GLUCÓGENO. Estructura del glucógeno

Transcripción

1 GLUCÓGENO Estructura del glucógeno El glucógeno, forma de almacenamiento de la glucosa, es un polisacárido ramificado de glucosa compuesto de cadenas de unidades glucosilo unidas por enlaces -1,4 con ramificaciones -1,6 cada 8-10 residuos. En esta molécula tan ramificada sólo un residuo de glucosa presenta su carbono anomérico libre (no está unido a otro residuo de glucosa). Este carbono anomérico ubicado al principio de la cadena está unido a la proteína glicogenina. A diferencia de este residuo de glucosa, los ubicados en los extremos de las ramificaciones son no reductores (su carbono anomérico forma parte de un enlace glicosídico). La estructura ramificada del glucógeno permite su rápida síntesis y degradación dado que las enzimas que lo metabolizan pueden actuar sobre varias cadenas simultáneamente dado que presenta múltiples extremos no reductores. El glucógeno se encuentra en los tejidos como un polímero de muy alto peso molecular ( ) en grupos o clusters de moléculas formando las denominadas partículas de glucógeno. Las enzimas involucradas en su metabolismo y algunas de las enzimas regulatorias están unidas a la superficie de las partículas de glucógeno.

2 Antes de continuar con los procesos de síntesis y degradación del glucógeno dejemos en claro algunos términos: cuando hablemos de glucogenolisis, nos referiremos a la degradación intracelular del glucógeno mientras que por glucogénesis entenderemos su síntesis. Función del glucógeno en el músculo esquelético y en el hígado Nos ocuparemos aquí principalmente del metabolismo del glucógeno en el hígado y en el músculo debido a que es en estos tejidos donde este metabolismo es cuantitativamente más importante. Sin embargo, en alguna medida, el glucógeno está presente en todos los tipos celulares sirviendo como reserva de unidades glucosa para la generación de ATP en la glucólisis. El hígado tiene una gran capacidad de almacenamiento de glucógeno, llegando a constituir un 10% del peso del órgano. En cambio, en el músculo los depósitos sólo llegan al 1-2% del peso del tejido pero, considerando que la masa muscular es mayor que la hepática, los depósitos de glucógeno del músculo son casi dos veces los hepáticos. La función de estos depósitos de glucógeno es completamente diferente en el hígado y en el músculo esquelético. El glucógeno se degrada principalmente a glucosa 1- fosfato, que se convierte en glucosa 6-fosfato. En el músculo esquelético y otros tipos celulares, la glucosa 6-fosfato entra en la vía glicolítica. El glucógeno es una fuente de combustible extremadamente importante para el músculo esquelético cuando la demanda de ATP es elevada y cuando se utiliza rápidamente la glucosa 6-fosfato en la glucólisis anaeróbica. En muchos otros tipos celulares los pequeños depósitos de glucógeno cumplen una función similar; son una fuente de combustible de emergencia que aporta glucosa para la generación de ATP en ausencia de oxígeno o cuando el flujo sanguíneo es restringido. En general, en estas células la glucogenolisis y la glucólisis se activan simultáneamente. El ejercicio activa la movilización del glucógeno muscular para la formación de ATP. El rendimiento de ATP y el destino del esqueleto carbonado varían según se trate de una fibra roja o blanca. Las fibras musculares rojas reciben un buen flujo sanguíneo, contienen altos niveles de mioglobina y una gran cantidad de mitocondrias. El glucógeno en estas células se convierte en piruvato, y dada la presencia de O 2 y mitocondrias el piruvato puede oxidarse a CO 2 y H 2 O. En cambio, las fibras musculares

