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Los glucosaminoglucanos que se encuentran en proteoglucanos están constituidos de disacáridos repetitivos
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Los proteoglucanos son proteínas que contienen glucosaminoglucanos (GAG) enlazados de manera covalente (capítulo 15). Al menos 30 se han caracterizado y se les han dado nombres como sindecano, betaglucano, serglicina, perlecano, agrecano, versicano, decorina, biglucano, y fibromodulina. Las proteínas unidas de manera covalente a glucosaminoglucanos se llaman “proteínas centrales”. Los proteoglucanos varían en la distribución tisular, la naturaleza de la proteína central, los glucosaminoglucanos unidos, y su función; su aislamiento y caracterización han resultado difíciles, pero el uso de tecnología de DNA recombinante está empezando a proporcionar información importante acerca de sus estructuras. La cantidad de carbohidrato en un proteoglucano por lo general es mucho mayor que la que se encuentra en una glucoproteína y puede comprender hasta 95% de su peso. En las figuras 50-8 y 50-9 se muestra la estructura general de un proteoglucano particular, el agrecano, el principal tipo que se encuentra en el cartílago. Es muy grande (alrededor de 2 × 103 kDa) y su estructura general semeja la de un cepillo para botellas. Contiene una cadena larga de ácido hialurónico (un tipo de GAG) (capítulo 15), al cual proteínas de enlace están unidas de manera no covalente. A su vez, las proteínas de enlace interactúan de modo no covalente con moléculas de proteína centrales, a partir de las cuales se proyectan cadenas de otros GAG (en este caso, queratán sulfato y condroitín sulfato). En la exposición sobre cartílago (véase más adelante) se dan más detalles sobre esta macromolécula.
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Hay al menos siete GAG: ácido hialurónico (hialuronano), condroitín sulfato, queratán sulfatos I y II, heparina, heparán sulfato y dermatán sulfato. Los GAG son polisacáridos no ramificados constituidos de disacáridos repetitivos, un componente de los cuales siempre es un aminoazúcar (de ahí el nombre GAG), sea d-glucosamina o d-galactosamina. El otro componente del disacárido repetitivo (excepto en el caso del queratán sulfato) es un ácido urónico, sea ácido l-glucurónico (GlcUA) o su 5′-epímero, ácido l-idurónico (IdUa). Con la excepción del ácido hialurónico, todos los GAG contienen grupos sulfato, sea como O-ésteres o como N-sulfato (en la heparina y en el heparán sulfato). El ácido hialurónico también es excepcional porque parece existir como un polisacárido en la ECM, sin fijación covalente a proteína, como lo especifica la definición de un proteoglucano antes proporcionada. Ha resultado difícil trabajar tanto con los GAG como con los proteoglucanos, debido en parte a su complejidad. Empero, puesto que son componentes importantes de la ECM, tienen varias funciones biológicas importantes y están involucrados en diversos procesos mórbidos, el interés por ellos ha aumentado mucho en años recientes.
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La biosíntesis de glucosaminoglucanos comprende fijación a proteínas centrales, alargamiento de cadena y terminación de cadena
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Fijación a proteínas centrales
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El enlace entre GAG y sus proteínas centrales por lo general es de uno de tres tipos.
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Un enlace O-glucosídico entre la xilosa (Xil) y Ser, un enlace que es singular para los proteoglucanos; dicho enlace está formado por la transferencia de un residuo Xil a Ser desde la UDP-xilosa. A continuación se añaden dos residuos de Gal al residuo de Xil, lo cual forma un enlace trisacárido, Gal-Gal-Xil-Ser. El crecimiento adicional de cadena del GAG ocurre en la RAL terminal.
Se forma un enlace O-glucosídico entre GalNAc (N-acetilgalactosamina) y Ser (Tre) (figura 46-1A), presente en el queratán sulfato II. Este enlace se forma por donación a Ser (o Tre) de un residuo de GalNAc, usando UDP-GalNAc como su donante.
