Actividad 9 - Integración Metabólica 1 PDF

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Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Universidad Nacional de La Plata Facultad de Ciencias Veterinarias Curso Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria INTEGRACIÓN METABÓLICA I 1  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Principales encrucijadas metabólicas del metabolismo Los factores que regulan el flujo de moléculas en el metabolismo pueden comprenderse mejor examinando 3 puntos clave, la glucosa 6-fosfato, el piruvato y el acetil-CoA Cada una de ellas tiene varios destinos diferentes (Fig. 1): Figura 1. Principales encrucijadas metabólicas y sus destinos. - Glucosa 6-fosfato: la glucosa que ingresa en la célula se fosforila rápidamente a glucosa 6-fosfato, la cual puede almacenarse como glucógeno, degradarse para dar piruvato o convertirse en ribosa 5- fosfato (Fig. 2). Cuando la glucosa 6-fosfato y el ATP abundan se forma glucógeno. Por el contrario, cuando se requiere ATP o esqueletos carbonados para la síntesis, la glucosa 6-fosfato se degrada por la vía glucolítica. El tercer destino principal de la glucosa 6-fosfato es transformarse, a través de la vía de las pentosas fosfato, y suministrar NADPH + H+ para las síntesis reductoras, y ribosa 5-fosfato para la síntesis de nucleótidos (NAD, FAD, ATP, etc.). La glucosa 6-fosfato puede formarse por movilización del glucógeno o puede sintetizarse por la vía gluconeogénesis a partir de piruvato y aminoácidos glucogénicos. Tal como veremos en la siguiente actividad, el bajo nivel de glucosa en sangre estimula tanto la gluconeogénesis como la glucogenólisis, tanto en el hígado como en el riñón. Estos órganos se diferencian del músculo por tener glucosa 6-fosfatasa, que posibilita la liberación de glucosa hacia la sangre. 2  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Figura 2. Destinos metabólicos de la glucosa 6-fosfato. - Piruvato: el piruvato deriva fundamentalmente del metabolismo de la glucosa 6-fosfato, del lactato y de la alanina (Fig. 3). La fácil reducción del piruvato catalizada por la lactato deshidrogenasa sirve para generar NAD+, el cual a su vez permite que la glucólisis pueda proseguir de modo transitorio en condiciones anaeróbicas. El lactato que se forma en los tejidos activos, como el músculo en contracción intensa, se oxida seguidamente a piruvato, principalmente a nivel mitocondrial o formar glucosa por gluconeogénesis. Otra reacción fácilmente reversible en el citosol, es la transaminación del piruvato para generar alanina; de modo recíproco, se pueden convertir aminoácidos en piruvato. Así pues, la transaminación constituye la principal conexión entre el metabolismo de aminoácidos y de azúcares. Un tercer destino del piruvato es su carboxilación a oxaloacetato en el interior de la mitocondria, esta reacción y la posterior conversión del oxaloacetato en fosfoenolpiruvato evita una etapa irreversible de la glucólisis y permite así sintetizar glucosa a partir de piruvato. La carboxilación del piruvato es también importante para reponer los intermediarios del ciclo de Krebs. Cuando éste ciclo es insuficiente debido a la escasez de oxaloacetato, la síntesis de este compuesto se ve favorecida por la activación de la piruvato carboxilasa, gracias a la acción del acetil- CoA. Por otro lado, cuando el ciclo de Krebs queda inhibido por la abundancia de ATP, el oxaloacetato, sintetizado a partir del piruvato, se desvía hacia la vía gluconeogénica. El cuarto destino del piruvato es su descarboxilación oxidativa a acetil-CoA, esta reacción irreversible, llevada a cabo en el interior de la mitocondria, es decisiva en el metabolismo ya que compromete los átomos de carbono de los glúcidos, ácidos grasos y aminoácidos hacia su oxidación en el ciclo de Krebs o hacia la síntesis de lípidos. 3  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Figura 3. Destinos metabólicos del piruvato. - Acetil-CoA: Las principales fuentes de este fragmento dicarbonado activo son la descarboxilación oxidativa del piruvato y la -oxidación de los ácidos grasos, aunque el acetil-CoA también puede derivar del metabolismo de aminoácidos cetogénicos (Fig. 4). El destino del acetil-CoA, a diferencia de muchas moléculas del metabolismo, es muy restringido. El fragmento acetilo puede oxidarse completamente a CO2 en el ciclo de Krebs. Por otra parte 3 moléculas de acetil- CoA pueden formar 3-hidroxi-3- metilglutaril-CoA cuya unidad de 6 carbonos es precursor del colesterol (síntesis citosólica) y de los cuerpos cetónicos (síntesis en matriz mitocondrial), que son formas de transporte de acetilos entre el hígado y algunos tejidos periféricos. El tercer destino importante del acetil-CoA consiste en su salida al citosol en forma de citrato, para allí sintetizar