CAPÍTULO 46: Glucoproteínas

Las glucoproteínas son proteínas que contienen cadenas de oligosacáridos (glucanos) unidos de manera covalente a aminoácidos. Al menos la mitad de las proteínas eucariontes tiene azúcares unidos, de modo que la glucosilación (la fijación enzimática de azúcares) es la modificación postraduccional más frecuente de las proteínas. Muchas proteínas también pasan por glucosilación reversible con un azúcar único (N-acetilglucosamina) unido a un residuo de serina o de treonina que también es un sitio para la fosforilación reversible. Éste es un mecanismo importante de regulación metabólica. También puede ocurrir unión no enzimática de azúcares a proteínas, y se denomina glucación. Este proceso puede tener consecuencias patológicas graves (p. ej., en la diabetes mellitus mal controlada).

Las glucoproteínas son una clase de glucoconjugado o carbohidrato complejo (términos equivalentes que se usan para denotar moléculas que contienen una o más cadenas de carbohidrato enlazadas de manera covalente a proteína —para formar glucoproteínas o proteoglucanos— o lípido —para formar glucolípidos—). (Los proteoglucanos se comentan en el capítulo 50 y los glucolípidos en el capítulo 21). Casi todas las proteínas plasmáticas del humano, con la notable excepción de la albúmina, son glucoproteínas. Muchas proteínas de las membranas celulares (capítulo 40) contienen cantidades considerables de carbohidrato, y muchas proteínas de membrana están ancladas a la bicapa lipídica mediante una cadena de glucano. Varias de las sustancias de grupo sanguíneo son glucoproteínas, mientras que otras son glucoesfingolípidos. Muchas hormonas peptídicas son glucoproteínas. Un problema importante en el cáncer son las metástasis (capítulo 56), y cada vez hay más evidencia de que las alteraciones en las estructuras de glucoproteínas y otros glucoconjugados sobre la superficie de células cancerosas son importantes en las metástasis.

Las glucoproteínas se encuentran en casi todos los organismos, desde bacterias hasta humanos. Muchos virus también contienen glucoproteínas, algunas de las cuales desempeñan papeles clave en la fijación de virus a células huésped (p. ej., HIV-1 y virus de la gripe A). Las glucoproteínas tienen una amplia gama de funciones (cuadro 46-1); su contenido de carbohidrato varía de 1% a más de 85% por peso. Las estructuras de glucano de las glucoproteínas cambian en respuesta a señales involucradas en la diferenciación celular, la fisiología normal, y la transformación neoplásica. Tal es el resultado de diferentes patrones de expresión de glucosiltransferasas en condiciones diferentes. En el cuadro 46-2 se listan algunas de las principales funciones de las cadenas de glucano de las glucoproteínas.

La información biológica en la secuencia y los enlaces de azúcares en glucanos difiere en un aspecto importante de la que se encuentra en el DNA, el RNA y las proteínas: es información secundaria más que primaria. El patrón de glucosilación de una proteína dada depende menos de su secuencia de aminoácidos que del patrón de expresión de las diversas glucosiltransferasas en la célula, que están involucradas en la síntesis de glucoproteínas, la afinidad de las diferentes glucosiltransferasas por sus sustratos carbohidrato y la disponibilidad relativa de los diferentes sustratos carbohidrato. Debido a esto hay microheterogeneidad de glucoproteínas. No todas las cadenas de glucano de una glucoproteína dada son completas; algunas están truncadas.

La información proveniente de los azúcares se expresa por medio de interacciones entre los glucanos y proteínas como lectinas (véase más adelante) u otras moléculas. Estas interacciones llevan a cambios de la actividad celular. De este modo, descifrar el llamado código de los azúcares de la vida (uno de los principales objetivos de la glicómica) comprende elucidar todas las interacciones en las cuales participan los azúcares y las moléculas que contienen azúcar, y los resultados de estas interacciones sobre la conducta celular.

En el cuadro 46-3 se listan los principales métodos usados en la detección, purificación y análisis estructural de glucoproteínas. Los métodos convencionales usados para purificar proteínas y enzimas también son aplicables a la purificación de glucoproteínas. Una vez que se ha purificado una glucoproteína, el uso de espectrometría de masa y de espectroscopia con NMR de alta resolución y microarreglos de glucano a menudo puede identificar las estructuras de estas cadenas de glucano. El análisis de glucoproteínas se complica por el hecho de que a menudo existen como glucoformas (proteínas con secuencias de aminoácidos idénticas pero que muestran microheterogeneidad de las cadenas de glucano). La naturaleza precisa de los enlaces entre los azúcares de glucoproteínas pues son importantes en la determinación de sus estructuras y funciones.

Los avances en la química sintética han permitido la síntesis de glucanos complejos que pueden probarse respecto a su actividad biológica y farmacológica. Además, se han creado métodos en los que se usan organismos como levaduras para sintetizar y secretar glucoproteínas de humano de valor terapéutico (p. ej., eritropoyetina) hacia su medio circundante.

Varias glucosidasas son útiles en la determinación de la estructura y la función de glucoproteínas. Las exoglucosidasas, como las neuraminidasas y las galactosidasas, catalizan la hidrólisis de ácido N-acetilneuramínico terminal y galactosa. Su uso secuencial elimina el ácido N-acetilneuramínico y los penúltimos residuos de galactosa de casi todas las glucoproteínas. Las endoglucosidasas dividen las cadenas de oligosacáridos internamente, en residuos de N-acetilglucosamina específicos cerca del esqueleto polipeptídico. Son útiles en la liberación de cadenas de oligosacáridos grandes para análisis estructurales.

