genetica

LA RELACIÓN ENTRE LOS GENES Y LAS ENZIMAS ES DE TIPO INFORMACIONAL. LAS HEMOGLOBINAS HUMANAS.

La demostración de que la relación entre los genes y las enzimas es de tipo informacional, es decir, el gen lleva la información o codifica para una enzima, tardó varios años en realizarse. Una buena parte de estos trabajos se realizaron estudiando las hemoglobinas humanas, por lo que antes de comenzar con estos trabajos vamos a repasar las hemoglobinas humanas.

Las hemoglobinas humanas son tetrámeros, están formados por cuatro cadenas polipeptídicas. Los glóbulos rojos contienen varios tipos de hemoglobinas:

• Hemoglobina adulta mayoritaria (HbA): α₂β₂ formada por dos cadenas de tipo α (141 aminoácidos) y dos cadenas de tipo β (146 aminoácidos).
• Hemoglobina adulta minoritaria (HbA₂): α₂δ₂ formada por dos cadenas de tipo α y dos cadenas de tipo δ (146 aminoácidos). La secuencia de aminoácidos de δ difiere solamente en 10 residuos con la cadena β. Constituye el 2,5% de la hemoglobina adulta y se encuentra junto con la hemoglobina HbA.
• Hemoglobina fetal (HbF): α₂γ₂ formada por dos cadenas de tipo α y dos cadenas de tipo γ (146 aminoácidos). La cadena γ difiere en 39 aminoácidos con la cadena β y en 41 aminoácidos con la cadena δ. Constituye entre el 70 y el 80% de la hemoglobina total del recién nacido y desaparece entre los 6 y 12 meses de vida extrauterina.
• Hemoglobinas embriónicas (HbE): pueden tener cuatro cadenas ε (ε₄), dos cadenas α y dos ε (α₂ε₂) o bien dos cadenas γ y dos ε (γ₂ε₂). Se encuentran en el desarrollo embrionario, aunque ocasionalmente pueden aparecer en el período fetal.

En la siguiente gráfica se muestran los momentos del desarrollo en los que se sintetizan los diferentes tipos de cadenas polipeptídicas de las hemoglobinas y la estructura cuaternaria tetrámerica que poseen.

Síntesis de las cadenas de las hemoglobinas	Estructura de la hemoglobina: tetrámeros

La similitud de las secuencias de aminoácidos de las cadenas polipeptídicas α, β, γ , y δ sugiere un origen común de los genes que las codifican a partir de una secuencia ancestral mediante el mecanismo de duplicación.

La anemia falciforme es una enfermedad con herencia autosómica recesiva en la que los individuos afectados presentan glóbulos rojos en forma de hoz (falciformes). Esta enfermedad también recibe el nombre de drepanocitosis. Las personas enfermas presentan crisis hemolíticas (destrucción de glóbulos rojos), ulceraciones en las piernas, hepatosplenomegalia (hígado y bazos excesivamente grandes) y hematuría (sangre en la orina).

Glóbulo rojo falciforme (forma de hoz)	Glóbulos rojos normales y falciformes	Úlcera en el pie de una persona afectada	Niño con esplenomegalia

Pauling y colaboradores en 1949 encontraron que la hemoglobina adulta mayoritaria de los individuos que padecían anemia falciforme se podía distinguir mediante electroforesis de la hemoglobina de los individuos sanos. Dicho resultado indicaba que diferían en sus propiedades físicas y, por tanto, probablemente diferían en su estructura. La técnica de electroforesis permite separar las moléculas, entre otras las proteínas, haciéndolas migrar en un campo eléctrico. En estas condiciones las proteínas se separan en base a su tamaño y carga eléctrica.

Eritrocitos en forma de hoz y normales de una persona sana heterocigótica	Técnica de electroforesis: permite separar las hemoglobinas en un campo eléctrico

Neel (1949) y Beet (1949) demostraron que la anemia falciforme tenía una herencia de tipo autosómico recesivo, de manera que los individuos enfermos eran homocigóticos recesivos y los individuos sanos que presentaban glóbulos rojos falciformes y normales eran heterocigóticos.

Pauling y colaboradores encontraron utilizando la técnica de electroforesis que los individuos sanos que tenían glóbulos rojos en forma de hoz (falciformes) y glóbulos rojos normales tenían dos tipos de hemoglobinas, hemoglobina normal (HbA) y hemoglobina falciforme (HbS). Estos individuos eran hererocigotos. Mientras que los individuos con anemia falciforme (homocigóticos recesivos) solo tenían hemoglobina falciforme (HbS) y los individuos sanos sin glóbulos rojos falciformes solamente tenían hemoglobina normal (HbA) y eran homocigóticos dominantes.

