Resumen: La enfermedad de células falciformes (MSC), la enfermedad monogénica grave más común en el mundo, es conocida por las crisis vasooclusivas distintivas que causan gran sufrimiento y degradación de la salud a estos pacientes. En 1949, el descubrimiento de la cadena de β-globina anormal de la proteína de hemoglobina de células falciformes (HbS) reveló una mutación en la que el ácido glutámico se reemplaza por una valina (ß6Glu→Val). De este descubrimiento surgió el mecanismo fisiopatológico basado en la polimerización anormal de desoxi-HbS. Si bien es un descubrimiento importante, este mecanismo inicial aún ha sido capaz de explicar la cascada de eventos que desencadenan estas crisis y, por lo tanto, ha ofrecido pocas opciones de tratamiento para estos pacientes. En los glóbulos rojos, las alteraciones en la estructura de la membrana conducen a cambios en sus comportamientos biomecánicos. Se ha realizado una revisión de la literatura y se ha identificado un posible mecanismo fisiopatológico de células falciformes que implica la posibilidad de polimerización anormal de la proteína de actina crítica (en el complejo espectrina-actina) dentro del citoesqueleto de glóbulos rojos. Esta revisión discutirá la interacción de la valina y la glucosa en la molécula de HbS y cómo puede conducir a una desestabilización del citoesqueleto de glóbulos rojos de HbS y las crisis de SCD.
Introducción
La anemia falciforme, la enfermedad monogénica grave más común en el mundo, ha sido reconocida como un problema importante de salud pública por la Organización Mundial de la Salud y la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (Rees et al., 2010; Chiang y Frenette, 2005; Bunn, 1997). En 1949, el descubrimiento de la cadena de β-globina anormal de la proteína de hemoglobina de células falciformes (HbS) reveló una mutación en la que el ácido glutámico se reemplaza por una valina (ß6Glu→Val) (Figura 1) (Pauling et al., 1949). De este descubrimiento surgió el mecanismo fisiopatológico basado en la polimerización anormal de desoxi-HbS (Bunn, 1986). Mientras que un importante descubrimiento, este primer mecanismo aún no ha sido capaz de dar cuenta de la cascada de eventos que desencadenan estas crisis y ha dejado pocas opciones de tratamiento para estos pacientes (Odièvre et al., 2011). Es imperativo que la comprensión fisiopatológica precisa de una enfermedad se defina con precisión para desarrollar nuevas hipótesis terapéuticas que se probarán. En los glóbulos rojos, las alteraciones en la estructura de la membrana conducen a cambios en sus comportamientos biomecánicos(Li et al., 2018). Se ha identificado un posible mecanismo fisiopatológico que implica el potencial de polimerización anormal de la proteína de actina crítica (en el complejo espectrina-actina) en la malla del citoesqueleto de glóbulos rojos HbS. El citoesqueleto es responsable de la forma y el movimiento de las células (dentro y en toda la célula), de mantener las estructuras celulares en su lugar y de fortalecer las células. Se llevará a cabo una discusión sobre la interacción de la valina y la glucosa en la molécula de HbS y cómo puede conducir a una desestabilización del citoesqueleto de glóbulos rojos de HbS, lo que afecta la forma, el movimiento, la organización, la fuerza y, posiblemente, las crisis de SCD de las células.
Características de Valina y Aminoácidos de Cadena Ramificada
Gráfico 1 Hemoglobina normal versus hemoglobina de células falciformes. La hemoglobina normal tiene el glutamato que está cargado negativamente, polar e hidrofílico, mientras que la valina es de naturaleza no polar e hidrofóbica.
