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Ciencia y Tecnología

5SERIE DIGITAL

Leis et investigareLa bioquímica del estudiante

Eugenio Cálcena Mariana Capello Diego Ferrero

Florencia Iulita Juliana Leone Andrea Lo Ré

Andrés Romanowski

Sandra Goñi Mario LozanoCoordinadores

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UNQ Editorial SERIE DIGITAL Ciencia y Tecnología

Universidad Nacional de Quilmes

RectorDaniel Gomez

VicerrectorJorge Flores

Editorial

Serie DigitalDirectoresMariano Belaich, Departamento de Ciencia y TecnologíaMargarita Pierini, Departamento de Ciencias Sociales

EditorRafael Centeno

ISBN 978-987-558-229-3 libro electrónico

2007

auToReS

Eugenio Cálcena. Licenciado en Biotecnología. Becario (conicet) de doctorado Fundación Pablo Cassará (Laboratorio de Biotecnología Vegetal). Cursó la materia Bioquímica II durante el primer cuatrimestre del año 2004.

Mariana Capello. Licenciado en Biotecnología. Becario (conicet) de doctorado Fundación Pablo Cassará (Laboratorio de Biotecnología Vegetal). Cursó la materia Bioquímica II durante el primer cuatrimestre del año 2004.

Diego Ferrero. estudiante del último año de la Licenciatura en Biotecnología. Tesista en el Instituto Leloir (Laboratorio Dr. Wolosiuk). Cursó la materia Bioquímica II durante el segundo cuatrimestre del año 2005.

Florencia Iulita. estudiante del último año de la Licenciatura en Biotecnología. Pasantía laboral en el Instituto de oncología “Ángel H. Roffo” (unidad de Transferencia Genética). Cursó la materia Bioquímica II durante el segundo cuatrimestre del año 2005.

Andrea Lo Ré. Licenciado en Biotecnología. Becario (ancyt) de doctorado uba (Laboratorio de Fisiología Digestiva, Facultad de Medicina). Cursó la materia Bioquímica II durante el primer cuatrimestre del año 2004.

Andrés Romanowski. Licenciado en Biotecnología. Becario (conicet) de doctorado unq (Laboratorio de Cronobiología). Cursó la materia Bioquímica II durante el segundo cuatrimestre del año 2005.

CooRDINaDoReS

Sandra Goñi. Licenciada en Biotecnología. Becaria de doctorado unq (área temática virología humana). Profesor instructor del Área de Bioquímica de la unq, docente de la asignatura Bioquímica II.

Mario Lozano. Doctor en Ciencias Bioquímicas de la Facultad de Ciencias exactas de la unlp. Director del Departamento de Ciencia y Tecnología de la unq. Profesor asociado del Área de Bioquímica de la unq, docente de la asignatura Bioquímica II.

Índice

Presentación, por Sandra Goñi y Mario Lozano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Introducción, por Mariano N. Belaich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Algo más que orina... Alteraciones en el ciclo de la urea, por Florencia Iulita

y Diego Ferrero . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

La otra cara del glutamato. ¿Qué ocurre entre las neuronas y los astrocitos?,

por Juliana Leone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

¡Calmemos el dolor! Efectos de los antiinflamatorios no esteroides sobre

la enzima ciclo-oxigenasa, por Andrea Lo Ré . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Evolución en acción: el caso de las babosas fotosintéticas,

por Andrés Romanowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Condiciones de vida extrema: organismos que viven de metano,

por Mariana Capello y Eugenio Cálcena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

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Presentación

La palabra leer derivó de la base indoeuropea leis (sendero, camino), y según muchos lin-

güistas lleva implícita la noción de “ganar experiencia siguiendo un camino”.

La palabra investigar proviene del verbo latino investigare, con lo que alude a la

acción de buscar, inquirir, indagar, seguir vestigios o la pista o la huella a alguien o de algo,

averiguar o descubrir alguna cosa. Así, el significado etimológico nos indica la actividad

que nos conduce al conocimiento de algo.

El curso de Bioquímica II constituye una de las primeras asignaturas que deben cur-

sar los alumnos de la Licenciatura en Biotecnología luego de haber recorrido la

Diplomatura en Ciencia y Tecnología de la Universidad Nacional de Quilmes. Al aprobar

esta materia, se espera que los alumnos manejen conceptos esenciales del metabolismo

intermediario y de la acción hormonal, en particular, las formas en que una célula obtiene,

reserva y utiliza la energía necesaria para soportar su vida.

En esta asignatura, además del aprendizaje del conocimiento específico, se busca

incentivar en los estudiantes la práctica del método científico y la actualización bibliográ-

fica constante. También, se procura discutir el rol que un profesional formado en una uni-

versidad pública debería jugar en la sociedad, no solo como agente responsable dentro

del sistema de salud o de producción, sino también como decodificador de los nuevos

paradigmas biológicos que se le ofrecen al público desde los medios de comunicación.

Una situación que se plantea frecuentemente con los alumnos, es la de ponerse en el

lugar de necesitar transmitir a la sociedad, con rigurosidad, las ventajas y los riesgos

potenciales que conlleva la aplicación de nuevas tecnologías, como por ejemplo la utiliza-

ción de los nuevos fármacos en tratamientos antivirales o antitumorales.

En definitiva, esperamos que el estudio de la asignatura, inmersa en el descubri-

miento de los avances científicos, genere en nuestros alumnos el mismo entusiasmo que

en nosotros mismos. Despertar ese interés es el principio para una adecuada ejecución

de la tarea educativa. La bioquímica, como toda ciencia establecida, es explicada y com-

prendida a partir de conceptos fundamentales. Es importante destacar que estos princi-

pios fundamentales articulan e integran con todos los niveles de la biología, desde la

estructura y función de las moléculas sencillas y de las macromoléculas hasta los proce-

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sos centrales del funcionamiento de la célula a nivel molecular o la fisiología de los orga-

nismos, la evolución y las interacciones ecológicas.

De nada serviría actualizar contenidos en las ciencias biológicas si estos fueran a

quedar obsoletos al cabo de pocos años. El ritmo de los descubrimientos es tal que aun

el científico profesional tiene dificultades serias para mantenerse informado en todo el

campo de interés. Solo una gran capacidad de lectura y la curiosidad natural de los inves-

tigadores permite que permanezcan actualizados. Es por ello que proponemos generar

entre los estudiantes de este curso el entusiasmo y la curiosidad necesaria para estimu-

larlos a un desarrollo continuo de adquisición de nuevos conocimientos. Para llevar a cabo

este propósito, es importante brindarles herramientas específicas que les permitan enten-

der literatura periódica especializada y un entrenamiento básico acerca de como acceder

a ella. Para ello, se pueden aprovechar las ventajas de las profundas transformaciones en

las comunicaciones que ocurrieron como consecuencia del advenimiento de la red mun-

dial de sistemas de computación y la existencia de bases de datos accesibles al público

en general.

Un aspecto fundamental de este sistema consiste en lograr la ejercitación de la ima-

ginación de los estudiantes tendiendo a una interpretación lo más libre posible de todo

preconcepto. De esta manera, las diferentes ideas, cada una constituyendo una interpre-

tación más de la realidad empírica, serán sometidas a discusión en clase y serán acepta-

das o no de acuerdo a su coherencia con los resultados obtenidos. El espíritu que guía el

proceso de enseñanza y aprendizaje debería fundarse en las siguientes premisas:

Cualquier hecho experimental puede ser explicado de manera racional.

Cualquier teoría es solo la interpretación de una serie de hechos y, por más

robusta que haya resultado a través de la historia, es imposible comprobarla feha-

cientemente.

Todas las teorías que permiten la explicación de un hecho en particular no han

sido necesariamente formuladas.

El conocimiento de una ciencia puede adquirirse a través del estudio, la expe-

riencia y la observación.

El estudio enciclopedista no asegura la adquisición de conocimiento.

Es a partir de estas premisas que proponemos en nuestro esquema de asignatura,

entre otras actividades, la confección de una monografía, de manera tal que el alumno

comience a indagar, a interesarse por un tópico específico estrechamente relacionado con

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la materia, realizando búsquedas bibliográficas en revistas especializadas, familiarizándo-

se con la escritura científica.

En definitiva creemos que, además de la adquisición de los conocimientos transfe-

ridos durante el curso, es sumamente importante rescatar la motivación que se genera en

los alumnos, en la lectura e investigación, ya sea a partir de inquietudes, de dudas esta-

blecidas previamente, o del interés en un tema aprendido recientemente.

SANDRA GOÑI, MARIO LOZANO

Coordinadores

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Introducción

Un estudiante a lo largo de su carrera universitaria recibe un volumen enorme de informa-

ción. Muchos datos y herramientas quedan en el olvido, pero otros tantos terminan defi-

niendo modos de pensar y hacer, y esos son los que definen a un profesional.

Sin embargo, el alumno durante el proceso educativo no es solo un actor pasivo,

sino que muchas veces él es el responsable de la recopilación y generación de la infor-

mación, transformando al docente en el receptor de nuevos contenidos. Así, el estudian-

te es quien se transforma en académico y realiza una producción, tal vez una de las

primeras de su carrera, alimentando el círculo de la enseñanza. Siguiendo esta línea de

razonamientos, la relación docente/alumno para ser optimizada no debería manejarse en

un escenario vertical, sino que sería mejor una aproximación horizontal reversible, y a su

vez interconectada con otros protagonistas, de la misma manera que cualquier reacción

química del metabolismo de nuestras células.

En esta ocasión, el punto central que nos reúne es precisamente el trabajo mono-

gráfico realizado por estudiantes de una asignatura del ciclo superior de la carrera

Licenciatura en Biotecnología de la Universidad Nacional de Quilmes. Y cuando mencio-

namos trabajo monográfico, estamos diciendo, lectura intensa del estado del arte sobre

un tema particular, análisis de dichos contenidos, y perspectivas posibles de acuerdo a los

caminos planteados por los científicos que trabajan en el área correspondiente.

Cuando ustedes lean los artículos de esta publicación, encontrarán diferentes

aspectos de la bioquímica celular, de las redes de reacciones que construyen nuestros

cuerpos. Y aunque esto pueda parecer complejo o aburrido, el análisis del metabolismo

celular es un factor clave para entender, prevenir, diagnosticar y tratar muchas de las

enfermedades que nos aquejan. Cuando recurrimos al médico por una revisión general o

por un malestar de origen desconocido, siempre nos sometemos a diferentes análisis clí-

nicos que intentan inmiscuirse en nuestros fluidos para detectar los niveles de muchos

compuestos y proteínas. Y las cantidades de los mismos serán quienes nos ubicarán en

el estado de enfermedad o de salud.

Siguiendo las premisas anteriores, Florencia Iulita y Diego Ferrero nos introducen

en el metabolismo de la urea, una sustancia clave en la composición de la orina y un indi-

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cador importante para la detección de anomalías en el funcionamiento de nuestros cuer-

pos. Como los autores nos relatan, distintas alteraciones en las rutas metabólicas implica-

das con la urea, pueden ser serios desencadenantes de síndromes complejos que alteran

de modo significativo la calidad de vida del ser humano.

Juliana Leone, en tanto, se involucra con otra sustancia de gran importancia, el glu-

tamato. Este compuesto es uno de los aminoácidos que componen las proteínas, macro-

moléculas biológicas protagonistas en el metabolismo celular y por ende, en la construcción

de la materia viva tal cual la conocemos. Pero además, esta molécula cumple un rol clave

en el metabolismo del nitrógeno y se constituye como uno de los neurotransmisores más

importantes del sistema nervioso central. Precisamente este último aspecto es el foco del

capítulo elaborado por Juliana, y es sorprendente descubrir cuán útil y necesario es un

señalizador para que todo se encuadre en la tan ansiada normalidad.

Cambiando un poco el eje sobre el cual analizar el metabolismo celular, Andrea Lo

Ré nos introduce en el mundo de los analgésicos. El dolor, reacción biológica conocida y

poco deseada por el ser humano, siempre fue un enemigo a ser enfrentado. Y como cual-

quier respuesta de naturaleza biológica, también su desarrollo puede ser estudiado a tra-

vés del metabolismo, y sobre todo, atacado mediante sustancias extracorpóreas que

modifican las reacciones químicas que suceden en nuestros tejidos; como la milagrosa y

muy conocida aspirina. Así, una alteración metabólica puede ser el origen de una enfer-

medad, pero también una manera de corregir un efecto biológico como el dolor.

Andrés Romanowski nos conduce hacia otro aspecto central del metabolismo y cru-

cial para el éxito de la vida en el planeta Tierra, la evolución. El ambiente que nos rodea

también nos condiciona y hace que algunos organismos tengan mayor aptitud que otros

en el juego de la supervivencia. Y es el metabolismo celular, la expresión manifiesta de los

genes, el responsable de interactuar con el entorno para así permitirse que suceda la

selección natural. Andrés nos introduce en un tipo de organismos sorprendentes, anima-

les que se alimentan a través de fotosíntesis como si fuesen vegetales. Algo que suena

muy raro, pero los caminos evolutivos de la vida no tienen trazos marcados, solo sabemos

que avanzan.

En el mismo contexto anterior, Mariana Capello y Eugenio Cálcena finalizan este

volumen con un trabajo centrado en cómo, luego de milenios de evolución, la vida logró

adaptarse a condiciones ambientales extremas. Las altas temperaturas, la desecación, el

frío intenso, la radiación y un sinnúmero de otras condiciones adversas no son impedimen-

tos para que la vida triunfe. Y esto es gracias a que el metabolismo de esos organismos

puede soportar y aprovechar tales contratiempos y así colonizar nichos que uno conside-

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raría estériles. De hecho, quizás esos lugares son firmes recuerdos del origen de la vida

en la Tierra.

Los invito, queridos lectores, a sumergirse en el fascinante mundo del metabolismo;

a entender su importancia, a descubrir sus misterios y a intentar mejorar, a través de su

atenta observación, nuestra calidad de vida. Como han explicado Sandra Goñi y Mario

Lozano, necesitamos leer e investigar. Solo así podremos aprovechar el uso de la inteli-

gencia racional, una maravillosa capacidad que nuestra especie ha conseguido luego de

milenios de evolución, como nuestra principal arma para enfrentar cualquier adversidad

que obstaculice nuestro camino. En consecuencia, lograremos sobrevivir, el fin último que

persigue la materia que nos anima, el destino inquebrantable que nos ha llevado a trans-

formarnos en el organismo dominante de este pequeño punto azul enclavado en un

inmenso mar de oscuridad.

MARIANO N. BELAICH

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Algo más que orina... Alteraciones en el ciclo de la urea:deficiencia de ornitina transcarbamilasa

Florencia Iulita

Diego Ferrero

INTRODUCCIÓN

Importancia de los sistemas de excreción de nitrógeno

El amonio, producto del catabolismo de aminoácidos, es una molécula muy tóxica para

algunos organismos. No solo su concentración en las células se mantiene a niveles bajos,

sino que el proceso evolutivo permitió la selección de aquellos con capacidad de eliminar-

lo cuando se encuentra en exceso. Es así como podemos agrupar a los organismos según

el mecanismo de excreción de nitrógeno que utilicen. Se denominan amonotélicos a los

que eliminan directamente amonio, como los microorganismos y muchos animales acuá-

ticos. En cambio, aves y reptiles se clasifican como uricotélicos porque eliminan ácido

úrico. La mayoría de los vertebrados terrestres convierten el amonio en urea, razón por la

cual son conocidos como ureotélicos.

La urea es un producto de excreción menos tóxico que el amonio y además, es muy

soluble en agua, lo que le permite ser transportada en la sangre desde el hígado hacia los

riñones, donde se excreta en forma de orina. Esta característica la diferencia del ácido

úrico, cuya solubilidad en agua es considerablemente menor y precipita con formación de

cristales.

La conversión de amonio a urea implica parte de la ruta biosintética del aminoácido

arginina; la serie de reacciones involucradas se conocen como ciclo de la urea. Solamente

cinco enzimas, ubicadas en distintos compartimentos celulares, son las encargadas de lle-

var a cabo a esta conversión. La enzima ornitina transcarbamilasa (OTC) cataliza la con-

densación de ornitina con carbamil fosfato para producir citrulina en las mitocondrias

hepáticas. El anhídrido en el carbamil fosfato provee la energía necesaria para impulsar

la reacción. El aminoácido citrulina se transporta al citosol, donde continúan el resto de las

reacciones del ciclo (Figura 1).

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Figura 1. Esquema del ciclo de la urea que muestra la compartimentalización de las reacciones

CPSI: carbamil fosfato sintetasa I; OTC: ornitina transcarbamilasa; ASS: argininosuccinato sintasa; ASL: argi-

ninosuccinato liasa; ARGasa: arginasa (no se incluyen cosustratos como ATP).

Cada vuelta del ciclo consume dos moléculas de nitrógeno, una de dióxido de carbono y

cuatro equivalentes de ATP. A su vez, una molécula de ornitina se regenera y el único com-

puesto que se produce neto es la urea.

Para explicar la transferencia de los átomos de nitrógeno desde el aspartato a la

urea, se considera la capacidad de esta vía de funcionar en conjunción con el ciclo de

Krebs (TCA), en una ruta acoplada conocida como “bi-ciclo de Krebs”.

