copyright © 1996–2010 Michael W. King, PhD

Traducciones al español amablemente proporcionada por:

Manuel E. Baldeon, MD, PhD.Martha Yepez, MScSamira Reyes, B.Sc.Colegio Ciencias de la SaludUniversidad San Francisco de Quito www.usfq.edu.ec

AMPK: Regulador Metabólico MaestroLa proteincinasa estimulada por el AMP (AMPK) fue descubierta como una enzima que inhibía preparaciones de acetil.CoA carboxilasa (ACC) y 3-hidroxi-3-metilglutaril-CoA reductasa (HMG-CoA reductasa, HMGR) y que era inducida por AMP. La AMPK induce una cascada de eventos en las células en respuesta a los constantes cambios de energía de estas. El papel de la AMPK en la regulación de la carga de energía de la célula coloca a esta enzima en un punto central de control para mantener la homeostasis de energía. Evidencia reciente demuestra que la actividad de la AMPK puede también ser regulada por estímulos fisiológicos, independientemente de la carga de energía de la célula, incluyendo hormonas y nutrientes.

Una vez activada, la fosforilación mediada por la AMPK cambia a la célula de consumir ATP en forma activa (biosíntesis de ácidos grasos y colesterol) a la producción activa de ATP (oxidación de ácidos grasos y glucosa). Estos eventos son iniciados rápidamente y se los refiere como procesos de regulación en el corto plazo. La activación de la AMPK también tiene efectos a largo plazo a nivel de expresión de genes y síntesis de proteínas. Otras actividades importantes que se atribuyen a la AMPK son regulación de la síntesis y secreción de insulina en las células beta del páncreas y modulación de funciones hipotalámicas involucradas en la regulación de la saciedad. Posteriormente se discute como estas dos últimas funciones afectan la obesidad y la diabetes.

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Estructura de la AMPKLa AMPK de mamíferos es una enzima trimérica compuesta de una subunidad-α catalítica, y de las subunidades no catalíticas β y γ. Existen dos genes que codifican isoformas de las subunidades α y β (α1, α2, β1 y β2) y tres genes que codifican isoformas de la subunidad γ (γ1 - γ3). La isoforma α2 es la subunidad de la AMPK que predominantemente se encuentra en el músculo esquelético y cardíaco, mientras que, las

isoformas α1 y α2 están distribuidas en forma equitativa en la AMPK del hígado. En las células b del páncreas la isoforma α1 es predominante.

La mitad del N-terminal de las subunidades α tiene un dominio catalítico típico de cinasa serina/treonina. La interacción con las subunidades β y γ se realiza con la mitad del C-terminal de las subunidades α. Las subunidades β de la AMPK de las levaduras están modificadas por lípidos como el ácido mirístico. La mistirilización de la AMPK puede ser la responsable de la asociación con la membrana de esta enzima en los mamíferos. La parte central de las subunidades γ tiene un dominio de unión para el glicógeno. Este dominio esta estrechamente relacionado al N-terminal de la isoamilasa y débilmente relacionado a dominios de subunidades de fosfatasa dirigidas al glicógeno y a varias proteínas que se unen al almidón. La proximidad de la AMPK a las reservas de glicógeno le permite efectuar cambios rápidos en el metabolismo del glicógeno en respuesta a cambios en las demandas metabólicas. Se ha demostrado que las subunidades g de la AMPK contienen sitios de unión para nucleótidos de forma similar a los dominios de la cistationina β-sintasa (CBS). En verdad, estudios de asociación directa del AMP indican que el AMP se une a las subunidades γ por un par de dominios CBS.

Es de importancia clínica la observación de que mutaciones de los dominios CBS de la subunidad γ2 (símbolo del gen PRKAG2) están asociadas con el síndrome Wolff-Parkinson-White y la cardiomiopatía hipertrófica familiar. Una alteración hereditaria adicional que se asocia con mutaciones del gen PRKAG2 es una condición cardiaca severa llamada enfermedad de almacenamiento del glicógeno hereditaria letal. Esta alteración se debe a una sustitución única de un aminoácido de glutamato por arginina en la posición 531 (R531Q).