3 blancas tienen un flujo sanguíneo menor y menos mitocondrias. En estas células el glucógeno aporta sustrato para la glucólisis, siendo lactato el producto principal. Las fibras musculares blancas tienen una mayor capacidad de glucogenolisis y glucólisis que las fibras rojas. Dado que los depósitos de glucógeno son limitados, estas células sólo pueden funcionar a su máxima capacidad por tiempos cortos. En el organismo humano el músculo esquelético está compuesto de una mezcla de fibras rojas y blancas que permiten una actividad muscular rápida y sostenida. En el hígado, el glucógeno cumple una función diferente: es la primera y más directa fuente de glucosa para el mantenimiento de la glucemia. En el hígado, la glucosa 6- fosfato, producto de la degradación del glucógeno, se hidroliza a glucosa por la glucosa 6-fosfatasa, una enzima presente sólo en hígado y riñón. El glucógeno, por lo tanto, es una fuente rápidamente movilizable de glucosa para la sangre, cuando el aporte de glucosa de la dieta disminuye o cuando el ejercicio incrementa su utilización por los músculos. La glucogenolisis y la gluconeogénesis hepáticas aportan glucosa a la sangre y, consecuentemente, estas dos vías se activan simultáneamente. La gluconeogénesis, es decir, la síntesis de glucosa a partir de aminoácidos y otros precursores, también produce glucosa 6-fosfato, de modo tal que la glucosa 6-fosfatasa funciona como una salida a la sangre para ambas vías. Los niveles de glucógeno hepático varían en respuesta a la ingesta de alimentos aumentando inmediatamente después de una comida y disminuyendo lentamente cuando se moviliza el glucógeno para mantener la glucemia. Esta reserva se utiliza principalmente entre las comidas y aún más durante el ayuno nocturno. En los humanos el glucógeno hepático dura entre 12 y 24 horas de ayuno, dependiendo de la actividad realizada por el individuo. GLUCOGENESIS Y GLUCOGENOLISIS La síntesis del glucógeno, como casi todas las vías del metabolismo de la glucosa, comienza con la fosforilación de la glucosa a glucosa 6-fosfato en una reacción catalizada por la enzima hexoquinasa, o en el hígado, la glucoquinasa. Glucosa + ATP glucosa 6-fosfato + ADP

4 La glucosa 6-fosfato es el sustrato para la glucólisis, la vía de las pentosas y para la de síntesis de otros azúcares. Para la síntesis de glucógeno, la glucosa 6-fosfato se convierte primero en glucosa 1-fosfato en una reacción reversible catalizada por la enzima fosfoglucomutasa. Glucosa 6-fosfato glucosa 1-fosfato La glucosa 1-fosfato es el precursor para la síntesis de glucógeno pero también es el producto de su degradación. LA SÍNTESIS Y LA DEGRADACIÓN DE GLUCÓGENO SE PRODUCEN POR VÍAS DISTINTAS Y SON CATALIZADOS POR DIFERENTES ENZIMAS. La síntesis de glucógeno requiere de aporte energético. El dador de glucosa para la síntesis de glucógeno es la UDP-glucosa donde el residuo glucosilo está activado para su transferencia, por su combinación con un compuesto de alta energía como el UTP. glucosa 1-fosfato + UTP UDP-glucosa + PPi glucosa 1-fosfato uridiltransferasa Esta reacción (la síntesis de UDP-glucosa) se desplaza hacia la formación del producto, o sea que se hace energéticamente favorable e irreversible debido a que el pirofosfato producido es hidrolizado subsecuentemente por la pirofosfatasa: PP i 4- + H 2 O 2 P i 2- En la degradación del glucógeno los enlaces glicosídicos simplemente se clivan (cortan) por la adición de un fosfato (fosforólisis) para producir glucosa 1-fosfato (o agua para producir glucosa libre), y no se resintetiza la UDP-glucosa. La existencia de vías separadas para la formación y degradación de compuestos importantes es un punto común y clave en el metabolismo. Debido a que la síntesis y degradación utilizan diferentes enzimas es posible activar una vía e inhibir simultáneamente la contraria.

5 Síntesis de glucógeno La síntesis de glucógeno implica la formación de enlaces -1,4 glicosídicos, que unen residuos de glucosa en largas cadenas, y de enlaces -1,6 glicosídicos que generan puntos de ramificación cada 8 a 10 residuos de glucosa. En su mayor parte la síntesis de glucógeno consiste en el alargamiento de las cadenas de polisacáridos de una molécula de glucógeno preexistente (un primer o cebo de glucógeno) en la cual el extremo reductor está unido a la proteína glicogenina. Para alargar las cadenas la glucógeno sintasa agrega residuos de glucosa a partir de UDP-glucosa a los extremos no reductores de la cadena. El carbono anomérico (C1) de cada residuo de glucosa que se incorpora, se une por un enlace -1,4 al hidroxilo del C4 del último residuo de glucosa de la cadena. (glucosa) n + UDP-glucosa (glucosa) n+1 + UDP

6 El UDP puede reconvertirse a UTP en una reacción catalizada por la nucleósido difosfato quinasa: UDP + ATP UTP + ADP Cuando la cadena alcanza 11 unidades glucosilo de longitud, una enzima, denominada amilo-4:6-transferasa (o enzima ramificante o 1,4- -glucan ramificante), corta un fragmento de 6 a 8 unidades del extremo no reductor y lo une a una glucosa por un enlace -1,6. La distancia entre dos ramificaciones consecutivas es de por lo menos 4 residuos de glucosa. Ambas cadenas continúan alargándose hasta que pueden producir nuevas ramificaciones. Este proceso continúa, generándose moléculas altamente ramificadas.