El fumarato producido en el ciclo de la urea es el vínculo entre ambas rutas: se

hidrata a malato, el cual se oxida a oxalacetato, a expensas de NAD+. Este compuesto

puede tener tres destinos: participar en el ciclo de Krebs si condensa con una molécula

de acetil-CoA para formar citrato, utilizarse en la ruta gluconeogénica para formar gluco-

sa o, por último, transaminarse para regenerar el aspartato.

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De los dos átomos de nitrógeno involucrados, uno proviene del amonio que se

incorpora al carbamil-fosfato. El otro tiene su origen en el α-amino del aspartato. Dado que

las enzimas aspartatotransaminasa y glutamato deshidrogenasa son abundantes en las

mitocondrias hepáticas y que catalizan reacciones reversibles –cercanas al equilibro– se

considera que el glutamato es la fuente común de los nitrógenos de la urea.

Cuando existe un exceso de amonio, el sistema procede hacia la síntesis de gluta-

mato. Esto conduce a un incremento proporcional en la concentración de aspartato. En

cambio, cuando el exceso se encuentra a nivel de este aminoácido, los nitrógenos que se

liberan se dirigen hacia la síntesis de carbamil-fosfato.

Enfermedades relacionadas con deficiencias en el ciclo de la urea

El estado de salud de una persona sana (genotipo normal) es consecuencia de un equili-

brio bioquímico dinámico (homeostasis) cuyo mantenimiento requiere la transformación de

sustratos en productos, principalmente mediante las actividades de enzimas. Los errores

congénitos del metabolismo (EGM) se originan debido a una anormalidad genética que se

manifiesta por una deficiencia cualitativa o cuantitativa del producto de traducción de los

genes, por ejemplo, una enzima. En consecuencia, la transformación de sustrato a pro-

ducto se lleva a cabo de manera insuficiente; el primero se acumula, lo que da origen a

signos tóxicos. En cambio, la falta total o parcial del segundo es la causante de los sínto-

mas deficitarios. El desequilibrio bioquímico que resulta se traduce en un fenotipo anor-

mal: la enfermedad.

En el caso de las enfermedades causadas por defectos en el ciclo de la urea (UCD,

Urea Cycle Disorders), el nitrógeno se acumula en forma de amonio, el cual llega al cere-

bro a través de la sangre donde puede causar un daño irreversible o incluso la muerte.

Esta patología, producto de los elevados niveles de amonio (hiperamonemia), se conoce

como encefalopatía hepática (HE). Se estima que la incidencia de este tipo de enferme-

dades –UCD– es 1 de cada 10.000 nacimientos y se identifica principalmente en recién

nacidos o en niños, y rara vez en adultos.

Objetivos

–Presentar los efectos de una deficiencia cualitativa o cuantitativa en la enzima OTC

sobre el sistema nervioso central (CNS, por sus siglas en inglés).

–Describir los mecanismos de toxicidad del amonio en exceso.

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BASES GENÉTICAS Y MOLECULARES DE LA DEFICIENCIA EN LA OTC (OTCD)

Se han descripto cinco enfermedades relacionadas con el ciclo de la urea, las cuales se

vinculan con cada una de las enzimas del ciclo. Todas estas enfermedades se heredan

como genes recesivos autosómicos, es decir, cada progenitor contribuye con uno de los

genes defectuosos.

La única enfermedad con un patrón de herencia distinto es la que surge debido al

mal funcionamiento de la enzima OTC. Hay tres maneras de adquirirla. Dos de ellas son

heredables y se vinculan con el brazo menor del cromosoma X (Xp, banda 21.1) aportado

por la madre o por el padre. La otra surge debido a una mutación de novo, que ocurre úni-

camente en el feto. Esta enfermedad es de las más comunes entre las relacionadas con el

ciclo de la urea; su prevalencia es de 1 en 40.000 a 1 en 80.000 recién nacidos vivos.

La presentación de la enfermedad es diferente entre varones hemicigotas1 y muje-

res heterocigotas. En el 60% de los primeros, la OTCD condiciona la aparición temprana

(primeros días o semanas de vida) de una crisis metabólica severa que se produce debi-

do a la hiperamonemia (HA) seguida por los siguientes síntomas: rechazo al alimento,

vómitos, letargia, convulsiones, hiperventilación y otros trastornos respiratorios. Si el

enfermo no es tratado a tiempo, entra en coma y muere.

Las mujeres heterocigotas, en general, son asintomáticas o desarrollan manifesta-

ciones leves. Las descompensaciones neonatales no son comunes y los síntomas apare-

cen en la infancia tardía o en la adolescencia temprana dependiendo del contenido

proteico de la dieta. Cuando la enfermedad se manifiesta en la adultez, los síntomas sue-

len ser psiquiátricos o neurológicos (crisis de náuseas asociadas con cefaleas, ataxia,

confusión y, a veces, alucinaciones y trastornos visuales).

Estudios moleculares permitieron concluir que la manifestación neonatal resulta de

la aparición de mutaciones en los aminoácidos que rodean al sitio activo, los cuales se

encuentran “escondidos” en el interior de la enzima. Por el contrario, los fenotipos que se

manifiestan tardíamente se originan debido a mutaciones que afectan a los aminoácidos

en la superficie.

Sería lógico pensar que la alteración en una enzima que cataliza una etapa clave

–regulada– resulte en un desequilibrio bioquímico importante. Si bien para la OTC no se

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1 Los machos poseen un solo cromosoma X, por lo tanto cualquiera de los alelos ligados aeste, se expresará en el fenotipo. Por esta razón, no son homocigotas ni heterocigotas, sino hemi-cigotas.

conoce un mecanismo de regulación alternativo a las variaciones de sustrato, las conse-

cuencias de su mal funcionamiento pueden ser mortales. Por ello, la detección de muta-

ciones dentro de un grupo familiar es de gran importancia para encontrar al portador

–carrier– de la deficiencia, dado que los análisis enzimáticos o bioquímicos no son del

todo confiables para el diagnóstico.

EFECTOS DE LA ENZIMA OTC EN EL METABOLISMO

En la bibliografía del tema existe consenso acerca de las principales consecuencias que

surgen debido a la falla en la enzima OTC, que son acumulación de amonio y de glutami-

na. A pH fisiológico, más del 98% del amoníaco se encuentra como la especie amonio

(NH4+) que es electrofisiológicamente activo, funcionando de manera equivalente al K+.

De hecho, se ha sugerido que su entrada en la célula se debe al uso de un canal de K+ .

Estudios tomográfícos de emisión de positrones2 (PET), usando 13NH4+, demostra-

ron un aumento en la tasa metabólica para el amonio (CMRA) –tasa que indica la canti-

dad tomada por el cerebro y metabolizada. Estas investigaciones en individuos con HA

crónica revelaron que el aumento en CMRA estaba acompañado de un aumento en la per-

meabilidad de la barrera hematoencefálica. Aunque todavía no se ha detallado el meca-

nismo, esta metodología experimental ha permitido demostrar qué ocurre. La mayor

permeabilidad resultante conduce a un aumento en la relación entre el amonio en el cere-

bro y la sangre. Esto explicaría la imperfecta correlación observada entre la severidad del

desorden neurológico y las concentraciones de amonio en sangre.

Por otro lado, según lo expuesto en la introducción, el exceso de glutamato resul-

tante procede a la formación de glutamina (Figura 2), por lo que es equivalente asociar a

la hiperamonemia con altos niveles de este aminoácido.

La acumulación de amonio origina la patología denominada encefalopatía hepática;

una disfunción a nivel hepático que tiene incidencia sobre el cerebro. Además, a esta últi-

ma se la caracteriza como síndrome neuropsiquiátrico, dado que produce un daño físico

en el cerebro que trae consecuencias sobre la personalidad.

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2 En esta técnica se emplean isótopos radioactivos que emiten positrones de vida muy cortae inocuos (11C, 13N, 18F). Estos se combinan con sustancias que cuando son utilizadas metabólica-mente por las neuronas permiten observar in vivo las áreas cerebrales que están activas.

Figura 2. Reacción que transforma el exceso de glutamato en glutamina

Los mecanismos de toxicidad provocada por amonio aún no se comprenden en su

totalidad. De hecho, los resultados obtenidos por distintos especialistas difieren entre sí e

incluso plantean mecanismos contradictorios. Por esta razón, hemos decidido referirnos

solamente a aquellas explicaciones para las que sí existe consenso.

Las principales hipótesis a detallar son: alteraciones en el metabolismo energético

del cerebro y en la función de los neurotransmisores; efectos indirectos, como la excesiva

producción de glutamina cuya acumulación es neurotóxica; y, por último, la hipótesis más

reciente que sostiene que la toxicidad se debe a que el amonio causa estrés oxidativo.

MECANISMOS DE TOXICIDAD DEL AMONIO

Alteraciones en el metabolismo energético del cerebro

Cambios en el ciclo de Krebs. Dado que el metabolismo del cerebro es aeróbico, la degra-

dación de glucosa mediante glucólisis y Krebs provee toda la energía que utiliza. Esta

energía es requerida para crear y mantener el potencial eléctrico a través de la membra-

na plasmática de las neuronas.

Tras atravesar la barrera hemato-encefálica, el amonio es convertido en glutamato,

secuestrando α-cetoglutarato, en las mitocondrias (Figura 3). Como este compuesto es un

intermediario del ciclo de Krebs, al disminuir sus niveles, tanto el ciclo como la fosforila-

ción oxidativa se detienen progresivamente y cesa la producción de energía. En conse-

cuencia, disminuye la entrada de piruvato, es decir, disminuye su conversión a acetil-CoA,

lo cual explicaría el aumento en la concentración de lactato en el cerebro que se observa

en estos casos.

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Figura 3. Conversión del glutamato en las mitocondrias del cerebro

Además, otros investigadores han observado que cantidades crecientes de amonio dismi-

nuyen la actividad de la enzima α-cetoglutarato deshidrogenasa (α-KGDH), que cataliza

una etapa limitante de la velocidad en el ciclo de Krebs.

Por el contrario, otro grupo demostró un aumento en la actividad de α-KGDH en

mitocondrias no sinápticas. Una posible explicación para estas diferencias radica en las

metodologías experimentales utilizadas. Uno de los estudios consistió en el agregado de

amonio in vitro a mitocondrias aisladas; este fue el caso del grupo que concluyó que dis-

minuía la actividad de la enzima. En cambio, los otros investigadores examinaron las mito-

condrias tras exponerlas a amonio in vivo, donde otras reacciones pudieron haber ocurrido

e influenciar así los resultados.

Efectos sobre la lanzadera malato/aspartato

La lanzadera malato/aspartato involucra las siguientes enzimas: malato deshidrogenasa y

aspartato aminotransferasa (citosólicas y mitocondriales) así como proteínas translocado-

ras de malato/a-cetoglutarato y glutamato/aspartato.

Se ha propuesto que el amonio interfiere con esta lanzadera impidiendo la transfe-

rencia de equivalentes de poder reductor –entre el citosol y la mitocondria– requeridos

para la fosforilación oxidativa. Esto trae como consecuencia un aumento en la relación

NAD+/NADH mitocondrial respecto de la citosólica.

El amonio afecta la transferencia de NADH a través de la lanzadera dado que este

se utiliza en la reacción de aminación reductiva que convierte al α-cetoglutarato en gluta-

mato (Figura 4). Esto explicaría, por un lado, el aumento en la relación NAD+/NADH en el

interior de la mitocondria y por otro, la disminución en los niveles de α-cetoglutarato que

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inhiben la actividad de la α-KGDH (por falta de sustrato). A su vez, justifica la detención

del ciclo de Krebs, así como la no regeneración de los intermediarios del ciclo e incluso la

no conversión de piruvato en acetil-CoA.

Figura 4. Reacción que consume al piruvato citoplasmático

Sin embargo, el glutamato no permanece como tal, sino que es sustrato de la enzima glu-

tamina sintasa (Figura 2) que lo convierte irreversiblemente en glutamina. Esto implica que

la reacción catalizada por la aspartato aminotransferasa se detenga y por lo tanto, dismi-

nuyan los niveles de aspartato en la matriz. Inmediatamente después, sucede lo mismo

en el citosol, ya que el transportador glutamato/aspartato no tiene sustrato para translo-

car. Por lo tanto, la actividad de la aspartato aminotransferasa citosólica disminuye y no

se produce oxalacetato. A esto contribuye la falta de α-cetoglutarato translocado hacia el

citosol. De esta manera, se acumula NADH y no se sintetiza malato. Esto determina la

inactivación de la lanzadera.

Por otro lado, el piruvato, al no ingresar en la mitocondria queda disponible en el

citosol como sustrato de la enzima lactato deshidrogenasa (Figura 4). Además, la reduc-

ción de piruvato a lactato se ve favorecida por el incremento en los niveles de NADH.

Cambios en la permeabilidad mitocondrial

A nivel mitocondrial, también se demostró que el amonio es capaz de aumentar los nive-

les internos de Ca+2, lo que provoca la apertura de un poro (PTP, Permeability Transition

Pore) que permite la transición de moléculas pequeñas a través de la membrana mitocon-

drial interna, debido a un cambio en sus propiedades (MPT, Mitocondrial Permeability

Transition) (Figura 5). Esto conduce a la disipación del gradiente electroquímico por la pér-

dida de H+, producto del funcionamiento de la cadena respiratoria. En consecuencia, cesa

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la síntesis de ATP y se generan especies reactivas del oxígeno (ROS, Reactive Oxygen

Species). Además, ingresan metabolitos a través de la membrana interna produciendo la

hinchazón de la matriz mitocondrial. Una posible consecuencia de la MPT es la apoptosis

o necrosis, aunque esta puede ser reversible. El proceso es relevante, considerando que

las consecuencias de la hiperamonemia dependen, en gran medida, del tiempo de expo-

sición al amonio.

Figura 5. Contribuciones al MPT (Mitocondrial Permeability Transition)

Por otro lado, la alcalinización que resulta tras su ingreso es otra razón por la que la fuer-

za protón motriz se disipa. Como se mencionó antes, da lugar a la formación de ROS;

entre otras especies, las que activan la apertura de los PTP permitiendo el ingreso de más

moléculas pequeñas (iones, etc). Esto conduce a la formación de un proceso cíclico que

deriva en un malfuncionamiento de la mitocondria.

Estrés oxidativo: rol de los radicales libres y el óxido nítrico (NO)

La hipótesis del estrés oxidativo es bastante moderna. Este estado se caracteriza por una

disminución en las actividades de las enzimas antioxidantes (catalasa, peroxidasa y supe-

róxido dismutasa) y en un agente antioxidante intracelular llamado glutatión (GSH), debi-

do a que la captura de su precursor (cistina) es inhibida. Como consecuencia, aumenta la

producción de radicales superóxido ocasionando la oxidación de los fosfolípidos de mem-

brana, ácidos nucleicos y de otras enzimas involucradas en el metabolismo, destruyendo

la estructura celular e impidiendo su funcionamiento.

Otra especie reactiva asociada con HE/HA es el óxido nítrico (NO). En estos casos,

se ha observado un aumento en la cantidad y actividad de la enzima que lo produce: óxido

18


nítrico sintasa (NOS). Se ha demostrado in vivo que bajo estas patologías los receptores

NMDA (descriptos en el apartado sobre neurotransmisores) pierden sitios de unión para

el glutamato y son activados para permitir el paso de Ca+2 al interior celular. Este ión se

une a las calmodulinas y activa ciertas enzimas como la NOS, provocando un aumento en

los niveles de NO, que a su vez activan la guanilato ciclasa. Esta ruta de glutamato-NO-

cGMP modula procesos como comunicación intercelular, ciclos de sueño, memoria y

aprendizaje. Aparentemente, NO causa daños a las enzimas de la cadena respiratoria de

la mitocondria, en particular, a la citocromo C oxidasa, en el complejo IV.

Las alteraciones en el ciclo de Krebs, en la lanzadera malato/aspartato y en el fun-

cionamiento de la mitocondria detalladas en este apartado sugieren explicaciones al

mecanismo por el cual el amonio (en exceso) interfiere en el metabolismo energético del

cerebro.

PERTURBACIONES EN LOS NEUROTRANSMISORES

El encéfalo actúa como centro de control: almacena, registra, integra y transmite la infor-

mación. Está compuesto por células nerviosas (neuronas) muy especializadas y células

gliales (neuroglia) que modulan la función de las anteriores. Las células de la glía no par-

ticipan directamente en la producción del impulso nervioso pero son imprescindibles para

el correcto funcionamiento de las neuronas –encargadas de comunicar información

mediante señales eléctricas y químicas. Las señales eléctricas procesan y conducen infor-

mación dentro de la célula, mientras que las otras lo hacen entre las células. Los sitios

especializados donde las neuronas envían y reciben información se denominan sinapsis.

Esta transmisión se realiza en un único sentido: desde la célula presináptica hacia la célu-

la postsináptica.

Los neurotransmisores son un grupo diverso de compuestos químicos contenidos

en vesículas. El ingreso de Ca+2 a través de canales regulados por voltaje induce su libe-

ración de las terminales nerviosas durante la transmisión sináptica. Luego, se unen con

receptores específicos en la superficie de la célula postsináptica, desencadenando fenó-

menos que abren o cierran canales iónicos de la membrana plasmática.

Los neurotransmisores se clasifican según estimulen o inhiban la generación de un

potencial de acción. Los primeros, que despolarizan la membrana plasmática postsinápti-

ca, se denominan excitatorios. En cambio, los inhibitorios tienen el efecto opuesto: hiper-

polarizar la membrana. A pesar de esta división, el mismo neurotransmisor puede actuar

19


como un tipo u otro en distintas células. Es decir, el mensaje sináptico depende exclusi-

vamente de la interacción neurotransmisor-receptor.

