Glucógeno

El glucógeno es un polisacárido de glucosa multiramificado que sirve como una forma de almacenamiento de energía en animales, hongos y bacterias. La estructura de polisacárido representa la principal forma de almacenamiento de glucosa en el cuerpo.

El glucógeno funciona como una de las dos formas de reservas de energía, siendo el glucógeno a corto plazo y la otra forma siendo las reservas de triglicéridos en el tejido adiposo (es decir, la grasa corporal) para el almacenamiento a largo plazo. En los seres humanos, el glucógeno se produce y almacena principalmente en las células del hígado y del músculo esquelético. En el hígado, el glucógeno puede representar del 5 al 6% del peso fresco del órgano, y el hígado de un adulto, que pesa 1,5 kg, puede almacenar aproximadamente 100 a 120 gramos de glucógeno. En el músculo esquelético, el glucógeno se encuentra en una concentración baja (1-2% de la masa muscular) y el músculo esquelético de un adulto que pesa 70 kg almacena aproximadamente 400 gramos de glucógeno.

La cantidad de glucógeno almacenada en el cuerpo, particularmente en los músculos y el hígado, depende principalmente del entrenamiento físico, la tasa metabólica basal y los hábitos alimenticios (en particular, las fibras oxidativas de tipo 1). Se alcanzan diferentes niveles de glucógeno muscular en reposo cambiando el número de partículas de glucógeno, en lugar de aumentar el tamaño de las partículas existentes, aunque la mayoría de las partículas de glucógeno en reposo son más pequeñas que su máximo teórico. También se encuentran pequeñas cantidades de glucógeno en otros tejidos y células, incluidos los riñones, los glóbulos rojos, los glóbulos blancos y las células gliales del cerebro. El útero también almacena glucógeno durante el embarazo para nutrir al embrión.

Aproximadamente 4 gramos de glucosa están presentes en la sangre de los humanos en todo momento; en individuos en ayunas, la glucosa en sangre se mantiene constante a este nivel a expensas de las reservas de glucógeno en el hígado y el músculo esquelético. Las reservas de glucógeno en el músculo esquelético sirven como una forma de almacenamiento de energía para el propio músculo; sin embargo, la descomposición del glucógeno muscular impide la captación de glucosa muscular de la sangre, lo que aumenta la cantidad de glucosa sanguínea disponible para su uso en otros tejidos. Las reservas de glucógeno hepático sirven como reserva de glucosa para su uso en todo el cuerpo, particularmente en el sistema nervioso central. El cerebro humano consume aproximadamente el 60% de la glucosa en sangre en individuos sedentarios en ayunas.

El glucógeno es el análogo del almidón, un polímero de glucosa que funciona como almacenamiento de energía en las plantas. Tiene una estructura similar a la amilopectina (un componente del almidón), pero es más ramificada y compacta que el almidón. Ambos son polvos blancos en su estado seco. El glucógeno se encuentra en forma de gránulos en el citosol/citoplasma en muchos tipos de células y juega un papel importante en el ciclo de la glucosa. El glucógeno forma una reserva de energía que puede movilizarse rápidamente para satisfacer una necesidad repentina de glucosa, pero que es menos compacta que las reservas de energía de los triglicéridos (lípidos). Como tal, también se encuentra como reserva de almacenamiento en muchos protozoos parásitos.

Estructura

El glucógeno es un biopolímero ramificado que consta de cadenas lineales de residuos de glucosa con una longitud de cadena promedio de aproximadamente 8 a 12 unidades de glucosa y 2 000 a 60 000 residuos por molécula de glucógeno.

Al igual que la amilopectina, las unidades de glucosa se unen linealmente mediante enlaces glucosídicos α(1→4) de una glucosa a la siguiente. Las ramas están unidas a las cadenas de las que se ramifican mediante enlaces glucosídicos α(1→6) entre la primera glucosa de la nueva rama y una glucosa en la cadena principal.

Cada glucógeno es esencialmente una bola de árboles de glucosa, con alrededor de 12 capas, centradas en una proteína de glucogenina, con tres tipos de cadenas de glucosa: A, B y C. Solo hay una cadena C, unida a la glucogenina. Esta cadena C está formada por la autoglucosilación de la glucogenina, formando una cadena cebadora corta. De la cadena C crecen las cadenas B, y de las cadenas B se ramifican las cadenas B y A. Las cadenas B tienen en promedio 2 puntos de ramificación, mientras que las cadenas A son terminales, por lo que no están ramificadas. En promedio, cada cadena tiene una longitud de 12, fuertemente restringida entre 11 y 15. Todas las cadenas A alcanzan la superficie esférica del glucógeno.

El glucógeno en el músculo, el hígado y las células grasas se almacena en forma hidratada, compuesto de tres o cuatro partes de agua por parte de glucógeno asociado con 0,45 milimoles (18 mg) de potasio por gramo de glucógeno.

