Deficiencia de carnitina palmitoiltransferasa II

Deficiencia de carnitina palmitoiltransferasa II, a veces abreviada como CPT-II o CPT2, es un trastorno metabólico genético de herencia autosómica recesiva caracterizado por una Defecto que impide que los ácidos grasos de cadena larga sean transportados a la mitocondria para su utilización como fuente de energía. El trastorno se presenta en una de tres formas clínicas: neonatal letal, hepatocardiomuscular infantil grave y miopática.

Caracterizada por primera vez en 1973 por DiMauro y DiMauro, la forma miopática adulta de esta enfermedad se desencadena por actividades físicamente extenuantes y/o períodos prolongados sin comida y conduce a una inmensa fatiga muscular y dolor. Es el trastorno hereditario más común del metabolismo de los lípidos que afecta al músculo esquelético de los adultos y afecta principalmente a los hombres. La deficiencia de CPT II es también la causa más frecuente de mioglobinuria hereditaria.

Signos y síntomas

Los tres tipos principales de deficiencia de carnitina palmitoiltransferasa II se clasifican según la sintomatología específica del tejido y la edad de aparición. Entre las pocas personas diagnosticadas con CPT2, algunas tienen mutaciones desconocidas y/o nuevas que las colocan fuera de estas tres categorías sin dejar de ser positivas para CPT2.

Forma neonatal

La forma neonatal es la presentación clínica menos común de este trastorno y casi invariablemente es fatal rápidamente, independientemente de la intervención. La aparición de síntomas se ha documentado apenas unas horas después del nacimiento hasta dentro de los 4 días de vida. Los recién nacidos afectados suelen experimentar insuficiencia respiratoria, niveles bajos de azúcar en sangre, convulsiones, agrandamiento del hígado, insuficiencia hepática y agrandamiento del corazón con ritmos cardíacos anormales que conducen a un paro cardíaco. En la mayoría de los casos, son evidentes elementos de desarrollo anormal del cerebro y los riñones, a veces incluso en la ecografía prenatal. Los bebés con la forma neonatal letal no suelen vivir más de unos pocos meses. También se han documentado defectos de migración neuronal, a los que a menudo se atribuye la patología del SNC del trastorno.

Forma infantil

La presentación sintomática suele ocurrir entre los 6 y 24 meses de edad, pero la mayoría de los casos se han documentado en niños menores de 1 año. La forma infantil involucra múltiples sistemas orgánicos y se caracteriza principalmente por hipoglucemia hipocetósica (ataques recurrentes de niveles anormalmente bajos de productos de degradación de grasas y azúcar en sangre) que a menudo resultan en pérdida del conocimiento y actividad convulsiva. La insuficiencia hepática aguda, el agrandamiento del hígado y la miocardiopatía también se asocian con la presentación infantil de este trastorno. Los episodios se desencadenan por una enfermedad febril, una infección o el ayuno. Algunos casos de síndrome de muerte súbita del lactante se atribuyen a la deficiencia infantil de CPT II en la autopsia.

Forma de adulto

Esta forma exclusivamente miopática es la presentación fenotípica más frecuente y menos grave de este trastorno. Los signos y síntomas característicos incluyen la rabdomiolisis (desintegración de las fibras musculares y posterior liberación de mioglobina), mioglobina, dolor muscular recurrente y debilidad. La liberación de mioglobina hace que la orina sea roja o marrón y es indicadora de daño que se está haciendo a los riñones, lo que en última instancia podría resultar en insuficiencia renal. La debilidad muscular y el dolor generalmente resuelven dentro de horas a días, y los pacientes aparecen clínicamente normales en los períodos de intervención entre los ataques. Los síntomas son más a menudo inducidos por el ejercicio, pero el ayuno, una dieta alta en grasa, la exposición a la temperatura fría, la privación del sueño o la infección (especialmente la enfermedad febril) también pueden provocar esta miopatía metabólica. En una minoría de casos, la gravedad de la enfermedad se puede exacerbar por tres complicaciones potencialmente mortales resultantes de la rabdomiolisis persistente: insuficiencia renal aguda, insuficiencia respiratoria y ritmos cardíacos anormales episódicos. Las formas severas pueden tener dolor continuo de la actividad general de la vida. La forma adulta tiene una edad variable de inicio. La primera aparición de síntomas suele ocurrir entre 6 y 20 años de edad, pero se ha documentado en pacientes tan jóvenes como 8 meses, así como en adultos mayores de 50 años. Alrededor del 80% de los casos notificados hasta la fecha han sido varones.