7 LA REACCIÓN CATALIZADA POR LA GLUCÓGENO SINTASA ES EL PASO REGULATORIO DE LA VÍA. El balance completo de la síntesis de glucógeno a partir de glucosa es, entonces: (glucosa) n + glucosa + 2 ATP (glucosa) n ADP + 2 Pi Por qué es necesario que existan depósitos de combustible en forma de glucógeno en vez de almacenar esas calorías en forma de lípidos? Algunas respuestas a esa pregunta son: 1) los lípidos almacenados no pueden degradarse tan rápidamente como el glucógeno, 2) en ausencia de oxígeno no se pueden utilizar los lípidos como fuente de energía y 3) los lípidos no pueden convertirse en glucosa y por lo tanto no pueden utilizarse para mantener la glucemia. Por qué es necesario gastar ATP para sintetizar una molécula enorme y compleja como el glucógeno en vez de almacenar la glucosa como tal? Por una parte, la glucosa es osmóticamente activa y se necesitaría ATP para bombearla hacia adentro de la célula. Por otra, para alcanzar la cantidad de glucosa que se almacena como glucógeno se debería llegar a una concentración intracelular de glucosa de 400 mm lo que produciría la entrada de agua y finalmente ocasionaría la lisis osmótica de las células. Es posible calcular la concentración de glucógeno (en μm) que equivale a una concentración de glucosa libre de 400 mm (peso molecular del glucógeno: 10 7 )? Normalmente la degradación del glucógeno no es total y por lo tanto la resíntesis se realiza sobre una molécula preformada. Sin embargo, también ocurre la síntesis de nuevas moléculas de glucógeno. Este proceso ocurre cuando la glicogenina, proteína a la cual se une el glucógeno, se glicosila (autoglicosilación) uniéndose una molécula de

8 glucosa al OH- de una tirosina. La adición de residuos de glucosa continúa hasta que la cadena glicosídica es suficientemente larga como para ser sustrato de la glucógeno sintasa. Cuándo termina la síntesis de glucógeno? El glucógeno mismo inhibe a la glucógeno sintasa y por lo tanto evita su síntesis indefinida. Degradación del glucógeno El glucógeno se degrada por la acción combinada de dos enzimas, la glucógeno fosforilasa y la enzima desramificante. La fosforilasa inicia su actividad en el extremo no reductor de una cadena y libera secuencialmente residuos de glucosa 1-fosfato. Es una reacción de fosforólisis donde se incorpora un grupo fosfato al carbono anomérico (C1) del último residuo de glucosa de la cadena. (glucosa) n + P i 2- (glucosa) n-1 + glucosa 1-fosfato Sin embargo, la fosforilasa no puede actuar sobre los enlaces glucosídicos cuando llega a 4 residuos de un punto de ramificación, porque ésta impide estéricamente la ubicación correcta de la molécula en el sitio catalítico de la enzima. La enzima desramificante cataliza la remoción de esos 4 residuos. Esta enzima posee dos actividades

9 catalíticas: actúa como 4:4 transferasa (o 4- -D-glucanotransferasa) y como 1,6 glucosidasa (o amilo- -[1,6]glucosidasa). Como transferasa remueve primero una unidad de 3 residuos de glucosa y los agrega al final de otra cadena mediante un enlace -1,4. El residuo de glucosa remanente en la ramificación se hidroliza por la actividad amilo-1,6-glucosidasa liberándose como glucosa. Por lo tanto, en cada punto de ramificación se liberan una molécula de glucosa y alrededor de 7 a 9 de glucosa 1- fosfato. El siguiente paso de la degradación del glucógeno es catalizado por la fosfoglucomutasa: glucosa 1-fosfato glucosa 6-fosfato Esta reacción, en las condiciones que se encuentran dentro de las células, está casi en equilibrio, lo que le permite funcionar tanto en la síntesis como en la degradación del glucógeno.

