Actividad 10 - Integración metabólica 2 PDF

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Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ciencias Veterinarias Curso Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria INTEGRACIÓN METABÓLICA II 1  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Regulación de la síntesis y degradación de la glucosa Glucólisis Consiste en la oxidación de la hexosa glucosa y sus epímeros. Esta vía es una secuencia de reacciones citosólicas que transforman la glucosa en 2 moléculas de piruvato, con la generación simultánea de 2 ATP´s y 2 NADH + H+. El NAD+ debe regenerarse para que la glucólisis pueda continuar, ya que en caso de aumentar su concentración, sería indicativo que la célula se encuentra satisfecha energéticamente y por ende se detiene la vía. En condiciones anaeróbicas, como las que se dan en el músculo esquelético en actividad intensa, esto se logra reduciendo el piruvato a lactato; en cambio en condiciones aeróbicas, el NAD+ se regenera por transferencia de electrones del NADH + H+ al O2 a través de la cadena respiratoria. La velocidad de transformación de la glucosa en piruvato es regulada por la fosfofructoquinasa 1 que cataliza la etapa limitante de la glucólisis, es el centro de control más importante. En el hígado el regulador más importante de la actividad de la fosfofructoquinasa 1 es la fructosa 2,6- bisfosfato. Cuando la glucemia es baja, una cascada de reacciones desencadenadas por el glucagón, conduce a una disminución en los niveles de fructosa 2,6-bifosfato, provocando la desactivación de la fosfofructoquinasa 1, y por tanto la glucólisis. En el músculo, la fosfofructoquinasa 1 se controla de manera diferente, ya que la adrenalina estimula la glucólisis en el músculo. El incremento en la glucogenólisis hepática, inducida por adrenalina, sirve para suministrar glucosa al músculo, que la consume rápidamente para generar ATP para su actividad contráctil. Gluconeogénesis La glucosa puede sintetizarse, en hígado y riñón, a partir de precursores no glucídicos como lactato, glicerol y aminoácidos. El principal punto de entrada en esta vía es el piruvato que, en la mitocondria, se carboxila a oxaloacetato. En el citosol, el oxalacetato se descarboxila y fosforila para formar fosfoenolpiruvato. La gluconeogénesis y la glucólisis están fisiológicamente reguladas en forma recíproca, de modo que una de las vías está detenida cuando la otra es muy activa. Por ejemplo el AMP inhibe y el citrato activa la fructosa1,6-bisfosfatasa, una enzima clave de la gluconeogénesis, mientras que las moléculas tienen efectos opuestos sobre la fosfofructoquinasa 1 enzima reguladora de la glucólisis. La fructosa 2,6-bisfosfato también coordina estos procesos porque inhibe a la fructosa 1,6-bisfosfatasa. Así pues, cuando la glucosa abunda, el nivel elevado, el nivel elevado de fructosa 2,6-bisfosfato inhibe la gluconeogénesis y activa la glucólisis. 2  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II La glucólisis y gluconeogénesis se encuentran reguladas de forma recíproca entre sí y poseen 3 puntos regulatorios de control (Fig. 1). Figura 1. Representación de la glucólisis y gluconeogénesis. A su vez existen ciertas diferencias en el hígado y el músculo como ya ha sido mencionado anteriormente: - Hexoquinasa/glucosa 6-fosfatasa: en músculo se inhibe por exceso de glucosa 6-P, es más importante la inhibición de la Fosfofructoquinasa 1 porque la glucosa 6-P tiene otros destinos metabólicos. En hígado la glucoquinasa (hexoquinasa IV) no se inhibe por su producto, ya que esta solo actúa en altas concentraciones de glucosa para sintetizar glucógeno o ácidos grasos. En el músculo no existe la glucosa 6-fosfatasa por lo que la glucosa proveniente de la glucogenólisis genera energía por glucólisis, mientras que en el hígado está presente, pero en la membrana del REL por lo que la glucosa 6-P debe ser transportada a la luz del REL. Esta enzima es estimulada por altas concentraciones de glucosa 6-P (Fig. 2). Figura 2. Regulación actividad hexoquinasa y glucosa 6-fosfatasa. 