Hay alrededor de 200 monosacáridos en la Naturaleza; sin embargo, sólo ocho se encuentran comúnmente en las cadenas de oligosacáridos de glucoproteínas (cuadro 46-4 y capítulo 15). El ácido N-acetilneuramínico (NeuAc) por lo general se encuentra en las terminaciones de cadenas de oligosacáridos, unido a residuos de galactosa (Gal) o N-acetilgalactosamina (GalNAc) subterminales. Los otros azúcares listados en general se encuentran en posiciones más internas. El sulfato se halla a menudo en glucoproteínas, por lo general unido a Gal, GalNAc o GlcNAc.

En casi todas las reacciones biosintéticas, no es el azúcar libre o fosforilado el que está involucrado, sino más bien el nucleótido de azúcar correspondiente (figura 18-2). En el cuadro 46-4 se listan los nucleótidos de azúcar involucrados en la biosíntesis de glucoproteínas; algunos contienen UDP y otros guanosina difosfato (GDP) o citidina monofosfato (CMP).

Casi todos los nucleótidos de azúcar se forman en el citosol, en general a partir de reacciones que comprenden el trifosfato de nucleósido correspondiente. Los ácidos CMP-siálicos se forman en el núcleo. La formación de uridina difosfato galactosa (UDP-Gal) requiere dos reacciones en tejidos de mamífero, catalizadas por la UDP-glucosa pirofosforilasa y la UDP-glucosa epimerasa:

Dado que muchas reacciones de glucosilación ocurren dentro de la luz del aparato de Golgi, se requieren sistemas acarreadores (permeasas y transportadores) para transportar nucleótidos de azúcar a través de la membrana de Golgi. Hay sistemas para transportar UDP-Gal, GDP-Man y CMP-NeuAc. Son sistemas antiportador; el flujo hacia adentro de una molécula de nucleótido de azúcar es equilibrado por el flujo de salida de una molécula del nucleótido correspondiente (UMP, GMP o CMP) formado a partir de los azúcares del nucleótido de azúcar. Este mecanismo asegura una concentración adecuada de cada nucleótido de azúcar dentro del aparato de Golgi. El UMP se forma a partir de UDP-Gal en reacciones catalizadas por la galactosil transferasa y nucleósido difosfato fosfatasa:

Muchas hormonas peptídicas y casi todas las proteínas plasmáticas, son glucoproteínas. El tratamiento de la proteína con neuraminidasa elimina la porción de ácido N-acetilneuramínico terminal, lo que expone el residuo de galactosa subterminal. Esta asialoglucoproteína es eliminada de la circulación con rapidez mucho mayor que la glucoproteína intacta. Las células hepáticas contienen un receptor de asialoglucoproteína que reconoce la porción galactosa de muchas proteínas plasmáticas desialiladas y lleva a su endocitosis y catabolismo.

Las lectinas son proteínas de unión a carbohidrato que aglutinan células o precipitan glucoconjugados; varias lectinas son por sí mismas glucoproteínas. No se considera que las inmunoglobulinas que reaccionan con azúcares sean lectinas. Las lectinas contienen al menos dos sitios de unión a azúcar; las proteínas que sólo tienen un sitio de unión a azúcar único no aglutinarán células ni precipitarán glucoconjugados. La especificidad de una lectina por lo general se define por los azúcares que son más capaces de inhibir su capacidad para causar aglutinación o precipitación. Las lectinas se descubrieron por vez primera en plantas y microbios, pero ahora se conocen muchas lectinas de origen animal. El receptor de asialoglucoproteína de mamífero antes descrito es una de esas lectinas de origen animal. Las lectinas de plantas se llamaban fitohemaglutininas, debido a su capacidad para aglutinar eritrocitos al reaccionar con las glucoproteínas de superficie celular. Las lectinas no desnaturalizadas en legumbres cocinadas de manera insuficiente pueden llevar a decorticación grave de la mucosa intestinal al aglutinar las células de la mucosa. En el cuadro 46-5 se listan algunas lectinas importantes.

Muchas lectinas se han purificado y se encuentran disponibles en el comercio; en el cuadro 46-6 se listan tres lectinas de plantas que han sido objeto de uso experimental amplio. Se usan para purificar glucoproteínas, como herramientas para sondear los perfiles de glucoproteína de superficies celulares, y como reactivos para generar células mutantes deficientes en ciertas enzimas involucradas en la biosíntesis de cadenas de oligosacáridos.

Las glucoproteínas pueden dividirse en tres grupos principales, con base en la naturaleza del enlace entre las cadenas de polipéptido y oligosacárido (figura 46-1); hay otras clases menores de glucoproteína:

1. Las que contienen un enlace O-glucosídico (O-enlazadas), que comprenden la cadena lateral hidroxilo de serina y treonina (y a veces también tirosina), y un azúcar como la N-acetilgalactosamina (GalNAc-Ser [Tre]).

2. Las que contienen un enlace N-glucosídico (N-enlazadas), que comprenden el nitrógeno amida de la asparagina y la N-acetilglucosamina (GlcNAc-Asn).

3. Las enlazadas al aminoácido carboxilo terminal de una proteína por medio de una porción fosforil-etanolamina unida a un oligosacárido (glucano) que, a su vez, está unido por medio de glucosamina al fosfatidilinositol (PI). Éstas son glucoproteínas glucosilfosfatidilinositol-ancladas (GPI-ancladas). Entre otras funciones, están involucradas en la dirección de glucoproteínas a las áreas apical y basolateral de la membrana plasmática (PM) de células epiteliales polarizadas (véanse el capítulo 40 y más adelante).

El número de cadenas de oligosacáridos unidas a una proteína puede variar de 1 a 30 o más; las cadenas de azúcar varían desde uno o dos residuos de longitud hasta estructuras mucho más grandes. La cadena de glucano puede ser lineal o ramificada. Muchas proteínas contienen más de un tipo de cadena de azúcar; por ejemplo, la glucoforina, una importante glucoproteína de la membrana eritrocítica (capítulo 53), contiene oligosacáridos tanto O- como N-enlazados.

