Gluconeogénesis: Enzimas Clave y su Función

La gluconeogénesis involucra enzimas cruciales como la piruvato carboxilasa, la fosfoenolpiruvato carboxicinasa, la fructosa-1,6-bifosfatasa y la glucosa-6-fosfatasa. Es importante destacar que la glucosa-6-fosfatasa no se encuentra en el músculo.

• En la matriz mitocondrial encontramos a la piruvato carboxilasa, la cual está unida a la biotina y carboxila el piruvato usando un CO2 del ácido carbónico. Tras la carboxilación del piruvato se obtiene oxalacetato. Este oxalacetato pasa a malato y se transporta al citosol.
• En el citosol encontramos el malato que pasa a oxalacetato y también tenemos a la fosfoenolpiruvato carboxicinasa que transforma el oxalacetato en fosfoenolpiruvato.
• La fructosa-1,6-bifosfatasa convierte la fructosa-1,6-bifosfato en fructosa-6-fosfato. Esto ocurre cuando aumentan los niveles de glucagón (indicando poca glucosa en sangre), lo que induce la síntesis de PKA. Esta PKA, como ya sabemos, fosforila a la PFK2 y la inactiva como quinasa, pero la activa como fosfatasa, eliminando el fosfato de la fructosa-2,6-bifosfato. Al disminuir la fructosa-2,6-bifosfato, la glucólisis se detiene. Cuando aumentan los niveles de fructosa-6-fosfato, se activa la fructosa-1,6-bifosfatasa.
• La glucosa-6-fosfatasa convierte la glucosa-6-fosfato en glucosa. En el músculo no encontramos esta enzima, y es por ello que no se produce gluconeogénesis en este tejido. Si existe una patología con bajos niveles de glucosa-6-fosfatasa, se produce una hipoglucemia permanente, ya que no se puede generar glucosa (también puede causar hepatomegalia).

La gluconeogénesis consume GTP y NADPH. Dos moléculas de piruvato nos dan una de glucosa.

En contraste, la glucólisis utiliza enzimas como la glucocinasa, PFK1 y piruvato quinasa.

Regulación del Metabolismo del Glucógeno

Regulación Covalente y Glucogenólisis

Las regulaciones son de tipo covalente, ya que se realizan a través de una quinasa que fosforila y de una fosfatasa que desfosforila. El glucógeno se puede movilizar (glucogenólisis) de dos formas:

• Aumento de glucagón por la disminución de glucosa en plasma.
• Por una señal de estimulación adrenérgica (de huida), debido a la liberación de epinefrina.

Estas señales se llevan a cabo mediante receptores de 7 dominios transmembrana, los cuales al activarse hacen que aumenten los niveles de AMPc y, por tanto, que aumente la PKA que fosforila.

Pueden darse dos situaciones principales:

1. Aumento de glucagón por disminución de glucosa en sangre: Este glucagón se une a los receptores de 7 dominios transmembrana y activa la producción de AMPc y de PKA. Esta PKA fosforila a la enzima glucógeno fosforilasa B y la activa, haciendo que fosforile a la glucógeno fosforilasa A. La glucógeno fosforilasa A queda activa y comienza la glucogenólisis.
2. Aumento de insulina por aumento de glucosa en sangre: Esta insulina estimula, por una parte, a la fosfodiesterasa que disminuye los niveles de AMPc/PKA y, por otra parte, estimula a la proteína fosfatasa 1, que desfosforila a la glucógeno fosforilasa A/B, haciendo que no se produzca la glucogenólisis. En esta situación, no conviene romper el glucógeno, sino más bien tenerlo almacenado, pues hay mucha glucosa en sangre.

Resumen de la Regulación del Glucógeno

1. En ayuno fisiológico, aumenta el glucagón y, por tanto, tenemos la glucógeno sintasa inhibida y la glucógeno fosforilasa activada.
2. En fase postprandial, aumenta la insulina y, por tanto, tenemos la glucógeno sintasa activada y la glucógeno fosforilasa inhibida.

Regulación No Covalente y Diferencias Tisulares

Existe una regulación de tipo no covalente que no se da en el hígado, sino en el músculo gracias a la calmodulina (proteína que une calcio). Cuando aumentan las concentraciones de calcio, este se une a la calmodulina y cambia de conformación, siendo capaz de activar a la glucógeno fosforilasa B para que fosforile y active a la A. Como aumenta el calcio, lo que se quiere es conseguir energía y por ello se promueve la degradación de glucógeno.

