Metabolismo hepático y renal de los cuerpos cetónicos. Características de las principales enzimas implicadas

- ARS PHARMACEUTICA REVISTA DE LA FACULTAD DE FARMACIA UNIVERSIDAD DE GRANADA Tomo XXXIV Director: Prof. Dr. D. Jesús Cabo Torres Director Adjunto: Prof. Dr. D. José Luis Val verde Consejo de Redacción: Prof. Dr. D. Manuel Casares Porcel Profª Dra. Dª Mª Teresa Correa Sánchez Profª Dra. Dª Mª José Faus Dader Prof. Dr. D. Jesús González López Profª Dra. Dª Mª del Mar Herra dor del Pino Prof. Dr. D. José Jiménez Martín Prof. Dr. D. Eduardo Ortega Bernaldo de Quirós Secretario de Redacción: D. José L. Campos Alvarez Redacción y Administración: Facultad de Farmacia Granada -España Dep. Legal: GR. núm. 17-1960 ISSN: 0004-2927 Imprime: Servicio de Publicaciones Universidad de Granada Campus Universitario de Cartuja. Granada Núm. 3 1994 Sumario • Metabolismo hepático y renal de los cuer pos cetónicos. Características de las prin cipales enzimas implicadas. Martín-Ruíz, C.M.; García-Salguero, L.; J. Peragón, J. P,ÁG y Lupiáñez, J.A. ........................................ 181 • De Mendel a la ingeniería genética. Aran da, F.; Cañabate, R.; García-Salguero, L. y Lupiáñez, J.A. ........................................ 193 • Contenido mineral en aguas de riego de la costa de Granada. López, M.C.; Cabrera, C.; Gallego, C.; Lorenzo, M.L. ...... 209 • Sistema nervioso de Bovícola Caprae Gurlt, 1843 (insecta: Mallophaga). Soler Cruz, M.O.; Florido Navío, A.M.; Muñoz Parra, S. y Benítez Rodríguez, R. ........... 217 • Acerca de los compuestos volátiles y lípi dos en especies ibéricas del género Bar tramia Hedw. (Bartramiaceae Schwaegr., Byrophyta). López-Sáez, J.A., Pérez Alonso, M.J., Velasco Negueruela, A. y Ron Alvarez, M.E. .................................... 223 • Algunos apuntes farmacológicos conteni dos en el Kitab mu9arrabat aljawa S.S. de Aba I-'Ala' Zuhr. Arvide Cambra, Luisa María ................................... ...................... 233 • Estudio de la respuesta de plantas de pe pino (Cucumis Sativus L. CV. Hyclos) a diferentes relaciones NO/NH:. Zornoza Soto, P. y Serrano Fernández, S. ........... 241 • Influencia del riego con aguas residuales urbanas en las características de un sue lo de la vega de Granada. Saura, l.; Asensio, C.; Sierra, C. y Ortega, E .................. 251 • Los pastizales de la clase Lygeo-Stipe tea en la sierra de Lújar (Granada). Ló pez Guadalupe, M., Losa Quintana, J.Mª & Negrillo Galindo, A.Mª .......................... 265 • Crítica de libros ......... ............................... 273 - TRABAJOS DE REVISIÓN DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA Y BIOLOGÍA MOLECULAR FACULTAD DE CIENCIAS UNIVERSIDAD DE GRANADA METABOLISMO HEPÁTICO Y RENAL DE LOS CUERPOS CETÓNICOS. CARACTERÍSTICAS DE LAS PRINCIPALES ENZIMAS IMPLICADAS Martín-Ruíz, C.M.; García-Salguero, L., J. Peragón, J. y Lupiáñez, J.A. RESUMEN Los cuerpos cetónicos, B-hidroxibutirato y acetoacetato constituyen un ex celente combustible alternativo a la glucosa para el metabolismo energético de la mayoría de las células de los tejidos periféricos, y fundamentalmente del cerebro. El principal objetivo de este trabajo ha sido profundizar en el conoci miento del metabolismo de los cuerpos cetónicos, caracterizando los principa les enzimas implicados. AsÍmismo se trata de forma comparada el comporta miento metabólico de estos compuestos en hígado (principal productor de cuer pos cetónicos) y riñón. SUMMARY Ketone bodies, B-hydroxybutyrate and acetoacetate, constitute an excellent alternating energetic combustible to glucose by the most of the cells from the peripheric tissues mainly the brain. The most important aim of this work has been to deep in fue knowledge of ketone body metabolism, analyzing the main ernzymes implied. Also, this paper studies, in a comparative form, the metabo lic behaviour of these compounds in both liver and kidney tissues. La energía originaria de los lípidos se puede transportar en sangre en forma de lipoproteinas plasmáticas, ácidos grasos unidos a albúmina sérica o cuerpos cetónicos. Los cuerpos cetónicos, por su pequeño tamaño y por ser solubles en agua, constituyen una vía de transporte de la energía contenida en los lípidos procesados o sintetizados en el hígado. Ars Pharmaceutica. Tomo XXXIV, Núm. 3. 