Funciones de la proteína quinasa activada por AMP en tejido adiposo


La AMPK está involucrada en la homeostasis energética celular, e inclusive es llamada el regulador metabólico maestro, y su función ha sido estudiada exhaustivamente en tejido muscular e hígado. La AMPK estimula canales que incrementan la producción de energía, mientras que inhibe los canales que consumen energía en la célula, siendo de principal atención en patologías asociadas con resistencia a la insulina.
El tejido adiposo es uno de los tejidos principales asociados con el metabolismo a través de la secreción de sustratos y hormonas asociadas con el metabolismo y la sensibilidad a la insulina, la activación de la AMPK en el tejido adiposo puede ser producto de ayuno y ejercicio, también la leptina y la adiponectina así como drogas hipoglucemiantes. Cuando la AMPK es activada ella limita la afluencia de de ácidos grasos y estimula la oxidación de estos localmente, y como los ácidos grasos juegan un papel principal en la resistencia a la insulina, especialmente en los músculos, la activación de la AMPK en tejido adiposo puede ser encontrada como beneficiosa en estados insulino resistentes, particularmente como la activación de esta enzima también reduce la secreción de citoquinas en los adipocitos como el TNFα y la IL6.

Como se puede observar en la siguiente imagen el objetivo de la AMPK es disminuir cualquier forma de consumo de energía, y activar canales para proporcionar energía en los tejidos.

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Tejido adiposo: energía y endocrinología


El almacenamiento de energía es un mecanismo de supervivencia para tiempos en los cuales haya poco insumo dietario de energía, y cuantitativamente la principal forma de almacenamiento de energía es a través de los triglicéridos (TAG), dentro de las inclusiones lipídicas en los adipocitos, y los orígenes de los TAG almacenados puede ser de la dieta o síntesis de novo a partir de sustratos lipogénicos (proceso llamado lipogénesis).
La manera mediante el cual los adipocitos toman los lípidos del plasma sanguíneo es mediante una enzima sintetizada por ellos mismos que luego es exportada al lado luminal del endotelio vascular, la lipoprotein lipasa. Una vez en el epitelio vascular ella puede hidrolizar los TAG dentro de lipoproteínas como los VLDL y quilomicrones, a ácidos grasos y glicerol libre, luego estos ácidos grasos entran a los adipocitos mediante transportadores y son resterificados con glicerol-fosfato para formar TAG que se almacenan en la inclusión lipídica única en el tejido adiposo blanco, en contraste con las múltiples inclusiones lipídicas del tejido adiposo pardo. Esta inclusión está rodeada de membrana y cubierta por una proteína llamada perilipina.
Luego cuando son requeridos de nuevo los TAG son hidrolizados (lipólisis) a ácidos grasos y glicerol que luego son exportados de nuevo a la sangre. La lipólisis necesita de varias reacciones y por supuesto, varias enzimas como la lipasa sensitiva a hormona que es exquisitamente regulada mediante diversos mecanismos como modificaciones covalentes reversibles (fosforilación), y translocación del Citosol a la superficie de la inclusión lipídica.
Las hormonas juegan un papel de control sobre que mecanismo o canal metabólico esta activado en un periodo de tiempo determinado en los adipocitos, la insulina favorece el almacenamiento de la energía mediante la activación de la lipogénesis y la síntesis y exportación de la lipoprotein lipasa al endotelio vascular, y la esterificación de TAG en la inclusión lipídica mediante la producción de glicerol-fosfato a partir de glucosa. En cambio los antagonistas son las hormonas adrenérgicas que no necesariamente tienen que ser secretadas por la medula de las glándulas suprarrenales sino que pueden estar siendo producidas por la inervación simpática local; y la cual activa la lipólisis mediante la unión a receptores β-agonistas y la producción de cAMP (AMP cíclico).
Es muy bien conocido que el tejido adiposo es un órgano endocrino también, envuelto en la homeostasis energética y la partición de sustratos. Las hormonas más importantes que este tejido produce son la leptina y la adiponectina.
La leptina es una citoquina producida en proporción a la cantidad de tejido adiposo y que actúa en el hipotálamo para disminuir la ingesta de alimentos, también actúa sobre el hígado y el tejido muscular activando la AMPK y de este modo estimulando la oxidación de ácidos grasos.
La adiponectina es una de los transcritos proteicos más abundantes en el adipocito y su concentración plasmática es alta, circula y funciona como un homomultimero. A diferencia de la leptina su secreción esta inversamente relacionado a la cantidad de tejido adiposo, y su concentración plasmática se encuentra reducida en pacientes obesos y que padecen de diabetes tipo 2. Además esta hormona es considerada como una hormona insulino sensibilizante ya que estimula el uso de la glucosa en el musculo y también la oxidación de ácidos grasos hepáticos y musculares e inhibe la neoglucogénesis y la glucogenólisis. Ha sido demostrado que en el hígado para que la adiponectina tenga efectos necesita de la activación de la AMPK
Estructura de la AMPK en tejido adiposo