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Regulación de la AMPKLa AMPK se activa por fosforilación por acción de una o más AMPK cinasas (AMPKKs). En ausencia de fosforilación no se detecta actividad de la AMPK para sus sustratos. La fosforilación de la AMPK se da en la subunidad α en la treonina 172 (Tre 172) que se encuentra en el asa de activación. Una cinasa que activa a la AMPK es la cinasa-β cinasa dependiente de Ca2+ calmodulina (CAMKKb) que fosforila y activa a la AMPK en respuesta a concentraciones altas de calcio. Datos recientes han demostrado que la cinasa de treonina, LBK1, codificada en el gen supresor de tumor del síndrome Peutz-Jeghers, es necesaria para la activación de la AMPK en respuesta al estrés. La perdida de la actividad de la LBK1 en el hígado del ratón adulto lleva a la perdida completa de la actividad de la AMPK y se asocia con hiperglicemia. La hiperglicemia se debe en parte a un incremento en la trascripción de genes gluconeogénicos. De particular importancia es el incremento en la expresión del receptor activado de proliferación del peroxisoma-γ "peroxisome proliferator-activated receptor-γ" (PPAR-γ) co-activador 1α (PGC-1α) que maneja la gluconeogénesis. La disminución de la actividad del PGC-1α resulta en la normalización de los niveles de glucosa sanguínea en ratones deficientes de LBK1.

Como su nombre lo indica, la AMPK también es regulada por el AMP. Los efectos del AMP son: una activación alostérica directa y el hacer a la AMPK un mal sustrato para la defosforilación. Debido a que el AMP afecta tanto la proporción de fosforilación de la AMPK en la dirección positiva y de defosforilación en la dirección negativa, la cascada es ultrasensible. Esto implica que una pequeña elevación en los niveles de AMP puede inducir un incremento dramático en la actividad de la AMPK. La actividad de la adelinato-cinasa, que cataliza la reacción que se indica a continuación, asegura que la AMPK sea altamente sensible a pequeños cambios en el radio intracelular de [ATP]/[ADP].

2 ADP ——> ATP + AMP

También existe regulación alostérica negativa de la AMPK y este efecto se hace por la fosfocreatina. Como se indico anteriormente, las unidades β de la AMPK tienen un dominio para unirse al glicógeno (GBD). En el músculo, un alto contenido de glicógeno reprime la actividad de la AMPK y esto seguramente es el resultado de la interacción entre el dominio que se une al glicógeno de la enzima con el glicógeno, aunque esto no se ha demostrado directamente. Como se sugiere anteriormente, el GBD de la AMPK permite la asociación de la enzima con la regulación del metabolismo del glicógeno al colocar a la AMPK cerca de uno de sus sustratos la glicógeno sintasa.

También se ha demostrado que la AMPK es activada por receptores que están acoplados a la fosfolipasa C-γ (PLC-γ) y por citocinas secretadas por el tejido adiposo (adipocinas) tales como la leptina y la adiponectina.

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Blancos de la AMPK

Las cascadas de señalización que se inician por la activación de la AMPK tienen efectos en el metabolismo de glucosa y lípidos, expresión de genes y síntesis de proteínas. Estos efectos son más importantes para la regulación de eventos metabólicos en el hígado, músculo esquelético, tejido adiposo, y páncreas.

Demostración del papel central de la AMPK en la regulación del metabolismo en respuesta a eventos como estrés inducido por nutrientes o ejercicio. Varios de los blancos conocidos de la AMPK se han incluido así como también varias vías metabólicas cuyo flujo se afecta por la activación de la AMPK. Las flechas indican efectos positivos de la AMPK, mientras que las líneas –T indican efectos inhibitorios. Refiérase al texto para la definición de abreviaciones de las enzimas.

La toma de glucosa, por parte del músculo, constituye el 70% de la glucosa que se saca de la sangre en los humanos. Por tanto, debería ser obvio que este evento es extremadamente importante para la homeostasis general de la glucosa, teniendo en cuenta, por supuesto, que la toma de glucosa por parte del corazón y de los adipositos no puede excluirse de esta consideración. Un hecho importante relacionado con la toma de glucosa por el músculo es que este proceso se encuentra marcadamente impedido en individuos con diabetes tipo-2. La toma de glucosa se incrementa dramáticamente en

respuesta al estrés (como la isquemia) y el ejercicio y se estimula por el reclutamiento de transportadores a la membrana celular, primariamente GLUT4 que es inducido por la insulina. El reclutamiento de receptores independientes de la insulina también ocurre en el músculo esquelético en respuesta a la contracción (ejercicio). La activación de la AMPK juega un papel importante en la inducción del reclutamiento de GLUT4 a la membrana celular, aunque es    to no es exclusivo de la activación de la AMPK. Además, hay alguna demostración de que la AMPK puede regular el transporte de glucosa por medio del transportador GLUT1. Un incremento en la toma de glucosa resultara en un incremento en la glucólisis y en la producción de ATP.

