Pew Center for Molecular Nutrition, and Department of Nutrition, Case Western Reserve University School of Medicine
Cleveland, OH 44106.
Resumen
fuente significativa de ATP para la contracción muscular, especialmente bajo condiciones anaeróbicas. Sin embargo, a diferencia del hígado, el tejido muscular no es capaz de proveer de glucosa a la circulación sanguínea, debido a la ausencia de la enzima glucosa-6-fosfatasa. Durante el tiempo entre la alimentación y el ayuno de corta duración, la glucosa sanguínea permanece dentro de límites normales debido, en parte, a la habilidad de los músculos de proveer sustratos para el hígado, el cual los puede convertir en glucosa, es decir, sustratos energéticos como lactato, piruvato, y alanina. Bajo ciertas condiciones metabólicas, el músculo rojo (fibras tipo I y IIA), pueden remover el lactato de la sangre y oxidarlo para la producción de energía, mientras que el músculo blanco (fibras tipo IIB) puede tener la capacidad de sintetizar glucosa a partir del lactato. Los músculos contienen enzimas necesarias para la síntesis de glucógeno, la glucólisis y la oxidación de la glucosa. La regulación de enzimas metabólicas en el músculo esquelético ocurre como respuesta a cambios en la demanda de ATP, la disponibilidad de sustratos, y en repuesta a la estimulación hormonal y neural. Los principales reguladores hormonales de la actividad enzimática en el músculo esquelético, son la insulina, la cual permite la captación de glucosa y su posterior conversión a glucógeno, y la epinefrina, que estimula la producción de AMP cíclico (cAMP) y por esto activa una cascada enzimática que conduce al catabolismo del glucógeno. La actividad enzimática está controlada alostericamente por las concentraciones de ATP, AMP, Ca++, acetil-CoA y citrato. Así, las rutas metabólicas que regulan el catabolismo de los carbohidratos en el músculo esquelético están influenciadas por una combinación de factores, incluyendo la disponibilidad de sustratos, la concentración de enzimas reguladoras y sus niveles de actividad, y el estado energético del músculo.
REGULACIÓN DEL TRANSPORTE DE GLUCOSA
La utilización de glucosa por el músculo puede ser controlada en una
extensión significativa por medio de la concentración plasmática de glucosa. La
concentración plasmática de glucosa es regulada por la ingesta dietaria y por la
producción hepática y renal de glucosa. Además, la tasa en que la glucosa entra
al músculo puede ser modificada significativamente por la concentración
de insulina circulante.
El metabolismo de la glucosa en el músculo esquelético es controlado en una
gran extensión por el transporte de glucosa a través de la membrana celular, el
cual ocurre por medio de difusión facilitada. Este proceso independiente de
energía, es mediado por una única familia de transportadores facilitativos de
glucosa, llamados GLUT 1-GLUT 5, los cuales han sido recientemente aislados,
clonados y secuenciados. Los transportadores de glucosa pueden ser detectados en
asociación con membranas purificadas del músculo esquelético. El transportador
de glucosa GLUT 4, es el mayor transportador de glucosa expresado en el músculo
esquelético y es único, en tanto, que es la única isoforma de transportador de
glucosa, capaz de ser reclutado a la superficie de la membrana de la célula
muscular en respuesta a la insulina.
El músculo esquelético también expresa una segunda isoforma, el transportador
GLUT 1. Sin embargo, la proteína GLUT 1 es mucho menos abundante en el músculo,
formando quizás un 5-10 % del total de trasportadores. En las células musculares
que crecen en cultivo, el GLUT 1 es el principal transportador responsable
del transporte de glucosa, mientras que la expresión GLUT 4 está
significativamente reducida, y responde pobremente a la insulina. Entre los
tipos de fibras musculares, ha sido encontrado que las fibras musculares rojas
(Tipo I) contienen las mayores cantidades de transportadores de glucosa GLUT 4,
mientras que los músculos blancos (Tipo II) contienen solo ¼ de la cantidad
detectada en el músculo rojo y esto puede explicar la menor sensibilidad a la
insulina para el transporte de glucosa.