Al menos cuatro subclases de enlaces O-glucosídicos se encuentran en glucoproteínas de ser humano:

1. El enlace GalNAc-Ser(Tre) (figura 46-1) es el enlace predominante. Por lo general un residuo de galactosa o ácido N-acetilneuramínico está unido a la N-acetilgalactosamina, pero se encuentran muchas variaciones de las composiciones de azúcar y las longitudes de esas cadenas de oligosacáridos. Este tipo de enlace se encuentra en las mucinas (véase más adelante).

2. Los proteoglucanos contienen un trisacárido Gal-Gal-Xil-Ser (el llamado enlace trisacárido).

3. Los colágenos (capítulo 50) contienen un enlace Gal-hidroxilisina (Hil).

4. Muchas proteínas nucleares y citosólicas contienen cadenas laterales que constan de una N-acetilglucosamina única unida a un residuo de serina o treonina (GlcNAc-Ser[Tre]).

Las mucinas tienen un alto contenido de oligosacáridos O-enlazados y muestran secuencias de aminoácidos repetitivas

Las mucinas son glucoproteínas con dos características distintivas: un contenido alto de oligosacáridos O-enlazados (las mucinas por lo general contienen más de 50% de carbohidratos), y la presencia de números variables de repeticiones en tándem (VNTR) de secuencia peptídica en el centro de sus esqueletos polipeptídicos, a las cuales las cadenas de O-glucano están unidas en agrupaciones. Estas secuencias de repeticiones en tándem son ricas en serina, treonina y prolina; de hecho, hasta 60% del requerimiento de treonina en la dieta puede explicarse por la síntesis de mucinas. Si bien predominan los O-glucanos, las mucinas a menudo también contienen varias cadenas de N-glucano. En el cuadro 46-7 se resumen algunas propiedades importantes de las mucinas.

Hay mucinas tanto secretoras como unidas a membrana. El moco secretado por los tractos gastrointestinal, respiratorio y reproductor es una solución que contiene alrededor de 5% de mucinas. Las mucinas secretoras por lo general tienen una estructura oligomérica; los monómeros están enlazados por enlaces disulfuro y, por ende, tienen una masa molecular muy alta. El moco tiene una viscosidad alta, y a menudo forma un gel debido a su contenido de mucinas. El contenido alto de O-glucanos confiere una estructura extendida. Esto se explica en parte por interacciones estéricas entre las porciones GalNAc y aminoácidos adyacentes, lo que da por resultado un efecto de rigidez de cadena, de modo que la conformación de mucinas a menudo adopta la forma de bastones rígidos. Las interacciones no covalentes intermoleculares entre azúcares en cadenas de glucano vecinas contribuyen a la formación de gel. El contenido alto de NeuAc y residuos de sulfato que se encuentra en muchas mucinas les confiere una carga negativa.

Las mucinas ayudan a lubricar y forman una barrera física protectora sobre superficies epiteliales. Son muy resistentes a la proteólisis porque la densidad de las cadenas de oligosacáridos hace difícil que las proteasas tengan acceso a sus esqueletos polipeptídicos.

Las mucinas unidas a membrana participan en interacciones célula-célula. También pueden enmascarar antígenos de superficie celular. Muchas células cancerosas forman grandes cantidades de mucinas que enmascaran los antígenos de superficie y protegen a dichas células de la vigilancia inmunitaria. Las mucinas también portan epítopos peptídicos y de carbohidrato específicos para cáncer. Algunas de éstas se han usado para estimular una respuesta inmunitaria contra células cancerosas.

Las glucoproteínas O-enlazadas se sintetizan mediante la adición secuencial de azúcares que provienen de nucleótidos azúcar

Dado que casi todas las glucoproteínas están unidas a membrana o son secretadas, su mRNA por lo general se traduce en polirribosomas unidos a membrana (capítulo 37). Las cadenas de glucano se construyen mediante la donación secuencial de azúcares que provienen de nucleótidos azúcar, catalizada por glucoproteína glucosiltransferasas. Hay 41 tipos de glucoproteína glucosiltransferasas. Las familias de glucosiltransferasas reciben su nombre con base en el nucleótido de azúcar donante, y las subfamilias, con base en el enlace que se forma entre el azúcar y el sustrato aceptor; puede ocurrir transferencia con retención o inversión de la conformación en el C-1 del azúcar. La unión del nucleótido de azúcar a la enzima causa un cambio conformacional en la enzima, que permite unión del sustrato aceptor. Las glucosiltransferasas muestran un alto grado de especificidad por el sustrato aceptor, que típicamente sólo actúa sobre el producto de la reacción precedente. Las diferentes etapas en la formación de glucano y, por ende, las diferentes glucosiltransferasas, están ubicadas en diferentes regiones del aparato de Golgi, de modo que hay separación espacial de los diferentes pasos en el proceso. No todas las cadenas de glucano de una glucoproteína dada están completas; algunas están truncadas, lo que conduce a microheterogeneidad. No se conoce una secuencia de consenso para determinar cuáles residuos de serina y treonina están glucosilados, pero la primera porción azúcar incorporada por lo general es N-acetilgalactosamina. En el cuadro 46-8 se resumen las principales características de la biosíntesis de glucoproteínas O-enlazadas.

Las glucoproteínas N-enlazadas son la principal clase de glucoproteínas, incluso glucoproteínas tanto unidas a membrana como circulantes. Se distinguen por la presencia del enlace asparagina-guión N-acetilglucosamina (Figura 46-1). Hay tres clases principales de oligosacáridos N-enlazados: complejos, altos en manosa e híbridos. Las tres clases tienen el mismo pentasacárido ramificado, Man₃GlcNAc₂, unido a la asparagina, pero difieren en sus ramas externas (figura 46-2).

