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Aspectos moleculares del dao tisularinducido por la hiperglucemia crnica

Derechos reservados, Copyright 2004:Academia Nacional de Medicina de Mxico, A.C.

Gaceta Mdica de MxicoNmeroNumber 4

Julio-AgostoJuly-August 2 0 0 4VolumenVolume 1 4 0

edigraphic.com

437Gac Md Mx Vol. 140 No. 4, 2004

ARTCULOS DE REVISIN

Recepcin versin modificada: 7 de enero de 2004 aceptacin: 5 de marzo de 2004

Resumen

El propsito de este trabajo es dar a conocer las basesmoleculares de la fisiopatologa de la diabetes mellitus, conel fin de prevenir la enfermedad o mejorar el tratamiento.La diabetes mellitus es una enfermedad compleja, donde lahiperglucemia crnica provoca complicaciones en distintosrganos. En esta condicin aumentan las especies reactivasde oxgeno como resultado de su autooxidaccin, por lo quesu metabolismo propicia la acumulacin de metabolitos comola fructosa, el sorbitol y las triosas fosfato. stos ltimosgeneran -oxoaldehdos reactivos con alta capacidad deunirse a protenas y generar estrs oxidativo. Adems, hayaumento de la sntesis de diacilgliceroles a partir de lastriosas fosfato, las cuales activan a la protena cinasa C.Por otra parte, la alteracin de la proporcin normal entre losnucletidos de niacinamida reducidos con respecto a losoxidados conduce a una baja eficiencia de los sistemasantioxidantes. Finalmente, estas desregulaciones metablicascausan alteracin en la transduccin de la seal, en laexpresin anormal de genes, adems de dao tisular, lo quepropicia complicaciones en los pacientes con diabetes.

Palabras clave: diabetes mellitus, AGES, estrs oxidativo, sorbitol,diacilglicerol, protena cinasa C, hexosaminas, complicacionescrnicas.

Summary

The knowledge of the molecular basis of diabetes mellitusphysiopathology will allow improvements in treatment orprevention of the disease.Diabetes mellitus is a complex disease in which hyperglycemialeads to complications in several organs. In this condition, thereis increase in reactive oxygen species (ROS) as a result ofglucose autooxidation; its metabolism produces accumulationof metabolites such as fructose, sorbitol, and triose phosphate.The latter generates oxoaldehydes with high capacity toproduce protein glycation and oxidative stress. Moreover, thereis an increase in synthesis of diacylglycerol from triose phosphate,which activates protein kinase C.On the other hand, alteration of normal ratio between reducedand oxidized niacinamide nucleotides leads to low efficiencyof antioxidative systems. Finally, this metabolic dysregulationcauses altered signal transduction, abnormal gene expression,and tissue damage, resulting in development of diabeticcomplications.

Key word: Diabetes mellitus, AGES, oxidative stress, sorbitol,diacylglycerol, protein kinase C, hexosamines, chronic complications.

Aspectos moleculares del dao tisular inducidopor la hiperglucemia crnica

Margarita Daz-Flores,* Luis Arturo Baiza-Gutman,** Miguel ngel Ibez-Hernndez,***Dalila Pascoe-Lira,* Alberto M. Guzmn-Greenfel,**** Jess Kumate-Rodrguez*

*Unidad de Investigacin Mdica en Bioqumica, Hospital de Especialidades, Centro Mdico Nacional Siglo XXI.**Laboratorio en Biologa del desarrollo, Unidad de Morfologa FES-IZTACALA. UNAM. ***Laboratorio de Biomembranas, Departamento deBioqumica. Instituto Politcnico Nacional. ****Investigacin Biomdica, Instituto Nacional de Enfermedades Respiratorias.Correspondencia y solicitud de sobretiros: Dra. Margarita Daz-Flores. Unidad de Investigacin Mdica en Bioqumica, Coordinacin deInvestigacin en Salud, Centro Mdico Nacional Siglo XXI, Instituto Mexicano del Seguro Social. Av. Cuauhtmoc 330, Col. Doctores, 06720Mxico, D.F. Tel. 5513 4846. E-mail: [email protected]

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Dao tisular inducido por la hiperglucemia crnica

Introduccin

En la actualidad, la diabetes mellitus (DM) plantea ungrave problema mundial de salud pblica, debido a que haaumentado su incidencia y prevalencia, en particular enlos pases en vas de desarrollo o de reciente industrializa-cin. En Mxico, el registro realizado por la EncuestaNacional de Salud 20001 estim que existen alrededor de3.6 millones de mexicanos mayores de 20 aos quepadecen DM; con prevalencia de 7.5%, ligeramente ma-yor en las mujeres que en los hombres a partir de los 50aos. En 1980 ocup el noveno lugar como causa demuerte, para colocarse a finales de los 90, en el tercero yprimer lugar en el grupo de 55 a 64 aos. Estas alarmantescifras se asocian a un cambio en la alimentacin y dismi-nucin de la actividad fsica cotidiana.

El trmino de DM describe diferentes trastornosmetablicos que resultan de alteraciones en la secrecinde insulina, en la respuesta perifrico a la misma o enambas; lo que conduce a un sndrome caracterizado porhiperglucemia crnica y alteraciones del metabolismo decarbohidratos, protenas y lpidos. Hasta el momento sehan descrito por lo menos cuatro variedades de laenfermedades,2 pero la gran mayora de los casos co-rresponde a dos clases principales: la DM tipo 1 y la tipo2. En la primera, la caracterstica ms relevante es ladestruccin de las clulas del pncreas, de manera quela produccin de insulina es nula o insignificante. En lasegunda, el rasgo principal es la resistencia de los teliidosperifricos a la accin de la insulina.3 como resultado dealteraciones en los eventos bioqumicos posteriores a launin de la hormona con su receptor, y en casos menosfrecuentes a alteraciones en el receptor. La DM tipo 2 es la msfrecuente en la poblacin mexicana, al igual que en lapoblacin mundial.