10 La siguiente enzima involucrada depende del tejido que estemos considerando. En el hígado la glucosa 6-fosfatasa cataliza la hidrólisis de la glucosa 6-fosfato a glucosa libre: glucosa 6-fosfato 2- + H 2 O glucosa + P i 2- La falta de esta enzima o de la traslocasa que transporta la glucosa 6-fosfato al retículo endoplásmico (donde se produce la hidrólisis) es la causa de una de las denominadas "enfermedades de almacenamiento de glucógeno" (tipo I). El balance completo de la remoción de un residuo de glucosa del glucógeno en el hígado es entonces: (glucosa) n + H 2 O (glucosa) n-1 + glucosa No se utiliza ni se forma ATP en este proceso. En el músculo la glucosa 6-fosfato se utiliza en la vía glicolítica que lleva principalmente a la producción de lactato en las fibras musculares blancas y a la oxidación completa de la glucosa en las rojas. Dado que no se invirtió ATP para obtener glucosa 6-fosfato el balance completo para la glucogenolisis y la glucólisis en el músculo será: (glucosa ) n + 3 ADP P i H + (glucosa) n lactato ATP 4- La degradación del glucógeno también ocurre, en parte, dentro de los lisosomas cuando las partículas de glucógeno se rodean por membranas que luego se fusionan con

11 las membranas lisosomales. Una glucosidasa lisosomal hidroliza el glucógeno a glucosa. Regulación de la síntesis y degradación del glucógeno Los mecanismos regulatorios de la síntesis de glucógeno en los diferentes tejidos responden a la función del glucógeno en dicho tejido. El glucógeno hepático se utiliza fundamentalmente para mantener la glucemia durante el ayuno o en otros casos (como por ej. en el ejercicio), y la regulación de su síntesis está dada principalmente por cambios en la relación insulina/glucagon y por la glucemia, que refleja el aporte de glucosa por la dieta. La degradación del glucógeno hepático también se activa por adrenalina, que se libera en respuesta al ejercicio, a la hipoglucemia o a otras situaciones estresantes en las cuales hay una demanda inmediata de glucosa de la sangre. En contraste, en el músculo esquelético la reserva de glucógeno se utiliza para la generación de ATP a partir de la glucólisis. Como consecuencia, la glucogenolisis muscular se regula principalmente por ATP y por el Ca 2+ liberado durante la contracción muscular. La adrenalina, que se libera en respuesta al ejercicio y al estrés también activa la glucogenolisis en el músculo esquelético. Los depósitos de glucógeno del músculo en reposo disminuyen muy poco durante el ayuno. Regulación del metabolismo del glucógeno en el hígado El glucógeno hepático se sintetiza luego de la ingesta de una comida rica en glúcidos, cuando aumenta la glucemia, y se degrada cuando la glucemia disminuye. Cuando se ingiere una dieta rica en glúcidos la glucemia aumenta rápidamente y también aumentan los niveles de insulina, mientras que los de glucagon disminuyen. El incremento de glucosa y de la relación insulina/glucagon inhibe la degradación de glucógeno y estimula su síntesis. El almacenamiento inmediato de la glucosa sanguínea como glucógeno ayuda a llevar los niveles de glucemia a los normales de 80 a 100 mg/dl. Los niveles de insulina comienzan entonces a disminuir mientras que los de glucagon aumentan. La caída de la relación insulina/glucagon resulta en la inhibición de la síntesis de glucógeno y en la activación de su degradación. Como resultado, el glucógeno hepático se degrada rápidamente a glucosa, que se libera a la sangre.

12 Aunque la gluconeogénesis y la glucogenolisis se activan simultáneamente por los mismos mecanismos regulatorios, la degradación del glucógeno es más rápida y produce mayor cantidad de glucosa que la síntesis de glucosa a partir de precursores no glucídicos. Una proporción sustancial del glucógeno hepático se degrada en las primeras horas de ayuno. Los depósitos de glucógeno son, entonces, una forma de almacenamiento que se crea y destruye rápidamente en respuesta a pequeños y rápidos cambios de la glucemia. Regulación del metabolismo hepático del glucógeno por insulina y glucagon La insulina y el glucagon regulan el metabolismo hepático del glucógeno a través de cambios en el estado de fosforilación de la glucógeno fosforilasa en la vía degradativa y de la glucógeno sintasa de la vía biosintética. Estas enzimas catalizan los pasos regulatorios de cada vía (que son reacciones alejadas del equilibrio). En el ayuno, el incremento del glucagon y la disminución de insulina inician una cascada de fosforilación dependiente de AMP-cíclico que resulta en la fosforilación y activación de la glucógeno fosforilasa y en la fosforilación e inactivación de la glucógeno sintasa. Como consecuencia el glucógeno se degrada. El glucagon regula el metabolismo del glucógeno a través de su segundo mensajero, el AMP-cíclico y de la proteína quinasa A. Luego de su unión a un receptor de membrana, la transmisión de su señal vía la proteína Gs produce la activación de la adenilato ciclasa causando un aumento en los niveles de AMP-cíclico. El AMPc se une a las subunidades regulatorias de la proteína quinasa A y como consecuencia éstas se disocian de las subunidades catalíticas. Las subunidades catalíticas de la PKA se activan por la disociación y fosforilan a la enzima fosforilasa quinasa. Esta enzima es también una proteína quinasa que convierte la forma hepática inactiva de la glucógeno fosforilasa b en la forma activa glucógeno fosforilasa a por transferencia de un fosfato del ATP a residuos de serina específicos de la enzima. Como resultado de la activación de la glucógeno fosforilasa se estimula la glucogenolisis. Simultáneamente se inhibe la síntesis de glucógeno. La glucógeno sintasa también es fosforilada por la proteína quinasa A, pero esta fosforilación la transforma en una forma menos activa, la glucógeno sintasa b.