3 Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II - Fosfofructoquinasa 1/fructosa 1,6-bisfosfatasa: la fructosa 2,6- bisfosfato es un metabolito sintetizado por la enzima bifuncional fosfofructoquinasa 2/fructosa 2,6-bisfosfatasa. La proteín quinasa A es una quinasa dependiente de AMPc que fosforila la fosfofructoquinasa 2/ 2,6- bisfosfatasa activando la actividad de la fosfatasa. El nivel de fructosa 2,6- bisfosfatasa disminuirá en los hepatocitos en respuesta a la estimulación del glucagón así como también por la estimulación de las catecolaminas. Cada una de estas señales se hace por medio de la activación de la proteín quinasa A dependiente del AMPc. Uno de los sustratos de la proteín quinasa A es la fosfofructoquinasa 2/ fructosa 2,6-bisfosfatasa la enzima bifuncional responsable de la síntesis e hidrólisis de la fructosa 2,6-bisfosfato. Cuando la fosfofructoquinasa 2 es fosforilada por la proteín quinasa A actúa como fosfatasa llevando a la desfosforilación de la fructosa 2,6-bisfosfato con el concomitante incremento de la actividad de la fructosa 2,6-bisfosfatasa y una disminución en la actividad de la fosfofructoquinasa 1 (Fig. 3). De manera secundaria, la actividad de la fructosa 2,6-bisfosfatasa se regula por la relación ATP/ADP, cuando esta diferencia es alta, la gluconeogénesis puede proceder a su nivel máximo. En cambio, cuando aumenta la glucemia, actúa la insulina que desfosforila a esta enzima bifuncional y activa la fosfofructoquinasa 2 a la vez que inhibe la fructosa 1,6-bisfosfatasa y aumenta el nivel de fructosa 2,6-bisfosfato. Figura 3. Regulación actividad fosfofructoquinasa 1 y fructosa 1,6-bisfosfatasa. 4  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II - Piruvato quinasa/piruvato carboxilasa-fosfoenolpiruvato carboxiquinasa: En el músculo la piruvato quinasa se inhibe por altas concentraciones de ATP y de alanina para utilizarse en la gluconeogénesis, y se estimula por la fructosa 1,6- bisfosfato. En el hígado la piruvato quinasa tiene los mismos efectores alostéricos, pero aquí sumamos la modificación covalente, la forma activa de esta enzima es la forma desfosforilada que estimula la acción de la insulina. La piruvato carboxilasa se estimula por acetil-CoA que favorece la formación de oxaloacetato como reacción anaplerótica para estimular la gluconeogénesis y como sustrato del ciclo de krebs. Además la piruvato carboxilasa es una enzima alostérica que se inhibe por ADP-AMP favoreciendo así que el piruvato en las células aerobias se metabolice a través del ciclo de Krebs con la consecuente formación de ATP. Cuando la cantidad de ATP es alta, la enzima se activa y permite la síntesis de fosfoenolpiruvato, reacción catalizada por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa (Fig. 4). Figura 4. Regulación actividad piruvato quinasa y piruvato carboxilasa-fosfoenolpiruvato carboxiquinasa. Vía de las pentosas fosfato Estas reacciones que ocurren en el citosol oxidan a la glucosa de forma alternativa cuando la célula se encuentra satisfecha energéticamente y cumple con 2 funciones principales. Una de ellas genera poder reductor como NADPH + H+ para las síntesis de lípidos y ribosa 5-fosfato para la síntesis de nucleótidos. En la conversión de la glucosa 6- fosfato en ribosa 5-fosfato se generan 2 NADPH + H+. Esta diferencia permite que coexistan en el mismo compartimiento una relación elevada NADPH + H+/ NADP+ y otra relación elevada NAD+/ NADH + H+. Como consecuencia, pueden transcurrir, simultáneamente y a gran velocidad, la glucólisis y la síntesis reductora. 5  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II La vía de las pentosas fosfato se controla por la velocidad de la reacción de la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa, esta es la enzima que cataliza el primer paso y regulatorio de esta ruta metabólica, donde la regulación se ejerce sólo por la concentración de NADP+ y glucosa 6-fosfato, es decir por disponibilidad de sustrato (Fig. 5). Figura 5. Regulación actividad glucosa 6-fosfato deshidrogenasa. Descarboxilación oxidativa del piruvato La actividad enzimática de este complejo multienzimático se encuentra regulado de manera estricta ya sea alostéricamente y por modificación covalente (Fig. 6). La regulación alostérica cuando hay altas concentraciones de sus productos, es decir acetil- CoA, NADH + H+ y ATP, inhiben su actividad, mientras que en presencia de ADP, AMP, NAD+ son indicativos que la célula se encuentra en déficit energético por lo que estimula la actividad de este complejo enzimático. La regulación por modificación covalente mediante dos enzimas, una de ellas es la piruvato deshidrogenasa quinasa, que fosforila e inhibe la actividad del complejo piruvato deshidrogenasa. La piruvato deshidrogenasa quinasa es activada por altas concentraciones de acetil-CoA, NADH + H+ y ATP e inhibida de manera antagónica por NAD+, ADP, piruvato y CoA-SH. La piruvato deshidrogenasa fosfatasa desfosforila al complejo de la piruvato deshidrogenasa y la activa mediante acción de la insulina y el Ca+2. El mecanismo de fosforilación-desfosforilación no es dependiente de AMP, por lo que no hay actividad de las hormonas glucagón y catecolaminas. 