Cardiolipina
Cardiolipina

Estructura química general de las cardiolipinas, donde R 1 -R 4 son cadenas variables de ácidos grasos.
Nombres
Nombre IUPAC
1,3-bis(sn-3'-fosfatidil)-sn-glicerol
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
  • Imagen interactiva
EBICh
  • CHEBI:28494
Banco de medicamentos
  • DB03429 específicamente cardiolipina tetraestearoil
BARRIL
  • C05980
  • OC(COP(O)(=O)OC[C@@H](COC([*])=O)OC([*])=O)COP(O)(=O)OC[C@@H](COC([*])=O)OC([*])=O
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para los materiales en su estado estándar (a 25 °C [77 °F], 100 kPa).
Compuesto químico

La cardiolipina (nombre IUPAC 1,3-bis( sn -3'-fosfatidil)-sn - glicerol , " sn " designa la numeración estereoespecífica ) es un componente importante de la membrana mitocondrial interna , donde constituye alrededor del 20% de la composición lipídica total. También se puede encontrar en las membranas de la mayoría de las bacterias . El nombre "cardiolipina" se deriva del hecho de que se encontró por primera vez en corazones de animales. Fue aislada por primera vez del corazón de res a principios de la década de 1940 por Mary C. Pangborn . [1] En las células de mamíferos, pero también en las células vegetales, [2] [3] la cardiolipina (CL) se encuentra casi exclusivamente en la membrana mitocondrial interna, donde es esencial para la función óptima de numerosas enzimas que participan en el metabolismo energético mitocondrial.

Estructura

Cardiolipina en tejidos animales

La cardiolipina (CL) es un tipo de lípido difosfatidilglicerol . Dos grupos de ácido fosfatídico se conectan con una cadena principal de glicerol en el centro para formar una estructura dimérica. Por lo tanto, tiene cuatro grupos alquilo y potencialmente lleva dos cargas negativas. Como hay cuatro cadenas de alquilo distintas en la cardiolipina, el potencial de complejidad de esta especie de molécula es enorme. Sin embargo, en la mayoría de los tejidos animales, la cardiolipina contiene cadenas de alquilo graso de 18 carbonos con 2 enlaces insaturados en cada una de ellas. [4] Se ha propuesto que la configuración de la cadena de acilo (18:2)4 es un requisito estructural importante para la alta afinidad de la CL por las proteínas de la membrana interna en las mitocondrias de los mamíferos. [5] Sin embargo, los estudios con preparaciones enzimáticas aisladas indican que su importancia puede variar según la proteína examinada. [ cita requerida ] Los experimentos in vitro han demostrado que la CL tiene una alta afinidad por las regiones de membrana curvas. [6]

Como hay dos fosfatos en la molécula, cada uno de ellos puede atrapar un protón. Aunque tiene una estructura simétrica, la ionización de un fosfato ocurre a niveles de acidez muy diferentes a la ionización de ambos: pK 1 = 3 y pK 2 > 7,5. Por lo tanto, en condiciones fisiológicas normales (en las que el pH está alrededor de 7), la molécula puede tener solo una carga negativa. Los grupos hidroxilo (–OH y –O − ) del fosfato formarían un enlace de hidrógeno intramolecular estable con el grupo hidroxilo del glicerol centrado, formando así una estructura de resonancia bicíclica. Esta estructura atrapa un protón, lo que es bastante útil para la fosforilación oxidativa .

Como el grupo de cabeza forma una estructura de bicicleta tan compacta, el área del grupo de cabeza es bastante pequeña en relación con la gran región de cola que consta de 4 cadenas de acilo. Basándose en esta estructura especial, el indicador mitocondrial fluorescente, naranja de nonil acridina (NAO) se introdujo en 1982, [7] y más tarde se descubrió que se dirigía a las mitocondrias uniéndose a CL. NAO tiene una cabeza muy grande y una estructura de cola pequeña que puede compensar la cabeza pequeña y la estructura de cola grande de la cardiolipina, y organizarse de una manera altamente ordenada. [8] Se publicaron varios estudios que utilizan NAO tanto como un indicador mitocondrial cuantitativo como un indicador del contenido de CL en las mitocondrias. Sin embargo, NAO está influenciado por el potencial de membrana y/o la disposición espacial de CL, [9] [10] [11] por lo que no es adecuado utilizar NAO para estudios cuantitativos de CL o mitocondrias de mitocondrias respirantes intactas. Pero NAO todavía representa un método simple para evaluar el contenido de CL.