13 La glucógeno sintasa es mucho más compleja que la fosforilasa. Presenta múltiples sitios para su fosforilación y es sustrato de diferentes quinasas. La fosforilación catalizada por la proteína quinasa A no produce la inactivación de la sintasa sino que facilita la adición sucesiva de grupos fosfato por otras quinasas, lo que lleva a su inactivación. Ente las enzimas que fosforilan a la glucógeno sintasa se cuentan las quinasas sensibles a Ca 2+ como la fosforilasa quinasa, la calcio-calmodulina quinasa y la proteína quinasa C y otras, como la glucógeno sintasa quinasa 3, la caseina quinasa I y la caseína quinasa II que no son regulables ni por AMPc ni por Ca 2+. Cuando una enzima modifica su actividad como consecuencia de múltiples fosforilaciones se dice que se trata de una "fosforilación jerárquica o sinergística" donde la fosforilación en un sitio expone otro sitio más reactivo y fácil de fosforilar por una proteína quinasa diferente. El glucagon inhibe la glucólisis actuando a nivel de la 6-fosfofructo-1-quinasa (FFK1) y de la piruvato quinasa (PK) según lo explicado en la clase correspondiente. El resultado neto de los efectos del glucagon, todos mediados por su segundo mensajero AMPc y por modificación covalente es el muy rápido aumento de la glucemia. No se llega a la hiperglucemia porque la liberación de glucagon del páncreas disminuye al aumentar la glucemia. Regulación de las proteínas fosfatasas Simultáneamente con la activación de la proteína quinasa A y de la fosforilasa quinasa, se inhiben las proteínas fosfatasas que hidrolizan fosfatos unidos a serina u otros aminoácidos de las enzimas. La proteína fosfatasa-1 hepática (PP-1 hepática), una de las principales proteínas fosfatasas involucradas en el metabolismo del glucógeno, remueve grupos fosfato de la fosforilasa quinasa, de la glucógeno fosforilasa y de la glucógeno sintasa. En condiciones normales, la PP-1 está asociada con una subunidad (G) que interacciona con la partícula de glucógeno formando el heterodímero PP-1G que tiene una afinidad muy alta por el glucógeno. La concentración de la forma libre es muy baja. Durante el ayuno, el glucagon desencadena la inactivación de la PP-1 hepática por fosforilación, por disociación de la partícula de glucógeno y por la unión a una proteína inhibitoria, denominada inhibidor-1. En forma opuesta, la insulina activa indirectamente de su receptor.

