Nucleótidos y ácidos nucleicos 2: El ADN y ARN

3. El ADN

3.1 Las moléculas de ADN tienen diferente composición de bases

La composición de las bases en el ADN está sujeta a las reglas de Chargaff:

1. La composición de las bases del AND varía de un sujeto a otro.
2. El ADN dentro de un sujeto es igual en todos los tejidos.
3. La composición del ADN no varía con la edad, ni con su estado nutricional, ni con las variaciones ambientales.
4. En todas las especies la cantidad de adenina es igual a la de timina (A=T), y también (G=C). Por tanto A+G=T+C, es decir, la suma de los residuos de purinas es igual a la suma de residuos de pirimidinas.

La estructura del ADN fue descubierta por James Watson y Francis Crick en 1953. Se trata de dos cadenas de polinucleótidos enrolladas alrededor de un eje común formando una doble hélice. Las dos cadenas son antiparalelas con enrollamiento dextrógiro y presentan dos surcos, el mayor y el menor. Hay que tener en cuenta que las bases están orientadas hacia el centro de la hélice, y las pentosas y los fosfatos hacia el exterior. Cada base está unida por puentes de hidrógeno (apareamiento de bases complementarias) a una hebra opuesta (par de bases).

La molécula de ADN se mantiene unida por los enlaces de hidrógeno. Entre G y C se forman tres enlaces, mientras que entre A y T sólo dos. Un ADN que tenga más G y C será más difícil de separar.

3.2 El ADN puede adoptar distintas formas tridimensionales

La estructura “típica” que se estudia normalmente (la descubierta por Watson y Crick) es denominada forma B. Es la forma más estable del ADN.

La forma A predomina en disoluciones pobres en agua. Se trata de una hélice dextrógira pero más gruesa y con 11 pares de bases por vuelta (10,5 en forma B). El plano de las pares de bases tiene una inclinación de 20º con respecto al eje de la hélice. El surco mayor es más profundo y el surco menor es más superficial.

La forma Z es una hélice levógira que contiene 12 pares de bases por vuelta. Es una estructura más delgada y alargada.

4.  Estructura y función del ARN

El ARN se produce al transcribir ADN, es decir, el ARN es complementario. Posteriormente el ARN es traducido a la secuencia correspondiente de aminoácidos que formarán una proteína. Hay varios tipos de ARN:

• ARN ribosómino (ARNr): Es el componente principal de los ribosomas y tienen un papel catalítico y estructural en la síntesis de proteínas. Los ribosomas están formados por dos subunidades (mayor y menor) que, para analizarlas, se separan por ultracentrifugación. El movimiento de una partícula en esta técnica se caracteriza por un coeficiente de sedimentación que se expresa en unidades Sverdberg (S). Los ribosomas eucarióticos tienen un coeficiente de sedimentación de 80S, y la subunidad grande y pequeña 60S y 40S respectivamente.
• ARN de transferencia (ARNt): Es muy pequeño y consta de solo una cadena. Su función es transportar los aminoácidos en forma activada hacia el ribosoma. En el ARNt se forman puentes de hidrógeno entre bases igual que en el ADN, pero la timina se sustituye por el uracilo. En su estructura se puede apreciar un brazo del anticodón que contiene el anticodón, un brazo D que contiene dihidrouridina (D), y el brazoT ΨC (brazo T) que contiene ribotimina y pseudouridina.

• ARN mensajero (ARNm): Es el menos abundante y su función es ser el molde para la síntesis de proteínas. El ARNm es complementario al mensaje genético contenido en un segmento específico del ADN. En eucariotas inicialmente está formado por ARN nuclear heterogéneo con largos intrones que al ser eliminados dan ARNm.
• ARN pequeño nuclear (ARNpn): Se encuentra en el núcleo de las células eucariotas y su función es contribuir al procesamiento del ARNm que se transcribe del ADN para dar una forma madura que se pueda exportar del núcleo. Es necesario porque en eucariotas la transcripción se produce en el núcleo, pero la traducción en el citosol.

