TEMA 5: BIOSINTESIS DE LAS PORFIRINAS Y DEL HEMO. 5.1. INTRODUCCIÓN Las porfirinas son compuestos tetrapirrólicos. El hemo es el grupo prostético de diversas proteínas, formando parte de enzimas, como catalasas o peroxidasas, y compuestos como el citocromo. El lugar de síntesis depende del compuesto: las porfirinas se sintetizan en la médula ósea, pero si el hemo va a formar parte de enzimas, ocurre en el hígado. El precursor de las porfirinas es la glicina, el compuesto se sintetiza por condensación de suscinil-CoA y glicina, es un proceso que comienza y termina en las mitocondrias.

5.2. SÍNTESIS DEL ANILLO PORFIRÍNICO Y DEL HEMO El suscinil-CoA reacciona con la glicina para formar el ácido δ-aminolebulínico (δALA), la enzima que cataliza esta reacción es la δALA sintasa junto con el PLP y como cofactor el magnesio. Esta enzima regula el proceso de síntesis del grupo hemo reprimiéndolo.

Ácido δ-aminolebulínico (δALA) 1. El δALA se transporta hasta el citoplasma, donde se condensa con otra molécula igual. La unión se realiza entre el grupo carbonnilo de la primera molécula y el grupo amino de la segunda molécula liberándose una molécula de agua. Así se forma el anillo pirrólico, el cuál consta de tres cadenas laterales: un propionilo, un acetilo y un metilamino. El compuesto resultante de la condensación de las dos moléculas se llama porfobilinógeno y la enzima que cataliza este proceso se conoce como porfobilinógeno sintasa. La porfobilinógeno sintasa se inhibe fácilmente en presencia de metales pesados como el plomo, de tal forma que si hay una intoxicación por plomo la concentración de δALA se verá incrementada. Para formar el anillo tetrapirrólico se necesitan la condensación de 4 moléculas de porfobilinógeno, y para formar cada porfobilinógeno 2 moléculas de δALA (siendo 8 en total) y se liberan 8 moléculas de agua por cada δALA formado. 2. La condensación de las 4 moléculas de porfobilinógeno por sus grupos amino libera 4 moléculas de amonio y los grupos pirrólicos quedan unidos por puentes de metileno. Para formar el compuesto porfirinico se tiene que dar una desaminación seguida de una ciclación dando lugar al uroporfirinógeno III, compuesto asimétrico ya que los grupos propionilo y acetilo del cuarto anillo pirrólico se encuentran invertidos respecto el resto. 3. Para la formación del uroporfirinógeno III se necesita la acción concertada de dos enzimas: la porfobirinogenodesaminasa y la uroporfobirinogeno III cosintasa. Si solo actúa la primera enzima se produce una desaminación formando preuroporfirinógeno que se cicla espontáneamente en uroporfirinógeno I, este compuesto es totalmente simétrico y no tiene ninguna función, aunque en

esta reacción se sintetiza en muy pequeñas cantidades como producto secundario. La uroporfirinógeno III cosintasa invierte uno de los anillos pirrólicos y cicla la molécula. 4. A continuación hay una descarboxilación de 4 grupos acetilo en 4 grupos metilo liberando 4 moléculas de CO₂ mediante la actuación de la uroporfirinógeno descarboxilasa, el compuesto resultante es el coprofirinógeno III que una vez sintetizado en el citoplasma se transporta a las mitocondrias. 5. En las mitocondrias se produce otra descarboxilación seguida de una oxidación que afecta a los grupos propionilo liberándose 2 moléculas de CO₂ tras su transformación en grupos vinilo. La enzima que cataliza esta reacción es la coprofirinógeno oxidasa (llamada anteriormente coprofirinógeno descarboxilasa) y el compuesto resultante el protoporfirinógeno IX. 6. El protoporfirinógeno IX se oxida por la protoporfirinógeno oxidasa transformando los puentes metileno de los anillos en puentes meteno, lo cual provoca una reestructuración de los dobles enlaces del anillo en un sistema de dobles enlaces conjugados. El compuesto resultante es la protoporfirina IV que tiene un color anaranjado característico de todos los compuestos que tienen el grupo hemo 7. Una vez que se ha formado el anillo de la protoporfirina, gracias a la acción de la ferroquelatasa se une el ión ferroso de manera coordinada a todos los anillos dando lugar a la ferroporfirina IX.

Las tres últimas enzimas de la formación del grupo hemo son mitocondriales y al igual que la primera, la sexta y séptima se encuentran ancladas en la membrana mitocondrial interna, mientras que la quinta enzima se encuentra en la matriz mitocondrial.

