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Los cambios de la disponibilidad de sustratos son la causa de la mayor parte de las modificaciones del metabolismo al actuar de manera directa o indirecta por medio de variaciones de la secreción de hormona. Tres mecanismos se encargan de regular la actividad de enzimas vinculadas con el metabolismo de carbohidratos: 1) cambios del índice de síntesis de enzima, 2) modificación covalente por medio de fosforilación reversible y 3) efectos alostéricos.
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La inducción y represión de enzimas clave requiere varias horas
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El cuadro 19-1 lista los cambios de la actividad enzimática en el hígado que ocurren en diversos estados metabólicos. Las enzimas involucradas catalizan reacciones desequilibradas irreversibles desde el punto de vista fisiológico. Los efectos por lo común se refuerzan porque la actividad de las enzimas que catalizan las reacciones en la dirección opuesta varía de modo recíproco (figura 19-1). Las enzimas comprendidas en la utilización de glucosa (es decir, las de la glucólisis y la lipogénesis) se tornan más activas cuando hay superfluidez de glucosa, y en estas condiciones las enzimas de la gluconeogénesis tienen actividad baja. La insulina, misma que es secretada en respuesta a glucosa sanguínea aumentada, incrementa la síntesis de las enzimas clave en la glucólisis. También antagoniza el efecto de los glucocorticoides y del cAMP estimulado por glucagón, que induce la síntesis de las enzimas clave de la gluconeogénesis.
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La modificación covalente por medio de fosforilación reversible es rápida
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El glucagón y la epinefrina, hormonas de las cuales depende una disminución de la glucosa en la sangre, inhiben la glucólisis y estimulan la gluconeogénesis en el hígado al aumentar la concentración de cAMP. Esto, a su vez, activa a la proteína cinasa dependiente de cAMP, lo que da pie a la fosforilación y desactivación de la piruvato cinasa. Asimismo, afectan las cifras de la fructosa 2,6-bisfosfato y, por consiguiente, la glucólisis y la gluconeogénesis, como se describe más adelante.
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La modificación alostérica es instantánea
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En la gluconeogénesis, la piruvato carboxilasa, que cataliza la síntesis de oxaloacetato a partir de piruvato, necesita acetil-CoA como un activador alostérico. La adición de acetil-CoA suscita un cambio de la estructura terciaria de la proteína, lo que origina decremento de la Km para bicarbonato. Esto significa que a medida que se forma acetil-CoA a partir de piruvato, asegura de manera automática el suministro de oxaloacetato y, por tanto, su oxidación adicional en el ciclo del ácido cítrico, al activar a la piruvato carboxilasa. La activación de esta última, y la inhibición recíproca de piruvato deshidrogenasa por la acetil-CoA derivada de la oxidación de ácidos grasos, explican la acción de la oxidación de ácidos grasos en la preservación de la oxidación de piruvato (y, por tanto, glucosa) y la estimulación de la gluconeogénesis. La relación recíproca entre estas dos enzimas altera el destino metabólico del piruvato a medida que el tejido cambia desde la oxidación de carbohidratos (glucólisis) hacia gluconeogénesis en el transcurso de la transición desde el estado posprandial hacia el de ayuno (figura 19-1). Una función importante de la oxidación de ácidos grasos en la promoción de la gluconeogénesis es suministrar el ATP requerido.
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La fosfofructocinasa (fosfofructocinasa-1) ocupa una posición clave en la regulación de la glucólisis y está también sujeta a control por retroalimentación. Es inhibida por citrato y por concentración intracelular normal de ATP, y es activada por el 5’AMP. En presencia de [ATP] intracelular normal, la enzima está inhibida alrededor de 90%; esta inhibición es revertida por el 5’AMP (figura 19-3).
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El 5’AMP actúa como un indicador del estado de energía de la célula. La presencia de adenilil cinasa en el hígado y muchos otros tejidos permite el equilibrio rápido de la reacción
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Así, cuando se usa ATP en procesos que requieren energía, lo que da por resultado formación de ADP, el [AMP] aumenta. Una aminoración hasta cierto punto pequeña del [ATP] causa un incremento de varias veces del [AMP], de modo que este último actúa como un amplificador metabólico de un cambio pequeño de [ATP] y, en consecuencia, una señal sensible del estado de energía de la célula. De esta manera, la actividad de la fosfofructocinasa-1 está regulada en respuesta al estado de energía de la célula para controlar la cantidad de carbohidrato que está pasando por glucólisis antes de su entrada hacia el ciclo del ácido cítrico. Al mismo tiempo, el AMP activa a la glucógeno fosforilasa, así como aumenta la glucogenolisis. Una consecuencia de la inhibición de la fosfofructocinasa-1 es una acumulación de glucosa 6-fosfato que, a su vez, inhibe la captación adicional de glucosa en tejidos extrahepáticos mediante inhibición de la hexocinasa.
