El papel de las enzimas metabólicas: todo sobre el metabolismo celular

Desde hace décadas, uno de los mayores retos de la biología es mejorar la comprensión clara y completa de los numerosos mecanismos que ponen de relieve la deficiencia de enzimas metabólicas y cómo pueden repercutir en la salud humana. Sin embargo, en la actualidad se ha puesto de manifiesto que la deficiencia de enzimas metabólicas (MED) puede ser adquirida (lo que conlleva un alto riesgo de interrupción de las reacciones bioquímicas) o heredada como error innato del metabolismo (EIM).

La deficiencia de enzimas metabólicas puede conducir a la acumulación de compuestos tóxicos que pueden provocar el fallo de la producción de compuestos biológicos vitales o la interrupción de las funciones normales de los órganos. Los trastornos de salud asociados a una deficiencia de enzimas metabólicas pueden afectar a casi cualquier sistema orgánico del cuerpo humano.

Función de las enzimas metabólicas

Se sabe que las enzimas metabólicas desempeñan una amplia gama de funciones celulares necesarias para la homeostasis y la supervivencia, como el almacenamiento de energía, la respiración celular, la digestión, la proteólisis, la transcripción y la respuesta al medio ambiente. En otras palabras, estas vías vitales son fundamentales para el crecimiento y el mantenimiento de la integridad celular. Abarcan numerosas clases de proteínas, como las lipoxigenasas, las oxidorreductasas, las carboxilasas, las deshidrogenasas, las transferasas, las quinasas y las liasas.

Cabe destacar que un determinado conjunto de vías metabólicas ayuda a los organismos a mantener estructuras y compartimentos, crecer y reproducirse, y responder a los entornos. En general, las rutas metabólicas abarcan una amplia gama de actividades enzimáticas, desde las reacciones catabólicas y anabólicas "clásicas" de los metabolitos hasta las "novedosas" funciones reguladoras en la biogénesis de orgánulos y las vías de señalización.

Una comprensión clara y completa de esta delicada red metabólica puede proporcionar intervenciones terapéuticas novedosas en trastornos metabólicos hereditarios, oncología, enfermedades degenerativas e inflamación. La desregulación de las vías metabólicas puede asociarse a enfermedades graves y debilitantes como el cáncer, los trastornos hormonales, la osteoporosis, la diabetes, la hipertensión y la obesidad.

Las enzimas son beneficiosas cuando se trata de descomponer grandes moléculas de nutrientes, como grasas, carbohidratos y proteínas, en moléculas más pequeñas. Este proceso se inicia durante la fase de digestión en los intestinos y el estómago de los animales. A la inversa, a algunas enzimas se les confía la tarea de guiar las moléculas más pequeñas descompuestas a través de las paredes intestinales del cuerpo hasta el torrente sanguíneo. Además, las enzimas desempeñan otras muchas funciones, como el almacenamiento y la liberación de energía, los procesos de respiración, la reproducción y la visión. Por ejemplo, la enzima trombina favorece la cicatrización de las heridas y la enzima lisozima elimina las bacterias. Por si fuera poco, las enzimas también pueden utilizarse para regular anomalías y deficiencias enzimáticas derivadas de enfermedades. En otras palabras, las enzimas son indispensables para la vida.

Deficiencia de enzimas metabólicas: Causas y complicaciones

Deficiencia de glucosa-6-fosfatasa (G6Pasa)

La G6Pasa interviene en la formación de glucosa-6-fosfatasa a partir de glucosa en el lumen del retículo endoplásmico. Cabe señalar aquí que la actividad de la G6Pasa está restringida a los diferentes tejidos gluconeogénicos como el riñón, el hígado, las células β del páncreas endocrino y el intestino delgado. La deficiencia de la actividad de la G6Pasa en el riñón, el hígado y la mucosa intestinal con una acumulación excesiva de glucógeno en estos órganos puede dar lugar a la enfermedad de almacenamiento de glucógeno (EAG) tipo 1 (enfermedad de Von Gierke), que se caracteriza por hipoglucemia.

Deficiencia de fructosa-1,6-bifosfatasa (FBPasa)

La FBPasa puede describirse como una enzima única en la vía gluconeogenética que se regula mediante la alteración de los estados isoméricos conformacionales inactivo (T) y activo (R) que cataliza la producción reversible dependiente de magnesio de fructosa-1,6-bifosfato a partir de fosfato inorgánico y fructosa-6-fosfato.

La deficiencia de FBPasa, trastorno metabólico recesivo del hígado, se caracteriza por episodios potencialmente mortales de hipoglucemia, apnea, acidosis láctica, hiperventilación y cetosis.

Deficiencia de fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (PEPCK)

Marcador esencial de la gluconeogénesis, la PEPCK cataliza la conversión de fosfoenolpiruvato en oxaloacetato. PEPCK1 (citosólica) y PEPCK2 (mitocondrial) son las diferentes isoformas de PEPCK. La PEPCK1 está regulada en el cuerpo humano por las vías mitocondriales dependientes del trifosfato de guanosina (GTP), incluyendo el suministro de sustrato, hormonas y nucleótidos de purina. La PEPCK2 interviene principalmente en la gluconeogénesis.

Los síntomas específicos de la deficiencia de PEPCK están relacionados con hepatomegalia, insensibilidad al glucagón, retraso del desarrollo, hipotonía, acidosis láctica, hipoglucemia y depósito masivo de grasa en hígado y riñones.

Deficiencia del complejo piruvato deshidrogenasa (PDHC)

El complejo piruvato deshidrogenasa está muy implicado en la conversión de piruvato en acetil-coenzima A. El complejo incluye tres enzimas diferentes: piruvato descarboxilasa (E1), dihidrolipoil transacetilasa (E2) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E3). Se cree que la deficiencia de PDHC es uno de los trastornos genéticos y neurodegenerativos más comunes que suelen estar relacionados con un metabolismo mitocondrial anómalo.

Cabe destacar que el espectro clínico de la deficiencia de PDHC puede dividirse en manifestaciones neurológicas y metabólicas. Las presentaciones neurológicas incluyen displasia de los núcleos dentados, paquigiria, retraso mental, hipotonía, espasticidad y síndrome de Leigh. Por otro lado, la manifestación metabólica de la PDHC se produce en el periodo neonatal debido a la acidosis láctica.

En general, el estudio del metabolismo celular, especialmente de las enzimas metabólicas, se ha revisado rigurosamente en los últimos años. Entre estos conocimientos se encuentra el descubrimiento de que numerosas enzimas metabólicas son capaces de realizar actividades sorprendentes fuera de sus funciones metabólicas establecidas, incluida la regulación de la reparación de daños en el ADN, la progresión del ciclo celular, la expresión génica y la apoptosis. Una gran mayoría de estas funciones recién identificadas se activan en respuesta a la disponibilidad de nutrientes y oxígeno, la señalización de factores de crecimiento y el estrés externo.

En los últimos tiempos, un número cada vez mayor de estudios ha podido poner de relieve las características inesperadas y significativas de las enzimas metabólicas que ya han cambiado o posiblemente puedan cambiar los conceptos clásicos que se encuentran en los libros de texto de bioquímica.