5.3. ALTERACIONES EN LA SÍNTESIS DEL HEMO El grupo hemo es el encargado de regular la síntesis de cadenas polipeptídicas con las que se une para formar hemoproteínas. Las alteraciones en estas síntesis dan lugar a enfermedades conocidas como porfirias, pueden ser producidas por alteraciones genéticas o por existencia de otras enfermedades, generalmente intoxicaciones. Dependiendo de la causa que las origine se clasifican en primarias o secundarias. 5.3.1. Porfirias primarias Alteraciones hereditarias, producidas por mutaciones genéticas que alteran las enzimas de la síntesis del hemo. Todas estas moléculas en condiciones normales se eliminan en pequeñas cantidades por la orina como las coproporfirinas (más abundantes en orina y heces) y las uroporfirinas. En las porfirias todas las enzimas de la síntesis del grupo hemo suelen aparecer aumentada su concentración en orina. Las porfirias primarias hacen que se acumulen los compuestos en el hígado o en los eritroblastos de la médula ósea. Las porfirias primarias se clasifican en eritropoyéticas, hepáticas o mixtas o según el lugar donde se depositen en fotocutáneas (piel), neurológicas (cerebro) o mixtas. Cuando las porfirias se descubrieron se clasificaron según a la edad en la que se producían las manifestaciones: eritropoyética o tarda. Una de las más conocidas es la porfiria eritropoyética congénita que se debe a un defecto en la síntesis de la uroporfirinógena III cosintasa que produce la acumulación de preuroporfirinógeno en los eritroblástos de la médula ósea. El preuroporfirinógeno se transforma en uroporfirinógeno I (los porfirinógenos se oxidan expontáneamente en presencia de luz y se transforman en porfirinas, excepto el protoporfirinógeno que se transforma en la protoporfirinógena por una vía enzimática. El uroporfibirinógeno se transforma en uroporfibirinógena I que aparece aumentada en orina. Los efectos de esta enfermedad son el color rojo que se aprecia en la orina, los fuertes problemas de fotosensibilidad en la piel, dientes con fluorescencia (bajo los efectos de la luz UV). Todo esto es causado por la absorción de la luz por parte de las porfirinas que destruye fácilmente los eritrocitos provocando una anemia severa, esta enfermedad se conoce como enfermedad de Günter y se transmite por herencia autosómica recesiva (el resto de porfirias lo hacen por herencia autosómica dominante), está asociada al vampirismo de leyendas medievales ya que se creía que se bebía sanger para combatir la anemia. El tratamiento se basa en la administración de hematina, que es un hidroxilo del grupo hemo que inhibe la síntesis de δALA y con él cesa la síntesis de porfirias. Otra forma de eliminación de las porfirias es por las heces o la administración oral de carbón en polvo como en la porfiria eritropoyética congénita y en la cutánea tarda. En la porfiria intermitente aguda la enzima afectada es la porfobirinógeno desaminasa o uroporfirinógena sintetasa, la deficiencia de esta enzima va acompañada de un aumento en la concentración de δALA que provoca un aumento en la concentración de porfobirinógeno en orina. Este compuesto se acumula en el hígado por lo que esta enfermedad produce dolores abdominales agudos que van acompañados de alucinaciones, parálisis y demencias (alteraciones neurológicas). Estos dolores abdominales agudos se incrementan con la administración de fármacos, etanol y alteraciones hormonales de la pubertad. La porfiria intermitente aguda no es muy frecuente pero para establecer su diagnóstico es importante tener en cuenta los dolores abdominales y los trastornos neurológicos. La porfiria cutánea tarda consiste en un déficit de la uroporfirinógeno III descarboxilasa la cual tiene una baja actividad en menos del 50% en el hígado y los eritroblastos. Se denomina tarda porque se manifiesta durante la vida adulta y está asociada a los virus del la hepatitis o el SIDA. El compuesto que se acumula es el uroporfirinógeno III que produce un aumento en la concentración de porfirinas en orina (tiene manifestaciones clínicas similares a la porfiria eritropoyética congénita).

Un ejemplo de porfirias mixtas puede ser la porfiria variegata mixta, que presenta una gran variedad de síntomas clínicos. La enzima afectada es la protoporfirinógeno oxidasa la cual aumenta la actividad de la δALA sintasa que aparece aumentada en orina al igual que el γaminolevulinato, el porfobilinógeno y las coproporfirinas. La acumulación del porfobirinógeno y el coproporfobirinógeno se elimina rápidamente por las heces, asique en su diagnóstico estos compuestos se tiene que buscar en la bilis. Otra porfiria menos conocida es la porfiria del sueño.