Nucleótidos y ácidos nucleicos 1: Los nucleótidos

Los nucleótidos participan en numerosas funciones celulares: funciones de oxidorreducción, transferencia de energía, señales intracelulares y reacciones de biosíntesis. Además constituyen el ADN y ARN.

2. Los nucleótidos

Las funciones de los nucleótidos son:

• Transmisión de energía (ATP)
• Señales químicas (AMPc)
• Componentes de coenzimas e intermediarios metabólicos (NAD⁺…)
• Constituyentes de ADN y ARN

2.1 Nucleósidos y nucleótidos

2.1.1 Composición química y estructura

Los nucleótidos están compuestos por una base nitrogenada, una pentosa y un grupo fosfato.

Las bases nitrogenadas derivan de la purina o pirimidina. Las bases púricas son la adenina (A), y la guanina (G), ambas presentes en ADN y ARN. Las bases pirimidínicas son la citosina (C), uracilo (U) y timina (T). La T aparece sólo en el ADN y el U sólo en el ARN.

Las bases nitrogenadas se unen a las pentosas por enlace N-glucosídico con el C-1 de la pentosa. En el ADN la pentosa es la 2-desoxi-D-ribosa y en el ARN la D-ribosa.

En cuanto al grupo fostato, se une al C-5 de la pentosa normalmente. La unión de base con pentosa y grupo fosfato da una estructura llamada nucleósido.

Hay que tener en cuenta que el ADN y ARN pueden tener bases nitrogenadas derivadas de las mencionadas (por metilación) o bases nuevas.

2.2 Los nucleótidos de los ácidos nucleicos están unidos por enlaces fosfodiester

Los nucleótidos se pueden unir a otros para formar ADN y ARN. La unión se realiza entre el grupo –OH de grupo fosfato del C-5 con el –OH de la siguiente pentosa en el C-3. Así se obtiene una zona con un residuo terminal en C-5 que no está unido a otro nucleótido (extremo 5’) y otro residuo terminal que no tiene unido otro nucleótido en C-3 (extremo 3’).

Proteínas 2: Principales funciones de las proteínas

Tienen funciones diversas como estructurales (colágeno), transporte y almacenamiento (hemoglobina), participación en la contracción muscular (actina y miosina), defensa del organismo (inmunoglobulinas) y también recaptación y transmisión de señales (Vía JAK/STAT). Además, hay proteínas con función catalítica (enzimas).

En la mayoría de los casos, la función de las proteínas depende de la interacción reversible con moléculas (ligandos). Al interaccionar con el ligando, la estructura terciaria de la proteína cambia, lo que puede desencadenar efectos fisiológicos al modificarse la actividad de dicha proteína. La unión del ligando a la proteína se produce en los sitios de fijación o de unión.

2.1 Una proteína fibrosa con función estructural: el colágeno

El colágeno es la proteína con función estructural más abundante en vertebrados. Existen varios tipos siendo el I el más abundante.

2.1.1 La molécula de colágeno tiene estructura triple hélice

La molécula tiene una estructura triple hélice dextrógira formada por cadenas individuales denominadas cadenas α. Cada cadena tiene una estructura secundaria de hélice levógira sin puentes de hidrógeno intracatenarios. La estructura cuaternaria del colágeno se estabiliza con puentes de hidrógeno entre cadenas α y por entrecruzamiento covalente. Las zonas terminales (telopéptidos) carecen de estructura triple hélice y son esenciales para la formación de fibrillas en algunos tejidos.

Tiene un elevado contenido en glicina (Gly), prolina (Pro), hidroxiprolina (Hyp) e hidroxilisina (HyLys). La presencia de una Gly cada tres aminoácidos es necesaria para que las tres cadenas se puedan empaquetar de forma densa. La importancia de este aminoácido se evidencia por ejemplo en la osteogénesis imperfecta. En cuanto a la Pro y Hyp limitan la rotación de la cadena y le proporcionan la estructura secundaria helicoidal. La Hyp es catalizada por la prolil hidroxilasa que precisa la vitamina C como coenzima. Este aminoácido es necesario para la formación de puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo y el agua.

La hidroxilisina permite la formación de los entrecruzamientos covalentes intramoleculares e intermoleculares de las moléculas de colágeno.

