dolor intenso del dedo gordo del pie derecho, lo que ya había experimentado varias veces antes. El profesor, un tanto distraído, entonces recuerda que durante dos semanas no ha tomado su medicamento para este trastorno. El fármaco muy probablemente bloquea la siguiente reacción:

(A) (B) (C) (D) (E)

IMP a GMP Adenosina a inosina Hipoxantina a xantina dUMP a dTMP Citosina a uracilo

se determina que su recuento de eritrocitos es bajo, y al microscopio se observa como si dichas células hubieran estallado, lo cual contribuyó a su bajo recuento.

58.  Una posible enzima defectuosa en este paciente es:

(A) (B) (C) (D) (E) (F)

Glucocinasa Glucosa-6-fosfato de deshidrogenasa Piruvato deshidrogenasa Piruvato cinasa Espectrina -Cetoglutarato deshidrogenasa

59.  Una exploración cuidadosa de los ojos del

Las preguntas 58 a 60 se basan en el siguiente caso:

paciente permite detectar un matiz amarillo. Esto, con probabilidad, se debe a la acumulación de:

Un hombre con antepasados mediterráneos acaba de consumir un gran tazón de habas, una delicia que nunca había probado. Unas horas después, se queja de cansancio y letargo. Es llevado al servicio de urgencias, en donde

(A) (B) (C) (D) (E)

Hemoglobina Hemoglogina glucosilada Bilirrubina Diglucurónido de bilirrubina Estercobilina

400

Bioquímica, biología molecular y genética

60.  La probabilidad de que este paciente

exantemas cutáneos, diarrea y problemas de memoria. Estos síntomas podrían haber sido más leves si la dieta tuviera un alto contenido de:

transmita su alelo defectuoso a su hijo es:

(A) (B) (C) (D) (E)

0% 25% 50% 67% 100%

61.  Un individuo ha seguido una dieta de moda

(A) Tirosina (B) Triptófano (C) Tiamina (D) Timina (E) Riboflavina

durante seis semanas, y comienza a presentar

62.  El piridoxal fosfato es un cofactor clave en el metabolismo. ¿Cuál de las siguientes opciones representa mejor las reacciones que requieren este cofactor? Se convierte glucógenon en glucosa-1-fosfato y glucógenon 2 1 A B C D E F

Sí Sí Sí Sí No No

Piruvato y aspartato producen alanina y oxaloacetato

Homocisteína más N 5-metil-THF producen metionina y THF

Sí Sí Sí No No No

63.  Un paciente de 52 años de edad con cara redonda, acné y una gran joroba en la parte posterior del cuello se queja de debilidad para podar su césped. Tiene glucemia en ayuno de 170 mgdl (el intervalo de referencia es de 80 a 100 mgdl), cortisol plasmático de 62 μgml (el intervalo de referencia es de 3 a 31 μgml) y ACTH plasmático de 0 pgml (el intervalo de referencia es de 0 a 100 pgml). Si el estado del paciente se debe a una causa única, el diagnóstico más probable es:

(A) (B) (C) (D) (E)

DM tipo 1 DM tipo 2 Un tumor secretor en la adenohipófisis Un tumor secretor en la neurohipófisis Un tumor secretor en la corteza suprarrenal

64.  Una mujer de 25 años de edad se sometió a una cirugía compleja que dañó la hipófisis, lo que produjo insuficiencia adenohipofisaria. Parte del tratamiento posquirúrgico para esta paciente debe ser:

(A) TSH y ACTH por vía oral (B) Restricción de agua para compensar los bajos valores de vasopresina

Homocisteína más serina producen cistationina

No Sí No Sí No Sí

Sí No Sí No Sí No

Histidina produce histamina Sí Sí No No Sí No

(C) Tabletas de tiroxina ingeridas con regularidad (D) Cortisol a diario, excepto en periodos de mayor estrés

(E) Estrógeno y progesterona son las únicas hormonas que la paciente necesita si desea mantener su fecundidad

65.  Una mujer a la que se le extirpó la glándula tiroides se trataba con tabletas de tiroxina, 0.10 mgdía. Después de tres meses de trata­ mien­to, su concentración sérica de TSH se mantuvo constante en 6 MUIml (el intervalo de referencia es de 0.3 a 5 MUIml). Se quejaba de fatiga, aumento de peso y ronquera. ¿Cómo debe ajustarse su dosis de hormona tiroidea?

(A) Aumentarse (B) Reducirse (C) Mantenerse sin cambio Las preguntas 66 a 69 son de relacionar columnas. Indique si los valores sanguíneos de los compuestos que siguen serían mayores, menores o iguales en una persona con DM tipo 1 (insulinodependiente) que deja de tomar insulina durante dos días comparada con una persona normal que acaba de comer.



66. 67. 68. 69.

Autoevaluación final Glucosa Glucagón Urea Cuerpos cetónicos

401

(A) Mayor (B) Menor (C) Igual

Las preguntas 70 a 72 son de relacionar columnas. Asigne a cada antibiótico que sigue el paso apropiado de la traducción que él inhibe en los procariotes.

70. Tetraciclina 71. Estreptomicina 72. Eritromicina

(A) Inicio (B) Unión del aminoacil-tRNA al sitio “A” en el

73.  Un científico estudiaba una línea de

han experimentado a partir de los 8 a 12 años de edad eventos vasculares cerebrales complicados con intolerancia al ejercicio y lactoacidosis. El padre de los niños no tiene migrañas ni intolerancia al ejercicio. Un blanco de una mutación que podría explicar estas observaciones con mayor probabilidad es:

fibroblastos obtenidos de un niño que murió a los dos años de edad por disfunción lisosómica. Un análisis de la línea celular demostró que la célula secretaba muchas enzimas lisosómicas, en vez de almacenarlas en los lisosomas. La adición de enzimas lisosómicas de células normales al medio de cultivo de las células del paciente hace que las enzimas se incorporen a las células y lleguen hasta los lisosomas. El compartimiento celular en que radica el defecto enzimático del paciente es:

(A) Citoplasma (B) Mitocondria (C) Aparato de Golgi (D) Peroxisoma (E) Retículo endoplásmico (F) Lisosoma 74.  Una mujer que presenta migrañas intensas frecuentes tiene cinco hijos, todos

ribosoma

(C) Formación del enlace peptídico (D) Transposición

(A) (B) (C) (D) (E)

tRNA mitocondrial tRNA citoplásmico Citocromo c Piruvato deshidrogenasa Porina mitocondrial

75.  El virus del sarcoma de los simios produce un homólogo de PDGF que es necesario para la transformación celular. El mecanismo de acción básico de este homólogo se describe mejor como:

(A) Autocrino (B) Endocrino (C) Paracrino

Las preguntas 76 a 79 son de relacionar columnas. Se midieron los valores sanguíneos de glucosa, galactosa y fructosa en personas normales y con diversas deficiencias enzimáticas poco después de beber una malteada con leche y azúcar. Asigne a cada comparación siguiente el o los azúcares apropiados. Una respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

76. Menor en una persona con deficiencia de lactasa que en una normal 77. Mayor en una persona con deficiencia de galactosa-1-fosfato uridiltransferasa que en una normal 78. Mayor en una persona con deficiencia de fructocinasa que en una normal 79. Mayor en una persona con deficiencia de aldolasa B que en una normal

(A) Glucosa (B) Galactosa (C) Fructosa (D) Glucosa y galactosa (E) Glucosa, galactosa y fructosa

402

Bioquímica, biología molecular y genética

Las preguntas 80 a 82 se basan en el siguiente caso: Un alcohólico crónico es hallado inconsciente cerca de un bar de la localidad, es trasladado al servicio de urgencias. Los estudios de laboratorio demuestran una glucemia de 44 mgdl (el valor normal en ayuno es de 80 a 100 mgdl). También se determinó que la concentración de tiamina es significativametne menor de lo normal. La exploración física indica excleróticas amarillas así como ligera coloración amarillenta de la piel.

80.  Para determinar la concentración de tiamina, el laboratorio debe ser capaz de analizar la siguiente enzima, tanto en ausencia como en presencia de tiamina exógena:

(A) Isocitrato deshidrogenasa (B) Glucógeno fosforilasa (C) Adenosina desaminasa

(D) Aldolasa (E) Transcetolasa 81.  Dado que el paciente no ha comido en una semana, sólo ha bebido alcohol, la interrupción del ciclo de glucosa-alanina ocurre en el paso de:

(A) (B) (C) (D) (E)

Piruvato a alanina en el músculo Alanina a piruvato en el hígado Piruvato a oxaloacetato en el hígado PEP a 2-fosfoglicerato en el hígado Glucosa-6-fosfato a glucosa en el hígado

82.  El color amarillo de escleróticas y piel es una indicación de que la siguiente reacción ocurre a un ritmo menor del normal:

(A) (B) (C) (D) (E)

Hemoglobina a hemoglobina A1C Hemoglobina a hemoglobina glucuronidada Hemoglobina a bilirrubina Bilirrubina a bilirrubina glucosilada Bilirrubina a bilirrubina glucuronidada

Las preguntas 83 a 88 son de relacionar columnas. Una deficiencia de cada una de las sustancias siguientes puede causar anemia. Para cada sustancia, elija el tipo de anemia que ocurriría en caso de deficiencia. Una respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

83. 84. 85. 86. 87. 88.

Hierro Factor intrínseco Piridoxina Vitamina B12 Folato NADPH

(A) (B) (C) (D)

Anemia megaloblástica Anemia microcítica hipocrómica Anemia hemolítica Anemia drepanocítica

Las preguntas 89 a 93 son de relacionar columnas. Para cada trastorno no tratado que sigue, seleccione el valor sanguíneo o urinario que mejor lo distingue de otros. Todas las concentraciones se miden después de un ayuno de toda la noche y se comparan con la de un individuo normal. Cada respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

89. 90. 91. 92. 93.

DM tipo 1 (insulinodependiente) Infarto de miocardio Hepatitis Insuficiencia renal Alcoholismo

(A) Aumento de la fracción MB de la creatina (B) (C) (D) (E)

cinasa (CK) sérica Aumento de cuerpos cetónicos en la sangre Disminución de creatinina en la orina Disminución del lactato sanguíneo Disminución del nitrógeno de la urea sanguínea (BUN)

Las preguntas 94 y 95 se basan en el siguiente caso:

94.  Lo más probable es que este paciente tenga

Un hombre de 42 años se sentía cansado y letárgico, los estudios de sangre indicaron deficiencia de hierro. Una colonoscopia reveló una masa significativa en el lado derecho, en la parte proximal del colon. Tiene el antecedente de que su abuelo y su madre tuvieron cáncer de colon poco antes de cumplir 50 años. Se vieron muy pocos pólipos durante la colonoscopia.