6  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Figura 6. Regulación actividad del complejo piruvato deshidrogenasa. Ciclo del ácido cítrico La vía final común para la oxidación de las moléculas combustibles -glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos- tiene lugar en la matriz mitocondrial. La mayoría de los combustibles ingresan al ciclo de Krebs en forma de acetil-CoA. La oxidación completa de una unidad de acetilo genera 1 GTP (que por la enzima nucleósido difosfato quinasa se transforma en ATP) 3 NADH + H+ y 1 FADH2, estos cuatro pares de electrones se transfieren al O2 a través de la cadena de transporte de electrones. La abundancia de ATP también disminuye la actividad de 3 enzimas regulatorias de este ciclo metabólico: citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y alfa-cetoglutarato deshidrogenasa (Fig. 7). El ciclo del ácido cítrico también tiene una función anabólica, suministrando intermediarios para la síntesis, tales como el succinil-CoA, origen de las porfirinas, α- cetoglutarato para las transaminaciones, citrato para la síntesis de ácidos grasos, etc. El principal punto de control del ciclo de Krebs corresponde a la isocitrato deshidrogenasa, la cual es estimulada alostéricamente por la presencia de ADP, que estimula la afinidad de la enzima por el sustrato. Las uniones de isocitrato, de NAD+, de Mg+2, y de ADP a la enzima son mutuamente cooperativas en sentido activador catalítico de la misma. Al contrario, altas concentraciones de NADH + H+ inhiben esta enzima por el desplazamiento directo de NAD+. El mismo ATP tiene el mismo efecto inhibitorio. El segundo sitio del control del ciclo de Krebs es la α-cetoglutarato deshidrogenasa, donde algunos aspectos del control de esta enzima son similares a los del complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa, como puede esperarse dada la extrema homología entre las dos enzimas. La α-cetoglutarato deshidrogenasa es inhibida por el succinil-CoA y el NADH + H+, es decir por los productos de la reacción que cataliza. La α-cetoglutarato deshidrogenasa puede ser también inhibida genéricamente por un alto 7  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II nivel energético presente en la célula. Esto significa que en presencia de altos niveles de ATP la célula es capaz de reducir la eficiencia del proceso de producción de energía. También se controla la entrada en el ciclo de las moléculas con dos átomos de carbono, donde la síntesis de citrato, oxaloacetato y acetil-CoA es sede de una importante regulación. EL ATP es un inhibidor alostérico de la citrato sintasa, su efecto concreto del ATP es aumentar la Km de la enzima por el acetil-CoA. De este modo, cuanto más ATP haya en la célula menos acetil-CoA se introduce en el ciclo. También puede mencionarse que un cociente alto [NADP+]/ [NADPH + H+] indica que se necesita producir más NADPH + H+ porque se está usando activamente. Una vez formado el NADPH + H+ el aumento de la concentración del mismo, inhibe a la glucosa 6-fosfato deshidrogenasa, como ya hemos mencionado. Figura 7. Regulación de las principales enzimas del ciclo de Krebs. Síntesis y degradación de los ácidos grasos Los ácidos grasos se sintetizan en el citosol por adición de fragmentos dicarbonados a una cadena creciente anclada a una proteína portadora de acilos. El intermediario activado malonil-CoA, se forma por carboxilación de acetil-CoA. Los grupos acetilo son transportados de la mitocondria al citosol mediante la lanzadera citrato-malato. Los ácidos grasos se degradan siguiendo una vía diferente y en un compartimiento distinto (matriz mitocondrial). El FADH2 y el NADH + H+ formados en la vía - oxidación mitocondrial, transfieren sus electrones al O2 a través de la cadena respiratoria. Si el suministro de oxaloacetato es suficiente, el acetil-CoA ingresa al ciclo de Krebs; en caso contrario, el acetil-CoA puede convertirse en cuerpos cetónicos. Para comprender la minuciosidad de como la síntesis y degradación de los lípidos se regula, se debe considerar los requerimientos energéticos del organismo como un todo. La