Uno de los aspectos an no resueltos de la DM, apesar de la vasta informacin disponible, es el origen delas complicaciones crnicas en rganos y sistemas sen-sibles afectados por la hiperglucemia. Los mecanismosde la fisiopatogenia propuestos son diversos, tal vezporque derivan del anlisis de distintos puntos de vista deun mecanismo patognico comn, o bien, existen meca-nismos especficos del tipo de tejido. Se considera que elprincipal factor de riesgo es la hiperglucemia crnica, porello las primeras complicaciones crnicas de la DM sonel resultado de las reacciones qumicas y de la activacino alteracin del metabolismo causado por el exceso deglucosa. Se ha postulado que la hiperglucemia puedecausar complicaciones micro y macrovasculares asocia-das a la diabetes mediante cinco mecanismos principa-les;4,5 acumulacin y accin de productos de glicacinavanzada,6-8 incremento en la actividad de la va delsorbtol,9 aumento en la va de las hexosamnas,10 activa-cin de diversas isoformas de la protena cinasa C,11 y

aumento en el estrs oxidatvo.12,13 Cada uno de estosmecanismos moleculares merece especial atencin yser tratado en esta revisin. Adems, se enfatizar enlas principales alteraciones metablicas que se originande ellos, todo encaminado a explicar parte de las causasde las complicaciones crnicas de la enfermedad y suclasificacin, continuando con el anlisis de los mecanis-mos mencionados.

Fisiopatologa de la diabetes mellitus

Las manifestaciones clnicas de la DM son variadas y enmuchas ocasiones inespecficas, aunque la mayora delos signos y de los sntomas estn relacionados con lahiperglucemia sostenida o con la resistencia a la insulina.Las primeras manifestaciones de la diabetes tipo 2tienden a aparecer durante la edad adulta, despus de latercera dcada de la vida, y son mucho ms discretasque las que se presentan en la tipo 1; de hecho, un altoporcentaje de pacientes son asintomticos y tan sloexhiben altas concentraciones de glucosa en el plasma.

Las complicaciones en los pacientes con diabetespueden ser agudas o crnicas. Es poco frecuente que laprimera manifestacin sea un cuadro agudo de descom-pensacin (cetoacidosis o coma hiperosmolar). Al pa-ciente diabtico se le identifica cuando manifiesta algunacomplicacin crnica de la enfermedad, como la neu-ropata diabtica. En la actualidad las complicaciones agudashan dejado de ser causa de muerte, por lo que el enfermocon DM tipo 2 tiene una vida ms larga, pero debeenfrentarse a las complicaciones crnicas de la enferme-dad. Estas complicaciones, dependiendo de si afectan losvasos capilares sanguneos, pequeos o de mayor cali-bre, se clasifican en micro y macrovasculares, respecti-vamente. Las primeras se relacionan principalmente condao al endotelio y msculo liso de microvasculatura y semanifiesta como nefropata, retinopata y neuropata diab-tica. Este tipo de complicaciones emerge por influenciasgenticas sobre las cuales se yuxtaponen trastornosmetablicos y hemodinmicos, que tiene como caracters-tica anatmica el engrosamiento de las membranas basa-ses de los vasos capilares, lo que posteriormente conducea angiopata oclusiva, hipoxia y dao del tejido. El aumentode estas complicaciones se correlaciona en la mayora delos casos con la severidad y duracin de la hipergiucemiacrnica. Por ejemplo, niveles posprandiales de glucosasuperiores a 11 mM, se asocian frecuentemente con lascomplicaciones renales, de retina y neurolgicas, las quese pueden iniciar cinco o diez aos despus de manifes-tarse la enfermedad.14-16

Las complicaciones macrovasculares17 son las mscomunes en la DM tipo 2, incluye a un grupo de trastornosque se caracterizan por ateroesclerosis y enfermedad

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Daz-Flores M. y cols.

isqumica del corazn en todas sus modalidades, y sonuna de las principales causas de muerte en el pacientediabtico.

La hiperglucemia ha sido identificada como factor deriesgo autnomo, que causa dao cardaco y conduce a lacardiomiopata diabtica, independiente de la presencia deenfermedad vascular. A diferencia de las complicacionesmicrovasculares, la asociacin de ateroesclerosis con hi-perglucemia no es tan congruente. En cambio, la hiperglu-cemia posprandial y la concentracin de insulina en el sueros predicen el riesgo de enfermedad ateroesclertica.18Frecuentemente los factores de riesgo para estas enferme-dades (obesidad, hipertensin y dislipidemia), anteceden aldiagnstico de DM hasta por ocho o ms aos. En compa-racin con los no diabticos, el enfermo diabtico tienede dos a cuatro veces ms probabilidades de presentarinfarto al miocardio, as como otros trastornos asociadoscon la ateroescierosis.