(A) (B) (C) (D)

una mutación iniciadora en el gen o los genes:

BRCA1 o BRCA2 De retinoblastoma APC Reparadores de errores de apareamiento en el DNA (E) ras



Autoevaluación final

403

95.  El análisis del árbol genealógico del paciente

96.  Una mutación de ganancia de función en

de la pregunta anterior revelaría el patrón de herencia:

un gen, que podría incrementar la proliferación celular y producir un tumor, se clasifica mejor como:

(A) Autosómico dominante (B) Autosómico recesivo (C) Dominante ligado al sexo (D) Recesivo ligado al sexo (E) Mitocondrial

(A) Supresor tumoral (B) Proteína G (C) Factor de transcripción (D) Oncogén (E) Proteína integral de membrana

En las preguntas 97 a 100, cada estado patológico puede relacionarse con una de las concentraciones sanguíneas de hormonas que se presentan como respuestas opcionales. Para cada trastorno elija la hormona más apropiada. Cada respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

97. Hipotiroidismo causado por una infección viral de la glándula tiroides 98. Valores elevados de somatostatina 99. Valores bajos de dopamina producida por el hipotálamo 100. Hipotensión

(A) (B) (C) (D) (E)

Prolactina (PRL) elevada Tirotropina (TSH) elevada Cortisol elevado Somatotropina (GH) reducida Aldosterona reducida

Las preguntas 101 a 105 son de relacionar columnas. Para cada caso, elija el principal combustible usado. Cada respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

101. Por el encéfalo después de un día de ayuno 102. Por los eritrocitos después de ayuno de toda la noche

103. Por el hígado después de dos días de ayuno 104. Por el encéfalo después de una semana

(A) (B) (C) (D) (E)

Cuerpos cetónicos Glucosa sanguínea Ácidos grasos Glucógeno Alanina

de ayuno

105. Por los músculos del tórax que se usan durante el levantamiento de pesas Las preguntas 106 a 109 son de relacionar columnas. Asigne a cada descripción que sigue el complejo lípido-proteína apropiado. Cada respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

106. Principal donador de colesterol a los tejidos periféricos 107. Primera lipoproteína cuya concentración aumenta en la sangre después de ingerir 400 g de las golosinas llamadas “frijolitos”(jelly beans) (carbohidrato) 108. Sitio de la reacción de la LCAT 109. Consta principalmente de triacilgliceroles sintetizados en las células del epitelio intestinal

110.  Un lactante de seis meses de edad ha tenido infecciones frecuentes, algunas han requerido hospitalización. Los estudios de laboratorio demuestran carencia casi completa de linfocitos B y T. La concentración de desoxiadenosina fue casi nula. Hay el antecedente familiar de que la madre del lactante tuvo un hermano con síntomas similares que murió a los dos años de

(A) Quilomicrones (B) VLDL (C) LDL (D) HDL (E) Complejos ácido graso-albúmina

edad. El defecto molecular más probable es una mutación inactivadora en:

(A) (B) (C) (D) (E)

Nucleósido de purina fosforilasa Adenosina desaminasa Bcl-2 Producto del gel del retinoblastoma Receptores de citocina

404

Bioquímica, biología molecular y genética

Las preguntas 111 y 112 se basan en el siguiente caso: Un niño de seis años tiene un tumor en el ojo derecho, tres años después, en el izquierdo. El estudio FISH en busca de un gen mutante indicó dos señales en células normales del niño, pero sólo una señal en sus células tumorales.

111.  Con probabilidad el tumor se originó por: (A) Inhibición de la reparación del DNA (B) Estimulación de la reparación del DNA

(C) Activación de Ras (D) Estimulación de la actividad de tirosina cinasa

(E) Desregulación de la transcripción génica 112.  Los resultados del estudio FISH del niño son una indicación de que:

(A) (B) (C) (D) (E)

El gen mutante es un oncogén Ocurrió una fusión cromosómica Ocurrió pérdida de la heterocigosidad Ocurrió replicación génica Es evidente la poliploidía

Las preguntas 113 a 117 son de relacionar columnas. Cada trastorno que sigue (las preguntas numeradas) puede ser causado por un problema en el metabolismo de un compuesto determinado. Asigne a cada trastorno el compuesto apropiado. Una respuesta (opciones con letra) puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

113. 114. 115. 116. 117.

Síndrome de Ehlers-Danlos Enfermedad de Parkinson Enfermedad de Tay-Sachs Enfermedad de McArdle Enfermedad de orina en jarabe de arce

(A) Glucógeno (B) Colágeno (C) Dopamina (D) Valina (E) Un esfingolípido

Las preguntas 118 a 121 son de relacionar columnas. Una deficiencia alimentaria de una vitamina puede causar cada uno de los trastornos que siguen. Asigne a cada trastorno la vitamina apropiada. Cada respuesta puede usarse una vez, más de una vez o ninguna vez.

118. Pelagra 119. Escorbuto 120. Beriberi 121. Raquitismo

(A) Vitamina C (B) Niacina (C) Vitamina D (D) Biotina (E) Tiamina

122.  Un científico estudió una línea de fibroblastos derivados del tumor de un paciente y observó que la MAP cinasa (erk) era constitutivamente activa. Las mutaciones activadoras en cuál de las siguientes podrían dar por resultado ese fenotipo:

A B C D E F

raf

mek

SMAD

STAT

Tirosina cinasa receptora

Sí Sí Sí No No No

Sí No Sí No Sí No

No Sí No Sí No Sí

No No Sí Sí No Sí

Sí Sí Sí No No No

Las preguntas 123 a 132 se basan en la historia longitudinal que sigue. Dado que por la naturaleza de esta serie de preguntas los reactivos sucesivos dan la respuesta a los previos, responda en orden cada pregunta antes de pasar a la siguiente y de consultar las respuestas.

123.  Un niño de seis años de edad se ha tornado letárgico y come poco, pero bebe mucha agua. Orina con frecuencia y a veces moja la cama al dormir. Una mañana tuvo dificultad para levantarse, sus padres



Autoevaluación final

lo llevaron al servicio de urgencias, donde una prueba de glucosa rápida indicó 650 mgdl y una tira reactiva para cetonas fue positiva. Los médicos de urgencias de inmediato ordenaron un goteo IV. Para un tratamiento apropiado, el goteo IV debe contener lo siguiente como paso inicial:

(A) Glucosa (B) Glucagón (C) Insulina (D) Ácidos grasos (E) Vitaminas 124.  La hiperglucemia del niño se debe, en

405

128.  El niño recibe dos tipos distintos de insulina, una de efecto prolongado pero inicio de acción lento, y otra de acción rápida pero menor duración. La principal diferencia entre estas dos formas de insulina se describe mejor como sigue:

(A) Capacidad de formar complejos con zinc (B) Capacidad de disociarse del zinc (C) Susceptibilidad a proteasas en el sitio de inyección

(D) Diferencia en el sitio de inyección (E) Una se administra por vía oral y otra por vía subcutánea

mayor medida, a lo siguiente:

129.  En la visita del niño al endocrinólogo a los

(A) Consumo excesivo de golosinas (B) Cantidad reducida de transportadores de glu-

seis meses, los análisis de sangre indican que la glucemia en ayuno es de 131 mgdl, y la HbA1c es de 7.2. Estos resultados indican:

cosa en el encéfalo

(C) Competencia de fructosa con la glucosa por entrar en el hígado (D) Uso reducido de glucosa por el músculo (E) Filtración reducida de glucosa por los riñones, de lo que resulta más glucosa en la circulación

125.  La principal causa del letargo del niño es: (A) Alcalosis (B) Acidosis (C) Hipoglucemia (D) Hiperlipidemia (E) Ausencia de ácidos grasos en la sangre 126.  La alteración del pH sanguíneo se debió a: (A) Liberación de lactato por los eritrocitos (B) Liberación de lactato por el músculo (C) Uso de glucosa como combustible por el encéfalo

(D) Uso de glucosa como combustible por el músculo (E) Liberación de bicarbonato por el páncreas (F) Liberación de bicarbonato por la vesícula biliar

127.  Al ser dado de alta del hospital, el niño recibe la prescripción de un régimen de insulina a fin de estabilizar su glucemia. En un día en que la glucemia del niño está bien regulada, su concentración de péptido C, comparada con la de alguien sin diabetes tipo 1, sería:

(A) Mayor (B) Igual (C) Menor

(A) (B) (C) (D) (E)

Excelente control glucémico Control glucémico deficiente por tres meses Síntesis de hemoglobina anómala Anemia inminente Cociente insulina:glucagon elevado

130.  Cuando el niño tiene 16 años de edad, pasa una noche con amigos utilizando juegos de video y comiendo pizza. Antes se había inyectado insulina de acción rápida, pero estaba tan abstraído jugando que no comió nada de pizza. A la mañana siguiente tiene dificultad para despertar, sus amigos muy asustados llaman a urgencias. La razón de que esto ocurriera es:

(A) Hipoglucemia intensa (B) Hiperglucemia intensa (C) Deshidratación (D) Anemia inducida por insulina (E) Cetoacidosis 131.  Cuando los paramédicos llegan para atender al niño le inyectan de inmediato:

(A) (B) (C) (D) (E)

Insulina Glucagón Cortisol Adrenalina Noradrenalina

132. Cuando el paciente cumple alrededor de 25 años, el médico observa una respuesta reducida a la prueba del microfilamento en las plantas de los pies. Esto se debe a:

(A) Hipoglucemia (B) Glucosilación no enzimática de neuronas

406

Bioquímica, biología molecular y genética

(C) Valores elevados de glucagon (D) Glucosilación no enzimática de hemoglobina (E) Valores elevados de LDL en la sangre Las preguntas 133 a 144 se basan en el siguiente escenario: Una mujer nativa americana de 55 años de edad tuvo dificultad para concebir cuando era joven, y se le diagnosticó poliquistosis ovárica. Cuando se embarazó, se le diagnóstico diabetes gestacional, dio a luz a un bebé saludable de 4.5 kg. Los siguientes años tuvo dificultad para controlar su peso, pero sus mediciones de glucemia siempre estuvieron en el intervalo “normal” y su único diagnóstico antes de los 40 años fue apnea hípnica. Tiene claros antecedentes familiares de diabetes. A los 40 años, con buena salud, se le practicó una prueba de glucosa al azar en sangre obtenida por pinchazo de un dedo, el resultado es de 240. Hizo una cita con su médico familiar, quien ordenó una prueba de glucosa en ayuno (150) y de hemoglobina A1c (7.4). Otros valores de laboratorio fueron colesterol de HDL de 35, colesterol total de 210, triglicéridos de 350, ALT, AST y ácido úrico ligeramente elevados, y valores normales de BUN, creatinina, bilirrubina, electrolitos y fosfatasa alcalina. La presión arterial en mediciones repetidas fue de manera consistente de 15090. Por los siguientes 15 años se le trató con múltiples fármacos, para un éxito sólo parcial. En la actualidad mide 1.8 m, pesa 100 kg, y tiene PA de 13880, HbA1c de 8.2, y creatinina de 2.0. Sus valores de lípidos no han cambiado. En los dos últimos años se le ha hospitalizado tres veces, por IM, neumonía extrahospitalaria (NEH) y artritis gotosa.

133.  ¿Cuál de los siguientes es el diagnóstico más completo para la paciente?

(A) DM tipo 1 (B) DM tipo 2 (C) Hipertensión (D) Síndrome de resistencia a la insulina (E) Esteatosis hepática (F) Apnea hípnica 134.  ¿Cuál de los siguientes sería el tratamiento más apropiado para su diagnóstico completo?

(A) Metformina (B) Insulina (C) Reducción de peso (D) Estatina (E) Diurético

135.  ¿Cuál de los siguientes es el valor más cercano a su IMC calculado?

(A) (B) (C) (D) (E)

25 31 35 41 45

136.  El IMC de la mujer la coloca en la siguiente categoría:

(A) Peso bajo (B) Peso normal (C) Sobrepeso (D) Obesidad (E) Obesidad mórbida 137.  Su médico vuelve a recomendar dieta y reducción de peso. No realiza ejercicio ni alguna otra forma de actividad física. ¿Cuál de las siguientes sería la máxima cantidad de calorías al día que podría ingerir y aún perder 0.5 kg en una semana?

