En esta unidad, se revisarán la síntesis —glucogénesis— y la degradación —glucogenólisis— de la molécula de glucógeno, principal carbohidrato de almacenamiento en animales. Partiremos con la presentación de la molécula, observando que tiene su origen en la glucosa; estudiaremos cómo se sintetiza y degrada; se hará énfasis en su regulación, ya que la degradación de esta molécula es importante para mantener la concentración de glucosa en sangre dentro de límites muy estrechos —70 a 100 mg/dl—, según la NOM-015-SSA2-2010.
La relevancia de entender las señales que indican en qué momento se almacena o degrada la molécula de glucógeno nos traslada a nuestra vida diaria. El metabolismo de cada individuo se regula generalmente con base en dos estados que presenta: posprandial o ayuno; éstos conforman un ciclo —estado postabsortivo, ayuno y realimentación—, donde las hormonas pancreáticas de insulina y glucagón surgen como las principales señales que alertan a las células del estado de la glucemia. La insulina estimula el transporte de glucosa hacia las células, así como las del músculo y tejido adiposo, estimulando la actividad de enzimas clave que regulan el metabolismo, lo que favorece su almacenamiento. El glucagón equilibra los efectos de la insulina y ayuda a la liberación de moléculas de glucosa almacenadas y la conversión de lactato, aminoácidos y glicerol en glucosa, según sea necesario.
Si nosotros visualizamos y entendemos estos procesos, habremos entendido el control de la glucemia en nuestro organismo. Además, de concebir su integración dentro de las vías metabólicas, lo que nos lleva a recordar que, después de la ingesta de alimentos, pasado el proceso de digestión y absorción de carbohidratos, la glucosa pasa al citoplasma celular, donde debe ser oxidada, con la finalidad de obtener energía. Sin embargo, si en ese momento no es requerida a nivel de glucosa-6-fostafo —paso de glucólisis—, este sustrato, por medio de la enzima mutasa, cambiará su ruta, hacia la síntesis de glucógeno; es ahí donde inicia el desarrollo de esta unidad.
Se sugieren los pasos para abordar de manera rápida el contenido de esta UAPA.
Identificar la composición de la molécula del glucógeno y su metabolismo, a través de los procesos de síntesis y degradación, para la comprensión de su papel como almacenamiento de glucosa en el organismo.
El glucógeno es un polisacárido de almacenamiento de glucosa en el organismo; está formado por residuos D-glucosa unidos por enlaces α-1,4 de manera continua y lineal, excepto donde hay cambio de dirección de los residuos —ramificación—, donde el enlace es α-1,6; existe mayor cantidad de glucógeno en el hígado y menor cantidad en el músculo. Sin embargo, comparativamente en proporción con el organismo, es mayor la cantidad de glucógeno total muscular.
El glucógeno hepático se usa para mantener la glucemia durante el ayuno o el ejercicio; con el glucógeno muscular, se genera ATP para la contracción muscular.
La apariencia de árbol con ramificaciones en diferentes direcciones que guarda el glucógeno es más frecuente en el interior de la molécula y menos en la periferia; el promedio es de una rama α-1,6 cada ocho a 10 residuos.
El glucógeno presenta extremos reducidos, donde una unidad de glucosa se une a la proteína glucogenina. Además, de poseer muchos extremos no reductores, en los cuales se producen la adición y la liberación de residuos de glucosa durante la síntesis y la degradación, respectivamente.
Estructura de la molécula de glucógeno
La UDP-glucosa es precursor de la síntesis del glucógeno o la glucogénesis; a continuación, se pueden ver las siguientes reacciones:
La glucógeno sintasa es la enzima reguladora de la síntesis de glucógeno, ya que transfiere residuos de glucosa de la UDP-glucosa a los extremos no reductores de un glucógeno cebador. La UDP liberada se reconvierte en UTP por reacción con ATP. Los cebadores, que están unidos a la glucogenina, son moléculas de glucógeno que fueron parcialmente degradadas en el hígado durante el ayuno o en músculo e hígado durante el ejercicio.
Cuando una cadena contiene 11 o más residuos de glucosa del extremo no reductor de la cadena, se retira un oligómero de seis a ocho residuos de longitud; se reinserta, mediante un enlace α-1,6, a un residuo de glucosa en una cadena con enlaces α-1,4, lo que produce una ramificación. La enzima responsable de llevar a cabo este evento es la glucosil-4:6 transferasa, que rompe un enlace α-1,4 y forma uno α-1,6. Esta enzima también es llamada ramificante. Los nuevos puntos de ramificación están en promedio de siete a 11 residuos alejados de los ya existentes.
En el crecimiento de las cadenas de glucógeno, intervienen la glucógeno sintasa, que continúa agregando residuos de glucosa a los extremos no reductores de las ramas recién formadas, así como a los extremos de las cadenas originales. Mientras las cadenas sigan creciendo, la enzima ramificante producirá ramas adicionales.
Presiona para observar cómo se forma el esquema de la síntesis del glucógeno o glucogénesis a partir de la explicación anterior.
La degradación del glucógeno genera glucosa-1-fosfato como producto principal, pero también se forma glucosa libre. La glucógeno fosforilasa es la enzima reguladora para la degradación del glucógeno; utiliza fosfato inorgánico (Pi) para romper enlaces α-1,4, con lo que produce glucosa-1-fosfato. La fosforilasa puede actuar sólo hasta cuatro unidades de glucosa de un punto de ramificación.
Las cuatro unidades que quedan en una rama son retiradas por la enzima desramificante, que tiene actividad tanto de glucosil-4:4 transferasa como de α-1,6-glucosidasa.