En gran medida las complicaciones de la diabetesinducida por la hipergiucemia, se originan por cambiosqumicos y funcionales de las protenas, alteracin en laexpresin de los genes y dao del endotelio.19 Al parecerla disfuncin del endotelio es la causa principal de lascomplicaciones vasculares, porque en este tejido sepresenta un desequilibrio en la produccin de sustanciasvasoactivas, que consiste en la disminucin de la pro-duccin de vasodilatadores como el xido ntrico, y en elaumento de la liberacin de vasoconstrictores como laendotelina-1 (ET-1). Asimismo, hay aumento en la libe-racin de factores procoagulantes. En conjunto estasalteraciones pueden explicar, en parte, la mayor inciden-cia de ateroesclerosis e hipertensin en este tipo depacientes. Pero adems, en el endotelio y en otrasclulas se incrementa la expresin del inhibidor delactivador del plasmingeno-1 (PAI-1), de protenas de lamatriz extracelular, citocinas y factores del crecimiento[entre los que se encuentran: el factor de crecimiento delendotelio vascular (VEGF), el factor de crecimientotransformante (TGF ) y el factor de necrosis tumoral (TNF )]. Lo anterior provoca alteraciones celulares yorgnicas, dependiendo del lugar donde se producen.

As, la sobreproduccin del VEGF en la retina facilitala ruptura de la barrera de permeabilidad vascular, migra-cin de leucocitos, inflamacin y la neovascularizacinpatolgica, lo que propicia la aparicin de la retinopatadiabtica proliferativa, una de las causas principales deceguera en los pases industrializados.20

El aumento en la expresin de protenas de la matrizextracelular (fibronectina, laminina y colgena tipo IV) yde PAI-1 est involucrado en el engrosamiento de lamembrana basal de vasos capilares sanguneos englomrulos y retina, y en la expansin de la matrizmesangial en rin,21 responsables en parte de la retino-pata y nefropata diabticas. Estas anormalidades son

resultado de la acumulacin de componentes de matrizextracelular, ya sea por aumento en su produccin, poralteraciones en su degradacin o por incremento defactores de crecimiento como el TGF. La disminucinen la degradacin de la matriz extracelular en el pacientediabtico se debe en gran medida a la sobreproduccindel PAI-1, el cual inhibe la activacin de lasmetaloproteinasas.22

Alteraciones metablicas en la diabetes mellitus

Acumulacin y accin de productos de glicacinavanzada

Louis-Camille Maillard, en 1912, fue el primero en sea-lar la importancia de las modificaciones de las protenasinducidas por carbohidratos en la patologa humana.23Estas modificaciones son producidas durante la hiper-glucemia crnica y son causadas por la interaccin de laglucosa y de otros carbohidratos como la fructosa y laglucosa-6-fosfato o sus derivados con las protenas,cidos nucleicos, y lpidos, para formar productos deglicacin avanzada, conocidos como AGE o AGEs7 (porsus siglas en ingls, advanced glycation end products).

Este proceso, es conocido como glicacin y estasociado con el envejecimiento que se acelera con ladiabetes, y se inicia con la reaccin de los grupos car-bonilos de los carbohidratos con los grupos amino de lasprotenas, en especial con el amino terminal y el -aminode residuos de lisina, dando origen a los productostempranos de glicacin, tambin llamados de Amadori ofructosamina. A partir de ellos y por cambios o transposi-ciones moleculares y oxidaciones, se forman compuestos-dicarbonilos (-oxoaldehdos) como la 3-desoxiglu-cosona,24 el metilglioxal y el glioxal, los que son conocidoscomo precursores de los AGEs; stos son ms reactivosque sus predecesores y al combinarse simultneamentecon dos grupos reactivos de las protenas, forman puentescruzados entre ellas muy estables; produciendo suagregacin, y prdida en sus funciones biolgicas. Lasprotenas ricas en aminocidos bsicos (L-lisina y L-arginina) son especialmente susceptibles a la glicacin.

La 3-desoxiglucosona se puede formar tambin di-rectamente por la autooxidacin de la glucosa catalizadapor metales, en este proceso se produce el radicalsuperxido, precursor de otras especies reactivas deoxgeno. El metilglioxal y el glioxal derivan principalmentede intermediarios de la gluclisis25 como el gliceraldehdo-3-fosfato y la dihidroxiacetona fosfato, que se acumulana consecuencia de la hiperglucemia. Las concentracio-nes de metilglioxal y 3-desoxiglucosona se elevan en elplasma del modelo animal con hiperglucemia y en elpaciente diabtico.26,27 La formacin intracelular de AGEs

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es ms rpida que la extracelular, por lo que se hapropuesto que la alta concentracin intracelular de gluco-sa desencadena la produccin de AGEs intra yextracelularmente.28

Diversos estudios han constatado que la formacinde los AGEs aumenta en una proporcin mayor a la de laglucemia, este hecho sugiere que incluso elevacionesmoderadas resultaran en la acumulacin substancial deestos productos de glicacin avanzada en los pacientesdiabticos. De igual manera, perodos cortos de hiperglu-cemia, como ocurre con las alteraciones de la toleranciaa la glucosa, pueden ser suficientes para fomentar suformacin. Este proceso se encontr en la hemoglobinade los pacientes. No obstante, a partir de los productosde Amadori, la glicacin puede proceder independiente-mente de la glucemia. Estas reacciones son irreversiblesy las modificaciones slo desaparecen con la degrada-cin de la protena modificada. Los AGEs son compues-tos muy variados estructuralmente, entre otros podemosencontrar a la hidroximidazolona, puentes cruzados debis(lisina)imidazolio, derivados de monolisina (N-(carboximetil)-lisina), argipirimidina y pentosidina.

Las protenas modificadas por los AGEs puedenencontrarse en el plasma, en el compartimiento intrace-lular y en la matriz extracelular; especialmente en la paredarterial, el mesangio glomerular, las membranas basalesglomerulares, los vasos capilares sanguneos, lavasculatura retiniana, el cristalino, el perineurum y lasfibras nerviosas mielnicas y amielnicas. La acumulacinde los AGEs ocurre ms frecuentemente en protenas delarga vida. Adems se han encontrado AGEs en diversasprotenas, entre ellas la colgena de distintos tipos, las delcitoesqueleto, la mielina y las histonas. De esta maneramodifican al ensamble del citoesqueleto y a la funcinreguladora de la matriz extracelular sobre las clulas.