ácidos grasos. Es importante reiterar que el acetil-CoA en los mamíferos no puede convertirse en piruvato, ya que no poseen las enzimas necesarias para llevar a cabo este proceso, en los vegetales esto puede suceder ya que las enzimas necesarias para transformar el acetil-CoA en piruvato participan en el ciclo del Glioxilato. Figura 4. Destinos metabólicos del acetil-CoA. 4  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Estrategia del metabolismo: La estrategia básica del metabolismo es formar ATP, poder reductor y precursores para la biosíntesis. Revisemos brevemente estos temas centrales: - El ATP es la unidad biológica universal de energía. El elevado potencial para transferir grupos fosforilos le da la función al ATP para ser utilizado como fuente de energía en la contracción muscular, transporte activo, amplificación de señales y síntesis de moléculas complejas, ya que tiene la energía necesaria para generar nuevos enlaces químicos. El ATP se genera en la oxidación de moléculas combustibles, como glucosa, ácidos grasos y aminoácidos, el intermediario común en la mayoría de estas oxidaciones es el acetil-CoA. Dichos carbonos del fragmento acetilo se oxidan completamente a CO2 en el ciclo de Krebs, con formación simultánea de NADH+H+ y FADH2, que transfieren sus electrones de elevado potencial a la cadena respiratoria, con formación final de ATP mediante la fosforilación oxidativa. La glucólisis es otro proceso generador de ATP, pero la cantidad que se forma es mucho menor que en la fosforilación oxidativa (2 vs. 36 o 38 ATP´s). Sin embargo, la glucólisis puede transcurrir rápidamente durante un corto tiempo en condiciones anaeróbicas, mientras que la fosforilación oxidativa requiere del suministro continuado de O2. - El NADPH+H+ es el principal dador de electrones en las biosíntesis reductoras. En la mayoría de la síntesis, los productos finales están más reducidos (poseen mayor cantidad de H) que sus precursores, y por ello, requieren, además de ATP, un poder reductor, los cuales proceden normalmente del NADPH+H+. La vía de las pentosas fosfato suministra gran parte del NADPH+H+ que se necesita. Las biomoléculas se construyen a partir de una serie relativamente pequeña de precursores, las variadas moléculas de los seres vivos se sintetizan a partir de un número mucho menor de precursores. Por ejemplo la dihidroxiacetona-P formada en la glucólisis proporciona el esqueleto central del glicerol de fosfatidato (necesario para la síntesis de fosfolípidos y triacilgliceroles); fosfoenolpiruvato, otro intermediario de la glucólisis, suministra parte del esqueleto carbonado de los aminoácidos aromáticos; el acetil-CoA proporciona fragmentos dicarbonados para una amplia gama de síntesis (colesterol, ácidos grasos, cuerpos cetónicos). El succinil-CoA, formado en el ciclo de Krebs, es uno de los precursores de las porfirinas; la ribosa-5-fosfato, formada junto con el NADPH+H+ en la vía de las pentosas fosfato, es la fuente del azúcar de los nucleótidos. 5  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Las vías sintéticas y degradativas son casi siempre diferentes. En el caso de la síntesis de ácidos grasos es diferente de la de su degradación, esta separación posibilita que las vías sintéticas y degradativas sean termodinámicamente favorables en todo momento; esta separación contribuye, además, en gran manera a la efectividad del control metabólico. Mecanismos en la regulación metabólica La compleja red de reacciones en la célula está regulada y coordinada con precisión. El metabolismo puede controlarse de varias maneras: - Interacciones alostéricas: el flujo de moléculas en la mayoría de las vías metabólicas viene determinado fundamentalmente por las cantidades y actividades de ciertas enzimas; los puntos de control son generalmente reacciones esencialmente irreversibles. La primera reacción irreversible de una vía (etapa limitante) es normalmente un importante elemento de control. Las enzimas que catalizan etapas limitantes están reguladas alostéricamente (Fig. 5) y/o por modificación covalente, como por ejemplo la acetil-CoA carboxilasa en la síntesis de ácidos grasos. Figura 5. Mecanismo de acción de los moduladores/efectores alostéricos. 