Usando microscopio electrónico y anticuerpos de transportadores específicos,
ha sido encontrado que los GLUT 4 residen en un único compartimiento cerca de
los túbulos (T) transversos, mientras que los GLUT 1 parecen ser más abundantes
en la superficie de la membrana plasmática del músculo esquelético humano. Esta
distribución sugiere que los GLUT 1 pueden estar involucrados en el transporte
basal de glucosa en ausencia de insulina, mientras que los GLUT 4 experimentan
una translocación a la superficie de la membrana (sarcolema), así como a la
membrana de los túbulos-T, esta puede constituir una importante función, reduciendo
la distancia de difusión de la glucosa, para alcanzar a la enzima hexoquinasa,
la cual esta asociada con la mitocondria en el centro del músculo, entre las
miofibrillas y sirve para fosforilar rápidamente a la glucosa-6-fosfato, y por
esto para atrapar a la glucosa en la célula.
SEÑALES DE LA INSULINA
La insulina estimula una variedad de rutas metabólicas en la célula muscular.
En particular, la insulina es responsable de la señalización del reclutamiento o
translocación de transportadores de glucosa, desde una fuente intracelular hacia
la membrana celular; de la síntesis de glucógeno incrementada; de la oxidación de glucosa por medio de la glucógeno sintetasa (GS), y de la actividad
enzimática de la piruvato dehidrogenasa (PDH). La insulina también puede
incrementar la actividad intrínseca de los transportadores de glucosa GLUT 4, y
por esto aumentar la actividad del transporte de glucosa sin incrementar la
inserción de transportadores de glucosa almacenados en el compartimiento
intracelular, en la membrana plasmática.
La naturaleza de la señal de la insulina permanece incompletamente entendida,
debido en parte a la compleja naturaleza del receptor de insulina y a su único
mecanismo de acción. La acción de la insulina es iniciada, cuando la misma se une a un
receptor de membrana específico, localizado en la superficie de la célula. El
receptor de insulina es un heterodímero compuesto de 2 dominios (subunidades)
unidos, ligados extracelularmente, conectados a dos dominios (subunidades)
transmembrana, los cuales son responsables de propagar la señal de la insulina.
La subunidad tiene una proteín quinasa intrínseca, que estimula su
autofosforilación en respuesta a la unión con la insulina.
La activación del receptor quinasa constituye el evento más rápido, luego de
la unión de la insulina con su receptor, y conduce a la fosforilación de varias
proteínas celulares sobre residuos tirosina. Han sido encontradas varias serina
y treonina quinasas dependientes de insulina y ha sido sugerida su activación
por medio de la fosforilación de la tirosina de una proteína citoplasmática con
una masa molecular de 165-185 kd, llamada receptor de insulina sustrato-1 (IRS).
Aunque la proteína IRS-1 contiene múltiples sitios de fosforilación de serina/treonina,
todavía debe ser descrita una relación directa entre el IRS-1 y los
transportadores de glucosa. Por otra parte, los transportadores de glucosa no
parecen ser regulados por medio de fosforilación, y así el mecanismo de
traducción de señal, desde el receptor hasta los transportadores de glucosa y su
translocación a la membrana celular deben todavía ser descritos a nivel celular.