Bajo condiciones de isquemia en el corazón la activación de la AMPK conduce a la fosforilación y activación de la fosfofructocinasa-2, PFK-2 (6-fosfofructo-2-cinasa). La PFK-2 es uno de los reguladores más potentes de la velocidad de flujo a través de la glucólisis y gluconeogénesis. Es importante notar que como muchas otras enzimas, existen múltiples isoformas de la PFK-2 y que las isoformas del hígado y del músculo esquelético no contienen los sitios de fosforilación de la AMPK de la forma inducible de la PFK-2. De particular importancia es el hecho de que la forma inducible de la PFK-2 comúnmente se encuentra en células tumorales y esto puede permitir a la AMPK tener un papel importante en la protección de las células tumorales del estrés por hipoxia. En verdad, técnicas para depletar la AMPK de las células tumorales han demostrado que estas células se hacen sensibles al estrés nutricional luego de la perdida de la actividad de la AMPK.

Mientras el estrés y el ejercicio son inductores poderosos de la actividad de la AMPK en el músculo esquelético, se han identificado reguladores adicionales de su actividad. Fármacos que sensibilizan a la insulina de la familia de la tiazolidinediona (activadores de PPAR-γ, ver a continuación) así como también el fármaco hipoglicemiante metformina ejercen parte de su efecto por medio de la regulación de la actividad de la AMPK. Como se indico anteriormente, la actividad de la cinasa que activa a la AMPK, LKB1, es critica para la regulación del flujo de la gluconeogénesis y consecuentemente de la homeostasis de la glucosa. La acción de la metformina para disminuir los niveles de glucosa en sangre requiere de la actividad de la LKB1 en el hígado para su funcionamiento. También, varias adipocinas pueden estimular o inhibir la activación de la AMPK: se ha demostrado que la leptina y a adiponectina estimulan la activación de la AMPK, mientras que la resistina inhibe la activación de la AMPK.

Dentro del músculo esquelético y el corazón, la activación de la AMPK lleva a la fosforilación e inhibición de la acetil-CoA carboxilasa (ACC). Esta inhibición resulta en la caída en el nivel de malonil-CoA que en si mismo es un inhibidor de la carnitina palmitoiltransferasa I (CPT I). Con la caída en el inhibidor de la CPT I ocurrirá un incremento concomitante de la β-oxidación de los ácidos grasos en la mitocondria. Un incremento en la oxidación de los ácidos grasos, como los incrementos en la glucólisis, llevara a aumentar la producción de ATP. Además de la ACC, se ha demostrado que la AMPK fosforila y así regula las actividades de la HMG-CoA reductasa (HMGR); lipasa sensible a hormonas (HSL); glicerofosfato aciltransferasa (GPAT); malonil-CoA decarboxilasa (MCD;); sintasa de glicógeno, (GS) y creatin cinasa (CK). Por tanto, los efectos de la activación de la AMPK no solamente afectan la homeostasis de la glucosa y el metabolismo de los ácidos grasos sino a toda la homeostasis energética incluyendo al metabolismo del glicógeno, metabolismo del colesterol y de la fosfocreatina.

Los efectos en el corazón que se tienen por activación de la AMPK también incluyen la fosforilación de la sintasa de oxido nitrito endotelial, eNOs, en el endotelio cardiaco. La fosforilación de la eNOs mediada por la AMPK lleva a un incremento en su actividad y consecuentemente a la producción de oxido nítrico (NO) y esto provee una asociación entre el estrés metabólico y la función cardiaca. En las plaquetas, la acción de la insulina lleva a un incremento en la actividad de la eNOs que se debe a su fosforilación por parte de la AMPK. La activación en la producción de NO en las plaquetas conduce a una disminución en la agregación plaquetaria inducida por la trombina, de esta forma, se limita los efectos pro-coagulantes de la activación plaquetaria. La respuesta de las plaquetas a la acción de la insulina claramente indica por que la alteración en la acción de la insulina es un factor importante que contribuye al desarrollo del síndrome metabólico.

La activación de la AMPK no solamente realiza sus efectos en la actividad Enzimática por medio de la fosforilación, existen efectos marcados en la expresión de un número de enzimas glucolíticas y lipogénicas en el hígado y en el tejido adiposo. Se incluyen en esta lista los genes para las isoformas hepáticas de la piruvato cinasa (L-PK), sintasa de ácidos grasos (FAS), y la ACC. La activación de la AMPK conduce a la disminución del nivel de SREBP, un factor de trascripción que es un regulador clave en la expresión de varias enzimas lipogénicas. Otro factor de trascripción que se reduce en respuesta a la activación de la AMPK es el factor nuclear hepático 4α HNF4α que es un miembro de la superfamilia de hormonas esteroides/tiroideas. Se sabe que el HNF4a regula la expresión de varios genes hepáticos y de las células β del páncreas como el transportador GLUT2, L-PK y preproinsulina. De significado clínico es el hecho de que mutaciones en el HNF4a son responsables de la diabetes que aparece en los jóvenes denominada, MODY-1 (maturity-onset diabetes of the young). Evidencia reciente indica que la recientemente descubierta proteína, ChREBP (carbohydrate-reponse-element-binding) es también blanco de la AMPK en el hígado. La ChREBP esta implicada en la regulación de trascripción de la L-PK.

