Glucógeno sintasa
Glucógeno sintasa (UDP-glucosa-glucógeno glucosiltransferasa) es una enzima clave en la glucogénesis, la conversión de glucosa en glucógeno. Es una glicosiltransferasa (EC 2.4.1.11) que cataliza la reacción de UDP-glucosa y (1,4-α- D-glucosyl)n para producir UDP y (1,4-α-D-glucosil)n+1.
Estructura
Se han realizado muchas investigaciones sobre la degradación del glucógeno mediante el estudio de la estructura y función de la glucógeno fosforilasa, la enzima reguladora clave de la degradación del glucógeno. Por otro lado, se sabe mucho menos sobre la estructura de la glucógeno sintasa, la enzima reguladora clave de la síntesis de glucógeno. Sin embargo, la estructura cristalina de la glucógeno sintasa de Agrobacterium tumefaciens se ha determinado con una resolución de 2,3 A. En su forma asimétrica, la glucógeno sintasa se encuentra como un dímero, cuyos monómeros están compuestos por dos dominios de Rossmann. Esta propiedad estructural, entre otras, se comparte con enzimas relacionadas, como la glucógeno fosforilasa y otras glicosiltransferasas de la superfamilia GT-B. No obstante, una caracterización más reciente de la estructura cristalina de la glucógeno sintasa de Saccharomyces cerevisiae (levadura) revela que los dímeros en realidad pueden interactuar para formar un tetrámero. Específicamente, las interacciones entre subunidades están mediadas por los pares de hélices α15/16, formando sitios alostéricos entre subunidades en una combinación de dímeros y sitios activos entre subunidades en la otra combinación de dímeros. Dado que la estructura de la glucógeno sintasa eucariota está altamente conservada entre las especies, es probable que la glucógeno sintasa también forme un tetrámero en humanos.
La glucógeno sintasa se puede clasificar en dos familias de proteínas generales. La primera familia (GT3), que proviene de mamíferos y levaduras, tiene aproximadamente 80 kDa, utiliza UDP-glucosa como donante de azúcar y está regulada por fosforilación y unión a ligando. La segunda familia (GT5), que proviene de bacterias y plantas, tiene aproximadamente 50 kDA, utiliza ADP-glucosa como donante de azúcar y no está regulada.
Mecanismo
Aunque los mecanismos catalíticos utilizados por la glucógeno sintasa no se conocen bien, las similitudes estructurales con la glucógeno fosforilasa en el sitio catalítico y de unión al sustrato sugieren que el mecanismo de síntesis es similar en la glucógeno sintasa y la glucógeno fosforilasa.
Función
La glucógeno sintasa cataliza la conversión del resto glucosilo (Glc) de la glucosa difosfato de uridina (UDP-Glc) en glucosa para incorporarse al glucógeno a través de un enlace glicosídico α(1→4). Sin embargo, dado que la glucógeno sintasa requiere un cebador oligosacárido como aceptor de glucosa, depende de la glucógeno para iniciar la síntesis de glucógeno de novo.
En un estudio reciente con ratones transgénicos, una sobreexpresión de glucógeno sintasa y una sobreexpresión de fosfatasa dieron como resultado niveles excesivos de almacenamiento de glucógeno. Esto sugiere que la glucógeno sintasa desempeña un papel biológico importante en la regulación de los niveles de glucógeno/glucosa y se activa mediante desfosforilación.
Isoenzimas
En los seres humanos, existen dos isoenzimas parálogas de la glucógeno sintasa:
| isozyme | Distribución del tejido | gene |
|---|---|---|
| glycogen synthase 1 | músculo y otros tejidos | GYS1 |
| glycogen synthase 2 | hígado | GYS2 |
La expresión de la enzima hepática está restringida al hígado, mientras que la enzima muscular se expresa ampliamente. El glucógeno hepático sirve como reserva de almacenamiento para mantener el nivel de glucosa en sangre durante el ayuno, mientras que la síntesis de glucógeno muscular representa la eliminación de hasta el 90% de la glucosa ingerida. El papel del glucógeno muscular es el de reserva para proporcionar energía durante los períodos de actividad.
Mientras tanto, la isoenzima muscular desempeña un papel importante en la respuesta celular a la adaptación a largo plazo a la hipoxia. En particular, la hipoxia sólo induce la expresión de la isoenzima muscular y no de la isoenzima hepática. Sin embargo, la activación de la glucógeno sintasa específica del músculo puede provocar una acumulación excesiva de glucógeno, lo que provoca daños en el corazón y el sistema nervioso central después de lesiones isquémicas.
Reglamento
La reacción está altamente regulada por efectores alostéricos como la glucosa 6-fosfato (activador) y por reacciones de fosforilación (desactivante). La acción activadora alostérica de la glucosa-6-fosfato permite que la glucógeno sintasa funcione como un sensor de glucosa-6-fosfato. La fosforilación inactivadora es provocada por la hormona glucagón, que es secretada por el páncreas en respuesta a la disminución de los niveles de glucosa en sangre. La enzima también escinde el enlace éster entre la posición C1 de la glucosa y el pirofosfato del propio UDP.
El control de la glucógeno sintasa es un paso clave en la regulación del metabolismo del glucógeno y el almacenamiento de glucosa. La glucógeno sintasa está regulada directamente por la glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK-3), AMPK, proteína quinasa A (PKA) y caseína quinasa 2 (CK2). Cada una de estas proteínas quinasas conduce a una glucógeno sintasa fosforilada y catalíticamente inactiva. Los sitios de fosforilación de la glucógeno sintasa se resumen a continuación.
| Nombre | Sitio de fosforilación | Kinase | Referencias |
|---|---|---|---|
| Sitio 1a | PKA | , | |
| Sitio 1b | PKA | , | |
| Sitio 2 | Serine 7 | AMPK | , |
| Sitio 2a | Serine 10 | CK2 | |
| Sitio 3a | Serine 641 | GSK-3 | |
| Sitio 3b | Serine 645 | GSK-3 | |
| Sitio 3c | Serine 649 | GSK-3 | |
| Sitio 3d | Serine 653 | GSK-3 | |
| Sitio 4 | Serine 727 |
Para enzimas en la familia GT3, estas cinasas regulatorias inactivan la sintasa de glucógeno al fosforilarlo en el N-terminal del residuos 25 y el C-terminal del residuo 120. La sintasa de Glicógeno también está regulada por la fosfatasa 1 de proteína (PP1), que activa la sintesis de glucógeno mediante defosforilación. El PP1 está dirigido a la pellets de glucógeno por cuatro subunidades de orientación, GM, GL, PTG y R6. Estas enzimas regulatorias están reguladas por vías de señalización de insulina y glucagon.
Importancia clínica
Las mutaciones en el gen GYS1 están asociadas con la enfermedad de almacenamiento de glucógeno tipo 0. En los seres humanos, los defectos en el control estricto de la captación y utilización de la glucosa también se asocian con la diabetes y la hiperglucemia. Los pacientes con diabetes tipo 2 normalmente presentan niveles bajos de almacenamiento de glucógeno debido a alteraciones en la síntesis de glucógeno estimulada por la insulina y a la supresión de la glucogenólisis. La insulina estimula la glucógeno sintasa inhibiendo las glucógeno sintasa quinasas y/o activando la proteína fosfatasa 1 (PP1), entre otros mecanismos.