Lanzadera citrato-malato

El sistema de transporte citrato-malato es una serie de reacciones químicas , comúnmente denominadas ciclo o sistema bioquímico, que transporta acetil-CoA en la matriz mitocondrial a través de las membranas mitocondriales interna y externa para la síntesis de ácidos grasos . ^[1] Las mitocondrias están encerradas en una doble membrana. Como la membrana mitocondrial interna es impermeable al acetil-CoA, el sistema de transporte es esencial para la síntesis de ácidos grasos en el citosol . ^[2] Desempeña un papel importante en la generación de lípidos en el hígado ( lipogénesis hepática ). ^[3]

El nombre de la lanzadera citrato-malato se deriva de los dos intermediarios (químicos de vida corta que se generan en un paso de reacción y se consumen completamente en el siguiente), el citrato y el malato , que transportan la molécula de acetil-CoA a través de la doble membrana mitocondrial.

La lanzadera citrato-malato está presente en los seres humanos y otros organismos eucariotas superiores y está estrechamente relacionada con el ciclo de Krebs . El sistema es responsable del transporte de malato a la matriz mitocondrial para servir como intermediario en el ciclo de Krebs y del transporte de citrato al citosol para su secreción en Aspergillus niger ^[4] , un hongo utilizado en la producción comercial de ácido cítrico.

Todas las células necesitan energía para sobrevivir. Las mitocondrias son una estructura de doble membrana en las células del cuerpo que genera y transporta productos metabólicos esenciales. Las tres capas de esta estructura son la membrana externa, el espacio intermembrana y la membrana interna. ^[2] El espacio dentro de las mitocondrias se llama matriz mitocondrial, mientras que la región exterior es el citosol. La membrana externa permite el paso de la mayoría de las moléculas pequeñas. En cambio, la membrana interna transporta solo moléculas específicas, que es impermeable a muchas sustancias. ^[2] Por lo tanto, se necesita una lanzadera para el transporte de moléculas a través de la membrana interna. Actúa como una bomba para impulsar las sustancias desde la membrana interna hasta el exterior. ^[5]

En la superficie de las células hay muchas proteínas. Algunas proteínas participan en el reconocimiento, la unión o el transporte. El sistema de transporte citrato-malato consta de la lanzadera de citrato y la lanzadera de malato, que son proteínas transportadoras. Las proteínas transportadoras están presentes en la superficie celular y transportan diferentes moléculas a través de las mitocondrias. En este sistema, las sustancias que se transportan son el malato y el citrato.

El material de partida es el acetil-CoA, una molécula que interviene en la síntesis de ATP , el metabolismo proteico y el metabolismo lipídico. ^[6] Como la membrana interna no es permeable a esta molécula, el acetil-CoA debe convertirse en otros productos para un transporte eficaz. ^[7] También es el primer paso de la reacción.

El proceso ocurre en dos lugares de la célula: el citosol y la matriz mitocondrial. El sistema forma un ciclo que garantiza que la conversión entre acetileno, oxaloacetato, citrato y malato pueda continuar sin necesidad de que se añadan moléculas extrañas.

Implica seis pasos principales: ^{[1] [8]}

Un grupo acetilo de acetil-CoA se combina con oxaloacetato para formar citrato, liberando el grupo coenzima ( CoA ) en la matriz mitocondrial. ^[1]

1. El citrato se une a los transportadores de citrato.
2. La lanzadera transporta el citrato desde la membrana interna al espacio intermembrana .
3. Hay un movimiento neto del citrato desde el espacio intermembrana al citosol a través de la membrana externa, siguiendo el gradiente de concentración .

1. Utilizando ATP como energía, el citrato se descompone en el grupo acetilo y oxaloacetato.
2. El grupo acetilo se une a la coenzima en el citosol, formando acetil-CoA.

El oxaloacetato es reducido por NADH a malato en el citosol, liberando electrones libres.

El malato es transportado por la lanzadera de malato, moviéndose desde el citosol hasta la matriz.