El blanco de las drogas de la clase de la tiazolidinediona que se utilizan para el tratamiento de la diabetes tipo 2 es el PPARγ (peroxisome proliferator-activated receptor γ), que en si mismo puede ser un blanco de la AMPK. El co-activador de trascripción, p300, es fosforilado por la AMPK que inhibe la interacción del p300 no solamente con PPARγ sino también con el receptor del acido retinoico, recertor X retinoico, y receptor tiroideo. Otro factor de trascripción blanco de la AMPK es la proteína llamada FKHR (ahora conocida con el nombre de Fox01). Fox01 esta involucrado en la activación de la expresión de la glucosa-6-fosfatasa y por tanto, la perdida de la actividad de Fox01 en respuesta a la activación de la AMPK llevara a una disminución en la secreción de glucosa por parte del hígado.

La activación de la AMPK en respuesta a la hipoxia tiene efectos en la proporción de síntesis de proteínas. El factor de traducción-elongación del hígado, eEF2 es un blando de fosforilación a la activación de la AMPK. La AMPK fosforila y activa la cinasa que fosforila al eEF2 (eEFK) lo que lleva a una inhibición de la síntesis proteica. Otro sustrato indirecto de la AMPK que tiene un papel en la síntesis de proteínas es mTOR, que es blanco de la rapamicina. Una descripción detallada del papel de mTOR en la regulación de la síntesis proteica puede encontrarse en la página de Síntesis de proteínas.

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Relevancia de la AMPK en la Diabetes Tipo 2Una pérdida de combustible se produce en el metabolismo de la obesidad y esta alteración es uno de los principales patógenos factor tipo 2 diabetes. La resistencia a la insulina asociada a la diabetes tipo 2 es más profundo a nivel de músculo esquelético ya que este es el sitio principal de la glucosa y la utilización de ácidos grasos. Por lo tanto, una comprensión de cómo activar AMPK en el músculo esquelético podría ofrecer importantes beneficios en el tratamiento farmacológico tratamiento de la diabetes tipo 2. Como se indicó anteriormente, ya se ha demostrado que la metformina y la tiazolidindiona drogas ejercen algunos de sus efectos a través de la activación de AMPK. En el contexto de no-farmacológico, se produce la activación de AMPK en respuesta al ejercicio, una actividad conocida por tener un beneficio significativo para el tipo 2 diabéticos.

Dado que esta discusión anterior ha dejado claro, AMPK sirve como sensor de un maestro de energía y cuya actividad se activa en respuesta a los cambios en la nutrición condición, a fin de modular los tejidos específicos de las rutas metabólicas. Otra proteína (que originalmente fue descubierto en la levadura en respuesta a la restricción de calorías) que desempeña un papel importante en respuesta a la privación de nutrientes es SIRT1. SIRT1 es un sirtuin miembro de la familia de proteínas que funcionan como NAD+ dependientes de la proteína deacetylases. Hay siete sutuins mamíferos. Los mamíferos son homólogos sirtuins proteínas de la levadura silencio información regulador 2 (Sir2). SIRT1 cataliza deacetylation lisina de proteínas objetivo junto a la hidrólisis de NAD+. Algunos de los objetivos de SIRT1 son las histonas, factores de transcripción y transcripción co-reguladores.

Como ya se ha discutido, la función principal de AMPK es phosphorylate y, así regular la actividad de numerosas enzimas metabólicas. Sin embargo, si la ATP agotamiento prolongado sigue siendo AMPK se phosphorylate una serie de transcripción factores de transcripción y co-reguladores como HNF-4α, FoxO3, PGC1α (proliferador de peroxisoma activados por los receptores-γ co-activador 1α) y P300. Resulta que estos factores son también objetivos de la regulación por SIRT1. Gustar SIRT1, AMPK se ha propuesto como una de varias moléculas que participan en la regulación de la longevidad de los mamíferos. AMPK puede aumentar la vida útil de la ronda gusano C. elegans y el envejecimiento en ratas, el nivel de AMPK es la disminución de la fosforilación relativa a los animales jóvenes.