La AMPK es un heterotrimero con una subunidad catalítica α y dos reguladoras β y γ, diversas isoformas de cada subunidad han llevado a la identificación de 12 distintos complejos. Estas combinaciones le ofrecen diferentes propiedades y especificidad de tejidos a la AMPK, en el tejido adiposo la isoforma predominante corresponde a la α1, las diferencias funcionales entre las distintas isoformas no son claras todavía pero si se sabe que los que expresen el complejo α1 son mas sensitivos a la AMP
La regulación de AMPK en tejido adiposo

En el tejido adiposo el ayuno y el ejercicio activa la AMPK, como ambas situaciones son sine qua non de la estimulación adrenérgica se puede inducir que los receptores β-adrenérgicos y su segundo mensajero cAMP son los que estimularían la actividad de la AMPK, lo cual fue comprobado por varios científicos. También ha sido sugerido que los efectos del ejercicio sobre la AMPK de los adipocitos podría ser secundario a la secreción de IL-6 en los músculos debido a un experimento que se hizo en ratas.
La leptina y la adiponectina pueden activar a la AMPK en los adipocitos, también drogas hipoglicemiantes como los biguanidos (metformina por ejemplo), también inducen un incremento de la actividad de la AMPK en adipocitos, otros resultados más controversiales sobre thiazolidinediones (otra clase de drogas hipoglicemiantes) pueden verse aquí.

Estructura geometrica tridimensional de un biguanido
Estructura geometrica tridimensional de un biguanido
Estructura esqueletica de un biguanido
Estructura esqueletica de un biguanido



Las concentraciones de AMP y ATP están relacionadas gracias a la presencia de la enzima adenilato quinasa, y también es un exquisito sensor del nivel energético celular ya que un decremento en la concentración de AMP quiere decir una disminución de dicho nivel, por lo tanto el AMP va a activar a la enzima de la cual hemos venido hablando, la AMPK por medio de un complejo mecanismo que involucra efectos alostéricos y modificación covalentes reversibles de esta enzima en el residuo de threonina 172 en la subunidad catalítica.
Las quinasas encargadas de esto que se han estudiado son, en número de dos, la LKB1 y la calmodulina quinasa quinasa β (Calmodulina KK β). La LKB1 es una quinasa que es constitutivamente activa y fosforila a la AMPK cuando las concentraciones de AMP aumentan en la célula y se une a la subunidad γ, que es necesario para que la AMPK sea sustrato de la LKB1. La calmodulina KK β fosforila a la AMPK en presencia de altas concentraciones de calcio, independientemente de una alta concentración de AMP.
Los argumentos que sustentan la función de la LKB1 sobre la AMPK se han encontrado, de manera indirecta, mediante el tratamiento de adipocitos con AICAR (una droga que en la célula es transformada a ZMP que es un análogo al AMP), termina por activar a la AMPK; también otro biguanido, la phenformina, induce una activación de la AMPK mientras disminuye la concentración de AMP, y por ultimo en ratones transgénicos que expresan un desacoplador que aumenta la relación AMP/ATP se vio el incremento de la función de la AMPK. Por su parte el papel que juega la La calmodulina KK β sobre la activación de la AMPK todavía no se ha demostrado en adipocitos. En conclusión un aumento de la relación AMP/ATP activa a la AMPK lo cual indica la relación de ella con la LKB1.
AMPK y la diferenciación de adipocitos

Evidencias indirectas sugieren que la activación de la AMPK inhibe la diferenciación de los adipocitos, lo cual es lógico ya que esto incluiría el consumo de energía que requiere y además la generación de una nueva membrana que incluye una gran cantidad de lípidos, y esta es una enzima que promueve el almacenamiento de energía mediante los TAG, y no su derroche, sin embargo en ratones que no poseen la subunidad catalítica el potencial de diferenciación no se ve afectado ya que se produce igual cantidad de adipocitos aunque mas pequeños. Para ver más detalles sobre esto ir aquí.