Los oligosacáridos complejos contienen 2, 3, 4 o 5 ramas externas. Las ramas de oligosacárido a menudo se denominan antenas, de modo que pueden encontrarse estructuras biantenarias, triantenarias, tetraantenarias, y pentaantenarias. Por lo general contienen residuos de ácido N-acetilneuramínico terminales, y residuos de galactosa y de N-acetilglucosamina subyacentes; estos últimos a menudo constituyen el disacárido N-acetillactosamina. A menudo se encuentran unidades de N-acetilgalactosamina repetitivas—[Galβ1–3/4GlcNAcβ1–3]n (poli-N-acetillactosaminoglucanos) en cadenas de glucano N-enlazadas. Las sustancias de grupo sanguíneo I/i pertenecen a esta clase. Hay un número desconcertante de cadenas del tipo complejo, y la indicada en la figura 46-2 es sólo una de muchas. Otras cadenas complejas pueden terminar en galactosa o fucosa.

Los oligosacáridos altos en manosa típicamente tienen dos a seis residuos de manosa adicionales enlazados al centro de pentasacárido. Las moléculas híbridas contienen características de las dos otras clases.

La biosíntesis de glucoproteínas N-enlazadas comprende dolicol-P-P-oligosacárido

La presencia del pentasacárido común en glucoproteínas N-enlazadas se explica por el hecho de que comparten un mecanismo de biosíntesis común inicial, en el cual un oligosacárido ramificado es sintetizado unido a dolicol pirofosfato (figura 46-3) en el lado citosólico de la membrana del retículo endoplasmático y después es translocado a la luz del retículo endoplasmático, donde pasa por más glucosilación, antes de que la cadena de oligosacárido es transferida por una oligosacariltransferasa sobre un residuo de asparagina de la apoproteína aceptora conforme entra al retículo endoplasmático durante la síntesis sobre polirribosomas unidos a membrana. Así, ésta es una modificación cotraduccional. En muchas de las glucoproteínas N-enlazadas hay una secuencia de consenso de Asn-X-Ser/Tre (donde X = cualquier aminoácido que no es prolina) para determinar el sitio de glucosilación; en otras no hay una secuencia consenso clara para glucosilación.

El primer paso es una reacción entre UDP-N-acetilglucosamina y dolicol fosfato, lo que forma N-acetilglucosamina-dolicol pirofosfato (figura 46-4). Una segunda N-acetilglucosamina es añadida desde la UDP-N-acetilglucosamina, seguida por la adición de cinco moléculas de manosa provenientes de GDP-manosa. El oligosacárido dolicol pirofosfato a continuación es translocado hacia la luz del retículo endoplasmático, y se añaden moléculas adicionales de manosa y glucosa, para formar el oligosacárido dolicol pirofosfato final, usando dolicol-fosfato manosa y dolicol fosfato-glucosa como los donantes. El oligosacárido dolicol pirofosfato a continuación es transferido sobre el residuo de asparagina aceptor de la cadena de proteína naciente. En el cuadro 46-9 se listan las principales características de la N-glucosilación.

Para formar cadenas altas en manosa, la glucosa y algunos de los residuos de manosa periféricos se eliminan mediante glucosidasas. Para formar una cadena de oligosacárido del tipo complejo, los residuos de glucosa y cuatro de los residuos de manosa son eliminados por glucosidasas en el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi, y después se añaden N-acetilglucosamina, galactosa y ácido N-acetilneuramínico en reacciones catalizadas por glucosiltransferasas en el aparato de Golgi. Las cadenas híbridas se forman mediante procesamiento parcial, lo cual forma cadenas complejas en un extremo y unidades de manosa en el otro extremo.

Las glucoproteínas y la calnexina aseguran el plegamiento correcto de proteínas en el retículo endoplasmático

La calnexina es una proteína chaperona en la membrana del retículo endoplasmático; la unión a calnexina evita que una glucoproteína se agregue. Es una lectina, que reconoce secuencias de carbohidrato específicas en la cadena de glucano de la glucoproteína. Las glucoproteínas que muestran plegamiento incorrecto pasan por desglucosilación parcial, y son establecidas como objetivo para ser transportadas desde el retículo endoplasmático de regreso al citosol para catabolismo.

La calnexina se une a glucoproteínas que poseen una estructura central monoglucosilada de la cual se ha eliminado la glucosa terminal, lo cual sólo deja la glucosa más interna unida. La calnexina y la glucoproteína unida forman un complejo con ERp57, un homólogo de la proteína disulfuro isomerasa, que cataliza el intercambio de enlace disulfuro, lo cual facilita el plegamiento apropiado. La glucoproteína unida es liberada de su complejo con calnexina-ERp57 cuando la única glucosa remanente es hidrolizada por una glucosidasa y entonces queda disponible para secreción si muestra plegamiento apropiado. Si no muestra plegamiento apropiado, una glucosiltransferasa reconoce esto y reglucosila la glucoproteína, que se vuelve a unir al complejo de calnexina-ERp57. Si ahora muestra plegamiento apropiado, la glucoproteína es desglucosilada de nuevo y secretada. Si carece de la capacidad de plegamiento apropiado, es translocada hacia fuera del retículo endoplasmático hacia el citosol para catabolismo. La glucosiltransferasa detecta el plegamiento de la glucoproteína, y sólo reglucosila proteínas que muestran plegamiento inapropiado. La proteína del retículo endoplasmático soluble calreticulina efectúa una función similar a la de la calnexina.