Los AGEs afectan no slo por alterar la estructura yfuncin de las protenas, sino tambin por su accin conreceptores especficos.29 Se han descrito receptores paralos AGEs en numerosas clulas, incluyendo a losmonocitos, a los macrfagos, a las clulas endoteliales,a las clulas mesangiales, a los pericitos, a los podocitos,a las neuronas perifricas y a la microgla. La lista de lasmolculas capaces de ligar a los AGEs incluye a losreceptores I y II, al receptor de AGEs (RAGE), a laoligosacaril transferasa (AGE-RI), a. la fosfoprotena80K-H (AGE-R2) y la galectina-3 (AGE-R3). Las prote-nas glicadas que se unen a estos receptores inducendiversos eventos como la produccin de especies reac-tivas de oxgeno (ERO), estado proinflamatorio; prolife-racin de clulas (como los macrfagos) y las del endotelioy msculo liso arterial; la activacin de factores de trans-cripcin como el NFB; as como la expresin de diversospptidos y protenas (incluyendo a factores de crecimiento,citocinas, protenas de matriz extracelular y PAI-1). En

los macrfagos estimulan la produccin de la interleucina-1, el factor de crecimiento-1, el factor de crecimientotumoral y el factor estimulante de colonias degranulocitos (IL-1, GF-1, TNF y GC-SF, respectiva-mente, por sus siglas en ingls), en tanto en los glomrulosinducen el aumento de la sntesis de la colgeno tipo IV.

La respuesta inducida por la unin de los AGEs a sureceptor RAGE es mediada a travs de la produccin deERO, que a su vez, activan in vivo e in vitro al factor detranscripcin sensible al estado xido-reductivo el NFB.30De acuerdo con lo anterior se ha encontrado que las clulasmononucleares de sangre perifrico provenientes de pa-cientes con mal control de la glucemia o con nefropatadiabtica aumenta la activacin de este factor,31 mientrasque el control de la hiperglucemia o el uso de antioxidantescomo el cido -lipoico disminuye su activacin.

Durante algunos aos se pens que los AGEs seformaban solamente en las macromolculas extracelularesde larga vida; debido a que la velocidad de formacin delos AGEs por la glucemia es lenta, y las protenasintracelulares con una velocidad de recambio de minutosu horas no tendran tiempo suficiente para acumularsedespus de ser modificadas. Sin embargo, se ha demos-trado in vivo,32 que los AGEs aparecen y se puedenacumular en las histonas de los hepatocitos. Resultadosanlogos se han encontrado en las clulas de losislotes de Langerhans, las que comparten con loshepatocitos el mismo transportador de glucosa (GLUT 2)independiente de insulina. Esta glicacin intracelularrefleja el aumento de metabolitos intermediarios (glucosa-6-fosfato y gliceraldehdo-3-fosfato) inducido por la hiper-glucemia, que son mucho ms reactivos que la glucosa.De esta manera la formacin de los AGEs en los cidosnucleicos puede producir efectos dainos en la prolifera-cin celular y en la expresin gnica. En resumen, laglicacin es un fenmeno importante en el desgaste deltejido del paciente diabtico.

Incremento en la actividad de la va del sorbitol

La glucosa intracelular tiene varias alternativas metab-licas dependiendo de los requerimientos de la clula. Enlos rganos y tejidos que no requieren insulina para lacaptacin de glucosa y en los cuales se presentanprincipalmente las complicaciones crnicas en condicio-nes de hiperglucemia (rin, retina, cristalino, corazn ysistema nervioso central). La ruta preferencial de conver-sin de la glucosa es la va del sorbitol, tambin conocidacomo la va de los polioles. En ella, la glucosa estransformada por la accin secuencial de dos enzimas:la aldosa reductasa (AR) y la sorbitol deshidrogenasa(SDH). La primera es la responsable de la reduccinirreversible de la glucosa en sorbitol y requiere como

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coenzima a la nicotinamida adenina dinucletido fosfatoreducido (NADPH). Esta enzima controla la va, y seactiva al estar en contacto con altos niveles de glucosa.33Debido a lo anterior aumenta la concentracin de sorbitoly disminuye la disponibilidad de NADPH.

La SDH, segunda enzima, cataliza la transformacindel sorbitol en fructosa con la concomitante formacin denicotinamida adenina dinucletido reducido (NADH). Estareaccin es el punto crtico de la va, con repercusin enlas complicaciones diabticas, tanto por la acumulacinde los productos formados (NADH y fructosa), como porsu reversibilidad.

A continuacin analizaremos las consecuencias delas alteraciones en la concentracin de metabolitos cau-sadas por la activacin del sorbitol.

Consecuencias del consumo de NADPH

La cada en la concentracin de NADPH afecta negati-vamente la actividad de otras enzimas que tambin lorequieren, como la xido ntrico sintasa (NOS), la glutatinreductasa (GR), la catalasa y la NADPH oxidasa. Algunasde ellas participan en los mecanismos antioxidantes; porlo tanto, el agotamiento de NADPH explicara, en parte, ladeficiencia de los sistemas antioxidantes en el pacientediabtico como el dependiente del glutatin y de la catalasa.

Para que el glutatin realice su accin como principalantioxidante intracelular en respuesta a especies reacti-vas de oxgeno (anin superxido, radical hidrxilo yperxidos orgnicos e inorgnicos) es requisito indispen-sable que mantenga su forma reducida (GSH),34 poraccin de la glutatin reductasa, sobre la forma oxidada(GSSG), lo que requiere del consumo de NADPH. Porotra parte, la activacin de la catalasa35 tambin dependede NADPH (Figura 1).