6  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I - Modificación covalente: muchas enzimas reguladoras, además del control alostérico, están controladas por modificación covalente (Fig. 6). Por ejemplo la actividad catalítica de la glucógeno fosforilasa aumenta mediante la fosforilación de la enzima, mientras que la glucógeno sintasa prácticamente se encuentra inhibida. Estas modificaciones covalentes están catalizadas por enzimas específicas en sitios particulares de la enzima, denominados restos aminoacídicos polares. En el caso de las enzimas regulatorias de las vías metabólicas que nosotros estudiaremos, estos restos de aminoácidos contienen grandes cantidades de aminoácidos polares (serina y treonina) en cuya cadena lateral R habrá por ende un grupo polar -OH, los cuales serán el sitio blanco de fosforilación y desfosforilación y de esta manera activar o inhibir la actividad de una enzima regulatoria en una vía metabólica. Figura 6. Mecanismo de fosforilación y desfosforilación en una enzima regulada por modificación covalente. - Modificación del número de moléculas enzimáticas: la cantidad de enzima disponible en las células, al igual que sus actividades están controladas. Las velocidades de síntesis y de degradación de algunas enzimas reguladoras están sometidas a control hormonal. Por ejemplo veamos la enzima HMG-CoA (Tabla 1) enzima regulatoria en la síntesis del colesterol. 7 Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Tabla 1. Regulación de la actividad enzimática de la HMG-CoA reductasa. - Compartimentación: la pauta metabólica de las células eucarióticas está considerablemente afectada por la existencia de compartimientos (Fig. 7). La glucólisis, glucogenogénesis, glucogenólisis, la vía de las pentosas fosfato y la síntesis de ácidos grasos ocurren en el citosol, mientras que la oxidación de ácidos grasos, ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa se realizan en la mitocondria. Algunos procesos, como la gluconeogénesis y la síntesis de la urea, dependen de un juego de reacciones que transcurren en ambos compartimientos. El destino de determinadas moléculas depende de si se encuentran en el citosol o en la mitocondria. Por ejemplo los ácidos grasos transportados al interior de la mitocondria se degradan rápidamente, a diferencia de los ácidos grasos del citosol, que son esterificados o excretados. Figura 7. Compartimentación de las vías metabólicas. - Especializaciones metabólicas de los órganos: La regulación en eucariontes superiores está profundamente afectada y favorecida por la existencia de órganos con funciones metabólicas distintas, cuyas interacciones estudiaremos más adelante. Po ejemplo el hígado es un órgano crucial en la regulación de todos los metabolismos, por ellos se lo considera como la “central metabólica” del organismo por la multiplicidad de funciones que representa. 8  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Efectos generales de las hormonas sobre el metabolismo Insulina La insulina es una hormona proteica secretada por las células β del páncreas endocrino, de composición aminoacídica se une a receptores de membrana de tipo tirosina quinasas, cuya unión genera la fosforilación y activación de ciertas enzimas que provocan importantes modificaciones en la activación/inactivación de enzimas regulatorias de las vías metabólicas (Fig. 8). Figura 8. Mecanismo de acción simplificado de la insulina. - Metabolismo proteico: la insulina provoca el transporte activo de aminoácidos al interior de las células, así como incremento de la síntesis de proteínas y disminución del catabolismo proteico, favoreciendo el almacenamiento de proteínas en las células. La insulina y la hormona del crecimiento actúan de modo sinérgico para promover dichas acciones. - Metabolismo lipídico: aumenta la lipogénesis con conversión de glucosa u otros intermediarios del metabolismo en ácidos grasos y aumento de los depósitos de triacilgliceroles en el tejido adiposo. Asimismo disminuye la lipolisis. - Metabolismo glucídico: la insulina se secreta en respuesta a un nivel elevado de glucemia y produce un efecto hipoglicemiante (disminuye los niveles de glucosa en plasma) lo que se debe a que facilita la entrada de glucosa en las células que poseen receptores para la insulina, de hecho la insulina es la única hormona hipoglucemiante del organismo, de ahí que cuando esta no se secreta adecuadamente que haya disturbios en el metabolismo en general. Además acelera la conversión de glucosa en glucógeno (glucogenogénesis) con aumento de los depósitos de glucógeno, a su vez disminuye la glucogenólisis y la gluconeogénesis (Tabla 2). 9  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Tabla 2. Principales efectos de la insulina en el metabolismo. Glucagón El glucagón también es una hormona proteica, secretada por las células α del páncreas endocrino. Si bien su receptor se encuentra asociado a la membrana plasmática, este receptor se vincula a proteínas G que poseen actividad catalítica, esta unión de la hormona glucagón (primer mensajero) con el receptor, va a generar un sistema en cascada con la producción de AMPc (segundo mensajero) que va a activar otras proteínas que modulan la actividad de otras enzimas regulatorias de las vías metabólicas. - Metabolismo proteico: el glucagón aumenta la captación hepática de algunos aminoácidos y la gluconeogénesis o síntesis de nueva glucosa a partir de los aminoácidos, lo que contribuye a aumentar los niveles de glucosa en plasma (situación que ocurre en períodos de inanición). - Metabolismo lipídico: activa la lipolisis, movilizando los ácidos grasos y el glicerol a partir del tejido adiposo lo que aporta sustratos metabólicos y permite que se ahorre glucosa para poder ser utilizada por el cerebro. El glicerol puede actuar como un precursor de la glucosa en la gluconeogénesis hepática. - Metabolismo glucídico: el glucagón favorece la glucogenólisis hepática e inhibe la síntesis de glucógeno con lo que más cantidad de glucosa difunde al plasma (Tabla 3). 