En cuanto a las enfermedades asociadas a alteraciones genéticas o metabólicas del colágeno tenemos:

• Osteogénesis imperfecta: Una mutación da como resultado cadenas α donde faltan 84 aminoácidos. Las cadenas cortas sea asocian con las normales, formando una triple hélice defectuosa que es degradada. Existen otros tipos donde la Gly es sustituida por otro aminoácido, dando también una cadena inestable.
• Escorbuto: La deficiencia de colágeno se debe a falta de ácido ascórbico (vitamina C) necesario para la activación de dos hidroxilasas que catalizan la hidroxilación de los residuos de Pro y Lys. Esto también produce hélices inestables que son degradadas en el interior de la célula.
• Latirismo: Enfermedad inducida por la ingesta de semillas de la planta Lathyrus odoratus (guisante dulce) que contiene un β-aminopropionitrilo que actúa como inhibidor irreversible de la enzima lisil oxidasa requerida en la primera etapa de oxidación que lleva a la formación de los entrecruzamientos de las moléculas de colágeno.

2.1.2 Las moléculas de colágeno se pueden asociar formando fibras

En los colágenos tipo I, III, V y XI las unidades se reagrupan formando estructuras macromoleculares. Las moléculas de colágeno se disponen en líneas paralelas en forma de escalera (ver imagen) de forma que no existe conexión entre sus extremos (separados por 400 Amstrong). La disposición se obtiene por superposición de las zonas apolares e ionizables de moléculas contiguas entre las que se establecen fuerzas de atracción no covalentes (hidrofóbicas y electrostáticas).

Los enlaces covalentes son los responsables de las diferencias físico-químicas de los colágenos de los diferentes tejidos y de los cambios que se aprecian durante el envejecimiento. La primera etapa para la formación de estos enlaces es la oxidación de grupo amino de la cadena lateral de un residuo de Lys que se transforma en un grupo aldehído (residuo oxidado se denomina alisina).

2.1.3 El colágeno se sintetiza como procolágeno

El principal tipo de colágeno en mamíferos es el tipo I y su síntesis se realiza en los fibroblastos y osteoblastos. El proceso comienza en el retículo endoplasmático rugoso y finaliza en el aparato de Golgi, donde se forma el procolágeno. Esta molécula contiene unas zonas globulares en los extremos C y N terminales (propéptidos) que impiden que las moléculas se asocien formando fibras en el interior de la célula. Los propéptidos se eliminan fuera de la célula.

Hay que mencionar que las enzimas que se encargan de degradar el colágeno se denominan colagenasas.

2.2 Una proteína globular con estructura cuaternaria que une ligandos específicos: la hemoglobina

La hemoglobina se encarga de transportar el oxígeno en la sangre, pero también el CO₂ y los H⁺. Se trata de una proteínas esférica compuesta por 4 subunidades (2 cadenas α y 2 cadenas β). Cada subunidad cuenta con un grupo prostético hemo, con capacidad para fijar un oxígeno. Esta unión produce un cambio en la estructura cuaternaria de la proteína, que pasa de una forma denominada T a una forma R (presenta mayor afinidad por el oxígeno). Esto es lo que provoca que las posteriores moléculas de oxígeno se unan con mayor facilidad a la hemoglobina. El equilibrio entre las formas T y R permite controlar el transporte de gases por el organismo. Este equilibrio está controlado por la concentración de H⁺, que si aumentan inducen a la molécula de hemoglobina a desprenderse del oxígeno.

La reacción inversa se produce en los tejidos que necesitan oxígeno, ya que el intenso metabolismo provoca un aumento en el ácido láctico y por lo tanto de H⁺. De este modo se libera el oxígeno en los tejidos que lo necesitan y además, la hemoglobina actúa como un sistema tampón.

En el efecto Bohr ocurre lo contrario a lo anterior y consiste en pasar de forma T a R cuando la Hb capta oxígeno en los pulmones. Este efecto es de gran importancia fisiológica.

2.3 Las inmunoglobulinas tienen función de defensa gracias a uniones específicas

Las inmunoglobulinas (Ig) son producidas por los linfocitos B para combatir antígenos extraños. El mecanismo explicado de forma sencilla consiste en marcar estas moléculas extrañas para que otras células (linfocitos T), las reconozcan y destruyan.

