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Rev Cubana End 1999;10(1):57-64
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Trabajos de Revisión

Instituto Nacional de Endocrinología

Productos de la glucosilación avanzada y diabetes mellitus

Dr. Manuel Ayra Rivas1 y Lic. Oscar Díaz Horta2

Resumen

El objetivo de este trabajo fue revisar algunos aspectos de la función de los productos de la glucosilación avanzada (PGA) en las complicaciones tardías de la diabetes mellitus. Dichos productos constituyen un grupo de moléculas que aparecen en los tejidos y la sangre de los pacientes diabéticos como consecuencia de la reacción de los monosacáridos con los aminoácidos básicos de las proteínas y algunos lípidos. Pueden clasificarse en 2 grupos atendiendo a su estructura molecular en imidazólicos y pirrólicos. Su propiedad química más importante es la de formar puentes intercatenarios entre las proteínas y alterar sus funciones biológicas. El depósito de PGA en las lipoproteínas está relacionado con la patogenia de la aterosclerosis en la diabetes. Los PGA formados en el colágeno y unidos a él reaccionan directamente con el óxido nítrico (ON), lo inactivan, esto pudiera explicar, en parte, el desarrollo de la hipertensión y el envejecimiento en el diabético. La aminoguanidina es capaz de inhibir el entrecruzamiento ocasionado por los PGA entre las proteínas del plasma y el colágeno. En el trabajo se concluyó que si se lograba disminuir la formación y acumulación de dichos productos, se lograría prevenir o retardar la aparición de estas complicaciones y así contribuir a una mejor calidad de vida del paciente diabético.

Descriptores DeCS: PRODUCTOS FINALES DE ALUGOSILACION AVAN-ZADA; DIABETES MELLITUS/com; HYPERTENSION; ENVEJECIMIENTO; CALIDAD DE VIDA.

Cuando reaccionan el grupo aldehído de un monosacárido y el grupo amino libre de los aminoácidos básicos de las proteínas se produce un ordenamiento molecular conocido como base de Schiff. Estas bases son inestables y experimentan un reordenamiento intramolecular lento que forma cetoaminas o fructosaminas (compuestos de Amadori), esta reacción es reversible; la cuantificación de sus productos es muy empleada para la evaluación metabólica del paciente diabético. La persistencia de las condiciones que dan origen a los compuestos de Amadori, favorecen que éstos se acumulen y se transformen, por reacciones no enzimáticas e irreversibles, en los productos de la glucosilación avanzada (PGA). Estos últimos son moléculas químicamente estables, o sea, que no se degradan cuando los niveles de glucemia descienden hasta la normalidad. Esta reacción, conocida como de Maillard, ocurre fundamentalmente en proteínas de vida media prolongada como el colágeno, la elastina, la mioglobina; también puede detectarse en proteínas de la sangre como la hemoglobina y en otros compuestos aminados como la fosfatidiletanolamina, que es un lípido presente en las lipoproteínas de baja densidad (LDL).1

El presente trabajo se propone mostrar la posible función de los PGA en la patogenia de algunas complicaciones crónicas de la diabetes mellitus.

Composición y propiedades de los PGA

Los PGA pueden clasificarse en 2 grupos, según predominen en su estructura molecular los anillos imidazólicos o los pirrólicos.2
Moléculas con estructura de anillo imidazol
a) 2-(2-furonil)-4(5)-(2-furanil)-1H-imidazol {FFI}
b) 1-alkil-2-formil-3,4-diglicosil pirrol {AFGP}
Moléculas con estructura de anillo pirrol
a) 5 hidroximethil-1-alkilpirrol-2-carbaldehído {pirralina}
b) Carboximetil-lisina {CML}
c) Pentosidina Estas moléculas aportan un color amarillo marrón a las proteínas que la contienen y pueden fluorecer al ser estimuladas con luz de 370 nm de longitud de onda y emitir luz entre los 440 y 460nm.