Efectos de la acumulacin de la fructosa

La transformacin bioqumica de la fructosa que afecta alorganismo inicia en la mayora de los tejidos, excepto en elhgado, con su fosforilacin por una hexocinasa especfica,dando lugar a la fructosa-6-fosfato que se metaboliza en laruta glucoltica (Figura 2). De esta manera, la va de lospolioles y la gluclisis se acoplan; como ha sido descritodurante la isquemia y la perfusin del tejido cardiaco, ascomo de los glomrulos en ratas diabticas,36,37

La gluclisis es uno de las principales rutas quepropicia la oxidacin de la glucosa, que convierte una

Figura 1. Formacin de especies reactivas de oxgeno favorecidospor la hiperglucemia y disminucin de los mecanismos antioxidantespor falta de NADPH (NADPH + H+).

Figura 2. Repercusin del aumento de fructosa en la relacinNADH/NAD+ y la va glucoltica. Finalmente sern parte de lossustratos que originen las complicaciones crnicas en la diabetesmellitus.PKC (protena cinasa C), FC (fructosa cinasa), G6P (glucosa 6fosfato), F6P (fructosa 6 fosfato), FBP (fructosa 1,6, bifosfato),G3P (gliceraldehdo 3 fosfato), DHAP (dihidroxi acetona fosfato),NADPH (NADPH + H+), NADH (NADH + H+).

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molcula de azcar en dos molculas de piruvato, dos deATP y dos equivalentes reductores en forma de NADH.Este proceso implica 10 reacciones catalticas, desde laactivacin de la glucosa hasta la formacin del piruvato.Las cinco primeras constituyen una fase de consumo deenerga donde se sintetizan azcares fosfato a expensasde la conversin de ATP en ADP, y el sustrato se rompeen dos carbohidratos fosforilados de tres carbonos (triosasfosfato). Las cinco ltimas reacciones generan energa;porque las triosas-fosfato se convierten en compuestosricos en ella y donan grupos fosfato para la sntesis deATP a partir de ADP.

La oxidacin del gliceraldehdo-3-fosfato (G3P)catalizada por la enzima gliceraldehido-3-fosfato deshidro-genasa (G3PDH) es de las reacciones ms importantesde la gluclisis, por que en ella se forma el primerintermediario de alta energa y un par de equivalentesreductores en forma de NADH.

El acoplamiento entre la gluclisis y la va del sorbitolconduce a diversas alteraciones metablicas, entre ellas:

a) Acumulacin de intermediarios de la gluclisis, prin-cipalmente el G3P y la dihidroxiacetona fosfato(DHAP), ambos altamente reactivos con la capaci-dad de glicar protenas y generar estrs oxidativo.Como se mencion anteriormente originan precur-sores de productos de glicacin avanzada.

b) Aumento de la relacin NADH/NAD+. El aumento deesta relacin se explica por dos mecanismos: por laactividad de la segunda enzima de la va del sorbitol(SDH) y el desequilibrio entre la velocidad de oxida-cin del G3P a 1,3 bis-fosfo-glicerato (1,3BPG) y lavelocidad de reduccin del piruvato a lactato. Laprimera reaccin produce NADH y la segunda loconsume; sin embargo, durante la hiperglucemia laprimera es favorecida.38

c) Inhibicin de la G3PDH. Esta enzima desempea unpapel fundamental en la gnesis de las complicacio-nes diabticas. Cuando la concentracin intracelu-lar de la glucosa es alta su actividad es inhibida,razn por la cual se acumulan las triosas fosfato conlas consecuencias descritas. Son mltiples las cau-sas que reducen su actividad entre ellas:

Aumento en su degradacin debido a la disocia-cin de sus cuatro subunidades, causado por lasconcentraciones altas de NADH generadas en lava del sorbitol.39

Oxidacin de sus grupos tiol (SH) necesarios parasu actividad, como consecuencia del estrsoxidativo.40

Disminucin de su expresin debido a la reduccinde insulina, hormona que regula la transcripcindel gen de la enzima.41

La acumulacin de aldehdos que inhiben a laenzima.42

Decremento de NAD+ necesario para que acte. Glicacin de la enzima.43

De este anlisis se puede especular que la G3PDHest involucrada en el estrs oxidativo de las clulasdurante la diabetes.

En el hgado la fosforilacin de la fructosa depende deotra enzima, la fructocinasa, la cual la convierte enfructosa-1-fosfato, que cuando es fragmentada por unaenzima especfica, la aldolasa B da origen a la DHAP yal glicerol. La presencia de la aldolasa B explica lafacilidad con que la fructosa administrada por va oral seconvierte en lpidos, ya que sus productos DHAP yglicerol, se transforman en sn glicerol-3-fosfato, a partirdel cual se sintetizan triacilgliceroles (sntesis de novo).La acumulacin de triacilgliceroles conduce a la activa-cin de la protena cinasa C.

Otro compuesto derivado de la fructosa es la fructosa-3-fosfato, la cual se acumula en los cristalinos y eritroci-tos de ratas diabticas.Este producto cuando se hidrolizaproduce 3-desoxiglucosona, ambos tienen la propiedadde glicar protenas.41 Es evidente que el aumento de lafructosa-3-fosfato y su hidrlisis contribuye a la glicacinde protenas, efecto que depende de la concentracin dela 3-desoxiglucosona, de la velocidad de hidrlisis de lafructosa-3-fosfato y de la eficiencia de algn mecanismode desintoxicacin para la 3-desoxiglucosona. La depu-racin de fructosa-3-fosfato en el cristalino y el eritrocitoes a travs de 3-desoxifructosa o del cido 2-ceto-3-desoxiglucnico.