Los aminoácidos, los componentes básicos de las proteínas, se caracterizan como esenciales o no esenciales (Paddon-Jones y Rasmussen, 2009). Los aminoácidos esenciales no se pueden sintetizar suficientemente en el cuerpo y deben obtenerse a partir de la ingesta de alimentos (Chen y Yang, 2015). La valina es un aminoácido de cadena ramificada (BCAA) que se considera, junto con la leucina y la isoleucina, el más abundante de los aminoácidos esenciales. Se sabe que los BCAA se asocian con la insulina para funcionar como señales anabólicas que alteran el crecimiento de los tejidos que consumen energía (p. ej., actina→G-actina) (Yoon, 2016). La interacción de aminoácidos en una solución de glucosa acuosa (es decir, suero sanguíneo) es fundamental para comprender los procesos bioquímicos de las células vivas (Yoon, 2016). La disminución de los niveles de valina en sangre, a través de la restricción de proteínas, se ha relacionado con la disminución de los niveles de glucosa en sangre en ayunas (Fontana et al., 2016). Para entender por qué los niveles bajos de valina pueden conducir a niveles alterados de glucosa en sangre (y posibles alteraciones en la polimerización de actina), uno debe entender que hay diferentes tipos de interacciones entre ciertos aminoácidos y glucosa dependiendo de su clasificación hidrofílica versus hidrofóbica (Khanuja y Chourey, 2014).
Gráfico 2 Hoz en el HBS RBC. La anomalía en la secuencia de aminoácidos de la cadena de β-globina (ß6Glu→Val) puede conducir a un aumento de la glicación no reversible (3 veces la tasa de glicación de la hemoglobina normal) con la formación de la base de Schiff, el reordenamiento de Amadori y una mayor descomposición de los productos Amadori que puede conducir a un aumento significativo del piruvato que se alimenta en las vías de fermentación del ácido láctico/generación de ATP dentro de los glóbulos rojos.
En el HbS mutante, hay una valina en posición de glutamato (Figura 1). Dado que el glutamato (Hgb normal) está cargado negativamente, es ácido, polar e hidrofílico, mientras que la valina (HbS) es de naturaleza no polar e hidrofóbica, es lógico que pueda interactuar de manera diferente con la molécula de glucosa hidrofílica (Kharakoz, 1991; Alayash et al., 1987). Se sabe que el glutamato hidrofílico interactúa reversible y/o transitoriamente con el oxígeno (interacción iónica) y la molécula de glucosa hidrofílica entre el grupo hidroxilo (OH) de la glucosa y los centros iónicos de los aminoácidos, mientras que se sabe que la valina hidrofóbica interactúa irreversiblemente (glicación) con la glucosa hidrofílica y, debido a esta irreversibilidad, tiene una mayor probabilidad de crear cuerpos de Schiff → reordenamientos de Amadori → subproductos de Amadori y productos finales de glicación avanzada (AGEs) (Figura 2) (Welsh et al., 2016; Khanuja y Chourey, 2014). Esta interacción irreversible de valina (subunidad beta Val-1 de una molécula de hemoglobina normal) con una molécula de glucosa a la N-terminal de este aminoácido también es notable, ya que representa aproximadamente el 80% de la medición de hemoglobina A1c (HbA1c) en la hemoglobina normal, mientras que el otro aproximadamente 20% pertenece a las interacciones más transitorias con azúcares unidos a los sitios no N-terminales (principalmente 11 residuos de lisina) para comprometer la hemoglobina glicosilada total (Shapiro et al., 1980). Por lo tanto, este posible aumento irreversible de la glicación de hemoglobina en las dos unidades adicionales y de fácil acceso (debido a la ubicación en las subunidades beta mutantes, Figura 1) Val-6 en los ~270 millones de moléculas de hemoglobina dentro de los glóbulos rojos de HbS puede conducir a un triplicamiento de la glicación irreversible dentro de un glóbulo rojo de HbS. Esta triplicación de la glicación puede conducir a niveles significativamente más altos de producción de piruvato a partir de los subproductos Amadori que se producen dentro del eritrocito a partir de esta reacción y, en última instancia, puede alimentar la actividad ATP/ATPasa generada por fermentación de ácido β→láctico de piruvato (Figura 2) (McCullagh et al., 2014; Jain y Lim, 2000). También se sabe que la actina G + ATP, junto con las concentraciones de cationes, operan juntas para ofrecer el ajuste fino de la Concentración Crítica (Cc) necesaria para la homeostasis en el proceso de polimerización/despolimerización de la función de la actina F (Figura 3) (Edwards et al., 2014). Se discutirán las ramificaciones de este posible incumplimiento del equilibrio/umbral de esta actina G + ATP/Cc que puede estar ocurriendo con este posible aumento significativo del ATP generado por fermentación de ácido láctico en los glóbulos rojos HbS y cómo puede afectar el ajuste fino de los filamentos de actina F (es decir, el complejo espectrina-actina) (Figura 4).