Efectos del amonio sobre el glutamato

El glutamato es el principal neurotransmisor excitatorio del CNS y una de las moléculas

combustibles más importante para los astrocitos. Además, se lo vincula con la capacidad

de aprendizaje y la memoria. Luego de despolarizar la membrana presináptica y liberar-

se, estimula los receptores situados en la membrana postsináptica de la neurona adya-

cente o de un astrocito. Estos receptores pueden ser ionotróficos (NMDA, AMPA) o

metabotróficos. El estímulo de los primeros provoca un cambio en el grado de polariza-

ción a través de la membrana de la célula postsináptica y esto conduce a la apertura de

canales iónicos, lo que predispone el transporte de iones como Ca+2, K+ y Na+. En el otro

caso, la unión del neurotransmisor activa una enzima de la membrana plasmática y pone

en movimiento a un segundo mensajero: el calcio intracelular.

El glutamato es tóxico si permanece en el espacio extracelular, por lo que luego es

captado por transportadores localizados en la membrana de los astrocitos (GLT-1 y

GLAST) y de las neuronas (EAAC-1). En el interior de los astrocitos se convierte en glu-

tamina por acción de la glutamina sintasa (GS). La glutamina es retransportada a la neu-

rona postsináptica donde es convertida en glutamato por la enzima glutaminasa, lo que se

conoce como el ciclo glutamina-glutamato. No solo está involucrado en la eliminación del

NH4+ sino que también refleja la compartimentalización del metabolismo de esta molécu-

la en el cerebro. De hecho, en pacientes con hiperamonemia (congénita o adquirida) se

observaron concentraciones crecientes de glutamina, confirmando que el cerebro remue-

ve el exceso de amonio a través de la síntesis de este aminoácido.

Se postuló que en la hiperamonemia se interrumpe el transporte de metabolitos de

una célula a otra, inhibiendo la captura de glutamato por los astrocitos y la neurona presi-

náptica, debido a que se reduce la expresión de los transportadores GLT-1,GLAST y

EAAC-1 (posee un papel secundario en la recuperación del glutamato de la hendidura

sináptica). Por otro lado, los sitios de unión de los receptores de glutamato se ven afecta-

dos directamente. Incluso, se pudo confirmar experimentalmente que el amonio tiene la

capacidad de modificar estructural y funcionalmente al receptor AMPA.

Como consecuencia de estas inhibiciones, la cantidad de glutamato en el espacio

sináptico aumenta, lo que se ha vinculado tanto con la severidad de un daño neurológico

como con la gravedad de la HA. Además, la detoxificación del amonio se ve afectada, ya

que no existe captura de glutamato por parte de los astrocitos.

20


Efectos del amonio sobre los astrocitos

Los astrocitos son el principal blanco de toxicidad del amonio, ya que la glutamina sinta-

sa, ubicada exclusivamente en estas células, funciona a su máxima velocidad bajo HA,

cuando la concentración de sustrato es saturante. Esto podría contradecir lo planteado

anteriormente acerca de la disminución en la captura de glutamato por parte de los astro-

citos. Sin embargo, D. Mort y colaboradores (2001) demostraron que cantidades elevadas

de amonio estimulan la captura de glutamato por las células gliales y con esto sugirieron

que la inhibición de este proceso podría ser posterior a la formación del edema.

En condiciones fisiológicas normales, el transporte de glutamina es el que regula el

movimiento de agua en el cerebro. La acumulación de este aminoácido ocasiona cambios

morfológicos en los astrocitos, los cuales sufren hinchazón por efecto osmótico. El aumen-

to en el contenido de agua, y por ende, en el volumen celular, se denomina edema cere-

bral y produce hipertensión intracraneal.

Otros factores que contribuyen a la hinchazón de estas células son las consecuen-

cias del estrés oxidativo. Incluso la hidrólisis de glutamina, catalizada por la glutaminasa,

es capaz de inducir la síntesis de radicales libres. El vínculo que existe entre la produc-

ción de estas especies y la hinchazón no está claramente determinado. Sin embargo, se

ha propuesto que los radicales pueden modificar proteínas de membrana y lípidos que

estén involucrados en los mecanismos de regulación del volumen celular.

Ciertos experimentos dieron sustento al vínculo entre el aumento de glutamina y la

concentración de agua,3 utilizando un inhibidor de la síntesis de este aminoácido: metio-

nina sulfoxamina. Estos estudios demostraron que tanto los niveles de glutamina como los

de agua no aumentaron. En otras investigaciones, se observó que tras un tratamiento con

el mismo inhibidor, los niveles de agua no disminuyeron proporcionalmente a los del ami-

noácido. Se concluyó que la HA y el edema cerebral no tienen su origen únicamente en el

aumento celular de la acumulación de glutamina.

Efectos del amonio sobre la serotonina

La elevada cantidad de glutamina en el cerebro estimula el transporte de los aminoácidos

aromáticos triptofano, tirosina y fenilalanina, a través de la barrera hematoencefálica. Este

aumento promueve la síntesis de sus derivados metabólicos. La serotonina (5-HT), deri-

vada del triptofano es sintetizada localmente por neuronas especializadas y solo entre el

1 y 2% está contenida en el CNS.

21


3 Las variaciones en la cantidad de agua fueron demostradas utilizando H1-NMR.

Por su naturaleza de neurotransmisor, se ve involucrada en varias manifestaciones

patológicas, cuando sus niveles no son los adecuados. Además, está vinculada con los rit-

mos circadianos, la locomoción, el aprendizaje y la memoria. Muchas de estas activida-

des se relacionan con el córtex frontal, en donde se han visto mayoritariamente cambios

en el metabolismo de la serotonina.

Se ha reportado que concentraciones de amonio tan bajas como 0.1 mmol/l estimu-

lan la liberación de serotonina. Además, múltiples investigaciones sugieren que el aumen-

to de serotonina incrementa la actividad de la enzima monoamina oxidasa (MAO)

–ubicada en la membrana interna de la mitocondria– que convierte 5-HT en el metabolito

5-HIAA. Esto implica que la serotonina no quede disponible para funcionar como neuro-

transmisor. De esta manera, el déficit en la neurotransmisión serotoninérgica podría expli-

car los síntomas neuropsiquiátricos observados en los casos de encefalopatía hepática.

En resumen, el amonio tiene dos efectos sobre la neurotransmisión serotoninérgi-

ca: vía formación de glutamina, promueve la entrada de triptofano; y, en sí mismo, pertur-

ba la liberación y el almacenamiento de este neurotransmisor.

DIAGNÓSTICO

La encefalopatía hepática tiene un diagnóstico inexacto y posee una mortalidad del 90%. Su

tratamiento más eficaz es el transplante de hígado e incluso se ha demostrado que dicho

procedimiento permite la total corrección de la hiperamonemia. En cuanto a la recuperación

neurológica, el éxito dependió del estado del paciente antes del transplante. De todas mane-

ras, existen otras estrategias (químicas) para contrarrestar los altos niveles de amonio.

Una característica particular de las personas con deficiencias en esta enzima, es la

HA, considerada a partir de 60 µmol/l aproximadamente y la baja concentración de citruli-

na en plasma. En la deficiencia severa, estos niveles son prácticamente indetectables. En

cambio, cuando la gravedad de la enfermedad es menor, los niveles de citrulina son varia-

bles, debilitando así la exactitud de un resultado de diagnóstico. Además, la acumulación

de carbamil fosfato en la mitocondria permite su difusión al citosol, lo que estimula la bio-

síntesis de novo de pirimidinas. En consecuencia, disminuyen los niveles de fosforribosilpi-

rofosfato (PRPP), lo que resulta en la acumulación de orotato y su excreción en la orina.

Anteriormente, la presencia de la enfermedad se verificaba determinando los nive-

les de amonio en plasma. Dado que estas medidas no son equivalentes a las cantidades

halladas en el cerebro, se concluyó que esta prueba no es útil para predecir la HA. Por

22


esta razón, se han diseñado otros diagnósticos basados en la medición de los niveles de

biosíntesis de pirimidinas.

Estos consisten en la inhibición de la enzima OMP descarboxilasa por acción de un

derivado de alopurinol (Figura 6). De esta manera, se acumula orotidina que se excreta

en la orina, la cual es analizada mediante la técnica de HPLC. Los valores obtenidos se

comparan con los hallados en personas normales. A pesar de que este ensayo es efecti-

vo, los resultados deben interpretarse con prudencia pues una deficiencia en el metabo-

lismo de pirimidinas puede dar lugar al mismo resultado (falso positivo).

Figura 6. Biosíntesis de pirimidinas y vía de inhibición por alopurinol

TRATAMIENTOS

Se han diseñado fármacos –benzoato de sodio y fenilacetato– que aumentan la detoxifi-

23


cación del amonio al crear rutas alternativas para su excreción. Su estrategia se basa en

secuestrar compuestos nitrogenados formando moléculas que se excretan en la orina. El

benzoato de sodio es convertido en benzoil-CoA (con gasto de ATP) el cual se combina

con glicina para formar hipurato (Figura 7). Por lo tanto, por cada mol de benzoato sumi-

nistrado, un mol de nitrógeno es removido. Sin embargo, la eficiencia de este proceso se

ve afectada por la disponibilidad de glicina.

Figura 7. Detoxificación de amonio por acción del benzoato

El fenilacetato reacciona del mismo modo que en el caso anterior con la coenzima A

(CoASH), convirtiéndose en fenilacetil-CoA. Este reacciona con glutamina para dar fenila-

cetilglutamina (Figura 8). De esta manera por cada mol de fenilacetato son excretados dos

moles de nitrógeno.

CONCLUSIONES

Como hemos analizado, el estado de enfermedad es producto de un desbalance entre

sustratos y productos de las distintas reacciones metabólicas que suceden en nuestros

cuerpos. Así, la acumulación o deficiencia de los mismos influyen directa e indirectamen-

24


te en distintos órganos produciendo patologías de diferente gravedad. Dentro de este con-

texto, hemos analizado cómo un defecto a nivel hepático –deficiencias en la actividad de

la enzima OTC– trae como consecuencia la acumulación de sustancias neurotóxicas en

el cerebro. De este modo, el mal funcionamiento de un sistema orgánico alejado afecta

seriamente al sistema nervioso central, a pesar que las consecuencias observadas

–enfermedad– parecieran estar muy distanciadas de las causas –deficiencia enzimática

en el hígado.

Cuando se observa un cuadro clínico particular, el diagnóstico de los causales del

mismo debe basarse en una exhaustiva búsqueda a lo largo de todo el organismo y del

ambiente donde se desarrolla. De ahí la necesidad de una mirada integral, pues, por ejem-

plo, la dieta puede ser un factor fundamental en la mejoría o recaída en el estado de salud

de un paciente.

El éxito médico en el tratamiento de los desórdenes metabólicos en los seres huma-

nos depende de manera poderosa de la correcta observación de señales anormales

detectadas por parte de los padres en sus hijos. Y cuanto más tempranas son esas obser-

vaciones, mayor será la probabilidad de corregir o aligerar el defecto; si bien no a través

de su corrección total, pero sí de manera tal de ofrecer una calidad de vida aceptable al

paciente en cuestión.

25


Figura 8. Detoxificación del amonio por acción del fenilacetato

Como hemos explicado, los desórdenes metabólicos son producto de mutaciones

heredadas o surgidas de novo, las cuales afectan el normal funcionamiento de una enzi-

ma. Y si un miembro de ellas dentro de una enorme red falla, se alteran en consecuencia

las concentraciones de determinados metabolitos. Precisamente ellos luego serán los res-

ponsables de afectar el normal comportamiento de diferentes órganos, como el cerebro

en nuestro caso de estudio. Si bien existe un buen número de desórdenes que son verifi-

cados en los recién nacidos en los primeros días de vida, otros tantos no lo son, dada su

rareza de aparición o su no tan grave enfermedad ocasionada.

Para el sistema de salud de un estado es muy costoso hacer toda una batería de aná-

lisis en los bebés. Sin embargo, el correcto diagnóstico de estas enfermedades algo raras le

ahorra al sistema de salud mucho dinero que luego será requerido en tratamientos, interna-

ciones y consultas médicas. Por ello, es imprescindible continuar en el camino del estudio y

comprensión de los desórdenes metabólicos, y derivado de ello, en el desarrollo de siste-

mas de diagnósticos simples y económicos que puedan realizarse a edad temprana para así

evitar la progresión de enfermedades agresivas. Mientras tanto, la buena observación del

comportamiento de nuestros hijos será clave para asegurarles un futuro de salud estándar.

Nunca hay que olvidar que la atención médica empieza en nuestras casas, a través de la

correcta atención en el desenvolvimiento diario de nuestros prójimos.

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27


La otra cara del glutamato: ¿qué ocurre entrelas neuronas y los astrocitos

Juliana Leone

INTRODUCCIÓN

El glutamato no es solo un importante intermediario metabólico

El glutamato (Glu) es un aminoácido que cumple un rol central en el metabolismo del nitró-

geno en la mayoría de los seres vivos. El amonio pasa a formar parte de compuestos

orgánicos cuando el α-cetoglutarato es convertido en Glu por medio de la enzima gluta-

mato deshidrogenasa (GDH). En una reacción alternativa, el amonio puede ser incorpora-

do en Glu formando glutamina (Gln), hidrolizando ATP en el proceso. Esta última reacción,

catalizada por la enzima glutamina sintetasa, es la que ocurre generalmente para introdu-

cir el nitrógeno, ya que el KM de la GDH por el amonio es alto, lo que provoca que la reac-

ción catalizada en general se utilice en el sentido inverso.

En el sistema nervioso central (SNC) de los mamíferos, la situación es distinta. El

Glu, en este caso, no solo es utilizado por las células para síntesis de proteínas o transa-

minación con otros compuestos, sino que, además, es el principal neurotransmisor exci-

tatorio. Es sorprendente que un aminoácido que forma parte de proteínas sea utilizado por

el SNC sin hacerle ninguna modificación química (por ejemplo el GABA –el principal neu-

rotransmisor inhibitorio del SNC– es producido por la descarboxilación del Glu).

La concentración de Glu en el líquido cefalorraquídeo (LC) es baja, ya que la barre-

ra hematoencefálica (BHE) no deja pasar este aminoácido.

Existen distintos tipos de receptores de Glu y están ampliamente distribuidos en

muchos tipos celulares. Los mismos pueden ser clasificados en iono y metabotrópicos, de

acuerdo a la respuesta desencadenada cuando el ligando –en este caso Glu – se une a

ellos. Los receptores ionotrópicos abren canales iónicos (K+, Na+, Ca+ 2) y los metabotrópi-

cos activan cascadas de señales dependientes de segundos mensajeros (IP3, por ejemplo).

28


¿Cuáles son las funciones de los astrocitos en el SNC?

Históricamente, se pensaba que los astrocitos (y la glía en general) tenían un rol secun-

dario en el funcionamiento del sistema nervioso como “soporte de las neuronas”. Sin

embargo, la glía tiene muchas más funciones de lo que se creía, tantas que las neuronas

son completamente dependientes de ellas. Existen distintos tipos de células gliales en el

SNC: macroglía (astrocitos, oligodendrocitos y células ependimales) y microglía.

En particular, los astrocitos tienen diversas funciones:

Guía para la migración de neuronas

Producción y excreción de moléculas de adhesión y de matriz extracelular

Producción de factores neurotróficos

Mantenimiento e inducción de características de BHE

Detoxificación

Fagocitosis y funciones inmunes

Funciones neuroendocrinas

Sus prolongaciones tienen contacto con vasos sanguíneos y con neuronas

Además de todas estas funciones, los astrocitos cumplen un rol fundamental en el uptake

del neurotransmisor Glu luego de ser liberado por neuronas.

Rol de los astrocitos en las sinapsis glutamatérgicas

Los astrocitos son los responsables de la eliminación del Glu extracelular, luego de su libe-

ración al espacio sináptico por neuronas glutamatérgicas. Esto no solo evita que se acu-

mule Glu, que es altamente tóxico, sino que además modula la duración de la transmisión

sináptica. Dichas sinapsis están virtualmente rodeadas por prolongaciones astrocíticas.

De esta manera, la eliminación del Glu depende del uptake del neurotransmisor y de la

distancia de las prolongaciones de astrocitos del espacio sináptico.

En los astrocitos, el Glu puede activar receptores metabotrópicos que dirigen la pro-

ducción de IP3. De este modo, se inicia la liberación de Ca+2 a partir de ciertas organelas,

como el retículo endoplásmico, vía activación de la proteína G. Además, los receptores de

tipo ionotrópicos responsables del uptake de Glu presentes en glía son de tipo EAAT (exci -

tatory-amino-acid-transporter) y se denominan GLT1 y GLAST.

Una vez que las neuronas liberan neurotransmisores al espacio sináptico, estos

pueden impactar en receptores en la neurona postsináptica o en las células gliales adya-

centes disparando en ellas diferentes señales. Estas señales son capaces de causar una

nueva liberación de neurotransmisores (gliotransmisores) desde la glía que pueden tener

29


efecto en la neurona presináptica, modulando la neurotransmisión, o en la neurona post-

sinática.