En la siguiente figura se muestra un esquema de los resultados obtenidos al separar mediante electroforesis las hemoglobinas de diferentes individuos sanos homocigóticos (HbAHbA), sanos heterocigóticos (HbAHbS) y enfermos homocigóticos (HbSHbS).

		Los enfermos poseen hemoglobina S, los sanos homocigóticos tienen hemoglobina A, y los sanos heterocigóticos tienen hemoglobinas A y S.
Lynus Pauling	Separación de las hemoglobinas mediante electroforesis

Estudios realizados por Sanger en 1955 con la insulina pusieron de manifiesto que las propiedades específicas de las proteínas estaban determinadas por su estructura primaria o secuencia de aminoácidos. Sanger además desarrolló las técnicas de secuenciación de proteínas y determinó la secuencia de aminoácidos de la insulina humana.

Frederick Sanger	Secuencia de aminoácidos de la Insulina humana

Pauling recibió el Premio Nobel en 1954 por sus investigaciones sobre la naturaleza de los enlaces químicos y su aplicación en la elucidación de la estructura de las sustancias complejas. También recibió el otro Premio Nobel de la Paz en 1962 por su lucha contra el desarrollo de las armas nucleares.

Sanger recibió el Premio Nobel en 1958 por sus investigaciones sobre la estructura de las proteínas, especialmente de la insulina. En 1980 recibió otro Premio Nobel por sus contribuciones a la determinación de las secuencias de bases en los ácidos nucleicos.

Por último, en 1956 Ingram demostró mediante técnicas de secuenciación de proteínas, que la diferencia entre la hemoglobina normal (HbA) y la hemoglobina falciforme (HbS) se debía solamente al un aminoácido situado en la posición sexta de la cadena β de las hemoglobinas, dicho aminoácido es ácido glutámico en la HbA mientras que en la HbS es valina. Por consiguiente, se trata de un cambio de un aminoácido ácido por un aminoácido neutro, lo que provoca un cambio en la estructura primaria de la cadena β y en la carga eléctrica neta de la hemoglobina. Este cambio es el responsable de la diferente migración electroforética observada entre las hemoglobinas A y S.

La siguiente figura muestra la secuencia de los primeros aminoácidos del extremo amino-terminal de la cadena β de las hemoglobinas A y S.

Ingram a la izquierda	Secuencia de aminoácidos de la cadena b de las hemoglobinas HbA y HbS

Por consiguiente, Ingram (1956) demostró que una alteración en un gen con herencia autosómica recesiva en la especie humana, producía una alteración en la secuencia de aminoácidos de una proteína (hemoglobina), de forma que la relación entre los genes y las enzimas era de tipo informacional, un gen llevaba información o codificaba para una enzima.

ENFERMEDADES HUMANAS PRODUCIDAS POR ALTERACIONES EN EL METABOLISMO

Existen muchas enfermedades que se producen por fallos en las enzimas que actúan en distintas pasos del metabolismo. A dichas alteraciones Garrod las denominó "errores congénitos del metabolismo". Cada paso metabólico esta controlado por un enzima y a su vez cada enzima está codificada por un gen. Una alteración en un gen tiene como lugar una alteración en el enzima correspondiente y el fallo de un paso metabólico determinado.

Existen muchos ejemplos de enfermedades humanas producidas por alteraciones en genes que codifican enzimas que intervienen en el metabolismo. En el siguiente cuadro se indican algunos de estos ejemplos.

Enfermedad	Enzima afectada	Enfermedad	Enzima afectada
Acatalasia	Catalasa	Enfermedad de Sandhoff (Gangliosidosis GM2, tipo II)	Hexosaminidasa A y B
Aciduria arginosuccínica	Arginosuccinasa	Enfermedad de Tay-Sachs	Hexosaminidasa A
Albinismo	Tirosinasa	Enfermedad de Wolman	Lipasa ácida
Alcaptonuria	Oxidasa de ácido homgentísico	Fenilcetonuria	Fenilalanina  hidroxilasa
Apnea inducida por medicamentos	Pseudocolinesterasa	Galactosemia	Galactosa 1-fosfato uridil transferasa
Argininemia	Arginasa	Gangliosidosis GM1, tipo II (forma juvenil)	β-galatosidasa B, C
Ataxia, intermitente	Piruvato descarboxilasa	Granulomatosis	Oxidasa de NADPH reducido
Citrulemia	Arginosuccínico sintetasa	Hidroxiprolinemia	Oxidasa de hidroxiprolina
Cistationuria	Cistationasa	Hiperlisinemia	Reductasa de la lisina-cetoglutarato
Enfermedad de Krabbe	β-galatosidasa de la galatosilceramida	Hipofosfatasia	Fosfatasa alcalina
Enfermedad orina con olor a jarabe de arce	Cetoácido decaroxilasa	Ornitinemia	Aminotransferasa del cetoácido de la ornitina
Enfermedad de Niemann-Pick	Esfingomielinasa	Pentosuria	Deshidrogenasa de xilitol (reductasa de la L-xilulosa)
Enfermedad de Refsum	Oxidasa del ácido fitánico	Síndrome de Crieger-Najjar	Transferasa de glucoronilo