Varios factores regulan la glucosilación de glucoproteínas

La glucosilación de glucoproteínas es un proceso complejo que involucra un gran número de enzimas; alrededor de 1% del genoma humano codifica para genes que están involucrados en la glucosilación de proteína. Hay al menos 10 GlcNAc transferasas distintas. También hay múltiples especies de las otras glucosiltransferasas (p. ej., sialiltransferasas). Los factores controladores en la primera etapa de la biosíntesis de glucoproteína N-enlazada (montaje y transferencia del oligosacárido dolicol pirofosfato) incluyen no sólo la disponibilidad de los nucleótidos azúcar, sino también la presencia de sitios aceptores idóneos en proteínas, la concentración tisular de dolicol fosfato, y la actividad del oligosacárido: proteína transferasa.

En el cuadro 46-10 se listan algunos factores que se sabe que están involucrados en la regulación del procesamiento de oligosacárido. Las variaciones de especie entre enzimas procesadoras son importantes en relación con la producción de glucoproteínas de uso terapéutico por medio de tecnología de DNA recombinante. Por ejemplo, la eritropoyetina (EPO) recombinante se administra a pacientes que presentan algunos tipos de anemia crónica, para estimular la eritropoyesis. La vida media de la eritropoyetina en el plasma está influida por su patrón de glucosilación; algunos patrones se asocian con una vida media breve, lo cual limita su eficacia terapéutica. De este modo, es importante recolectar EPO a partir de células huésped que confieren un patrón de glucosilación congruente con una vida media normal en el plasma.

También hay gran interés en el análisis de las actividades de enzimas procesadoras de glucoproteína en diversos tipos de células cancerosas. A menudo se ha encontrado que estas células sintetizan cadenas de oligosacáridos diferentes de las sintetizadas en células normales (p. ej., a menudo muestran mayor ramificación). Esto podría deberse a que las células cancerosas expresan patrones de glucosiltransferasas que difieren de los que se encuentran en células normales, como resultado de activación o represión de gen específico. Las diferencias en cadenas de oligosacáridos podrían afectar las interacciones adhesivas entre células cancerosas y sus células tisulares parentales normales, lo cual contribuye a metástasis.

La tercera clase principal de glucoproteínas consta de las proteínas unidas a membrana que están fijas a la bicapa lipídica mediante una cola de glucofosfatidilinositol (GPI) (figura 46-1). El enlace de GPI es la manera más común en la cual diversas proteínas están ancladas a membranas celulares.

Las proteínas están ancladas a la cara externa de la membrana plasmática o la cara interna (luminal) de la membrana en vesículas secretoras mediante los ácidos grasos del fosfatidil inositol. El fosfatidil inositol está enlazado por medio de N-acetilglucosamina a una cadena de glucano que contiene diversos azúcares, entre ellos manosa y glucosamina. A su vez, la cadena de oligosacárido está enlazada por medio de fosforiletanolamina en un enlace amida al aminoácido carboxilo terminal de la proteína unida. Se encuentran constituyentes adicionales en muchas estructuras de GPI; por ejemplo, la que se muestra en la figura 46-1 contiene una fosforiletanolamina extra unida a la parte media de las tres porciones de manosa del glucano, y un ácido graso extra unido a la glucosamina. En el cuadro 46-11 se dan ejemplos de algunas proteínas que están ancladas mediante enlace de GPI.

Hay tres funciones posibles de este enlace de GPI:

1. El anclaje GPI permite movilidad muy aumentada de una proteína en la membrana plasmática en comparación con la que ocurre para una proteína que contiene secuencias transmembrana. El anclaje GPI sólo está unido a la cara externa de la bicapa lipídica, de modo que está más libre para difundirse que una proteína anclada por medio de ambas capas de la membrana. La movilidad aumentada puede ser importante en la facilitación de respuestas rápidas a estímulos.

2. Algunas anclas de GPI pueden conectarse con vías de transducción de señal, de modo que las proteínas que no tienen un dominio transmembrana pueden, no obstante, ser receptores para hormonas y otras señales de superficie celular.

3. Las estructuras de GPI pueden dirigir proteínas al dominio apical o basolateral de la membrana plasmática de células epiteliales polarizadas.

El anclaje GPI es preformado en el retículo endoplasmático, y a continuación es unido a la proteína después de que se completa la síntesis ribosomal. Los productos de traducción primarios de proteínas ancladas con GPI no sólo tienen una secuencia de señal amino terminal que las dirige al retículo endoplasmático durante la síntesis, sino también un dominio hidrofóbico carboxilo terminal que actúa como la señal para fijación del anclaje GPI. La primera etapa en la síntesis del anclaje GPI es la inserción de los ácidos grasos del fosfatidil inositol hacia la cara luminal de la membrana del retículo endoplasmático, seguida por glucosilación, empezando con esterificación de la N-acetilglucosamina al grupo fosfato del fosfatidil inositol. Una porción fosfoetanolamina terminal es añadida a la cadena de glucano completada. El dominio carboxilo terminal hidrofóbico de la proteína es desplazado por el grupo amino de la etanolamina en la reacción de transamidación que forma el enlace amida entre el anclaje GPI y un residuo de aspartato en la proteína.

Muchas proteínas, entre ellas proteínas de poro nuclear, proteínas del citoesqueleto, factores de transcripción y proteínas asociadas con cromatina, así como proteínas oncogén nucleares y proteínas supresoras tumorales, pasan por O-glucosilación con una porción de azúcar única, N-acetilglucosamina. Ésta es una glucosilación rápidamente reversible. Los sitios de glucosilación de serina y treonina son los mismos que los de fosforilación de estas proteínas, y la glucosilación y fosforilación ocurren de manera recíproca en respuesta a la señalización celular.

La N-acetilglucosamina transferasa O-enlazada que cataliza esta glucosilación usa UDP-N-acetilglucosamina como el donante de azúcar, y tiene actividad de fosfatasa, de modo que puede reemplazar directamente un fosfato de serina o treonina con N-acetilglucosamina. No hay secuencia de consenso absoluta para la reacción, pero alrededor de la mitad de los sitios que están sujetos a glucosilación y fosforilación recíprocas son Pro-Val-Ser. La enzima es activada por fosforilación en respuesta a la acción de la insulina, y la N-acetilglucosamina es eliminada (dejando el sitio disponible para fosforilación) por N-acetilglucosaminidasa.

