2.2: Vitaminas como Coenzimas

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Conceptos básicos nutricionales

Muchas de las enzimas metabólicas discutidas en este curso requieren de coenzimas esenciales para una actividad óptima. El estado nutricional de un individuo tiene el potencial de influir en gran medida en su capacidad para oxidar combustibles de manera eficiente, y esto puede conducir a desviaciones de las normas clínicas o enfermedades, lo que se ilustraría en la CMP de un individuo.

Es importante estar consciente de la presentación de estas deficiencias nutricionales ya que pueden manifestarse como hipoglucemia, diferentes tipos de anemia, o síntomas fisiológicos.

Visión general

Las vitaminas son compuestos orgánicos que, en su mayor parte, no podemos sintetizar a través del metabolismo endógeno en cantidades adecuadas (con las excepciones de las vitaminas B ₃, D y K). Para atender estas necesidades nutricionales, debemos consumir vitaminas como parte de una dieta balanceada o suplemento a través de una variedad de mecanismos. A continuación se presentan algunos aspectos clave del papel que desempeñan las vitaminas dentro del metabolismo y los síntomas comunes asociados a deficiencias (tabla 2.3).

Nota

Vitaminas solubles en agua

Las vitaminas solubles en agua incluyen: ácido ascórbico (vitamina C), tiamina (vitamina B ₁), riboflavina (vitamina B ₂), niacina (vitamina B ₃), ácido pantoténico (vitamina B ₅), piridoxina, piridoxal y piridoxamina (vitamina B ₆), biotina (vitamina B ₇ ) y cobalamina (vitamina B ₁₂).
Se excreta fácilmente en la orina, la toxicidad es rara.
Las deficiencias pueden ocurrir rápidamente.
Las vitaminas solubles en agua son precursoras de coenzimas para las enzimas del metabolismo intermedio.

Vitaminas liposolubles

Las vitaminas liposolubles incluyen: vitaminas A, D, K y E.
Se liberan, absorben y transportan (en quilomicrones) con grasa dietética.
No se excretan fácilmente, y cantidades significativas se almacenan en el hígado y el tejido adiposo.
La mayoría funcionan como reguladores transcripcionales.
Solo una vitamina liposoluble (vitamina K) tiene una función de coenzima.
El consumo de vitaminas A y D por encima de las ingestas dietéticas de referencia puede conducir a la acumulación de cantidades tóxicas de estos compuestos.

Ácido fólico

La deficiencia de ácido fólico es una deficiencia vitamínica relativamente común en Estados Unidos, presentándose rutinariamente como anemia macrocítica.

El tetrahidrofolato (THF), la forma de coenzima reducida del folato, recibe fragmentos de un carbono de donantes de aminoácidos como serina, glicina e histidina, y los transfiere a intermedios en la síntesis de aminoácidos, purinas y monofosfato de timidina (TMP, un nucleótido de pirimidina que se encuentra en el ADN).
Los niveles séricos inadecuados de folato pueden ser causados por una mayor demanda (como el caso en el embarazo y la lactancia), ingesta dietética inadecuada, mala absorción (causada por patología del intestino delgado), alcoholismo, o tratamiento con medicamentos (por ejemplo, metotrexato).
Se ha demostrado que la suplementación con ácido fólico antes de la concepción y durante el primer trimestre reduce significativamente los defectos del tubo neural.

Cobalamina (vitamina B ₁₂)

La vitamina B ₁₂ es necesaria en humanos para dos reacciones enzimáticas esenciales.

Una de las reacciones es la remetilación de la homocisteína a metionina, y la otra implica la isomerización de la metilmalonil coenzima A (CoA), que se produce durante la degradación de algunos aminoácidos (isoleucina, valina, treonina y metionina) y ácidos grasos de cadena impares (AF).
También se requiere ácido fólico (como N5-metil THF) para una de las reacciones necesarias para la remetilación de la homocisteína.
La deficiencia de B ₁₂ o folato da como resultado niveles elevados de Hcy (capítulo 8), sin embargo, solo una deficiencia de B ₁₂ dará como resultado niveles elevados de ácido metilmalónico.
La anemia perniciosa es un tipo de anemia por vitamina B ₁₂ causada por la falta de factor intrínseco. El factor intrínseco (IF) se libera de las células parietales y se une a la vitamina B ₁₂ para que pueda ser absorbida en los intestinos.
El B ₁₂ también es importante en la síntesis de S-adenosilmetionina (SAM), que juega un papel integral en las reacciones de metilación celular y la síntesis de neurotransmisores.