10  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Tabla 3. Principales efectos del glucagón en el metabolismo. Hormona de crecimiento Es secretada por las células acidófilas de la adenohipófisis por estímulos hipotalámicos, cuyos efectos son a nivel global del organismo. - Metabolismo proteico: aumenta el ingreso de aminoácidos a las células (en especial, las de músculo esquelético, hepatocitos y adipocitos) y por tanto, aumenta la síntesis de proteínas (anabolismo proteico) en las células del organismo a la vez que reduce el catabolismo de proteico. Produce un aumento de la síntesis de DNA y de RNA y de la división celular. Debido a estos efectos, aumenta el crecimiento de componentes del aparato locomotor esqueléticos durante las etapas iniciales e intermedias del crecimiento de un individuo. En los adultos, ayuda a mantener el tamaño de huesos y músculos y promueve la reparación tisular. - Metabolismo lipídico: estimula el catabolismo de la los lípidos almacenados en el tejido adiposo, con lo que aumenta la liberación de ácidos grasos libres al plasma que son aprovechados por las células del organismo para obtener energía al estimular su conversión a acetil-coenzima A. De modo que bajo la influencia de esta hormona se utilizan los triacilgliceroles para obtener energía de preferencia a los glúcidos y proteínas. Este efecto es más importante en períodos de ayuno inicial o inanición. - Metabolismo glucídico: disminuye la utilización de la glucosa en el organismo para obtener energía porque disminuye la captación de glucosa por las células, principalmente las de músculo esquelético y los adipocitos. Además acelera la transformación del glucógeno hepático en glucosa (glucogenólisis). Como consecuencia de estos dos efectos, produce un aumento del nivel de glucosa en sangre (hiperglucemia). Por eso se dice que la hormona del crecimiento tiene un efecto anti insulina o un efecto diabetógeno. 11  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Hormonas tiroideas Son secretadas a nivel de las células foliculares de la glándula tiroides que producen la triyodotironina (T3) y tetrayodotiroxina (T4). - Metabolismo proteico: en concentraciones fisiológicas la T3 y T4 estimulan la captación de aminoácidos en las células y la síntesis de proteínas estructurales y funcionales específicas. La síntesis de proteínas está disminuida en individuos con hipotiroidismo. Por el contrario niveles elevados de T3 y T4 se asocian con aumento del catabolismo de las proteínas de modo que en caso de un hipertiroidismo hay una pérdida de peso y debilidad muscular. - Metabolismo lipídico: la T3 y T4 tienen un efecto lipolítico sobre los depósitos de triacilgliceroles del organismo con lo que aumentan los niveles de ácidos grasos libres en el plasma. También producen un aumento de la oxidación de los ácidos grasos libres lo que contribuye al efecto productor de calor que tienen estas hormonas. El efecto global en el metabolismo de los lípidos es una depleción de los depósitos de los lípidos con una disminución de peso corporal y una reducción de los niveles de colesterol y otros lípidos plasmáticos. - Metabolismo glucídico: las hormonas T3 y T4 aumentan la absorción intestinal de glucosa y la captación de la misma por las células del organismo, sobre todo las musculares y adiposas. Facilitan la gluconeogénesis porque aumentan la disponibilidad de los materiales necesarios (aminoácidos y glicerol), actúan directamente sobre las enzimas implicadas en la glucólisis, activándolas, y potencian de un modo indirecto la acción sobre los glúcidos de otras hormonas. Catecolaminas Son producidas por neuronas presentes en la médula de la glándula adrenal, suelen actuar en situaciones de - Metabolismo proteico: ninguna de las dos hormonas tiene efectos sobre el metabolismo de las proteínas. Esta es una de las principales diferencias con el glucagón, ya que si bien tiene muchas acciones en común, el efecto catabólico sobre estas moléculas es nulo. - Metabolismo lipídico: Ambas hormonas promueven la lipólisis con liberación de ácidos grasos libres al plasma. 