(A) (B) (C) (D) (E)

2 400 2 620 3 120 3 930 3 620

138.  ¿Cuál es el valor de LDL de la paciente? (A) 52.5 mgdl (B) 105 mgdl (C) 125 mgdl (D) 150 mgdl (E) 210 mgdl 139.  El medicamento que muy probablemente se le prescribiría para sus problemas de lípidos a fin de reducir el riesgo de otro ataque cardiaco tiene el siguiente mecanismo de acción:

(A) (B) (C) (D) (E)

Bloquea la absorcion del colesterol ingerido Regula a la alza los receptores de LDL Bloquea la reabsorción de sales biliares Inhibe la producción de VLDL Reduce en forma significativa los triglicéridos séricos

140. El tratamiento que más se recomienda a pacientes no hospitalizados con NEH tiene el siguiente mecanismo de acción: (A) Unión del fármaco a la subunidad ribosómica de 60 S

(B) Unión del fármaco a la subunidad ribosómica de 50 S



Autoevaluación final

(C) Unión del fármaco a la subunidad ribosómica de 40 S (D) Unión del fármaco a la subunidad ribosómica de 30 S (E) Inhibición de la síntesis de folato

141. Antes de ser hospitalizada por empeoramiento de la NEH, la paciente se había tratado con un antibiótico sulfa oral. El mecanismo de acción de estos antibióticos es: (A) Unión del fármaco a la subunidad ribosómica de 60 S

(B) Unión del fármaco a la subunidad ribosómica de 50 S (C) Unión del fármaco a la subunidad ribosómica de 40 S (D) Unión del fármaco a la subunidad ribosómica de 30 S (E) Inhibición de la síntesis de folato

142.  El diagnóstico de la paciente podría empeorar con la ingestión de un alimento con alto contenido de:

(A) Purinas (B) Histidina (C) Leucina (D) Metionina (E) Pirimidinas 143.  El fármaco que con mayor probabilidad se use para prevenir el problema de la pregunta anterior actúa al bloquear el metabolismo de:

(A) Arginina (B) Ornitina (C) Xantina (D) Carbamoil fosfato (E) Argininosuccinato

hipoglucemia, se realiza una prueba de glucosa por punción digital y advierte que su glucemia es muy baja. Esto con mayor probabilidad se debe a:

(A) Valores elevados de NADH en el hígado (B) Valores elevados de NADPH en el hígado (C) Valores elevados de NAD+ en el hígado (D) Valores elevados de NADP+ en el hígado (E) Inhibición de la gluconeogénesis por acetaldehído

146.  El número de cromosomas humanos distintos es:

(A) (B) (C) (D) (E)

22 23 24 25 26

147. En una población en equilibrio de HardyWeinberg determinados individuos expresan una enfermedad autosómica recesiva rara. La frecuencia de indivuduos afectados en la población es de 1 en 90 000. ¿Cuál es la frecuencia de portadores en esta población? (A) (B) (C) (D) (E)

1 en 100 1 en 150 1 en 200 1 en 250 1 en 300

148. Considere el árbol genealógico mostrado. El modo de herencia más probable es:

144.  ¿Cuál de los siguientes es el patrón de herencia para el diagnóstico de esta paciente?

(A) Autosómico dominante (B) Autosómico recesivo (C) Ligado al sexo (D) Mitocondrial (E) Multifactorial 145.  Un estudiante del tercer año de medicina celebraba el final de una rotación en particular estresante con una sesión de consumo de alcohol sin probar alimento. Al despertar a la mañana siguiente, estaba tembloroso y hambriento. Al advertir los síntomas de

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(A) (B) (C) (D) (E)

Recesivo ligado al sexo Dominante ligado al sexo Mitocondrial Autosómico dominante Autosómico recesivo

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Bioquímica, biología molecular y genética

149.  Una mujer es portadora de una enfermedad ligada al sexo. La frecuencia de la enfermedad en la población es de 1 en 2 000. ¿Cuál fracción de mujeres en esta población son portadoras de este trastorno específico?

(A) (B) (C) (D) (E)

1 en 500 1 en 1 000 1 en 1 500 1 en 2 000 1 en 4 000

150.  El árbol genealógico mostrado corresponde a una enfermedad autosómica recesiva muy rara. ¿Cuál es la probabilidad de que el individuo IV-1 sea portador de la enfermedad?

(A) (B) (C) (D) (E)

1 en 2 1 en 4 1 en 6 1 en 8 1 en 10

Respuestas 1. La respuesta es E. La grasa contiene 9 kcalg, mientras que el carbohidrato contiene 4 kcalg. Por lo tanto, cuando el paciente sustituyó por 50 g de grasa 50 g de carbohidrato, ingirió 250 calorías más por día y, en un periodo de tres meses aumentó de peso. Con 250 kcaldía adicionales el paciente requeriría alrededor de 14 días para aumentar 0.5 kg (7 000 kcalkg), o casi 3 kg en el periodo de tres meses.

2. La respuesta es B. El peso del paciente es de 80 kg. Dado que la tasa metabólica basal (TMB) es de alrededor de 24 kcalkgdía, la TMB de la paciente (24 kcalkgdía  80 kg) es de 1 920 kcaldía. Ella requiere 30% más calorías para su actividad (sedentaria), o 1 920 3 1.3  2 500 kcaldía.

3. La respuesta es D. La paciente requiere 2 500 gdía para mantener su peso. Una reducción de 10% al día es una pérdida de 250 kcaldía en el consumo. Proteínas y carbohidratos contienen 4 kcalg, y la grasa contiene 9 kcalg. Si la paciente reduce su ingesta de carbohidratos en 17.5 gdía, esto se traduce en 70 kcal menos al día. Si también reduce su ingreso de grasa en 20 gdía, esto es otras 180 kcal menos al día. La suma de 70 y 180 es 250 kcal menos al día. Si estas cifras se invirtieran (una pérdida de 17.5 g de grasa y 20 g de carbohidrato), entonces la pérdida diaria sería de 237.5 kcal, un poco menos de 10% requerido.

4. La respuesta es E. Aunque la niacina es una vitamina, puede sintetizarse de forma limitada a partir de triptófano. Ninguna de las otras vitaminas indicadas puede sintetizarse en el ser humano en ninguna medida.

5. La respuesta es E. Tanto fructosa como galactosa pueden convertirse en glucosa sanguínea en ausencia de fosfoenolpiruvato carboxicinasa, pero esta enzima es necesaria para la conversión de lactato en glucosa sanguínea. El glucógeno muscular no se convierte en glucosa sanguínea. La PEPCK convierte oxaloacetato en PEP, y se usa para evitar el paso irreversible de la piruvato cinasa en la glucólisis. Ni el metabolismo de la fructosa ni el de la galactosa necesita generar piruvato para producir glucosa, así que su vía gluconeogénica no requiere PEPCK. Sin embargo, el lactato es convertido en piruvato en su primer paso de gluconeogénesis, así que se requiere PEPCK para convertir lactato en glucosa.

6. La respuesta es C. El pH y el pK se relacionan como sigue: pH 5 pK  log ([A2][HA]). Así, cuando las concentraciones de un ácido débil y su base conjugada son iguales, el pH es igual al pK. El pK se define como el pH al que [A2] 5 [HA].

7. La respuesta es E. Conforme a la ecuación de Michaelis-Menten, la velocidad (v) se relaciona con la concentración de sustrato, [X], como sigue: v 5 Vm [X](Km  [X]). Si se usan todas las concentraciones (en nanomoles), se obtiene 4 5 (10 3 2 000)(Km  2 000). Esto da 4 Km  8 000 5 20 000. 4 Km 5 20 000 2 8 000 5 12 000. Km 5 12 0004 5 3 000 nM, que es 3.0 μM.

8. La respuesta es D. La ordenada al origen (1Vm) es la misma para la enzima normal y la del paciente, y por tanto las enzimas tienen la misma Vm. Sin embargo, las abscisas al origen (21Km) difieren. La enzima normal tiene Km de 1 μM, mientras que la del paciente tiene Km de 5 μM. Por ello, se requiere más TPP para saturar la enzima del paciente, y elevar los valores corporales de tiamina debe hacer que más de la enzima del paciente esté en el complejo activo. La mutación puede estar en el sitio de unión para TPP, lo que reduce su afinidad por la enzima.

9. La respuesta es A. La acetil-CoA, que contiene ácido pantoténico como parte de su componente coenzima A, es un sustrato para la citrato sintasa. Si los valores de coenzima A fueran limitantes debido a la reducción de los valores de ácido pantoténico, no podría sintetizarse acetil-CoA, y la reacción de la citrato sintasa se frenaría. La otra enzima del ciclo de los TCA que requiere ácido pantoténico (como parte de la coenzima A) es la -cetoglutarato deshidrogenasa, que convierte -cetoglutarato en succinil-CoA, dióxido de carbono y NADH.

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Bioquímica, biología molecular y genética

10. La respuesta es D. Los eritrocitos usan glucosa (vía glucólisis) como su única fuente de energía porque no tienen un ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA) activo; carecen de mitocondrias. Los otros tejidos tienen mitocondrias y pueden usar otros combustibles. Aunque el encéfalo puede reducir en 40% su consumo de glucosa en condiciones de inanición, la mayor parte de las necesidades energéticas del encéfalo aún son cubiertas por glucosa. Los eritrocitos no pueden reducir su dependencia respecto de la glucosa en ninguna circunstancia, ya que los eritrocitos maduros carecen de mitocondrias y siempre generan su energía por glucólisis.

11. La respuesta es A. La hemoglobina contiene dos cadenas  y dos , que se combinan para formar la estructura cuaternaria. Cada mol de una subunidad se une a 1 mol de hem, que se une a 1 mol de O2. Por lo tanto, 1 mol de HbA se une a 4 mol de O2, y contiene 4 mol de hem y 4 mol de hierro. Tanto los protones (al crear un pH reducido) como el 2,3-bisfosfoglicerato estabilizan la forma desoxigenada de HbA. El monóxido de carbono (CO) tiene mayor afinidad (unas 250 veces) por el hierro del hem que el oxígeno, aunque la histidina distal está presente para forzar al CO a unirse al hierro a un ángulo.

12. La respuesta es C. El hombre indigente tiene escorbuto debido a falta de vitamina C en su alimentación. La vitamina C es un cofactor necesario para la hidroxilación de prolina y lisina con la molécula de colágeno. La falta de hidroxiprolina reduce la estabilidad del colágeno debido a reducción de la capacidad de formar enlaces de hidrógeno dentro de la triple hélice del colágeno. La falta de vitamina C no afecta la formación de enlaces disulfuro, necesaria para iniciar la síntesis de la triple hélice dentro de la célula. La fibrilina no es alterada por la falta de vitamina C; es la proteína que muta en el síndrome de Marfan.

13. La respuesta es B. El escorbuto se debe a falta de vitamina C, la cual se obtiene de los cítricos, que han faltado en la alimentación. Es posible que el paciente también tenga deficiencia de las otras vitaminas enumeradas, pero la falta de éstas no causará los síntomas característicos del escorbuto.

14. La respuesta es D. Después de un ayuno de toda la noche, se liberan ácidos grasos del tejido adiposo, son oxidados por el músculo (pero no por el encéfalo), y convertidos en cuerpos cetónicos en el hígado. La glucosa aún es el combustible de elección para los eritrocitos (dado que carecen de mitocondrias) y el encéfalo (el cual no comienza a hacer algún uso de cuerpos cetónicos sino hasta unas 72 h después del inicio del ayuno).

15. La respuesta es C. El aminoácido iniciador de la síntesis de proteína en los eucariotes es la metionina; los procariotes usan N-formilmetionina como el aminoácido iniciador. Sólo en los procariotes ocurre el acoplamiento de transcripción-traducción, ya que en los eucariotes la membrana nuclear hace necesario exportar el mRNA del núcleo al citoplasma para comenzar la traducción. Los ribosomas eucarióticos son de 80 S (una combinación de la subunidad ribosómica pequeña de 40 S y la subunidad ribosómica grande de 60 S), mientras que los ribosomas procarióticos son de 70 S (30 S y 50 S). La síntesis de proteínas eucarióticas ocurre en el citoplasma y el retículo endoplásmico rugoso (en el caso de proteínas dirigidas y secretoras).

16. La respuesta es A. La secuencia mostrada es la cadena codificadora del DNA, así que debe ser convertida en RNA (se sustituye T por U, pero por lo demás la secuencia es idéntica a la del DNA) a fin de leer el código de tripletes. El primer codón sería CGU, que codifica arginina (R). No hay un codón de terminación en el marco de lectura de esta secuencia. Los aminoácidos de las respuestas se representan con el código de una sola letra.

17. La respuesta es C. El gen mutante tiene una inserción de cuatro bases (TATC) a partir de la posición 9. En consecuencia, ocurre un corrimiento del marco de lectura, y el gen mutante codifica una proteína con una secuencia de aminoácidos distinta más allá de este punto. La inserción hace que la secuencia TGA en la posición 22 tenga el mismo marco de lectura. Esto corresponde a UGA, un codón de terminación en el mRNA. Por lo tanto, la proteína mutante será más corta que la normal. La mutación no causa una sustitución conservativa o no conservativa de un solo aminoácido, ni la producción de una proteína de tamaño normal o ampliada.