Señalización por Ca+2 en células gliales

Las señales dependientes de Ca+2 en la glía son evocadas por una gran variedad de neu-

rotransmisores, entre ellos, glutamato, noradrenalina, acetilcolina, histamina, ATP, etc. La

liberación de Ca+2 de depósitos intracelulares es disparada por la producción de IP3 y

puede ser propagada como “olas” en la misma célula o hacia otras células a través de

uniones Gap. Otra vía que produce “olas” de Ca+2 intracelular es el ATP, el cual puede ser

liberado por los astrocitos; difunde por el espacio extracelular, impacta en receptores puri-

nérgicos y dispara la producción de IP3 con la subsiguiente liberación de Ca+2 intracelular.

El aumento transitorio de Ca+2 en astrocitos tiene muchos efectos ya que puede

causar activación de enzimas (como la glutamina sintetasa) o aumentar la permeabilidad

al K+ de la membrana plasmática glial, entre otras cosas.

DESARROLLO

Los astrocitos son indispensables para la eliminación del Glu potencialmente tóxico del

espacio extracelular y, además, son capaces de modular la neurotransmisión por libera-

ción de moléculas que actúan sobre las neuronas. Sin embargo, estas no son ni las úni-

cas ni las más importantes funciones que cumplen en la transmisión glutamatérgica.

Hay enzimas que están presentes en los astrocitos y no en las neuronas

Tanto las neuronas como los astrocitos poseen transportadores de glucosa en sus mem-

branas, y ambas son capaces de realizar glucólisis y ciclo de Krebs, oxidando a la gluco-

sa hasta CO2 y H2O. Sin embargo, hay enzimas claves que solo están presentes en los

astrocitos. Una de ellas es la piruvato carboxilasa, enzima dependiente de biotina que

cataliza la conversión de piruvato en oxalacetato, incorporando una molécula de CO2 aco-

plado a la hidrólisis de 1 ATP (Figura 1).

¿Qué consecuencias trae la ausencia o la presencia de esta enzima? El piruvato es

el producto final de la glucólisis y puede ser convertido en distintas moléculas, según las

necesidades de la célula (Figura 2).

30


La incapacidad de transformar piruvato en un intermediario del ciclo de Krebs se eviden-

cia cuando tenemos en cuenta que otros compuestos, que forman parte del ciclo, son con-

vertidos, por ejemplo, en aminoácidos y, de esta manera, dejan de funcionar en esta ruta.

Si existe la posibilidad de transformar un producto de la glucólisis en un intermediario del

ciclo de Krebs, el problema está solucionado.

31


Figura 1. Reacción que muestra la conversión de piruvato en oxalacetato por acción

de la piruvato carboxilasa

Figura 2. Reacciones que muestran las posibles transformaciones del piruvato en diferentes

productos

En este caso, esto es todavía más importante que en otros tipos celulares porque

el metabolismo del glutamato es primordial. El glutamato se sintetiza a partir de a-cetoglu-

tarato (Figura 3). Normalmente, las reacciones de síntesis de Glu son catalizadas por

GDH (donde el dador de nitrógeno es el NH3) o la Glu sintetasa (donde el dador de N es

la Gln). En el SNC, la síntesis de Glu se realiza por transaminación con otro aminoácido

(Ala o aminoácidos ramificados –Ile, Val, Leu–).

Esta reacción se realiza tanto en neuronas como en astrocitos, pero como las neuronas

no tienen piruvato carboxilasa, la reacción provoca la pérdida de intermediarios del ciclo

de Krebs. Si las neuronas dependieran de su propio metabolismo no podrían subsistir. Sin

embargo, los astrocitos (una vez más) solucionan este inconveniente mediante el ciclo

glutamina-glutamato.

Ciclo glutamina-glutamato

Cuando el Glu es liberado al espacio extracelular por las neuronas, mediante exocitosis,

los astrocitos lo toman vía receptores específicos y, una vez en su citosol, lo convierten en

Gln (Figura 4). Esto es realizado por la glutamina sintetasa, que es del tipo de enzimas

que están presentes en los astrocitos y no en las neuronas. De esta manera, los astroci-

tos transforman un metabolito tóxico en Gln, que es inocuo y puede volver a ser liberado

para que las neuronas puedan transformarlo nuevamente en Glu (por acción de la gluta-

minasa). Por lo tanto, ambos tipos celulares son capaces de sintetizar Glu a partir de Gln

32


Figura 3. Síntesis del glutamato a partir de α-cetoglutarato

pero las neuronas no pueden producir Gln a partir de Glu. Una vez más, las neuronas

dependen de los astrocitos. Sin embargo, no todo el Glu que es tomado por los astrocitos

es convertido en Gln sino que una parte puede ser convertida en a-cetoglutarato y oxida-

do vía TCA (ciclo de los ácidos tricarboxílicos). Además, el malato puede convertirse en

piruvato (por la enzima málica) y este a su vez puede ser transformado en lactato.

Asimismo, el oxalacetato puede seguir la ruta gluconeogénica.

De resultados de experimentos con compuestos marcados radioactivamente, se puede

deducir que el Glu atraviesa el ciclo Glu-Gln tres o cuatro veces antes de ser oxidativa-

mente degradado. Por este motivo, es muy importante la síntesis de Glu a partir de gluco-

sa y esto es posible solo en los astrocitos.

El ciclo Gln-Glu explica el reciclado de los esqueletos carbonados del Glu, pero no

explica el origen del grupo amino de este aminoácido. Cabe recordar que el Glu solo es

formado por aminación reductiva en condiciones de hiperamonemia. Normalmente, la sín-

tesis de Glu ocurre por transaminación del a-cetoglutarato con Ala o algún aminoácido

ramificado. La Ala es producida por astrocitos mediante transaminación de piruvato y es,

por lo tanto, un producto de la glucólisis en el cerebro. La formación de Ala por transami-

nación con Glu es balanceada por la siguiente transaminación entre Ala y a-cetoglutarato

para producir piruvato y Glu.

33


Figura 4. Ciclo glutamina-glutamato entre neuronas sinápticas y astrositos (los números

indican la secuencia de reacciones)

Modelo de interacción propuesto

Existen muchas evidencias que validan la hipótesis de que los astrocitos utilizan la gluco-

sa como combustible y producen lactato, que luego es liberado y oxidado en las neuronas

(Figura 5). El lactato es tomado por neuronas, por cotransportadores protón/mono-

carboxilato.

¿Cómo funcionaría este modelo?

La entrada de Glu a astrocitos está asociada a la entrada de Na+ (Figura 5, paso 1). El

influjo de una molécula de Glu es acompañado por el cotransporte de 3 Na+ y 1 H+ y por

la salida de 1 K+. Por lo tanto, la membrana se despolariza. La entrada de Na+ activa la

bomba Na+/K+ ATPasa que hidroliza ATP para sacar Na+ contragradiente hacia el espacio

extracelular (Figura 5, paso 2). Esto provoca una disminución de la relación ATP/ADP y

por lo tanto una activación de la glucólisis, seguida de un aumento del consumo de gluco-

sa (Figura 5, paso 3). Esto termina en la producción y liberación de lactato que luego será

utilizado por las neuronas (Figura 5, paso 4).

34


Figura 5. Modelo propuesto (los números indican la secuencia de reacciones)

De esta manera, el uptake de Glu tendría una función extra indirectamente (por

entrada de Na+), que culminaría en la producción de un metabolito energético para las

neuronas.

¿Qué evidencias hay hasta el momento?

En ratones GLT1 -/- y GLAST -/- el consumo de glucosa cerebral, evaluado por distintos

métodos, disminuye aproximadamente el 60% con respecto a los +/+ respectivos. Pero

esto puede deberse a problemas diversos. Sin embargo, también se ha demostrado que

ensayos utilizando antisentido para dichos receptores también provocan una disminución

en el consumo de glucosa.

Asimismo, astrocitos GLT1 -/- y GLAST -/-, mantenidos en cultivo, experimentan una

disminución en el uptake de Glu, en el consumo de glucosa y en la liberación de lactato

comparados con los genotipos +/- y estos a su vez con +/+.

Hay evidencias que la reacción catalizada por la lactato deshidrogenasa transcurre

desde lactato hacia piruvato en neuronas y en sentido inverso en astrocitos. También han

sido descriptos transportadores de monocarboxilatos en ambos tipos celulares.

Sumado a esto, se observa que la inhibición del transporte de Glu inhibe también el

aumento de lactato extracelular que es observado normalmente.

Por último, si se reemplaza Na+ por Li+, que es capaz de ser cotransportado con Glu

pero es incapaz de activar la ATPasa Na+/K+, el aumento en el consumo de glucosa, indu-

cido por receptores AMPA, es inhibido.

Sin embargo, es controversial el hecho de que las cantidades de Na+, que son

cotransportadas con Glu, alcancen para provocar la activación de la ATPasa Na+/K+ o si

esto último es consecuencia de actividad neuronal (por ejemplo, por entrada de K+ en neu-

ronas durante la repolarización).

El consumo de CO2, ¿está también involucrado?

El Na+ que es cotransportado con el Glu es eliminado por la ATPasa Na+/K+ pero, además,

puede ser liberado al exterior por el cotransportador Na+ bicarbonato (NBC).

El bicarbonato es producido por la anhidrasa carbónica (CA) localizada principal-

mente en células gliales. Los equivalentes ácidos intracelulares estimulan la activación de

cotransportadores monocarboxilato/H+ (MCT). El lactato es liberado por los astrocitos a

través de MCT-1 y es tomado por las neuronas por MCT-2, isoforma con mayor afinidad

por el lactato. De esta manera, se mantiene el gradiente de Na+ que es suficiente para el

uptake de Glu vía EAAT.

35


De acuerdo con este modelo, la acidificación intracelular glial deriva en una mayor

liberación de lactato. Por el contrario, la consecuencia de esto en neuronas es la deten-

ción del uptake de lactato.

Si todos los transportadores funcionan en el mismo ciclo, los astrocitos ganan dos

iones Na+ y dos H+ por cada Glu. Los iones Na+ son removidos vía ATPasa Na+/K+ y los

protones pueden ser “buffereados” por la gran capacidad buffer del bicarbonato.

Un resumen de las interacciones glía-neurona propuestas por este modelo son

expuestas en la Figura 6.

El disparo neuronal de potenciales de acción induce la liberación de Glu y K+ al espacio

extracelular (Figura 6, paso 1). La energía utilizada por las neuronas, principalmente para

mantener los gradientes iónicos adecuados, es suministrada por el lactato y la oxidación

del mismo libera CO2. El Glu activa mGluR dirigiendo una liberación de Ca+2 intracelular

transiente (Figura 6, paso 2) que puede aumentar la permeabilidad de la membrana

(Figura 6, paso 3). El Glu también es tomado del espacio extracelular vía EAAT (Figura 6,

paso 4), lo que dirige un aumento del uptake de glucosa y de la glucólisis (Figura 6, paso

5), presumiblemente provocada por un aumento en el consumo de ATP. El lactato, como

producto de la glucólisis, es secretado vía MCT (Figura 6, paso 6). El CO2 es modificado

por la anhidrasa carbónica (Figura 6, paso 7) que estimula la secreción de bicarbonato vía

NBC (Figura 6, paso 8).

36


Figura 6. Resumen de las interacciones glía-neuronas (los números indican la secuencia

de reacciones)

CONCLUSIONES

La eliminación del Glu potencialmente tóxico –debido a la sobreexcitación que provoca

en las neuronas– es de suma importancia. Esto se ve reflejado en algunas patologías en

las cuales los mecanismos de u p t a k e no funcionan adecuadamente, por ejemplo, en la

e p i l e p s i a .

Es importante tener en cuenta que los astrocitos, además, son capaces de liberar

Glu, lo que puede desencadenarse como respuesta a un aumento del volumen celular o

a una disminución excesiva en los niveles de ATP (como se produce en condiciones de

isquemia) que provoca el colapso de todos los gradientes de membrana. Asimismo, tam-

bién se libera Glu en respuesta a prostaglandinas (PGE2). Esto puede relacionarse con la

cascada de señalización que comienza con la activación de la fosfolipasa C, que no solo

provoca la cascada dependiente de IP3, sino también la cascada dependiente de diacilgli-

cerol (DAG). La degradación de DAG deriva en la producción de ácido araquidónico, el

cual es un precursor de las prostaglandinas y, por lo tanto, constituye el inicio de otra cas-

cada de señalización.

Las interacciones existentes entre astrocitos y neuronas forman circuitos bidireccio-

nales.

Ciertos cambios neuronales producen un aumento en la concentración de Ca+2

intracelular en los astrocitos. Esta “ola” de Ca+2 se expande por la red astrocítica por unio-

nes de tipo Gap. El aumento de Ca+2 en astrocitos es necesario y suficiente para, por

ejemplo, la liberación de Glu que modula la actividad neuronal de las neuronas circundan-

tes. Por otro lado, los astrocitos tienen contacto tanto con vasos sanguíneos como con

neuronas. Esto les permite actuar como intermediarios y es una evidencia más que vali-

da el modelo propuesto.

La interacción metabólica hipotetizada tiene implicancias en el diagnóstico de dife-

rentes patologías, cuando este se realiza por evaluación del consumo de glucosa cerebral

como medida de activación neuronal. Quizás, lo que reflejan estas técnicas es directa-

mente la función astrocítica, lo cual no quita que en forma indirecta sea un reflejo de la

activación neuronal.

Hay muchas preguntas todavía sin responder en cuanto a las funciones que desem-

peñan los astrocitos. Esto se debe, en parte, a que es complicado estudiar qué sucede

cuando los astrocitos no funcionan porque esto provoca la muerte neuronal, con lo cual

no se puede discernir si las consecuencias son producto de la muerte neuronal o de la

falla en las células gliales.

37


En los últimos años han aparecido numerosos trabajos centrados en la glía. La

denominación de “sinapsis tripartita” o la existencia de “gliotransmisores” exige que se

revean muchos procesos donde solo eran tenidas en cuenta las neuronas.

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39


¡Calmemos el dolor! Efecto de los antiinflamatoriosno esteroideos sobre la enzima ciclo-oxigenasa

Andrea E. Lo Ré

En la actualidad, es imposible no pensar en tomar un analgésico cuando el dolor nos

aqueja. Es por ello que cada año, varios miles de toneladas de aspirina son consumidas

alrededor del mundo para el alivio de jaquecas, de músculos cansados, articulaciones

inflamadas y fiebre. Además, gracias a que la aspirina inhibe la agregación plaquetaria y

la coagulación sanguínea, también es usada en bajas dosis para tratar pacientes con ries-

go de ataques al corazón. Casi una píldora mágica.

Pero, ¿cuál es la sustancia que la compone? Las propiedades medicinales de los

compuestos conocidos como salicilatos, los cuales incluyen la aspirina, fueron inicialmen-

te descriptos en 1763 cuando Edmund Stone notó que la corteza del árbol de sauce, Salix

alba, era efectiva contra la fiebre y los dolores. Para 1830, químicos alemanes habían

purificado los componentes activos de dicha corteza y de otras plantas ricas en salicilatos.

Sin embargo, esta sustancia en sí era de un sabor amargo y su uso tenía algunos efectos

secundarios desagradables, incluyendo una irritación estomacal severa. Para resolver

este problema, Felix Hoffmann y Arthur Eichengrun sintetizaron acetilsalicilato en la com-

pañía Bayer, en 1897. Así, el nuevo compuesto con menos efectos secundarios salió a la

venta en 1899 con el nombre de Aspirina, provocando en poco tiempo que la enfermedad

tuviera a uno de sus primeros enemigos, el analgésico de venta libre.

¿Por qué la aspirina tiene este efecto? ¿Cómo actúa a nivel molecular? ¿Cómo

puede tener una acción positiva y negativa a la vez? Estas y otras cuestiones son las que

intentaremos develar a lo largo de este trabajo.

INTRODUCCIÓN

Los eicosanoides son una familia de moléculas biológicas de señalización muy potentes

que actúan como mensajeros de corto alcance, afectando tejidos cercanos a las células

40


que los producen. En respuesta a varios estímulos, como los hormonales, la proteína fos-

folipasa A2 (presente en la mayoría de las células de mamíferos) ataca los fosfolípidos de

las membranas activando una cascada de reacciones que llevarán a la formación de un tipo

de sustancias conocido como prostaglandinas (Figura 1). Todo comienza con la liberación

de araquidonato (Figura 2) a partir del carbono central del glicerol. Enzimas del retículo

endoplasmático liso luego convierten al araquidonato en prostaglandinas, las cuales son

sustancias similares a las hormonas que alteran el diámetro de los vasos sanguíneos, ele-

van la temperatura corporal como respuesta a la infección y desempeñan un papel crucial

en la coagulación de la sangre, además de otros efectos. La liberación en el organismo de

prostaglandinas como respuesta a una lesión (quemadura, rotura, torcedura o distensión

muscular) produce inflamación, enrojecimiento e hinchazón. Las prostaglandinas devienen

de ácidos grasos monocarboxílicos insaturados de 20 carbonos, los cuales están formados

por dos cadenas y un anillo de cinco carbonos. Las distintas prostaglandinas se diferencian

solamente por pequeños cambios en la metilación u oxidación de sus cadenas carbonadas.