12  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I - Metabolismo glucídico: la adrenalina estimula la degradación de glucógeno en el músculo (glucogenólisis) con el consiguiente aumento de los niveles de glucosa disponibles en situaciones de estrés, en cambio, la noradrenalina apenas tiene efectos en la glucogenólisis. Usualmente el estrés físico (ejercicio, hipoglucemia, frío, hemorragias, hipotensión, dolor físico) o mental (miedo, cólera, traumas emocionales) es el que excita al sistema simpático. De modo que suele decirse que el propósito del sistema nervioso simpático es proporcionar una activación extra del cuerpo en estados de estrés, es lo que se llama la respuesta simpática al estrés. Las acciones coordinadas del cortisol y las catecolaminas movilizan sustratos para mantener la glucemia y el metabolismo energético durante el periodo de estrés, las respuestas cardiovasculares se integran con estas adaptaciones metabólicas (Tabla 4). Tabla 4. Principales efectos de la adrenalina en el metabolismo. Cortisol Es producido en la zona fasciculada de la glándula adrenal, si bien posee importantes efectos a nivel metabólico en situaciones de estrés como veremos a continuación, también posee importantes efectos antiinflamatorios e inmunoduladores en la clínica veterinaria, ya que su administración puede generar a largo plazo efectos no deseados. De manera que su uso debe ser con ciertas precauciones por profesionales. - Metabolismo proteico: disminuye la síntesis de proteínas en el organismo, con excepción del hígado que aumenta la síntesis de proteínas que participan en los períodos de estrés. Aumenta el catabolismo de las proteínas y el transporte de los aminoácidos desde las células, sobre todo las fibras musculares, hasta el hígado, en donde los aminoácidos pueden ser convertidos en nuevas proteínas como los enzimas que son necesarios para las reacciones metabólicas o las proteínas de la coagulación. Si las reservas corporales de glucógeno y 13  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I triacilgliceroles son bajas, el hígado puede convertir el ácido láctico o ciertos aminoácidos en glucosa vía gluconeogénesis y se libera al plasma cualquier exceso de glucosa. - Metabolismo lipídico: estimula la lipólisis con la consecuente liberación de los ácidos grasos del tejido adiposo al plasma. Esta acción sobre los triacilgliceroles la realiza o bien de modo directo o bien de modo indirecto, al aumentar las acciones lipolíticas de otras hormonas como la hormona del crecimiento o las catecolaminas. - Metabolismo glucídico: disminuye la captación y utilización de glucosa por las células con lo que aumentan los niveles de glucosa en plasma (glucemia). Causa una rápida movilización de los aminoácidos y de las grasas de sus lugares de depósito (músculo y tejido adiposo, respectivamente) dejándolos disponibles para obtener energía a partir de la oxidación de los restos carbonados en lugar de la glucosa (esta acción permite, además de ahorrar glucosa, poner a disposición celular otros sustratos energéticos), y para sintetizar otros compuestos necesarios para los diferentes tejidos del cuerpo en caso de ayuno u otro tipo de estrés. Se considera que los glucocorticoides apoyan la capacidad de adaptación de los tejidos cuando éstos lo precisan para mantener la homeostasis. En ausencia de la producción de glucocorticoides el animal no puede resistir los diferentes tipos de estrés mental o físico, y/o enfermedades mínimas, como por ejemplo una infección respiratoria, pueden conducirle a la muerte. Regulación de la síntesis y degradación del glucógeno El intermediario activado de su síntesis es la UDP-glucosa, que se forma a partir de glucosa-1-fosfato y UTP, la glucógeno sintasa cataliza la transferencia de glucosa desde la UDP-glucosa al hidroxilo terminal de una cadena en crecimiento. El glucógeno se degrada por una vía diferente, la glucógeno fosforilasa cataliza la escisión del glucógeno formando glucosa-1-fosfato. La síntesis y degradación del glucógeno están controladas coordinadamente por una cascada amplificadora disparada por hormonas, de modo que la sintasa es inactiva cuando la fosforilasa es activa y viceversa. La regulación implica un control alostérico, llevado a cabo por metabolitos propios de la vía metabólica y también por modificaciones covalentes realizada por enzimas bajo control hormonal. 