Un enlace N-glucosamina entre GlcNAc (N-acetil glucosamina) y el nitrógeno amida de Asn, como se encuentra en glucoproteínas N-enlazadas (figura 46-1B). Se cree que su síntesis comprende oligosacárido dolicol-PP.
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Las proteínas centrales se sintetizan en el retículo endoplasmático y ahí también se forman al menos algunos de los enlaces anteriores. Casi todos estos últimos pasos en la biosíntesis de cadenas de GAG, y sus modificaciones subsiguientes, ocurren en el aparato de Golgi.
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Alargamiento de cadena
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Azúcares nucleótido apropiados y glucosiltransferasas altamente específicas localizadas en el aparato de Golgi se emplean para sintetizar las cadenas de oligosacárido de los GAG. Aquí parece ser cierta la relación “una enzima, un enlace”, como sucede para ciertos tipos de enlaces que se encuentran en glucoproteínas. Los sistemas enzimáticos involucrados en el alargamiento de cadena tienen capacidad de reproducción de alta fidelidad de GAG complejos.
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Terminación de cadena
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Esto parece depender de 1) sulfación, particularmente en ciertas posiciones de los azúcares, y 2) la progresión de la cadena de GAG en crecimiento en dirección contraria al sitio de la membrana donde ocurre catálisis.
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Modificaciones adicionales
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Después de formación de la cadena de GAG suceden muchas modificaciones químicas, como la introducción de grupos sulfato en GalNAc y otras porciones, y la epimerización de GlcUA a residuos de IdUa. Las enzimas que catalizan la sulfación se designan sulfotransferasas y usan 3′-fosfoadenosina-5′-fosfosulfato (PAPS; sulfato activo) (capítulo 32) como el donante de sulfato. Estas enzimas situadas en el aparato de Golgi son altamente específicas, y enzimas separadas catalizan las sulfación en diferentes posiciones (p. ej., los carbonos 2, 3, 4 y 6) en los azúcares aceptores. Una epimerasa cataliza conversiones de residuos glucuronil en iduronil.
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Los proteoglucanos son importantes en la organización estructural de la matriz extracelular
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Los proteoglucanos se encuentran en todos los tejidos del organismo, principalmente en la ECM o “sustancia fundamental”; están asociados de maneras específicas uno con otro y con los otros componentes estructurales importantes de la matriz, colágeno y elastina. Algunos proteoglucanos se unen a colágeno y otros a elastina; estas interacciones son importantes en la determinación de la organización estructural de la matriz. Algunos proteoglucanos (p. ej., decorina) también pueden unirse a factores de crecimiento, como TGF-β, y modulan sus efectos sobre las células. Además, algunos de ellos interactúan con ciertas proteínas adhesivas, como fibronectina y laminina (véase antes), que también se encuentran en la matriz. Los GAG presentes en los proteoglucanos son polianiones y, por tanto, se unen a policationes y cationes como Na+ y K+. Esta última capacidad atrae agua por presión osmótica hacia la ECM y contribuye a su turgencia. Los GAG también forman gel a concentraciones relativamente bajas. Debido a la naturaleza extendida larga de las cadenas de polisacáridos de GAG y su capacidad para formar gel, los proteoglicanos pueden actuar como tamices, al restringir el paso de macromoléculas grandes hacia la ECM pero permitir difusión relativamente libre de moléculas pequeñas. De nuevo, debido a sus estructuras extendidas y los enormes agregados macromoleculares que a menudo forman, ocupan un volumen grande de la matriz en comparación con proteínas.
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Diversos glucosaminoglucanos muestran diferencias de estructura, y tienen distribuciones características y funciones diversas
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Los siete GAG antes nombrados difieren uno de otro en varias de las propiedades que siguen: composición de aminoazúcar, composición de ácido urónico, enlaces entre estos componentes, longitud de cadena de los disacáridos, la presencia o ausencia de grupos sulfato y sus posiciones de fijación a los azúcares constituyentes, la naturaleza de las proteínas centrales a las cuales están unidos, la naturaleza del enlace a proteína central, su distribución tisular y subcelular, y sus funciones biológicas.