REGULACIÓN DE LA SÍNTESIS DE GLUCÓGENO
Luego del transporte a través de la membrana celular del músculo, la glucosa
es rápidamente fosforilada por la hexoquinasa a glucosa-6-fosfato (G-6-P), lo
que atrapa a la glucosa dentro de la célula. A diferencia del hígado, el músculo
esquelético no contiene la enzima glucosa-6-fosfatasa que permite a la glucosa
salir de la célula muscular. La actividad de la hexoquinasa es inhibida por
altos niveles de glucosa-6-fosfato, la cual sirve para regular la disponibilidad
de G-6-P en la célula. A diferencia de otras enzimas en el músculo esquelético,
la cantidad de la enzima hexoquinasa es altamente inducible por la insulina, que
sirve para regular la disponibilidad de G-6-P en la célula. La glucosa-6-fosfato
ocupa el primer punto de ramificación en el metabolismo de la glucosa. En la
síntesis de glucógeno, la misma es convertida primero a glucosa-1-fosfato, la
cual se combina con el UTP para formar UDP-glucosa. La unidad glucosídica del
UDP-glucosa es transferida al glucógeno por medio de la enzima glucógeno
sintetasa (GS), la cual constituye el paso determinante de la velocidad en la
ruta metabólica de síntesis de glucógeno.
La glucógeno sintetasa constituye el sitio de regulación por factores
hormonales y no hormonales. La glucógeno sintetasa existe en una forma I
(independiente de la glucosa-6-fosfato) o una forma D (dependiente de la
glucosa-6-fosfato). La forma D es la forma más fosforilada de la enzima y es
menos activa en la ausencia de altos niveles de glucosa-6-fosfato, mientras que
la forma I está menos fosforilada, y es una forma más activa de la glucógeno
sintetasa. La interconversión de las dos formas es catalizada por una serie de
cuatro quinasas diferentes y por la enzima fosfoproteín fosfatasa (PP-1).
Las actividades de esta serie de quinasas están controladas por el AMPc y la
insulina. La insulina induce la defosforilación de la forma D de la glucógeno
sintetasa a través de la acción de la PP-1. La inhibición de la PP-1 es
dependiente de la proteín quinasa (A-quinasa) dependiente de cAMP, y esto
esencialmente detiene la síntesis de glucógeno a menos que la glucosa-6-fosfato
sea suficientemente alta. El incremento de los niveles de glucógeno en el
músculo también actúan como mecanismo de retroalimentación por medio de la
inhibición de la actividad de la PP-1, por esto reduciendo la cantidad de la GS
en la forma I y limitando la síntesis de glucógeno.
La elevación del cAMP aumenta la fosforilación de la glucógeno sintetasa en
la forma D y disminuye la afinidad del glucógeno con la UDP-glucosa en la
ausencia de glucosa-6-fosfato, mientras que a bajos niveles de fosforilación, es
requerida menos glucosa-6-fosfato para activar la glucógeno sintetasa. En
anticipación al ejercicio o durante la actividad muscular, la hormona epinefrina
es liberada a la sangre. La acción de la epinefrina cuando ocupa su receptor,
constituye la estimulación de la activación de la enzima adeniciclasa, que
conduce a la formación de AMP cíclico (cAMP). El AMP cíclico activa a proteín
quinasas (A quinasas) dependientes de cAMP, las cuales inactivan a la glucógeno
sintetasa, activando la conversión de la GS de la forma I a la forma D, la cual
es una forma menos activa. Al mismo tiempo, la glucógeno sintetasa es inhibida
por la activación de la quinasa-A, la enzima degradatiba glucógeno fosforilasa
es activada, y son favorecidos el catabolismo del glucógeno y la glucólisis.
REGULACIÓN DEL CATABOLISMO DEL GLUCÓGENO
La glucogenólisis, o el catabolismo del glucógeno, es catalizado por la
enzima glucógeno fosforilasa, y constituye el primer paso en la producción de
energía a través de la ruta metabólica de la glucólisis. La fosforilasa quita
glucosa secuancialmente en la forma de glucosa-1-fosfato de cada cadena de la
molécula de glucógeno. Esta enzima existe en dos formas, fosforilasa a y b. La
fosforilasa b en la forma desforforilada y está activa solo en presencia de
altos niveles de AMP, tal como ocurre durante la depleción energética. La forma
b es también capaz de ser fosforilada por una quinasa específica, que requiere
calcio, y puede ser convertida a fosforilasa a. La interconversión de
fosforilasa a y b constituye un importante mecanismo fisiológico regulatorio. La
forma a es efectiva en la ausencia de AMP, pero esta sujeta a la regulación
positiva por niveles incrementados de cAMP en los tejidos.