5.3.2. Porfirias secundarias Son alteraciones no genéticas de la síntesis del grupo hemo producidas por intoxicaiones que hacen que se incremente la concentración de los precursores de las porfirinas en orina, las porfirias secundarias también se conocen como porfirinurias o porfirinopatías. Las intoxicaciones son debidas al plomo, el cual inhibe la síntesis de δALA por la δALA sintasa, al igual que el etanol, la morfina o el éter. Hay fármacos como los barbiturocos y los anticombulsionantes que estimulan a la δALA sintasa agravando los ataques de las porfirias, esto se debe a que esos fármacos son inductores del sistema citocromo P-450 (sistema que contiene el grupo hemo), él cual su actividad disminuye el grupo hemo activando la δALA sintasa para generarlo activando la síntesis de las porfirinas. Aspecto importante a tener en cuenta para establecer el diagnostico de porfirias secundarias.

5.4 HEMOGLOBINOPATIAS

La hemoglobina se forma por la unión de cuatro cadenas polipeptídicas (2α y 2β), a un grupo hemo. La alteración en estas además produce hemoglobinopatías, que producen los distintos estados de deficiencias de glóbulos rojos. La síntesis del grupo hemos y de las cadenas se produce por separado. En la hemoglobinopatías una de las cadenas polipeptidicas tiene menos aminoácidos de los normal, esto se produce por la pérdida de los tripletes codonicos que codifican los aa’ que faltan. Otras Hb anormales tiene una de las cadenas más aa’ de lo habitual esto es debido a una mutación en el codón de terminación, a un cambio o desplazamiento de bases en los distintos codones o por la conservación de la metionina inicial (que debería desprenderse). Todas estas alteraciones lógicamente van a afectar seriamente a la estructura de la Hb y por lo tanto a su función, sin embargo, hay hemoglobinopatías que son producidas por mutaciones en los genes reguladores, esto hace que disminuya la velocidad de síntesis de alguna de las cadenas, por lo que con esto las hemoglobinopatías se clasifican en estructurales y en cuantitativas o talasemias. 5.4.1 Talasemias estructurales Las estructurales son muy variadas, hay multitud. Son producidas por la sustitución de un único aa’. Dependen del aa’ que se sustituya y de la posición de la cadena en la que se encuentra el aminoácido, porque las mutaciones que afectan a los aminoácido se encuentran en la superficie de la hemoglobina, disminuyen considerablemente su solubilidad, sin embargo las que afectan a los aminoácidos que se encuentran en el interior de la Hb van a alterar considerablemente su afinidad por el O, disminuyendola o aumentandola. O bien hacen que sean muy inestables Una de las hemoglobinopatias estructurales mas conocida, es la anemia falciforme que es producida por la formación de una Hb anormal, denominada HbS. Esta Hemoglobina tiene dos cadenas α normales y dos cadenas β anormales. Esta anormalidad de las cadenas beta se debe a la sustitución del glutamato que se encuentra normalmente en posición 6 de las cadenas beta se sustituye por valina y la sustitución de este aa’ da lugar a la HbS que disminuye considerablemente su solubilidad ya que el glutamato es muy polar y la valina es apolar. Este cambio en la solubilidad solo se produce cuando se encuentra cuando se encuentra en estado desoxigenado, en la desoxiHbS. La característica de esta enfermedad es que los eritrocitos de la persona que la padece adoptan una forma de media luna o forma en hoz(a lo que debe su nombre en inglés ¨sickle¨=hoz). La deformación de los eritrocitos se debe a que en estado desoxigenado la sustitución de este

aminoácido da lugar a la aparición de una zona de adhesión complementaria. En este estado de conformación T, la valina (posición 6) que se encuentra en el exterior de la superficie, interacciona muy fácilmente con un residuo de Phe y Val de las cadenas beta de otra molécula de desoxiHbS adyacente. Sin embargo cuando la Hb se encuentra en el estado conformacional R (oxigenado), estos residuos se encuentran encerrados en la molécula. Esta interacción de moléculas de Hb S entre sí, da lugar a la formación de grandes filamentos y estos a su vez forman haces de fibras. Que son los que van a formar a los eritrocitos. Este proceso de polimerización se conoce como drepanocitosis. Por esto a esta enfermedad se le conocía como drepanocitosis.