Ácido ascórbico (vitamina C)

La forma activa de la vitamina C es el ácido ascórbico.

La vitamina C se utiliza como coenzima en reacciones de hidroxilación, como en la hidroxilación de residuos de prolilo y lisil de colágeno.
Se requiere para el mantenimiento del tejido conectivo normal así como para la cicatrización de heridas.
La vitamina C ayuda en la absorción del hierro dietético al reducir el hierro férrico a la forma ferrosa.

Piridoxina (vitamina B ₆)

La vitamina B ₆ es un término que abarca todos los derivados de la piridina, incluyendo: piridoxina, piridoxal y piridoxamina.

La piridoxina sirve como precursor de la coenzima biológicamente activa, el fosfato de piridoxal (PLP).
El PLP funciona como una coenzima para las reacciones de transferencia de activación, particularmente aquellas que catalizan reacciones que involucran aminoácidos (sección 5.3).
La isoniazida, un medicamento comúnmente utilizado para tratar la tuberculosis, puede inducir una deficiencia de vitamina B ₆ al formar un derivado inactivo con PLP.
La piridoxina es la única vitamina soluble en agua con toxicidad significativa. Las neuropatías sensoriales pueden ocurrir en tomas superiores a cinco veces el Límite Superior Tolerable (UL). Esto se define como la cantidad máxima de vitaminas y minerales diarios que puedes tomar de manera segura sin riesgo de sobredosis o efectos secundarios graves.

Tiamina (vitamina B ₁)

El pirofosfato de tiamina (TPP) es la forma biológicamente activa de la tiamina y se genera mediante la transferencia de un grupo pirofosfato de adenosina trifosfato (ATP) a tiamina.

El TPP es una coenzima en la formación o degradación de\(\alpha \) -cetoles por transcetolasa (sección 7.1) y en la descarboxilación oxidativa de\(\alpha \) -cetoles.
La actividad tanto del complejo piruvato deshidrogenasa como de la\(\alpha \) cetoglutarato deshidrogenasa puede verse alterada si la tiamina es deficiente. Esto puede conducir a una producción alterada de ATP, alteración de la función celular y acidosis láctica.
TPP también es requerido por la cadena ramificada\(\alpha \) -ceto-ácido deshidrogenasa del músculo.
La actividad de la transcetolasa eritrocitaria se utiliza para diagnosticar una deficiencia de tiamina.
El beriberi es un síndrome grave de deficiencia de tiamina que se encuentra en áreas geográficas con dietas pobres y restringidas.
El síndrome de Wernicke-Korsakoff puede presentarse en individuos con trastorno por abuso de alcohol. Los síntomas comunes incluyen confusión, ataxia y nistagmo.

Niacina (vitamina B ₃)

La niacina, o ácido nicotínico, es un derivado de piridina sustituido. Las formas de coenzima biológicamente activas son nicotinamida adenina dinucleótido (NAD\(^+\)) y su derivado fosforilado, nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP\(^+\)).

La nicotinamida se desamina fácilmente en el cuerpo y, por lo tanto, es nutricionalmente equivalente al ácido nicotínico.
NAD\(^+\) y NADP\(^+\) sirven como coenzimas en reacciones de oxidación-reducción en las que la coenzima experimenta reducción del anillo de piridina al aceptar un ion hidruro.
Una deficiencia de niacina causa pelagra, que abarca las tres Ds: dermatitis, diarrea y demencia.
El trastorno de Hartnup, caracterizado por una absorción defectuosa de triptófano, puede provocar síntomas similares a la pelagra.