Inicialmente, se forma la prostaglandina H2 (PGH2), precursora de muchas otras y de algu-

nos t r o m b o x a n o s (ambos tipos de moléculas están formadas por un anillo de cinco o seis

átomos). Las dos reacciones que dan origen a PGH2 son catalizadas por una enzima bifun-

cional llamada prostaglandina H2 sintasa, o ciclo-oxigenasa (COX). En el primero de dos

pasos, la actividad de la ciclo-oxigenasa introduce oxígeno molecular para convertir araqui-

donato en PGG2. En el segundo paso, se convierte al PGG2 en PGH2, en una reacción

catalizada por la actividad de peroxidasa de COX. La tromboxano sintasa, presente en las

plaquetas de la sangre, convierte PGH2 en tromboxano A2, que da origen a otros deriva-

dos. Estas sustancias son las que inducen la constricción de los vasos sanguíneos y la

agregación plaquetaria, pasos iniciales de la coagulación.

Una vez que las prostaglandinas son sintetizadas en los tejidos, comienzan su

acción a nivel local produciendo importantes cambios funcionales para luego ser distribui-

das sistemáticamente por vía venosa y muchas de ellas metabolizadas en el pulmón. Los

estímulos que promueven la síntesis y la secreción de las prostaglandinas son múltiples,

el estímulo neural y la hipoxemia son algunos de los factores detonantes; además se acti-

van por la presencia de compuestos como la serotonina, la acetil-colina, la histamina, la

norepinefrina, la angiotensina II y las bradicininas. A pesar de su amplia función, la acción

de las prostaglandinas no es específica, ya que un mismo tipo puede estimular determi-

nadas funciones e inhibir otras.

Por estas razones, las drogas antiinflamatorias no esteroideas (AINE), cumplen su acti-

vidad al inhibir la síntesis de prostaglandinas y tromboxanos al actuar sobre la enzima COX.

41


MECANISMO DE ACCIÓN

¿Quién no ha tomado alguna vez una aspirina para mitigar el dolor? Es por ello que inten-

taremos describir qué es lo que sucede cuando dicho medicamento ingresa en nuestros

cuerpos.

La aspirina –ácido acetilsalicílico (Figura 3)– es una de las tantas drogas antiinfla-

matorias no esteroideas (AINE), como el ibuprofeno y el naproxen. Desafortunadamente,

la aspirina reduce pero no anula los efectos secundarios del salicilato. Es por ello que en

algunos pacientes su administración puede causar úlceras estomacales, fallas de riñón y,

en casos extremos, la muerte.

La aspirina y otros AINE inhiben la actividad de ciclo-oxigenasa de la prostaglandi-

na H2 sintasa (COX), cuya función es agregar oxígeno molecular al araquidonato para ini-

ciar la síntesis de prostaglandinas, que luego regularán muchos procesos fisiológicos,

42


Figura1. Representación de las prostaglandinas G2, H2 y A2

Figura 2. Representación del araquidonato

como la agregación plaquetaria, las contracciones uterinas, el dolor y la inflamación, y

también el mantenimiento de la mucosa que protege las paredes del estómago de la

acción del ácido y las enzimas proteolíticas que allí se producen.

Los mamíferos poseen dos isoenzimas de prostaglandina H2 sintasa, COX-1 y COX-2.

Estas tienen diferentes funciones a pesar de tener secuencias de aminoácidos y mecanis-

mos de reacción similares en sus centros catalíticos. COX-1 se expresa constitutivamente

en una serie de órganos y tejidos, ejerciendo diversos efectos homeostáticos o de “mante-

nimiento” del tracto gastrointestinal y del riñón, además de estimular la agregación plaque-

taria y por tanto, mantener la hemostasis normal. Por otro lado, la COX-2 es considerada

una enzima inducible que responde a estímulos inflamatorios, al dolor y la fiebre.

El desarrollo de inhibidores específicos de COX-2 ha sido ayudado por el descubri-

miento de la estructura tridimensional de ambas isoenzimas. Ambas proteínas son homo-

dímeros; cada monómero (Mr 70.000) tiene un dominio anfipático que penetra el retículo

endoplasmático, dejando a la enzima en el lado lumenal del mismo. Ambos sitios catalíti-

cos están en el dominio globular, y se extienden hasta el lumen reticular.

COX-1 y COX-2 tienen estructuras terciarias y cuaternarias prácticamente idénticas,

aunque difieren en un canal hidrofóbico fino y largo que se extiende del interior de la mem-

brana a la superficie lumenal. El canal incluye ambos sitios catalíticos y se presume que

es el sitio de unión para el sustrato hidrofóbico llamado araquidonato.

A pesar de que la actividad catalítica y la estructura terciaria de COX-1 y COX-2 son

muy similares, COX-2 tiene una afinidad mayor por el sustrato porque el canal hidrofóbi-

co que lleva al sitio activo está mejor acomodado.

En dosis terapéuticas, los AINE ejercen sus efectos analgésicos y antiinflamatorios

43


Figura 3. Representación de la molécula ácido acetil-salicílico y otras dos moléculas

mparentadas

mediante la inhibición de la COX-2, a pesar de que al mismo tiempo también bloquean la

COX-1. Como consecuencia, estos agentes inducen sustanciales efectos sobre las pla-

quetas, junto con la potencial toxicidad renal y gastrointestinal; estos son los factores que

pueden restringir su utilidad clínica.

La aspirina inhibe de manera equivalente tanto a la COX-1 como a la COX-2, por lo

cual, una dosis suficiente para reducir la inflamación también puede causar irritación esto-

macal. Es por ello que gran parte de la investigación actual apunta a desarrollar nuevos

AINE que inhiban COX-2 de manera específica.

La aspirina inactiva, en forma irreversible, la actividad de ciclo-oxigenasa de COX,

al acetilar un residuo de serina ubicado en el canal de unión del ácido araquidónico (Ser530

de COX-1 y Ser516 de COX-2), bloqueando así el acercamiento del ácido graso. De esta

forma, inhibe la síntesis de prostaglandinas y tromboxanos. A bajas dosis se comporta

como un inhibidor selectivo de la COX-1 y a elevadas dosis como inhibidor no selectivo de

la COX. Actúa en áreas periféricas y, en el área central, en el hipotálamo y también, puede

inhibir otros mediadores químicos y retardar la migración de los neutrófilos involucrados

en la inflamación. Asimismo, facilita la actividad de las prostaciclinas PI que son antiagre-

gantes plaquetarios, bloquea el efecto agregante plaquetario de los tromboxanos A2 y esti-

mula la vasodilatación por la liberación de óxido nítrico. También, estabiliza las

membranas de los lisosomas y puede impulsar la producción de glucocorticoides. Por todo

este accionar provoca analgesia, antipiresis y reduce la inflamación.

La diversidad en el efecto farmacológico de los diferentes AINE se explica, en gran

parte, por la COX inhibida y por la preferencia o especificidad de los AINE por las COX.

EFECTOS COLATERALES ADVERSOS

¿Quién no ha sufrido algún malestar colateral por haber consumido aspirinas? Como

sabemos, no existe una solución mágica cuando de procesos biológicos hablamos. Así,

los beneficios que puede tener la sustancia en estudio sobre el dolor o la inflamación, pue-

den ser tan positivos como negativos son las consecuencias adversas que la aspirina pro-

vocaría sobre diversos órganos y tejidos de nuestros cuerpos. Por ello, analizaremos

algunos efectos colaterales y los mecanismos moleculares que llevarían a ellos.

Sistema renal

COX-1 es una enzima constitutiva en el riñón y se cree que es esencial en el manteni-

44


miento del flujo sanguíneo renal. Ha sido localizada en las arterias y las arteriolas, glomé-

rulo y ductos colectores. Sin embargo, COX-2 también se ha visto que es constitutiva en

el mismo órgano. Se estima que en los riñones humanos fetales y de adultos la expresión

de la COX-2 está localizada en las células endoteliales y del músculo liso de las arterias

y las venas e, intraglomerularmente, en los podocitos. Pero aún no hay pruebas suficien-

tes para asegurarlo.

Las prostaglandinas ejercen un efecto vasodilatador a nivel del riñón. Es por ello

que la inhibición de estas produce disminución en el flujo renal y la filtración glomerular.

Los efectos tóxicos asociados al uso de AINE son moderados y reversibles, sin embargo

las complicaciones relativamente raras de nefritis intersticial y necrosis papilar son por lo

general irreversibles.

Cuando existe una disminución de la función renal o del flujo sanguíneo renal, el

riñón sintetiza prostaglandinas por un mecanismo compensatorio que produce vasodilata-

ción para aumentar el flujo renal. Si está presente la aspirina, no se sintetizan las prosta-

glandinas en este órgano con la consecuente inhibición del mecanismo compensador y

una vasoconstricción que disminuye el flujo renal, pudiendo llevar a una insuficiencia renal

aguda. Además, la nefropatía por consumo de analgésicos puede aparecer debido a la

formación de metabolitos tóxicos que se forman al reaccionar la ciclo-oxigenasa con el

ácido acetilsalicílico.

Tracto gastrointestinal

El principal efecto deletéreo de los AINE observado se da sobre el tracto gastrointestinal,

tanto por la acción directa del medicamento sobre la mucosa como por su efecto sistémi-

co. Se calcula que entre el 30 y el 50% de los pacientes que mueren por complicaciones

relacionadas con la enfermedad úlcero-péptica han tomado AINE.

El medio gastrointestinal es mantenido por la inducción de COX-2. Esta proteína

promueve la formación de prostaglandinas “buenas”, que tienen una función fisiológica de

protección sobre el tracto gastrointestinal. El problema está en que al administrar AINEs

como la aspirina, hay un alto riesgo de úlcera, ya que estas drogas inhiben la producción

de las prostaglandinas E 1, E 2, I 2, y F 2, las cuales a nivel gastrointestinal incrementan

la producción de bicarbonato, preservando la microvasculatura de la mucosa e incremen-

tando su regeneración.

Con el fin de disminuir los efectos directos irritantes de la aspirina pueden utilizarse

compuestos tamponados. Estos productos contienen un antiácido, que crea un medio

alcalino que intensifica la disolución de la aspirina y puede reducir el tiempo durante el

45


cual la aspirina está en contacto con el estómago. Sin embargo, dado que el tampón no

puede contrarrestar la reducción de prostaglandinas, la aspirina puede irritar dicho órgano.

Es por estas razones que la aspirina con envoltura entérica se ha fabricado para

pasar intacta a través del estómago y disolverse en el intestino delgado, minimizando la

irritación directa. Sin embargo, este compuesto así formulado se absorbe irregularmente

y tarda más tiempo en aliviar el dolor.

Otros efectos adversos

El uso de AINE puede elevar transitoriamente las enzimas hepáticas; también se han

observado casos de hepatotoxicidad asociados a su uso. Por otra parte, puede desenca-

denar casos severos de asma o agravar la situación en casos preexistentes. En cuanto al

área dermatológica, suele ocasionar reacciones como exantema y prurito, y puede dar ori-

gen a reacciones alérgicas o causar zumbidos en los oídos.

EFECTOS COLATERALES DE ACCIÓN POSITIVA

¿Quién no ha tomado alguna vez una aspirina buscando “otros” efectos no analgésicos?

Sabemos que cuando algo “parece bueno”, termina siendo recomendable para mucho

más. Si bien no existe la píldora mágica que solucione todos los problemas, pueden exis-

tir beneficios no considerados inicialmente. No debemos olvidar que los sistemas biológi-

cos son muy complejos. Es por ello que cuando uno intenta corregir, anular o desviar un

camino de reacciones, termina provocando además modificaciones en otra serie de reac-

ciones. Las consecuencias de las mismas pueden ser negativas, como las antes expues-

tas, o positivas, como las que describiremos a continuación.

Cáncer de colon

Las prostaglandinas juegan un rol importante en la patogénesis del cáncer de colon, lo

cual ha sido evidenciado por los altos niveles de PGE2 en tumores colorrectales. Basados

en esto, los AINE, gracias a la habilidad de inhibir la síntesis de prostaglandinas, bloque-

arían la inmunosupresión inducida por estas sustancias afectando el crecimiento tumoral.

Así, nuestra droga en estudio tendría también un rol importante en la prevención del cán-

cer colorrectal; y de hecho, existe abundante evidencia experimental en modelos murinos

para el uso prospectivo de los inhibidores de la COX-2 en la prevención de este tipo de

cáncer.

46


Enfermedad de Alzheimer

La enfermedad de Alzheimer es otro posible objetivo para los inhibidores de la COX-2,

dado que esta patología se caracteriza por procesos inflamatorios cerebrales asociados a

incrementos en la expresión de esta proteína.

Diversos estudios epidemiológicos han mostrado una manifestación retrasada de la

enfermedad o su progresión más lenta cuando existió un uso frecuente de AINE. Esto

podría explicarse porque las áreas cerebrales afectadas por este mal (hipocampo, corte-

za), claves en el desarrollo de la memoria, presentan un alto nivel de COX-2, el punto

clave de acción de las AINE.

Sangre

Una de las aplicaciones actuales más populares de la aspirina es su acción preventiva de

accidentes cardiovasculares. Esta acción puede atribuirse a la inhibición irreversible de la

ciclo-oxigenasa. En las plaquetas, la ciclo-oxigenasa sintetiza tromboxano A2, el cual tiene

acción de agregante plaquetario y de vasoconstrictor, pudiendo perjudicar el normal flujo

sanguíneo y asociarse a patologías de índole cardíaca como la generación de trombos.

La acción de la aspirina a largo plazo (mucho mayor a su vida media dentro del organis-

mo) se debe a que las plaquetas son anucleadas y no pueden sintetizar nuevas ciclo-oxi-

genasas al no tener el material genético necesario. Debido a esto, la función de la enzima

es inhibida hasta que se sinteticen nuevas plaquetas, las cuales tienen una vida media de

alrededor de ocho días.

ASPIRINA VERSUS IBUPROFENO

Y si de competencias se trata, comparemos a nuestra protagonista, la aspirina, con otra

sustancia decidida a quitarle la corona, el ibuprofeno (Figura 4). Ambos compuestos son

AINE ácido carboxílicos. Mientras que la primera actúa como analgésico, antipirético y

antiinflamatorio, el ibuprofeno, por su parte, funciona como analgésico a bajas dosis y

antiinflamatorio a dosis altas.

Un dato interesante es que la conocida acción cardioprotectora de la aspirina podría

verse bloqueada por el ibuprofeno. El mecanismo de interferencia entre ambas drogas,

basado en el bloqueo de la acción antiplaquetaria de la aspirina por parte del ibuprofeno,

fue puesto en evidencia por un estudio de la revista científica The New England Journal

of Medicine.

47


El ácido acetilsalicílico es usado en pacientes coronarios por cuanto interfiere en la

formación de trombos causantes de accidentes cardiovasculares como antes analizamos;

pero administrar ibuprofeno a estos pacientes impide esta interferencia positiva. Según los

estudios realizados, la acción se debe a la ocupación de los canales hidrófobos COX-1 de

las plaquetas.

Por lo general, se cree que el ibuprofeno, el ketoprofeno y el naproxeno son más

suaves para el estómago que la aspirina, aunque pocos estudios han comparado realmen-

te estos fármacos. Al igual que la aspirina, estos pueden causar indigestión, náuseas, dia-

rrea, acidez, dolor de estómago y úlceras. Otros efectos adversos incluyen somnolencia,

vértigo, trastornos visuales, retención de agua y dificultades respiratorias.

El ibuprofeno ejerce su acción analgésica al interferir con las síntesis de prostaglan-

dinas, particularmente la tipo E, responsable de incrementar la sensibilidad de las termi-

naciones nerviosas. Dicha interferencia se lleva a cabo mediante la prostaglandino

transferasa, dando como resultado la analgesia periférica y la disminución del potencial de

membrana por acción del calcio. El ibuprofeno, como otros antiinflamatorios no esteroide-

os, puede inhibir la agregación plaquetaria, pero el efecto es cuantitativamente más

pequeño y de menor duración que el observado con el ácido acetilsalicílico. Además, en

estudios clínicos controlados, la aparición de trastornos gastrointestinales es menor que

la observada en los pacientes tratados con ácido acetilsalicílico.

PERSPECTIVAS

Tras encontrar la COX-2, se impulsó la búsqueda de nuevas drogas selectivas con simi-

lar acción y menores efectos secundarios que los AINE.

48


Figura 4. Representación de la molécula del ibuprofeno

Actualmente, se intenta diseñar moléculas parecidas a la aspirina que acetilen e

inactiven preferentemente esta proteína. Algunos estudios proponen que, para lograrlo, se

debe variar la longitud del grupo acilo unido al salicilato. El compuesto más potente de

este tipo encontrado es el APHS.

La eficacia de dicha nueva droga en el tratamiento de células inflamadas, su selecti-

vidad en la atenuación del crecimiento de células de cáncer de colon que expresan COX-2

y su selectividad de acción sobre COX-2 respecto COX-1 in vivo indican que esta clase

de inhibidores de unión covalente pueden servir como propulsor de nuevas intervenciones

terapéuticas en cuadros inflamatorios y proliferativos.

Otras líneas de investigación llevaron al desarrollo de un nuevo grupo de drogas

antiinflamatorias reconocidas con el nombre de “coxibs”. Al igual que el ácido acetilsalicílico,

inhiben la prostaglandina sintasa; sin embargo mientras que los AINE inhiben las dos formas

reconocidas de la enzima –COX-1 y COX-2– los coxibs (celecoxib y rofecoxib) son inhibido-

res selectivos de COX-2. Ni los coxibs ni los AINE inhiben la actividad de hidroperoxidasa.