La glucosa es una molécula osmótica y puede tener efectos profundos sobre la presión osmótica en altas concentraciones, lo que posiblemente provoque daño o muerte celular si se almacena en la célula sin modificarse. El glucógeno es una molécula no osmótica, por lo que puede utilizarse como una solución para almacenar glucosa en la célula sin alterar la presión osmótica.

Funciones

Hígado

A medida que se ingiere y digiere una comida que contiene carbohidratos o proteínas, los niveles de glucosa en sangre aumentan y el páncreas secreta insulina. La glucosa en sangre de la vena porta ingresa a las células del hígado (hepatocitos). La insulina actúa sobre los hepatocitos para estimular la acción de varias enzimas, incluida la glucógeno sintasa. Las moléculas de glucosa se agregan a las cadenas de glucógeno siempre que tanto la insulina como la glucosa sigan siendo abundantes. En este estado posprandial o "alimentado", el hígado absorbe más glucosa de la sangre de la que libera.

Después de que se ha digerido una comida y los niveles de glucosa comienzan a caer, se reduce la secreción de insulina y se detiene la síntesis de glucógeno. Cuando se necesita para obtener energía, el glucógeno se descompone y se convierte nuevamente en glucosa. La glucógeno fosforilasa es la enzima principal de la degradación del glucógeno. Durante las próximas 8 a 12 horas, la glucosa derivada del glucógeno hepático es la principal fuente de glucosa en sangre utilizada por el resto del cuerpo como combustible.

El glucagón, otra hormona producida por el páncreas, sirve en muchos aspectos como contraseñal de la insulina. En respuesta a que los niveles de insulina están por debajo de lo normal (cuando los niveles de glucosa en la sangre comienzan a caer por debajo del rango normal), el glucagón se secreta en cantidades crecientes y estimula tanto la glucogenólisis (la descomposición del glucógeno) como la gluconeogénesis (la producción de glucosa de otras fuentes).

Músculo

El glucógeno de las células musculares parece funcionar como una fuente de reserva inmediata de glucosa disponible para las células musculares. Otras células que contienen pequeñas cantidades también lo usan localmente. Como las células musculares carecen de glucosa-6-fosfatasa, que es necesaria para pasar la glucosa a la sangre, el glucógeno que almacenan está disponible únicamente para uso interno y no se comparte con otras células. Esto contrasta con las células del hígado, que, cuando lo necesitan, descomponen fácilmente el glucógeno almacenado en glucosa y lo envían al torrente sanguíneo como combustible para otros órganos.

Optimalidad aparente

En 1999, Meléndez et al demostraron que la estructura del glucógeno es óptima bajo un modelo de restricción metabólica particular. En detalle, la estructura del glucógeno es el diseño óptimo que maximiza una función de aptitud basada en la maximización de tres cantidades: la cantidad de unidades de glucosa en la superficie de la cadena disponibles para la degradación enzimática, la cantidad de sitios de unión para que se unan las enzimas degradantes, el número total de unidades de glucosa almacenadas; y minimizando una cualidad: el volumen total.

Si cada cadena tiene 0 o 1 puntos de ramificación, obtenemos esencialmente una cadena larga, no una esfera, y ocuparía un volumen demasiado grande con solo unas pocas unidades terminales de glucosa para degradar. Si cada cadena tiene 3 puntos de ramificación, el glucógeno se llenaría demasiado rápido. El punto de equilibrio es 2.

Con esa rama número 2, la longitud de la cadena debe ser de al menos 4. Según lo modelado por Meléndez et al, la función de aptitud alcanza el máximo en 13 y luego disminuye lentamente.

Empíricamente, el número de ramas es 2 y la longitud de la cadena oscila entre 11 y 15 para la mayoría de los organismos, desde vertebrados hasta bacterias y hongos. La única excepción significativa es la ostra, con una longitud de cadena de glucógeno que oscila entre 2 y 30, con un promedio de 7.

Historia

El glucógeno fue descubierto por Claude Bernard. Sus experimentos demostraron que el hígado contenía una sustancia que podía dar lugar a azúcares reductores por la acción de un "fermento" en el hígado. En 1857, describió el aislamiento de una sustancia que llamó " la matière glucogena ", o "sustancia formadora de azúcar". Poco después del descubrimiento del glucógeno en el hígado, A. Sanson descubrió que el tejido muscular también contiene glucógeno. La fórmula empírica para el glucógeno de (C₆H₁₀O₅) _n fue establecida por Kekulé en 1858.

Metabolismo

Síntesis

La síntesis de glucógeno es, a diferencia de su descomposición, endergónica: requiere el aporte de energía. La energía para la síntesis de glucógeno proviene del trifosfato de uridina (UTP), que reacciona con la glucosa-1-fosfato, formando UDP-glucosa, en una reacción catalizada por UTP: glucosa-1-fosfato uridililtransferasa. El glucógeno se sintetiza a partir de monómeros de UDP-glucosa inicialmente por la proteína glucogenina, que tiene dos anclajes de tirosina para el extremo reductor del glucógeno, ya que la glucogenina es un homodímero. Después de que se han agregado alrededor de ocho moléculas de glucosa a un residuo de tirosina, la enzima glucógeno sintasa alarga progresivamente la cadena de glucógeno utilizando UDP-glucosa, agregando glucosa con enlace α(1→4) al extremo no reductor de la cadena de glucógeno.