14 La fosforilación en sitios específicos de la subunidad G de la PP-1G produce respuestas apropiadas a la adrenalina y al Ca 2+ por un lado (glucogenolisis) y a la insulina por el otro (glucogénesis). En el músculo esquelético la PP-1G es fosforilada por la proteína quinasa A en el sitio 2 o por la proteína quinasa estimulada por insulina en el sitio 1. La fosforilación en el sitio 1 (insulina) refuerza la interacción de PP-1 con el glucógeno y por lo tanto lleva a la defosforilación de la glucógeno sintasa y de la fosforilasa quinasa. En consecuencia se incrementa la actividad de la sintasa y se inhibe la de la quinasa. Por otra parte, el efecto de la adrenalina es causar la fosforilación en el sitio 2, reduciendo la estabilidad del dímero PP-1G y liberando la subunidad catalítica al citosol, donde se asocia con la proteína inhibitoria 1. La subunidad regulatoria G permanece asociada con el glucógeno. Al inhibirse la actividad de fosfatasa, predomina la fosforilación, via PKA, de las enzimas que metabolizan al glucógeno, por lo que se inhibe la glucógeno sintasa y se activa la fosforilasa quinasa. Los mecanismos que controlan la actividad de la PP-1 en el hígado y en el músculo son diferentes. En el hígado, la actividad de la subunidad G L no se regula por fosforilación. La inhibición de la actividad de fosfatasa se debe al efecto alostérico de la unión de la fosforilasa (en su forma fosforilada). Insulina y el metabolismo hepático del glucógeno La insulina tiene un efecto antagónico al del glucagon en la síntesis y degradación del glucógeno. Los niveles de glucosa en la sangre controlan la secreción de insulina y de glucagon. La glucosa estimula la liberación de insulina y reprime la de glucagon. Luego de una dieta rica en glúcidos aumenta la liberación de insulina y disminuye la de glucagon. Sin embargo en los ciclos de ayuno-saciedad, la variación en los niveles de insulina en sangre es más marcada que los de glucagon. Por lo tanto la insulina se considera el principal regulador de la síntesis y degradación del glucógeno. Además de la activación de la PP-1 hepática por la cascada de fosforilación desencadenada por la actividad tirosina quinasa del receptor de insulina, la hormona puede activar a la fosfodiesterasa que convierte AMPc en AMP, disminuyendo por lo tanto los niveles de AMPc. Independientemente de los mecanismos involucrados, la insulina es capaz de revertir los efectos del glucagon y es el regulador hormonal más importante de la glucemia.

15 Mecanismo de acción de la insulina El receptor de insulina pertenece a la familia de receptores con actividad enzimática. En particular, la unión de la insulina con su receptor dimérico induce un cambio conformacional en el mismo que produce la estimulación de la actividad de tirosina quinasa de los dominios citosólicos del receptor y la fosforilación cruzada de ambos en múltiples residuos de tirosina. La autofosforilación incrementa la actividad de quinasa y crea sitios de unión de alta afinidad para diferentes proteínas de señalización. Esto es seguido por la fosforilación de sustratos del receptor de insulina (IRS). Hasta el momento se han identificado 4 IRS (IRS1 a IRS4), que se unen directamente a la región fosforilada en tirosina del receptor de insulina que está más cerca de la membrana, lo que ocasiona su fosforilación en tirosina en diferentes sitios. La subunidad regulatoria p85 de la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI-3 quinasa) se une entonces al IRS fosforilado. Esta quinasa fosforila principalmente a fosfolípidos con inositol en la posición 3 del anillo de inositol. Estos lípidos fosforilados sirven de sitios de anclaje para diferentes quinasas de serina/treonina que se asocian con la membrana plasmática. Entre estas quinasas se encuentra la proteína quinasa B (PKB o también llamada Akt) que es fosforilada en este proceso. La PKB activada retorna al citoplasma y fosforila diferentes sustratos. Entre ellos, la glucógeno sintasa quinasa (GSK-3 ) es fosforilada e inactivada por la PKB. La inactivación de la GSK-3 reduce la fosforilación de la glucógeno sintasa. Por si solo, esto no es suficiente para iniciar la síntesis de glucógeno. Para que esto ocurra es también necesario remover los grupos fosfato de la glucógeno sintasa por activación de la proteína fosfatasa-1 (PP-1) como ya se ha descripto. Glucemia y Síntesis y degradación del glucógeno Cuando se ingieren glúcidos, la degradación del glucógeno se frena inmediatamente. Aunque los cambios en los niveles de insulina y glucagon son relativamente rápidos (10-15 minutos) el efecto inhibitorio directo del aumento de la glucemia en la degradación del glucógeno es aún más rápido. La glucosa inhibe alostéricamente a la glucógeno fosforilasa a hepática. Su unión a esta enzima la hace mejor sustrato para las proteínas fosfatasas, estimulándose su defosforilación e inactivación. Se ha propuesto que la fosforilasa a actúa como un receptor de glucosa en el hígado y que su unión produce como consecuencia la inhibición de la glucogenolisis. También hay evidencias