1994, 181-191. 182 ARS PHARMACEUTICA El acetoacetato y el B-hidroxibutirato representan un excelente combustible para la respiración en otros tejidos, en particular cuando el aporte de glucosa es limitado, como por ejemplo durante el ayuno, o debido a una ineficaz capaci dad de utilización de glucosa en situaciones de insuficiencia de insulina como la diabetes. En estas condiciones, los tejidos que utilizan los cuerpos cetónicos tienen capacidad de utilizar fácilmente los ácidos grasos libres como fuente de ener gía, de ahí que al principio se cuestionó porqué el hígado producía los cuerpos cetónicos incluso con preferencia a los ácidos grasos. Posteriormente, pudo reconocerse que los cuerpos cetónicos reemplazaban en parte a la glucosa como principal fuente de energía en el sistema nervioso central en las situacio nes citadas de ayuno y diabetes, e incluso en otros tejidos estos cuerpos cetóni cos eran utilizados en una magnitud considerable. Los cuerpos cetónicos están implicados en varios procesos metabólicos: durante el ayuno provocan una disminución en la utilización de glucosa en ce rebro, reducen notablemente la proteolisis en músculo esquelético, interfieren de forma clara en el metabolismo de alanina y glutamina en músculo esqueléti co de varias especies (1) y alteran la utilización de glucosa en el músculo esquelético, no porque afecten a la captación de glucosa por este tejido sino porque disminuyen el nivel de glucolisis. Incluso ambos cuerpos cetónicos en corazón perfundido de rata inhiben la oxidación de ácidos grasos, tanto de oleato (que requiere camitina para entrar en la mitocondria), como de octanoa to (que no requiere la carnitina para pasar), por lo que en esa inhibición estaría implicado un sitio de acción intrarnitocondrial (2). FORMACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS El principal órgano de producción de cuerpos cetónicos es el hígado y en menor medida el riñón, aunque de experimentos en perros (3) sobre la veloci dad de producción corporal total de cuerpos cetónicos se puede deducir que el área de producción esplácnica explica sólo un 50-60% de la producción total de cuerpos cetónicos en el animal intacto, un 5-15% entraba en circulación desde los riñones y el papel del músculo esquelético no era destacado, por lo que es de suponer que la formación de cuerpos cetónicos puede tener lugar fuera del hígado y del riñón en perro normal. Incluso se ha descrito la cetogénesis en intestino de rata lactante por mecanismos relacionados con el consumo de leche (4). La formación de cuerpos cetónicos se inicia a partir del acetil-CoA presen te en la mitocondria, entre otras fuentes como producto de la B-oxidación de los ácidos grasos. El proceso completo tiene lugar en la matriz mitocondrial (Figu ra 1) y se inicia con la condensación de dos moléculas de acetil-CoA. Esta reacción está catalizada por la acetoacetil-CoA tiolasa mitocondrial, isoenzima - ARS PHARMACEUTlCA 183 de la tiolasa que participa en la reaCClOn inversa como última etapa de la B oxidación. Se forma acetoacetil-CoA al que se une otra molécula de acetil-CoA formándose hidroximetilglutaril-Coa (HMG-CoA) por la participación de la HMG-CoA sintasa mitocondrial, diferente a la sintasa citosólica que participa en la formación de ácido mevalónico en la síntesis de colesterol. La diferencia entre el higado y el resto de los tejidos es su elevada cantidad de HMG-CoA sintasa mitocondrial, razón por la que se atribuye a este órgano el principal papel en la producción de cuerpos cetónicos. 