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Ahora se comenta brevemente la estructura (figura 50-10), la distribución y las funciones de cada uno de los GAG. En el cuadro 50-6 se resumen las principales características de los siete GAG.
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El ácido hialurónico consta de una cadena no ramificada de unidades de disacárido repetitivas que contienen GlcUA y GlcNAc. Está presente en bacterias y se encuentra en la ECM de casi todos los tejidos animales, pero su concentración es en especial alta en tipos muy hidratados, como la piel y el cordón umbilical, y en el hueso, el cartílago, las articulaciones (líquido sinovial) y en el humor vítreo en el ojo, así como en tejidos embrionarios. Se cree que desempeña una función importante en permitir la migración celular durante la morfogénesis y la reparación de heridas. Su capacidad para atraer agua hacia la ECM desencadena aflojamiento de la matriz, lo cual ayuda a este proceso. Las concentraciones altas de ácido hialurónico junto con condroitín sulfatos presentes en el cartílago contribuyen a su compresibilidad (véase más adelante).
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Condroitín sulfatos (condroitín 4-sulfato y condroitín 6-sulfato)
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Los proteoglucanos enlazados al condroitín sulfato por el enlace Xil-Ser O-glucosídico son componentes prominentes del cartílago (véase más adelante). El disacárido repetitivo es similar al que se encuentra en el ácido hialurónico; contiene GlcUA, pero GalNAc reemplaza a GlcNAc. El GalNAc es sustituido con sulfato en su posición 4′ o 6′; alrededor de un sulfato está presente por cada unidad de disacárido. Los condroitín sulfatos tienen un papel importante en el mantenimiento de la estructura de la ECM. Se encuentran en sitios de calcificación en hueso endocondral y son un componente importante del cartílago. Se encuentran en cantidades altas en la ECM del sistema nervioso central y, además de su función estructural, se cree que actúan como moléculas señalizadoras en la prevención de la reparación de terminaciones nerviosas después de lesión.
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Queratán sulfatos I y II
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Los queratán sulfatos constan de unidades de disacárido Gal-GlcNAc repetitivas que contienen sulfato fijo a la posición 69 de GlcNAc u ocasionalmente de Gal (figura 50-10).
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El queratán sulfato I originalmente se aisló a partir de la córnea, mientras que el queratán sulfato II provino del cartílago. No obstante, los dos GAG difieren en sus enlaces estructurales a las proteínas centrales, y puesto que ahora se sabe que la distribución de los dos tipos no es específica para tejido la clasificación se basa en el enlace de proteína diferente. En el ojo, se encuentran entre fibrillas de colágeno, y desempeñan un papel crucial en la transparencia de la córnea. Los cambios de la composición de proteoglucano que se encuentran en cicatrices corneales desaparecen cuando la córnea cicatriza.
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El disacárido repetitivo heparina contiene glucosamina (GlcN) y uno de los dos ácidos urónicos (figura 50-11). Casi todos los grupos amino de los residuos de GlcN están N-sulfatados, pero algunos están acetilados. La GlcN también porta un sulfato fijo al carbono 6.
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Casi todos los residuos de ácido urónico son IdUa. Inicialmente, todos los ácidos urónicos son GlcUA, pero una 59-epimerasa convierte alrededor de 90% de los residuos de GlcUA en IdUa después de que se forma la cadena de polisacárido. La molécula de proteína del proteoglucano heparina es singular; consta exclusivamente de residuos de serina y glicina. Alrededor de dos terceras partes de los residuos de serina contienen cadenas de GAG, por lo general de 5 a 15 kDa, pero en ocasiones mucho más grandes. La heparina se encuentra en los gránulos de los mastocitos y en el hígado, los pulmones y la piel. Es un anticoagulante importante. Se une a los factores IX y XI, pero su interacción más importante es con antitrombina plasmática (capítulo 55). La heparina también puede unirse de manera específica a la lipoproteína lipasa presente en las paredes de capilares, y causa una liberación de esta enzima hacia la circulación.