Para que comience la síntesis de Ig, debe existir una molécula antigénica. Esta molécula contiene unas porciones denominadas epítopos capaces de desencadenar la producción de anticuerpos y la respuesta del sistema inmune. Las Ig son glucoproteínas compuestas por dos cadenas ligeras (L) y dos cadenas pesadas (H) que se asocian formando una estructura en forma de Y (en el caso de Ig G) que se mantiene por fuerzas no covalentes y puentes disulfuro intercatenarios. Al tener las 4 cadenas la misma orientación, los extremos N-terminales se encuentran próximos. Los extremos C-terminales se denominan dominios constantes al tener secuencias semejantes en todos los antígenos, mientras que los extremos N-terminales se denominan dominios variables y son específicos para unirse a cada antígeno. La unión se produce mediante interacciones no covalentes (Van der Waals, puendes de hidrógeno…) con el antígeno y se producen cambios conformacionales en la proteína.

Esclerosis múltiple 2: Diagnóstico y tratamiento

4. Diagnóstico

No se dispone de un método definitivo para diagnosticar la EM. Se exige documentar dos o más episodios de síntomas y dos o más signos que reflejen alteración en los fascículos de sustancia blanca anatómicamente no vecinos del SNC. Las pruebas que se realizan son:

Resonancia magnética: en más del 95% de los individuos se detectan anomalías características. Hay un incremento en la permeabilidad vascular por interrupción de la barrera hematoencefálica, que se identifica por la fuga del gadolinio intravenoso al interior del parénquima cerebral.

Potenciales evocados: Permite conocer la función en las vías aferentes o eferentes. En el 80-90% de los pacientes con EM se identifican anomalías.

LCR: hay pleocitosis de mononucleares y mayor concentración de IgG sintetizada de forma intratecal.

Hay que pensar que existe otra patología y no la EM si:

• Los síntomas se localizan exclusivamente en la fosa posterior, unión cranocervical o la médula espinal.
• El paciente tiene <15 o >60 años.
• El trastorno clínico avanza desde el comienzo.
• La persona nunca experimentó síntomas de la vista, sensitivos o de la vejiga.
• Los estudios diagnósticos son atípicos. 

5. Tratamientos modificadores contra formas recurrentes de EM

Inicialmente, los ataques agudos se tratan con glucocorticoides como la metilprednisolona endovenosa a dosis de 500 a 1000 mg/día durante 3-5 días. Pero nos vamos a centrar en los tratamientos modificadores de la enfermedad:

Interferón beta

Es útil debido sus propiedades inmunomoduladoras como:

• Expresión minusreguladora de moléculas de MHC en las células presentadoras del antígeno.
• Reducción de los valores de citocinas proinflamatorias e incremento de las citocinas reguladoras.
• Inhibición de la proliferación de linfocitos T.
• Limitación del movimiento de células inflamatorias en el SNC.

En definitiva, este compuesto reduce la tasa de ataques y mejora los marcadores de gravedad de la enfermedad.

Acetato de glatirámero

Su mecanismo de acción es el siguiente: 

• Inducción de células T supresoras del antígeno.
• Unión a moléculas de MHC y con ello desplazamiento de proteína básica de mielina fijada.
• Alteración del equilibrio entre citocinas proinflamatorias y reguladoras. 

Natalizumab

Evita que los linfocitos traspasen la barrera hematoencefálica y entren al sistema nervioso central. Es altamente efectivo (más que el resto de fármacos) para reducir el índice de ataques. Sin embargo, la leucoencefalopatía multifocal progresiva, una enfermedad que pone en riesgo la vida por infección del virus de John Cunningham se ha presentado en casi el 0,3% de los pacientes tratados con natalizumab. Este tratamiento solo se puede usar 12 meses si tienes anticuerpos contra ese virus, ya que el riesgo de la leucoencefalopatía aumenta al 0,6% en su presencia.

Fingolimod

Impide la salida de linfocitos desde los órganos linfoides secundarios e inhibe su tránsito al SNC.