18. La respuesta es E. Dado que no se produce síntesis de RNA a la temperatura no permisible, con mayor probabilidad hay un problema con la RNA polimerasa que inicia la transcripción. La RNA



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polimerasa no se une directamente al DNA en la región promotora, sino que se unirá a TFIID (que contiene la proteína de unión TATA), que se une al DNA. Así, la mejor respuesta es una mutación en uno de los componentes de TFIID, la cual impide la unión apropiada de TFIID al DNA, o a la RNA polimerasa. Encasquetamiento y empalme ocurren en moléculas de RNA que ya se han sintetizado, y la falta de cualquiera de estas actividades no bloqueará la transcripción (aunque la falta de actividad puede afectar la estabilidad del RNA producido). La ribonucleótido reductasa produce dNTP, que no se requieren para la síntesis de RNA.

19. La respuesta es B. El uracilo en el DNA proviene de la desaminación espontánea de la base citosina, que crea un par de bases U:G interno. En condiciones normales, el U se elimina y es sustituido por C, pero la mutación en esta línea celular no permite corregir este error de apareamiento. Por lo tanto, cuando el DNA se duplica, una de las células hijas contiene un par de bases U:A en esta posición, que se convertirá en un par de bases T:A después de la reparación o de otra ronda de replicación. El cambio del par de bases C:G a una T:A causará mutaciones, y con el tiempo la muerte de la célula.

20. La respuesta es E. Es necesario eliminar la base uracilo mediante reparación por escisión de bases. En este método, la base dañada es eliminada por una glucosilasa (uracil-DNA glucohidrolasa). Luego una endonucleasa escinde el sitio apirimidínico (AP). Los nucleótidos son eliminados y sustituidos por una DNA polimerasa, y la DNA ligasa sella la región reparada al resto de la cadena de DNA. La transcriptasa inversa usa una plantilla de RNA para sintetizar DNA, y no interviene en la reparación por escisión de bases.

21. La respuesta es C. La secuencia génica se lee de 5 a 3 y de abajo arriba en el gel. Las secuencias normal y mutante son las mismas excepto por una mutación puntual que convirtió una A en una T. Así, el gen #1 contiene la secuencia 5-GAATTC-3, que es escindida por EcoR1, pero el gen #2 no la contiene. Por lo tanto, EcoR1 es la enzima que permite observar el polimorfismo, y el gen #1 es el gen mutante. Kpn1 no cortaría en el interior de las secuencias mostradas en los geles. Kpn1 se usó para cortar estas dos secuencias a partir de los fragmentos más grandes de DNA. En ambas muestras se aprecia, en el extremo 5, la misma secuencia AGAA, que es parte del sitio de escisión Kpn1.

22. La respuesta es B. Los fragmentos de Okazaki se sintetizan en la cadena retrasada en el sentido 5 a 3, alejándose de la horquilla de replicación y copiando la cadena progenitora de DNA en el sentido 3 a 5. Esto se debe a la actividad de la DNA polimerasa III. La síntesis comienza con un cebador de RNA (creado por la DNA primasa) al cual los DNA precursores son unidos por la polimerasa III. El RNA es separado después por la actividad de 5-3 exonucleasa de la DNA polimerasa I, y sustituido por DNA, y los fragmentos son unidos por DNA ligasa. Una mutación en la DNA polimerasa I sería la causa de las observaciones, ya que la DNA ligasa no unirá un ribonucleótido a un desoxirribonucleótido.

23. La respuesta es C. Después de 2 h de ayuno, la glucemia es mantenida por la glucogenólisis hepática, que es complementada después por la gluconeogénesis en el hígado. Sin embargo, luego de alrededor de un día de ayuno, el glucógeno hepático se agota, por lo que en lo sucesivo la gluconeogénesis es la única encargada de mantener la glucemia. El músculo carece de glucosa6-fosfatasa, así que no exporta glucosa libre para mantener la glucemia, ya sea por glucogenólisis o gluconeogénesis. La glucólisis metaboliza glucosa, no la produce. La vía de las pentosas fosfato (vía de la lanzadera de monofosfato de hexosa) no produce glucosa para exportación.

24. La respuesta es C. Después de un ayuno de una noche, la glucogenólisis y la gluconeogénesis actúan para mantener la glucemia en una persona normal. Ambas vías producen glucosa-6-fosfato y requieren glucosa-6-fosfatasa para generar glucosa libre. Si la fosfatasa se inhibe, la glucemia será menor, y las reservas hepáticas de glucógeno mayores de lo normal. (En caso de deficiencia genética de glucosa-6-fosfatasa, se presenta un conjunto similar de circunstancias, y el individuo tiene una enfermedad por almacenamiento de glucógeno: enfermedad de von Gierke.) Debido a la disminución de la glucemia, la cantidad de ácidos grasos en la circulación aumentará a causa de la activación de lipasa sensible a hormona por la proteína cinasa A.

25. La respuesta es B. Ya que hay dos copias (alelos) de este gen en el genoma, en cada persona se producen dos fragmentos que contienen este gen. Estos dos fragmentos de restricción tienen un

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Bioquímica, biología molecular y genética número diferente de repeticiones en tándem; un fragmento se hereda de la madre y el otro del padre. El niño recibió el fragmento de 9 kb de la madre. Un fragmento de 8.5 kb sólo pudo provenir de F2; por lo tanto, éste es con mayor probabilidad el padre.

26. La respuesta es C. La lipasa pancreática cataliza la degradación de los triacilgliceroles de los alimentos a ácidos grasos libres y 2-monoacilgliceroles, un paso esencial en la digestión de los lípidos ingeridos. Dado que las prostaglandinas se producen a partir de linoleato, un ácido graso esencial presente en los triacilgliceroles de las plantas comestibles (o los aceites vegetales), una deficiencia de lipasa pancreática con el tiempo causaría deficiencia de prostaglandinas. Puesto que los triglicéridos no pueden digerirse, se encontrarían en las heces, creando esteatorrea. Las concentraciones de quilomicrones serían bajas, ya que los triglicéridos de los alimentos no se digerirían, y sus ácidos grasos y 2-monoacilglicerol no entrarían en las células del epitelio intestinal para producir quilomicrones. Los pacientes con fibrosis quística pueden presentar esteatorrea, pero ésta se debe a bloqueo de los conductos pancreáticos por mucosa seca, lo cual impide que las enzimas digestivas lleguen a la luz intestinal. Un inhibidor dirigido contra la lipasa pancreática no afectaría CFTR, la proteína mutante en la fibrosis quística.

27. La respuesta es D. Para una serie de reacciones acopladas, los valores individuales de ΔG° pueden sumarse a fin de obtener el valor de ΔG° para la reacción global. Esto da un total de 10.9 kcalmol para la conversión de malato en isocitrato.

28. La respuesta es C. ΔG° 5 22.303 RT log Keq. Para la conversión de isocitrato en malato,

ΔG° 5 0.9 y log Keq es negativo. Por lo tanto, Keq es  1. Una manera alterna de analizar esta pregunta consiste en advertir que ΔG° es un valor positivo, lo cual significa que la reacción global es termodinámicamente desfavorable. Para una reacción desfavorable, el cociente de la concentración del producto sobre la concentración del reactivo en equilibrio sería  1 (un valor de 1 significaría que el [producto] 5 [sustrato], y el ΔG° sería 0).

29. La respuesta es C. Una disminución en la concentración de ATP estimula los procesos que generan ésta. El gradiente de protones de un lado a otro de la membrana mitocondrial interna disminuye; la oxidación de NADH por la cadena transportadora de electrones aumenta; y la utilización de combustible se eleva. Se oxida palmitato, y la glucólisis aumenta debido a la activación de PFK-1 por AMP. Como el ATP disminuye, el AMP se incrementa debido a la reacción de la adenilato cinasa, en la cual el 2 ADP puede reaccionar para producir ATP y AMP (o viceversa). La producción de lactato aumentará al continuar la carrera, en la cual la aceleración (“sprints”) requerirá de la glucólisis anaeróbica para generar energía, lo cual produce lactato.

30. La respuesta es D. Si los citocromos se inhiben, disminuyen la producción de ATP, el potencial electroquímico, la producción de calor por oxidación de NADH, y la oxidación de succinato, ya que no se permite el flujo de electrones. La rápida caída de la concentración de ATP causará la muerte celular.

31. La respuesta es D. El niño tiene deficiencia hereditaria de piruvato cinasa. Este paso convierte fosfoenolpiruvato (PEP) en piruvato, con producción de ATP. Una deficiencia de piruvato cinasa frenaría la glucólisis, y se produciría menos ATP. El cociente NADHNAD+ aumentaría porque menos piruvato estaría disponible para la conversión en lactato (la reacción en la cual el NADH es reconvertido en NAD+). Los intermediarios de la glucólisis antes del paso bloqueado se acumularían, y el glucosa-6-fosfato inhibiría la hexocinasa. Debido a la falta de ATP, el lapso de vida de las células disminuiría. Los ácidos grasos no pueden usarse como fuente de energía porque los eritrocitos carecen de mitocondrias, que son el sitio de la oxidación de ácidos grasos.

32. La respuesta es B. El niño tiene enfermedad de McArdle debido a la falta de actividad de fosforilasa muscular. En este trastorno, el glucógeno muscular no puede oxidarse durante el ejercicio y se ­acumula en el músculo. En tal caso, los valores de lactato serían bajos, y la persona podría no tolerar la actividad física intensa breve y para obtener energía dependería de combustibles de la sangre (glucosa, ácidos grasos y cuerpos cetónicos). La persona podría realizar ejercicio ligero por lapsos prolongados, usando estos combustibles sanguíneos. El hígado no sería afectado, porque contiene una isozima fosforilasa distinta. Mientras que una mutación en la PFK-1 muscular también puede causar estos síntomas (enfermedad de Tarui), una deficiencia de PFK-1 también provoca anemia



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hemolítica, debido al bajo rendimiento de ATP de la glucólisis en los eritrocitos a causa de la falta de actividad de PFK-1 en esas células. No se observó anemia hemolítica en el paciente descrito en esta pregunta. La glucosa-6-fosfatasa sólo se encuentra en el hígado (no en el músculo), y una mutación en dicha enzima afectará la glucemia en ayuno, no la tolerancia al ejercicio.

33. La respuesta es B. El niño tiene enfermedad de McArdle, una deficiencia de la glucógeno fosforilasa muscular, que es un trastorno autosómico recesivo. Para que el niño tenga la enfermedad, ambos progenitores deben ser portadores (ninguno de ellos presenta el trastorno, ya que no expresan la intolerancia al ejercicio característica). Hay una probabilidad de 50% de que cada progenitor transmita el alelo mutante al siguiente hijo, y para que ambos progenitores lo hagan al mismo tiempo la probabilidad es de 50 3 50%, o 25% (probabilidad de 1 en 4 de que el niño sea homocigoto para el alelo mutante).

34. La respuesta es C. La mujer tiene deficiencia de lactasa y no puede convertir lactosa (el disacárido de la leche y los productos lácteos) en glucosa y galactosa. La lactosa viaja por los intestinos y es metabolizada por bacterias presentes en el colon, lo que produce los síntomas que la mujer exhibe. Una deficiencia de amilasa causaría incapacidad de digerir almidón, no sólo lácteos. La glucoamilasa también rompe solamente enlaces glucosa-glucosa, no lactosa. Las deficiencias en fructocinasa o aldolasa B provocaría deficiencias en el metabolismo de fructosa, de modo que la causa sería comer alimentos que contengan sacarosa (como fruta) no productos lácteos.