La actividad de la fosforilasa b es normalmente baja debido a los altos
niveles de glucosa-6-fosfato y ATP normalmente encontrados en las células
musculares en reposo, que actúan como inhibidores. Con niveles disminuidos de
estos inhibidores, la actividad de la fosforilasa b se incrementa para aumentar
el catabolismo del glucógeno y actúa como una defensa contra bajos niveles
energéticos en la célula. En contraste, en presencia de cAMP, o durante la
contracción muscular cuando el calcio es liberado durante la despolarización de
las células musculares, la fosforilasa b puede ser convertida a la forma a en
segundos. Esto lleva a una velocidad incrementada de catabolismo del glucógeno,
y permite un acoplamiento entre la contracción muscular y la producción de
energía a través de la ruta metabólica de la glucólisis.
REGULACIÓN DE LA GLUCÓLISIS
Pocos tejidos generan cantidades significativas de ATP por medio de la
glucólisis anaeróbica, ya que el aporte de oxígeno y los requerimientos de ATP
en estado estable en la mayoría de los tejidos de los mamíferos, son constantes.
El músculo esquelético constituye la excepción destacada, ya que los
requerimientos de ATP para contracciones repetidas exceden frecuentemente a
aquellos posibles por el aporte de oxígeno disponible. El aporte de ATP a corto
plazo es proporcionado por el catabolismo del glucógeno a glucosa-6-fosfato, y
las reacciones subsecuentes que producen ácido láctico.
La enzima fosfofructo quinasa (PFK-1) cataliza el primer paso irreversible de
la glucólisis entre la fructosa-6-fosfato y la fructosa-1-6-bifosfato, y es
considerado el primer paso regulador en al glucólisis. La enzima PFK también
proporciona un punto de control entre el metabolismo oxidativo en la mitocondria
y la producción de energía anaeróbica. La actividad de la PFK es controlada en
parte por la disponibilidad de sustratos (fructosa-6-fosfato) y a través de
regulación alostérica por una variedad de pequeñas moléculas. La actividad de la
PFK es inhibida por altos niveles de ATP y citrato (formado durante el
metabolismo aeróbico), y es acelerada por el fosfato inorgánico (Pi), AMP, ADP y
AMP cíclico, como ocurre cuando el nivel de aporte de oxígeno es limitado.
En condiciones anaeróbicas, el piruvato es convertido a ácido láctico por la
enzima lactato dehidroganasa (LDH), resultando en una producción neta de 2 ATP
por molécula de glucosa. El lactato producido durante el ejercicio en las fibras
musculares blancas glucolíticas es transportado fuera de la célula muscular por
un transportador específico y puede ser tomado y oxidado aeróbicamente por las
fibras musculares rojas. Mientras que las fibras musculares blancas contienen
niveles más altos de enzimas glucolíticas y una menor concentración de
mitocondrias, y así favorecen la metabolización de glucosa a ácido láctico en
vez de a piruvato para su oxidación en las mitocondrias. De otro modo, las
fibras rojas oxidativas, tienen una mayor capacidad aeróbica y van a convertir
el lactato a piruvato para la producción de ATP, por medio de la reacción
enzimática reversible de la LDH. Así, el lactato derivado de un tipo de fibra
muscular puede proveer una fuente de energía significativa para otros tipos de
músculos.
El paso final de la glucólisis involucra la conversión de fosfoenolpiruvato,
el cual representa otro paso de control de la velocidad de la glucólisis. Esta
reacción es catalizada por la enzima piruvato quinasa (PK), y es
fisiológicamente irreversible. Las circunstancias que favorecen esta reacción
son similares a aquellas que aumentan la PFK, mientras que el ATP, Ca++
y la alanina, inhiben esta reacción.