La propiedad química más importante de estas moléculas es la de formar puentes intercatenarios entre las proteínas, que alteran sus funciones biológicas.2 Existen múltiples ejemplos de estas alteraciones que citamos a continuación:3

Aumenta su afinidad por el oxígeno.3 Disminuye en el 50 % su afinidad a las drogas hipoglicemiantes orales.3 La formación de puentes intercatenarios produce opacidad.3 Disminuyen su afinidad con los receptores encargados de su depuración plasmática lo que determina aumento de sus niveles circulantes y favorece su deposición en la pared vascular.3 Es menos sensible a la degradación enzimática, lo que imposibilita el reciclaje normal del tejido dañado; lo cual se ha comunicado en estudios realizados in vitro con colágeno lV proveniente de la membrana basal glomerular al ser expuesto a la acción de las metaloproteinasas.4 Los puentes intercatenarios modifican su flexibilidad, carga eléctrica y permeabilidad capilar, causan daño renal en el diabético, lo que se manifiesta clínicamente por proteinuria.5

En estudios realizados con cultivos de fibroblastos, los PGA indujeron la producción de RNA mensajero que da origen al factor de crecimiento endotelial, que en inyecciones intravítreas in vivo provoca la aparición de microaneurismas y otras lecciones propias de retinopatía diabética.6

Otras consecuencias de la formación de los PGA se ha asociado a la transformación de los islotes amiloides polipeptídicos en compuestos insolubles, que al agregarse forman los cuerpos amiloides. Estos se depositan en las células como los islotes pancreáticos y empeoran sus funciones, lo cual ha sido confirmado en diabéticos tipo 2.7 Igualmente se han detectado cuerpos amiloides en las neuronas del sistema nervioso central de los fallecidos por enfermedad de Alzheimer.8,9

PGA, aterosclerosis y diabetes mellitus
El aceleramiento del proceso aterosclerótico es un mecanismo íntimamente ligado a la patogenia de la macroangiopatía diabética y sus consecuencias, como la cardiopatía isquémica, la angiopatía o la enfermedad cerebrovascular.

Se ha responsabilizado a los trastornos lipídicos con la causa de la aterosclerosis. Hoy se conoce que los aumentos de las LDL, VLDL e IDL por sí solos no son los únicos responsables. Los cambios oxidativos y el depósito de PGA en las lipoproteínas pueden estar involucrados en la patogenia de la enfermedad.10,11

Estudios clínicos indican que los niveles de los PGA obtenidos de las LDL de sueros de pacientes diabéticos se hallan elevados significativamente al compararlos con los de personas no diabéticas. Estas moléculas pueden encontrarse de igual forma tanto en los lípidos (fosfatidil serina y fosfatidil etanolamina) como en las apolipoproteínas de las LDL.10-12

En el caso de los diabéticos, las Apo-PGA se incrementan más de 2 veces y los niveles de lípidos-PGA en más de 4 veces.13

En investigaciones realizadas in vitro con cultivos celulares, se describe la relación entre estas moléculas y los diferentes procesos que se observan durante la formación de las placas de ateroma.13

Estudios efectuados in vivo en conejos diabéticos en los que se extrajo la albúmina-PGA de su sangre y se le inyectó a conejos no diabéticos de forma sistemática por 4 meses. Los conejos no diabéticos se dividieron en 2 grupos, uno consumió dieta rica en colesterol y otro se mantuvo con dieta normal balanceada. En ambos se observó la aparición de ateromas multifocales, el depósito de gotas de lípidos en el endotelio de forma masiva y la expresión fuertemente positiva de moléculas de adhesión a células vasculares tipo 1 (VCAM-1) y moléculas de adhesión intercelulares tipo 1 (ICAM-1). Estos hallazgos apoyan la relación causal entre la acumulación crónica de PGA y el desarrollo de aterosclerosis.14

Los PGA son eliminados del plasma por vía renal, ya sea atravesando el glomérulo y pasando a formar parte de la orina o siendo destruido al nivel de los túbulos contorneados proximales.15 También se ha planteado que los pacientes diabéticos con insuficiencia renal son más susceptibles a complicaciones cardiovasculares posiblemente por la aceleración de la ateromatosis.15 El análisis de los resultados antes señalados han dado origen a la hipótesis de la existencia de una vía metabólica para el reciclaje de los tejidos y células, modificados por la glucosilación, proceso en el cual intervienen los macrófagos, las células mononucleares con sus receptores de membrana específicos, la sangre como vehículo transportador hacia el riñón y por último, el riñón como órgano blanco de la vía.16

El acúmulo de tejidos ricos en PGA constituye el estímulo inicial para producir citoquinas cuando se ponen en contacto con los receptores específicos de las células T. Las citoquinas contribuyen al daño celular, conjuntamente con los macrófagos que acuden a fagocitar los fragmentos y restos celulares liberados.