Las implicaciones clínicas de la inhibición específica de la COX-2 han sido demos-

tradas con celecoxib y rofecoxib. Diferentes estudios clínicos han revelado que ambos

poseen eficacia clínica equivalente a los AINE convencionales en el tratamiento del dolor

(ejemplo analgesia odontológica) y la inflamación, pero con la gran ventaja en la inciden-

cia de eventos adversos similares a los de placebo. Sin embargo, existen varias circuns-

tancias en las que la COX-2 podría cobrar importancia para la homeostasis en la salud o

en la enfermedad.

El blanco de aplicación de estas drogas se estudió, principalmente, en casos de

osteoartritis y artritis reumatoide, dando resultados positivos en lo que respecta a la elimi-

nación de dolores e inflamación. Así, los coxibs pueden ser la respuesta a la búsqueda de

mejores armas contra el dolor.

CONCLUSIONES

El futuro de la investigación en AINE está en el desarrollo de fármacos más seguros, basa-

dos en la comprensión de su mecanismo de acción. Así, el AINE con mayor especificidad

sobre la COX-2 será el que menores efectos secundarios posea.

Es importante, también, indagar el efecto de nuevas drogas, que tal vez actúen con

más eficiencia que las ya conocidas. Es por eso que los resultados en la investigación de

las drogas antes descriptas (APHS y coxibs) son alentadores. Sin embargo, aún queda un

49


largo proceso de exploración de los mecanismo de acción y de la eficacia real de este tipo

de sustancias.

Por otra parte, sería útil analizar si, en vez de inhibir la formación de prostaglandi-

nas al modificar el sitio activo de la ciclo-oxigenasa, se puede regular la actividad de las

prostaglandinas responsables de los síntomas de dolores e inflamación, en las reacciones

posteriores a su generación.

Si bien hay constantes avances en la investigación de estas drogas, el proceso de

búsqueda es lento. Es positivo que se usen las herramientas que la naturaleza nos brin-

da para mejorar nuestra calidad de vida. Por ello, no debemos estancarnos en los descu-

brimientos del pasado sino seguir explorando el mundo biológico, continuar la tarea que

los científicos de una época comenzaron, para eliminar, de un modo más eficiente cada

día, los malestares sanitarios que afectan al hombre.

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51


Evolución en acción. El caso de las babosas fotosintéticas

Andrés Romanowski

INTRODUCCIÓN

Simbiosis es un término generalmente aplicado a la cohabitación de dos organismos,

mientras que la endosimbiosis se refiere al hecho de que un organismo viva dentro de otro

y pueda ser tanto intra como extracelular.

La simbiosis se refiere a asociaciones fisiológicas, temporales o topológicas con

destinos ambientales determinados. La simbiogénesis es, por otro lado, un tipo de inno-

vación evolutiva que describe la aparición de un nuevo tejido, órgano, fisiología u otra

característica nueva derivada de la asociación simbiótica.

De hecho, las células de todos los grandes organismos son producto de la simbio-

génesis. Al comienzo de toda asociación simbiótica, el organismo de vida libre está con-

tenido por una membrana propia y contiene su propio ADN, ARN, etc. Por ejemplo, los

organismos de vida libre (bacterias púrpuras y cianobacterias) que pasaron a formar orga-

nelas (mitocondrias y cloroplastos) deben entonces haber empezado su historia de esta

manera. Una adquisición de este tipo contrasta fuertemente con las asociaciones cíclicas,

que requieren que cada generación vuelva a adquirir simbiontes. En tanto, en el caso de

las mitocondrias y los cloroplastos, las organelas pierden su habilidad de vivir fuera de las

células, las cuales se vuelven igualmente dependientes de las funciones de aquellas.

Las dos grandes clases de organelas eucariotas: cloroplastos (fotosíntesis) y mito-

condrias (respiración aeróbica) comenzaron como eubacterias. Este hecho, ahora indis-

cutible, ha sido verificado por secuencias de proteínas y ácidos nucleicos y los tipos de

eubacterias involucrados han sido identificados. En el caso de la mitocondria, el ancestro

correspondía al grupo α de proteobacterias y, en el caso de los cloroplastos, se trató de

algunos tipos de cianobacterias, como Synechococcus. Casi todos los eucariotas poseen

una o ambas clases de organelas, que son vestigios de antiguas simbiosis permanentes.

En las asociaciones cíclicas, cada miembro atraviesa distintas etapas: reconoci-

miento de la pareja simbiótica, asociación física, fusión física y mantenimiento precario del

52


estado integrado. La naturaleza transitoria del estado integrado hace que este tipo de aso-

ciaciones sean extremadamente sensibles a las condiciones ambientales. Es por ello que

los cambios en el medio ambiente pueden provocar la disociación de la simbiosis. En tal

caso, los miembros de la simbiosis continúan su ciclo de vida en forma libre. Sin embar-

go, en etapas posteriores, los individuos pueden volver a integrar una nueva asociación.

Existen muchos ejemplos para este tipo de asociaciones, que fueron descriptas en su

mayor parte en estudios botánicos. Las otras asociaciones cíclicas bien conocidas son

aquellas que suceden entre animales marinos y su contraparte fotosintética (Tabla 1).

Existe un tipo de asociación muy interesante, el cual entra dentro de los límites de

la definición de simbiosis cíclica. Este se da entre babosas marinas del género Elysia y los

cloroplastos de algas del género Vaucheria. En este caso, y de ahí lo llamativo, la asocia-

ción es entre un organismo eucariota multicelular del reino animal y una organela de un

organismo multicelular de otro reino.

EL GÉNERO ELYSIA

Muchas de las simbiosis que ocurren entre animales y algas son asociaciones en las cua-

les el alga reside fuera de las células del animal o dentro de una vacuola. Este no es el

caso para algunas babosas de mar del género Elysia, las cuales establecen una relación

“simbiótica” intracelular con cloroplastos que extraen de las células de las especies de

algas que ingieren y, sorprendentemente, pueden realizar fotosíntesis (Figura 1).

Las babosas juveniles se alimentan particularmente de los filamentos de algas sifo-

náceas y cromofíticas e incorporan fagocíticamente los cloroplastos intactos en el citoplas-

ma de células epiteliales especializadas que tapizan los túbulos del sistema digestivo.

53


Tabla 1. Ejemplos de asociaciones cíclicas entre animales marinos y su contraparte fotosintética

(Margulis y Chapman, 1998)

Holobionte Simbionte 1 (mayor) Simbionte 2 (menor)

Arrecifes de coral Muchos colenterados Symbiodinium (dinomastigote)

Hydra viridis Hidra marrón Chlorella (alga clorófita)

Pez luminoso Leiognatidos, anemolópidos Vibrio, Photobacterium (eubacteria)

Euprymna Calamar Photobacterium fischeri (eubacteria)

Durante este proceso, el retículo endoplásmico del cloroplasto (una característica de los

cloroplastos cromofíticos) desaparece, dejando plástidos con su membrana externa en

contacto directo con el citoplasma animal. Estos plástidos continúan funcionales desde

días hasta meses, según la especie de babosa.

La asociación más duradera se da en Elysia chlorotica, que obtiene sus cloroplas-

tos del alga cromofítica Vaucheria litorea, y puede llegar a durar hasta nueve meses. Si

tomamos en cuenta que estas babosas viven entre ocho y diez meses, ya sea en condi-

ciones naturales o artificiales, esto resulta sorprendente. Y no sólo son capaces de man-

tener los cloroplastos, sino que también pueden realizar fotosíntesis. Además, se ha

demostrado que estas babosas son capaces de subsistir en condiciones de laboratorio sin

comida si tan sólo se les provee una fuente de luz y de CO2, e incluso aumentar su masa,

del mismo modo que lo hacen los vegetales y las algas.

Se ha descripto que esta particular simbiosis no es heredable y debe ser reestable-

cida con cada generación de babosas de mar. Es decir, los plástidos no se transmiten a

los huevos.

FOTOSÍNTESIS Y GENERACIÓN DE O2

En las algas modernas, la membrana tilacoidal posee dos fotosistemas, cada uno

con su propio tipo de centro de reacción y moléculas antena, y sus funciones distintas y

complementarias. El fotosistema II (FSII) es un sistema feofitina-quinona (como el de las

bacterias púrpuras), capaz de traslocar protones a través de la membrana; y el fotosiste-

ma I (FSI) es similar al centro de reacción de tipo I de las bacterias verdes del azufre

(Figura 2).

54


Figura 1. Dos especímenes de E. chlorotica (Rumpho et al., 2000)

Estos dos centros de reacción actúan en conjunto para catalizar el pasaje de elec-

trones desde el H2O a NADP+. Los electrones son transportados de un fotosistema a otro

por la plastocianina, que transporta un electrón a la vez (como el citocromo c de la mito-

condria). Para reponer los electrones que pasan del FSI al FSII a NADP+, el agua se oxida

produciendo O2 (fotosíntesis oxigénica).

2H2O + 2NADP+ + 8 fotones O2 + 2NADPH + 2H+

En el FSII, dos proteínas similares, D1 y D2, forman un dímero, al cual los cofacto-

res que transportan electrones se unen. La excitación del centro de reacción produce un

excelente donor de electrones que en pocos picosegundos transfiere un electrón a la feo-

fitina, dándole una carga negativa. El centro de reacción queda como un radical catión. La

feofitina a su vez pasa el electrón a PQA (una quinona unida a proteína), que pasa su elec-

trón a otra quinona PQB. Cuando PQB adquiere dos electrones de PQA y dos protones del

agua, se reduce a PQBH2:

4P680 + 4H+ + 2PQB + 4 fotones 4P680+ + 2PQBH2

55


Figura 2. Esquema que representa a los fotosistemas comunes para plantas, algas y

cianobacterias (Nelson y Cox, 2004)

Los electrones acarreados por PQBH2 son llevados al FSI a través de un citocromo

del tipo b6f y plastocianina. Cuando el FSI se excita, el centro de reacción le cede un elec-

trón a un aceptor A0, dejando los radicales catión P700+ y un anión A0

-. P700+ rápidamente

adquiere un electrón de la plastocianina. A0- le transfiere su electrón a A1, que a su vez se

lo transfiere a una proteína de hierro-azufre. Luego el electrón pasa a la ferredoxina (Fd)

y la ferredoxina: NADP+ oxido-reductasa, transfiere el electrón de Fd al NADP+:

2Fdred + 2H+ + NADP+ 2Fdox + NADPH + H+

La función del complejo b6f (Figura 3) involucra un ciclo Q, a través del cual los elec-

trones pasan, uno a la vez, desde PQBH2 al citocromo b6. Este ciclo resulta en la traslo-

cación de protones a través de la membrana hacia el lumen. Se crea así un gradiente de

protones al pasar electrones del FSII al FSI. La diferencia de pH entre el estroma y el

lumen provee la fuerza impulsora necesaria para la síntesis de ATP.

Los cloroplastos poseen también reacciones que permiten la reducción de CO2 a

triosas-fosfato (ciclo de Calvin) y la ruta reductora de las pentosas-fosfato, las cuales

deben ser reguladas junto con la glucólisis y la gluconeogénesis.

La larga duración y la capacidad funcional de las babosas (la evolución de O2 decre-

ce luego de cinco meses) es increíble considerando la complejidad del funcionamiento de

56


Figura 3. A. Complejo del b6f. B. Esquema de la membrana tilacoidal (Nelson y Cox, 2004)

un cloroplasto, y la regulación necesaria, evidenciada a la hora de intentar mantener un

cloroplasto funcional en forma artificial. Del 70 al 90% de todos los polipéptidos necesa-

rios para el funcionamiento del plástido, tienen un origen nuclear en las plantas. Incluso

en las algas cromofíticas (como es el caso de V. litorea), cuyos cloroplastos tienden a pre-

sentar una mayor autonomía genética que las clorofíticas, solo 120-130 productos, que

representan el 13% de todos los requeridos para el funcionamiento del cloroplasto, son

codificados por el plástido. A pesar de que las proteínas D1, D2, PsaA, PsaB, y otras

requeridas para la formación de los complejos fotosintéticos, están codificadas por dicha

organela, igualmente requieren regulación nuclear ya sea a nivel transcripcional o traduc-

cional. Además, esta regulación está a su vez sujeta a cambios ambientales y fisiológicos.

El hecho de que la actividad fotosintética continúe durante tanto tiempo sugiere

varias posibilidades:

a) Las proteínas del cloroplasto son estables y no se degradan y resintetizan (turn

over) en los plástidos simbióticos.

b) Algunos de los genes nucleares del alga han sido transferidos al genoma de la

babosa, proveyéndole al plástido las proteínas que necesita.

c) Puede ser que los plástidos simbióticos tengan mayor autonomía genética, per-

mitiéndoles funcionar en ausencia del núcleo y del citoplasma de la célula del alga.

Se ha demostrado que muchos genes que codifican para proteínas del cloroplasto,

se encuentran presentes y se expresan en los plástidos simbióticos. Algunos de los pro-

ductos pueden ser detectados durante toda la duración de la simbiosis. Tres proteínas del

FSII: D1, D2 y CP-43 (proteína de unión a clorofila a) fueron detectadas en las babosas y

de las dos proteínas principales, D2 es la que más decae (81%) a lo largo del tiempo. D1

y CP-43 no disminuyen más allá del 50% del valor inicial. También, las proteínas principa-

les del FS I (PsaA y PsaB) no bajan del 50% inicial. PsaC (proteína de unión a FA-FB) dis-

minuye hasta un nivel cercano al 50% inicial y PsaD (proteína de unión a Fd) se mantiene

constante durante cinco meses, bajando hasta un 39% del valor inicial a los nueve meses

(80% respecto del alga). Las proteínas que forman el FSI son predominantes en las babo-

sas más viejas.

Tres citocromos también se detectaron en la babosa: b559, f y c6. El citocromo b es

el más estable y sus niveles se mantienen constantes, mientras que el nivel de citocromo

f disminuye paulatinamente luego del 4to mes con respecto a los niveles encontrados en

extractos del alga. En tanto, el c6 siempre se mantiene por debajo de los niveles encon-

trados en el alga.

A medida que disminuyen los niveles de estas proteínas también disminuyen los

57


niveles de evolución de O2 y de la actividad de la cadena de transporte de electrones foto-

sintética.

También se han encontrado, mediante la técnica de Southern blot, los genes que

codifican para las dos subunidades de la enzima RuBisco en el genoma del plástido. Esto

sugiere la presencia de la ruta del ciclo de Calvin, que explicaría la capacidad de las babo-

sas de fijar CO2.

En las plantas, la síntesis y el direccionamiento de proteínas del cloroplasto, así

como la transcripción de sus genes, están regulados por señales que provienen de la célu-

la vegetal. Por lo tanto, en los plástidos simbióticos esta regulación debe de estar dada

por el plástido en sí mismo o, lo que sería más interesante, por el núcleo de la babosa.

Más adelante, se comprobó que proteínas sintetizadas en el citoplasma de las célu-

las de la babosa eran dirigidas a los plástidos. Esto se logró utilizando cicloheximida, un

inhibidor específico de ribosomas citósolicos, y cloranfenicol, un inhibidor específico de

ribosomas de plástidos. La síntesis de polipéptidos pertenecientes al LHCI (Light

Harvesting Complex I) es bloqueada por la cicloheximida, pero no por el cloranfenicol, lo

que sugeriría que estos polipéptidos están codificados en el genoma de la babosa. Este

fue el primer indicio de que hubo transferencia horizontal de genes entre el alga y la babo-

sa. Sin embargo, hasta ese momento no hubo pruebas directas de la presencia de algún

gen codificante para proteínas del cloroplasto en el genoma de la babosa, debido a diver-

sas dificultades, como ser la falta de secuencias del alga, falta de conservación en la

secuencia y/o falta de secuencia aminoacídica.

En otras especies relacionadas se realizaron estudios similares, particularmente en

Elysia crispata, la cual logra mantener sus plástidos funcionales durante 3-4 meses. Estas

organelas requieren mucha síntesis proteica por parte del citoplasma. Cuando las babo-

sas son incubadas en 35S-metionina, muchas proteínas del plástido incorporan radioacti-

vidad y la síntesis de algunas de ellas es inhibida por cloranfenicol. El resto es inhibido por

cicloheximida. Esto indicaría, al igual que en E. chlorotica, que una gran variedad de pro-

teínas están siendo sintetizadas mientras los plástidos se encuentran en el organismo,

pero también que muchas de ellas son sintetizadas en el citoplasma.

Utilizando anticuerpos para realizar Western blots e inmunoprecipitaciones, con el

objetivo de identificar aquellos genes cuya síntesis era bloqueada por cicloheximida, se

encontró que un anticuerpo heterólogo policlonal anti FCP (fucoxantine-clorophyll binding

protein) revelaba una banda fuertemente inhibida en presencia de cicloheximida. Además,

este anticuerpo inmunoprecipitaba radioactividad de proteínas del cloroplasto marcadas

con 35S. En cambio, en presencia de cicloheximida esta se reducía en el 71%. Luego se

58


generó una sonda a partir de los datos de la secuencia de esta proteína y mediante

Southern blot se observó la presencia de un homólogo a FCP en el genoma de la babo-

sa. La sonda también hibridó con el genoma del alga V. Litorea.

Juntando las evidencias farmacológicas, inmunológicas y moleculares, se puede

sugerir que un gen que codifica para una proteína de un cloroplasto del alga estaría pre-

sente en el genoma de E. crispata y, si esto es así, muy probablemente también sea el

caso en E. chlorotica.