Tanto la actividad como la especificidad de péptido de la N-acetilglucosamina O-enlazada transferasa dependen de la concentración de UDP-N-acetilglucosamina. Dependiendo del tipo de célula, hasta 2 a 5% del metabolismo de la glucosa se efectúa por medio de la vía de la hexosamina, lo cual da pie a la formación de N-acetilglucosamina, lo que da a la N-acetilglucosamina transferasa O-enlazada una función en la detección de nutrientes en la célula. La O-glucosilación excesiva con N-acetilglucosamina (y, por ende, fosforilación reducida) de proteínas blanco está implicada en la resistencia a la insulina y la toxicidad por glucosa en la diabetes mellitus, así como en enfermedades neurodegenerativas.

La glucación es la unión no enzimática de azúcares (principalmente glucosa) a grupos amino de proteínas (y a otras moléculas, entre ellas DNA y lípidos). La glucación se distingue de la glucosilación que es la unión de azúcares catalizada por enzima. Inicialmente, la glucosa forma una base de Schiff a la proteína del grupo amino, que a continuación pasa por el reordenamiento de Amadori para dar cetoaminas (figura 46-5), y reacciones adicionales para dar productos terminales de glucación avanzada (AGE). La serie de reacciones general se conoce como la reacción de Maillard, que está involucrada en la adquisición de un color pardo de ciertos comestibles durante almacenamiento o calentamiento, y proporciona gran parte del sabor de ciertos alimentos.

Los productos terminales de glucación avanzada subyacen el daño tisular en la diabetes mellitus mal controlada. Cuando la concentración de glucosa en sangre está constantemente alta, hay glucación aumentada de proteínas. La glucación de colágeno y otras proteínas en la matriz extracelular altera sus propiedades (p. ej., al aumentar la formación de enlaces covalentes de colágeno). La formación de enlaces covalentes puede llevar a la acumulación de diversas proteínas plasmáticas en las paredes de los vasos sanguíneos; en particular, la acumulación de LDL puede contribuir a la aterogénesis. Los AGE parecen estar involucrados en el daño tanto microvascular como macrovascular en la diabetes mellitus (figura 46-6). Las células endoteliales y los macrófagos tienen receptores de AGE sobre su superficie. La captación de proteínas glucadas por estos receptores puede activar la transcripción del factor NF-κB (capítulo 52), lo que genera diversas citocinas y moléculas proinflamatorias. De este modo, se cree que los AGE son un contribuidor importante a algunas de las alteraciones patológicas propias de la diabetes.

La glucación por unión no enzimática de hemoglobina A presente en los eritrocitos lleva a la formación de HBA_1c. Normalmente ocurre a un grado modesto, y está aumentada en pacientes con diabetes mellitus con control inadecuado de la glucemia, cuya concentración de glucosa en sangre está constantemente alta. La medición de la HBA_1c se ha convertido en una parte muy importante del manejo de pacientes con diabetes mellitus (capítulo 6).

Las glucoproteínas tienen muchas funciones diferentes (cuadro 46-1); algunas ya se abordaron en este capítulo y otras se describen en otras partes de este libro (p. ej., moléculas de transporte, moléculas inmunológicas, y hormonas). También son importantes en la fecundación y la inflamación, y varias enfermedades se deben a defectos en la síntesis de glucoproteínas y el catabolismo de las mismas.

Las glucoproteínas son importantes en la fecundación

Para alcanzar la membrana plasmática de un ovocito, un espermatozoide tiene que cruzar la zona pelúcida (ZP), una envoltura gruesa, transparente, no celular, que rodea el ovocito. La glucoproteína ZP3 es una glucoproteína O-enlazada que funciona como un receptor de espermatozoide. Una proteína sobre la superficie del espermatozoide interactúa con las cadenas de oligosacáridos de la ZP3. Mediante señalización transmembrana, esta interacción induce la reacción acrosómica en la cual se liberan enzimas como proteasas y hialuronidasa, y otro contenido del acrosoma del espermatozoide. La liberación de estas enzimas permite que el espermatozoide pase por la zona pelúcida y llegue a la membrana plasmática del ovocito. Otra glucoproteína, PH-30, es importante tanto en la unión de la membrana plasmática del espermatozoide a la del ovocito, y en la fusión subsiguiente de las dos membranas; estas interacciones permiten al espermatozoide entrar al ovocito y fecundarlo. Quizá sea posible inhibir la fecundación al crear fármacos que interfieran con las funciones normales de ZP3 y PH-30, que actuarían así como fármacos anticonceptivos.

Las selectinas desempeñan papeles clave en la inflamación y en el direccionamiento de linfocitos

Los leucocitos desempeñan funciones importantes en muchos fenómenos inflamatorios e inmunológicos. Los primeros pasos en muchos de estos fenómenos son interacciones entre leucocitos circulantes y células endoteliales antes del paso de los primeros hacia afuera de la circulación. Los leucocitos y las células endoteliales contienen lectinas de superficie celular, llamadas selectinas, que participan en la adhesión intercelular. Las selectinas son proteínas transmembrana de unión a Ca²⁺, de cadena única; los aminoterminales contienen el dominio de lectina, que está involucrado en la unión a ligandos de carbohidrato específicos.

Las interacciones entre selectinas sobre la superficie celular de neutrófilos, y las glucoproteínas sobre la célula endotelial atrapan los neutrófilos temporalmente, de modo que ruedan sobre la superficie endotelial. Durante esto, los neutrófilos son activados, pasan por un cambio de forma, y ahora se adhieren firmemente al endotelio. Esta adhesión es el resultado de interacciones entre integrinas (capítulo 53) sobre los neutrófilos, y proteínas relacionadas con inmunoglobulina sobre las células endoteliales. Después de la adhesión, los neutrófilos insertan seudópodos en las uniones entre células endoteliales, pasan apretadamente a través de estas uniones, cruzan la membrana basal y entonces están libres para migrar al espacio extravascular.