2 Acetll-CoA �COA-SH Acetoacetll-CoA 2 V Acetll-CoA l � oA-SH B -hldrox Ime tllg lu ta rl/-CoA 3 �Ac"/I-CoA NA N D A A 4 H D ce .) toa 1c �e t � a� N O A A - D D - H - -- "" '\O ""'- - 2 +� Acetona 1. Acatoacatil-CoA tiolasa 2. HMG-CoA sin tasa 3. HMG-CoA liasa 4. (J-hidroxibutlrato dashidroganasa B-hldroxlbutlrato Figura 1: Formación de Cuerpos Cetónicos El último paso es la ruptura del HMG-CoA produciéndose acetoacetato y acetil-CoA mediante la HMG-CoA liasa, enzima exclusivamente mitocondrial que determina que la formación de cuerpos cetónicos no pueda ocurrir en el citosol. A partir del acetoacetato ya se forman los otros dos cuerpos cetónicos, acetona y B-hidroxibutirato. La reducción del acetoacetato a B-hidroxibutirato depende de la relación NADH/NAD intramitocondrial. El producto de la reacción catalizada por la B hidroxibutirato deshidrogenasa es el D-B-hidroxibutirato a diferencia de la con figuración L del hidroxibutiril-CoA que surge durante la B-oxidación. La B- 184 ARS PHARMACEUTICA hidroxibutirato deshidrogenasa se encuentra estrechamente asociada a la mem brana mitocondrial interna y, por su alta actividad en hígado, las concentraciones tanto de sustratos como de productos de la reacción se mantienen cercanas al equilibrio. Por tanto, la reacción B-hidroxibutirato/acetoacetato en la sangre, procedente del hígado, puede ser un reflejo de la relación NADH/NAD intrami tocondrial. La formación de acetona a partir de acetoacetato puede ser consecuencia de una descarboxilación espontánea, sin ayuda de enzimas, aunque también se han caracterizado ciertas descarboxilasas que participarían en una eliminación con trolada del exceso de acetoacetato mediante su conversión a acetona que se puede excretar en orina o por la respiración (5). La inhibición de las descarbo xilasas por la propia acetona ayudaría a prevenir una descarboxilación prema tura del acetoacetato, permitiendo que se utilice éste como combustible meta bólico en tejidos periféricos. Por tanto, la acetoacetato descarboxilasa puede jugar un papel significativo en el mantenimiento de los cuerpos cetónicos bajo condiciones en las que las concentraciones de sustrato no puedan controlarse facilmente por otros meca nismos fisiológicos (6). Además hay trabajos que indican que la acetona produ cida en condiciones normales, tanto por descarboxilación espontánea como en zimática, se usaría en el hígado para su conversión a otros productos meta bólicos, incluso el carbono de la acetona se usaría en cantidades medibles para la producción de glucógeno y está demostrado que la acetona juega un papel significativo en la gluconeogénesis (7). Pese a todo, por lo general la acetona no se considera un compuesto metabolizable por lo que se excluye de las dis cusiones y trabajos sobre producción y utilización de cuerpos cetónicos (8). UTILIZACIÓN DE CUERPOS CETÓNICOS El acetoacetato y el B-hidroxibutirato producidos continuamente en hígado y riñón se van a utilizar en diversos tejidos como combustibles energéticos. La utilización de cuerpos cetónicos se produce mediante una serie de reacciones que tienen lugar en la matriz mitocondrial (Figura 2). Como paso previo a la utilización, el acetoacetato tiene que reactivarse a su derivado CoA por acción de una enzima mitocondrial presente en la mayoría de los tejidos excepto en el hígado, es la succinil-CoA transferasa, que utiliza el succinil-CoA como fuente de coenzima A (9). Mediante esta enzima el metabo lismo de los cuerpos cetónicos está directamente acoplado con el ciclo de los ácidos tricarboxílicos (Figura 3). La unión del acetoacetato al coenzima A como primer paso en la uti lización de cuerpos cetónicos también puede estar catalizada por la enzima acetoacetil-CoA sintetasa que es predominantemente citosólica (10). Una vez formado el acetoacetil-CoA, éste se convierte en acetil-CoA por ARS PHARMACEUTlCA 185 -- Acetoacetato + Succlnll-OoA--�.�Acetoacetll-OoA + Succlnato Succlnll-CoA transferasa CoA-SH Aceto8cetil-CoA \ � -- - - ---"-- -- - ---l ... � 2 Acetil-CoA Acetoacetíl-CoA tío/asa B-Hldroxlbutlrato + NAO - - ---- .... � .. Acetoacetato + NAOH·+ H (J-Hldrox/butlrato deshídrogenasa Figura 2: Utilización de Cuerpos Celónicos 2 Acetll-CoA ----7--:::or------------+-Cítra to Oxa/aceteto COA-SH t-. NADH � NAD Ma/ato Acetoacetíl-CoA i Fumareto fFADH t FAD .... succ/ r: � TP t'- GDP /socítrato NA NADH / CO�/ � Succíníl - CoA4. � / ---:7 ? - ¿ - -:::=" ""-", � ::-- -- Cetoglutareto Acetoacetato cq NADH NAD � NADH � - NAD B-hídrox íbutírato Figura 3: Conexión con