AMPK es una proteína quinasa de serina/treonina filogenéticamente muy conservada que funciona como el regulador maestro del metabolismo ⁽¹⁷⁾. Existe como un heterotrimero formado por una subunidad catalítica α y dos subunidades regulatorias β y ϒ, cada una de ellas con varias isoformas (α1, α2, β1, β2, ϒ1, ϒ2 y ϒ3) permitiendo la formación de 12 posibles combinaciones; no está claro si existen diferencias funcionales entre las diferentes isoformas, más existen diferencias en la distribución tisular de ellas, por ejemplo: los heterotrimeros con α1 están presentes en hígado y tejido adiposo, mientras los que contienen α2 se encuentran en cerebro, musculo cardíaco y esquelético ^{(18, 19)}.

La subunidad ϒ posee 4 dominios de beta-cistateonina sintasa (CBS por su siglas en inglés), cada par es conocido como un dominio Bateman; cada CBS es capaz de unir un nucleósido de adenina ⁽²⁰⁾ mono, di o trifosfatado dependiendo de sus concentraciones relativas. Inicialmente unen ATP y en la medida que la relación AMP/ATP se incrementa, el AMP desplaza al ATP de los dominios Bateman condicionando una activación alostérica de la AMPK ⁽²⁰⁾, además dicho cambio alostérico hace que la enzima sea mejor substrato de las quinasas corriente arriba con lo cual se fosforila la Treo 172 de la subunidad α1 y se inhibe la defosforilación de la misma por las proteinfosfatasas (PP2A, por sus siglas en inglés) ⁽²¹⁾. La combinación de la activación alostérica y de la modificación covalente reversible por la fosforilación de la Treo 172 de la subunidad α1 condicionan un incremento de unas 1000 veces en la actividad quinasa de la AMPK in vitro ⁽²²⁾, sin embargo los cambios in vivo son mucho menores ⁽²³⁾; por otro lado, el ADP es un modulador alostérico positivo de la AMPK pero mucho menos potente que el AMP ⁽²³⁾.

En la AMPK la subunidad β desempeña una función fundamentalmente estructural al unirse a las subunidades α y ϒ ⁽²⁴⁾ por medio de los 85 residuos de aminoácidos del estreno carboxilo terminal ⁽²⁵⁾. La subunidad β guía a la enzima a las membranas por medio de un grupo miristilo unido al N terminal. En todas las células eucariotas la subunidad β presenta un dominio central muy conservado que une glucógeno y regula positivamente a la AMPK ⁽²⁶⁾.

La activación de la AMPK requiere de dos condiciones, un incremento de la relación intracelular de AMP/ATP y de la fosforilación de la Treo 172 del “asa activadora” de la subunidad catalítica α por una de 3 quinasas corriente arriba: la quinasa hepática supresora de tumores B1 (LKB1 por sus siglas en inglés) ⁽²⁷⁾, la proteinquinasa quinasa β dependiente de calcio/calmodulina (CaMKK β por sus siglas en inglés)⁽²⁸⁾ o el factor-β transformante del crecimiento activado por la proteinquinasa 1 (TAK1 por sus siglas en inglés) ⁽²⁹⁾.

La fosforilación de la Ser 485 de la subunidad α1por la proteinquinasa A (PKA por sus siglas en inglés) ⁽³⁰⁾, proteinquinasa B (Akt o PKB por sus siglas en inglés) ⁽³¹⁾ o por autofosforilación ⁽³⁰⁾ conducen a inactivación de la AMPK en tejidos tales como corazón, adipocitos y musculo lizo de los vasos. De manera similar la Ser 491 puede ser fosforilada por la PKA ⁽³⁰⁾ y por autofosforilación ⁽³²⁾ en tejidos tales como adiposo, hipotálamo y corazón con la consecuente reducción de su actividad. El papel de la regulación de estos sitios en los tejidos que responden a la insulina y su papel en la DT2 no se conoce; además existen otros posibles sitios de fosforilación en la subunidad α cuya significación fisiológica se desconoce ⁽¹⁷⁾.

La activación de la AMPK en respuesta a la disminución de la carga energética celular, por fosforilación y por modificación alostérica por la unión con AMP, condiciona un cambio en el estado energético celular de uno anabólico consumidor de ATP a otro catabólico productor de ATP.

Una vez activada la AMPK ésta es capaz de fosforilar una serie de proteínas, la mayoría de ellas con actividad enzimática entre las cuales destacan:

- La acetil-CoA carboxilas es fosforilada en la Ser 79 condicionando su inactivación impidiendo la conversión de acetil-CoA en malonil-CoA lo cual inhibe la síntesis de ácidos grasos y promueve su entrada en la mitocondria para su oxidación ⁽³³⁾.

- La HMG-CoA reductasa es inactivada por fosforilación, lo cual condiciona una disminución de la síntesis de colesterol ⁽³⁴⁾.

- El receptor de proliferación de peroxisomas activado α (PPARα por sus siglas en inglés) es fosforilado activándolo (ver más adelante), lo cual estimula la biogénesis mitocondrial ⁽³⁵⁾.

