Glucosa 6-fosfatasa

La enzima glucosa 6-fosfatasa (EC 3.1.3.9, G6Pase; nombre sistemático D-glucose-6-fosfato fosfohidrolase) cataliza la hidrolisis de glucosa 6-fosfato, dando lugar a la creación de un grupo fosfato y la glucosa libre:

D-glucosa 6 fosfato + H₂O = D-glucosa + fosfato

La glucosa se exporta a través de proteínas de membrana transportadora de glucosa. Esta catalisis completa el paso final de la gluconeogenesis y por lo tanto juega un papel clave en la regulación homeostática de los niveles de glucosa en sangre.

La glucosa 6-fosfatasa es un complejo de proteínas de múltiples componentes, incluidos transportadores de G6P, glucosa y fosfato. La función principal de la fosfatasa la realiza la subunidad catalítica de la glucosa 6-fosfatasa. En los seres humanos, existen tres isoenzimas de la subunidad catalítica: glucosa 6-fosfatasa-α, codificada por G6PC; IGRP, codificado por G6PC2; y glucosa 6-fosfatasa-β, codificada por G6PC3.

La glucosa 6-fosfatasa-α y la glucosa 6-fosfatasa-β son fosfohidrolasas funcionales y tienen una estructura de sitio activo, topología, mecanismo de acción y propiedades cinéticas similares con respecto a la hidrólisis de G6P. Por el contrario, el IGRP casi no tiene actividad hidrolasa y puede desempeñar un papel diferente en la estimulación de la secreción de insulina pancreática.

Estructura y función

Aunque no se ha alcanzado un consenso claro, un gran número de científicos se adhieren a un modelo de transporte de sustrato para explicar las propiedades catalíticas de la glucosa 6-fosfatasa. En este modelo, la glucosa 6-fosfatasa tiene un bajo grado de selectividad. La transferencia de la glucosa 6-fosfato se realiza mediante una proteína transportadora (T1) y el retículo endoplásmico (RE) contiene estructuras que permiten la salida del grupo fosfato (T2) y de la glucosa (T3).

La glucosa 6-fosfatasa consta de 357 aminoácidos y está anclada al retículo endoplásmico (RE) mediante nueve hélices transmembrana. Su N-terminal y su sitio activo se encuentran en el lado de la luz del RE y su C-terminal se proyecta hacia el citoplasma. Debido a su estrecha asociación con el RE, la estructura exacta de la glucosa 6-fosfatasa sigue siendo desconocida. Sin embargo, la alineación de secuencias ha demostrado que la glucosa 6-fosfatasa es estructuralmente similar al sitio activo de la cloroperoxidasa que contiene vanadio que se encuentra en Curvularia inaequalis.

Basado en estudios cinéticos de pH de la catálisis de glucosa 6-fosfatasa-α, se propuso que la hidrólisis de la glucosa 6-fosfato se completara a través de un intermediario covalente fosfohistidina glucosa 6-fosfato. El sitio activo de la glucosa 6-fosfatasa-α se identificó inicialmente por la presencia de un motivo característico de fosfato conservado que generalmente se encuentra en las lípidos fosfatasas, las fosfatasas ácidas y las haloperoxidasas de vanadio.

Los residuos esenciales en el sitio activo de las haloperoxidasas de vanadio incluyen: Lys353, Arg360, Arg490, His404 e His496. Los residuos correspondientes en el sitio activo de la glucosa 6-fosfatasa-α incluyen Arg170 y Arg83, que donan iones de hidrógeno al fosfato, estabilizando el estado de transición, His119, que proporciona un protón al oxígeno desfosforilado unido a la glucosa, e His176, que completa un ataque nucleofílico al fosfato para formar un intermedio de enzima fosforilo unido covalentemente. Dentro de la cloroperoxidasa que contiene vanadio, se descubrió que Lys353 estabilizaba el fosfato en el estado de transición. Sin embargo, el residuo correspondiente en la glucosa 6-fosfatasa-α (Lys76) reside dentro de la membrana del RE y su función, si la hay, actualmente no está determinada. Con la excepción de Lys76, todos estos residuos están ubicados en el lado luminal de la membrana del RE.

La glucosa 6-fosfatasa-β es una proteína de membrana de 346 aminoácidos expresada de forma ubicua que comparte un 36 % de identidad de secuencia con la glucosa 6-fosfatasa-α. Dentro de la enzima glucosa 6-fosfatasa-β, las alineaciones de secuencias predicen que su sitio activo contiene His167, His114 y Arg79. Similar al sitio activo de la glucosa 6-fosfatasa-α, His167 es el residuo que proporciona el ataque nucleofílico, y His114 y Arg79 son los donantes de hidrógeno. La glucosa 6-fosfatasa-β también se localiza en la membrana del RE, aunque se desconoce su orientación.

Mecanismo

La hidrólisis de la glucosa 6-fosfato comienza con un ataque nucleofílico al fosfato unido al azúcar por parte de His176, lo que resulta en la formación de un enlace fosfohistidina y la degradación de un carbonilo. Un oxígeno cargado negativamente transfiere sus electrones reformando un carbonilo y rompiendo su enlace con la glucosa. El oxígeno unido a la glucosa con carga negativa es luego protonado por His119 formando una glucosa libre. El fosfointermedio producido por la reacción entre His176 y el grupo fosfato se rompe mediante un ataque hidrófilo; Después de la adición de otro hidróxido y la descomposición de un carbonilo, el carbonilo se reforma liberando los electrones originalmente donados por el residuo His176, creando así un grupo fosfato libre y completando la hidrólisis.