Las selectinas se unen a oligosacáridos sialilados y fucosilados. Los lípidos sulfatados también pueden ser ligandos. La síntesis de compuestos como anticuerpos monoclonales que bloquean las interacciones entre selectina y ligando puede ser útil desde el punto de vista terapéutico para inhibir respuestas inflamatorias. Las células cancerosas a menudo tienen ligandos de selectina sobre su superficie, lo cual puede estar implicado en la invasión y las metástasis de células cancerosas.

Las anormalidades en la síntesis de glucoproteínas subyacen ciertas enfermedades

En el cuadro 46-12 se listan varias enfermedades en las cuales las anormalidades de la síntesis de glucoproteínas son importantes. Como se mencionó, muchas células cancerosas muestran diferentes perfiles de cadenas de oligosacáridos sobre su superficie, algunas de las cuales pueden contribuir a metástasis.

En el cuadro 46-13 se resumen las principales características de los trastornos congénitos de la glucosilación.

La deficiencia de adhesión de leucocitos II es una enfermedad rara que probablemente se debe a mutaciones que afectan la actividad de un transportador de GDP-fucosa localizado en el aparato de Golgi. La falta de ligandos fucosilados para selectinas conduce a un notorio decremento del rodamiento de neutrófilos. Los sujetos sufren infecciones bacterianas recurrentes que ponen en peligro la vida, y retraso psicomotor y mental. La enfermedad parece responder a la fucosa por vía oral.

La hemoglobinuria paroxística nocturna es una anemia leve adquirida que se caracteriza por la presencia de hemoglobina en la orina debido a hemólisis de eritrocitos, en particular durante el sueño, lo cual puede reflejar una disminución leve del pH plasmático durante el sueño, que aumenta la susceptibilidad a lisis por el sistema de complemento (capítulo 52). La enfermedad se debe a la adquisición en células hematopoyéticas de mutaciones somáticas en el gen que codifica para la enzima que enlaza la glucosamina al fosfatidilinositol en la estructura de GPI. Esto da pie a una deficiencia de proteínas que están ancladas a la membrana del eritrocito mediante enlace con GPI. Dos proteínas, el factor acelerador de la descomposición y CD59 normalmente interactúan con componentes del sistema de complemento para evitar la hemólisis. Cuando son deficientes, el sistema de complemento actúa sobre la membrana del eritrocito para causar hemólisis.

Algunas de las distrofias musculares congénitas (CMD) son el resultado de defectos de la síntesis de glucanos en la proteína α-distroglucano. Esta proteína sobresale desde la membrana de superficie de células musculares, e interactúa con la laminina-2 (merosina) en la lámina basal. Si los glucanos del α-distroglucano no se forman correctamente (como resultado de mutaciones en genes que codifican para algunas glucosiltransferasas), esto da lugar a interacción defectuosa de α-DG con laminina.

La artritis reumatoide se asocia con una alteración de la glucosilación de moléculas de inmunoglobulina G (IgG) circulantes (capítulo 52), de modo que carecen de galactosa en sus regiones Fc, y terminan en GlcNAc. La proteína de unión a manosa, una lectina sintetizada por células hepáticas y secretada hacia la circulación, se une a manosa, N-acetilglucosamina y algunos otros azúcares. De este modo, puede unirse a moléculas de IgG agalactosil, que después activan el sistema de complemento, lo cual contribuye a inflamación crónica en las membranas sinoviales de articulaciones.

La proteína de unión a manosa también puede unirse a azúcares cuando están presentes sobre las superficies de bacterias, hongos y virus, lo cual prepara a estos agentes patógenos para opsonización, y para destrucción por el sistema de complemento. Éste es un ejemplo de inmunidad innata, que no involucra inmunoglobulinas o linfocitos T. La deficiencia de esta proteína en lactantes de corta edad como resultado de mutación los hace susceptibles a infecciones recurrentes.

La enfermedad de células de inclusión (células I) se produce por direccionamiento fallido de enzimas lisosomales

La manosa 6-fosfato sirve para dirigir enzimas hacia el lisosoma. La enfermedad de células I es una enfermedad poco común que se caracteriza por retraso psicomotor progresivo grave, y diversos signos físicos; la muerte a menudo ocurre durante la primera década de la vida. Las células de pacientes con enfermedad de célula I carecen de casi todas las enzimas lisosomales normales; de este modo, los lisosomas acumulan muchos tipos de moléculas no degradadas, con la formación de cuerpos de inclusión. El plasma de los pacientes contiene actividad muy alta de enzimas lisosomales, lo que sugiere que las enzimas se sintetizan pero no llegan a su destino intracelular apropiado y, en lugar de eso, son secretadas. Las células cultivadas de pacientes captan enzimas lisosomales agregadas de manera exógena, obtenidas de sujetos normales, lo cual indica que las células tienen un receptor normal en su superficie para la captación endocítica de enzimas lisosomales. Las enzimas lisosomales de individuos normales portan el marcador de reconocimiento de manosa 6-fosfato; las células de pacientes con enfermedad de célula I carecen de la N-acetilglucosamina fosfotransferasa localizada en el aparato de Golgi. Dos lectinas actúan como proteínas receptoras de manosa 6-fosfato. Ambas funcionan en la distribución intracelular de enzimas lisosomales hacia vesículas cubiertas con clatrina en el aparato de Golgi. Estas vesículas a continuación salen del aparato de Golgi y se fusionan con un compartimiento prelisosomal.