el Ciclo de los Acidos Tricarboxflicos 186 ARS PHARMACEUTlCA acción de la acetoacetil-CoA tiolasa actuando ahora en sentido contrario al descrito antes para la formación de cuerpos cetónicos. El acetil-CoA formado se utiliza ya en el ciclo de los ácidos tricarboxilicos con la consiguiente produc ción de energía mediante su oxidación hasta CO2• Conforme se consume el acetoac;etato, se puede recuperar con la utilización del B-hidroxibutirato mediante la actividad B-hidroxibutirato deshidrogenasa que actuará ahora en sentido inverso al que tenía para la formación de cuerpos cetónicos, por lo que ahora genera acetoacetato y NADH. Excepto en hígado, donde no se detecta la presencia de succinil-CoA trans ferasa, en la mayoría de los órganos y tejidos está bien demostrada la utiliza ción de cuerpos cetónicos, y que esta utilización depende de la concentración (11). El tejido nervioso, que obtiene casi toda su energía de la glucosa en condi ciones normales, es incapaz de captar y utilizar los ácidos grasos ligados a al búmina para producir energía porque estos ácidos grasos no pueden atravesar la barrera hematoencefálica. Sin embargo, cuando la concentración de cuerpos cetónicos en sangre es suficientemente elevada, coincidiendo por lo general con una carencia de glucosa, estos compuestos son un buen combustible alter nativo. El B-hidroxibutirato puede utilizarse en cerebro cuando el suministro de glucosa es insuficiente, aunque nunca será capaz de reemplazar completamente las necesidades de glucosa que tiene el cerebro. Muchos tejidos prefieren, en condiciones de ayuno, utilizar los cuerpos ce tónicos a la glucosa, tanto en individuos adultos como en fetos (12). En em brión de pollo, las actividades B-hidroxibutirato deshidrogenasa y succinil-CoA transferasa en corazón, cerebro y riñón indicaron que los cuerpos cetónicos podían proporcionar gran parte de los requerimientos energéticos para estos órganos durante la vida embrionaria (13). También para organismos poiquilotermos como la carpa se ha descrito el papel de los cuerpos cetónicos en el aporte de energía, sobre todo durante el ayuno invernal en el cual los cuerpos cetónicos, además de la glucosa, se utilizan como sustrato para la oxidación, especialmente para el cerebro (14). ACTIVIDADES ENZIMÁTICAS IMPLICADAS EN EL METABOLISMO DE CUERPOS CETÓNlCOS Actividad j3-hidroxibutirato deshidrogenasa La B-hidroxibutirato deshidrogenasa (B-HBDH) es una enzima que se sin tetiza inicialmente como un precursor de tamaño mayor que el correspondiente a la forma madura (31,5 Kd). Esta cadena polipeptídica madura se inserta en la membrana mitocondrial interna y para activarse, además de la inserción, preci sa de la presencia de fosfolípidos particulares, las lecitinas (fosfatidi1colinas). ARS PHARMACEUTlCA 187 El enzima purificado no es catalíticamente activo sino que se activa después de unirse a las moléculas de lecitina; parecen ser de suma importancia las cargas negativas de la cabeza polar y la cadena hidrofóbica de los ácidos grasos que forman parte del fosfolípido. Cuando se reconstruye el complejo enzima-fosfolípido, éste presenta una estructura diferente según el enzima esté unido a lecitinas con ácidos grasos de cadena corta (la estructura es de dímero) o de cadena larga. Tanto el enzima inserto entre fosfolípidos de la membrana mitocondrial interna como el enzima inserta entre fosfolípidos de liposomas tienen probablemente estructura de te trámero.(15). En conclusión, la lecitina tiene el papel de cofactor en la actividad catalíti ca del enzima. El enzima presenta en su estructura al menos dos sitios de unión para las lecitinas. La naturaleza de los fosfolípidos que rodean al enzima (lo cual también determina la fluidez de la membrana mitocondrial interna), modu la la afinidad de la BHBDH hacia el coenzima y el sustrato (16). Actividad succinil-CoA transferasa Este enzima, que cataliza la formación de acetoacetil-CoA a partir de ace toacetato, utilizará el succinil-CoA como fuente coenzimática. De esta manera es posible el acoplamiento directo entre el metabolismo de los cuerpos cetóni cos y el ciclo de los ácidos