Metabolismo de la L-arginina en macrófagos
El destino del aminoácido L-arginina dentro de los fagocitos depende directamente del microentorno y de las moléculas de señalización que actúan sobre la célula. Se distinguen dos vías independientes de su escisión enzimática, que conducen a efectos biológicos completamente diferentes.
- Vía de la óxido nítrico sintasa inducible (iNOS). Se activa bajo la influencia de las citocinas proinflamatorias IFNγ y TNFα. La enzima descompone la L-arginina para formar citrulina y óxido nítrico (NO). Precisamente este proceso proporciona un potente efecto bactericida y también causa la dilatación vascular local (vasodilatación).
- Vía de la arginasa. Se pone en marcha por la influencia de las interleucinas IL-4 e IL-13. En este caso, la arginina se convierte en L-ornitina. A partir de la ornitina se sintetizan posteriormente la prolina (necesaria para la formación de colágeno) y las poliaminas (estimulan la proliferación celular).
Activación de la iNOS y acción del óxido nítrico
Para que la enzima iNOS comience a producir activamente óxido nítrico, se requiere la acción combinada (sinérgica) de las citocinas IFNγ y TNFα. Un factor de inducción adicional es la tetrahidrobiopterina, cuya actividad también aumenta en presencia de TNFα.
Por sí mismo, el óxido nítrico (sintetizado en el citosol) posee actividad microbicida y antitumoral, sin embargo, sus derivados causan un daño mucho mayor a los patógenos. El arma principal de los macrófagos pasa a ser el peroxinitrito ($OONO^-$). Este se forma cuando una molécula de NO se encuentra con un radical superóxido.
El mecanismo de acción del peroxinitrito consiste en la oxidación de los grupos sulfhidrilo (-SH) de las proteínas microbianas y otras moléculas, lo que las priva instantáneamente de su funcionalidad. Esta herramienta es altamente eficaz contra patógenos intracelulares complejos: micobacterias de la tuberculosis, protozoos, hongos y virus. Los productos finales de estas reacciones son aniones y radicales de nitrito, así como aniones nitrato.
Interacción entre la vía del oxígeno y la del nitrógeno
Los fagocitos cuentan con mecanismos de defensa alternativos basados en la generación de radicales tóxicos. Los sistemas bactericidas funcionan de manera óptima cuando las cascadas del nitrógeno y del oxígeno se combinan.
- Vía del oxígeno: La enzima NADPH oxidasa reduce el oxígeno a anión superóxido ($O_2^{\bullet-}$), el cual pasa posteriormente por una cascada hacia peróxido de hidrógeno y radical hidroxilo.
- Vía del nitrógeno: La enzima óxido nítrico sintasa genera el radical óxido nítrico ($NO^{\bullet}$).
El verdadero golpe al microbio se produce cuando entran en contacto. El anión superóxido y el óxido nítrico se fusionan para formar peroxinitrito. Posteriormente, este se convierte en ácido peroxinitrizo, el cual se descompone espontáneamente en dos componentes altamente agresivos: dióxido de nitrógeno ($NO_2^{\bullet}$) y radical hidroxilo ($OH^{\bullet}$).
Durante la evolución, los microorganismos han aprendido a defenderse de este ataque combinado. El principal escudo de las bacterias frente a los radicales de oxígeno y los compuestos nitrogenados es la enzima superóxido dismutasa bacteriana.
Acidificación del medio interno del fagolisosoma
La digestión exitosa de las bacterias no es posible sin la acidificación del contenido de los gránulos, un requisito indispensable para su fusión con los fagosomas. El proceso se desarrolla por etapas: en los endosomas tempranos el medio es ligeramente ácido (pH 6.0–6.5), en los tardíos desciende a 5.5–6.0, y en los fagolisosomas maduros alcanza 4.5–5.0. Dicha caída del pH ejerce directamente un efecto bacteriostático y bactericida.
La principal herramienta de acidificación es el complejo proteico V-ATPasa. Este bombea activamente protones de hidrógeno desde el citosol hacia el interior de la vesícula. Los fagosomas iniciales carecen de esta enzima, que solo llega a ellos tras la fusión con los lisosomas. En los neutrófilos, la V-ATPasa está presente en todos los gránulos excepto en los específicos (por lo que en ellos la reacción del medio es neutra).
Es interesante destacar que el pH en los fagolisosomas de los neutrófilos es ligeramente superior al de los macrófagos. Esto se debe a dos razones. En primer lugar, la potente NADPH oxidasa de los neutrófilos consume activamente protones libres para sintetizar peróxido de hidrógeno. En segundo lugar, las especies reactivas del oxígeno formadas inhiben parcialmente la actividad de la propia V-ATPasa.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué isoformas de la óxido nítrico sintasa (NOS) existen en el organismo humano?
En los materiales presentados se indican tres isoformas principales de la óxido nítrico sintasa:
- neuronal (nNOS);
- inducible (iNOS);
- endotelial (eNOS).
La NOS cataliza la formación de óxido nítrico a partir de arginina, oxígeno y NADPH.
¿Qué enzimas participan en la vía del oxígeno de la actividad bactericida de los fagocitos?
En la vía del oxígeno de la actividad bactericida de los fagocitos participan varias enzimas que aseguran la generación de radicales tóxicos y metabolitos halogenados.
- NADPH oxidasa (NADPH-oxidase) — inicia el estallido respiratorio al oxidar el $NADPH_2$ convirtiendo el oxígeno en anión superóxido.
- Superóxido dismutasa — cataliza la reacción en la cual se forma peróxido de hidrógeno a partir de dos moléculas de anión superóxido.
- Mieloperoxidasa (MPO) — enzima marcadora de los gránulos azurófilos de los neutrófilos, que cataliza reacciones oxidativas con la participación de peróxido de hidrógeno e iones haluro.
¿Qué cofactores son necesarios para la actividad catalítica de la enzima iNOS?
En los materiales presentados no se incluye la lista completa de cofactores necesarios para la actividad catalítica de la iNOS. Se menciona un activador adicional de la iNOS: la tetrahidrobiopterina, cuya actividad es estimulada por el TNFα.
Para recordar las bifurcaciones del metabolismo de la L-arginina: la vía de la Arginina «construye» (aporta prolina para el colágeno y la proliferación), mientras que la vía de la NO sintasa «destruye» (proporciona la capacidad bactericida).
Preguntas de clases y exámenes
¿Dónde exactamente se sintetiza el óxido nítrico dentro de la célula?
La síntesis de NO tiene lugar en el citosol de los monocitos y macrófagos, es decir, fuera de los fagosomas. Penetra en su interior gracias a su capacidad para atravesar fácilmente las membranas.
¿Qué sustancia posee el efecto bactericida más potente?
La mayor actividad microbicida la manifiesta el peroxinitrito. Este se forma por la interacción del óxido nítrico con el radical superóxido.
¿Por qué el medio en los fagolisosomas de los neutrófilos es menos ácido que en los macrófagos?
Esto se debe a que la NADPH oxidasa activa consume protones para generar peróxido de hidrógeno, reduciendo su concentración libre. Además, las especies reactivas del oxígeno debilitan el funcionamiento de las bombas de protones (V-ATPasa).
Qué más repasar sobre el tema
- Mecanismo detallado de trabajo de la NADPH oxidasa y de la vía del oxígeno.
- Papel bioquímico de las poliaminas y de la prolina en los procesos de regeneración.
- Mecanismos de acción de la superóxido dismutasa bacteriana.
- Organización estructural de la bomba de protones V-ATPasa.
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