sangre transporta triacilgliceroles en forma de quilomicrones y VLDL y ácidos grasos unidos a la albúmina. El páncreas es el órgano más importante como sensor de los estados energéticos y nutricionales del organismo, monitorea las concentraciones de glucosa en la sangre. Las concentraciones bajas de glucosa estimulan la secreción de 8  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II glucagón, mientras que la glucosa alta en la sangre estimula la secreción de insulina. El metabolismo de los ácidos grasos se regula por dos mecanismos distintos, uno de ellos es una regulación a corto plazo que puede ser por eventos como la disponibilidad de sustrato, moduladores alostéricos y/o modificaciones covalentes de la enzima (Fig. 8). El otro mecanismo, regulación a largo plazo se logra por alteraciones en la proporción de síntesis de la enzima y la duración en la célula. La acetil-CoA carboxilasa es la enzima limitante comprometida en la síntesis de ácidos grasos, esta enzima es activada por el citrato e inhibida por la palmitoil-CoA y por otros ácidos grasos de cadena larga. La actividad de la acetil-CoA carboxilasa también se afecta por fosforilación, donde el incremento de la actividad de la proteín quinasa A estimulada por el glucagón resulta en la fosforilación de ciertos residuos de serina en la acetil-CoA carboxilasa lo que lleva a una disminución de la actividad de la enzima. Contrariamente, la insulina conduce a una fosforilación de la acetil-CoA carboxilasa independiente de la proteín quinasa A en sitios distintos a los estimulados por el glucagón, lo que determina un incremento en la actividad de la enzima. Estas dos reacciones son ejemplos de regulación a corto plazo. Los niveles de lipoproteína lipasa del tejido adiposo también se incrementan por acción de la insulina y disminuyen durante el ayuno. Sin embargo, los efectos de la insulina y del ayuno sobre la lipoproteína lipasa en el corazón son contrarios de sus efectos en el tejido adiposo. Esta sensibilidad permite que el corazón absorba cualquier ácido graso disponible en la sangre para oxidarlo con el propósito de producir energía. El tejido adiposo contiene la lipasa sensible a hormona, que es activada por la fosforilación dependiente de proteín quinasa A; esta activación aumenta la liberación de ácidos grasos a la sangre. Esto a su vez lleva a la oxidación creciente de ácidos grasos en otros tejidos tales como músculo e hígado. En el hígado, el beneficio neto (debido a los niveles crecientes de acetil-CoA) es la producción de cuerpos de cetónicos. Esto ocurriría bajo condiciones en las cuales el almacenamiento de glúcidos y los precursores gluconeogénicos disponibles en el hígado no son suficientes para permitir la producción creciente de glucosa. Los niveles crecientes de ácidos grasos que están disponibles en respuesta al glucagón o a la adrenalina son oxidados totalmente, porque la proteín quinasa A también fosforila a la acetil-CoA carboxilasa; de tal modo que se inhibe la síntesis de ácidos grasos. La insulina tiene el efecto opuesto al glucagón y adrenalina, ya que aumenta la síntesis de triacilgliceroles y del glucógeno. Uno de los muchos efectos de la insulina es disminuir los niveles de AMPc, lo que lleva a una activación de proteínas 9  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II fosfatasas tales como la PP-1. Con respecto a metabolismo de los ácidos grasos, esto produce que la lipasa sensible hormona esté desfosforilada e inactiva. La insulina también estimula ciertos eventos de fosforilación. Esto ocurre con la activación de varias quinasas independientes de AMPc, una de las cuales fosforila y de tal modo estimula la actividad de la acetil-CoA carboxilasa. El metabolismo de los lípidos también puede ser regulado por la inhibición mediada por la malonil-CoA de la carnitina aciltransferasa I, tal regulación sirve para prevenir que los ácidos grasos sintetizados de novo entren a la mitocondria para ser oxidados en la β oxidación. Figura 8. Regulación de las enzimas de la β oxidación y síntesis de los ácidos grasos. Cetogénesis La producción de cuerpos cetónicos ocurre en una proporción relativamente reducida en una alimentación adecuada y bajo condiciones fisiológicas, pero recobra una significancia interesante en períodos de ayuno. Las respuestas esperadas a la escasez de glúcidos hacen que el hígado aumente la producción de cuerpos cetónicos a partir de acetil-CoA generada por la oxidación de los