14  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I El punto de regulación en la glucogenólisis es la glucógeno fosforilasa, que existe en dos estados conformacionales diferentes: fosforilasa B (muy poco activa) y fosforilasa A (muy activa). Debido al diferente papel del glucógeno muscular y el hepático, la regulación es diferente en estos órganos. Regulación de la glucogenólisis muscular El glucógeno del músculo esquelético tiene como finalidad suministrar glucosa para que sea degradada oxidativamente y se pueda obtener ATP para la actividad muscular. - Regulación por modificación covalente: consiste en modificar la actividad de la glucógeno fosforilasa mediante fosforilación de la fosforilasa B (poco activa) no está fosforilada para transformarla a la fosforilasa A (muy activa) fosforilada. Esta regulación está sometida a control hormonal. La activación por fosforilación se produce cuando se precisa realizar un trabajo muscular y el Sistema Nervioso Central estimula a la médula adrenal para que libere a la sangre adrenalina. El segundo mensajero (celular) de la acción hormonal es el AMPc que es sintetizado por la enzima adenilato ciclasa (Fig. 9). Como ya hemos dicho si bien la bibliografía cita que la adrenalina desencadena la glucogenólisis hepática, esta no tiene casi relevancia ya que el hígado no posee receptores para la adrenalina, aunque se suele hablar de una activación secundaria de la glucogenólisis mediada por adrenalina en la que interviene el Ca+2. La activación (fosforilación) de la glucógeno fosforilasa se lleva a cabo mediante una serie de reacciones en cascada que son: -Unión adrenalina-receptor. -Activación de la adenilato ciclasa. -Activación de la proteína quinasa. -Activación de la fosforilasa quinasa. - Activación de la glucógeno fosforilasa. 15  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Figura 9. Regulación de la glucógeno fosforilasa mediada por glucagón y adrenalina. La inactivación por desfosforilación en el músculo de produce por acción de la fosfoproteína fosfatasa I (PP-I) que desfosforila a las enzimas fosforiladas de la cascada metabólica y por tanto, detiene la glucogenólisis. La fosfoproteína fosfatasa-I tiene, además un inhibidor específico, el cual se une a la enzima y la inhibe, cuando está fosforilado. La fosfoproteína fosfatasa-I actúa únicamente cuando se encuentra unida al glucógeno, a través de su subunidad G. Cuando la cascada metabólica AMPc- dependiente se encuentra activada, dicha subunidad se encuentra fosforilada y no posee afinidad por la fosfoproteína fosfatasa I. Con ello la fosfoproteína fosfatasa I es inactiva. Cuando cesan el impulso del Sistema Nervioso Central y la acción hormonal, disminuye la actividad fosforilasa quinasa y el balance quinasas/fosfatasas comienza a decantarse hacia éstas últimas, y el sistema se desfosforila y se detiene la glucogenólisis. - Regulación por interacciones alostéricas: La glucógeno fosforilasa posee, además, un sistema de regulación alostérica que responde inmediatamente a las condiciones celulares en las que existe una baja carga energética, y que es independiente de la respuesta hormonal. El AMP es un efector alostérico positivo o activador de la fosforilasa B del músculo, ya que se une a la fosforilasa B y provoca un cambio conformacional que la activa, actuando así cuando el estado energético del músculo es bajo. El ATP puede revertir este efecto activador sobre la glucogenólisis, de manera que se lo considera como un modulador alostérico negativo. 16  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Regulación de la glucogenólisis hepática El glucógeno hepático sirve como fuente de glucosa para los tejidos extrahepáticos, incluido el músculo esquelético, ante un descenso de la glucemia. - Regulación por modificación covalente: también consiste en la modificar la actividad de la glucógeno fosforilasa mediante fosforilación, donde la fosforilasa B (poco activa) no está fosforilada, mientras que la fosforilasa A (muy activa) se encuentra fosforilada. La activación por fosforilación hace referencia a la cascada metabólica que dispara las fosforilaciones activada por el glucagón, aunque también la cascada es sensible a la adrenalina como hemos mencionado de manera secundaria. Los mecanismos en ambos casos son diferentes. El glucagón en respuesta a un descenso en la glucemia impulsa una cascada de fosforilaciones utilizando el AMPc como segundo mensajero y la adrenalina tiene distintos receptores alfa o beta adrenérgicos y según se una a uno u otro el mecanismo de acción será distinto, ya que usan segundos mensajeros diferentes. El receptor beta adrenérgico tiene al AMPc como segundo mensajero desencadenante de la cascada metabólica de fosforilaciones. El receptor alfa adrenérgico tiene al Ca+2 como desencadenante de la cascada metabólica de fosforilaciones. Pero el Ca+2 necesita a su vez, al inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) como segundo mensajero para poder ser liberado al citoplasma ya que se encuentra almacenado en el retículo endoplásmico liso. La inactivación por desfosforilación hace mención a la actividad de la fosfoproteína fosfatasa-I está regulada por su unión a la glucógeno fosforilasa A en forma R. Esta forma tiene ocultos los grupos fosfatos de la serina, pero cuando pasa a la forma T los expone y la fosfoproteína