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Esta molécula se encuentra en muchas superficies celulares como un proteoglucano, y es extracelular. Contiene GlcN con menos N-sulfatos que la heparina y, a diferencia de esta última, su ácido urónico predominante es GlcUA. El heparán sulfato está asociado con la membrana plasmática de células; sus proteínas centrales en realidad abarcan esa membrana. En ésta pueden actuar como receptores y pueden participar también en la mediación del crecimiento celular y la comunicación célula-célula. La fijación de células a su sustrato en cultivo está mediada al menos en parte por heparán sulfato. Este proteoglucano también se encuentra en la membrana basal de los riñones, junto con colágeno tipo IV y laminina (véase antes), donde desempeña una función importante en la determinación de la selectividad de carga de la filtración glomerular.
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Esta sustancia se encuentra ampliamente distribuida en tejidos animales. Su estructura es similar a la del condroitín sulfato, excepto que en lugar de un GlcUA en el enlace β-1,3 a GalNAc, contiene un IdUa en un enlace de α-1,3 a GalNAc. La formación del IdUa ocurre, como en la heparina y en el heparán sulfato, mediante el 5′-epimerización de GlcUA. Dado que esto se encuentra regulado por el grado de sulfación, y puesto que la asociación es incompleta, el dermatán sulfato contiene disacáridos tanto IdUa-GalNAc como GlcUA-GalNAc. El dermatán sulfato está ampliamente distribuido en los tejidos, y es el principal GAG en la piel. La evidencia sugiere que puede participar en la coagulación de la sangre, la reparación de heridas, y la resistencia a la infección.
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Los proteoglucanos también se encuentran en ubicaciones intracelulares, como el núcleo; no se ha elucidado su función en este orgánulo. Están presentes en algunos gránulos de almacenamiento o secretores, como los gránulos cromafines de la médula suprarrenal. Se ha postulado que desempeñan un papel en la liberación del contenido de esos gránulos. En el cuadro 50-7 se resumen las diversas funciones de los GAG.
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Las deficiencias de enzimas que degradan glucosaminoglucanos dan por resultado mucopolisacaridosis
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Tanto las exoglucosidasas como las endoglucosidasas degradan GAG. Al igual que casi todas las otras biomoléculas, los GAG están sujetos a recambio; son tanto sintetizados como degradados. En tejidos de adulto, los GAG por lo general muestran recambio relativamente lento; sus vidas medias son de días a semanas.
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La elucidación de las deficiencias de enzimas específicas que ocurren en ciertos errores congénitos del metabolismo ha ayudado mucho a entender las vías de degradación de GAG, como en el caso de las glucoproteínas (capítulo 46) y los glucoesfingolípidos (capítulo 24). Cuando las GAG están involucradas, estos errores congénitos se llaman mucopolisacaridosis (cuadro 50-8).
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La degradación de GAG es llevada a cabo por una batería de hidrolasas lisosomales, entre ellas se cuentan endoglucosidasas, exoglucosidasas y sulfatasas, que por lo general actúan en secuencia para degradar los diversos GAG. En el cuadro 50-8 se indican varias de ellas.
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Las mucopolisacaridosis (MPS) (cuadro 50-8) comparten un mecanismo causal común (figura 50-12). Por lo general se heredan de una manera autosómica recesiva; los síndromes de Hurler y de Hunter quizá son los más ampliamente estudiados. Ninguna es común; en general, estas enfermedades son crónicas y progresivas, y afectan múltiples órganos. Muchos pacientes muestran organomegalia (p. ej., hepatomegalia y esplenomegalia), anormalidades graves del desarrollo de cartílago y hueso, aspecto facial anormal, y retraso mental. Además, puede haber defectos de la audición, la visión y el sistema cardiovascular. Las pruebas diagnósticas incluyen análisis de GAG en muestras de orina o de biopsia de tejido; valoración de enzimas defectuosas sospechadas en leucocitos, fibroblastos o suero, y prueba para genes específicos. Ahora a veces es posible el diagnóstico prenatal usando células de líquido amniótico o muestras de biopsia de vellosidades coriónicas. En algunos casos, se obtiene un antecedente familiar de una mucopolisacaridosis.