El malato se oxida por acción del NAD ⁺ (el agente oxidante) a oxaloacetato nuevamente, liberando NADH. Se puede lograr la reposición de oxaloacetato. El oxaloacetato puede reaccionar con el acetil-CoA en el primer paso, completando un ciclo.

La lanzadera citrato-malato permite que la célula produzca ácidos grasos con exceso de acetil-CoA para su almacenamiento. El principio es similar al de la insulina, que convierte el exceso de glucosa en el cuerpo en glucógeno para su almacenamiento en las células del hígado y los músculos esqueléticos, de modo que cuando hay una falta de ingesta de energía, el cuerpo aún puede abastecerse de glucosa mediante la descomposición del glucógeno. La lanzadera citrato-malato permite un almacenamiento más compacto de la energía química en el cuerpo en forma de ácidos grasos al transportar acetil-CoA al citosol para la síntesis de ácidos grasos y colesterol. Los lípidos producidos pueden luego almacenarse para que puedan usarse en el futuro.

El acetil-CoA se genera en la matriz mitocondrial a partir de dos fuentes: la descarboxilación del piruvato en la glucólisis y la descomposición de los ácidos grasos a través de la β-oxidación , que son vías esenciales de producción de energía en humanos. La descarboxilación del piruvato es el paso que conecta la glucólisis y el ciclo de Krebs y está regulada por el complejo piruvato deshidrogenasa cuando los niveles de glucosa en sangre son altos. ^[9] De lo contrario, se produce la β-oxidación de los ácidos grasos y se requiere acetil-CoA para generar ATP a través del ciclo de Krebs. ^[10] En un sujeto con una lanzadera citrato-malato defectuosa, el acetil-CoA en las mitocondrias no puede salir al citosol. Por lo tanto, la síntesis de ácidos grasos se ve obstaculizada y el cuerpo no podría almacenar el exceso de energía tan eficientemente como un sujeto normal.

Además, el funcionamiento inadecuado de la lanzadera citrato-malato puede provocar una interrupción del ciclo de Krebs.

El ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido tricarboxílico o ciclo del ácido cítrico, es una vía bioquímica que facilita la descomposición de la glucosa en una célula. Tanto el citrato como el malato que participan en la lanzadera citrato-malato son intermediarios necesarios del ciclo de Krebs. ^[9] Por lo general, el oxaloacetato en el ciclo de Krebs se genera a partir de la carboxilación del piruvato en la mitocondria; sin embargo, el malato generado en el citosol también puede ingresar a la mitocondria a través de la proteína de transporte ubicada en la membrana mitocondrial interna para unirse directamente al ciclo de Krebs. ^[4]

Las proteínas de transporte mitocondrial están codificadas por el gen SLC25 en humanos y facilitan el transporte de varios metabolitos, ^{[11] [12]} incluyendo citrato y malato, en el ciclo de Krebs. Estas proteínas de transporte controlan el flujo de metabolitos dentro y fuera de la membrana mitocondrial interna, que es impermeable a la mayoría de las moléculas. Conectan el metabolismo de carbohidratos del ciclo de Krebs con la síntesis de ácidos grasos en la lipogénesis al catalizar el transporte de acetil-CoA fuera de la matriz mitocondrial hacia el citosol, que se realiza en forma de exportación de citrato desde las mitocondrias al citosol. El citrato citosólico, es decir, el citrato en el citosol, es un sustrato clave para la generación de energía. Libera acetil-CoA y proporciona NADPH para la síntesis de ácidos grasos y, en vías posteriores, genera NAD ⁺ para la glucólisis. El citrato también activa la acetil-CoA carboxilasa, una enzima que es esencial en la vía de síntesis de ácidos grasos. ^[11]

La lanzadera citrato-malato podría reemplazar parcial o totalmente la función del ciclo de Krebs en el metabolismo de las células cancerosas. ^[13]