35. La respuesta es C. Debido a la incapacidad de la paciente de metabolizar productos lácteos, y a que los evita, es probable que tenga deficiencia de calcio debido a su dieta. La lactasa es una enzima digestiva que degrada lactosa a galactosa y glucosa. Sin embargo, la galactosa no es esencial en la alimentación. Puede producirse a partir de glucosa y sería metabolizada normalmente en esta mujer. El glucosa-6-fosfato es convertido en glucosa-1-fosfato, y utilizado luego para formar el nucleótidoazúcar UDP-glucosa, que es epimerizado para formar UDP-galactosa. Éste se combina con glucosa libre para formar lactosa. Debido a la incapacidad de la mujer de obtener galactosa de los alimentos, tendría bajos valores de galactosa-1-fosfato. Las concentraciones elevadas de fructosa-1-fosfato se deben a una mutación de la aldolasa B, que es una enzima distinta de la lactasa. Se esperaría que la mujer metabolizara fructosa normalmente.

36. La respuesta es D. La paciente, al no tomar nada de insulina por cuatro días, pero comer de manera normal, desarrolló cetoacidosis diabética. Tanto glucosa como cuerpos cetónicos serían elevados en la sangre. Los valores de insulina son muy bajos, debido a la falta de producción de insulina en el páncreas, y la falta de inyecciones de insulina. La ausencia de insulina impidió la captación de glucosa circulante por músculo y grasa, e indicó al hígado que produjera cuerpos cetónicos. Dado que el encéfalo tenía valores adecuados de glucosa para usar, no se utilizaron los cuerpos cetónicos, y se acumularon en la circulación, causando la caída del pH sanguíneo y el desarrollo de acidosis.

37. La respuesta es A. La paciente se tratará con insulina para revertir los efectos de la cetoacidosis diabética. La insulina estimula la activación de piruvato cinasa (por desfosforilación), piruvato deshidrogenasa y fosfofructocinasa 2 (PFK-2, la actividad de cinasa, también por desfosforilación). Entonces la PFK-2 cataliza la formación de fructosa-2,6-bisfosfato, que es un activador de PFK-1 y un inhibidor de la fructosa-1,6-bisfosfatasa, una enzima gluconeogénica. Así, de las enzimas enumeradas, sólo la fructosa-1,6-bisfosfatasa presentará reducción de su actividad cuando se administre insulina a la paciente.

38. La respuesta es C. Los glucosaminoglucanos (mucopolisacáridos) de los proteoglucanos contienen largas cadenas de unidades disacárido repetitivas unidas de manera covalente a una proteína. Se produce sulfatación después de que los monosacáridos se incorporan en la cadena de glucosaminoglucano. Los proteoglucanos son degradados por enzimas lisosómicas. Las deficiencias de estas enzimas causan enfermedades conocidas como mucopolisacaridosis.

39. La respuesta es D. La lactosa y la sacarosa son digeridas por disacaridasas en el borde en cepillo de las células del epitelio intestinal. El almidón es digerido por -amilasa salival y pancreática. De este modo, su digestión sería afectada por la falta de jugo pancreático, ya que faltaría amilasa pancreática en la luz intestinal. La grasa sólo se digiere en la luz intestinal utilizando lipasa y colipasa

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Bioquímica, biología molecular y genética pancreáticas. En ausencia de estas enzimas en la luz intestinal, el triglicérido no puede digerirse, no se producen ácidos grasos y 2-monoacilglicerol para su absorción, y los triglicéridos saldrán del organismo en las heces. Un dato común en la fibrosis quística es la esteatorrea. El páncreas también libera enzimas proteolíticas (como tripsinógeno, quimotripsinógeno y proelastasa), y por tanto la digestión de proteínas en el intestino también se vería afectada si el conducto colédoco estuviera bloqueado. La digestión por pepsina de proteínas ingeridas aún ocurriría en el estómago, pero los péptidos producidos por la pepsina tendrían dificultad para ser hidrolizados en la luz intestinal.

40. La respuesta es D. La niña es la hermana no afectada de un individuo que expresa una enfermedad autosómica recesiva (fibrosis quística, FQ). Por lo tanto, hay una probabilidad de dos en tres (67%) de que la niña porte un alelo FQ mutante. Una de las cuatro posibilidades es que el niño herede ambos alelos mutantes de los progenitores. Dado que su hermana no expresa los síntomas de FQ, esto no ocurrió. Ello deja tres posibles genotipos de la hermana, dos de los cuales incluyen la herencia de un alelo mutante de la madre o del padre. El tercer genotipo es la herencia del gen de tipo silvestre de ambos progenitores.

41. La respuesta es D. En esta situación, las sales biliares no podrían entrar en el tubo digestivo. Por lo tanto, disminuirían reciclaje y excreción de sales biliares, digestión de grasas, y formación de quilomicrones. En consecuencia, aumentaría la grasa en las heces (esteatorrea). La síntesis de VLDL, que depende del consumo de carbohidratos en los alimentos, no sería afectada en estas condiciones, ya que el triglicérido de la VLDL proviene en mayor medida de triglicéridos endógenos, no de los obtenidos de los alimentos.

42. La respuesta es C. La mujer experimenta una crisis de cetoacidosis diabética. La acetona en su aliento se produce por descarboxilación de acetoacetato, uno de los cuerpos cetónicos. Su glucemia sería alta porque sus valores de insulina son demasiado bajos para estimular el transporte de glucosa al músculo y tejido adiposo, y para estimular la síntesis de glucógeno y triacilglicerol en el hígado. La inyección de insulina reduciría la glucemia y la liberación de ácidos grasos desde triacilgliceroles de tejido adiposo. En consecuencia, la producción de cuerpos cetónicos disminuiría. La administración de glucagon empeoraría su estado al elevar sus valores sanguíneos de glucosa y cuerpos cetónicos. Dado que éstos son ácidos, el pH sanguíneo sería < 7.4, y podría llegar a apenas 6.8, punto en el cual la acidosis pone en peligro la vida.

43. La respuesta es C. La síntesis de ácidos grasos es máxima en el estado posprandial, cuando la insulina es elevada y el cociente glucagon:insulina es bajo. La glucosa es convertida en citrato, que pasa de la mitocondria al citosol, donde se degrada a oxaloacetato y acetil-CoA. La enzima reguladora acetil-CoA carboxilasa requiere biotina, y convierte acetil-CoA en malonil-CoA, que aporta las unidades de dos carbonos para la elongación de la cadena ácido graso por el complejo de la ácido graso sintasa. Así, biotina (para la reacción de carboxilación) y coenzima A (para producir acetil-CoA) son los cofactores requeridos para la síntesis de ácidos grasos. El NADPH aporta equivalentes reductores. El principal producto del complejo de la ácido graso sintasa es ácido palmítico.

44. La respuesta es D. El citrato transporta unidades acetilo de la mitocondria al citosol. El NADPH es proporcionado por la vía de las pentosas fosfato y la enzima málica. El ácido fosfatídico es un intermediario en la síntesis de triglicérido. El 2-monoacilglicerol sólo se produce en células intestinales. La porción glicerol del triglicérido puede provenir de glicerol (en el hígado, ya que es el único tejido que expresa glicerol cinasa) o de dihidroxicetona fosfato (en otros tejidos).

45. La respuesta es C. La lipasa sensible a hormona del tejido adiposo es responsable de iniciar la degradación de triglicéridos. La enzima es activada por glucagon vía un proceso mediado por cAMP (la activación de proteína cinasa A). Así, las mutaciones en PKA o receptor de glucagon pueden interferir en la eventual fosforilación y activación de la lipasa sensible a hormona. La adenilato cinasa no interviene en esta cascada (aunque estaría implicada una mutación en la adenilato ciclasa, ya que es la enzima que produce cAMP). El receptor de insulina promueve la síntesis y el almacenamiento de triglicérido en el adipocito, así que una mutación en el receptor de insulina no promovería la degradación de triglicérido. La glicerol cinasa sólo se expresa en el hígado y no se presenta en células adiposas.



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46. La respuesta es E. Con base en los síntomas que la familia exhibe, el diagnóstico más probable es hipercolesterolemia familiar, debida a una mutación en el receptor de LDL. Los individuos homocigotos para esta mutación tendrían una concentración aún mayor de colesterol circulante, y presentarían ataques cardiacos a mucho menor edad. Una mutación en la HMG-CoA reductasa (el blanco de las estatinas) reduciría la síntesis de colesterol dentro de las células, y causaría la regulación a la alza de los receptores de LDL, lo que en realidad reduciría los valores de colesterol circulante, no los elevaría. La HMG-CoA liasa es necesaria para la síntesis de cuerpos cetónicos, pero no interviene en el metabolismo del colesterol. Una mutación en la apolipoproteína B48 afectaría el metabolismo de los quilomicrones, pero no alteraría el metabolismo de VLDL o LDL. Una mutación en la proteína microsómica transportadora de triglicérido provoca abetalipoproteinemia, que es la falta de síntesis de quilomicrones y VLDL. Los valores de LDL no se elevan en estos trastornos.

47. La respuesta es C. Las estatinas inhiben la HMG-CoA reductasa, que cataliza el paso determinante de la velocidad de la biosíntesis de colesterol. La inhibición de la HMG-CoA reductasa incrementa la concentración celular de HMG-CoA y reduce el escualeno (un intermediario más allá de este paso) y colesterol. La disminución del valor de colesterol en las células hace que la actividad de ACAT disminuya (lo que incide en la formación de ésteres de colesterol) y que la síntesis de receptores de LDL aumente. El incremento en el número de receptores hace que se capte de la sangre más LDL. En consecuencia, la concentración sanguínea de colesterol disminuye, pero la de triacilglicerol no lo hace mucho, ya que la LDL no contiene gran cantidad de triacilglicerol.

48. La respuesta es B. Si el hermano o hermana hereda un alelo mutante para el receptor de LDL de cada progenitor, la concentración de colesterol será tan alta que tendrá el primer infarto de miocardio antes de cumplir 20 años. Las estatinas no reducirán los valores de colesterol en estos pacientes, ya que no hay receptores de LDL funcionales que regular a la alza. Dado que el trastorno es autosómico recesivo, la probabilidad es de uno en cuatro (25%) de que el hermano o hermana herede el alelo mutante de ambos progenitores.

49. La respuesta es A. Las sales biliares se sintetizan a partir de colesterol, pero sólo en el hígado. Glicina o taurina (no serina) se conjugan con el grupo carboxilo en la cadena lateral para reducir el pKa del grupo ácido carboxílico. Por lo tanto, la molécula consiste en una porción hidrófoba y una alifática, y se considera anfipática. Ocurre ionización con un pK de alrededor de 4 para los glicoconjugados y de 2 para los tauroconjugados. Por arriba de esos pK, portan carga negativa y son más eficaces como detergentes. Las sales biliares se secretan en la bilis, participan en la digestión de los lípidos, se reabsorben en el íleon y son recicladas por el hígado.

50. La respuesta es A. Si la actividad de argininosuccinato sintetasa es baja, menos citrulina de lo normal se convertirá en argininosuccinato. Los valores de citrulina aumentarán y ésta se excretará en la orina. Una deficiencia de CPSI u OTC reduciría esos valores. Una deficiencia de formiminotransferasa incrementaría el FIGLU en la orina. Una deficiencia de arginasa elevaría la arginina, que se excretaría. El niño tiene un error congénito en la argininosuccinato sintetasa, que reduce su actividad.

51. La respuesta es E. El niño tiene deficiencia de ornitina transcarbamoilasa, el defecto hereditario más común en el ciclo de la urea. Se acumula ácido orótico debido a la estimulación de la síntesis citoplásmica de pirimidina, que requiere carbamoil fosfato. Las mitocondrias acumulan carba­moil fosfato (dado que éste no puede condensarse con ornitina para formar citrulina), y el carbamoil fosfato escapa al citoplasma, evita el paso comprometido de síntesis de pirimidina, y comienza a producir en exceso ácido orótico, un intermediario de la vía de formación de UMP. El gen de OTC se localiza en el cromosoma X, y el trastorno se considera recesivo ligado al sexo. Las mujeres pueden expresar una forma leve de la enfermedad, pero eso se debe principalmente al efecto de inactivación X al azar al principio de la embriogénesis.