Riboflavina (vitamina B ₂)

Las dos formas biológicamente activas de B ₂ son el mononucleótido de flavina (FMN) y el dinucleótido de flavina adenina (FAD), formados por la transferencia de un resto monofosfato de adenosina de ATP a FMN.

FMN y FAD son cada uno capaces de aceptar reversiblemente dos átomos de hidrógeno, formando FMNH\(_2\) o FADH\(_2\). FMN y FAD están unidos fuertemente, o covalentemente, a flavoenzimas que catalizan la oxidación o reducción de un sustrato.
La deficiencia de riboflavina no se asocia con una enfermedad humana mayor, aunque frecuentemente acompaña a otras carencias vitamínicas.

Biotina (vitamina B ₇)

La biotina es una coenzima en reacciones de carboxilación, en la que sirve como portador de dióxido de carbono activado (coenzima para acetilCoA carboxilasa y piruvato carboxilasa).

La biotina se une covalentemente al grupo\(\varepsilon \) -amino de los residuos de lisina en enzimas dependientes de biotina.
La deficiencia de biotina no ocurre de forma natural debido a que la vitamina está ampliamente distribuida en los alimentos.
El consumo excesivo de clara de huevo cruda como fuente de proteínas puede causar síntomas de deficiencia de biotina. Los síntomas pueden incluir: dermatitis, glositis, pérdida de apetito y náuseas. La clara de huevo cruda contiene avidina, que es una glicoproteína que se une fuertemente a la biotina y evita su absorción desde el intestino.

Ácido pantoténico

El ácido pantoténico es un componente de CoA, que funciona en la transferencia de grupos acilo.

CoA contiene un grupo tiol que porta compuestos de acilo como ésteres de tiol activados. Ejemplos de tales estructuras son succinil-CoA, acil-CoA graso y acetil-CoA.
El ácido pantoténico también es un componente del dominio de la proteína portadora de acilo de la ácido graso sintasa (sección 4.4).
La vitamina se distribuye ampliamente en una variedad de alimentos, y la deficiencia no se caracteriza bien en los humanos.

Vitamina A

Los retinoides son una familia de moléculas que están relacionadas con el retinol dietético (vitamina A).

La vitamina A (y sus metabolitos) son importantes para la visión, la reproducción, el crecimiento, la función inmune y el mantenimiento de los tejidos epiteliales.
El ácido retinoico se deriva de la oxidación del retinol y media la mayoría de las acciones de los retinoides.
El retinol se oxida a ácido retinoico. El ácido retinoico se une específicamente a una familia de receptores nucleares (receptores de ácido retinoico, RAR) y modula la expresión génica en tejidos diana, como las células epiteliales. El complejo ácido retinoico activado-RAR se une a elementos de respuesta en el ADN y recluta activadores o represores para regular la síntesis de ARNm específico de retinoides (figura 2.3).

El citosol de la célula diana es un círculo grande y contiene el núcleo como un círculo pequeño. El retinol plasmático o (2E,4E,6E,8E) -3,7-dimetil-9- (2,6,6-trimetilciclohexen-1-il) nona-2,4,6,8-tetraen-1-ol se muestra fuera de la célula y las transiciones a retinol y luego ácido retinoico dentro del citosol de la célula diana. Hay un cuadro de texto después del ácido retinoico que afirma “El retinol se oxida a ácido retinoico. El movimiento del citosol al núcleo es guiado por proteínas celulares de unión a retinol y proteínas celulares de unión al ácido retinoico”. Luego se muestra ácido retinoico o ácido (2E,4E,6E,8E) -3,7-dimetil-9- (2,6,6-trimetilcicloquexen-1-il) nona-2,4,6,8-tetraenoico en el núcleo y se combina con el receptor inactivo para formar el complejo receptor activado, gen, ARNm. Hay un cuadro de texto que apunta al complejo receptor activado que afirma “El ácido retinoico se une al receptor intranuclear”. Hay un cuadro de texto que apunta al gen que afirma “El complejo receptor de ácido retinoico se une a la cromatina, activando la transcripción de genes específicos”. El ARNm se mueve hacia el citosol y pasa a proteínas específicas a la diferenciación celular. — Figura 2.3: Mecanismo de acción de la vitamina A.