Un estudio reciente ^[13] propuso que la lanzadera citrato-malato puede contribuir al mantenimiento de las células cancerosas a través de una vía metabólica de lanzadera de β-oxidación-citrato-malato . En las células normales, la β-oxidación produce acetil-CoA que entra en el ciclo de Krebs para producir ATP, y la β-oxidación no puede continuar si el ciclo de Krebs se altera y se acumula acetil-CoA. Sin embargo, las células cancerosas pueden llevar a cabo una β-oxidación continua conectándola a la lanzadera citrato-malato. La nueva vía metabólica consta de proteínas de transporte mitocondrial y varias enzimas, incluidas la ATP-citrato liasa (ACLY) y las malato deshidrogenasas 1 y 2 (MDH1 y MDH2). La vía metabólica propuesta puede explicar el efecto Warburg (que las células cancerosas producen energía a través de una vía subóptima) y la hipoxia en el cáncer.

La eficiencia energética de esta vía es 3,76 veces menor que la vía normal del ciclo de Krebs de β-oxidación, y solo produce 26 moles en lugar de 98 moles de ATP a partir de 1 mol de palmitato. ^[13]

Todavía no se sabe con certeza si esta vía existe en las células cancerosas. Entre los factores que impiden que se produzca esta vía se encuentran la lipotoxicidad del palmitato y el estearato .

El hígado contiene tejidos metabólicos activos, ya que es responsable de la desintoxicación y del metabolismo de proteínas y carbohidratos. ^[14] Por lo tanto, necesita mucha energía para funcionar y contiene abundantes mitocondrias. Cualquier anomalía en las mitocondrias afectaría al metabolismo hepático. Si el hígado no funciona correctamente, puede producir un exceso de metabolitos, lo que lleva a la acumulación; por el contrario, también puede dejar de producir ciertas sustancias químicas. Como resultado, el desequilibrio de metabolitos puede conducir al desarrollo de cáncer de hígado, es decir, hepatocarcinogénesis. ^[15]

El crecimiento y desarrollo de las células normales sigue un ciclo de manera controlada y ordenada. Cuando sufren daños, mueren mediante un proceso llamado apoptosis . Sin embargo, en las células cancerosas la apoptosis se interrumpe, lo que les permite dividirse y crecer sin control, invadiendo potencialmente otros tejidos u órganos. No sufrirán el proceso normal de muerte de las células del cuerpo. ^[16]

El carcinoma hepatocelular (CHC) es un tipo frecuente de cáncer de hígado que representa más del 80 % de los casos. ^[17] Es un cáncer letal debido a su notable tolerancia a los fármacos, su potencial de propagación y su alta probabilidad de recaída. Los científicos han llevado a cabo muchos tipos de investigaciones para descubrir los factores de riesgo de la progresión del CHC.

El trastorno metabólico es una de las causas del cáncer de hígado. ^[15] Las mitocondrias son responsables de la oxidación utilizando NAD ⁺ , que se produce en el paso 4 del sistema de transporte citrato-malato. En pacientes con alta obesidad o resistencia a la insulina (diabetes), su cuerpo contiene grandes cantidades de ácidos grasos, ^[15] el sistema de transporte podría no generar suficiente NAD ⁺ para metabolizar la grasa de manera eficiente. También presentan un bajo nivel de NAD ⁺ . Por lo tanto, es más probable que los pacientes obesos o diabéticos desarrollen cáncer de hígado. ^[18]

Además, puede producirse una sobrecarga de las mitocondrias. Hay un aumento del nivel de especies reactivas de oxígeno en el hígado. ^[15] Esas especies son altamente reactivas y atacarían a las células hepáticas. Pueden dañar las cadenas de ADN. Las células con daño en el ADN pueden dividirse de forma anormal. Pueden convertirse en células cancerosas, lo que da lugar al carcinoma hepatocelular.