52. La respuesta es F. Durante el ayuno, el músculo genera piruvato (lo cual requiere actividad funcional de piruvato cinasa), que se transamina con un aminoácido para formar alanina, que viaja al hígado a fin de llevar el nitrógeno para su disposición en el ciclo de la urea, y los carbonos para la gluconeogénesis. La glucosa producida en el hígado puede exportarse y ser usada por el músculo u otros tejidos. La gluconeogénesis hepática, a partir de piruvato, no requiere actividad

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Bioquímica, biología molecular y genética de piruvato cinasa (piruvato carboxilasa y PEP carboxicinasa son las enzimas que se usan para convertir piruvato en PEP). La citrato sintasa y la piruvato deshidrogenasa no son necesarias en músculo o hígado como parte del ciclo de glucosa-alanina.

53. La respuesta es A. El niño tiene el trastorno recesivo homocistinuria, en el cual se acumula homocistina (por acumulación de homocisteína). La homocisteína se produce cuando la S-adenosilhomocisteína (SAH) libera adenosina. La homocisteína se usa en la síntesis de cistationina, que requiere la enzima cistationina -sintasa. La homocisteína acepta un grupo metilo (del N5-metiltetrahidrofolato vía vitamina B12) para formar metionina. La homocistinuria clásica se debe a un defecto en la cistationina -sintasa, que requiere piridoxal fosfato como cofactor. Más a menudo, la mutación en la enzima reduce la afinidad del cofactor por la enzima. Elevar la concentración celular de piridoxal fosfato mediante dosis farmacológicas de vitamina B6 puede vencer la reducción en la actividad de la enzima y abatir los valores de homocisteína y homocistina. Ninguna de las otras enzimas enumeradas como opciones recuperaría su actividad en presencia de grandes cantidades de vitamina B6. Una mutación inactivadora en la S-adenosilhomocisteína hidrolasa reduciría los valores de homocisteína. Un defecto en la metionina sintasa (que requiere vitamina B12) elevaría la concentración de homocisteína, pero no podría revertirse mediante el tratamiento con vitamina B6. Un defecto en la N5,N10-metilentetrahidrofolato reductasa también elevaría los valores de homocisteína, pero esa enzima requiere NADH, y no se recuperaría con concentraciones altas de vitamina B6. Un defecto en la SAM sintetasa incrementaría los valores de metionina, y aumentar la concentración de vitamina B6 no superaría tal mutación.

54. La respuesta es E. El niño exhibe los síntomas de la hiperfenilalanemia o fenilcetonuria (PKU). El niño nunca se sometió a pruebas en busca del trastorno durante la lactancia, y ahora presenta síntomas (retardo mental) indicativos de las altas concentraciones sanguíneas de fenilalanina. Debido a estas concentraciones, ocurre alguna transaminación de fenilalanina, lo que genera fenilpiruvato. La PKU puede ser causada por mutaciones en la fenilalanina hidroxilasa (la forma clásica, en la cual la fenilalanina es convertida en tirosina), que requiere el cofactor tetrahidrobiopterina (THB); ésta dona electrones durante la reacción para formar dihidrobiopterina (DHB). La DHB es reconvertida entonces en THB por la dihidrobiopterina reductasa. Una mutación en esta enzima reducirá de manera significativa la concentración funcional de THB, de modo que la reacción de la fenilalanina hidroxilasa no podrá ocurrir, con el resultado de PKU no clásica, que es la enfermedad que el paciente exhibe. Una mutación en la tirosinasa causará albinismo (si la isozima está en los melanocitos), y no elevará los valores de fenilalanina. Una mutación en la ácido homogentísico 1,2-dioxigenasa provocará alcaptonuria, una acumulación de ácido homogentísico. La enfermedad de orina en jarabe de arce se debe a un defecto en la -cetoácido de cadena ramificada deshidrogenasa, y no elevará la concentración de fenilalanina. La monoamina oxidasa se utiliza para inactivar diversos neurotransmisores, y su ausencia no aumentará los valores de fenilalanina.

55. La respuesta es D. En la síntesis de cada uno de los compuestos enumerados se produce la descarboxilación de un aminoácido. Las reacciones de descarboxilación de aminoácidos, así como las transaminaciones, requieren piridoxal fosfato. El ácido -aminobutírico (GABA) se sintetiza por descarboxilación de ácido glutámico. La serotonina requiere la descarboxilación de un derivado de triptófano durante su síntesis. Adrenalina y dopamina requieren la descarboxilación de un derivado de tirosina. La histamina se produce por descarboxilación de histidina.

56. La respuesta es A. En la biosíntesis de pirimidina el carbamoil fosfato, producido a partir de glutamina, CO2 y ATP, reacciona con aspartato para formar una base que, luego de la oxidación, reacciona con pirofosfato de fosforribosilo (PRPP) para formar un nucleótido. Este nucleótido es descarboxilado para generar UMP. En la biosíntesis de purina, la base se produce sobre ribosa5-fosfato, que se obtiene a partir de PRPP. Se incorpora glicina en el precursor, y derivados de tetrahidrofolato donan los carbonos 2 y 8 a medida que se forma IMP. La glutamina es un donador de nitrógeno para la biosíntesis de purina y pirimidina. Se requiere aspartato para la síntesis de UMP e IMP. El aspartato también es necesario en la conversión de IMP a AMP. 57. La respuesta es C. El profesor tiene gota, debida a la acumulación de ácido úrico en la sangre y su precipitación en el dedo gordo del pie. La xantina oxidasa interviene en la conversión de las bases purínicas en ácido úrico. Cataliza la oxidación de hipoxantina en xantina y de xantina en ácido



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úrico. Se usa alopurinol como fármaco de mantenimiento en el tratamiento de la gota, y actúa como sustrato suicida que bloquea la actividad de la xantina oxidasa. Esto da por resultado menores concentraciones de ácido úrico (de modo que éste en la sangre no precipitará), y mayores concentraciones de los compuestos más hidrosolubles hipoxantina (derivada de adenina) y xantina (derivada de guanina).

58. La respuesta es B. El paciente carece de actividad de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (G6PDH), y presenta anemia hemolítica al ingerir compuestos que contengan o sean agentes oxidantes fuertes. Las habas contienen vicina y covicina, glucósidos que pueden ser convertidos en agentes oxidantes fuertes por diversos tipos celulares. Los agentes tóxicos oxidarán el glutatión reducido en las membranas eritrocíticas, pero el glutatión oxidado no puede ser reconvertido en la forma reducida, protectora, debido a la falta de NADPH en el eritrocito. La enzima que produce NADPH en esta célula es la G6PDH, y cuando los valores de NADPH son bajos, la glutatión reductasa carece de su cofactor necesario, NADPH. Si bien tanto una deficiencia de piruvato cinasa (baja producción de energía) como una mutación en la espectrina (esferocitosis hereditaria) provocarán anemia hemolítica, estas formas de anemia no son inducidas por agentes oxidantes: éstos siempre están presentes. El eritrocito no contiene las enzimas glucocinasa (la forma eritrocítica es la hexocinasa), piruvato deshidrogenasa y -cetoglutarato deshidrogenasa (se trata de enzimas mitocondriales, y el eritrocito carece de mitocondrias).

59. La respuesta es C. Cuando los eritrocitos son destruidos (p. ej., por lisis o por fagocitosis), la hemoglobina se degrada. La bilirrubina se produce a partir de hem a un ritmo más acelerado. El hígado convierte bilirrubina en el diglucurónido a gran velocidad y lo excreta en la bilis. En el intestino, las bacterias convierten bilirrubina en estercobilinas, que dan su color pardo a las heces. Debido a la gran cantidad de hemoglobina liberada, el hígado se rezaga en metabolizar la hemo­ globina a bilirrubina, y luego agregar residuos del ácido glucurónico a la bilirrubina para incrementar su solubilidad. La bilirrubina no conjugada, que es liposoluble, se difunde en los tejidos e imparte un tono amarillento a la piel y las escleróticas.

60. La respuesta es A. El alelo para la glucosa-6-fosfato deshidrogenasa está en el cromosoma X (el trastorno es recesivo ligado al sexo). Por lo tanto, el hombre no transmitirá su cromosoma X a su hijo, ya que transfiere el cromosoma Y a sus hijos. Todas sus hijas serán portadoras de esta enfermedad.

61. La respuesta es B. El individuo tiene pelagra debido a la falta de niacina en la alimentación. Aunque la niacina de los alimentos es la principal fuente del anillo nicotinamida del NAD, éste también puede producirse a partir de un exceso de triptófano. Tirosina, tiamina, timina y riboflavina no pueden contribuir a la síntesis del anillo nicotinamida del NAD.

62. La respuesta es A. Se requiere piridoxal fosfato para la actividad de glucógeno fosforilasa (fosforólisis de glucógeno a glucosa-1-fosfato), transaminasas (como la transferencia del nitrógeno del aspartato al piruvato para producir oxaloacetato y alanina), reacciones de adición y eliminación  (ejemplificadas por la condensación de serina y homocisteína para formar cistationina) y des­ carboxilaciones de aminoácidos (histidina a histamina). No se requiere piridoxal fosfato para la conversión de homocisteína en metionina, ya que esta reacción requiere N5-metiltetrahidro­ folato y vitamina B12.

63. La respuesta es E. Es más probable que el paciente tenga un tumor secretor de la corteza suprarrenal. La clave para contestar esta pregunta es la concentración de ACTH no detectable, pero elevada de cortisol. En condiciones normales, la liberación de ACTH estimula la liberación de cortisol por la corteza suprarrenal. En ausencia de ACTH, un tumor secretor de la corteza suprarrenal liberaría cortisol, que indica al hígado exportar, y que es lo que causó la hiperglucemia observada en el paciente.

64. La respuesta es C. Puede usarse tiroxina oral para compensar los bajos valores de TSH. La TSH y la ACTH son hormonas polipeptídicas; por lo tanto, serían digeridas por proteasas pancreáticas en el intestino. La vasopresina baja causa la pérdida de agua en la orina (diabetes insípida); por ello debe incrementarse el consumo de agua. Se requiere cortisol, en particular durante el estrés. Se requieren GnRH, FSH y LH para la producción de un óvulo maduro. El estrógeno y la progesterona, tomados solos, suprimirán la ovulación.

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Bioquímica, biología molecular y genética

65. La respuesta es A. La hormona tiroides ejerce realimentación en la adenohipófisis e inhibe la liberación de TSH. Los valores de TSH en este paciente son elevados, y por tanto la concentración de hormona tiroides es demasiado baja y su dosis debe incrementarse.

66. La respuesta es A. Una persona con DM tipo 1 que no usa insulina se comporta metabólicamente como una persona en ayuno, excepto que los valores de glucosa son elevados. La baja concentración de insulina reduce el transporte de glucosa a músculo y adipocitos, aminora la conversión de glucosa en glucógeno y triacilgliceroles en el hígado, y eleva la producción de glucosa por el hígado vía glucogenólisis y gluconeogénesis. Por tanto, la glucemia de la persona con diabetes tipo 1 no tratada será mayor que en la persona normal que acaba de comer.

67. La respuesta es A. Al disminuir la insulina, el glucagon aumenta y estimula glucogenólisis y gluconeogénesis. En una persona que acaba de comer, la concentración de insulina aumenta mientras que la de glucagon disminuye. En el paciente diabético, los valores de glucagon son mayores debido a la ausencia completa de insulina.

68. La respuesta es A. Cuando la insulina es baja y el glucagon alto, los esqueletos de carbono de los aminoácidos derivados de proteína muscular son convertidos en glucosa en el hígado por gluconeogénesis. El nitrógeno de los aminoácidos es convertido en urea. Esto ocurre en el paciente diabético, pero no en el individuo normal que acaba de comer.