Dimetilfumarato

Parece tener efectos antiinflamatorios a través de la modulación de la expresión de citocinas proinflamatorias y antiinflamatorias.

Teriflunomida

Ejerce efectos antiinflamatorios al restringir la proliferación de los linfocitos T y B en rápida proliferación.

Clorhidrato de mitoxantrona

Ejerce acción antineoplásica de diferentes maneras: 

• Se intercala en el ADN y produce roturas bicatenarias y enlaces cruzados intercatenarios.
• Interfiere en la síntesis de ARN.
• Inhibe la topoisomerasa II, que participa en la reparación del ADN.

Alemtuzumab

Causa agotamiento de linfocitos T y B y cambia la composición de los subgrupos de linfocitos.

6. Tratamientos modificadores contra EM progresiva

Esclerosis múltiple progresiva secundaria: es probable que las dosis altas de interferón beta ejerzan un efecto beneficioso.

Esclerosis múltiple progresiva primaria: ningún tratamiento ha demostrado convincentemente que modifique el curso de este tipo de EM.

7. Tratamiento experimentales

En numerosos estudios clínicos se incluyen tratamientos como: 

• Anticuerpos monoclonales dirigidos contra CD20 para disminuir el número de linfocitos B y contra los receptores de IL-2.
• Antagonistas selectivos del receptor S1P para secuestrar linfocitos en los órganos linfoides secundarios.
• Estriol para inducir un estado similar al embarazo.
• Moléculas para favorecer la remielinización.
• Trasplante de médula ósea.

Esclerosis múltiple 1: Patogenia y manifestaciones clínicas

La esclerosis múltiple (EM) es una enfermedad crónica caracterizada por la tríada de inflamación, desmielinización y gliosis y, pérdida neuronal. La evolución clínica puede variar desde una enfermedad benigna hasta una alteración de rápido avance e incapacitación.

1. Patogenia

En las nuevas lesiones se pueden apreciar células mononucleares, particularmente células T y macrófagos, que infiltran la sustancia blanca. También infiltran el SN una pequeña cantidad de linfocitos B. En las vainas de mielina en degeneración se encuentran autoanticuerpos específicos contra dicha sustancia. Hay que destacar que a pesar de que los oligodendrocitos sobreviven, no se diferencian en células maduras productoras de mielina. Para explicar cómo actúan los anticuerpos hay que mencionar la proteína básica de la mielina, una proteína intracelular que participa en la compactación de la mielina. Ésta proteína es un antígeno importante de los linfocitos T (teoría de laboratorio).

Conforme evolucionan las lesiones existe proliferación prominente de astrocitos (gliosis). Aunque es típico que no haya daño de los axones, puede aparecer daño parcial o total de estos, debido a lesiones fuertemente inflamatorias. Se debe tener en cuenta que en cada nueva lesión de EM puede haber daño en los axones; la pérdida acumulativa de éstos parece la causa principal de incapacidad neurológica progresiva e irreversible. La muerte axónica y neuronal puede ser consecuencia de excitotoxicidad mediada por glutamato, lesión oxidativa, acumulación de hierro, insuficiencia mitocondrial o combinación de éstas.

Por tanto, el fenómeno desmielinizante a menudo causa bloqueo de conducción temporal hasta que los conductos de sodio se redistribuyen en el axón desnudo.

La EM es tres veces más frecuente en mujeres que en hombres. Normalmente, la edad de inicio se sitúa entre los 20 y 40 años. La prevalencia ha aumentado de manera impresionante en algunas regiones del mundo. Los factores de riesgo que pueden influir en ello son:

• Deficiencia de vitamina D: por los efectos inmunorreguladores puede explicar el inicio de la EM.
• Exposición al virus Epstein-Barr: hay relación demostrada, pero no se sabe porqué.
• Tabaquismo: debido a que los pulmones son un sitio crítico de la activación de los linfocitos T patógenos causantes de la desmielinización autoinmunitaria.
• Sodio elevado por la dieta: activa los linfocitos T patógenos. Esto explica el aumento en la prevalencia de la EM en países occidentales.