Regulación del metabolismo de los lípidos por la AMPK

La AMPK se encarga de activar las vías catabólicas en el organismo que producen ATP, así como inhibir las vías anabólicas que lo consumen.

Lipogénesis:

El punto principal regulador de la lipogénesis es la carboxilacion de acetil-CoA para formar malonil-CoA por la acetil-CoA carboxilasa. Esta enzima puede ser inhibida por la AMPK, ya que es inhibida por fosforilación, y una vez que se encuentra inhibida las concentraciones de malonil-CoA van a decrecer, y el acetil-CoA será entonces utilizado en vías catabólicas en vez de síntesis de ácidos grasos.
Lipólisis:

Por más que esta es una vía en la cual se obtienen sustratos para obtener energía, la misma consume energía, por tanto la AMPK inhibe esta vía metabólica. Para inhibir esta vía, la AMPK toma como sustrato a la enzima lipasa hormono-dependiente (LSH); esta misma también puede ser fosforilada por la proteína quinasa dependiente de AMPc (PKA), pero se activa si esto ocurre. La diferencia radica en que la AMPK fosforila al aminoácido Ser-565, mientras que la PKA fosforila Ser-563; al fosforilarse Ser-565, se inhibe la fosforilación de Ser-563 por la PKA y, por ende, la translocación de la LSH al lípido que va a ser metabolizado, un proceso fundamental en la lipólisis. Al inhibirse la lipólisis se ahorra el gasto energético que esta significa y se activan otras vías para conseguir energía aun mas rápida y efectivamente; recordemos que la AMPK se activa en ayuno peligrosamente prolongado.
Beta-Oxidación:

La Beta-Oxidación ocurre en la matriz mitocondrial, y es estimulada por la AMPK. Al aumentarse la relación AMP/ATP, se activa la AMPK la cual inhibe a la acetil-CoA carboxilasa, y al no producirse malonil-CoA se tomaran los ácidos grasos que se están alongando por la palmitoil carnitin-transferasa I, y serán transportados a la matriz mitocondrial para que ocurra la beta-oxidación.
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En la previa imágen podemos observar todos los efectos hasta ahora conocidos sobre la AMPK, siendo las lineas transversales sobre una palabra un efecto de inhibición, y una punta de flecha un efecto positivo
Transporte transmembrana de glucosa

Se ha descubierto que la AMPK estimula la translocación de las vesículas GLUT-4 a la membrana para transportar glucosa al interior de la célula; sin embargo, se desconoce si la AMPK influye directamente en el transporte de esta vesícula para internalizar glucosa.



AMPK y secreción adipoquina

Antes se estableció que el tejido adiposo es un órgano endocrino, y que la droga AICAR aumentaba la expresión de adiponectina y activaba a la AMPK, un estudio hecho con 3T3-LI, muestra lo contrario una disminución en la expresión de adiponectina por la activación de la AMPK a causa de la droga metformina, un biguanido usado en diabetes tipo 2, cuyo efecto metabólico e insulino sensibilizante han sido demostrados que en parte son mediados por la activación de la AMPK, sin embargo los diabéticos de tipo 2 tratados con metformina no muestran ningún cambio en los niveles de adiponectina sérica o contenido en los adipocitos .
En tejido adiposo humano los efectos de la droga AICAR en la inhibición de la expresión de dos citoquinas pro-inflamatorias: TNF α (factor necrotizante tumoral), e interleuquina 6 (IL-6); han sido reportadas, y como el TNF α inhibe la expresión de adiponectina se sugiere q la disminución ade su concentración es una regulación indirecta. La inhibición del TNF α y la secreción de IL-6 por la AMPK puede ser beneficial ya que la inflamación es una de las causas asociadas con complicaciones en pacientes obesos como la resistencia a la insulina, por lo tanto la activación de AMPK por una disminución de la concentración de TNF α e IL-6 puede contribuir a la prevención de el desarrollo de la resistencia a la insulina en pacientes obesos.

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