Vitamina D

Las vitaminas D son un grupo de esteroles que tienen una función similar a las hormonas.

La molécula activa, 1,25-dihidroxicolecalciferol (calcitriol), se une a las proteínas receptoras intracelulares. El complejo receptor interactúa con el ADN en el núcleo de las células diana de una manera similar a la de la vitamina A y estimula o reprime selectivamente la transcripción génica.
Las acciones más destacadas del calcitriol son regular los niveles plasmáticos de calcio y fósforo. Dentro del tracto gastrointestinal, el calcitriol aumenta la transcripción de las proteínas transportadoras de calcio, las proteínas calbindina-D, lo que resulta en una mayor captación de calcio. También aumenta la reabsorción de fósforo a través de un mecanismo similar.

Vitamina K

El papel principal de la vitamina K es servir como coenzima en la carboxilación de residuos de ácido glutámico; esta modificación postraduccional es necesaria para el funcionamiento de muchas proteínas requeridas para la coagulación de la sangre.
La vitamina K es necesaria en la síntesis hepática de la protrombina (factor II) y los factores VII, IX y X (figura 2.4).

Residuo glutamilo con un polipéptido a la izquierda y precursores de los factores de coagulación II, VII, IX, X a la derecha. Flecha con enzima γ-glutamil carboxilasa y adición de O2 y CO2 al residuo γ-carboxiglutamil (Gla) con un polipéptido a la izquierda y factores de coagulación maduros II, VII, IX, X a la derecha. La vitamina K se activa y la warfarina inhibe la reacción.

La formación de residuos carboxi-glutamil (Gla) es sensible a la inhibición por warfarina, un análogo de la vitamina K que inhibe la vitamina K epóxido reductasa (VKOR), la enzima requerida para regenerar la forma hidroquinona funcional de la vitamina K.

Vitamina E

Las vitaminas E constan de ocho tocoferoles naturales, de los cuales\(\alpha\) -tocoferol es el más activo.

La función principal de la vitamina E es como antioxidante en la prevención de la oxidación no enzimática de los componentes celulares.
La deficiencia de vitamina E en adultos suele estar asociada con una absorción o transporte defectuoso de lípidos.