Efectos de la acumulacin del sorbitol

Las clulas animales tienden a mantener su volumennormal, inicialmente acumulando sales de sodio y pota-sio, posteriormente captando agua. Sin embargo, estafase de osmorregulacin es temporal, debido a quedespus de un tiempo prolongado las clulas en generaly, en particular, las de la mdula renal, necesitan meca-nismos adicionales para regular su osmolaridad; por loque acumulan osmolitos orgnicos que provienen delmedio o de la sntesis intracelular. Los solutos orgnicososmticamente activos se conocen como solutos com-patibles o solutos no perturbadores. El sorbitol, laglicerofosforilcolina y el inositol (polioles) pertenecen aeste grupo de compuestos que tienden a acumularse enuna gran variedad de organismos expuestos a un am-biente alto en sales. Si bien, la acumulacin de sorbitolpuede ser benfica en la mdula renal, ste y otrospolioles normalmente no se concentran en otros tejidosy cuando esto ocurre puede producir dao celular. As, la

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acumulacin de sorbitol debido a su incapacidad paradifundir con facilidad al exterior, conduce a un aumentode estrs osmtico en las clulas, y esto es especialmen-te importante para explicar el dao a nivel de cristalino.46Adems los estudios realizados en ratas diabticas hanasociado el exceso de sorbitol en los cristalinos con eldesarrollo de cataratas.47

El estrs osmtico en los cristalinos se origina debidoa que la acumulacin del sorbitol provoca que la clula sehinche, alterando la permeabilidad de la membrana ypromoviendo cambios bioqumicos asociados con la for-macin de la catarata. Con base en estas observacionesy en estudios de clulas en cultivo y modelos experimen-tales, se ha postulado que el estrs osmtico es iniciadopor la AR. Esta hiptesis se ve apoyada por el hecho deque el uso de inhibidores de la AR previenen o retardansignificativamente la formacin de.cataratas.48 Sin embar-go, la acumulacin de sorbitol no es suficiente paraexplicar el origen de la neuropata, retinopata y nefropatadiabticas, porque la concentracin de sorbitol en estosrganos es mucho menor que la observada en los crista-linos, a menos que la acumulacin del sorbitol sea muy altaen pequeos compartimientos de estas clulas.

La inhibicin de las dos enzimas de la va de los poliolespodra ser una alternativa teraputica para el tratamientode las complicaciones diabticas. Sin embargo, Tilton ycolaboradores49 han considerado que podra ser msimportante inhibir a la SDH que a la AR, dado que estoevitara la acumulacin de fructosa, de NADH y de meta-bolitos que favorecen el aumento de productos de glico-silacin avanzada relacionados con el estrs oxidativo, laresistencia a la insulina y alteraciones enzimticas. Tam-bin proponen que el estrs osmtico ocasionado por elaumento de sorbitol, podra contrarrestarse por la dismi-nucin de los desequilibrios redox y metablico que resul-tan de la oxidacin del sorbitol a fructosa.

Activacin de la va de las hexosaminas

La fructosa va sorbitol contribuye en la activacin de la vade las hexosaminas, debido a que la formacin de la glu-cosamina-6-fosfato proviene exclusivamente de lafructosa-6-fosfato y la glutamina, mediante una reaccinirreversible catalizada por la glutamina: fructosa-6-fosfatoamidotransferasa (GFA), enzima que regula la va. Laglucosamina-6-fosfato a travs de tres reaccionessubsecuentes, finalmente da origen a la UDP-N-acetilglu-cosamina y a la UDP-N- acetilgalactosamina, que se utilizanen la formacin de las glicoprotenas y los proteoglicanos.El aumento del flujo a travs de esta va est relacionadocon algunos efectos de la diabetes, contribuye en partea la estimulacin de la expresin de genes como los del TGF,TGF150, y del inhibidor del activador del plasmingeno-

1 (PAI-1).51 Tambin participa en la induccin de laresistencia a la insulina por lpidos o por hipergiucemia.52

La resistencia de ciertos tejidos a responder a laaccin de la insulina es una caracterstica distintiva deciertas patologas como la DM tipo 2. No obstante que losmecanismos celulares y moleculares responsables deeste fenmeno no son del todo entendidos, se ha asocia-do a la activacin de va de las hexosaminas con eldesarrollo de la resistencia a la insulina.53

Mediante el uso de infusiones de glucosamina, se hapodido demostrar que hay una correlacin entre los incre-mentos tanto de la UDP-N- acetilglucosamina como de laactividad de la GFA, y la insuficiencia de la captacin deglucosa en los tejidos adiposo y muscular.54 Quiz laevidencia ms contundente al respecto provenga del mo-delo transgnico,55 ya que cuando se sobreexpresa laenzima GFA, se propicia el aumento de intermediarios deesta va y disminuye la induccin por la insulina de latraslocacin de los transportadores de glucosa (GLUT 4) ala membrana celular.