tricarboxJlicos. Es un enzima mitocondrial con alto grado de especificidad hacia sus sustratos. Sigue una cinética de tipo ping pong, de forma que cuando el paso determinante de la reacción es la formación del intermediario Co-A, éste puede reaccionar con succinato para dar succinil CoA o con acetoacetato para dar acetoacetil-CoA a la misma velocidad. Mues tra una inhibición por sustrato para concentraciones de acetoacetato superiores a 5 mM, que será importante para las situaciones asociadas con la hipercetone mia (9). Esta enzima ha sido estudiada en diferentes tejidos (corazón, músculo es quelético, cerebro y riñón), de distintas especies (rata, cerdo, pollo, etc.) (J 7). La actividad transferasa en riñón es mayor que en cualquier otro órgano estu diado. El enzima muestra menor actividad conforme disminuye el pH, lo que indica que en el sitio activo necesita de un grupo en forma básica para poder desarrollar una actividad óptima (18). Hay varias evidencias indirectas de la presencia de un grupo catiónico en el sitio activo, que podría ser una amina protonada que proporcione un sitio de unión para un grupo carboxilo del sus trato. La inhibición irreversible e incompleta de esta enzima al incubarla con ace toacetil-Coa se acentúa con la presencia de metales y se reduce en presencia de sustrato. Esta inhibición depende del pH, como era de esperar para la acilación de un grupo que estuviese protonado (por tanto no reactivo) a pH neutro (19). 188 ARS PHARMACEUTICA Actividad acetoacetil-CoA tiolasa La ausencia genética de esta enzima mitocondrial produce una enfermedad conocida como aciduria del 2-metil-3-hidroxibutírico, que entre otros síntomas muestra una capacidad ampliamente disminuida de oxidar acetoacetato, lo cual se aprecia bastante bien en los fibroblastos de sujetos con esta enfermedad. Las células de estos individuos contienen otra tiolasa mitocondrial que tiene una amplia especificidad por cadenas largas (en contraposición con la acetoacetil-CoA tiolasa dedicada a las cadenas cortas), pero esta enzima no es suficientemente activa como para mantener el ritmo normal de producción de acetil-CoA a partir del acetoacetil-CoA procedente del acetoacetato. Estos estu dios sobre fibroblastos (20) demostraron que el enzima, que se activa por pota sio, es esencial para el normal catabolismo del acetoacetato en células huma nas. Actividad hidroximetilglutaril-CoA sintasa Las hidroximetilglutaril-CoA (HMG-CoA) sin tasas de mitocondria y cito sol presentan distintos patrones de expresión y además distinto tamaño de tránscrito (2 kb para la enzima mitocondrial y 3,4 kb para la citosólica), lo que indicaría que hay dos genes de HMG-CoA sintasa, uno para cada localización del enzima (21). La HMG-CoA sintasa mitocondrial de hígado de rata puede inactivarse por HMG-CoA y ser activada por la incubación en medio diseñado para provocar la dessuccinilación. Puesto que la actividad es menor en extratos de ratas con troles que en los de ratas tratadas con hormonas (glucagón o manoheptulosa), y el medio de succinilación eleva hasta el mismo valor las actividades en ambos tipos de extractos, se puede deducir que la dessuccinilación es mayor en ratas controles que en ratas tratadas. Estos resultados también se obtienen en homo genados de hígado y para mitocondrias aisladas, implicando en los cambios de actividad a los cambios producidos en la magnitud de succinilación del enzima. Se deduce de ello que, in vivo, la HMG-CoA sintasa mitocondrial en ratas alimentadas se encuentra con cerca de un 40% de succinilación, inactivada. El glucagón aumenta esta actividad al reducir la concentración de succinil-CoA y con ello la magnitud de succinilación del enzima disminuye hasta menos de un 10%, lo que supone un mecanismo importante de control de la cetogénesis. Actividad hidroximetilglutaril-CoA liasa Esta enzima sólo actúa sobre la forma S de la molécula de HMG-CoA, exactamente la que produce la HMG-CoA sintasa mitocondrial. La enzima se ha encontrado en corazón de cerdo y en hígado de rata, ternera y hamster. La preincubación del enzima con Mg++ la convierte a una forma más activa que la