Expresión

Los genes que codifican la enzima se expresan principalmente en el hígado, en la corteza renal y (en menor medida) en las células β de los islotes pancreáticos y en la mucosa intestinal (especialmente en tiempos de inanición). Según Surholt y Newsholme, la glucosa 6-fosfatasa está presente en una amplia variedad de músculos en todo el reino animal, aunque en concentraciones muy bajas. Así, el glucógeno que almacenan los músculos no suele estar disponible para el resto de las células del cuerpo porque la glucosa 6-fosfato no puede atravesar el sarcolema a menos que esté desfosforilada. La enzima juega un papel importante durante los períodos de ayuno y cuando los niveles de glucosa son bajos. Se ha demostrado que el hambre y la diabetes inducen un aumento de dos a tres veces en la actividad de la glucosa 6-fosfatasa en el hígado. La actividad de Glc 6-Pase también aumenta dramáticamente en el nacimiento cuando un organismo se vuelve independiente de la fuente de glucosa de la madre. El gen humano Glc 6-Pase contiene cinco exones que abarcan aproximadamente 125,5 kb de ADN ubicado en el cromosoma 17q21.

Importancia clínica

Mutaciones del sistema de glucosa 6-fosfatasa, en concreto la subunidad de glucosa 6-fosfatasa-α (glucosa 6-fosfatasa-α), el transportador de glucosa 6 (G6PT) y la glucosa 6-fosfatasa-β (glucosa 6-fosfatasa-α). -fosfatasa-β o G6PC3) conducen a deficiencias en el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa interprandial y en la función y homeostasis de los neutrófilos. Las mutaciones tanto en la glucosa 6-fosfatasa-α como en G6PT conducen a la enfermedad de almacenamiento de glucógeno tipo I (GSD 1, enfermedad de von Gierke). Para ser específicos, las mutaciones en la glucosa-6-fosfatasa-α conducen a la enfermedad de almacenamiento de glucógeno tipo 1a, que se caracteriza por la acumulación de glucógeno y grasa en el hígado y los riñones, lo que resulta en hepatomegalia y renomegalia. GSD-1a constituye aproximadamente el 80% de los casos de GSD-1 que se presentan clínicamente. La ausencia de G6PT da lugar a GSD-1b (GSD-1b), que se caracteriza por la falta de un G6PT y representa el 20% de los casos que se presentan clínicamente.

La causa específica de GSD-1a proviene de mutaciones sin sentido, inserciones/deleciones con o sin un cambio en el marco de lectura, o mutaciones en el sitio de empalme que ocurren a nivel genético. Las mutaciones sin sentido afectan los dos grandes bucles luminales y las hélices transmembrana de la glucosa 6-fosfatasa-α, suprimiendo o reduciendo en gran medida la actividad de la enzima. La causa específica de GSD-1b proviene de una enfermedad "grave" mutaciones como mutaciones en el sitio de empalme, mutaciones de cambio de marco y sustituciones de un residuo altamente conservado que destruyó por completo la actividad de G6PT. Estas mutaciones conducen a la prevalencia de GSD-1 al impedir el transporte de glucosa-6-fosfato (G6P) a la porción luminal del RE y también al inhibir la conversión de G6P en glucosa para ser utilizada por la célula.

El tercer tipo de deficiencia de glucosa 6-fosfatasa, la deficiencia de glucosa 6-fosfatasa-β, se caracteriza por un síndrome de neutropenia congénita en el que los neutrófilos exhiben mayor estrés en el retículo endoplásmico (RE), aumento de la apoptosis, alteración de la homeostasis energética y alteración de la funcionalidad. . También puede provocar malformaciones cardíacas y urogenitales. Esta tercera clase de deficiencia también se ve afectada por una deficiencia de G6PT, ya que la glucosa-6-fosfatasa-β también se encuentra dentro de la luz del RE y, por lo tanto, puede provocar síntomas similares de deficiencia de glucosa-6-fosfatasa-β asociados con GSD-1b. Además, estudios recientes han dilucidado esta área de similitud entre ambas deficiencias y han demostrado que se produce una glicosilación aberrante en ambas deficiencias. La glicosilación de neutrófilos tiene un efecto profundo sobre la actividad de los neutrófilos y, por lo tanto, también puede clasificarse como un trastorno congénito de la glicosilación.

Se ha determinado que la función principal de la glucosa 6-fosfatasa-β es proporcionar glucosa reciclada al citoplasma de los neutrófilos para mantener la función normal. La alteración de la proporción de glucosa a G6P debido a una disminución significativa de los niveles de glucosa intracelular provoca una alteración significativa de la glucólisis y el HMS. A menos que se contrarreste mediante la captación de glucosa extracelular, esta deficiencia conduce a una disfunción de los neutrófilos.

Se ha demostrado que los compuestos de vanadio, como el sulfato de vanadilo, inhiben la enzima y, por lo tanto, aumentan la sensibilidad a la insulina in vivo en los diabéticos, según lo evaluado mediante la técnica de pinza hiperinsulinémica, lo que puede tener implicaciones terapéuticas potenciales.