CICLO GLUCOSA-ALANINA EN EL MÚSCULO ESQUELÉTICO
En las células musculares, la formación de piruvato es el punto final de la
glucólisis. En fibras musculares tipo II b incubadas con altas concentraciones
de lactato o piruvato, ha sido observada la formación de glucógeno. Para llevar
a cabo la resíntesis de glucosa a partir de fuentes no glúcidas, se requiere de
un grupo separado de enzimas necesarias para la glucólisis invertida. Esto
incluye a la piruvato carboxilasa (PC), que cataliza la conversión de piruvato a
oxaloacetato (OAA) en la mitocondria.
El oxaloacetato no puede cruzar la membrana mitocondrial, y de este modo debe
experimentar primero la conversión a malato, el cual luego puede ser
transportado fuera de la mitocondria donde es reconvertido de vuelta a OAA. El
oxaloacetato en el citosol luego experimenta la descarboxilación a
fosfoenolpiruvato, una reacción catalizada por la enzima fosfoenolpiruvato
carboxiquinasa (PEPCK). Estos dos pasos catalizados por la PC y PEPCK, permiten
a la célula superar el paso irreversible de la glucólisis de la piruvato
quinasa.
El fosfoenolpiruvato puede luego ser convertido a fructosa-1-6-bifosfato,
donde el mismo debe desviar el paso irreversible catalizado por la enzima PFK.
Esto es realizado usando a la enzima fructosa-1-6-bifosfatasa para formar
fructosa-6-fosfato. La vía desde fructosa-6-fosfato hasta glucógeno puede luego
proceder en la dirección opuesta usando las mismas enzimas que durante la
glucólisis. Sin embargo, esta ruta metabólica es muy extensa, ya que requiere el
equivalente de 6 ATPs para producir una molécula de glucosa. Por otra parte, la
PEPCK y PC están expresadas en un nivel bajo en el músculo esquelético en
comparación al hígado, donde tiene lugar la mayor parte de la síntesis de
glucosa.
Dos sustratos gluconeogénicos de gran importancia son el lactato y el
piruvato, las primeras sustancias difusibles producidas por el músculo en el
catabolismo del glucógeno. En animales en ayuno, o en respuesta a la epinefrina
hay una caída en el glucógeno muscular, un incremento del lactato sanguíneo y
también de la alanina. Estos productos son tomados por el hígado y son
convertidos a glucosa para mantener la glucosa sanguínea en el estado de ayuno.
La alanina es sintetizada en el músculo a partir del piruvato, derivado de
ambas, del catabolismo del glucógeno, o a partir de los aminoácidos como
resultado del catabolismo proteíco. Ya que la alanina liberada del músculo se
incrementa en una extensión mucho más grande de la que está presente en el músculo,
existe una vía por medio de la cual los aminoácidos derivados a partir de la
degradación de proteínas pueden ser convertidos a alanina. En este escenario,
los aminoácidos contribuyen con el nitrógeno para la síntesis de alanina por
medio de la aminotransaminación usando al α-cetoglutarato como un aceptor de
grupos amino, formando glutamato. Durante este proceso, el α-cetoácido formado
puede también ser convertido en un intermediario del ciclo de Krebs, convertido
a oxaloacetato, y luego a piruvato por medio de las reacciones catalizadas por
la PEPCK y PK, como fue antes explicado.
Una vez que el piruvato es producido, ocurren una de dos cosas, es
trasportado dentro de la mitocondria, convertido a acetil-CoA, y luego es
completamente oxidado por medio del ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA), o
puede ser transaminado a alanina en una reacción catalizada por la alanina
aminotransferasa. En el estado de alimentación normal, la mayoría del piruvato
es oxidado. Durante la inanición o durante una dieta baja en carbohidratos, muy
poco piruvato va a ser oxidado ya que la enzima piruvato dehidrogena (PDH) va a
estar presente en la forma inactiva. El piruvato sigue entonces un destino
alternativo para formar alanina.