La enzima ramificadora de glucógeno cataliza la transferencia de un fragmento terminal de seis o siete residuos de glucosa desde un extremo no reductor al grupo hidroxilo C-6 de un residuo de glucosa más profundo en el interior de la molécula de glucógeno. La enzima de ramificación puede actuar solo sobre una ramificación que tenga al menos 11 residuos, y la enzima puede transferirse a la misma cadena de glucosa oa cadenas de glucosa adyacentes.

Desglose

La enzima glucógeno fosforilasa escinde el glucógeno de los extremos no reductores de la cadena para producir monómeros de glucosa-1 fosfato:

In vivo, la fosforólisis procede en la dirección de la descomposición del glucógeno porque la proporción de fosfato y glucosa-1-fosfato suele ser superior a 100. La glucosa-1-fosfato se convierte luego en glucosa 6 fosfato (G6P) mediante la fosfoglucomutasa. se necesita una enzima desramificadora especial para eliminar las ramas α(1-6) en el glucógeno ramificado y remodelar la cadena en un polímero lineal. Los monómeros G6P producidos tienen tres destinos posibles:

• G6P puede continuar en la ruta de la glucólisis y usarse como combustible.
• G6P puede ingresar a la vía de las pentosas fosfato a través de la enzima glucosa-6-fosfato deshidrogenasa para producir NADPH y azúcares de 5 carbonos.
• En el hígado y el riñón, la enzima glucosa 6-fosfatasa puede desfosforilar la G6P de nuevo a glucosa. Este es el paso final en la vía de la gluconeogénesis.

Relevancia clínica

Trastornos del metabolismo del glucógeno

La enfermedad más común en la que el metabolismo del glucógeno se vuelve anormal es la diabetes, en la cual, debido a cantidades anormales de insulina, el glucógeno hepático puede acumularse o agotarse de manera anormal. La restauración del metabolismo normal de la glucosa normalmente también normaliza el metabolismo del glucógeno.

En la hipoglucemia provocada por un exceso de insulina, los niveles de glucógeno hepático son altos, pero los niveles altos de insulina impiden la glucogenólisis necesaria para mantener los niveles normales de azúcar en la sangre. El glucagón es un tratamiento común para este tipo de hipoglucemia.

Varios errores congénitos del metabolismo son causados ​​por deficiencias de las enzimas necesarias para la síntesis o descomposición del glucógeno. Estos se conocen colectivamente como enfermedades de almacenamiento de glucógeno.

Depleción de glucógeno y ejercicio de resistencia.

Los atletas de larga distancia, como los corredores de maratón, los esquiadores de fondo y los ciclistas, a menudo experimentan agotamiento del glucógeno, donde casi todas las reservas de glucógeno del atleta se agotan después de largos períodos de esfuerzo sin un consumo suficiente de carbohidratos. Este fenómeno se conoce como "golpear la pared".

El agotamiento del glucógeno se puede prevenir de tres maneras posibles:

• Primero, durante el ejercicio, se ingieren continuamente carbohidratos con la mayor tasa posible de conversión a glucosa en sangre (índice glucémico alto). El mejor resultado posible de esta estrategia reemplaza aproximadamente el 35% de la glucosa consumida a frecuencias cardíacas superiores al 80% del máximo.
• En segundo lugar, a través de adaptaciones al entrenamiento de resistencia y regímenes especializados (p. ej., ayuno, entrenamiento de resistencia de baja intensidad), el cuerpo puede acondicionar las fibras musculares tipo I para mejorar tanto la eficiencia del uso de combustible como la capacidad de carga de trabajo para aumentar el porcentaje de ácidos grasos utilizados como combustible, ahorrando carbohidratos. uso de todas las fuentes.
• En tercer lugar, al consumir grandes cantidades de carbohidratos después de agotar las reservas de glucógeno como resultado del ejercicio o la dieta, el cuerpo puede aumentar la capacidad de almacenamiento de las reservas de glucógeno intramuscular. Este proceso se conoce como carga de carbohidratos. En general, el índice glucémico de la fuente de carbohidratos no importa, ya que la sensibilidad muscular a la insulina aumenta como resultado del agotamiento temporal del glucógeno.

Cuando los atletas ingieren carbohidratos y cafeína después de un ejercicio exhaustivo, sus reservas de glucógeno tienden a reponerse más rápidamente; sin embargo, no se ha establecido la dosis mínima de cafeína a la que existe un efecto clínicamente significativo sobre la reposición de glucógeno.