En cuanto a los genes, se han identificado casi 110 variantes de susceptibilidad para la EM, pero cada uno con un riesgo muy pequeño de causar enfermedad. Un ejemplo es el gen receptor de interleucina (IL) 7 (CD127).

En cuanto al pronóstico, solamente el 20% no tendrán limitaciones funcionales a los 15 años del inicio. Los pacientes con ataxia del tronco, temblor con la actividad, síntomas piramidales o enfermedad de evolución progresiva tienen mayor probabilidad de sufrir incapacidad. La muerte como consecuencia de la EM es poco frecuente.

2. Manifestaciones clínicas y tratamiento de los síntomas

La EM puede comenzar de forma repentina o insidiosa. Las manifestaciones son muy variadas y dependen de donde se localicen las lesiones. A continuación te muestro los síntomas (algunos) que pueden aparecer y de forma muy breve algún tratamiento.

• Debilidad de las extremidades: se manifiesta como pérdida de la potencia o de la destreza, fatiga o trastornos de la marcha.
• A veces mejora con los antagonistas de conductos de calcio.
• Espasticidad: espasmos musculares espontáneos e inducidos por movimiento.
• Puede mejorar con fisioterapia y diazepam.
• Neuritis óptica: incluye disminución de la agudeza visual, penumbra visual o menor percepción del color en el campo central de la visión.
• Visión borrosa: puede ser causada por la neuritis óptica o diplopía (en este caso se resuelve con la oclusión de un ojo).
• Diplopía: puede ocurrir a causa de oftalmoplejía internuclear (dificultad para la aducción de un ojo) o de parálisis del sexto par craneal.  
• Síntomas sensitivos: incluyen parestesias, hipestesia y dolor en más del 50% de los pacientes.
• El dolor se trata con anticonvulsivos, antidepresivos o con antiarrítmicos (mexiletina).
• Ataxia: se manifiesta como temblores cerebelosos.
• A menudo es intratable. Es útil el clonazepam.
• Disfunción vesical: presente en más del 90% de los pacientes.
• Es útil la restricción de líquidos durante la noche o la micción voluntaria. Un fármaco usado es la oxibutinina. Como hay riesgo de infección de vías urinarias se aconseja acidificar la orina con jugo de arándano o vitamina C.
• Estreñimiento: en el 30% de los pacientes.
• Se recomiendan dietas ricas en fibra vegetal y abundantes líquidos.
• Disfunción cognitiva: puede incluir amnesia, disminución de la atención, lentitud en el procesamiento de la información…
• Pueden resolverse con clorhidrato de donepezilo.
• Depresión: en el 50% de los pacientes.
• Se trata con inhibidores de la recaptación de la serotonina, antidepresivos tricíclicos y no tricíclicos.
• Fatiga: es la razón más frecuente para la incapacidad laboral y se encuentra presente en más del 90% de los pacientes.
• Disfunción sexual: se puede manifestar con disminución de la libido, menor lubricación vaginal…
• Se recomienda el uso de lubricantes.
• Debilidad facial: consecuencia de la lesión en la protuberancia anular.
• Vértigo: por lesiones en el tronco del encéfalo.
• Sensibilidad al calor.
• Mejora a veces si se evita el calor.
• Síntoma de Lhermitte: sensación similar a un choque eléctrico.
• Síntomas paroxísticos.
• Mejoran con dosis pequeñas de anticonvulsivos.
• Neuralgia del trigémino, espasmo hemifacial y neuralgia del glosofaríngeo.
• Miocimia facial. 

3. Evolución de la enfermedad

Se han descrito cuatro tipos de EM:

• Esclerosis múltiple recidivante/remitente: comprende el 85% de los casos de EM al inicio y se caracteriza por ataques discretos con evolución de días o semanas.
• Esclerosis múltiple progresiva secundaria: comienza de la misma forma que la anterior, pero en un punto de la enfermedad aparece deterioro continuo (no con ataques).
• Esclerosis múltiple progresiva primaria: no hay ataques, sino que desde el principio el deterioro es constante.
• Esclerosis múltiple progresiva/recidivante: una mezcla de enfermedad de deterioro continuo con ataques.