Glucosepane

El glucosepano es un producto de reticulación proteica de lisina - arginina y un producto final de glicación avanzada (AGE) derivado de la D -glucosa . ^[1] Es un producto de reticulación covalente irreversible que se ha descubierto que produce reticulaciones intermoleculares e intramoleculares en el colágeno de la matriz extracelular (ECM) y la cristalina de los ojos. ^[2] Las reticulaciones proteicas covalentes unen de forma irreversible las proteínas entre sí en la ECM de los tejidos. El glucosepano está presente en los tejidos humanos en niveles de 10 a 1000 veces superiores a los de cualquier otro AGE de reticulación, y actualmente se considera el AGE de reticulación más importante. ^[3]

El envejecimiento conduce a una pérdida progresiva de elasticidad y rigidez de los tejidos ricos en la matriz extracelular, como las articulaciones, el cartílago, las arterias, los pulmones y la piel. ^[4] Se ha demostrado que estos efectos son provocados por la acumulación de enlaces cruzados en la matriz extracelular en proteínas de larga duración. ^[5] Los estudios realizados sobre el glycopane por el grupo Monnier han demostrado que el nivel de enlaces cruzados del glycopane en el colágeno humano en la matriz extracelular aumenta progresivamente con la edad y a un ritmo más rápido en personas con diabetes, lo que sugiere el papel del glycopane en los efectos a largo plazo asociados con la diabetes y el envejecimiento, como la arteriosclerosis, el endurecimiento de las articulaciones y las arrugas de la piel. ^[6] De hecho, informan que en la matriz extracelular de la piel de una persona no diabética de 90 años, el glycopane representa aproximadamente 50 veces la reticulación de proteínas que todas las demás formas de reticulación de proteínas. ^[7] Además, se ha demostrado que la acumulación de enlaces cruzados, como el glycoprotein, dentro y entre las proteínas reduce la degradación proteolítica en la matriz extracelular. Esto conduce a una mayor acumulación de enlaces cruzados y se cree que está relacionado con el engrosamiento de las membranas basales en los capilares, los glomérulos, el cristalino y los pulmones. ^[8]

Los experimentos de microscopía de fuerza atómica identificaron diferencias morfológicas a escala nanométrica en las estructuras de las fibrillas de colágeno en función del envejecimiento de la piel. Se observó una disminución del módulo de Young de la fibrilla transversal. Se cree que estos cambios se deben a la acumulación de glycosypane en el tejido. Se propone que esto se debe a un cambio en la densidad de las fibrillas causado por las diferencias relacionadas con la edad en la retención de agua. ^[9] Los estudios computacionales que utilizan simulaciones de todos los átomos revelaron que el glycosypane da como resultado una estructura helicoidal menos firmemente sujeta en la molécula de colágeno y aumenta la porosidad al agua. Esto se confirmó con la medición del contenido de agua que mostró un mayor contenido en el tejido del tendón de Aquiles y tibia anterior de individuos mayores en comparación con los jóvenes. ^[10]

Como AGE, la vía de reacción que conduce a la formación de la glucosapana se conoce como reacción de Maillard o pardeamiento no enzimático. Se ha descubierto que la glucosapana se forma a través de una vía no oxidativa. ^[11] El mecanismo exacto que conduce a la glucosapana ha sido un desafío para los investigadores. Sin embargo, actualmente está bien caracterizado hasta la formación del anillo. ^[12]

Se ha demostrado que la formación de glycoproteína dentro de los tejidos conectivos es específica de cada sitio. Por ejemplo, estudios que utilizan simulaciones de dinámica molecular de una fibrilla de colágeno completa revelaron ubicaciones energéticamente favorables, particularmente dentro de la región de la brecha de la fibrilla de colágeno. Esto puede deberse a la menor densidad de proteínas y al mayor contenido de agua intrafibrilar dentro de la región de la brecha. ^{[13] [14]}

La vía general de formación de la glucosapano comienza con la lisina atacando al azúcar reductor D-glucosa para formar la imina inestable conocida como base de Schiff , que luego se reorganiza para formar el producto Amadori aminocetosa más estable . ^[15] A partir de allí, el producto Amadori estable se degrada lentamente para formar la glucosapano a través de un intermedio α-dicarbonilo. ^[16]