ácidos grasos. Esto permite al corazón y al músculo esquelético utilizar principalmente cuerpos cetónicos como fuente de energía, de tal modo que se preserva la limitada cantidad de glucosa para uso del cerebro y los glóbulos rojos. La alteración más importante a nivel de cuerpos cetónicos cuando estos aumentan su concentración se denomina cetosis, llevando a importantes manifestaciones clínicas, ya que los cuerpos cetónicos son ácidos y alteran el pH. Este estado patológico, la cetoacidosis, resulta de una reducida disponibilidad de glucosa (debido a una disminución significativa de la insulina en la circulación) y de un aumento concomitante en la oxidación de los ácidos grasos (debido a un aumento concomitante de glucagón en la circulación). La producción creciente de acetil-CoA lleva a la producción de cuerpos cetónicos que excede la capacidad de los tejidos periféricos de oxidarlos. Los cuerpos cetónicos son ácidos relativamente fuertes (pKa alrededor de 4) y su aumento disminuye 10  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II el pH de la sangre. Esta acidificación de la sangre es peligrosa principalmente porque deteriora la capacidad de la hemoglobina de unirse al oxígeno, lo que lleva a consecuencias sistémicas de gran magnitud, sobre todo para el sistema nervioso central. El destino de los productos del metabolismo de los ácidos grasos está determinado por el estado fisiológico de un individuo. La cetogénesis ocurre sobre todo en el hígado en monocavitarios y policavitarios en estos últimos se suma la pared ruminal de (a partir del ácido butírico) y puede afectarse por varios factores: - El control de la liberación de ácidos grasos libres desde el tejido adiposo afecta directamente el nivel de cetogénesis en el hígado. Esto es, por supuesto, regulación a nivel de substrato. - Una vez que los ácidos grasos ingresan al hígado, tienen dos distintos destinos. Pueden ser activados a acil-CoA y ser oxidados, o ser esterificados al glicerol en la producción de triacilgliceroles. Si el hígado tiene suficientes fuentes de glicerol 3-fosfato, la mayor parte de los ácidos grasos serán utilizados en la producción de triacilgliceroles. - La generación de acetil-CoA por la oxidación de los ácidos grasos, ya que pueden ser oxidados totalmente en el ciclo de Krebs. Por lo tanto, si la demanda de ATP es alta el destino de la acetil-CoA probablemente será su oxidación adicional a CO2. - El nivel de oxidación de lípidos se regula hormonalmente por la fosforilación de la acetil-CoA carboxilasa, que puede activarlo (en respuesta al glucagón) o inhibirlo (en el caso de la insulina). La producción de cuerpos cetónicos en animales policavitarios ocurre fisiológicamente en la pared ruminal, solo cuando se desencadena el cuadro de cetosis. Colesterogénesis El colesterol proviene tanto de la dieta como de la síntesis de novo a partir de acetil- CoA, síntesis que tiene lugar preferentemente en el hígado e intestino. La regulación de la síntesis de colesterol depende de la actividad de la enzima alostérica que cataliza la síntesis de mevalonato con la 3-hidroxi-3-metil-glutaril-CoA-reductasa (HMG-CoA- reductasa). La actividad de esta enzima se controla de distintas maneras (Tabla 1): - Regulación a nivel transcripcional del gen que codifica la síntesis de la HMG-CoA-reductasa, la intensidad de la transcripción del gen que codifica a esta enzima depende de un factor de transcripción. La transcripción de este gen se 11  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II activa cuando este gen se une a una corta secuencia específica de ADN situado en el extremo 5’ del gen de la reductasa. En su estado inactivo se halla anclado en la membrana del retículo endoplasmático o del núcleo. Cuando disminuye la concentración de colesterol. El factor de transcripción se transporta al núcleo e incrementa la transcripción del gen que codifica a la HMG-CoA- reductasa. En cambio, cuando la concentración de colesterol aumenta, la transcripción no se activa. - Regulación de la traducción del ARNm de la enzima, se inhibe por metabolitos no esteroles derivados del mevalonato, pero también por el colesterol de la dieta. - Regulación de la proteólisis de la enzima, la enzima HMG-CoA-reductasa tiene un dominio de membrana que detecta las señales que activan su degradación; y un dominio en el citosol que lleva a cabo la catálisis. En respuesta al incremento de la concentración de esteroles, el dominio insertado en la