En el HÍGADO: la glucosa y el ATP inhiben la glucogenólisis (ya tenemos energía suficiente, por lo que no necesitamos romper glucógeno) / la glucosa-6-fosfato activa la glucogénesis.

En el MÚSCULO: ocurre igual, pero además, el AMP estimula la glucogenólisis.

Patologías Hepáticas Asociadas al Metabolismo

Hígado Graso

El hígado graso se caracteriza por un aumento de tamaño del hígado debido a que los hepatocitos se cargan de grasa. Como ya sabemos, al consumir etanol aumentan los niveles de NADH y disminuyen los niveles de oxalacetato y de piruvato.

El oxalacetato pasa a malato y, por tanto, el oxalacetato no puede sintetizar citrato, que es el responsable de que la Acetil-CoA entre al ciclo de Krebs (si tenemos Acetil-CoA, pero no puede entrar al ciclo). Esta acumulación de Acetil-CoA hace que se formen cuerpos cetónicos que no serán consumidos (porque se está usando el acetato) y que originen una cetoacidosis inducida por etanol. El piruvato pasa a lactato y se produce una acidosis láctica. Además, también se disminuye la excreción de ácido úrico por la orina. Por otra parte, la beta-oxidación de los ácidos grasos se ve inhibida por el aumento de NADH de las enzimas que metabolizan el etanol (ya que esta beta-oxidación genera poder reductor). De este modo, como no se pueden oxidar las grasas, tenemos menos Acetil-CoA y más grasas.

Hepatitis Inducida por Alcohol

La hepatitis inducida por alcohol consiste en la ruptura de hepatocitos que se pueden dar por dos fenómenos:

Metabolismo del Etanol por el Sistema MEOS

Cuando el etanol es metabolizado por este sistema en el RE, se generan acetaldehídos con radicales libres muy tóxicos. Estos afectan a los lípidos de las membranas peroxidándolos y afectando a la estructura de la membrana. Además, estos radicales también se unen a glutatión y comprometen el sistema de defensa de la célula ante oxidaciones.

Acción de las Enzimas Alcohol y Acetaldehído Deshidrogenasa

Estas enzimas producen mucho acetaldehído, el cual establece enlaces covalentes con otras moléculas (Cross-link) haciendo que estas moléculas dejen de funcionar. También afecta a la cadena transportadora de electrones. El acetaldehído se une al glutatión y a aminoácidos (haciendo que no se sinteticen proteínas correctamente). Sabemos que el poder reductor que generan estas enzimas inhibe la beta-oxidación y la acción de la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa. De este modo, aumenta la grasa y en condiciones normales es excretada por las VLDL. Como el acetaldehído ha comprometido algunas proteínas, esta grasa no se puede expulsar en forma de VLDL y se acumula en el hígado, haciendo que pueda explotar.

Cirrosis

La cirrosis se caracteriza por la formación de fibras en el hígado, quedando este afuncional y perdiéndose masa. Cuando aumenta el acetaldehído en el hígado, se produce lo mencionado con anterioridad (rotura) y, por tanto, unos macrófagos especiales del hígado (células de Kupffer) se activan. Cuando estas células de Kupffer se activan, realizan dos tareas: estallido respiratorio (toman el O2 y secretan radicales libres y óxido nítrico, aumentando el estrés oxidativo) y liberan citoquinas que activan a las células esteladas. Estas células esteladas hacen que aumente el colágeno y las metaloproteasas, y que por tanto se produzca la fibrosis.

Señalización por Receptores Acoplados a Proteínas G (GPCRs)

Mecanismo General de Activación

El receptor se encuentra unido a la proteína G, por lo que tiene la máxima afinidad por el ligando. El ligando se une y provoca un cambio de conformación en el receptor que hace que la proteína G se separe de él y que esta también se divida en subunidad alfa y beta/gamma.

Una vez que la subunidad G alfa queda libre, intercambia un GDP por un GTP y se activa, uniéndose a la proteína efectora que en este caso es la adenil ciclasa (la adenil ciclasa queda activa). Como ya sabemos, la subunidad G alfa tiene actividad GTPasa intrínseca y puede hidrolizar un grupo fosfato. De este modo podemos encontrar dos estados en G alfa:

Estados de la Subunidad G Alfa

Con GTP

Cuando tiene GTP, los oxígenos del último grupo fosfato pueden establecer puentes de hidrógeno con dos residuos aminoacídicos (treonina 35 / glicina 60) que hace que G alfa cambie de conformación y que se active para poder unirse a la adenil ciclasa. Además, otro residuo (alanina 146) permite que se establezcan puentes de hidrógeno con el oxígeno de la base nitrogenada del GTP (ayuda a diferenciar con ATP).