16 de que la fosforilasa a (mientras está fosforilada) inhibe la defosforilación de la glucógeno sintasa b por las proteínas fosfatasas. Por lo tanto, la glucosa produce la inactivación de la fosforilasa a, la activación de la glucógeno sintasa y en suma el predominio de la síntesis de glucógeno en el hígado. Esto ocurre porque la concentración de glucosa en las células hepáticas refleja muy cercanamente los valores de glucemia. Esto no es cierto para los tejidos extrahepáticos. Las células del hígado tienen sistemas de transporte de glucosa de alta capacidad y una enzima de alto Km para su fosforilación. Las células de los tejidos extrahepáticos tienen en general sistemas de transporte de baja capacidad y una enzima de bajo Km para su fosforilación lo que mantiene baja la concentración de glucosa en estos tejidos. Mientras aumentan los niveles de insulina y disminuyen los de glucagon, el AMPc disminuye y la proteína quinasa A se reasocia con sus subunidades inhibitorias y se hace inactiva. Las proteínas fosfatasas se activan y la fosforilasa a y la glucógeno sintasa se defosforilan. El resultado general de estos efectos es una rápida inhibición de la degradación del glucógeno y una rápida activación de su síntesis. Adrenalina y calcio en la regulación del glucógeno hepático La adrenalina, la hormona del estrés (en los animales prepara al organismo para el combate o la huida), se libera de la médula adrenal en respuesta a señales neurales que reflejan un incremento en la demanda de glucosa. Para escapar de una situación peligrosa, el músculo esquelético utiliza cantidades crecientes de glucosa sanguínea para generar ATP. Como resultado, la glucogenolisis hepática debe estimularse. Por un lado, la adrenalina estimula la liberación de glucagon de las células del páncreas. Por otra parte, actuando sobre receptores -adrenérgicos de las células hepáticas, produce la activación de la adenilato ciclasa (vía proteína Gs) que aumenta los niveles de AMPc y activa a la proteína quinasa A. Por lo tanto, la regulación por adrenalina y glucagon en el hígado es similar. La membrana plasmática de los hepatocitos presenta otro tipo de receptores, los - adrenérgicos. La unión de la adrenalina a éstos receptores activa la gucogenolisis e inhibe la síntesis de glucógeno principalmente por el incremento en los niveles de Ca 2+. Los efectos de la adrenalina en este tipo de receptor son mediados por el sistema de transducción de señales del fosfatidil inositol bisfosfato (PIP 2 )-Ca 2+. La señal se

17 transfiere del receptor de adrenalina a una fosfolipasa C unida a membrana mediante proteínas G. La fosfolipasa C hidroliza al PIP 2 formando diacilglicerol (DAG) e inositol trifosfato (IP 3 ). Este último estimula la liberación del Ca 2+ del retículo endoplásmico. El Ca 2+ y el DAG activan a la proteína quinasa C. La cantidad de calcio unido a una de las proteínas ligadoras de calcio, la calmodulina, también se incrementa. La calmodulina-ca 2+ se asocia como subunidad con distintas enzimas y modifica sus actividades. Entre ellas, se une a la fosforilasa quinasa produciendo su activación parcial (la enzima completamente activada tiene unido calcio-calmodulina y está fosforilada). La fosforilasa quinasa fosforila a la glucógeno fosforilasa b, activando entonces la degradación de glucógeno. Calmodulina-Ca 2+ también activa a una de las quinasas de la glucógeno sintasa (calcio-calmodulina quinasa). La proteína quinasa C, la calcio-calmodulina quinasa y la fosforilasa quinasa fosforilan a la glucógeno sintasa en diferentes residuos de serina, produciendo la inhibición de la enzima y por lo tanto de la síntesis de glucógeno. El efecto de la adrenalina en el hígado, por lo tanto, aumenta o es sinergístico con los efectos del glucagon. La adrenalina liberada durante picos de hipoglucemia o durante el ejercicio puede estimular la glucogenolisis hepática e inhibir la síntesis de glucógeno rápidamente. Regulación del metabolismo del glucógeno en el músculo esquelético La regulación de la glucogenolisis en el músculo esquelético se relaciona con la disponibilidad de ATP para la contracción muscular. La degradación del glucógeno muscular produce glucosa 1-fosfato y una pequeña cantidad de glucosa libre. La glucosa 1-fosfato se convierte a glucosa 6-fosfato, que se utiliza en la vía glicolítica. La ausencia de glucosa 6-fosfatasa en el músculo esquelético evita la liberación de glucosa a partir del glucógeno. El glucógeno muscular se degrada sólo cuando la demanda de ATP de la glucólisis es alta. La demanda más importante ocurre durante la glucólisis anaeróbica, que requiere más moles de glucosa por cada ATP producido que la oxidación de la glucosa a CO 2. La glucólisis anaeróbica ocurre en tejidos que tienen pocas mitocondrias. Estos tejidos poseen a su vez un alto contenido en enzimas glicolíticas y mayores niveles de glucógeno. La glucólisis anaeróbica ocurre más frecuentemente al principio del ejercicio, antes de que la vasodilatación permita la llegada de más combustibles por la sangre. La regulación de la degradación del glucógeno en el