membrana modifica su conformación, efecto que se transmite al dominio citosólico, haciéndolo más susceptible a la proteólisis. La regulación de la proteólisis puede modificar la cantidad de enzima disponible. - Regulación de la actividad del enzima mediante fosforilación de la HMG- CoA-reductasa, al igual que ocurre con la acetil-CoA-carboxilasa se regula por una proteín quinasa dependiente de AMPc, de manera que cuando la concentración de ATP es baja, la síntesis de colesterol cesa. Tabla 1. Regulación de la síntesis del colesterol. Metabolismo de proteínas El recambio proteico se encuentra sumamente regulado en relación con la respuesta hormonal, el aporte de nutrientes y el entorno que lo rodea. Los aminoácidos derivados del incremento del catabolismo muscular se utilizan tanto para la síntesis hepática de proteínas de fase aguda como para la producción de energía en el ayuno estimulado por el glucagón o cortisol. El balance de nitrógeno es la diferencia entre el nitrógeno ingerido y el excretado. También la insulina y la hormona de crecimiento estimulan síntesis proteica. 12  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Perfiles metabólicos de los órganos más importantes Las pautas metabólicas de cerebro, músculo, tejido adiposo e hígado son distintas. Consideremos en qué se diferencian estos órganos y/o tejidos con respecto a la utilización de combustibles para satisfacer sus necesidades energéticas de acuerdo al estado metabólico en que se encuentre el organismo. Sistema nervioso La glucosa es prácticamente el único combustible utilizado por el sistema nervioso, excepto durante el ayuno prolongado (Fig. 9). Órganos como el cerebro carecen de almacenamiento de combustible y, por consiguiente, requieren un suministro continuo de glucosa, que entra con facilidad en todo momento, consume unos 120 g de glucosa al día (equivale a unas 420 Kcal). En estado de reposo utiliza el 60% de la glucosa total consumida por el organismo entero. Durante el ayuno prolongado, los cuerpos cetónicos (acetoacetato y 3-hidroxibutirato) sintetizados en el hígado, reemplazan en parte a la glucosa como combustibles cerebrales. El acetoacetato se activa mediante la transferencia de CoA procedente del succinil-CoA y así se convierte en acetoacetil-CoA, que ingresa en el ciclo de Krebs. Los ácidos grasos no sirven como combustible porque están unidos a la albúmina plasmática y en consecuencia, no pueden atravesar la barrera hematoencefálica. De manera que se puede concluir que los cuerpos cetónicos son equivalentes a ácidos grasos transportables. Figura 9. Metabolismo del sistema nervioso en un animal en buen estado de alimentación versus en ayuno respectivamente. Nótese las vías en rojo resaltadas. 13  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Músculo Los principales combustibles del músculo son la glucosa, ácidos grasos y cuerpos cetónicos. El músculo difiere del sistema nervioso en que posee un gran almacenamiento de glucógeno (1200 Kcal) de hecho las ¾ partes del glucógeno corporal están almacenadas en el músculo. Este glucógeno se convierte fácilmente en glucosa 6-fosfato para su utilización por las células musculares y además carece de glucosa 6-fosfatasa, y de este modo no puede liberar glucosa al torrente circulatorio. Más bien, el músculo retiene la glucosa, el mejor combustible para su proceso de actividad. En el músculo esquelético en contracción activa, la velocidad de la glucólisis se encuentra excedida, a la del ciclo del ácido de Krebs, por lo que la mayor parte del piruvato formado en estas condiciones se reduce a lactato, que es transportado hacia el hígado, donde se reconvierte en glucosa. Estos intercambios, conocidos como ciclo de Cori, trasladan parte de la carga metabólica del músculo al hígado. Además en el músculo activo, se forma gran cantidad de alanina por transaminación de piruvato (piruvato + glutamato → −cetoglutarato + alanina). En el hígado, la alanina, como el lactato, puede reconvertirse en glucosa. La conducta metabólica del músculo en reposo es completamente distinta, ya que el músculo en reposo, el combustible principal son los ácidos grasos. Figura 10. Metabolismo del músculo en un animal en buen estado de alimentación versus en ayuno respectivamente. Nótese las vías en rojo resaltadas. El músculo cardiaco consume con preferencia acetil-CoA proveniente de la oxidación de los ácidos grasos en vez de glucosa, aunque también pueden utilizar sustratos como el lactato y los cuerpos cetónicos. Esto se debe a que los miocardiocitos poseen gran cantidad de mitocondrias (Fig. 11). 