69. La respuesta es A. Cuando el cociente insulina:glucagon es bajo, se liberan ácidos grasos del tejido adiposo y son convertidos en cuerpos cetónicos por el hígado. Los valores de cuerpos cetónicos aumentan en el paciente diabético debido a la hiperglucemia, y el encéfalo continúa usando su combustible preferido (glucosa) como fuente de energía en vez de usar los cuerpos cetónicos, también disponibles. El hígado sigue produciendo cuerpos cetónicos, pero el encéfalo no los utiliza para generar energía. El individuo bien nutrido no producirá cuerpos cetónicos en condiciones en que los valores de insulina son elevados (como después de una comida).

70. La respuesta es B. La tetraciclina impide que el aminoacil-tRNA se una al sitio “A” en el riboso­ma. La estreptomicina evita la formación del complejo de inicio, y la eritromicina bloquea la transposición. El cloranfenicol bloquea la formación de enlaces peptídicos en células procariotas.

71. La respuesta es A. La estreptomicina impide la formación del complejo de inicio, mientras que la eritromicina bloquea la transposición. La tetraciclina evita la unión del aminoacil-tRNA al sitio “A” del ribosoma. El cloranfenicol bloquearía la formación de enlaces peptídicos.

72. La respuesta es D. La eritromicina impide la transposición. La tetraciclina evita la unión del aminoacil-tRNA al sitio “A” en el ribosoma. La estreptomicina impide la formación del complejo de inicio, y el cloranfenicol bloquea la formación de enlaces peptídicos en los procariotes.

73. La respuesta es C. El paciente tenía enfermedad de células I, una incapacidad de dirigir enzimas lisosómicas a los lisosomas, que causa la acumulación de material no digerido en estos organelos, la formación de cuerpos de inclusión, y la muerte celular. La enfermedad se debe a la falta de actividad de N-acetilglucosamina fosfotransferasa. Esta enzima usa UDP-N-acetilglucosamina como sustrato y agrega una fosfo-N-acetilglucosamina a un residuo de manosa en enzimas lisosómicas en el aparato de Golgi. Una segunda enzima elimina después la N-acetilglucosamina, dejando atrás manosa-6-fosfato. Ésta se une al receptor de manosa-6-fosfato, que entonces dirige las proteínas a los lisosomas. La membrana plasmática contiene receptores de manosa-6-fosfato, así que cuando las enzimas lisosómicas maduras se agregan al exterior de las células se unen a estos receptores y son enviadas a los lisosomas. La actividad de glucosiltransferasa de la que se carece en la enfermedad de células I sólo se encuentra en el aparato de Golgi.

74. La respuesta es A. Todos los niños tienen mitocondrias defectuosas heredadas de su madre y sufren MELAS (encefalomiopatía mitocondrial con lactoacidosis y episodios tipo evento vascular cerebral). El grado en que los niños expresan estos síntomas depende de la segregación de mitocondrias normales y mutantes durante la embriogénesis (heteroplasmia). El ochenta por ciento de las mutaciones MELAS se deben a alteración en el tRNAleu mitocondrial, que ocasiona traducción incorrecta de proteínas a partir del genoma mitocondrial. Una clave de la herencia mitocondrial es que todos los hijos de una madre afectada tendrán afección variable (expresividad variable,



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aunque el trastorno tiene penetrancia de 100%), mientras que ningún hijo de un padre afectado exhibiría síntomas de la enfermedad.

75. La respuesta es A. El virus del sarcoma de los simios transforma las células por estimulación autocrina. El virus codifica el factor de crecimiento tipo PDGF, que se une a receptores de PDGF celulares y estimula la célula para crecer. Esto se debe a interacciones internas factor de crecimiento-receptor. El factor de crecimiento no necesita salir de la célula para etimular células cercanas (un mecanismo paracrino), ni necesita viajar por la sangre a los tejidos blanco (un mecanismo endocrino).

76. La respuesta es D. La galactosa y la glucosa serían menores en una persona con deficiencia de lactasa, porque la lactosa de la leche no se degradaría a galactosa y glucosa. La sacarosa de los alimentos producirá fructosa y glucosa tanto en la persona con deficiencia de lactasa como en el individuo normal; sin embargo, la falta de producción de glucosa a partir de lactosa dará por resultado una menor glucemia después de la comida en la persona intolerante a la lactosa que en la persona normal.

77. La respuesta es B. La galactosa sería más alta, porque en la galactosemia clásica (deficiencia de uridiltransferasa), la galactosa puede fosforilarse pero no puede metabolizarse más. El galactosa1-fosfato y su precursor, galactosa, aumentan. Este trastorno no afectaría los valores sanguíneos de glucosa o fructosa.

78. La respuesta es C. La fructosa derivada del azúcar de mesa (sacarosa) no se convertiría en fruc­ tosa-1-fostato, y por tanto se acumularía en la sangre y se excretaría en la orina, producien­do fructosuria benigna. Los valores sanguíneos de glucosa y galactosa no son afectados en estas condiciones.

79. La respuesta es C. Una deficiencia de aldolasa B (intolerancia a la fructosa) reduce la capacidad de degradar fructosa 1-fosfato. Este compuesto aumenta en las células hepáticas, y su precursor, fructosa, aumenta en la sangre. La glucosa y la galactosa no serían afectadas en estas condiciones.

80. La respuesta es E. De las enzimas enumeradas, sólo la transcetolasa requiere tiamina para ser activa. La transcetolasa se obtiene con facilidad de los eritrocitos, y al medir su actividad en presencia y ausencia de tiamina exógena, se determina fácilmente si la persona tiene deficiencia de tiamina. Si la adición de tiamina incrementa la actividad de transcetolasa, el paciente tiene deficiencia de tiamina.

81. La respuesta es C. El metabolismo del alcohol genera NADH, y eleva mucho el cociente NADHNAD+. En estas condiciones, las reacciones que utilizan los cofactores NADHNAD+ favorecen el sentido de la reacción que regenera NAD+ de modo que el metabolismo del alcohol pueda continuar. Si se genera piruvato en el hígado (a partir de alanina del músculo), entonces la reacción de la lactato deshidrogenasa procederá en el sentido de la formación de lactato, que utiliza NADH y genera NAD+. Esto reduce la cantidad de piruvato que puede usarse para la gluconeogénesis, y ayuda a inducir la hipoglucemia observada. Las otras reacciones clave para la gluconeogénesis también son afectadas, ya que el oxaloacetato (derivado de aspartato o asparagina) se dirige a la producción de malato (para generar NAD+) y el glicerol-3-fosfato (producido a partir del glicerol obtenido por degradación de triacilglicerol) no es convertido en dihidroxicetona fosfato, ya que esta reacción requiere NAD+, el cual es escaso.

82. La respuesta es E. Debido al alcoholismo crónico del paciente su hígado está dañado, y su capacidad de destoxificar la bilirrubina es baja. La bilirrubina es el producto de degradación de la hemoglobina, que se libera constantemente de los eritrocitos retirados de la circulación por el bazo. A fin de incrementar la solubilidad de la bilirrubina, el hígado la conjuga con dos residuos de ácido glucurónico. Un hígado dañado tiene capacidad reducida de glucuronidar hemoglobina, lo que deja bilirrubina libre en la circulación. La bilirrubina, de color amarillo, es liposoluble y puede difundirse a piel y escleróticas, a las que imparte un tono amarillento. La hemoglobina A1C es hemoglobina glucosilada (adición no enzimática de glucosa) y refleja el control glucémico del paciente. La hemoglobina no se glucuronida.

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Bioquímica, biología molecular y genética

83. La respuesta es B. La anemia por deficiencia de hierro (ferropénica) se caracteriza por eritrocitos pequeños y pálidos. La falta de hierro reduce la síntesis de hem, de modo que los eritrocitos no pueden transportar mucho oxígeno (lo que les da el color pálido). Las células son pequeñas para maximizar la concentración de hemoglobina presente en las células. La anemia megaloblástica se debe a deficiencias de vitamina B12 o ácido fólico (la falta de factor intrínseco causará una deficiencia de vitamina B12 llamada anemia perniciosa). Estas células son grandes porque la deficiencia vitamínica interfiere en la síntesis de DNA, y las células duplican su tamaño sin ser capaces de duplicar su DNA. Una vez que la anemia comienza, los grandes blastocitos se liberan de la médula ósea en un intento de controlar la anemia. Se produce anemia hemolítica cuando la membrana eritrocítica se fragmenta, que puede ocurrir con deficiencias de piruvato cinasa o falta de actividad de glucosa6-fosfato deshidrogenasa (lo que reduce la concentración de NADPH). La anemia drepanocítica es causada por una mutación puntual en el gen de la -globina, la cual sustituye un ácido glutámico por valina. 84. La respuesta es A. Se requiere factor intrínseco para la absorción de la vitamina B12 de los alimentos. La falta de vitamina B12 (o folato) causa anemia megaloblástica. En la deficiencia de vitamina B12 también ocurren problemas neurológicos irreversibles (por desmielinización). Cuando la disminución del factor intrínseco causa deficiencia de vitamina B12, el trastorno se denomina anemia perniciosa. La anemia ferropénica se caracteriza por pequeñez y palidez de los eritrocitos. La falta de hierro reduce la síntesis de hem, de modo que los eritrocitos no pueden transportar mucho oxígeno (lo cual les da el color pálido). Las células son pequeñas para maximizar su concentración de hemoglobina. La anemia hemolítica ocurre cuando la membrana eritrocítica se fragmenta, lo cual puede presentarse con deficiencias de piruvato cinasa o falta de actividad de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (que reduce los valores de NADPH). La anemia drepanocítica es causada por una mutación puntual en el gen de la -globina, que sustituye un ácido glutámico por valina.

85. La respuesta es B. Se requiere piridoxina para la formación de piridoxal fosfato, el cofactor para la primera reacción en la síntesis de hem. La falta de hem significa que los eritrocitos no pueden transportar mucho oxígeno (lo que les da el color pálido). Las células son pequeñas para maximizar su concentración de hemoglobina. La anemia megaloblástica se debe a deficiencias de vitamina B12 o ácido fólico (la falta de factor intrínseco causará una deficiencia de vitamina B12 llamada anemia perniciosa). Estas células son grandes porque la deficiencia vitamínica interfiere en la síntesis de DNA, y las células duplican su tamaño sin ser capaces de duplicar su DNA. Una vez que la anemia comienza, los grandes blastocitos son liberados por la médula ósea en un intento de controlar la anemia. La anemia hemolítica ocurre cuando la membrana eritrocítica se fragmenta, lo cual puede suceder con deficiencias de piruvato cinasa o falta de actividad de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (que da por resultado bajas concentraciones de NADPH). La anemia drepanocítica es causada por una mutación puntual en el gen de la -globina, que sustituye un ácido glutámico por valina.

86. La respuesta es A. La deficiencia de vitamina B12 produce anemia megaloblástica y desmieliniza-

ción de nervios, debido a bajas concentraciones de SAM en el sistema nervioso. Estas células son grandes debido a que la deficiencia vitamínica interfiere en la síntesis de DNA, y las células duplican su tamaño pero no son capaces de duplicar su DNA. Una vez que la anemia comienza, los grandes blastocitos son liberados por la médula ósea en un intento de controlar la anemia. La anemia microcítica hipocrómica puede deberse a falta de hierro o de piridoxal fosfato. Ambos trastornos reducen la síntesis de hem, así que los eritrocitos no pueden transportar mucho oxígeno (lo cual les da su color pálido). Las células son pequeñas para maximizar su concentración de hemoglobina. La anemia hemolítica ocurre cuando la membrana eritrocítica se fragmenta, lo que puede suceder con deficiencias de piruvato cinasa o falta de actividad de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (que da por resultado bajas concentraciones de NADPH). La anemia drepanocítica es causada por una mutación puntual en el gen de la -globina, que sustituye un ácido glutámico por valina.