La transmisión de genes entre el alga y la babosa resulta difícil de explicar. Sin

embargo, existe una teoría acerca de cómo puede haber ocurrido y de cómo puede estar

ocurriendo actualmente. Es posible que uno o más virus estén involucrados.

De hecho, desde hace algunos años se ha detectado que el ciclo de vida de E. chlo -

rotica pareciera estar regulado por la acción de virus. Dentro de esta investigación, se ha

observado que la expresión de los mismos coincidiría con la muerte sincronizada de todos

los adultos de la población. Este comportamiento ocurre ya sea en la naturaleza, como en

condiciones controladas de laboratorio. Además, se ha demostrado que los virus no rein-

fectan generaciones siguientes a partir de un pool externo sino que son endógenos a la

babosa. Así, se hipotetiza que dichos patógenos están involucrados en el mantenimiento

de los cloroplastos, en las células del molusco (Figura 4).

En cuanto a los virus, no se sabe si se trata de más de un especimen o de diferen-

tes estadios de un mismo patógeno. Los virus que se encuentran en el citoplasma pare-

cen tener características de la familia de los retrovirus, mientras aquellos hallados en los

cloroplastos son parecidos a los virus del mosaico de las plantas.

59


Figura 4. Virus brotando hacia vacuolas citoplasmáticas. (Pierce et al., 1999)

Se especula que la infección viral puede haber causado la transferencia de genes

desde el alga a la babosa, lo cual le permitiría a las células del molusco el mantenimien-

to de los plástidos. Aunque la transferencia, integración y expresión de un grupo de genes

ocurre solo en raras ocasiones, aquellos que sí ocurrieron deben tener efectos profundos,

inmediatos y heredables en el fenotipo de la especie infectada. Estos efectos pueden ser

asociados con los mecanismos del origen endosimbiótico de las organelas intracelulares

(cloroplastos y mitocondrias), en los cuales distintos genes fueron transferidos al núcleo

de la célula hospedadora.

CONCLUSIÓN

Las babosas del género Elysia describen, junto con los cloroplastos del alga Vaucheria

litorea, una simbiosis del tipo cíclica, es decir, que debe ser renovada en cada generación

de las babosas.

Según la especie de este molusco, los cloroplastos son retenidos más o menos

tiempo. Por ejemplo, las asociaciones más largas se dan en E. chlorotica (nueve meses)

y E. crispata (de cuatro a cinco meses). También, se ha demostrado que la síntesis de pro-

teínas de novo sigue ocurriendo en los plástidos y que existen proteínas que se sintetizan

en el citoplasma celular y son dirigidas al cloroplasto. Lo interesante es que estas proteí-

nas son sintetizadas en ausencia del ADN genómico del alga.

Resulta impresionante el hecho de que la babosa, un animal, sea capaz de mante-

ner los plástidos activos realizando fotosíntesis con evolución de O2, dada la dificultad que

supone mantener un cloroplasto en forma artificial y el nivel de regulación que el cloroplas-

to requiere por parte del genoma nuclear en las plantas.

¿Pero cómo pudo haber sucedido esto? Es posible que en un principio las babosas

asimilaran los cloroplastos para tener una coloración similar a las algas de las que se ali-

mentan. De esta manera, pasarían desapercibidas y tendrían una ventaja clara respecto

de sus predadores. Con el tiempo, fueron adquiriendo genes del genoma del alga, los que

les permitieron aprovechar los cloroplastos como algo más que un simple camuflaje. Tener

un cloroplasto activo supone una ventaja frente a babosas que no los poseen, ya que en

tiempos de escasez de alimento, dichas babosas pueden utilizar como fuente de carbono

y energía al CO2, y nada más.

El ciclo de vida de las babosas parece estar regulado por un virus (esto se ha com-

probado en el caso de E. chlorotica) y se hipotetiza que este es un fuerte candidato para

60


explicar cómo puede haber ocurrido la transferencia horizontal de genes entre dos orga-

nismos multicelulares tan distanciados filogenéticamente. Aquí vemos cómo un patógeno

termina siendo un factor que contribuye en la adaptación de una especie. Los entes bio-

lógicos no son buenos ni malos, sólo intentan la supervivencia.

La simbiosis aquí descripta abre un nuevo capítulo en la evolución de nuevos orga-

nismos. El hecho de que un animal sea capaz de adquirir un cloroplasto de un alga, man-

tenerlo activo y ser capaz de fijar CO2 abre nuevas preguntas y muestra que la evolución

nunca deja de sorprendernos. Hasta ahora, en nuestras cabezas parecía imposible pen-

sar en un animal que pudiera vivir de la luz y del CO2, sin embargo, existe. Estos magní-

ficos descubrimientos nos deberían servir para darnos cuenta de que la evolución no es

un proceso acabado, sino que continúa desarrollándose de manera constante. ¿Cómo

serán los organismos que habiten este planeta dentro de millones de años? No lo sabe-

mos, pero seguramente las estrategias biológicas seleccionadas nos sorprenderían enor-

memente. Quizás ni siquiera podamos imaginarlas.

ANEXO

Elysia chlorotica (Gould, 1870)1

Orden: Sacoglossa

Superfamilia: Elysioidea

Familia: Elysiidae

Distribución: Costa este de América del Norte,

desde Nueva Escocia a Florida.

Foto: Dr. Mary Rumpho. Martha’s Vineyard,

Massachusetts, noviembre, 1999.

Forma típica de elysiido con grandes parapodia

laterales que se doblan para encapsular al

cuerpo. Usualmente de color verde brillante,

pero puede aparecer en colores rojizos o grisá-

ceos, aparentemente según la cantidad de clo-

61


1 Rudman, W. B. (2005), “Elysia chlorotica Gould, 1870”, Sea Slug Forum. Australian Museum, Sydney.< h t t p : / / w w w.seaslugforum.net/factsheet.cfm?base=elyschlopagina>. Traducción y adaptación por A n d r é sRomanowski.

roplastos en las ramificaciones del aparato digestivo, que se distribuyen por todo el cuer-

po. Posee también pequeños puntos blancos dispersos y numerosos puntos rojos. Puede

llegar a medir 45 mm de longitud, pero usualmente no supera los 20-30 mm.

Se alimenta succionando los contenidos celulares del alga Va u c h e r i a. Se ha vuelto

un animal de importancia para el estudio de la fisiología vegetal porque, como muchos

sacoglossanos, es capaz de mantener cloroplastos de su comida, activos y funcionando en

su propio cuerpo. Se lo encuentra en márgenes saladas y estanques no muy profundos.

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Elysia crispata (Morch, 1863)2

Orden: Sacoglossa

Superfamilia: Elysioidea

Familia: Elysiidae

Distribución: Caribe.

Fotos: Anne Dupont. Arriba: forma azulada, Isla de Saba, Caribe; abajo: forma verde oscu-

ra. Nótese la coloración verde oscura causada por densas poblaciones de cloroplastos

simbióticos, Bahamas.

62


2 Rudman, W. B. (1999), Elysia crispata (Morch, 1863). Sea Slug Forum. Australian Museum, Sydney.< h t t p : / / w w w.seaslugforum.net/factsheet.cfm?base=elyscris>. Traducción y adaptación por A n d r é sRomanowski.

Los parapodia en Elysia crispata

son largos y con dobleces, presu-

miblemente para aumentar el

área de superficie y poder alber-

gar un gran número de cloroplas-

tos funcionales en sus tejidos.

Los cloroplastos son obtenidos

del alga de la cual se alimenta.

Estos plástidos continúan reali-

zando fotosíntesis dentro del

cuerpo de la babosa, proveyén-

dole de glúcidos para su nutri-

ción. El proceso de tomar los

plástidos del alga se conoce

como kleptoplastía.

Hasta hace poco tiempo

esta especie tenía su propio

género: Tr i d a c h i a debido a su

parapodia, pero Gosliner (1995)

ha argumentado que esto no solo

es innecesario, sino que confun-

de nuestro entendimiento de la

historia filogenética de la familia.

Es mejor considerarla como una

especie de Elysia con un borde

parapodial extremadamente invaginado. Elysia crispata varía mucho su coloración.

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64


Condiciones de vida extrema: organismosque viven de metano

Eugenio Cálcena y Mariana Capello

La propuesta del presente trabajo es discutir sobre la interrelación de los organismos

extremófilos con su hábitat natural. En especial, se hará hincapié en las adaptaciones que

poseen estas formas de vida para soportar las distintas condiciones ambientales extremas

que deben sobrellevar, como así también la potencial aplicación de las mismas en bene-

ficio humano, a través de la industria biotecnológica.

Si bien la información presentada es general y pretende dar un panorama amplio de

la diversidad de extremófilos existente, se destacará el tratamiento de un grupo de bacte-

rias y arqueas metanotróficas.

INTRODUCCIÓN

Por definición, un organismo extremófilo vive en ambientes extremos. Crece en forma ópti-

ma bajo condiciones ambientales extremas de temperatura, presión, pH, radiación, dese-

cación, salinidad, etc. En el caso de que el organismo habite más de uno de estos

ambientes, se dirá entonces que es poliextremófilo. Un ejemplo de ello es el arquea

Sulfolobus acidocaldarius, la cual vive en un ambiente a pH 3 y a 80 ºC de temperatura.

El término “extremo” incluye condiciones físicas (temperatura, presión y radiación), condi-

ciones geoquímicas (desecación, salinidad, pH, oxígeno y potencial rédox) y condiciones

biológicas (nutricionales, de densidad de población) (Tabla 1).

Aunque entre los extremófilos se incluyen distintas taxas de Bacteria y Eukarya, los

miembros de Archaea son los microorganismos más abundantes y algunos de ellos,

sobreviven en condiciones prohibidas para cualquier otro ser vivo. Incluso dentro de los

organismos extremófilos también se encuentran ciertos organismos multicelulares.

El descubrimiento de ambientes extremos y de los organismos que los habitan ha

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hecho posible la investigación sobre la posibilidad de vida fuera del planeta Tierra.

Además, los extremófilos han provisto datos básicos para la biología molecular brindando

información clave, por ejemplo, sobre el plegamiento de proteínas. Sus enzimas tienen un

potencial económico muy grande en múltiples áreas: síntesis química, detergentes, fárma-

cos, agricultura, etc. También puede utilizárselas como base para modificar enzimas deri-

vadas de organismos mesófilos.

ADAPTACIONES A LAS DISTINTAS CONDICIONES AMBIENTALES EXTREMAS

Temperatura

La temperatura puede generar desde una devastación estructural por la formación de cris-

tales de hielo, hasta la desnaturalización de biomoléculas por excesivo calor. En ambos

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Tabla 1. Clasificación de organismos según parámetros ambientales de su hábitat natural

Parámetros ambientales Tipo de organismo Definición Ejemplos

Temperatura Hipertermófilo Tº >80 ºC Pyrrolobus fumarii (113 ºC)Termófilo Tº 60-80 ºC Synechococcus lividisMesófilo Tº 15-60 ºC Homo sapiensPsicrófilo Tº <15 ºC Psychrobacter, insectos

Radiación Deinococcus radiodurans

Presión Barófilo Alto peso –Piesófilo Alta presión Para microbios, 130 MPa

Gravedad Hipergravedad >1 g –Hipogravedad <1 g –

Vacío Tolera vacío Tardígrados, microbios,insectos, semillas

Desecación Xerófilo S/ humedad Hongos, líquenes,microbios, nemátodos,Artemia salina

Salinidad Halófilo 2-5 M NaCl Halobacteriaceae,Dunaliella salina

pH Alcalinófilo pH >9 Natronobacterium, Bacillusfirmus OF4, Spirulina sp.(todos a pH 10,5)

Acidófilo pH bajos Cyanidium caldarium,F e r r o p l a s m a sp. (ambos a pH 0)

Tensión oxígeno Anaerobio No tolera O2 Methanococcus jannaschiiMicroaerobio Tolera poco O2 ClostridiumAerobio Requiere O2 Homo Sapiens

Extremos químicos Gas C. caldarium (puro CO2)Metal Altas concentraciones Ferroplasma acidarmanus

(Cu, As, Cd, Zn), Ralstonia sp.CH34 (Zn, Co, Cd, Hg, Pb)

casos opuestos, termina siendo una condición letal para la vida. Por otro lado, la solubili-

dad de los gases en agua tiene relación con la temperatura, produciéndose inconvenien-

tes cuando esta es alta, ya que los organismos acuáticos requieren O2 y CO2. Por citar

algunos ejemplos concretos, las temperaturas cercanas a 100 ºC normalmente desnatu-

ralizan proteínas y ácidos nucleicos y aumentan la fluidez de las membranas a niveles

letales. En tanto, la clorofila se degrada por arriba de los 75 ºC impidiendo de este modo

la fotosíntesis, proceso de transformación de la energía clave para el sostenimiento de la

vida en este planeta.

Por estos motivos, los organismos capaces de crecer a temperaturas mayores a 80

ºC se denominan hipertermófilos, y en general, no pueden desarrollarse a temperaturas

menores a 60 ºC. La mayoría de ellos son arqueas, como por ejemplo, Pyrolobus fumarii.

¿Dónde encontramos tales condiciones extremas? En verdad, no son tan comunes,

sino que debemos viajar para encontrarlas hasta áreas volcánicas o fuentes termales con

alta salinidad (3%) y amplio rango de pH (0.5-8.5). Como el O2 tiene baja solubilidad a

temperaturas altas y en presencia de agentes reductores, estos ambientes suelen ser

anoxigénicos. Sin embargo, existen superficies expuestas al aire y otras que contienen

cantidades de oxígeno razonables para que se desarrollen organismos aerobios.

Para adaptarse a las altas temperaturas, las células de estos organismos debieron

seleccionar composiciones de membranas particulares, incluyendo la cantidad y el tipo de

lípidos. Por otro lado, las proteínas han evolucionado para adaptarse a estas temperatu-

ras aumentando el contenido de pares iónicos, formando como consecuencia oligómeros

de alto ordenamiento y disminuyendo la flexibilidad a temperatura ambiente. En cuanto al

genoma y los transcriptos, las sales monovalentes (KCl) y divalentes (MgCl2) logran esti-

mular la estabilidad de los ácidos nucleicos, ya que las mismas barren las cargas negati-

vas de los grupos fosfato y protegen al ADN de la hidrólisis y la depurinización.

Todos los microorganismos y líneas celulares se pueden preservar a –196 ºC (nitró-

geno líquido), agregando diferentes compuestos que evitan la formación de cristales de

agua, pero la temperatura más baja registrada para comunidades activas es mayor que

–18 ºC. El agua líquida es un solvente universal para la vida y es utilizado como reactivo

y como producto en la mayoría de los procesos metabólicos. Es por ello que la presencia

de dicha sustancia en estado líquido es el oro que buscan las agencias espaciales en los

planetas vecinos para sugerir la existencia de vida extraterrestre.

A bajas temperaturas, como ya sabemos, el agua se solidifica. Y esto también suce-

de en el interior de las células, produciendo efectos letales para la vida. Por ello, los orga-

nismos capaces de crecer a temperaturas menores a 15 ºC son denominados psicrófilos.

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Estos seres vivos han seleccionado, luego de milenios de evolución, membranas com-

puestas por ácidos grasos con alto contenido de instauraciones, y proteínas con alta fle-

xibilidad para restaurar sus funciones.

Radiación

La radiación puede considerarse como energía en tránsito (neutrones, electrones, proto-

nes, partículas a o iones metálicos), o como ondas electromagnéticas (rayos gamma, X,

radiación UV). El daño causado por la radiación UV y por la ionizante disminuye la movi-

lidad e inhibe la fotosíntesis; pero el mayor efecto es producido sobre los ácidos nuclei-

cos. El daño directo al ADN o el indirecto a través de la producción de especies de O2

reactivas, genera bases modificadas y cortes de una o de las dos hebras de la molécula

genómica, ocasionando una rápida muerte para la mayoría de los organismos.

¿Cómo es posible entonces que existan formas de vida en ambientes donde las

fuentes de radiación son excesivas? Cuando la energía abunda y es dañina, como por

ejemplo en una salina, los organismos deben proteger su ADN para así asegurarse la

supervivencia. De este modo, D. Radiodurans se ha adaptado a tales condiciones median-

te el desarrollo de un mecanismo de reparación que involucra el rearmado del ADN frag-

mentado por la radiación, un proceso extraordinario nunca antes observado en alguna otra

forma de vida terrestre.

Altas presiones

El punto de ebullición del agua aumenta con la presión (y esta con la profundidad), de

modo tal que en los fondos oceánicos el agua permanece líquida a 400 ºC. Este factor

fuerza cambios de volumen, empaquetando por ejemplo a los lípidos, componentes base

de cualquier membrana celular, disminuyendo así la fluidez de la misma. Es por esto que

un cambio repentino de presión puede ser letal, alterando además la expresión genética.

Sin embargo, en los fondos abisales de los océanos existe vida; son, quizás, algunos de

los ecosistemas más interesantes de nuestro mundo.

Ante tales condiciones extremas y para contrarrestar estos efectos, los organismos

capaces de vivir a altas presiones debieron seleccionar conformación de membranas con

un número importante de ácidos grasos insaturados, aumentando gracias a ello su fluidez.

Además, seleccionaron buenos sistemas de reparación de ADN, pues en tales ambientes

el genoma debe estar mejor protegido a roturas y mutaciones.