14  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Figura 11. Metabolismo del músculo cardiaco. Tejido adiposo Los triacilgliceroles almacenados en el tejido adiposo constituyen un enorme depósito de combustible metabólico, debido a que el tejido adiposo está especializado en la esterificación de los ácidos grasos y en su liberación de triacilgliceroles. El hígado es el principal centro de síntesis de ácidos grasos, mientras que el principal trabajo biosintético del tejido adiposo consiste en activar estos ácidos grasos y transferir los acetil-CoA resultantes al glicerol. El glicerol 3-fosfato, un intermediario clave en esta síntesis, procede de la reducción de la dihidroxiacetona-fosfato, formada a partir de glucosa en la vía glucolítica. Las células adiposas son incapaces de fosforilar el glicerol endógeno, porque carecen de gliceroquinasa. Así pues, las células adiposas necesitan glucosa para sintetizar triacilgliceroles, y es por esto que la oxidación de la glucosa es una vía muy activa en este tejido. En momento de déficit metabólico las lipasas hidrolizan los triacilgliceroles a ácidos grasos y glicerol. La liberación del primer ácido graso de un triacilglicerol, la etapa limitante de velocidad catalizada por una lipasa sensible a hormonas, que se fosforila reversiblemente (enzima activada por adrenalina, noradrenalina, glucagón e inhibida por la insulina). El AMPc actúa como mensajero celular. Los triacilgliceroles de las células adiposas están continuamente hidrolizándose y resintetizándose. El glicerol liberado en la hidrólisis fluye hacia el hígado. La mayoría de los ácidos grasos formados en la hidrólisis, si el glicerol 3-fosfato abunda, se reesterifican (Fig. 12). Por el contrario, si el glicerol 3-fosfato escasea por falta de glucosa, los ácidos grasos se liberan al plasma. De este modo, el nivel de glucosa en las células adiposas es el principal factor determinante de la liberación de ácidos grasos a la sangre. 15  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Figura 12. Metabolismo del tejido adiposo en un animal en buen estado de alimentación versus en ayuno respectivamente. Nótese las vías en rojo resaltadas. Hígado La actividad metabólica del hígado es esencial para suministrar combustible al cerebro, músculo y otros órganos periféricos. La mayoría de los compuestos absorbidos por el intestino pasan a través del hígado, lo que permite regular el nivel de muchos metabolitos de la sangre. El hígado puede retener grandes cantidades de glucosa y convertirla en glucógeno y liberar glucosa a la sangre, por degradación del glucógeno almacenado y por realización de gluconeogénesis. Los precursores principales de la glucosa son: lactato y alanina del músculo, el glicerol del tejido adiposo y los aminoácidos glucogénicos de la dieta. El hígado juega también un papel central en la regulación del metabolismo lipídico. Cuando los combustibles son abundantes, el hígado esterifica los ácidos grasos o los que sintetiza, y luego los secreta a la sangre en forma de lipoproteínas de muy baja densidad (VLDL). Esta lipoproteína es la fuente principal de los ácidos grasos utilizados por el tejido adiposo para sintetizar triacilgliceroles. Sin embargo, en estado de ayuno el hígado convierte los ácidos grasos en cuerpos cetónicos. ¿Cómo escoge la célula hepática entre estas 2 vías antagónicas? La elección depende de que los ácidos grasos ingresen o no en la matriz mitocondrial, recordemos que los ácidos grasos de cadena larga atraviesan la membrana mitocondrial interna solamente si están esterificados con carnitina. La carnitina aciltransferasa I es inhibida por el malonil-CoA, el intermediario limitante en la síntesis de ácidos grasos, así cuando abunda el malonil-CoA, se evita que los ácidos grasos de cadena larga se transporten a la matriz impidiendo la  oxidación mitocondrial y la formación de cuerpos cetónicos. En cambio los ácidos grasos son exportados al tejido adiposo para que se incorporen a los triacilgliceroles. Por el contrario, cuando el 16  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II combustible escasea, el nivel de malonil-CoA desciende. En estas condiciones, los ácidos grasos liberados en el tejido adiposo entran en la matriz mitocondrial para convertirse en cuerpos cetónicos. El hígado prefiere como combustible ácidos grasos para