Se han propuesto varias hiptesis para explicar elmecanismo por el cual la activacin de las hexosaminasinduce resistencia a la insulina. Una de ellas gira en tornoa la glucosamina como responsable de impedir la accinde la insulina, al inhibir la fosforilacin y la activacin parael sustrato del receptor de insulina-1 (IRS-1), protena desealizacin postreceptor de insulina. Otra propuestams compleja, sugiere que algunas de las protenas queparticipan en la accin de la insulina, como los IRS y eltransportador GLUT4, pueden ser modificadas a nivelpostraduccional56 por la adicin de la N-acetilglucosamina.Estos residuos de serina y/o treonina requieren de serfosforilados para que la insulina ejerza su accin; sinembargo, al unirse la N-acetilgiucosamina, el proceso defosforilacin no se realiza y con ello la accin de lainsulina disminuye. El enlace que se forma entre lasprotenas de sealizacin y la N-acetilglucosamina esdel tipo O-glicosdico (O-NaGlc). Existen evidencias deque la incorporacin de N-acetilglucosamina en residuosde serina y treonina puede afectar varios procesoscelulares al inhibir la fosforilacin de protenas en estosresiduos.57 En apoyo a lo anterior, Patti y colaboradores58observaron que las infusiones de glucosamina produ-can un aumento de las uniones O-NaGlc en IRS-1 e IRS-2 en msculo esqueltico. Es factible que a consecuen-cia de ello se alteren eventos tempranos en la va desealizacin de la insulina, ya sea en forma global o ensitios especficos, disminuyendo finalmente la fosforilacinde IRS y el transporte de glucosa dependiente de lahormona. La glucosaminilacin del transportador GLUT4altera su afinidad a la glucosa, disminuye su actividad yestabilidad, y modifica su distribucin celular; lo cualpuede conducir a la falla o al desarreglo del sistema detransporte de la glucosa (Figura 3).

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Activacin de la protena cinasa C

La acumulacin de DHAP y G3P promueve la produccinde diacilgliceroles (DAG), y la subsecuente activacin dela protena cinasa C (PKC), mismos que tambin afectanla homeostasis vascular.59

La PKC pertenece a la familia de las serinas/treoninasfosfocinasas, y presenta por lo menos 11 isoformas (1, 2, , , , , , y ), codificadas por 10 genesdiferentes. Estas protenas se clasifican en cuatro cla-ses: las convencionales o clsicas ( 1, 2 y ), lasdependientes de Ca2+ y fosfolpidos; las nuevas isoformasindependientes de Ca2+ (,,,,) las atpicas ( y ) y lasindependientes de Ca2+ y fosfolpidos ().

El DAG es un activador natural de la PKC y suproduccin aumenta en las clulas del endotelio, la retinay los glomrulos renales durante las complicacionesdiabticas en modelos animales y en el humano.60 Enclulas vasculares en cultivo, concentraciones altas deglucosa (22 mM) causan el aumento en el contenido de DAG,alcanzando un mximo al tercer y quinto da de inicio deltratamiento. Adems, los niveles elevados de DAG semantienen de manera crnica en animales diabticos.

El DAG puede formarse tambin a partir de fosfoinos-tidos por la accin de la fosfolipasa C. Sin embargo,durante la diabetes su aumento es principalmente por lasntesis de novo a partir de intermediarios glucolticos,61 enparticular de la dehidroxiacetona fosfato. Otros posiblesactivadores de la PKC son el metilglioxal,62 la glucosamina,63y las ERO.64 Todos ellos se generan debido a alteracionesmetablicas que se presentan en la diabetes.

Las alteraciones celulares y funcionales atribuidas ala activacin de la PKC son muy variadas, y dependen dela funcin de esta enzima en los mecanismos de trans-duccin de seales y en su participacin en la regulacinde la expresin de diversos genes, incluyendo a los deprotenas de matriz extracelular (fibronectina y colgenotipo IV), del PAI-1 y del TGF y su receptor.65 Suactivacin induce la expresin de los genes antes sea-lados en clulas mesangiales en cultivo o en glomrulosde ratas diabticas. Adems, afecta la produccin desustancias vasoactivas, por una parte deprime la produc-cin de xido ntrico y por otra estimula la expresin dela ET-1,66 lo que conduce a la disminucin del flujosanguneo de la retina, los nervios perifricos y el rin,en el modelo de diabetes experimental.

En la retina, el decremento del flujo sanguneo puedellevar a una hipoxia local, que induce la expresin delVEGF, que a su vez aumenta la permeabilidad del en-dotelio y la formacin de microaneurismas. In vitro, lainteraccin de ET-1 y VEGF incremento la permeabilidadvascular debido a un desarreglo de la actina F y a undesajuste en las uniones de los endotelios, pudiendo seresto una posible explicacin de la patologa ocular.

Se piensa que los genes de las protenas de matrizextracelular tienen secuencia consenso en su reginpromotora, la que interacta con factores transcripcionalesmodulados por la PKC. Uno de estos factores es elactivador de protenas (AP-1), que media la induccin dela transcripcin en respuesta a activadores de la PKC,como son los steres de forbol y el DAG, unindose aelementos conservados del DNA conocidos como ele-mentos de respuesta. Los genes para la fibronectina y lalaminina contienen esta secuencia de unin para el AP-1 en su promotor. La activacin de la PKC por la hiperglu-cemia disminuye la degradacin de la matriz extracelularal causar la sobreexpresin del inhibidor del PAI-1.

Aumento del estrs oxidativo

Muchos de los cambios metablicos causados por lahiperglucemia producen estrs oxidativo debido al au-mento en la formacin de ERO y a la disminucin de lossistemas de defensa antioxidantes.30,67 En condicionesde hiperglucemia las ERO se generan principalmentedurante la autooxidacin de la glucosa y en diferentes

Figura 3. Resistencia a la insulina potencializada por el incrementodel flujo de la va de las hexosaminas. IRS-1 (sustrato del receptorde insulina l), GLUT4 (transportador de glucosa 4), Sp-1 (factortranscripcional), REO (receptor de estrgeno p), p53 (protenasupresora tumoral 53).

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reacciones oxidativas que acompaan a la glicacin deprotenas, lpidos y cidos nucleicos. Existen resultadoscontradictorios cuando se analizan metabolitos o enzimasantioxidantes, dependiendo de los tejidos o sistemas quese estudien; sin embargo, en general se ha observado undeclive en ellos, lo que es consecuencia de la disminu-cin en la disponibilidad del NADPH y del glutatinreducido; as como del dao oxidativo de las enzimasinvolucradas.