18 músculo debe responder entonces muy rápido a la necesidad de ATP, lo que es indicado por el incremento en los niveles de AMP. La adrenalina estimula la glucogenolisis muscular actuando a través de receptores de tipo mediante los mecanismos ya descriptos para la regulación del metabolismo del glucógeno hepático. Por otra parte la glucólisis muscular no se inhibe cuando se incrementa el AMPc. Por lo tanto el efecto de la adrenalina en el músculo es producir más sustrato para la glucólisis. El ATP generado se utilizará para enfrentar la demanda metabólica impuesta al músculo esquelético por el estrés que determinó la liberación de adrenalina. La excitación nerviosa de la actividad muscular está mediada por cambios en la concentración intracelular de Ca 2+. El impulso nervioso produce la despolarización de la membrana ocasionando la liberación del ión del retículo sarcoplásmico. Esta liberación es la que lleva a la contracción muscular, mientras que la reacumulación de Ca 2+ por el retículo causa la relajación. La misma variación en la concentración de Ca 2+ que es efectiva para producir la contracción muscular (de 10-8 a 10-6 M) también afecta la actividad de la fosforilasa quinasa. La activación de esta enzima lleva a la activación de la glucógeno fosforilasa y posiblemente a la inactivación de la glucógeno sintasa. El resultado es que más glucógeno se degrada para proveer ATP para la contracción muscular. La insulina aumenta la utilización de glucosa, en parte promoviendo la glucogénesis e inhibiendo la glucogenolisis en el músculo e hígado. La estimulación del transporte de glucosa a nivel de la membrana plasmática es importante en el músculo, aunque no en el hígado. Los hepatocitos tienen un sistema de alta capacidad insensible a insulina, mientras que el músculo tiene un sistema de baja capacidad que requiere de insulina para lograr la máxima captación de glucosa. La insulina estimula el transporte de glucosa tanto en músculo como en tejido adiposo incrementando el número de transportadores asociados con la membrana plasmática. Esto se logra promoviendo la translocación del transportador de un pool intracelular a la membrana. Por otra parte, la insulina promueve la defosforilación de las enzimas regulatorias del metabolismo del glucógeno según se explicó anteriormente. La regulación del metabolismo del glucógeno en el músculo difiere de la regulación en el hígado en varios aspectos importantes: a) el glucagon no tiene efecto en el músculo, y por lo tanto los niveles de glucógeno musculares no varían significativamente en los ciclos de ayuno-saciedad, b) el AMP es un activador alostérico

19 de la isoenzima muscular de la glucógeno fosforilasa pero no de la hepática; c) los efectos del Ca 2+ en el músculo resultan principalmente de su liberación del retículo sarcoplásmico luego de la estimulación neural y no de su entrada estimulada por adrenalina, d) la glucosa no es un activador fisiológico de la glucógeno sintasa muscular, e) el glucógeno es un retroinhibidor más poderoso de la glucógeno sintasa muscular que de la hepática, resultando en una menor cantidad de glucógeno almacenado por gramo de peso de tejido muscular. Los efectos de la fosforilación dependientes de adrenalina via la proteína quinasa A son similares en hígado y músculo. La fosforilasa muscular es una enzima genéticamente diferente de la hepática. Contiene una zona que presenta un sitio de unión para nucleótidos de purina. Cuando el AMP se une a este sitio, cambia la conformación del sitio catalítico a una estructura muy similar a la de la enzima fosforilada. Por lo tanto la hidrólisis del ATP a ADP y el consecuente incremento en el AMP generado por la adenilato quinasa durante la contracción muscular puede estimular directamente la glucogenolisis para suministrar combustible a la vía glicolítica. El AMP también estimula la glucólisis activando la fosfofructoquinasa-1, de modo que este efector activa la glucogenolisis y la glucólisis. La activación de la subunidad calcio-calmodulina de la fosforilasa quinasa por el Ca 2+ liberado del retículo sarcoplásmico durante la contracción muscular también provee un medio rápido para estimular la degradación del glucógeno. Estas diferencias logran la coordinación entre la glucogenolisis muscular con la demanda de ATP, la activación de la glucólisis por AMP y la activación de la piruvato deshidrogenasa y las enzimas del ciclo de Krebs por ADP y Ca 2+.