  • Estructura bicíclica de la cardiolipina
    Estructura bicíclica de la cardiolipina
  • Estructura de la NAO
    Estructura de la NAO
  • NAO y CL dispuestos de manera muy ordenada
    NAO y CL dispuestos de manera muy ordenada

Métodos para cuantificar y detectar cardiolipina

La detección, cuantificación y localización de especies de CL es una herramienta valiosa para investigar la disfunción mitocondrial y los mecanismos fisiopatológicos que sustentan varios trastornos humanos. La CL se mide utilizando cromatografía líquida , generalmente combinada con espectrometría de masas , imágenes por espectrometría de masas , lipidómica de escopeta , espectrometría de movilidad iónica , fluorometría y radiomarcaje . [12] Por lo tanto, la elección del método analítico depende de la pregunta experimental, el nivel de detalle y la sensibilidad requerida.

Metabolismo y catabolismo

Síntesis de cardiolipina en eucariotas

Metabolismo

Vía eucariota

En eucariotas como levaduras, plantas y animales, se cree que los procesos de síntesis ocurren en las mitocondrias. El primer paso es la acilación del glicerol-3-fosfato por una glicerol-3-fosfato aciltransferasa . Luego, el acilglicerol-3-fosfato puede acilarse una vez más para formar un ácido fosfatídico (PA). Con la ayuda de la enzima CDP-DAG sintasa (CDS) ( fosfatidato citidililtransferasa ), el PA se convierte en citidinadifosfato -diacilglicerol (CDP-DAG). El siguiente paso es la conversión de CDP-DAG a fosfatidilglicerol fosfato (PGP) por la enzima PGP sintasa, seguida de la desfosforilación por PTPMT1 [13] para formar PG. Finalmente, una molécula de CDP-DAG se une a PG para formar una molécula de cardiolipina, catalizada por la enzima cardiolipina sintasa (CLS) localizada en las mitocondrias. [2] [3] [14]

Vía procariota

En procariotas como las bacterias, la difosfatidilglicerol sintasa cataliza la transferencia de la fracción fosfatidilo de un fosfatidilglicerol al grupo 3'-hidroxilo libre de otro, con la eliminación de una molécula de glicerol, mediante la acción de una enzima relacionada con la fosfolipasa D. La enzima puede operar a la inversa en algunas condiciones fisiológicas para eliminar la cardiolipina.

Catabolismo

El catabolismo de la cardiolipina puede ocurrir por catálisis de la fosfolipasa A2 (PLA) para eliminar los grupos acilo grasos. La fosfolipasa D (PLD) en la mitocondria hidroliza la cardiolipina a ácido fosfatídico . [15]

Funciones

Regula las estructuras agregadas

Transferencia electrónica respiratoria del complejo IV

Debido a la estructura única de la cardiolipina, un cambio en el pH y la presencia de cationes divalentes pueden inducir un cambio estructural. La CL muestra una gran variedad de formas de agregados. Se ha descubierto que en presencia de Ca 2+ u otros cationes divalentes, se puede inducir que la CL tenga una transición de fase lamelar a hexagonal (L a -H II ) . Y se cree que tiene una estrecha conexión con la fusión de membranas . [16]

Facilita la estructura cuaternaria

La enzima citocromo c oxidasa , también conocida como complejo IV, es un gran complejo proteico transmembrana que se encuentra en las mitocondrias y las bacterias. Es la última enzima de la cadena de transporte de electrones respiratorios , ubicada en la membrana mitocondrial o bacteriana interna. Recibe un electrón de cada una de las cuatro moléculas de citocromo c y las transfiere a una molécula de oxígeno, convirtiendo el oxígeno molecular en dos moléculas de agua. Se ha demostrado que el complejo IV requiere dos moléculas de CL asociadas para mantener su función enzimática completa. El citocromo bc1 (complejo III) también necesita cardiolipina para mantener su estructura cuaternaria y su papel funcional. [17] El complejo V de la maquinaria de fosforilación oxidativa también muestra una alta afinidad de unión por CL, uniendo cuatro moléculas de CL por molécula de complejo V. [18]

El mecanismo por el cual el CL desencadena la apoptosis

Desencadena la apoptosis

La distribución de cardiolipina a la membrana mitocondrial externa conduciría a la apoptosis de las células, como lo demuestra la liberación de citocromo c (cyt c), la activación de la caspasa-8, la inducción de MOMP y la activación del inflamasoma NLRP3 . [19] Durante la apoptosis , el citocromo c se libera de los espacios intermembrana de las mitocondrias al citosol . El citocromo c puede luego unirse al receptor IP3 en el retículo endoplásmico , estimulando la liberación de calcio, que luego reacciona para causar la liberación de citocromo c. Cuando la concentración de calcio alcanza un nivel tóxico, esto causa la muerte celular. Se cree que el citocromo c desempeña un papel en la apoptosis a través de la liberación de factores apoptóticos de las mitocondrias . [20] Una oxigenasa específica de cardiolipina produce hidroperóxidos CL que pueden resultar en el cambio de conformación del lípido. El CL oxidado se transfiere de la membrana interna a la membrana externa y luego ayuda a formar un poro permeable que libera citocromo C.