87. La respuesta es A. La deficiencia de folato causa anemia megaloblástica por disminución en la producción de purinas y la pirimidina timina. Por tanto, la falta de folato reduce la síntesis de DNA. En contraste con lo que ocurre en la deficiencia de vitamina B12, en la deficiencia de folato no se presentan problemas neurológicos. La anemia microcítica hipocrómica puede deberse a falta de hierro o de piridoxal fosfato. Ambos trastornos aminoran la síntesis de hem, de modo que los eritrocitos no pueden transportar mucho oxígeno (lo cual les da el color pálido). Las células



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son pequeñas para maximizar su concentración de hemoglobina. La anemia hemolítica ocurre cuando la membrana eritrocítica se fragmenta, lo cual puede suceder con deficiencias de piruvato cinasa o falta de actividad de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (lo que da por resultado bajos valores de NADPH). La anemia drepanocítica es causada por una mutación puntual en el gen de la -globina, que sustituye un ácido glutámico por valina.

88. La respuesta es C. La deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa reduce la producción de NADPH por la vía de las pentosas fosfato durante el estrés oxidativo. Los componentes de las membranas celulares se oxidan, y se produce anemia hemolítica, ya que el glutatión protector (la forma reducida) no puede regenerarse debido a la falta de NADPH. Puede presentarse anemia microcítica hipocrómica debido a la falta de hierro o de piridoxal fosfato. Ambos trastornos reducen la síntesis de hem, de modo que los eritrocitos no pueden transportar mucho oxígeno (lo que les da el color pálido). Las células son pequeñas para maximizar su concentración de hemoglobina. Ocurre anemia hemolítica cuando la membrana eritrocítica se fragmenta, lo cual puede suceder con deficiencias de piruvato o falta de actividad de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (lo que provoca bajos valores de NADPH). La anemia drepanocítica es causada por una mutación puntual en el gen de la -globina, que sustituye un ácido glutámico por una valina.

89. La respuesta es B. En ausencia de insulina, una persona con DM tipo 1 se comportará metabólicamente como una persona en ayuno prolongado, excepto que la glucemia es elevada. La lipólisis en el tejido adiposo producirá ácidos grasos, que serán convertidos en cuerpos cetónicos en el hígado si la diabetes no se trata. Dado que la glucemia también es elevada, el encéfalo continúa usando glucosa como combustible, y los cuerpos cetónicos se acumulan en la sangre. La fracción MB de la creatina cinasa (CK) es la isozima específica del miocardio, y cuando se daña el tejido cardiaco pueden escapar enzimas intracelulares a la circulación. Las fracciones MB elevadas serían indicativas de infarto de miocardio. La hepatitis y el alcoholismo crónico dañan el hígado, lo que interferirían en el ciclo de la urea, con el resultado de decremento de BUN y aumento de amoniaco en la circulación. La insuficiencia renal causaría disminución de la creatinina en la orina y aumento en la sangre.

90. La respuesta es A. La CK se encuentra en grandes cantidades en las células musculares. Cuando un tejido se daña, las enzimas celulares escapan a la sangre. El músculo cardiaco tiene más isozima MB de la CK que el músculo esquelético (que contiene principalmente la isozima MM) y el encéfalo (que consiste en mayor medida en la isozima BB). En ausencia de insulina, una persona con DM tipo 1 se comportará metabólicamente como si estuviera en ayuno prolongado, excepto que la glucemia será elevada. La lipólisis en el tejido adiposo producirá ácidos grasos, que serán convertidos en cuerpos cetónicos en el hígado si la diabetes no se trata. Dado que la glucemia también es elevada, el encéfalo continúa usando glucosa como combustible, y los cuerpos cetónicos se acumulan en la sangre. La hepatitis y el alcoholismo crónico dañan el hígado, lo que interferiría en el ciclo de la urea, con el resultado de disminución de BUN y aumento de amoniaco en la circulación. La insuficiencia renal causaría reducción de la creatinina en la orina y aumento en la sangre.

91. La respuesta es E. La urea se produce en el hígado. En caso se infección hepática, se produce menos urea y el BUN disminuye. En consecuencia, la concentración de amoniaco aumenta. En ausencia de insulina, una persona con DM tipo 1 se comportará metabólicamente como una sometida a inanición prolongada, excepto que la glucemia será elevada. La lipólisis en el tejido adiposo producirá ácidos grasos, que serán convertidos en cuerpos cetónicos en el hígado si la diabetes no se trata. Dado que la glucemia también es elevada, el encéfalo continúa usando glucosa como combustible, y los cuerpos cetónicos se acumulan en la sangre. La fracción MB de la CK es la isozima específica del miocardio, y cuando se daña el tejido cardiaco pueden escapar enzimas intracelulares a la circulación. Las fracciones MB elevadas serían indicativas de infarto de miocardio. El alcoholismo crónico daña el hígado, lo que interferiría en el ciclo de la urea, con el resultado de disminución de BUN y aumento de amoniaco en la circulación. La insuficiencia renal causaría descenso de la creatinina en la orina y aumento en la sangre.

92. La respuesta es C. Los riñones excretan productos de desecho nitrogenados, incluidos urea, amoniaco, creatinina y ácido úrico. Si los riñones fallan, esos productos de desecho no se excretarán en la orina. La creatinina se excreta en cantidad proporcional a la masa muscular, por lo que una disminución en la excreción de creatinina, sin una pérdida concomitante de la masa muscular, es una

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Bioquímica, biología molecular y genética medida de la insuficiencia renal. En ausencia de insulina, una persona con DM tipo 1 se comportará metabólicamente como si estuviera sometida a ayuno prolongado, excepto que la glucemia será elevada. La lipólisis en el tejido adiposo producirá ácidos grasos, que serán convertidos en cuerpos cetónicos en el hígado si la diabetes no se trata. Dado que la glucemia también es elevada, el encéfalo continúa usando glucosa como combustible, y los cuerpos cetónicos se acumulan en la sangre. La fracción MB de la CK es la isozima específica del miocardio, y cuando se daña el tejido cardiaco pueden escapar enzimas intracelulares a la circulación. Las fracciones MB elevadas serían indicativas de infarto de miocardio. La hepatitis y el alcoholismo crónico dañan el hígado, lo que interferiría en el ciclo de la urea, con el resultado de disminución de BUN y aumento de amoniaco en la circulación.

93. La respuesta es E. La exposición prolongada del hígado a alcohol puede causar cirrosis. Dado que la cantidad de tejido hepático funcional disminuye, la producción de urea se reduce. En ausencia de insulina, una persona con DM tipo 1 se comportará metabólicamente como alguien en ayuno prolongado, excepto que la glucemia será elevada. La lipólisis en el tejido adiposo producirá ácidos grasos, que serán convertidos en cuerpos cetónicos en el hígado si la diabetes no se trata. Ya que la glucemia también es elevada, el encéfalo continúa usando glucosa como combustible, y los cuerpos cetónicos se acumulan en la sangre. La fracción MB de la creatina cinasa (CK) es la isozima específica del miocardio, y cuando se daña el tejido cardiaco pueden escapar enzimas intracelulares a la circulación. Las fracciones MB elevadas serían indicativas de infarto de miocardio. La hepatitis daña el hígado, lo que interferiría en el ciclo de la urea, con el resultado de disminución de BUN y aumento de amoniaco en la circulación. La insuficiencia renal causaría reducción de la creatinina en la orina, y aumento en la sangre.

94. La respuesta es D. El paciente tiene cáncer colorrectal hereditario sin poliposis (CCHSP), que afecta principalmente el lado derecho y se debe a mutaciones en alguno de los siete genes distintos implicados en la reparación de errores de apareamiento (que difieren de las mutaciones del sistema de reparación generalizada del DNA, las cuales causan xerodermia pigmentaria). Todos estos genes son supresores tumorales. Una mutación en el gen APC causaría poliposis adenomatosa del colon, otra forma de cáncer colónico que consiste en muchos pólipos y no se restringe al lado derecho del colon. Las mutaciones en BRCA1 y BRCA2, ambos implicados en la reparación del DNA, se vinculan con cáncer de mama, no de colon. Las mutaciones en el gen Rb no causan cáncer colónico. Si bien el gen ras puede activarse en el HNPCC, no es la mutación iniciadora que causa la enfermedad (la cual se debe a la pérdida de un componente del sistema de reparación de errores de apareamiento del DNA.

95. La respuesta es A. Los genes que causan CCHSP son genes supresores tumorales, pero al analizar el árbol genealógico la enfermedad parece ser autosómica dominante. Esto se debe a la observación de que si un individuo hereda una mutación en uno de los genes implicados en la reparación de errores de apareamiento, la probabilidad de una pérdida de heterocigosidad es cercana al 100%, de modo que la persona contrae la enfermedad. Este acertijo fue identificado por Knudson, quien formuló una hipótesis para explicar la manera en que oncogenes recesivos pueden parecer dominantes en un árbol genealógico. La pérdida de heterocigosidad puede ocurrir de múltiples maneras, pero el resultado final es la pérdida de actividad del alelo funcional, y la pérdida de actividad de reparación de errores de apareamiento.

96. La respuesta es D. Una mutación de ganancia de función en un gen, que puede causar proliferación celular descontrolada, es un oncogén. Una mutación de pérdida de función en un gen, que provoca cáncer, es un supresor tumoral. Las mutaciones en factores de transcripción pueden producir un oncogén, pero la opción D es una mejor respuesta que la C. Las mutaciones en proteínas G se han vinculado con diversos cánceres, pero hay casos específicos. La respuesta oncogén también cubriría estas mutaciones específicas.

97. La respuesta es B. Los bajos niveles de hormona tiroidea resultan en incremento de producción de TSH por la adenohipófisis, en un intento por elevar los niveles de hormona tiroidea.

98. La respuesta es D. La somatostatina, producida por el hipotálamo, inhibe la producción y secreción de somatotropina por la adenohipófisis. La somatostatina también reducirá la secreción de TSH, insulina y glucagón.



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99. La respuesta es A. La dopamina es un inhibidor de la producción y secreción de prolactina. Por tanto, si la dopamina es baja, la adenohipófisis producirá y secretará más prolactina.

100. La respuesta es E. Las bajas concentraciones de aldosterona (que se observan en la enfermedad de Addison) dan por resultado hipotensión arterial.

101. La respuesta es B. La glucosa sanguínea es el principal combustible para el encéfalo, excepto cuando, luego de tres a cinco días de ayuno, los cuerpos cetónicos alcanzan una concentración sanguínea a la cual dicho órgano puede comenzar a utilizarlos. El encéfalo no capta ácidos grasos de manera apreciable, y la oxidación de estos compuestos no le aporta mucha energía. Las reservas de glucógeno del encéfalo son muy pequeñas, y el sistema nervioso no usa alanina como fuente de energía bajo ninguna condición.

102. La respuesta es B. Los eritrocitos carecen de mitocondrias y, por tanto, dependen de la glucosa para sus necesidades energéticas en todas las condiciones. Ni los cuerpos cetónicos ni los ácidos grasos pueden ser metabolizados por los eritrocitos (debido a que carecen de mitocondrias); además, estas células carecen de glucógeno, y no usan alanina como fuente de energía (debido una vez más a la falta de mitocondrias).

103. La respuesta es C. Los ácidos grasos son el principal combustible para el hígado durante el ayuno. El hígado exporta glucosa en ese lapso, de modo que no se usa glucógeno como fuente de energía, ya que los residuos glucosa del glucógeno son exportados a la sangre. El hígado carece de la enzima necesaria para oxidar cuerpos cetónicos a fin de generar energía, y dicho órgano, mediante el ciclo de glucosa-alanina, convertirá los carbonos de la alanina de vuelta en glucosa, y transferirá el nitrógeno de la alanina a la urea.

104. La respuesta es A. El encéfalo usa cuerpos cetónicos después de tres a cinco días de ayuno. Esto se hace a fin de minimizar la degradación de proteína como fuente de carbonos para la gluconeogénesis. Alrededor de 60% de las necesidades de energía del encéfalo aún serán satisfechas por glucosa, pero el otro 40% puede ser cubierto por la oxidación de cuerpos cetónicos. El encéfalo no oxidará ácidos grasos, ya que es difícil que éstos crucen la barrera hematoencefálica, y ese órgano tiene muy baja concentración de glucógeno.

105. La respuesta es D. Los músculos, en particular los que tienen preponderancia de fibras blancas, usan sus re