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Desecación

El agua posee muchas propiedades que la hacen el solvente esencial para la vida: alta

temperatura de fusión, ebullición, constante dieléctrica y formación de gran cantidad de

puentes de hidrógeno, entre otras. Y de hecho, es casi impensable la existencia de vida

sin dicha sustancia, dado que la pérdida de agua causa cambios irreversibles en lípidos,

proteínas y ácidos nucleicos, tales como la desnaturalización y la acumulación de espe-

cies reactivas de O2, especialmente bajo radiación solar. Pero como la biodiversidad

asombra, y la vida se empeña en triunfar no importa el ambiente que toque en suerte, exis-

ten organismos que pueden tolerar la desecación. Estas formas de vida tienen la propie-

dad de entrar en anhidrobiosis, un estado de baja concentración de agua intracelular sin

actividad metabólica, aumentando también la osmolaridad del citosol.

pH del medio

Los procesos biológicos tienden a ocurrir en un rango de pH medio. De hecho, el pH intra-

celular y del ambiente normalmente se encuentran en ese rango. Esto es así porque las

proteínas se desnaturalizan a pH extremos, y sin ellas, no existe forma de vida posible.

Sin embargo, existen organismos capaces de crecer a bajos pH, los cuales se deno-

minan acidófilos, y otros que lo hacen a altos pH, denominados alcalinófilos. Estos orga-

nismos, como el resto de las formas de vida no extremófilas, mantienen su citoplasma en

condiciones de pH neutras. Para ello, utilizan mecanismos activos que involucran la cap-

tación de protones mediante antiportadores asociados a la membrana. También, utilizan

mecanismos pasivos, que incluyen polímeros cargados negativamente en la pared celular

de alcalinófilos, propiedades de permeabilidad inusuales, alta capacidad buffer interna y

sobreexpresión de enzimas exportadoras de protones.

Exceso de formas reactivas de O2

La Tierra ha sido anaerobia a través de la mayoría de su historia de vida. El metabolismo

aerobio es sin duda más eficiente que el anaerobio pero la explotación de este ambiente

tiene sus costos. Las formas reducidas de O2 generan daño oxidativo, especialmente radi-

cales libres. Como actualmente se sabe, este daño está implicado en el desarrollo del cán-

cer y en el envejecimiento. Un mecanismo que han seleccionado distintas formas de vida

para evitarlo o repararlo es la producción de antioxidantes o enzimas detoxificantes.

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BACTERIAS METANOTRÓFICAS OBLIGADAS: UN EJEMPLO DE SUPERVIVENCIA

Las bacterias metanotróficas obligadas son un grupo especializado de organismos que

utilizan metano (CH4) como única fuente de carbono y energía. Son muy ubicuas dentro

de la naturaleza y se encuentran adaptadas a altas y bajas temperaturas, pH y salinidad.

Todas las metanotróficas descriptas se han dividido en tres grupos de acuerdo a sus pro-

piedades fenotípicas y genotípicas:

Metanotróficas tipo I (género Methylomonas y Methylobacter)

Poseen membrana intracitoplasmática (ICM), un contenido de G en el ADN de 48-59

mol%, ciclo de asimilación de C1 de la ribulosa monofosfato (RuMP), ciclo de ácidos tri-

carboxílicos (TCA) deficiente en α-cetoglutarato deshidrogenasa y asimilación de NH4+

por aminación reductiva de piruvato o vía ciclo del glutamato.

Metanotróficas tipo II (género Methylosinus y Methylocytis)

Poseen ICM localizada en forma paralela a la membrana citoplasmática, contenido de G

en el ADN de 61-67 mol%, vía de asimilación de C1 dependiente de serina, un TCA com-

pleto y un ciclo de glutamato activo.

Metanotróficas de tipo X (género Methylococcus)

Poseen ICM tipo I, contenido de G en el ADN de 59-66 mol%, TCA incompleto, baja acti-

vidad de la vía de la serina y del ciclo de la ribulosa bisfosfato, asimilación de NH4+ por vía

del ciclo de glutamato y vía alanina deshidrogenasa.

El complejo enzimático que cataliza la iniciación de la oxidación del metano a meta-

nol es la metano monooxigenasa (MMO). Existen dos tipos distintos de esta enzima: cito-

plasmática o soluble (sMMO) y de unión a membrana (pMMO).

A continuación se describen las distintas bacterias metanotróficas que fueron encontradas

en diversos ambientes extremos.

Psicrófilas

Aunque existen muchos tipos de ecosistemas de baja temperatura en la Tierra, cada uno

tiene su comunidad microbiana particular, y en casi todos ellos se han encontrado bacte-

rias metanotróficas.

Esto se ha demostrado utilizando CH4 marcado con C14 como fuente de carbono.

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Así, pudo observarse la conversión del mismo a 14CO2, biomasa bacteriana y extrameta-

bolitos orgánicos, indicio claro de su metabolización. Además, observando con microsco-

pio de inmunofluorescencia, se ha demostrado que bacterias metanotróficas de tipo I, X y

II se encuentran simultáneamente en todas las muestras.

Por otro lado, análisis genotípicos mediante reacciones de PCR (Polymerase Chain

Reaction) utilizando cebadores específicos, revelaron la presencia de miembros del géne-

ro Methylosomas, Methylobacter y Methylonicrobium en tierras de Siberia.

También, mediante ensayos similares, se han enumerado y aislado metanotróficas

psicrófilas a partir de sedimentos obtenidos de la superficie de dos lagos antárticos. Estos

lagos tienen la particularidad de estar cubiertos de hielo durante casi todo el año, varian-

do ampliamente en sus características químicas como salinidad, potencial redox y tempe-

ratura. Las colonias aisladas a partir de los mismos presentaron una morfología de cocos

grandes, no móviles, que requerían agua de mar. Estudios posteriores demostraron que

presentaban temperaturas de máximo crecimiento en el rango 16-21 ºC y una óptima de

10-13 ºC. Extrañamente, su contenido de G en el ADN es muy bajo (43-46 mol%) y sus

ácidos grasos celulares consisten principalmente en C16:1 (palmitoleico) y C16:0 (palmítico).

Acidófilas

Se aislaron comunidades metanotróficas de sitios boreales ácidos en Siberia y en el norte de

Rusia. Para lograrlo, se utilizó un medio con baja fuerza iónica y bajo pH (3-6). Las tres colo-

nias aisladas utilizando dicho procedimiento se describieron como un nuevo género:

Methylocella palustris, que posee sMMO. A pesar de que esta bacteria crece en un amplio

rango de pH, su crecimiento óptimo ocurre entre pH 5 y 5.5, lo cual es típico de moderados

acidófilos. Además, se encontraron algunas particularidades en el metabolismo central de

esta bacteria, como la utilización de la vía de la s e r i n a para la asimilación del carbono y el

ciclo del glutamato para la asimilación del NH4+. Las actividades de las enzimas de la ruta de

las pentosas y la glutamato deshidrogenasa son casi iguales a las de las metanotróficas tipo

I, pero estas enzimas no se detectaron en las metanotróficas que utilizan la vía de la serina.

Recientemente, se ha aislado de Siberia otra metanotrófica acidófila, la

Methylocapsa acidophila. Este organismo está íntimamente relacionado a Methycella

palustris. No obstante, si bien comparten algunos tratamientos fisiológicos (pH, tempera-

tura de crecimiento, sensibilidad a la sal), estas metanotróficas difieren profundamente en

morfología y ultraestructura. Methylocapsa acidophila posee pMMO, pero no sMMO, sien-

do el fosfolípido predominante el fosfatidilglicerol, mientras que en Methylocella palustris

es la fosfatidiletanolamina.

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Estas dos bacterias representan claramente genotipos y fenotipos distintos, aunque

comparten el mismo hábitat.

Termófilas

La solubilidad del metano en solución acuosa disminuye cuando aumenta la temperatura,

limitando así el crecimiento de las metanotróficas. Sin embargo, la solubilidad del gas en

aguas naturales de baja fuerza iónica (100 mM) desciende solo un tercio cuando la tem-

peratura aumenta de 30 a 60 ºC. Esto explica el posible aislamiento de metanotróficas de

varios hábitat con temperaturas elevadas. La primera que fue descubierta es la

Methylococcus capsutatus, un novedoso grupo de termófilas que habitan en gradientes

termales de 55-75 ºC. El crecimiento óptimo fue a los 55-62 ºC y presenta solo pMMO.

Halófilas y alcalinófilas

La primera metanotrófica que requiere NaCl fue aislada de las profundidades del mar

Sargaso, donde ocurre tanto la producción como la oxidación en la capa superior oxige-

nada del océano.

Además del agua oceánica, ecosistemas hipersalinos como las lagunas marinas

muestran una variada composición iónica, concentración total de sal y pH, debido a la eva-

poración del agua de mar. Usando radioisótopos y técnicas de PCR, como así también

análisis del consumo de 14CH4, métodos de filtración aséptica, sedimentación y diluciones

seriadas, se han aislado varios cultivos puros de metanotróficas dependientes de sal.

Un interesante grupo de organismos lo componen las metanotróficas aisladas de

“soda lakes”, puesto que tienen la capacidad de crecer a pH 11. Ellas requieren iones Na+

para su desarrollo, incluso tolerando concentraciones de hasta 8-12% de NaCl.

Por otro lado, altas cantidades de metanol favorecen el crecimiento de las metano-

tróficas que dependen de sal, las cuales acumulan formaldehído y formato. También, algu-

nas alcalinófilas son capaces de oxidar NH4+ a NO3

2- a pH 10, participando en tres ciclos

oxidativos distintos (C, N, S).

La característica ultraestructural más distintiva de las metanotróficas haloalcalinófi-

las es que su superficie celular está completamente cubierta con distintas estructuras gli-

coproteicas (capa S). La composición de aminoácidos de la capa S es similar a la de otras

bacterias, siendo ellos ácidos con una gran proporción de aminoácidos hidrofóbicos y defi-

cientes en aminoácidos que contienen azufre. Esta capa, que se encuentra adyacente al

ambiente, puede funcionar como un saco protector y a su vez mantener la rigidez de la

célula.

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La habilidad de los halotolerantes de crecer en altas concentraciones externas de

sales se debe a la síntesis de novo de al menos tres solutos orgánicos de bajo peso mole-

cular llamados: ácido 1,4,5,6-tetrahidro-2-metil-4-pirimidin carboxílico (“ectoine”), sacaro-

sa y 5-cetoprolina. “Ectoine” es sintetizado a partir de semialdehído aspártico en tres

reacciones sucesivas catalizadas por las enzimas ácido diaminobutírico transaminasa,

ácido diaminobutírico acetiltransferasa y “ectoine” transferasa sintasa. Otra enzima cons-

titutiva, la sacarosa-6-fosfato sintasa está involucrada en la biosíntesis de sacarosa.

En las metanotróficas dependientes de salinidad y pH se encuentran cambios en la

composición de los fosfolípidos de membrana. Por ejemplo, se observa un aumento en el

contenido de fosfatidilglicerol versus fosfatidiletanolamina en todos los haloalcalinófilos.

Además del aumento en este fosfolípido, se observa un aumento en fosfatidilcolina en res-

puesta a la sal y al pH.

Hasta la fecha, no existe información certera acerca del mecanismo utilizado por las

metanotróficas para mantener la homeostasis del pH intracelular. El pH óptimo de las enzi-

mas citoplasmáticas es de entre 7.5-8, lo cual indica la existencia de mecanismos de regu-

lación. Una posibilidad sería la existencia de antiportadores Na+/H+ y un sistema FoF1

ATPasa.

APLICACIONES EN LA BIOTECNOLOGÍA Y POTENCIAL ECONÓMICO DE EXTREMÓFILOS

La producción de biomasa a partir de extremófilos es muy importante para proveer material

suficiente para la obtención de enzimas y para el aislamiento y la caracterización de biomo-

léculas. Esto puede revelar características particulares que podrían ser de interés industrial.

Por ejemplo, una bacteria antártica produce ácidos grasos poliinsaturados, los cua-

les son un ingrediente esencial para muchas especies agrícolas. Esta bacteria puede ade-

más utilizarse en la biorremediación de las aguas. Por otro lado, D. salina es utilizada para

la producción de β-carotenos (en respuesta a la radiación solar) y glicerol (que se produ-

ce para balancear la presión osmótica externa).

Como consecuencia de la alta temperatura de crecimiento de los microorganismos

hipertermófilos, sus enzimas son altamente termoestables para nuevas aplicaciones bio-

tecnológicas muy atractivas. Además, estas proteínas suelen ser activas a temperaturas

mayores que exceden la temperatura máxima de los organismos de los cuales se aisla-

ron. Es por ello que se están clonando genes extremófilos en organismos mesófilos para

la producción recombinante de dichas porteínas.

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Un ejemplo claro que ha revolucionado la biología se encuentra en la técnica PCR,

la cual permite replicar in vitro un fragmento de ADN hasta obtener millones de copias.

Para lograr esto, es necesario utilizar una ADN polimerasa termoestable, como la del

extremófilo Thermus aquaticus.

Otras aplicaciones podrían ser la desulfuración de los gases que emanan de las chi-

meneas de las industrias y el empleo de estos organismos en los procesos biohidrometa-

lúrgicos. También se debe tener en cuenta el estudio básico de la información biológica,

ya que, como las proteínas y las enzimas de los extremófilos son apropiadas para análi-

sis bioquímicos y estructurales debido a su estabilidad fisicoquímica, muchas de ellas pue-

den servir para deducir la relación estructura/función de sus homólogas mesófilas.

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Tabla 2. Extremófilos en la industria y la biotecnología

Organismo Proceso industrial Biomoléculas Ventajas

Hipertermófilos (Tº óptima >80 ºC) Desulfuración de gases – Producción de azufre elementalpuro

Procesos biohidro-metalurgicos – –

PCR DNA polimerasa No se necesita agregar enzima encada ciclo

Termófilos (60-80 ºC) Blanqueado de papel Xilanasas Disminuye la cantidad de blanqueador necesario

Procesamiento de comida, Proteasas Estable a altas temperaturascerveza, detergentes

Psicrófilos (<15 ºC) Maduración de queso, Proteasas neutras Estable a bajas temperaturasproducción lechera

Degradación de polímeros Celulasas, proteasas, Mejora la acción del detergenteen detergentes amilasas, lipasas

Biorremediación Reducción del derrame Trabaja eficientemente en aguasde petróleo frías

Farmacéutico Ácidos grasos –poliinsaturados

Biosensores Deshidrogenasas –

Acidófilos Desulfuración del carbón Oxidación de azufre –

Alcalinófilos Producción de antibióticos Antibióticos –

Halófilos Colorantes para comidas Carotenos Baratos de producir

Farmacéutico Glicerol y solutos Baratos de producircompatibles

Halófilos Surfactantes para fármacos Membranas –

Además, las bacterias metanotróficas son importantes en la producción de quími-

cos, como agentes de biodegradación y biorremediación, y en cuanto al clima global son

actores principales en la degradación del metano atmosférico, uno de los principales

gases responsable del efecto invernadero. Y junto con su capacidad de degradar aeróbi-

camente diferentes sustancias que causan polución ambiental, también pueden ser impor-

tantes en la biorremediación y ecología global.

Los extremófilos presentan grandes oportunidades en la industria biotecnológica.

Para ello debe trabajarse en el mejoramiento de las técnicas para su producción a gran

escala. Las dificultades encontradas hasta el momento se deben a los medios de cultivo

necesarios y a la reproducción en laboratorio de sus condiciones de vida naturales (Tabla 2).

CONCLUSIONES

La vida sin dudas ha triunfado en este planeta. Desde aquel origen común hasta la enor-

me cantidad de organismos actuales (y sin contar los muchos otros que ya se han extin-

guido), no existe casi lugar sobre la Tierra que no esté ocupado por la maravillosa materia

viva. No importa que las condiciones excedan los parámetros normales, la evolución ha

permitido, a lo largo de milenios, seleccionar organismos que se han adaptado a lugares

inhóspitos para la mente humana. Ante un problema ambiental, la biología se encargará

siempre de dar una respuesta posible que permita la supervivencia.

Como consecuencia de la diversidad de extremófilos conocidos y sus característi-

cas particulares, estos organismos son una herramienta con un gran potencial de aplica-

ción en biotecnología. Sería provechoso realizar mayores estudios con el objetivo de abrir

nuevos campos de investigación y generar futuras aplicaciones a partir del conocimiento

de las bases moleculares de sus adaptaciones.

Es importante destacar que las adaptaciones que generan los extremófilos para vivir

en determinados ambientes, son tanto insólitas como de lo más diversas. Esta observa-

ción permite especular con las posibles aplicaciones de estos organismos en el beneficio

humano. Pero es todavía más excitante la idea de descubrir nuevos extremófilos que

hayan generado otras adaptaciones diferentes a las ya conocidas, y puedan ser entonces

objeto de estudio y aplicaciones novedosas, actualmente inimaginables.

Y a no dudarlo, porque quizás nosotros, los seres humanos, también deberíamos

llamarnos extremófilos. Como lo hacen los organismos aquí estudiados, hemos desarro-

llado sistemas extracorpóreos que nos posibilitaron habitar lugares absolutamente inhós-

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pitos; y eso también es una solución o adaptación biológica. Porque de hecho eso somos,

materia viva intentando sobrevivir sobre esta roca llamada planeta Tierra.

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