El ajuste Fino de la Actina
Figura 3. Monómero G-actina (subunidad de actina con ADP unido al sitio activo de actina). La actina-G construye el microfilamento polimérico llamado actina-F (en presencia de cationes).
La actina es una proteína globular que forma microfilamentos y desempeña un papel multifuncional en las células eucariotas (Edwards et al., 2014; Carlier, 1991). Se sabe que el citoesqueleto de actina desempeña un papel instrumental en los procesos mecánicos, organizativos y de señalización de las células (Qian et al., 2017). Los filamentos individuales se conectan entre sí para formar redes de reticulación que interactúan con otras moléculas principalmente en la membrana para formar componentes subcelulares que participan en la migración celular, el tráfico y transporte de membranas, la contracción, la adhesión y la protrusión (Samuel y Lux, 2016; Edwards et al., 2014; Holmes et al., 1990). Los filamentos de actina (actina F) también se polimerizan y despolimerizan (con polímeros de actina G) para mantener su homeostasis dinámica mediante la adición/eliminación de subunidades de actina a los extremos con púas (+) de crecimiento más rápido y los extremos puntiagudos (-) de crecimiento más lento para crecer y encogerse rápidamente (Edwards et al., 2014) (Figuras 3 y 4). La hidrólisis de ATP es el catalizador que alimenta la dinámica del filamento de actina (G-actina + ATP) mediante el uso de ATP para unir estas subunidades en presencia de cationes para formar los filamentos de actina F (Edwards et al., 2014; Korn et al., 1987). La Cc ocurre cuando una concentración mínima de actinas ATP-G permanece por encima del umbral Cc donde se produce la polimerización (en el extremo positivo del filamento de actina F) y por debajo del umbral Cc donde se produce la despolimerización (en el extremo negativo de la actina F) (Figura 4) (Lodish et al., 2016). Cuando una célula mantiene un equilibrio dinámico con el ajuste fino de actina, la polimerización de actina-G inicia con un período de retraso durante el cual se produce la nucleación y la acción de polimerización alcanza un estado estacionario de homeostasis donde las tasas de adición y pérdida de subunidades son iguales (treadmilling) y/o una condición en la que el extremo positivo crece y el extremo negativo completa un proceso de eliminación (Pantaloni et al., 1984) (Figura 4). A medida que el proceso continúa, los filamentos luego convierten ATP en ADP a medida que envejecen, por lo que este nucleótido unido modera el ensamblaje/desmontaje de los filamentos (Edwards et al., 2014). Por el contrario, pueden ocurrir problemas cuando la concentración externa de ATP G-actina ( G-actina + ATP) está por encima de este Cc equilibrado/umbral de los extremos positivo y negativo del filamento de actina F, y hay un aumento/crecimiento anormal (polimerización) del filamento (actina F) (Lodish et al., 2016; Korn et al., 1987) (gráfico 4). Por el contrario, cuando la concentración de ATP G-actina está por debajo de Cc de los extremos positivo y negativo del filamento de actina F, hay una despolimerización anormal o acortamiento/fragmentación del filamento (actina F) (Figura 4) (Betz et al., 2009; Lodish et al., 2016; Korn et al., 1987). Se sabe que los niveles elevados de ATP, en presencia de niveles crecientes de cationes, elevan el Cc y alteran este equilibrio dinámico estrechamente controlado de la formación de actina F, al propagar la polimerización no controlada (sin equilibrio de despolimerización) y, en última instancia, el alargamiento anormal y a menudo patológico de los filamentos de actina F (Figuras 3 y 4) (Kudryashov y Reisler, 2013; Pantaloni et al., 1984). La siguiente ecuación (Ec. 1) define la reacción para la polimerización reversible de actina ligada a cationes:
Ecuación 1.