La ruta de reacción particular que procede del producto de Amadori al intermediario α-dicarbonilo que producirá glycopane fue difícil de determinar. Inicialmente, los investigadores plantearon la hipótesis de un intermediario α-dicarbonilo en el que los carbonilos estaban ubicados en C-2 y C-3 de D-glucosa. Sin embargo, al usar glucosa con C-1, el carbono carbonílico, marcado con el isótopo ¹³ C en la reacción, los investigadores encontraron que el α-dicarbonilo formado tiene los carbonilos ubicados en C-5 y C-6 de la cadena principal de glucosa original. ^[17] El mejor mecanismo propuesto es que el α-dicarbonilo N 6-(2,3-dihidroxi-5,6-dioxohexil)-L-lisinato, ^[18] un intermediario clave en la reacción glycopane, se forma a partir del producto de Amadori a través de un desplazamiento de carbonilo a lo largo de la cadena principal de azúcar de 6 carbonos por tautomería ceto-enólica y la eliminación del hidroxilo C-4. ^[19] Además, se proporcionó evidencia del alcance del cambio de carbonilo hipotético mediante el uso de hidrógeno pesado en el agua solvente, D2O _. [ ^20] Los investigadores encontraron que todos los HC-OH de la cadena principal de carbono se convirtieron en DC-OH después de la reacción, lo que demuestra que todos los hidrógenos se transfirieron a través del tautomería ceto-enólica y, por lo tanto, el cambio de carbonilo llegó hasta el final de la cadena principal, eliminando finalmente el grupo hidroxi C-4. ^[21]

Aún no está claro cómo se forma el anillo ni cuándo. Un artículo sugiere, y parece ser la creencia actual, que el anillo debe formarse en el paso posterior a la formación del α-dicarbonilo. El estudio planteó la hipótesis, y otro encontró evidencia correlacionada, de que el mecanismo más probable para pasar del α-dicarbonilo al glycopane es a través de la aldimina intramolecular 6-(3,4-dihidroxi-6-oxo-3,4,5,6-tetrahidro-2H-azepinio-1-il) norleucina. ^[22] Se plantea la hipótesis de que el anillo se forma por un ataque nucleofílico de N sobre el carbonilo C-6, seguido de la eliminación de un agua (2). Esto luego se condensa con la cadena lateral de arginina para producir glycopane en reacciones de adición-eliminación nucleofílicas de los nitrógenos de la arginina y los carbonilos electrofílicos en el anillo, eliminando dos aguas. ^[23]

Los procesos de glicación que conducen a las AGE afectan particularmente a las proteínas de larga vida en el cuerpo humano, como el colágeno en la piel y la cristalina en los ojos. ^[24] El colágeno de la piel, por ejemplo, tiene una vida media de quince años. ^[25] Debido a que estas proteínas no se degradan tan rápidamente como otras proteínas en el cuerpo, el producto de Amadori, que es estable y, por lo tanto, se transforma muy lentamente, tiene tiempo suficiente para convertirse en glycopane. ^[26] Se ha estimado que el 50-60% de los niveles de estado estable del producto de Amadori se convierte en glycopane en la vejez. ^[27] Una razón sospechada para la prevalencia del producto de enlace cruzado glycopane en oposición a otros es que el α-dicarbonilo del cual se forma, N 6-(2,3-dihidroxi-5,6-dioxohexil)-L-lisinato, es un agente glucosilante persistente porque está unido irreversiblemente a través de la lisina a una proteína. ^[28] Por lo tanto, no se degrada fácilmente y, por lo tanto, está más comúnmente disponible para formar un enlace cruzado con arginina, a diferencia de otros intermediarios de enlace cruzado de α-dicarbonilo, que se encuentran unidos y libres y, por lo tanto, son más susceptibles a ser degradados por enzimas en la matriz extracelular. ^[29]

Debido a la importante función que desempeña el glycoprotein en muchas patologías del envejecimiento, muchos investigadores han estado estudiando formas de reducir los niveles de glycoprotein en los tejidos. Se han examinado varios métodos para lograrlo.

Un método que se ha intentado utilizar para inhibir la formación de glycoproteína es el uso de una molécula trampa de α-dicarbonilo, la aminoguanidina (AG). La AG reacciona con el intermediario α-dicarbonilo con una afinidad mayor que la arginina, bloqueando así el enlace cruzado. Si bien se ha visto que este método tiene cierto éxito, no interfiere en gran medida con el envejecimiento normal de las ratas. ^[30]

Otro método que se ha investigado es el uso de sales de tiazolio para romper el intermediario α-dicarbonilo, cortando así la vía de reacción que conduce al glycopane. Se cree que estos compuestos actúan como nucleófilos bidentados que atacan a los carbonilos adyacentes en el intermediario alfa-dicarbonilo, lo que luego conduce a la escisión del enlace CC entre los carbonilos. ^[31] Sin embargo, una hipótesis alternativa sobre cómo funcionan es que actúan como agentes quelantes . ^[32] Dos moléculas de tiazolio, PTB ( bromuro de N-fenaciltiazolio ) ^[33] y ALT-711 , ^[34] han demostrado éxito en la reducción de los niveles de glycopane en ratas.

Se ha propuesto un enfoque completamente diferente para reducir los enlaces cruzados, que consiste en mejorar los procesos de recambio de la matriz extracelular, lo que obligaría a degradar las proteínas con enlaces cruzados para reemplazarlas por otras nuevas. Sin embargo, una posible desventaja de esto sería la aparición de vasos sanguíneos permeables como resultado de un recambio demasiado mejorado. ^[35]

• Glicación
• Glicosilación
• Producto final de glicación avanzada
• Reacción de Maillard