Su acción es como sigue: tres de los cuatro residuos de glucosa que permanecen en el punto de ramificación se retiran como un trisacárido y se unen al extremo no reductor de otras cadenas por acción de una 4:4 transferasa, la cual rompe un enlace α-1,4 y forma un nuevo enlace α-1,4. La última unidad de glucosa en el punto de ramificación, con enlace α-1,6, es hidrolizada por la α-1,6-glucosidasa, que genera glucosa libre.
El proceso realizado por las enzimas fosforilasa y desramificante se repite, y genera glucosa-1-fosfato y glucosa libre, en una proporción aproximada de 10:1 que refleja la longitud de las cadenas en la región externa de la molécula de glucógeno.
Presiona para observar cómo se forma el esquema de la degradación del glucógeno o glucogenólisis, a partir de la explicación anterior.
Las unidades liberadas tienen dos destinos: el hígado y el músculo, con dos finalidades diferentes.
En el músculo, se degrada glucógeno, a fin de generar energía para la contracción. Las reacciones que se presentan son las siguientes:
Metabolismo del glucógeno en tejido hepático y muscular
En el hígado, se degrada glucógeno para mantener la glucemia. Las reacciones que se presentan son las siguientes:
Metabolismo del glucógeno en tejido hepático y muscular
El metabolismo del glucógeno se lleva a cabo en función de los niveles de glucosa que estén presentes en el organismo; para esto, observa la cascada de AMP cíclico. Las líneas de trazo continuo indican reacciones que predominan en presencia de glucagón o adrenalina; las discontinuas, reacciones que disminuyen en el hígado durante el ayuno.
Regulación hormonal de la síntesis y degradación del glucógeno
El glucagón actúa en las células hepáticas; la adrenalina —epinefrina—, en las células hepáticas y musculares, para estimular la degradación del glucógeno. Estas hormonas, vía proteínas G, activan a la proteína adenilato ciclasa en la membrana celular, que convierte ATP en AMP cíclico (AMPc). El AMPc activa la proteína cinasa A, que consta de dos subunidades reguladoras y dos catalíticas. El AMPc se une a las subunidades reguladoras —inhibidoras— y escinde las subunidades catalíticas en una forma activa; se observa lo siguiente:
El proceso activado por AMPc es una cascada en la que la señal hormonal inicial es amplificada muchas veces; es decir, una molécula de hormona, al activar la enzima adenilato ciclasa, produce muchas moléculas de AMPc, que hacen funcionar la proteína cinasa A; a la vez, una molécula de proteína cinasa A activa fosforila muchas moléculas de fosforilasa cinasa, las cuales convierten muchas moléculas de fosforilasa b en a, la cual produce muchas moléculas de glucosa-1-fosfato, a partir de glucógeno (flechas en verde).
El resultado neto es que una molécula de hormona puede generar decenas de miles de moléculas de glucosa-1-fosfato, que forma glucosa-6-fosfato. La oxidación del glucosa-6-fosfato genera cientos de miles de moléculas de ATP.
Disminución de glucosa, presencia de glucagón, degradación de glucógeno
Después del proceso de digestión, la concentración de glucosa aumenta en la sangre, la insulina se eleva y estimula la síntesis de glucógeno en hígado y músculo (flechas en rojo).
Aumento de glucosa, presencia de insulina, síntesis de glucógeno
En el estado posprandial, la degradación del glucógeno disminuye porque el glucagón es bajo y la cascada de AMPc no está activada; se observa lo siguiente:
Una fosfatasa clave es la proteína fosfatasa 1. Esta proteína es regulada por un inhibidor proteínico, que se activa mediante fosforilación por proteína cinasa A. El inhibidor, cuando está fosforilado, se une a proteína fosfatasa 1 y la inhibe.
El complejo proteína fosfatasa-1 inhibidor permite la hidrólisis lenta por proteína fosfatasa-1 del inhibidor fosforilado. Cuando el inhibidor se desfosforila, deja de tener afinidad por la proteína fosfatasa-1 y se desprende del complejo, lo que da por resultado una proteína fosfatasa-1 completamente activa.
La síntesis de glucógeno es promovida por la activación de la glucógeno sintasa y por el aumento en la concentración de glucosa, la cual entra en las células hepáticas desde la vena porta hepática. La forma fosforilada inactiva de la glucógeno sintasa se desfosforila, lo cual hace que la enzima se active. La insulina causa la activación de la fosfatasa que cataliza esta reacción.
En el metabolismo del glucógeno, se llevan a cabo varias reacciones divididas en dos procesos.
Tanto la síntesis como la degradación del glucógeno requieren una regulación que permita que, durante el periodo de ayuno, se degrade esta molécula y, en el periodo posprandial, se pueda sintetizar para almacenar energía.
En el metabolismo del glucógeno, participan varias enzimas y sustratos. Cada una de estas moléculas tiene un papel importante para poder llevar a cabo la síntesis de glucógeno cuando hay un exceso de energía o, por el contrario, para poder liberar glucosa en periodo de ayuno.
Bibliografía
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Lieberman, M. y Peet, A. (2018). Marks. Bioquímica médica básica. Un enfoque clínico. Madrid: Wolters Kluwer/Lippincott Williams and Wilkins.
Cómo citar
Meraz, N., Perea, V. G. y González, M. (2021). Metabolismo del glucógeno. Unidades de Apoyo para el Aprendizaje. CUAIEED/Facultad de Medicina-UNAM. (Vínculo)