KT
Ei + A + nI ↔ Ei+1 En
donde Ei y Ei+1 son los extremos de las subunidades i o i+1, A es un monómero de actina libre, n es el número neto de cationes (I) incorporados a la subunidad del filamento, y KT es la constante de equilibrio termodinámico (fuerza pura generada) (Kang et al., 2012).
Gráfico 4 La concentración crítica (Cc) es una concentración mínima de monómeros de ATP-G-actina que controla la velocidad de polimerización y despolimerización. Los extremos positivo y negativo del filamento de actina F son capaces de polimerización (adición) y despolimerización (eliminación) de estos monómeros. La tasa de polimerización/despolimerización de la final positiva (12 µM-1 s-1 / 1,4 µM-1 s-1) es mayor que el de polimerización/despolimerización del extremo negativo (1.3 µM-1 s-1/0.8 µM-1 s-1). Con un Cc externo de 0,4 µM en el entorno, el extremo positivo (cuyo umbral es de 0,12 µM) reside por debajo de este Cc y, por lo tanto, conducirá a una mayor polimerización del extremo positivo. Si el Cc externo estaba por debajo de 0.12 µM entonces la tasa de polimerización caería por debajo de la tasa de despolimerización (extremo positivo) (la vida media promedio es de ~1 minuto). Alternativamente, con un Cc externo por debajo del umbral de 0,60 µM Cc del extremo negativo, se producirá una polimerización disminuida con una mayor despolimerización en el extremo negativo. Esta adición neta en el extremo positivo y la eliminación neta en el extremo negativo de la actina F crea un equilibrio dinámico y una homeostasis en la longitud del filamento de la actina F. Si la Cc externa va por encima de la Cc del extremo positivo y negativo, entonces hay adición (polimerización) en ambos extremos y un alargamiento anormal de estos filamentos de actina F (una vez que ocurre la fase de retraso o nucleación).
Los filamentos de actina en los glóbulos rojos normales se someten a un intercambio dinámico de subunidades mientras mantienen una longitud uniforme bastante corta de ~37 nm (Gokhin et al., 2015). El hecho de que estos filamentos de actina F necesiten mantener esta longitud corta y uniforme habla de los preocupantes cambios de elongación que pueden ocurrir con niveles elevados de ATP (en presencia de cationes), y el impacto que esto puede tener en el ensamblaje/organización del complejo espectrina-actina en el citoesqueleto de glóbulos rojos. También se cree que la dependencia catiónica de Cc de aproximadamente 1 Mg2+ neto, Ca2+ o K+ que se asocia con cada subunidad de actina G al incorporarse a los filamentos de actina F regula la rigidez de flexión de los filamentos de actina F y, en última instancia, la deformabilidad y el movimiento de la célula (Kang et al., 2012; Orlova y Egelman, 1993; Martonosi et al., 1964). Por lo tanto, el posible aumento del nivel de ATP resultante del aumento de la fermentación de ácido láctico (del exceso de piruvatos) debido al aumento potencial de la glicación irreversible (triplicado) de la subunidad beta Val-1 más dos más en el aminoácido Val-6 (subunidades beta) en los ~270 millones de moléculas de HbS en cada glóbulo rojo, junto con la presencia de cationes, puede conducir a la formación de varillas alargadas y rígidas de actina y la disociación final del complejo de malla espectrina-actina y la interrupción en el citoesqueleto de los glóbulos rojos HbS (Figuras 3 y 4).