El estrs oxidativo est ntimamente vinculado a laglicacin, por lo cual la accin combinada de estos dosprocesos se conoce como glucooxidacin. Las EROconducen tambin a modificaciones estructurales de lasprotenas, originando compuestos en ocasiones simila-res a los productos de glicacin. Adems, los compues-tos resultantes de la lipoperoxidacin, como elmalondialdehdo, se pueden unir a las protenas y ampli-ficar el dao inducido por la glucooxidacin.

La generacin de las ERO se encuentra aumentadatanto en la diabetes tipo 1 como en la 2, y en modelosexperimentales, aun antes de que las complicacionesdiabticas sean evidentes; por ello, se ha sugerido que elsurgimiento de la diabetes, el desarrollo de resistencia ala insulina y de las complicaciones tardas de la diabetes,estn estrechamente asociados al estrs oxidativo. LasERO contribuyen a la resistencia a la insulina, debido aque interfiere con las vas de sealizacin inducida poresta hormona y evitan la traslocacin del transportadorde glucosa GLUT 4 a la membrana plasmtica. El meca-nismo por el que contribuyen a las complicaciones de ladiabetes es parcialmente conocido y se piensa queactan por la modificacin oxidativa de macromolculasy por la activacin del factor de transcripcin NFB,30 loque conduce a la expresin alterada de genes. Enconcordancia con esta hiptesis, se ha encontrado queen pacientes diabticos el empleo de antioxidantes comoel cido lipoico reduce la activacin del NFB.

Conclusiones

Las complicaciones en los pacientes con diabetes sonconsecuencia de la hiperglucemia y la resistencia a lainsulina, y probablemente la forma en que la primerainduce el dao en diversos tejidos u rganos depende delas caractersticas metablicas de los mismos.

Las alteraciones metablicas inducidas por la hiper-glucemia intervienen conjuntamente en el desarrollo dela enfermedad (Figura 4), por lo que es difcil evaluar cules ms importante. El uso de inhibidores de la AR enanimales y humanos indica que la va de los polioles estimplicada en la neuropata diabtica, sin embargo pudie-ra tener poca relevancia en el dao en la retina, el riny el msculo. Esto tal vez se deba a la limitada eficiencia

y efectos adversos de las drogas; pero se espera que alinhibir la va de los polioles, la glucosa sea canalizada ala gluclisis, donde se favorece la acumulacin de triosasy formacin de los precursores de glicacin, lo que causaen gran medida las complicaciones asociadas a la enfer-medad. Hasta el momento se han evaluado clnicamentediferentes inhibidores de la AR: el Alrestatin de grantoxicidad y con una respuesta pobre en el tratamiento dela neuropata diabtica. El sorbinil, efectivo en prevenir laformacin de la catarata; y mejorar la conduccin nervio-sa, pero con efectos cutneos colaterales que determi-naron su retirada del mercado.68 El stabil, mostr resul-tados ms alentadores en animales, pero no se pudieronreproducir en el ser humano. Bimoclobol otra alternativaen el tratamiento de la retinopata diabtica, los resultadosfueron desalentadores por la formacin de productostxicos al inhibir la AR. El tolrestat y zenarestat causarondisfuncin heptica69 y toxicidad renal,70 respectivamente.Entre las drogas mas actuales est el fidarestat,71 disea-do para el tratamiento de la neuropata y su eficiencia seatribuye a una rpida distribucin en los tejidos, uninselectiva a la AR, un metabolismo limitado, ausencia deefectos farmacolgicos y no presenta efectos sobreenzimas hepticas que metabolisan drogas. Otra alterna-tiva teraputica probada clnicamente y en el modelo

Figura 4. Modelo integrativo del mecanismo de induccin de lascomplicaciones de la diabetes.

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experimental es el uso de dosis altas de tiamina o suanlogo benzotiamina (S-benzoil piridoxamina fosfato),que previenen la acumulacin de triosas, la formacin deAGEs y el desarrollo de la neuropata diabticas.5

La formacin acelerada de AGEs al parecer desempeauna funcin ms general en la patogenia de las complica-ciones diabticas; su administracin conduce al engrosa-miento de la membrana basal arterial, a la disfuncinvascular compleja, a la expansin del mesangio, a laglomeruloesclerosis y a la proteinuria,13 mientras que inhi-bidores de su formacin (aminoguanidina y piridoxamina)impiden parcialmente las manifestaciones de la retino,nefro y neuropatas diabticas en animales y humanos.21

Tambin el bloqueo del receptor RAGE inhibe eldesarrollo de la nefropata y la ateroesclerosis, y mejorala cicatrizacin en individuos diabticos.72

Por otra parte, inhibidores de la protena cinasa Cdisminuyen la disfuncin vascular que conduce a laretino y neuropata diabticas.11 Es probable que cuandola concentracin intracelular de glucosa sea alta, almetabolizarse por la va del sorbitol y la gluclisis, sefavorezca la acumulacin de metabolitos y las condicio-nes que desencadenen la glicacin, la activacin de laprotena cinasa C y aumento del estrs oxidativo. Todosellos en conjunto conducen a la alteracin en la estructu-ra y funcionalidad de las protenas, adems de la expre-sin de genes as como base de las anormalidadestisulares que conducen al desarrollo de las complicacio-nes de la diabetes. El estudio de los mecanismosmoleculares del origen de las complicaciones diabticaspermitir encontrar nuevas opciones teraputicas parasu prevencin y tratamiento.

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