satisfacer sus necesidades energéticas y cetoácidos derivados de la degradación de aminoácidos antes que glucosa. El objetivo principal de la glucólisis hepática es formar precursores para la síntesis. Además, el hígado no puede utilizar acetoacetato como combustible porque carece de la enzima succinil-CoA transferasa capaz de activarlo (Fig. 13). Figura 13. Metabolismo del hígado en un animal en buen estado de alimentación versus en ayuno respectivamente. Nótese las vías en rojo resaltadas. Riñón Al igual que el hígado, el riñón realiza actividades metabólicas complejas, esto es posible debido a la presencia de múltiples complejos enzimáticos capaces de realizar todas las transformaciones metabólicas necesarias. Los riñones están constituidos por dos porciones muy diferenciadas metabólicamente y estructuralmente. El metabolismo renal tiene características diferentes en la corteza y la médula del órgano, debido a la desigual irrigación que reciben estas zonas. La irrigación de la corteza y la médula es diferente. El 20% del gasto cardiaco recibido no se distribuye igual. De ese 20%, el 70 – 75% va hacia la corteza y el 25 – 30% se dirige a la médula. Esto se produce debido a las necesidades metabólicas de las distintas zonas: - La corteza es más abundante que la médula. - El número distinto de mitocondrias (muchas en la corteza y muy pocas en la médula). 17 Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Características metabólicas - Corteza renal: se da la filtración de la sangre (corpúsculo de Malpighi) y la reabsorción (túbulos contorneados). Por lo tanto, su actividad metabólica es alta. Posee necesidades importantes de energía en forma de ATP (el ATP se obtiene de la oxidación de la glucosa) debido al mantenimiento de los transportadores que reabsorban glucosa, electrolitos. La irrigación sanguínea tiene mucha importancia ya que estas células requieren un aporte importante de oxígeno debido también, al gran número de mitocondrias que poseen para mantener el metabolismo. Las células de la corteza también utilizan ácidos grasos en ayuno que pueden provenir de lipoproteínas, o unidos a la albúmina (liberados desde el tejido adiposo) o incluso pueden utilizar cuerpos cetónicos en un ayuno más extremo. La característica metabólica más importante de la corteza reside en su alta actividad gluconeogénica. Esta capacidad de síntesis de glucosa a partir de sus precursores es tan alta que es el segundo sintetizador de glucosa más importante después del hígado. La mayor parte de la glucosa que sintetiza la utiliza para mantener la funcionalidad de los túbulos renales. El resto de rutas metabólicas son semejantes a los demás tejidos. - Médula renal: se encuentra menos irrigada, con menos aporte de oxígeno, menos mitocondrias en su interior y con un predominante metabolismo anaerobio. La médula realiza glucólisis anaerobia, llegando a lactato principalmente y/o piruvato, pero con una actividad glucolítica muy activa. Esto se debe a una actividad hexoquinasa más alta que en la corteza. La utilización de ácidos grasos es más baja que en la corteza. También se describe una importante actividad gluconeogénica. Estas funciones están relacionadas con los túbulos colectores localizados en esta región (necesita un aporte energético reducido) con lo que conviene que su irrigación sea menor en comparación la corteza (Fig. 14). 18 Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Figura 14. Perfil metabólico del riñón. Interrelaciones entre los órganos en los diferentes estados metabólicos 19  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Tejido/órgano Combustible Combustible Combustibles almacenado preferente a utilizar exportados Sistema nervioso Ninguno Glucosa, cuerpos Ninguno cetónicos (en inanición) Músculo estriado Glucógeno/creatina- Ácidos grasos Ninguno esquelético en reposo fosfato Músculo estriado Ninguno Glucosa Lactato, alanina esquelético en ejercicio Músculo cardiaco Ninguno Ácidos grasos Ninguno Tejido adiposo Triacilgliceroles Ácidos grasos Ácidos grasos, glicerol Hígado Glucógeno, Ácidos grasos, Ácidos grasos, triacilgliceroles glucosa, aminoácidos glucosa, cuerpos cetónicos 20  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica II Bibliografía Blanco, A. (2006 y posteriores). Química Biológica. Buenos Aires: El Ateneo. Cunningham J. (2014). Fisiología Veterinaria. 5va Ed. Editorial Elsevier. España. Feduchi E. Blanco I. 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