Alteración de la Estructura y Función citoesquelética de los eritrocitos SCD
El eritrocito tiene una forma característica de disco bicóncavo que es impulsada por el potencial zeta y proporciona una relación de área de superficie a volumen que es óptima y participa en el intercambio eficiente de gases (Wang y Popel, 1993). Durante los aproximadamente 120 días que estas células circulan por el cuerpo, están expuestas a altas cantidades de fuerza cortante a medida que navegan por la microvasculatura (Gokhin et al., 2015). Para hacer frente y llevar a cabo las deformaciones dinámicas necesarias para operar bajo estas condiciones de fuerza cortante, su citoesqueleto está compuesto por una bicapa lipídica especial, proteínas transmembranas y una malla filamentosa o red de proteínas. El citoesqueleto de membrana de glóbulos rojos consiste básicamente en tetrámeros de (α1β1) espectros que interconectan filamentos de actina corta (~37 nm) en una red de malla cuasi hexagonal bidimensional que se encuentra debajo de la membrana bicapa lipídica (Gokhin et al., 2015). En presencia del Cc apropiado de ATP-G-actina, las longitudes de filamento de actina están reguladas por proteínas que capsulan actina, αβ-adducina, dos isoformas de tropomiosina (TM5b y TM5NM1) y tropomodulina-1 (Gokhin et al., 2015). Esta malla o red espectral-actina está unida a la célula por anquirina (formando la Banda 3 / AE1) y por la proteína 4.1 que forma el complejo de unión con glicoforina C (Machnicka et al., 2014). Dado que la proteína esquelética de la membrana principal está unida por los filamentos de actina (F-actina) relativamente uniformes y cortos (~37 nm) y las proteínas de unión a actina, el equilibrio dinámico/homeostasis (longitud) de estos filamentos es importante para mantener la forma y función del citoesqueleto de los glóbulos rojos (Gokhin et al., 2015). Tanto la hidrólisis como la fermentación de ácido láctico son catalizadores conocidos que alimentan la dinámica del filamento, y se deben examinar y considerar los factores que pueden afectar los niveles de ATP disponibles dentro de esta celda única (Pantaloni et al., 1984). Mientras que el agotamiento de ATP en los glóbulos rojos se ha relacionado con una fosforilación (catalizada por la proteína quinasa C) que desmonta el trimer de 4,1 R/espectrina/actina y una disminución de la estabilidad general de la membrana de los glóbulos rojos, los niveles elevados de ATP generado por fermentación de ácido láctico también deben considerarse con respecto al equilibrio de actina F (Betz et al., 2009). Las interacciones de la membrana de hemoglobina y los sitios de unión son muy complejos con afinidades variables a la Banda 3 / AE1, fosfolípidos y glicoforina (Bolvin, 1984). En el caso del HbS, la posible desestabilización de estos sitios de unión (debido al desequilibrio espectral/actina) que residen dentro de la estructura de la membrana de los glóbulos rojos se vuelve aún más crítica debido a su afinidad de unión al oxígeno ya disminuida (Bolvin, 1984).
Discusión
Figura 5. Cascada de crisis de células falciformes.
La sustitución de valina por glutamato en la molécula de HbS y la utilización alterada de glucosa (glicación irreversible) por valina debido a sus propiedades hidrofóbicas (en oposición a las propiedades hidrofílicas del glutamato en la hemoglobina normal), puede aumentar la proporción de glicación irreversible dentro de los glóbulos rojos de los pacientes con células falciformes y, en última instancia, aumentar la disponibilidad y actividad de ATP-ATPasa generada (Figura 4). Esta mayor disponibilidad de ATP (junto con el aumento de los cationes séricos) puede aumentar la concentración de ATP G-actina (por encima del umbral Cc de los extremos positivo y negativo de los filamentos de actina F) de modo que se sitúe por encima del Cc, lo que conduce a un alargamiento anormal del filamento rígido (varillas de actina) y/o una pérdida del equilibrio dinámico en los filamentos de actina F (Figura 4) (McCullagh et al., 2014; Pantaloni et al., 1984). Esta pérdida de equilibrio puede causar cambios fisiopatológicos en el citoesqueleto de los glóbulos rojos (F-actina patológica y alargamiento rígido → falciforme) y posiblemente la interrupción de la red de malla que alberga el canal aniónico principal, Banda 3/AE1, así como otros canales de membrana (acuaporinas, etc.) que controlan el tráfico de membranas para mantener la neutralidad celular, la hidratación y la función general (Figura 4 y Figura 5).