fosfatasa-I los elimina ya que se modifica la enzima a la forma B inactiva. - Regulación por interacciones alostéricas: en el hígado la regulación alostérica es diferente, debido a que la elevada concentración de glucosa en sangre inactiva la glucogenólisis. La glucosa se une a la fosforilasa A provocando un cambio de conformación que conlleva a la liberación de la fosfatasa; ésta hidroliza los restos fosfato de la fosforilasa A y la transforma a fosforilasa B. 17  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Regulación de la glucogenogénesis muscular: El punto de regulación es la glucógeno sintasa, que existe en dos estados conformacionales diferentes, glucógeno sintasa B (muy poco activa) y glucógeno sintasa A (muy activa). - Regulación por modificación covalente: se modifica la actividad de la glucógeno sintasa mediante fosforilación-desfosforilación. La glucógeno sintasa B (poco activa) está fosforilada, mientras que la sintasa A (muy activa) se encuentra desfosforilada. Esta regulación está sometida a control hormonal, donde la inactivación por fosforilación ocurre por la enzima fosforilasa quinasa (GSK2) activa la glucógeno fosforilasa por fosforilación y al mismo tiempo, inactiva la glucógeno sintasa. Otras quinasas que fosforilan la glucógeno sintasa son la proteín quinasa dependiente de AMPc (GSK1) y la glucógeno sintasa quinasa (GSK3). La glucógeno sintasa posee varios sitios de fosforilación, cuanto más fosforilada se encuentre menos activa es. La activación por desfosforilación se da cuando cesa la cascada metabólica dependiente de AMPc, activada por la adrenalina, las fosfatasas desfosforilan todas las quinasas, la glucógeno fosforilasa y también la glucógeno sintasa, la cual pasa de la forma B (fosforilada e inactiva) a la A, desfosforilada y activa. Además de esa respuesta glucogenogénica a la falta de estimulación adrenal, la glucógeno sintasa es activada por la presencia de insulina hormona secretada por el páncreas ante el aumento de la glucemia. La insulina activa una proteína quinasa, que fosforila el sitio 1 de la subunidad G de la fosfoproteína fosfatasa I, activando su actividad fosfatasa, y desfosforila la glucógeno sintasa. La adrenalina y la insulina son antagonistas en las células musculares. Regulación de la glucogenogénesis hepática La fosforilación de la glucógeno sintasa la realiza la proteín quinasa dependiente de AMPc, tras la estimulación hormonal del glucagón, lo que provoca su inactivación (forma B). Por otro lado, la fosfoproteína fosfatasa I, encargada de desfosforilar el sistema enzimático, se une fuertemente a la glucógeno fosforilasa A, no estando disponible, en primer término, para actuar sobre la glucógeno sintasa. Solo cuando la glucógeno fosforilasa A ha sido desfosforilada por la fosfoproteína fosfatasa I, ésta se libera y podrá actuar sobre la glucógeno sintasa, desfosforilándola y su posterior activación. Cuando existe una gran concentración de glucosa (período postprandial) este compuesto, se une al estado T de la glucógeno fosforilasa A estabilizándolo, y favorece su desfosforilación. 18  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Metabolismo del glucógeno hepático y control de la glucemia Cuando se suministra glucosa, la actividad de la glucógeno fosforilasa A hepática disminuye rápidamente y después de un tiempo (o tiempo de latencia) aumenta rápidamente la actividad glucógeno sintasa. El sistema de sensibilidad a la glucemia depende de tres cosas: - La comunicación, en la glucógeno fosforilasa A entre el centro alostérico para la glucosa y el resto de fosfato de la serina. - La utilización de la fosfoproteína fosfatasa I para inactivar la glucógeno fosforilasa A y activar la glucógeno sintasa B. - La unión de la fosfoproteína fosfatasa I a la glucógeno fosforilasa A para evitar la actuación inicial de la glucógeno sintasa A. Integración del metabolismo ruminal Las dietas en los rumiantes son ricas en forrajes, ensilados y granos. En la boca la saliva presenta alcalinidad para contrarrestar la acidez ruminal. Los rumiantes no pueden degradar los enlaces de la celulosa, pero adquieren las enzimas necesarias mediante la incorporación de microorganismos que van a proveer de toda la maquinaria enzimática para realizar dichas reacciones. Estos microorganismos son bacterias, protozoos, hongos y levaduras que tienen un metabolismo de tipo anaerobio, con una simbiosis para con el rumiante. En la flora ruminal se producen fermentaciones ruminales. Principalmente se actúa sobre la celulosa, donde los microorganismos mediante la glucólisis dan como producto ácidos grasos volátiles. Es muy poca la cantidad de glucosa que pasa al abomaso y sufre la digestión tal como se ha visto en el metabolismo de los animales monocavitarios. Un rumiante de meses de edad no tiene desarrollado el estómago con sus 4 cavidades funcionales, por ello necesita un periodo de adaptación para lo que será la alimentación adulta. Inicialmente se comporta como un monocavitario hasta los 2 meses aproximadamente, donde se alimenta solamente de leche o sustitutos lácteos. Aproximadamente a partir de los 3 meses se le puede incorporar a la dieta material solido (celulosa/almidón). Es entonces cuando ya tiene desarrollado su estómago policavitario. 