La CL actúa como trampa de protones en la fosforilación oxidativa.

Actúa como trampa de protones para la fosforilación oxidativa.

Durante el proceso de fosforilación oxidativa catalizada por el complejo IV , se transfieren grandes cantidades de protones de un lado de la membrana al otro, lo que provoca un gran cambio de pH. Se sugiere que el CL funciona como una trampa de protones dentro de las membranas mitocondriales, localizando así estrictamente el grupo de protones y minimizando los cambios de pH en el espacio intermembrana mitocondrial.

Esta función se debe a la estructura única del CL. Como se indicó anteriormente, el CL puede atrapar un protón dentro de la estructura bicíclica mientras lleva una carga negativa. Por lo tanto, esta estructura bicíclica puede servir como un depósito de electrones para liberar o absorber protones y mantener el pH cerca de las membranas. [8]

Otras funciones

  • Translocación de colesterol de la membrana mitocondrial externa a la interna
  • Activa la escisión de la cadena lateral del colesterol mitocondrial.
  • Importación de proteínas a la matriz mitocondrial
  • Función anticoagulante
  • Modula la α-sinucleína [21] : se cree que el mal funcionamiento de este proceso es una causa de la enfermedad de Parkinson.

Importancia clínica

Cada vez hay más pruebas que vinculan el metabolismo y el contenido aberrantes de CL con las enfermedades humanas. Entre las afecciones humanas se incluyen los trastornos neurológicos, el cáncer y los trastornos cardiovasculares y metabólicos ( se puede encontrar una lista completa en [12] ). A medida que el número de enfermedades humanas con anomalías en el perfil de CL ha crecido exponencialmente, el uso de diagnósticos cualitativos y cuantitativos ha surgido como una necesidad.

Enfermedades metabólicas

Síndrome de Barth

El síndrome de Barth es un trastorno genético poco común que se reconoció en la década de 1970 como causante de muerte infantil. Tiene una mutación en el gen que codifica para tafazzin , una enzima involucrada en la biosíntesis de cardiolipina. La tafazzin es una enzima indispensable para sintetizar cardiolipina en eucariotas que participa en la remodelación de las cadenas de acilo CL mediante la transferencia de ácido linoleico de PC a monolisocardiolipina . [22] La mutación de tafazzin causaría una remodelación insuficiente de cardiolipina. Sin embargo, parece que las células compensan y la producción de ATP es similar o mayor que la de las células normales. [23] Las mujeres heterocigotas para el rasgo no se ven afectadas. Los pacientes con esta afección tienen mitocondrias anormales. La miocardiopatía y la debilidad general son comunes en estos pacientes.

Aciduria combinada malónica y metilmalónica (CMAMMA)

En la enfermedad metabólica aciduria malónica y metilmalónica combinada (CMAMMA) debida a la deficiencia de ACSF3 , hay una composición alterada de lípidos complejos como resultado de una síntesis alterada de ácidos grasos mitocondriales (mtFAS), por lo que, por ejemplo, el contenido de cardiolipinas aumenta fuertemente. [24] [25]

Enfermedad de Tangier

La enfermedad de Tangier también está relacionada con anomalías de CL. La enfermedad de Tangier se caracteriza por niveles plasmáticos muy bajos de colesterol HDL , acumulación de ésteres de colesterol en los tejidos y un mayor riesgo de desarrollar enfermedad cardiovascular . [26] A diferencia del síndrome de Barth, la enfermedad de Tangier es causada principalmente por una producción anormalmente aumentada de CL. Los estudios muestran que hay un aumento de tres a cinco veces del nivel de CL en la enfermedad de Tangier. [27] Debido a que el aumento de los niveles de CL mejoraría la oxidación del colesterol, y luego la formación de oxisteroles aumentaría en consecuencia el eflujo de colesterol. Este proceso podría funcionar como un mecanismo de escape para eliminar el exceso de colesterol de la célula.