Otro factor de riesgo son las mutaciones y la sobreexpresión de la lanzadera citrato-malato. ^[17] Un gen mutado de alta frecuencia en una amplia gama de cánceres, el oncogén Ras , tiene una asociación significativamente estrecha con el carcinoma hepatocelular (CHC). ^{[17] [19]} Muchos pacientes con CHC son portadores de este gen. También tienen una lanzadera citrato-malato anormal. La investigación de la Universidad Médica de Dalian ^[17] muestra que hay un aumento notable en los niveles de citrato y malato de los pacientes con CHC, lo que sugiere la posibilidad de una mayor actividad de la lanzadera citrato-malato. Este mecanismo es eficaz cuando la actividad del ciclo del TCA es baja. La lanzadera también ayuda a la producción de ácidos grasos y ácido láctico.

En las células de cáncer de hígado, el ciclo del TCA se bloquea, lo que provoca la acumulación de un exceso de piruvato. Se trata de una señal del mecanismo de defensa del organismo. Normalmente, las células cancerosas morirían con un nivel elevado de piruvato. Sin embargo, la lanzadera citrato-malato sobreexpresada puede eliminar el exceso de piruvato. En esta situación, no se producirá la muerte celular natural del tumor hepático. Las células cancerosas pueden seguir creciendo.

Además, la actividad elevada de la lanzadera está relacionada con un aumento en la generación de ácidos grasos y también es un factor de riesgo de carcinoma hepatocelular. ^[17]

Las enfermedades mitocondriales suelen estar causadas por mutaciones en el ADN mitocondrial. Estos genes regulan la síntesis de distintas proteínas, incluidas las proteínas transportadoras y ciertas enzimas.

La replicación del ADN mitocondrial se produce tras una fisión binaria . En este proceso, un conjunto de genes se dividiría en dos conjuntos. ^{[20] [21]} El gen mitocondrial de los hijos se hereda únicamente de la madre. ^[20] Si hay defectos genéticos o mutaciones en el ADN mitocondrial de la madre, los hijos lo heredarán. Si esos cambios en los genes pueden causar enfermedades mitocondriales, los hijos tienen un 100 % de posibilidades de contraerlas. ^[22]

En el transporte de malato-oxalacetato intervienen 4 genes principales: PMDH1, MDH, PMDH2 y mMDH1. ^[8] PMDH-1 y PMDH-2 codifican dos enzimas diferentes que aportan NAD ⁺ para la oxidación del malato. ^{[23] [24]} Además, MDH y mMDH1 codifican una enzima que oxida directamente el malato. ^{[25] [26]}

El SLC25 es un gen esencial para la síntesis de una amplia gama de transportadores mitocondriales, como la lanzadera de citrato. ^[27] Las mutaciones en este gen pueden dar lugar a mitocondrias disfuncionales. Esto conduce a una disminución significativa de la producción de energía de las células de nuestro cuerpo, causando enfermedades metabólicas graves . ^{[22] [28]} Puede causar síntomas graves en órganos o tejidos que tienen una gran demanda de energía. Estos órganos incluyen el hígado, el cerebro, el corazón y los riñones. ^[29] Requieren abundantes mitocondrias funcionales para funcionar. Los trastornos mitocondriales causados ​​por la expresión defectuosa o reducida del gen SLC25 pueden causar enfermedades, como la deficiencia de CAC, el síndrome HHH , la deficiencia de AGC2 (CTLN2/NICCD), adPEO , microcefalia congénita Amish , encefalopatía epiléptica temprana , deficiencia de AAC1, deficiencia de PiC (isoforma A), deficiencia de AGC1, neuropatía con necrosis estriatal y anemia sideroblástica congénita . ^[28]

Además, el gen SLC25 es crucial para la supervivencia de los organismos debido a su alta frecuencia en la genómica de diferentes organismos. Indica que este gen es favorable para la supervivencia de una especie en respuesta a las características ambientales, por lo que se conserva y se transmite de generación en generación. ^[30] En otras palabras, el gen se selecciona positivamente para la evolución . ^[31] El gen SLC25 no solo se encuentra en humanos, sino también en otros animales, o incluso en microorganismos como bacterias y virus. ^[28] Muestra que este gen se conserva entre diferentes especies. Esto podría proporcionar evidencia de la importancia y esencialidad del gen en la supervivencia de los organismos.