Con GDP

Cuando se activa la actividad GTPasa intrínseca, se elimina el fosfato que establece los puentes de hidrógeno con los residuos aminoacídicos y la G alfa cambia de conformación y ya no tiene afinidad por la adenil ciclasa, sino que tiene por el complejo G beta/gamma. De este modo, el heterotrímero se reorganiza y se une al receptor. Debemos tener en cuenta que, si la actividad GTPasa intrínseca es alta, la actividad biológica será baja. Además, hay otras proteínas que pueden regular la actividad GTPasa (origen molecular del cáncer en mutaciones de estas proteínas).

Una vez que la adenil ciclasa está activa, esta sintetiza AMPc, que es un segundo mensajero para la proteína quinasa A (PKA). Cuando los niveles de AMPc aumentan por la señalización, la PKA se activa y fosforila cosas. Esta PKA puede tener dos efectos:

Efectos de la Proteína Quinasa A (PKA)

Respuestas Rápidas

Efectos a corto plazo porque fosforila las proteínas y moléculas del citosol.

Respuestas Lentas

Efectos a largo plazo que modifican el patrón de expresión génica. La PKA se transloca al núcleo y fosforila a factores de transcripción CREB. Una vez que CREB está fosforilado, se une a CBP y este complejo (CREB/CBP) se une a las zonas promotoras y activan la transcripción de genes dependientes de AMPc.

Regulación de la Señalización GPCR

Cuando el ligando se une al receptor y se da la señalización, esta no puede ser infinita. Está regulada por:

• Cuando se disocia la proteína G del receptor, disminuye la afinidad por el ligando.
• La fosfodiesterasa coge el AMPc y lo hidroliza.
• La actividad GTPasa intrínseca de la G alfa.
• El complejo G beta/gamma recluta a la quinasa BARK que fosforila el extremo carboxilo (citosólico) del receptor. La Beta-arrestina ve al receptor fosforilado y provoca la invaginación de la membrana con el receptor incluido, formándose una vesícula endocítica. Como el receptor está secuestrado, ya no recibirá más ligando. Dentro de la vesícula, el receptor se desfosforila y puede volver a la membrana.
• Proteínas de anclaje (AKAP5): Proteína de conexión entre la proteína efectora (adenil ciclasa) y el receptor. A ella se encuentra unida la proteína quinasa A (activa la señalización) y una fosfatasa (desactiva señalización).

Tipos Específicos de Receptores GPCR

A. Receptor GPCR Acoplado a Fosfolipasa C

En este tipo de receptor, la subunidad G alfa es tipo q y cuando cambia el GDP por GTP se une a la proteína efectora fosfolipasa C.

Funcionamiento

1. G alfa q activa a la fosfolipasa C (proteína efectora), cuya función es romper los lípidos de la membrana para obtener IP3 (inositol-3-fosfato) y diacilglicerol como segundos mensajeros (el AMPc no es el segundo mensajero).
2. El IP3 se une a receptores del RE para que se libere el calcio secuestrado y que aumente el calcio en el citosol.
3. El diacilglicerol quedó en la membrana y a él se une la proteína quinasa C que, para que esté activada, necesita calcio. Cuando el calcio se une al complejo de proteína quinasa C y diacilglicerol, se activa la proteína quinasa C y esta ya fosforila.

B. Receptor PAR1-Trombina

Es otro tipo de receptor de 7 dominios transmembrana acoplado a una proteína G, pero tiene como característica especial que su ligando se encuentra en el propio receptor. Estos receptores son usados en muchos fármacos anticoagulantes (hirudina), ya que evitan que la trombina pase el fibrinógeno a fibrina. Lo evitan de la siguiente forma:

Mecanismo de Acción

1. Los receptores necesitan que la trombina se una a ellos para que rompa una parte de ellos y deje desnudo el ligando (secuencia SFLLRN).
2. El ligando queda descubierto y ya se puede unir al receptor.

Debemos tener en cuenta que la trombina no es el ligando, sino la proteasa que rompe al receptor para que quede desnudo el ligando.

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