Una amplia lista de las acciones de la AMPK se puede encontrar en la revisión realizada por Ruderman, et al. ⁽³⁶⁾.

La activación de la AMPK tiene efectos en múltiples tejidos y órganos, es importante destacar:

- En músculo esquelético estimula: la translocación del GLUT 4 a la membrana plasmática, incrementando la entrada de glucosa y su consecuente utilización, la oxidación de ácidos grasos y la biogénesis mitocondrial; por el contrario inhibe la síntesis de proteínas y de glucógeno ⁽¹⁸⁾.

- En músculo cardíaco estimula la entrada de glucosa, la glicólisis y la oxidación de ácidos grasos ⁽³⁷⁾.

- En hígado estimula la toma de glucosa y la oxidación de ácidos grasos y por otro lado inhibe la neoglucogénesis, la síntesis de colesterol, ácidos grasos y proteínas ⁽³⁶⁾.

- En el tejido adiposo estimula la oxidación de los ácidos grasos e inhibe tanto la lipolisis como la síntesis de ácidos grasos ⁽¹⁸⁾.

- En las células β de los islotes pancreáticos estimulan la secreción de insulina ⁽¹⁸⁾.

- Por efecto hipotalámico estimula la ingesta de alimentos ⁽³⁸⁾.

Por todos los efectos antes descritos, exceptuando el relacionado con el hipotálamo, la estimulación de la actividad de la AMPK es beneficioso para el paciente diabético por lo cual en la actualidad se intenta obtener compuestos que puedan activar, directa o indirectamente, dicha enzima.

Efectos de la metformina sobre la AMPK

Zhou, et al. ⁽³⁹⁾ demostraron que la metformina estimula la activación de la AMPK y que por efecto del compuesto C, un inhibidor no específico de la actividad de la AMPK, disminuye la reducción de la producción de glucosa por cultivos primarios de hepatocitos de rata ocasionado por la metformina. Este hallazgo inicial fue apoyado por el trabajo de Shaw et al. ⁽⁴⁰⁾ quienes observaron que la perdida de la quinasa hepática B1 (LKB1), la cual es una de las activadoras de la AMPK, elimina el efecto de la metformina sobre la producción hepática de glucosa en ratones que ingieren una dieta rica en grasas.

Se ha sugerido que la vía de activación LKB1/AMPK estimulada por la metformina altera la actividad neoglucogénica vía inhibición de la interacción del elemento que une proteína y que responde a cAMP (AMP cíclico) (CREB por sus siglas en inglés) con el coactivador 2 regulador de la transcripción (CRTC2 por sus siglas en inglés), un sistema regulador de la activación de los genes neoglucogénicos ⁽⁴⁰⁾. En su forma no fosforilada CRTC2 se localiza en el núcleo y se une a CREB estimulando la expresión de los genes de la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa y de la glucosa-6-fosfatasa; por otro lado la fosforilación de CRTC2, por la AMPK activa, condiciona su ubicación citosólica y regulación negativa de los genes antes mencionados ⁽⁴⁰⁾.

El posible rol de la AMPK en el mecanismo de acción de la metformina fue cuestionado por los hallazgos de Foretz, et al. ⁽⁴¹⁾ quienes demostraron que ratones normales y transgénicos con ausencia de la subunidad catalítica α de la AMPK o de la LKB1 muestran una disminución de la producción hepática de glucosa en respuesta la metformina. Estas discrepancias probablemente se deban a que en el trabajo de Shaw et al. ⁽⁴⁰⁾ se midió el efecto de la metformina sobre la glicemia en ayuna y no sobre la producción hepática de glucosa como lo hicieron Foretz, et al. ⁽⁴¹⁾. Los efectos observados por los primeros probablemente reflejan un cambio indirecto, sobre la neoglucogénesis, causado por una inhibición de la lipogénesis en respuesta a la activación de la AMPK ⁽⁴¹⁾. Es importante recordar (ver antes) que la acetil CoA carboxilasa es fosforilada e inactivada por la AMPK, con lo cual la producción de malonil CoA se reduce, el cual es un precursor para la lipogénesis y un inhibidor de la β oxidación de los ácidos grasos. Se ha demostrado que la inhibición de la acetil CoA carboxilasa incremento el efecto modulador de la metformina sobre la acción de la insulina en ratones ⁽⁴²⁾. Además se ha demostrado que la AMPK regula negativamente la actividad de múltiples genes lipogénicos ⁽³⁹⁾ y del metabolismo de carbohidratos ⁽⁴³⁾, en consecuencia aun cuando el efecto, directo de la metformina sobre la AMPK pueda no ser necesario, a la larga su participación en el efecto terapéutico de la metformina es útil ya que al disminuir la cantidad de lípidos incrementa la sensibilidad a la insulina.

Se ha sugerido que las alteraciones metabólicas producidas en el músculo esquelético por la metformina corresponden a una inactivación de la enzima AMP deaminasa ⁽⁴⁴⁾, en lugar de la inhibición del complejo I de la cadena respiratoria, lo cual también condiciona un aumento del AMP con lo cual se activaría la AMPK; sin embargo este trabajo está sujeto a controversia ya que se usó altas dosis de metformina ⁽¹⁶⁾.