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).
En hepatocitos aislados,
bajas dosis de metformina condicionan la formación del heterotrimero αβϒ de la
AMPK, situación en la cual la subunidad catalítica α se fosforila, activando la
enzima (45), sin embargo no
se ha podido demostrar la regulación alosterica directa de la metformina sobre
la AMPK (46). Por todo lo anterior en la actualidad se piensa
que la inhibición del complejo I de la cadena respiratoria por la metformina, y
el consecuente incremento de la relación AMP/ATP como el responsable de la
activación de la AMPK.