Los péptidos-PGA liberados pasan al torrente sanguíneo y llegan al riñón donde son eliminados o degradados (aún no se ha precisado cuál de estos 2 mecanismos predomina). Un aumento en la producción de PGA mayor que la velocidad de reciclaje o una alteración renal favorecerían el acúmulo de estas moléculas en las LDL y el colágeno contribuyendo aún más al desarrollo y progresión de la aterogénesis.13

Interferencia de los PGA con el Oxido Nítrico
El óxido nítrico (ON) es reconocido como una molécula que interviene en los procesos de isquemia y reperfusión que ocurren en la microcirculación. Es liberado por las células endoteliales y una de sus funciones es la de contribuir con la relajación del endotelio. Se le atribuye también un efecto cardioprotector, al inhibir la actividad plaquetaria, la adherencia y activación de los neutrófilos, contribuye además a la depuración de los radicales superóxidos.17

Estudios recientes indican que los PGA formados en la matriz vascular pudieran interferir químicamente en la acción del ON, y por tanto, ocasionar un defecto en la relajación vascular lo que pudiera explicar, en parte, el desarrollo de hipertensión y el envejecimiento en el diabético.18

Los PGA formados en el colágeno y unidos a él reaccionan directamente con el ON, lo inactivan. En la diabetes experimentalmente inducida se manifiesta un patrón que consiste en un apagamiento del efecto del ON en el nivel subendotelial. En los animales no diabéticos a los que se les ha suministrado PGA se ha detectado vaso-dilatación. Los PGA modificados bloquean in vitro, específicamente, el efecto antiproliferativo del ON en cultivos de células de músculo liso vascular y de células mesangiales.11

Prevención de los efectos perjudiciales de los PGA
Se han realizado diversas investigaciones dirigidas a la búsqueda de medicamentos que contrarresten la formación de PGA así como sus efectos perjudiciales sobre los tejidos.

Sensi y otros,19 con el empleo de D-lisina, lograron reducir in vitro, el contenido de los productos iniciales de la glucosilación sobre el colágeno. Previamente, Eble y otros20 demostraron que la lisina libre podía inhibir la polimerización de las proteínas glucosiladas y competir en los sitios glucosilados de las proteínas que aún no se habían entrecruzado. Otros datos sugieren que la unión de moléculas de fructosa al colágeno contribuye a la acumulación de PGA, lo que ha justificado el empleo de los inhibidores de la aldosarreductasa con el propósito de inhibir la biosíntesis de fructosa.21,22

Todos estos ensayos previos muestran resultados contradictorios; sin embargo, con el descubrimiento de los efectos de la aminoguanidina en 1986, sobre los PGA, se abre una nueva era en la prevención de las complicaciones crónicas de la diabetes mellitus.

La aminoguanidina es una molécula de bajo peso molecular y nucleofílica, que es capaz de inhibir el entrecruzamiento ocasionado por los PGA entre las proteínas del plasma y el colágeno, así como el entrecruzamiento de las cadenas polipeptídicas entre sí.

Es muy conocido que los compuestos con estructura similar a las hidrazinas son capaces de interactuar con los grupos carbonilos de diversos compuestos biológicos como por ejemplo la glucosa, el piridoxal (vitamina B6) y diversos cofactores. Esta molécula presenta un grupo aminoterminal que reacciona con los compuestos intermediarios de la reacción de glucosilación.11,12,17

Numerosos estudios han demostrado la eficacia de esta molécula en la prevención de los efectos de los PGA in vivo. En estudios experimentales se ha constatado que es capaz de prevenir la nefropatía diabética en animales, disminuyendo la excreción de albúmina.23

También inhibe la peroxidación de los lípidos in vivo,24 bloqueando las modificaciones oxidativas de las LDL y su captura por parte de los macrófagos. Esta molécula puede reducir el desarrollo de placas ateroscleróticas sin alterar los niveles séricos del colesterol en conejos.25

La aminoguanidina es capaz de bloquear la acción de la enzima aminooxidasa semicarbazida-sensible que cataliza la desaminación de la metilamina y da como productos finales, formaldehído y peróxido de hidrógeno. La actividad de esta enzima se encuentra aumentada en los diabéticos y en las hepatopatías y sus productos se han reconocido como citotóxicos y responsables del daño de las células endoteliales. El formaldehído es conocido como un agente fijador de proteínas, capaz de inducir el entrecruzamiento de sus cadenas por la formación de puentes de metileno y ocasionar importantes modificaciones estructurales. La producción incrementada de formaldehído sanguíneo pudiera ser un factor más que propicie el endurecimiento de los vasos sanguíneos.26