Enfermedad de Parkinson y enfermedad de Alzheimer

Se cree que el estrés oxidativo y la peroxidación lipídica son factores que contribuyen a la pérdida neuronal y la disfunción mitocondrial en la sustancia negra en la enfermedad de Parkinson , y pueden desempeñar un papel temprano en la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer . [28] [29] Se informa que el contenido de CL en el cerebro disminuye con el envejecimiento, [30] y un estudio reciente en el cerebro de ratas muestra que resulta de la peroxidación lipídica en las mitocondrias expuestas al estrés de radicales libres. Otro estudio muestra que la vía de biosíntesis de CL puede verse afectada selectivamente, causando una reducción del 20% y un cambio de composición del contenido de CL. [31] También se asocia con una reducción del 15% en la actividad del complejo I/III enlazado de la cadena de transporte de electrones , que se cree que es un factor crítico en el desarrollo de la enfermedad de Parkinson. [32]

Enfermedad del hígado graso no alcohólico e insuficiencia cardíaca

Recientemente, se ha informado de que en la enfermedad del hígado graso no alcohólico [33] y la insuficiencia cardíaca [34] , también se observan niveles reducidos de CL y cambios en la composición de la cadena de acilo en la disfunción mitocondrial. Sin embargo, el papel de CL en el envejecimiento y la isquemia/reperfusión aún es controvertido.

Diabetes

Las enfermedades cardíacas son dos veces más frecuentes en las personas con diabetes. En los diabéticos, las complicaciones cardiovasculares se producen a una edad más temprana y a menudo dan lugar a una muerte prematura, lo que convierte a las enfermedades cardíacas en la principal causa de muerte de las personas diabéticas. Se ha descubierto que la cardiolipina es deficiente en el corazón en las primeras etapas de la diabetes, posiblemente debido a una enzima que digiere lípidos y se vuelve más activa en el músculo cardíaco diabético. [35]

Sífilis

La cardiolipina del corazón de vaca se utiliza como antígeno en la prueba de Wassermann para la sífilis . Los anticuerpos anticardiolipina también pueden aumentar en muchas otras enfermedades, como el lupus eritematoso sistémico, la malaria y la tuberculosis, por lo que esta prueba no es específica.

VIH-1

El virus de inmunodeficiencia humana tipo 1 (VIH-1) ha infectado a más de 60 millones de personas en todo el mundo. La glicoproteína de la envoltura del VIH-1 contiene al menos cuatro sitios para anticuerpos neutralizantes. Entre estos sitios, la región proximal a la membrana (MPR) es particularmente atractiva como objetivo de anticuerpos porque facilita la entrada del virus en las células T y está altamente conservada entre las cepas virales. [36] Sin embargo, se ha descubierto que dos anticuerpos dirigidos contra 2F5, 4E10 en MPR reaccionan con autoantígenos, incluida la cardiolipina. Por lo tanto, es difícil que dichos anticuerpos se produzcan mediante la vacunación. [37]

Cáncer

Otto Heinrich Warburg fue el primero en proponer que el cáncer se originaba a partir de una lesión irreversible de la respiración mitocondrial, pero la base estructural de esta lesión sigue siendo esquiva. Dado que la cardiolipina es un fosfolípido importante que se encuentra casi exclusivamente en la membrana mitocondrial interna y es muy esencial para mantener la función mitocondrial, se sugiere que las anomalías en el CL pueden perjudicar la función mitocondrial y la bioenergética. Un estudio [38] publicado en 2008 sobre tumores cerebrales de ratones que apoya la teoría del cáncer de Warburg muestra anomalías importantes en el contenido o la composición del CL en todos los tumores.

Síndrome antifosfolípido

Los pacientes con anticuerpos anticardiolipina ( síndrome antifosfolípido ) pueden tener eventos trombóticos recurrentes incluso a principios de la adolescencia. Estos eventos pueden ocurrir en vasos en los que la trombosis puede ser relativamente poco común, como las venas hepáticas o renales. Estos anticuerpos suelen detectarse en mujeres jóvenes con abortos espontáneos recurrentes. En la enfermedad autoinmune mediada por anticardiolipinas, existe una dependencia de la apolipoproteína H para su reconocimiento. [39]

Enfermedades anticardiolipinas adicionales

Síndrome de fatiga crónica

El síndrome de fatiga crónica es una enfermedad debilitante de causa desconocida que suele aparecer después de una infección viral aguda. Según un estudio de investigación, el 95 % de los pacientes con SFC tienen anticuerpos anticardiolipina. [40]

Véase también

Referencias

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