En la siguiente figura se indican algunos de los pasos metabólicos bloqueados en el metabolismo de la fenilalanina.

La fenilcetonuria (PKU) o idiotez fenilpirúvica se debe a una alteración de la enzima fenilalanina hidroxilasa que convierte la fenilalanina en tirosina. Presenta un tipo de herencia autosómico recesivo. El bloqueo de este paso hace que la ruta se desvíe hacia la síntesis de ácido fenilpirúvico.

Paso metabólico bloqueado en la Fenilcetonuria (PKU)

Los individuos afectados tienen problemas neurológicos variados, como exaltación de los reflejos, crisis convulsivas y retraso mental. Además, el color de su piel es más claro que el de sus hermanos, ya que la melanina es uno de los productos de la vía metabólica interrumpida. Las consecuencias de esta enfermedad se deben a la acumulación de fenilalanina y ácido fenilpirúvico. La acumulación de fenilalanina durante el desarrollo del cerebro interrumpe la captación de otros aminoácidos como tirosina, leucina, isoleucina, valina, triptófano, histidina y metionina. Este desequilibrio en las concentraciones de aminoácidos produce lesiones cerebrales, retraso mental y los síntomas neurológicos asociados. Los recién nacidos con PKU no están afectados ya que el exceso de fenilalanina ha sido metabolizado por las enzimas de la madre. Los lactantes se vuelven retrasados cuando se les alimenta con una dieta normal. Sin embargo, si se controla la fenilalanina de la dieta se evita el retraso mental y las lesiones del resto del sistema nervioso, desarrollándose de manera bastante normal.

Hoy día, en los países desarrollados se realizan pruebas a todos los recién nacidos para comprobar si están afectados pos la fenilcetonuria. La incidencia de esta enfermedad es de 1 cada 12.000 nacimientos. Se toma una pequeña muestra de sangre, unas gotas del talón de los recién nacidos, que se depositan en un papel de filtro y después se analiza si existen elevados niveles de fenialanina.

En la siguiente figura se observa la toma de unas gotas de sangre del talón de un recién nacido, el análisis posterior de las muestras recogidas en el papel, y el resultado del análisis de aminoácidos en un individuo sano y en otro afectado por la enfermedad. Se puede observar que el individuo afectado posee una cantidad excesiva de fenilalanina.

El albinismo es otra de las alteraciones más conocidas y que se debe a un fallo en el enzima tirosinasa que actúa en dos pasos metabólicos, en el paso de tirosina a DOPA y en el paso de DOPA a dopaquinina, un precursor de la melanina. La forma más frecuente de albinismo en la especie humana es el albinismo oculocutáneo (AOC), que tiene una herencia autosómica recesiva y que tiene como consecuencia la ausencia el pigmento (melanina) en la piel., el pelo y los ojos.

El albinismo aparece en una gran cantidad de especies distintas. En la siguiente figura aparecen casos de albinismo en la especie humana, en pájaros, gorilas, serpientes, pingüinos y gatos.

Niña albina	Ojos de albina	Negro albino	Pajaro albino
Gorila albino	Boa albina	Gato albino	Pinguino albino

El cretinismo con bocio es otra de las enfermedades hereditarias del metabolismo de la fenilalanina. La ruta de la tirosina conduce a la formación de tiroxina y triyodotironina, el bloqueo de esta ruta produce el cretinismo con bocio. El recién nacido no está afectado por esta enfermedad debido a que las hormonas tiroideas de la madre atraviesan la placenta, pero pocas semanas después el desarrollo se hace lento, aparece retraso mental y la glándula tiroides aumenta mucho de tamaño. Esta alteración se produce por la ausencia del producto final de la ruta, una hormona, no se debe a la acumulación de un metabolito intermediario. Esta enfermedad se puede tratar suministrando el producto final a los afectados, la hormona tiroidea de origen animal.