La aminoguanidina se ha empleado también en otras enfermedades en que está por demostrar la función de los PGA como es en la amiloidosis asociada al tratamiento hemodialítico; esta complicación se presenta en los pacientes con insuficiencia renal crónica en estadio terminal (diabéticos o no). Recientemente se ha demostrado que la patogenia de esta complicación renal se debe al acúmulo de beta-2-microglobulina-PGA en el colágeno y otros tejidos.27

Otro proceder terapéutico actualmente en estudio consiste en la inhibición de la glucoxidación, que es un fenómeno muy relacionado con la glucosilación. Al igual que la glucosilación no enzimática, constituye un complejo proceso de múltiples pasos que comienza con la unión de moléculas de azúcares reducidos a los grupos aminos libres de las proteínas. Han surgido diversas hipótesis que relacionan la glucosilación y la oxidación como 2 fenómenos estrictamente interconectados, lo que ha dado lugar a un nuevo término denominado glucoxidación.28

Con estos elementos pudiera justificarse el empleo de agentes quelantes que inhiban la generación de radicales hidroxilos libres como lo es el EDTA, DETAPAC y los antioxidantes como los tocoferoles (vitamina E) y el ácido ascórbico (vitamina C) y que paralelamente contrarresten la glucoxidación.3

Por último, en trabajos publicados recientemente se afirma que la dieta diaria contiene glucotoxinas, que se expresan como compuestos intermediarios en la formación de los PGA, los que contribuyen al daño microvascular y macrovascular del diabético. Se afirma que la dieta convencional contiene significativas cantidades de PGA modificados, los que se incrementan durante la cocción. La aparición de estas "glucotoxinas" se debe al desarrollo de la reacción de Maillard en frutas, pastas, dulces y otros alimentos.29

Estas glucotoxinas exógenas también pueden provenir del humo del tabaco. La cura del tabaco está muy extrechamente unida con las condiciones químicas que conducen a la reacción de Maillard por lo que diversos autores como Cerami y otros30 identificaron la presencia de estas moléculas en el humo del tabaco. Estos autores concluyen que las glucotoxinas extraídas de soluciones acuosas de tabaco y el humo disuelto, contenían productos de glucosilación altamente reactivos que rápidamente inducían a la formación de PGA, en proteínas in vitro e in vivo. Las glucotoxinas del humo pueden ser rápidamente absorbidas a través del pulmón y reaccionar con las proteínas del suero como las Apo B. Estas observaciones refuerzan la hipótesis de la relación entre el tabaquismo y la aterosclerosis.30

En conclusión, la patogenia de las complicaciones crónicas de la diabetes mellitus está asociada a la acumulación de los PGA en el organismo, si se lograra disminuir la formación y acumulación de dichos productos, se podría prevenir o retardar la aparición de estas complicaciones y así contribuir a una mejor calidad de vida del paciente diabético.

Summary

The objective of this paper is to review some aspects of the function of the advanced glucosylation end products (AGP) in the late complications of diabetes mellitus. Such products are a group of molecules that appear in the tissues and blood of diabetic patients as a result of the reaction of the monosaccharides with basic aminoacids of proteins and some lipids. They may be classified into 2 groups according to their molecular structure: imidazoles and pyrroles. Their most important chemical property is that of forming intercatenary bridges between proteins and alterating their biological functions. The deposit of AGP in the lipoproteins is linked with the pathogeny of atherosclerosis in diabetes. The AGP formed in the collagen and bound to it react directly with nitric oxide and inactivate it. This may explain, in part, the development of hypertension and aging in the diabetic. The aminoguanidine is capable of inhibiting the intercrossing produced by the AGP between the proteins of plasma and collagen. If the formation and accumulation of such products is reduced, the appearance of these complications can be prevented or delayed, contributing this way to a better quality of life of the diabetic patient.

Subject headings: ALYCOSLATION END PRODUCTS, ADVANCED; DIABETES MELLITUS/ com; HYPERTENSION; AGING; QUALITY OF LIFE.

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Recibido: 30 de noviembre de 1998. Aprobado: 20 de enero de 1999.

Dr. Manuel Ayra Rivas. Instituto Nacional de Endocrinología, Centro de Atención al Diabético, 17 y D, El Vedado, Ciudad de La Habana, Cuba. CP 10400.
 
1 Especialista de I Grado en Laboratorio Clínico. Jefe de la Sección de Laboratorio del Centro de Atención al Diabético.
2 Licenciado en Bioquímica.

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