Bioquímica

Estructura de la enzima

El sistema CPT actúa directamente sobre la transferencia de ácidos grasos entre el citosol y la matriz mitocondrial interna. CPT II comparte elementos estructurales con otros miembros de la familia de proteínas carnitina aciltransferasa. La estructura cristalina del CPT II de rata fue aclarada recientemente por Hsiao et al. El homólogo humano de la enzima CPT II muestra una homología de secuencia de aminoácidos del 82,2% con la proteína de rata. De los estudios cristalográficos con la proteína de rata se ha obtenido así información estructural y funcional importante sobre CPT II.

Además de las similitudes compartidas por las aciltransferasas, CPT II también contiene una inserción distinta de 30 residuos en el dominio amino que forma una protuberancia relativamente hidrofóbica compuesta por dos hélices alfa y una pequeña lámina beta antiparalela. Se ha propuesto que este segmento media la asociación de CPT II con la membrana mitocondrial interna. Además, el inserto también podría facilitar el transporte de palmitoilcarnitinas directamente al sitio activo de CPT II después de la translocación a través de la membrana interna en virtud de su yuxtaposición al túnel del sitio activo de la enzima.

Mecanismo catalítico

CPT II cataliza la formación de palmitoil-CoA a partir de palmitoilcarnitina importada a la matriz a través de la translocasa de acilcarnitina. El núcleo catalítico de la enzima CPT II contiene tres sitios de unión importantes que reconocen aspectos estructurales de CoA, palmitoilo y carnitina.

Aunque los estudios cinéticos se ven obstaculizados por una alta inhibición del sustrato, una fuerte inhibición del producto, valores de Km muy bajos para los sustratos de acil-CoA y efectos detergentes complejos con respecto a la formación de micelas, los estudios han demostrado que CPT II demuestra un mecanismo de orden obligatorio. en el que la enzima debe unirse a la CoA antes que la palmitoilcarnitina, y luego el producto resultante, la palmitoil-CoA, es el último sustrato que se libera de la enzima. El sitio de unión de carnitina se hace accesible mediante el cambio conformacional inducido en la enzima por la unión de CoA. Se cree que este mecanismo ordenado es importante para que la enzima responda apropiadamente al estado de acilación del conjunto mitocondrial de CoA a pesar de que las concentraciones tanto de CoA como de acil-CoA encontradas en la matriz exceden con creces el valor medido de km de la enzima. (la mayoría del CPT II ya habrá consolidado el Convenio de Agricultura).

El residuo de histidina (en la posición 372 en CPT II) está completamente conservado en todos los miembros de la familia de la carnitina aciltransferasa y se ha localizado en el sitio activo de la enzima, probablemente desempeñando un papel directo en el mecanismo catalítico de la enzima. Se cree que un mecanismo general para esta reacción implica que esta histidina actúe como base general. Más específicamente, esta reacción se desarrolla como un ataque nucleofílico catalizado por una base general del tioéster de acetil-CoA por el grupo hidroxilo de la carnitina.

Importancia bioquímica de las mutaciones que causan enfermedades

La mayoría de las anomalías genéticas en pacientes con deficiencia de CPT II afectan a residuos de aminoácidos algo alejados del sitio activo de la enzima. Por tanto, se cree que estas mutaciones comprometen la estabilidad de la proteína más que la actividad catalítica de la enzima. A continuación se detallan las teorías sobre la importancia bioquímica de las dos mutaciones más comunes:

• Ser113Leu Hsiao et al. teoriza que esta mutación puede perturbar la unión de hidrógeno entre Ser113 y Arg 498 y la red ion-pair entre Arg498 y Asp376, lo que afecta indirectamente la eficiencia catalítica del residuos de His372. Isackson et al. sugieren que esta mutación aumenta la termomolabilidad de la enzima, destabilizándola estructuralmente. Esto es notable a la luz del hecho de que esta mutación está asociada con la forma adulta inducida por el ejercicio (es decir, el aumento de la temperatura corporal puede exacerbar los defectos enzimáticos que conducen a la presentación sintomática). Rufer et al. especular que la mutación de la serina a la leucina más voluminosa, hidrofóbica altera una interacción crítica con Phe117, modificando finalmente la posición y el medio ambiente de los residuos catalíticamente importantes Trp116 y Arg498, reduciendo la actividad enzima.
• Pro50His Esta prolina es de 23 residuos del sitio activo, y se encuentra justo debajo del inserto de membrana hidrofóbica en la enzima CPT II activa. Hsiao et al. especular que esta mutación compromete indirectamente la asociación entre el CPT II y la membrana mitocondrial interior y perturba el cierre del sustrato de palmitoilcarnitina en el sitio activo de la enzima.

Actividad enzimática y gravedad de la enfermedad

La importancia clínica de las consecuencias bioquímicas que resultan de las anomalías genéticas en pacientes con deficiencia de CPT II es un tema controvertido. Rufer et al. apoyan la teoría de que existe una asociación entre el nivel de actividad enzimática y la presentación clínica. Múltiples grupos de investigación transfectaron células COS-1 con diferentes mutaciones de CPT II y encontraron distintos niveles de reducción en la actividad enzimática en comparación con los controles: Phe352Cys redujo la actividad enzimática al 70 % del tipo salvaje, Ser113Leu redujo la actividad enzimática al 34 % del tipo salvaje. y varias mutaciones graves redujeron la actividad al 5-10% del tipo salvaje.

Sin embargo, la mayoría de los investigadores se muestran reacios a aceptar la existencia de una relación causal entre la funcionalidad de la enzima y el fenotipo clínico. Dos grupos han informado recientemente una correlación limitada (que carece de significación estadística) entre la matriz genotípica y la gravedad clínica del fenotipo en sus cohortes de pacientes. Es necesario realizar más exploraciones de este tema para evaluar completamente las ramificaciones bioquímicas de esta deficiencia enzimática.

Se ha propuesto que la tasa de oxidación de ácidos grasos de cadena larga en pacientes con deficiencia de CPT II es un predictor más fuerte de la gravedad clínica que la actividad residual de la enzima CPT II. Por ejemplo, un estudio encontró que aunque el nivel de actividad residual de CPT II en los grupos de inicio adulto versus infantil se superponía, se observó una disminución significativa en la oxidación del palmitato en el grupo infantil en comparación con el grupo de adultos. Este grupo concluyó que tanto el tipo como la localización de la mutación CPT2 en combinación con al menos un factor genético secundario modulan el flujo de ácidos grasos de cadena larga y, por tanto, la gravedad de la enfermedad.

Fisiopatología

La carnitina es una sustancia natural hidrófila que se adquiere principalmente a través de las carnes y los productos lácteos de la dieta y es utilizada por las células para transportar ácidos grasos hidrófobos. El "lanzadera de carnitina" está compuesto por tres enzimas que utilizan carnitina para facilitar la importación de ácidos grasos hidrófobos de cadena larga desde el citosol a la matriz mitocondrial para la producción de energía mediante β-oxidación.

• Carnitina palmitoiltransferase I (CPT I) se localiza a la membrana mitocondrial exterior y cataliza la reacción de esterificación entre carnitina y palmitoil-CoA para producir palmitoilcarnitina. Se han identificado tres isoformas específicas de tejido (vivor, músculo, cerebro).
• Translocase Carnitine-acylcarnitine (CACT) es una proteína de membrana mitocondrial integral que transporta la palmitoilcarnitina desde el espacio intermembrano a la matriz a cambio de una molécula de carnitina libre que posteriormente se traslada de vuelta de la mitocondria al citosol.
• Carnitina palmitoiltransferase II (CPT II) es una proteína mitocondrial interna periférica que se encuentra ubicuamente como una proteína monomérica en todos los tejidos que oxidan los ácidos grasos. Cataliza la transesterificación de la palmitoilcarnitina de nuevo en palmitoil-CoA que ahora es un sustrato activado para la β-oxidación dentro de la matriz.