Las deficiencias genéticas de glucoproteína lisosomal hidrolasas causan enfermedades, como la α-manosidosis

El recambio de glucoproteínas comprende catabolismo de las cadenas de oligosacáridos catalizado por varias hidrolasas lisosomales, entre ellas α-neuraminidasa, β-galactosidasa, β-hexosaminidasa, α y β-manosidasas, α-N-acetilgalactosaminidasa, α-fucosidasa, endo-β-N-acetilglucosaminidasa, y aspartilglucosaminidasa. Los defectos genéticos en estas enzimas dan por resultado degradación anormal de glucoproteínas. La acumulación en tejidos de glucoproteínas parcialmente degradadas lleva a diversas enfermedades. Entre las mejor reconocidas de estas figuran la manosidosis, fucosidosis, sialidosis, aspartilglucosaminuria, y enfermedad de Schindler, debidas, respectivamente, a deficiencias de α-manosidasa, α-fucosidasa, α-neuraminidasa, aspartilglucosaminidasa y α-N-acetilgalactosaminidasa. En el cuadro 46-14 se listan algunas de las principales características de estas enfermedades.

Una característica de los glucanos que explica muchas de sus acciones biológicas, es que se unen de manera específica a proteínas y otros glucanos. Un reflejo de esto es su capacidad para unirse a algunos virus, bacterias y parásitos.

El virus de la gripe A se une a moléculas receptoras de glucoproteína de superficie celular que contienen ácido N-acetilneuramínico por medio de una proteína hemaglutinina. El virus también tiene una neuraminidasa que desempeña una función clave en permitir la elución de progenie recién sintetizada desde células infectadas. Si este proceso es inhibido, la diseminación de los virus disminuye notoriamente. Ahora se dispone de inhibidores de esta enzima (p. ej., zanamivir, oseltamivir) para uso en el tratamiento de pacientes que presentan gripe. Los virus de la gripe se clasifican de acuerdo con el tipo de hemaglutinina (H) y neuraminidasa (N) que poseen. Hay al menos 16 tipos de hemaglutinina, y nueve tipos de neuraminidasa. De este modo, el virus de la gripe aviar se clasifica como H5N1.

El virus de la inmunodeficiencia humana tipo 1 (HIV-1), la causa del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (AIDS), se fija a células por medio de una de sus glucoproteínas de superficie (gp 120), y usa otra glucoproteína de superficie (gp 41) para fusionarse con la membrana de la célula huésped. Durante infección por HIV-1 se forman anticuerpos contra gp 120, y ha habido interés en el uso de la proteína como una vacuna. Un problema importante con este método es que la estructura de la gp 120 puede cambiar con relativa rapidez debido a mutaciones, lo que permite que el virus escape de la actividad neutralizante de anticuerpos dirigidos contra ella.

Helicobacter pylori es la principal causa de úlceras pépticas. Se une a por lo menos dos glucanos diferentes que se encuentran sobre la superficie de células epiteliales en el estómago, lo que permite que establezca un sitio de unión estable al revestimiento del estómago. De modo similar, muchas bacterias que causan diarrea se fijan a células superficiales de la mucosa intestinal por medio de glucanos presentes en glucoproteínas o glucolípidos. La unión del parásito del paludismo, Plasmodium falciparum, a células de humano está mediada por una GPI presente sobre la superficie del parásito.

• Las glucoproteínas son proteínas ampliamente distribuidas, con funciones diversas, que contienen una o más cadenas de carbohidrato enlazadas de modo covalente.

• El contenido de carbohidrato de una glucoproteína varía de 1% a más de 85% de su peso, y puede ser simple o muy complejo en la estructura. Ocho azúcares se encuentran principalmente en las cadenas de azúcar de glucoproteínas de ser humano: xilosa, fucosa, galactosa, glucosa, manosa, N-acetilgalactosamina, N-acetilglucosamina y ácido N-acetilneuramínico.

• Al menos algunas de las cadenas de oligosacáridos de glucoproteínas codifican información biológica; también son importantes en la modulación de la solubilidad y la viscosidad de glucoproteínas, en la protección de estas últimas contra proteólisis, y en sus acciones biológicas.

• Las glucosidasas hidrolizan enlaces específicos en oligosacáridos, y se usan para explorar las estructuras y funciones de glucoproteínas.

• Las lectinas son proteínas de unión a carbohidrato involucradas en la adhesión celular y en muchos otros procesos.

• Las principales clases de glucoproteínas son O-enlazadas (que comprenden serina o treonina), N-enlazadas (que comprenden el grupo amida de la asparagina) y GPI-enlazadas.

• Las mucinas son una clase de glucoproteínas O-enlazadas que se encuentran distribuidas sobre la superficie de células epiteliales de los tractos respiratorio, gastrointestinal y reproductor.

• El retículo endoplasmático y el aparato de Golgi desempeñan un papel importante en las reacciones de glucosilación involucradas en la biosíntesis de glucoproteínas.

• Las cadenas de oligosacáridos de glucoproteínas O-enlazadas se sintetizan mediante la adición por pasos de azúcares donados por nucleótidos de azúcar en reacciones catalizadas por glucoproteína glucosiltransferasas.

• La síntesis de glucoproteínas N-enlazadas comprende un dolicol-P-P-oligosacárido específico, y diversas glucotransferasas y glucosidasas. Dependiendo de las enzimas y las proteínas precursoras en un tejido, puede sintetizar tipos de oligosacáridos N-enlazados complejos, híbridos o altos en manosa.

• Las glucoproteínas están implicadas en muchos procesos biológicos, entre ellos fecundación e inflamación.

• Hay varias enfermedades que comprenden anormalidades de la síntesis de glucoproteínas y la degradación de las mismas. Las glucoproteínas también están involucradas en muchas otras enfermedades, entre ellas gripe, sida, artritis reumatoide, fibrosis quística, y úlcera péptica.