En el músculo esquelético, AMPK fosforila PGC1α conduce a un mayor biogénesis mitocondrial y la oxidación de ácidos grasos. Ambos efectos de PGC1α requieren SIRT1. Además, AMPK activado PGC1α resultados en un aumento de GLUT4 presentación en las membranas celulares del músculo esquelético resulta en un aumento de la glucosa captación, otro efecto que requiere SIRT1 actividad. De hecho, se postula que muchos de los efectos reguladores de genes de AMPK en el músculo esquelético, de hecho, el resultado de la fosforilación PGC1α. SIRT1 Se ha demostrado que

deacetylate y activar PGC1α a los promotores de varios genes implicados en ácidos grasos utilización y la respiración mitocondrial. Por lo tanto, es probable que SIRT1 AMPK y acciones que regulan la oxidación de lípidos y la biogénesis mitocondrial convergen a través de la acción de PGC1α.

En el hígado AMPK activa la oxidación de ácidos grasos a través de la activación de PGC1α así como sus efectos sobre otras enzimas de la lipogénesis se ha descrito anteriormente (por ejemplo, SREBP y FAS). Además, la síntesis hepática de colesterol se inhibe AMPK por acciones a nivel de SREBP y HMGR. SIRT1 también regula hepática el metabolismo del colesterol a través de deacetlyation y la activación de los LXR nucleares receptores. En este contexto, un objetivo de la ATP LXR es vinculante casete transportista A1 (ABCA1) que ha participado en el transporte de colesterol de tejidos a la circulación y su posterior interacción con HDLs (esto es transporte inverso de colesterol). SIRT1 también disminuye la lipogénesis a través de reducciones en SREBP niveles. La capacidad de la AMPK y SIRT1 a efecto las reducciones en SREBP sugiere que estas dos proteínas pueden participar en la misma ruta que AMPK activa SIRT1 y SIRT1 feeds-de nuevo a activar AMPK.

Considerando que hay una convergencia de AMPK y SIRT1 acción sobre la oxidación de lípidos en el músculo esquelético, existe una divergencia de sus acciones en el hígado en el nivel de la gluconeogénesis. En el estado priva de nutrientes (por ejemplo, el ayuno) SIRT1 hepática activa PGC1α lo que aumenta la oxidación de ácidos grasos y gluconeogénesis. Sin embargo, el ayuno en los resultados AMPK mediada por la inhibición de la gluconeogénesis, al mismo tiempo, el aumento de la oxidación de ácidos grasos. El efecto negativo de la AMPK en la gluconeogénesis no implica PGC1α reglamento. En ayunas el páncreas libera glucagón, que ejerce numerosas efectos sobre el metabolismo de la glucosa hepática. El glucagón induce la translocación nuclear de la proteína TORC2 (transductor de la actividad regulada CREB 2), que luego se une y activa CREB (cAMP respuesta elemento vinculante de la proteína). CREB estimula gluconeogénesis y la oxidación de ácidos grasos a través de la inducción de la unión a la PGC1α promotores de FoxO1a y HNF-4α lo que aumenta la transcripción de la gluconeogenic enzimas PEPCK y glucosa 6-fosfatasa. Cuando los niveles de ATP son bajos o bajo condiciones de estrés, la activación de AMPK inhibe la gluconeogénesis hepática porque AMPK fosforila TORC2 que secuestra en el citoplasma lo que la inactivación de CREB. AMPK También se ha propuesto a phosphorylate e inhibir HNF4α. Estos efectos de hepática sobre la activación de AMPK inductivo suscitado a través de señales glucagón.

Nuevos enfoques terapéuticos para la intervención de la diabetes tipo 2 incluyen activadores de moléculas pequeñas de SIRT1. En estudios en ratones sobreexpresión de SIRT1 resultados en la mejora de la tolerancia a la glucosa y el aumento de la excreción de insulina en respuesta a la administración de glucosa. Ambos efectos del aumento de SIRT1 acción ser beneficiosa en el tratamiento de la diabetes tipo 2. AMPK es ya objeto de varios clases de fármacos utilizados en el tratamiento de la diabetes tipo 2, incluyendo metformina y tiazolidindionas, TZDs. Habida cuenta de la efectos de la AMPK y SIRT1 en el metabolismo, y su convergencia en muchos de estos procesos, parece lógico suponer que las futuras terapias de la diabetes combinar ambos AMPK y los activadores de SIRT1 para bajar la glucosa en sangre y aumento la sensibilidad a la insulina.