Estos eritrocitos falciformes presentan una alteración en los componentes de sus membranas con lo cual se destruyen normalmente, el cuadro clínico es una anemia muy grave, pero por otra parte esto eritrocitos falciformes tienden a obstruir los capilares con lo cual dificultan el flujo sanguíneo e impiden la correcta liberación de oxígeno a los tejidos. De esta forma disminuye la presión de oxígeno, se deforman más eritrocitos se expande la zona de mala circulación lo que va a dar lugar a una inflamación de los tejidos que producen dolores muy agudos y por lo tanto deformaciones tisulares y todo ello va a acompañado por la aparición de infecciones.

Es muy abundante en África en las zonas tropicales. En estas zonas es muy abundante el paludismo, formado por parásito de la malaria (Plasmodium falciparum). Esta enfermedad, sólo se manifiesta en estado homocigótico, porque en estado heterocigótico, se sintetiza una mezcla de Hb A y de Hb S con lo cual disminuye el riesgo de padecer la enfermedad. Estas personas no presentan síntomas pero tienen el rasgo falciforme. Y tienen la ventaja que los heterocigóticos para la anemia falciforme son muy resistentes al paludismo. Los eritrocitos deformados de estas personas pierden potasio y este es fundamental para la supervivencia del parásito dentro de los eritrocitos. Si no hay potasio no sobrevive el parásito, lo que les da la resistencia al paludismo.

Las talasemias son producidas porque las cadenas polipeptidicas se sintetizan en menor proporción, esto hace que disminuya considerablemente la concentración de Hb y que disminuya el volumen de los eritrocitos. Por r lo tanto el cuadro característico de estas talasemias es de una anemia microcitica e hipocromica.

5.4.2 Talasemias Las talaxemias, de las hemoglobinopatías son producidas porque las cadenas polipeptídicas se sintetizan en menor proporción lo que hace que disminuya considerablemente la concentración de Hb y el volumen de los eritrocitos. El cuadro característico de las talaxemias es de una anemia hipocrómica y microcítica. Depende si la mutación afecta a la síntesis de cadenas α (αtalasemias) o de cadenas β (β-talasemias). Las talasemias se clasifican dependiendo de la cadena afectada en alfa y beta talasemias y dentro de cada grupo existen formas en las que la síntesis de la cadena afectada es nula, denominándose estas formas con beta cero y alfa cero talasemias; cuando la cadena está en menor proporción las talasemias se llaman alfa y beta más. - Si se disminuye parcialmente la síntesis: α+, β+ talasemias. - Si existe una ausencia total de la cadena afectada: α0, β0 talasemias. También se clasifican de acuerdo a su estado de gravedad, los más graves se conocen como talasemia mayor, la anemia es muy grave y es totalmente dependiente de transfusiones sanguíneas, hepatoesplenomegalia (aumento del tamaño del hígado y el bazo), además la médula se expande para combatir la anemia y esto produce deformaciones en la cara y el cráneo. Cuando el estado es menos grave recibe el nombre de intermedia y generalmente en estos casos no hay necesidad de transfusiones y en heterocigoticos no tiene manifestación clínica. Por último cuando no presentan síntomas se llaman talasemias menores o rasgo talasemias. Las más importantes son las alfa talasemias, porque existen dos copias de los genes de las cadenas alfa, lo que significa que hay dos alelos por cromosoma, o sea cuatro genes diferentes, sin embargo, para las cadenas beta solo hay dos genes. Las formas más graves dentro de las alfa talasemias es cuando afectan a 3 o 4 de los genes. En estos casos hay un exceso de cadenas beta pero un déficit marcado de las alfa, con lo cual las β forman agregados entre sí formando tetrámeros β4, a esta hemoglobina se le conoce como HbH. Cuando están afectados los cuatro genes de las cadenas alfa, las cadenas gamma de la Hb fetal no puede hacer dimeros con las Hb alfa, hacen tetrámeros entre sí, cuatro cadenas gamma y esta hemoglobina se denomina Hb de Bart. Estas como tienen las 4 cadenas iguales no presentan cooperatividad por lo que tienen una fuerte afinidad por el oxígeno, lo que produce una fuerte hipoxia, que lleva a la muerte del feto en el útero materno o justamente después de nacer. La mas grave es la beta talasemia, en la cual hay un exceso de cadenas alfa y déficit de cadenas beta, por eso el cuadro característico de las talasemia beta mayor es un fuerte descenso en la Hb A y un aumento de la Hb F. Como no hay cadenas beta las cadenas gamma no se pueden sustituir por las beta por eso existe hemoglobina fetal en la vida adulta. Esta enfermedad es la que tenía el hermano del primer niño que nació por selección genética en España. La reproducción asistida permite la cura de muchos niños con muchas enfermedades.