REGULACIÓN DE LA OXIDACIÓN DE GLUCOSA – EL CICLO DE KREBS
Por cada molécula de glucosa consumida durante la glucólisis, son producidas
dos moléculas de piruvato. La ruta metabólica para el metabolismo posterior del
piruvato, tiene lugar en la mitocondria, y es usualmente llamada ciclo de Krebs,
después de que el Sr. Hans Krebs propusiera la naturaleza cíclica de la ruta
metabólica en 1937. Un paso crucial en este proceso en la descarboxilación
oxidativa del piruvato a acetil-CoA. El paso ocurre solo en la mitocondria y es
catalizado por la enzima piruvato dehidrogensa (PDH). La PDH está sujeta a
control alostérico y covalente. La actividad de la PDH es inhibida por altos
niveles de NADH y acetil-CoA, ambos son productos de la reacción. La enzima es
también inhibida por ATP, el punto final del metabolismo del piruvato. Ya que la
oxidación de ácidos grasos constituye la fuente más grande de acetil-CoA en la
mitocondria, los mismos tienden a inhibir a la PDH y a reducir la oxidación de
glucosa. La PDH es también modificada covalentemente por la insulina, por medio
de una fosfatasa específica, la cual desfosforila y activa a la enzima, mientras
que la fosforilación por medio de una quinasa específica inactiva a la PDH.
Las enzimas del ciclo de Krebs están localizadas en la matriz mitocondrial, y
su función es transferir equivalentes reducidos en la forma de hidrógeno o
electrones hacia las enzimas adyacentes de la cadena respiratoria, donde son
generadas grandes cantidades de ATP en el proceso de fosforilación oxidativa. La
condensación inicial de acetil-CoA con oxaloacetato para formar citrato es
catalizada por la enzima citrato sintetasa, el cual puede ser un paso regulador,
con el ATP, NADH, y el succinil-CoA como inhibidores.
En el estado alimentado, la insulina conduce a un aumento de dos veces en la
oxidación muscular de la glucosa mientras que el ejercicio puede aumentar más de
10 veces la oxidación muscular de glucosa. La oxidación incrementada de glucosa
del músculo entrenado es consumada por medio de un número incrementado de
mitocondrias, y puede ser detectado por un incremento en la actividad de la
enzima citrato sintetasa, un marcador enzimático frecuentemente medido en las
biopsias musculares, para determinar el estado de entrenamiento de un músculo.
El citrato por si mismo juega un rol importante en el metabolismo, debido a su
fácil paso a través de la membrana mitocondrial, y si el mismo se acumula, actúa
como un efector negativo de la enzima glucolítica PFK, y por esto disminuye la
velocidad de la glucólisis.
De los 10 pasos del ciclo de Krebs, 3 implican transferencia de energía en la
forma de NADH2 (la forma reducida del NAD), El NADH2
transfiere su energía a través de una serie de reacciones acopladas a la
transferencia de electrones por medio de la cadena respiratoria, culminando en
una reacción con oxígeno. El resultado final es la generación de 36 ATP por
molécula de glucosa que recorra completamente el ciclo de Krebs. Estas
reacciones son un determinante crítico de la función fisiológica de un tejido.
En el músculo esquelético rojo que está densamente poblado por mitocondrias, el
ejercicio puede ser sostenido por largos períodos de tiempo ya que a través del
ciclo de Krebs pueden ser producidos altos niveles de síntesis de ATP. De otro
modo, las fibras musculares blancas, tienen menos mitocondrias y de este modo
derivan la mayoría de su energía para contracciones intensas y cortas del ATP
generado a través de la ruta metabólica glucolítica.
Dirección para Correspondencia: Department of Biochemistry, Case Western Reserve, University, Cleveland, OH
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