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El término “mucolipidosis” se introdujo para denotar enfermedades en las que se combinaban características comunes tanto a mucopolisacaridosis como a esfingolipidosis (capítulo 24). En la sialidosis (mucolipidosis I, ML-I), diversos oligosacáridos derivados de glucoproteínas y ciertos gangliósidos se acumulan en los tejidos. En el capítulo 46 se describen la enfermedad de células I (ML-II) y la seudopolidistrofia de Hurler (ML-III). El término “mucolipidosis” se retiene porque aún está en uso clínico relativamente difundido, pero es inapropiado para estas dos últimas enfermedades porque el mecanismo de su causa comprende ubicación errónea de ciertas enzimas lisosomales. Los defectos genéticos del catabolismo de las cadenas de oligosacárido de glucoproteínas (p. ej., manosidosis, fucosidosis) también se describen en el capítulo 46. Casi todos estos defectos se caracterizan por excreción aumentada de diversos fragmentos de glucoproteínas en la orina, que se acumulan debido al bloqueo metabólico, como en el caso de las mucolipidosis.
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La hialuronidasa es una enzima importante involucrada en el catabolismo tanto del ácido hialurónico como del condroitín sulfato. Es una endoglucosidasa ampliamente distribuida, que divide enlaces hexosaminídicos. A partir del ácido hialurónico, la enzima generará un tetrasacárido con la estructura (GlcUAβ-1,3-GlcNAc-β-1,4)2, que puede ser más degradado por una β-glucuronidasa y β-N-acetilhexosaminidasa. Un defecto genético en la hialuronidasa causa MPS IX, un trastorno por almacenamiento lisosomal en el cual se acumula ácido hialurónico en las articulaciones.
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Los proteoglucanos se asocian con enfermedades importantes y con el envejecimiento
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El ácido hialurónico puede ser importante para permitir que células tumorales migren por la ECM. Las células tumorales pueden inducir a los fibroblastos para que sinteticen cantidades muy aumentadas de este GAG, lo que tal vez facilita su propia diseminación. Algunas células tumorales tienen menos heparán sulfato en su superficie y quizás esto se encuentre implicado en la falta de adhesividad que muestran estas células.
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La íntima de la pared arterial contiene ácido hialurónico y proteoglucanos condroitín sulfato, dermatán sulfato y heparán sulfato. De estos proteoglucanos, el dermatán sulfato se une a lipoproteínas de baja densidad plasmáticas. Además, el dermatán sulfato parece ser el principal GAG sintetizado por las células de músculo liso arteriales. Debido a que son estas células las que proliferan en las lesiones ateroscleróticas en arterias, el dermatán sulfato tal vez desempeñe un papel importante en la aparición de la placa aterosclerótica.
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En diversos tipos de artritis, los proteoglucanos pueden actuar como autoantígenos y contribuir así a las características patológicas de estas enfermedades. La cantidad de condroitín sulfato en el cartílago disminuye con la edad, mientras que las cantidades de queratán sulfato y ácido hialurónico aumentan. Estos cambios quizá contribuyan a la aparición de osteoartritis, al igual que la actividad aumentada de la enzima agrecanasa, que actúa para degradar el agrecano. Con el envejecimiento también se observan cambios de las cantidades de ciertos GAG en la piel, y ayudan a explicar los cambios característicos que se notan en este órgano en el anciano.
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Durante los años pasados, ha quedado claro que además de su papel estructural en la ECM, los proteoglucanos funcionan como moléculas señalizadoras que influyen sobre la conducta celular y ahora se cree que participan en diversas enfermedades, como la fibrosis, la enfermedad cardiovascular y el cáncer.