Conclusiones
Los modelos mecanicistas actuales sugieren que las alteraciones de la membrana en los glóbulos rojos HbS se deben a la formación de fibras de polímero desoxi-HbS que desencadenan una cascada completa de cambios en la membrana de los glóbulos rojos (Edelstein et al., 1973). Esta revisión propone que el componente de membrana real de actina que participa activamente en la forma y función de los glóbulos rojos también se debe considerar en los pacientes con células falciformes debido al comportamiento conocido de la valina y las posibles variabilidades de glicación con esta hemoglobinopatía y la asociación de concentraciones aumentadas de ATP y cationes en conjunto con elongación y equilibrio de actina F (Figura 5). Los modelos actuales del esqueleto de la membrana de glóbulos rojos espectrina-actina han supuesto que los filamentos de actina funcionan como nodos estables o enlaces que no se ensamblan o desmontan dinámicamente (Fowler, 2013). Debido a la deformabilidad requerida y a la diversa dinámica de membrana que se puede requerir para el movimiento y la función de esta célula única, se puede considerar la posibilidad de que la actina en el esqueleto de la membrana de los glóbulos rojos también responda de acuerdo con los mecanismos actuales de la fisiología de la actina y el control de la Cc. La posibilidad de garantizar la dinámica de equilibrio de los filamentos de actina F puede conducir a nuevas posibilidades en el tratamiento de la MSC. Dado que la investigación ha demostrado recientemente que las mediciones de HgbA1c en participantes afroamericanos con rasgo de células falciformes de dos cohortes grandes bien establecidas pueden subestimar sistemáticamente la glucemia pasada (debido a la posible destrucción rápida de los glóbulos rojos) en estos pacientes, el papel que la glucosa puede desempeñar en este proceso fisiopatológico también puede haberse subestimado (Lacy, 2017). Si bien la Endari (L-glutamina) es una terapia oral recientemente aprobada por la FDA (que continúa con estudios de eficacia) para la MSC en pacientes de 5 años de edad y mayores, es de esperar que esta hipótesis de un nuevo mecanismo potencial abra la puerta para el desarrollo de otras aplicaciones que se dirijan a estos cambios fisiopatológicos y, en última instancia, a las complicaciones clínicas de esta enfermedad debilitante.
Por último, estudios recientes han destacado los efectos del campo electromagnético que pueden aumentar la fisiología tanto de los glóbulos rojos como de las células cancerosas (Purnell y Ramsey, 2019; Purnell, 2017). La capacidad de mantener magnéticamente la separación dielectroforética (a través de un desplazamiento plano ferromagnético en el cloruro) de los cationes de la capa de Popa (y, en última instancia, de los cationes que se sabe que contribuyen un componente clave a las anomalías en la elongación de actina, como se observa en la Ecuación 1) en el plasma lejos de la superficie de la membrana negativa de glóbulos rojos puede ofrecer una posible terapia novedosa para reducir la crisis en esta devastadora enfermedad (Purnell y Ramsey, 2019; Purnell y Skrinjar, 2016). Se planean estudios futuros para esta aplicación magnética a la luz de este nuevo mecanismo de cascada potencial para la anemia de células falciformes.
Agradecimientos
Me gustaría agradecer a Matthew B. A. Butawan y Taylor James Purnell por el diseño gráfico de las Figuras en este manuscrito. Los gráficos de hemoglobina molecular se realizaron con UCSF Chimera X, desarrollado por el Recurso para Biocomputación, Visualización e Informática de la Universidad de California, San Francisco, con el apoyo de los Institutos Nacionales de Salud R01-GM129325 y la Oficina de Infraestructura Cibernética y Biología Computacional del Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas.
Divulgación
El autor no informa de conflictos de intereses.
Dirección Correspondiente
Marcy C. Purnell, D. Tel., Escuela de Liderazgo y Práctica Avanzada de Enfermería, Universidad del Sur de Mississippi, 118 College Dr., Oficina 317J, Asbury Hall, Hattiesburg, MS 39406, EE.
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