19  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I Componentes principales en la alimentación, en los forrajes: - Celulosa: polisacárido con enlace β 1→4 de glucosa. - Hemicelulosa: heteropolisacárido importante en la pared celular de los vegetales. - Xilosa: muy abundante, posee enlaces β 1→4. - Maltosa. - Glucosa. - Pectinas: presentes en la piel de las frutas. Los granos son ricos en almidón, compuesto por amilosa (α 1→4) y amilopectina (α 1→4 y ramificaciones α 1→6). Los tubérculos también son ricos en almidón. En el interior actúan endoenzimas del propio microorganismo que como se encuentran en un medio anaeróbico, dan lugar a fermentaciones anaeróbicas. El piruvato producido puede dar lugar a los ácidos grasos volátiles, acético, propiónico y butírico, que se producen a nivel del rumen. El hecho de producir ácidos grasos volátiles al organismo hace que estos animales tengan niveles bajos de glucosa en sangre. Por este motivo los rumiantes tienen una gluconeogénesis mucho más activa que los animales monocavitarios, ya que las neuronas del sistema nervioso y los glóbulos rojos son dependientes de glucosa. En cuanto al metabolismo de lípidos existe una gran presencia de ácidos grasos insaturados en la dieta, sobre todo en los granos y semillas. La interacción entre estos lípidos y los microorganismos del rumen hacen que pierdan 2 enlaces y queden saturados, por ello se produce una modificación de los ácidos grasos a otros tipos de lípidos, saturados o monoinsaturados trans. En los granos y semillas encontramos gran cantidad de triacilgliceroles, los cuales por medio de las lipasas bacterianas liberan ácidos grasos (oleico entre otros) y glicerol. Otro componente lipídico son las membranas celulares: compuestas por fosfolípidos y galactoacilgliceroles que poseen galactosa, glicerol y ácidos grasos libres. Los fosfolípidos son más difíciles de digerir, mientras que el glicerol pasa por unas rutas de fermentación anaeróbicas. En los procesos fermentativos obtenemos dobles enlaces no conjugados, es decir, se modifica de la configuración cis a la trans. Por ello obtenemos los procesos de digestión consisten en: - Isomerización: se pasa de la configuración cis a la trans. - Biohidrogenación: eliminan el doble enlace y le añaden átomos de hidrogeno (-CH=CH a CH2-CH2-). 20  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I En el metabolismo proteico las proteínas ingresan en la dieta por medio de los granos, las semillas y los forrajes. Gracias a la actuación de las enzimas en el rumen, se produce la ruptura parcial de la proteína, obteniéndose así péptidos. Llegan a nivel de los microorganismos ruminales (bacterias), las endoproteasas dentro de esta bacteria siguen degradando la molécula hasta los aminoácidos constituyentes. Estos aminoácidos los utiliza para sintetizar su propia proteína, la proteína bacteriana, de manera que los microorganismos ruminales resintetizan continuamente las proteínas incorporadas, y pasan al abomaso, donde se produce la hidrólisis de esta proteínas que posee mayor valor biológico que la incorporada con los alimentos, ya que esta nueva síntesis genera la formación de todos los aminoácidos, con la excepción que necesitan el aporte de azufre para aminoácidos como la cisteína y la metionina. Los rumiantes se han adaptado para no eliminar todo el NH4, lo lleva por el torrente sanguíneo, parte lo elimina mediante la orina y otra parte pasa a las glándulas salivares. Se secreta a la saliva el nitrógeno no proteico, que nos permite construir aminoácidos y péptidos, aportando un grupo amino a nivel del rumen. 21  Fisicoquímica aplicada a la fisiología veterinaria – Integración metabólica I 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. Romero C. Yañez E. (2015). Bioquímica. Conceptos esenciales. 2da. Ed. Editorial Médica Panamericana. Guyton. (2013). Tratado de Fisiología médica. 13ed. Editorial Elsevier. España. Lehninger, A. (2007). Principios de Bioquímica. 5ta Ed. Editorial Omega. Barcelona, España. Murray R. Harper. (2009). Bioquímica Ilustrada. 28va Ed. Editorial McGraw-Hill. México. Stryer, L. (2012). Bioquímica con aplicaciones clínicas. 7ma Edición. Editorial Reverté. España. Voet, D. Et al. (2016). Fundamentos de Bioquímica. La vida a nivel molecular. 4ta Ed. Editorial Médica Panamericana. 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