Cuadro 2.3: Tabla resumida de vitaminas.
Vitamina	Otros nombres	Forma activa	Función	Deficiencia	Signos y síntomas	Toxicidad	Notas
Soluble en agua
Vitamina B ₉	Ácido fólico	Ácido tetrahidrofólico	Transferir unidades de un carbono; síntesis de metionina, purinas y monofosfato de timidina	Anemia megaloblástica Defectos del tubo neural	Anemia Defectos de nacimiento	Ninguno	La administración de altos niveles de folato puede enmascarar la deficiencia de vitamina B ₁₂
Vitamina B ₁₂	Cobalamina	Metilcobalamina Deoxiadenosil cobalamina	Coenzima para reacciones: homocisteína → metionina Metilmalonil-CoA → succinil-CoA	Anemia perniciosa Demencia Degeneración espinal	Anemia megaloblástica Síntomas neuropsiquiátricos	Ninguno	La anemia perniciosa se trata con vitamina B ₁₂ por vía intramuscular o en dosis altas orales
Vitamina C	Ácido ascórbico	Ácido ascórbico	Antioxidante Coenzima para reacciones de hidroxilación, por ejemplo en procolágeno: prolina → hidroxiprolina lisina → hidroxilisina	El escorbuto	Encías doloridas y esponjosas Dientes sueltos Mala cicatrización de heridas	Ninguno	Beneficios de la suplementación no establecidos en ensayos controlados
Vitamina B ₆	Pridoxina Piridoxamina Piridoxal	Fosfato de piridoxal	Coenzima para enzimas, particularmente en el metabolismo de aminoácidos	Raro	Glositis Neuropatía	Sí	La deficiencia puede ser inducida por isoniazida La neuropatía sensorial ocurre en dosis altas
Vitamina B ₁	Tiamina	Pirofosfato de tiamina	Coenzima de enzimas catalizadoras: piruvato → Acetil-CoA α-cetoglutarato → succinil-CoA Ribosa 5-P + xilulosa 5-P → Sedoheptulosa 7-P + Gliceraldehído 3-P Oxidación de α-ceto ácido de cadena ramificada	Beriberi Síndrome de Wernicke-Korsakoff (mayor cantidad de comino en alcohólicos)	Taquicardia, vómitos, convulsiones Apatía, pérdida de memoria, movimientos oculares desregulados	Ninguno
Niacina	Ácido nicotínico Nicotinamida	NAD ⁺ NADP ⁺	Transferencia de electrones	Pelagra	Dermatitis Diarrea Demencia	Ninguno	Dosis altas de niacina utilizadas para tratar la hiperlipidemia
Vitamina B ₂	Riboflavina	FMN FAD	Transferencia de electrones	Raro	Dermatitis Estomatitis angular	Ninguno
Biotina		Biotina unida a enzimas	Reacciones de carboxilación	Raro		Ninguno	El consumo de grandes cantidades de claras de huevo crudas (que contienen una proteína, avidina, que se une a la biotina) puede inducir una deficiencia de biotina
Ácido pantoténico		Coenzima A	Portador de acilo	Raro		Ninguno
Soluble en grasa
Vitamina A	Retinol Retina Ácido retinoico ß-caroteno	Retinol Retina Ácido retinoico	Mantenimiento de la reproducción Visión Promoción del crecimiento Diferenciación y mantenimiento de los tejidos epiteliales Expresión génica	Infertilidad Ceguera nocturna Retraso del crecimiento Xeroftalmia	Aumento del umbral visual Sequedad de la córnea	Sí	El ß-caroteno no es muy tóxico, pero no se recomienda la suplementación El exceso de vitamina A puede aumentar la incidencia de fracturas
Vitamina D	Colecalciferol Ergocalciferol	1,25-dihidroxi-colecalciferol	Captación de calcio Expresión génica	Raquitismo (en niños) Osteomalacia (en adultos)	Huesos blandos y flexibles	Sí	La vitamina D no es una verdadera vitamina porque se puede sintetizar en la piel; la aplicación de lociones de protección solar o la presencia de color oscuro de la piel disminuye esta síntesis
Vitamina K	Menadiona Menaquinona Filoquinona	Menadiona Menaquinona Filoquinona	Arboxilación Gamma C de residuos de glutamato en coagulación y otras proteínas	Recién nacido Raras en adultos	Sangrado	Raro	Vitamina K producida por bacterias intestinales Deficiencia de vitamina K común en recién nacidos Se recomienda el tratamiento intramuscular con vitamina K al nacer
Vitamina E	α-tocoferol	Cualquiera de varios derivados de tocoferol	Antioxidante	Raro	Fragilidad de glóbulos rojos conduce a anemia hemolítica	Ninguno	Beneficios de la suplementación no establecidos en ensayos controlados

Referencias y recursos

Texto

Ferrier, D. R., ed. Opiniones ilustradas de Lippincott: Bioquímica, 7a ed. Filadelfia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins, 2017, Capítulo 27: Nutrición: Visión general, Capítulo 28: Micronutrientes: Vitaminas, Capítulo 29: Micronutrientes: Minerales.

Le, T. y V. Bhushan. Primeros Auxilios para el USMLE Paso 1, 29a ed. Nueva York: McGraw Hill Education, 2018, 65—71.

Cifras

Ferrier D. Figura 2.3 Mecanismo de acción de la Vitamina A. Adaptado bajo Uso Justo de la Figura 28.20 Acción de los retinoides. Lippincott Reseñas ilustradas Bioquímica. 7a Ed. pp388. 2017. Estructura química de Henry Jakubowski.

Gris, Kindred, Figura 2.4 La vitamina K estimula la maduración de los factores de coagulación. 2021. Estructura química de Henry Jakubowski. https://archive.org/details/2.6_20210924. CC BY 4.0.

Mesas

Cuadro 2.3 adaptado de Ferrier, D. R., ed. Opiniones ilustradas de Lippincott: Bioquímica, 7a ed. Filadelfia: Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins, 2017.

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