Genética molecular

La deficiencia de CPT II tiene un patrón de herencia autosómico recesivo. CPT2 es el gen que codifica la enzima CPT II y se ha asignado al locus cromosómico 1p32. Este gen está compuesto por 5 exones que codifican una proteína de 658 aminoácidos de longitud. Hasta la fecha, se han informado en la literatura sesenta mutaciones que causan enfermedades dentro de la secuencia codificante de CPT2, de las cuales se cree que 41 dan como resultado sustituciones o eliminaciones de aminoácidos en residuos críticos.

Consecuencias de los aminoácidos de algunas mutaciones reportadas

• Ser113Leu (338C ConfT) es la mutación leve más común observada en casos de adultos, tiene una frecuencia alelica observada de 65% en casos de adultos, y se han documentado casos de homocigous y heterocigous.
• Pro50His (149C títuloA) es también relativamente común en la forma adulta, con una frecuencia alelica de 6,5%.
• Arg161Trp, Glu174Lys y Ile502 # son otras mutaciones leves homozygous asociadas con la forma adulta
• Arg151Gln y Pro227Leu son ejemplos de mutaciones homocigodas severas que se han asociado con la forma infantil y neonatal mutisistémica del trastorno.
• Las 18 mutaciones graves conocidas que resultan en proteínas truncadas prematuramente carecen de actividad residual CPT II están asociadas con el inicio neonatal y son probablemente incompatibles con la vida en la mayoría de las circunstancias.
• Val368Ile y Met647Val los polimorfismos se han relacionado con la deficiencia de CPT II. Estas anomalías genéticas por sí solas no causan directamente el trastorno, pero parecen exacerbar la reducción de la eficiencia enzimática cuando se combinan con una o más mutaciones CPT2 primarias.

Investigaciones recientes encontraron que las mutaciones asociadas con un fenotipo de enfermedad específico se segregaban en exones específicos. En este estudio, los casos de inicio infantil tenían mutaciones en el exón 4 o 5 del gen CPT2, mientras que los casos de inicio en la edad adulta tenían al menos una mutación en el exón 1 y/o el exón 3. Este grupo sugirió que Ser113Leu (exón 3) y Pro50His (exón 1) podrían conferir algún tipo de ventaja protectora contra el desarrollo del fenotipo infantil grave en pacientes predispuestos a desarrollar la forma adulta del trastorno, ya que estas dos mutaciones tienen nunca se ha identificado en casos infantiles heterocigotos compuestos. En apoyo de esta teoría, un grupo independiente informó dos casos en los que mutaciones que se ha demostrado que causan las formas infantil (Arg151Gln) o neonatal (Arg631Cys) cuando en cambio eran homocigotas estaban asociadas con el fenotipo más leve, de inicio en la edad adulta, cuando se presenta como mutaciones heterocigotas compuestas con Ser113Leu como segunda mutación.

Diagnóstico

• Espectrometría de masa tándem: método no invasivo y rápido; un pico significativo en C16 es indicativo de deficiencia generalizada de CPT II
• Pruebas genéticas y pruebas de portador para confirmar la deficiencia utilizando una prueba de enzima de la piel. Las mujeres embarazadas también pueden someterse a pruebas mediante amniocentesis.
• Estudios de actividad enzimática en fibroblastos y/o linfocitos
• Resultados de laboratorio: la mayoría de los pacientes tienen bajos niveles de carnitina total y libre y alta acilcarnitina: ratios de carnitina libre. Los pacientes adultos a menudo tienen análisis de suero y/o orina positivo para la presencia de mioglobina y creatina sérica y niveles de transaminasa 20-400x más altos que los niveles normales durante un ataque. Se han reportado signos de acidosis metabólica y hiperammonemia significativa en casos infantiles y neonatales.

Tratamiento

El nivel de atención para el tratamiento de la deficiencia de CPT II implica generalmente limitaciones en la actividad prolongada y las siguientes estipulaciones:

• La triheptanoína de ácido graso de cadena media parece ser una terapia eficaz para la deficiencia de CPT II en adultos.
• Restricción de la ingesta de lípidos, aumento de la ingesta de carbohidratos
• Evitación de situaciones de ayuno
• Infusiones de glucosa durante infecciones para prevenir el catabolismo
• Evitación del ácido valproico, ibuprofeno, diazepam y anestesia general
• Modificaciones dietéticas incluyendo reemplazo de cadena larga con triglicéridos de cadena media complementados con L-carnitina
• Programa de comidas rigurosas
• Evitación del ejercicio riguroso.