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La fructosa 2,6-bisfosfato desempeña una función singular en la regulación de la glucólisis y la gluconeogénesis en el hígado
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La fructosa 2,6-bisfosfato es el más potente activador alostérico positivo de la fosfofructocinasa-1, e inhibidor de la fructosa 1,6- bisfosfatasa en el hígado. Alivia la inhibición de la fosfofructocinasa-1 por el ATP, y aumenta la afinidad por la glucosa 6-fosfato. Inhibe la fructosa 1,6-bisfosfatasa al incrementar la Km para la fructosa 1,6-bisfosfato. Sus cifras están bajo control tanto de sustrato (alostérico) como hormonal (modificación covalente) (figura 19-4).
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La fructosa 2,6-bisfosfato se forma por fosforilación de la fructosa 6-fosfato por la fosfofructocinasa-2. La misma proteína enzima también se encarga de su desintegración, porque tiene actividad de fructosa 2,6-bisfosfatasa; esta enzima bifuncional está bajo el control alostérico de la fructosa 6-fosfato, que estimula a la cinasa e inhibe a la fosfatasa. Por ende, cuando hay aporte abundante de glucosa, aumenta la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato, lo que estimula la glucólisis al activar a la fosfofructocinasa-1 e inhibir a la fructosa 1,6-bisfosfatasa. En el estado de ayuno, el glucagón estimula la producción de cAMP, lo que activa a la proteína cinasa dependiente de cAMP que, a su vez, desactiva a la fosfofructocinasa-2 y activa a la fructosa 2,6-bisfosfatasa por medio de fosforilación. Por consiguiente, la gluconeogénesis es estimulada por un decremento de la concentración de fructosa 2,6-bisfosfato, lo que desactiva a la fosfofructocinasa-1 y elimina la inhibición de fructosa 1,6-bisfosfatasa. La xilulosa 5-fosfato, un intermediario de la vía de la pentosa fosfato (capítulo 20), activa la proteína fosfatasa que desfosforila la enzima bifuncional, de modo que aumenta la formación de glucosa 2,6-bifosfato e incrementa la tasa de glucólisis. Esto lleva a aumento del flujo por la glucólisis y la vía de la pentosa fosfato, e incremento de la síntesis de ácidos grasos (capítulo 23).
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Los ciclos de sustrato (fútil) permiten ajuste fino y respuesta rápida
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Los puntos de control en la glucólisis y el metabolismo del glucógeno incluyen un ciclo de fosforilación y desfosforilación catalizado por la glucocinasa y la glucosa 6-fosfatasa; la fosfofructocinasa-1 y la fructosa 1,6-bisfosfatasa; la piruvato cinasa, piruvato carboxilasa y fosfoenolpiruvato carboxicinasa, y la glucógeno sintasa y fosforilasa. Parecería obvio que estas enzimas que se oponen están reguladas de tal manera que cuando las que participan en la glucólisis están activas, las que lo hacen en la gluconeogénesis están inactivas, porque de otro modo estarían pasando por ciclos entre intermediarios fosforilados y no fosforilados, con hidrólisis neta de ATP. Aun cuando esto es así, en el músculo tanto la fosfofructocinasa como la fructosa 1,6-bisfosfatasa tienen cierta actividad en todo momento, de manera que en realidad hay cierta medida de paso por ciclos de sustrato (con derroche). Esto permite el aumento muy rápido del índice de glucólisis necesario para la contracción muscular. En reposo el índice de actividad de fosfofructocinasa es alrededor de 10 veces más alto que el de la fructosa 1,6-bisfosfatasa; en anticipación de contracción muscular, la actividad de ambas enzimas aumenta, la de fructosa 1,6-bisfosfatasa 10 veces más que la de la fosfofructocinasa, lo que mantiene el mismo índice neto de glucólisis. Al principio de la contracción muscular, la actividad de la fosfofructocinasa aumenta más, y hay decremento de la de fructosa 1,6-bisfosfatasa, lo que incrementa el índice neto de glucólisis (y, por tanto, la formación de ATP) hasta 1 000 veces.