Glucógeno

Definición de glucógeno

El glucógeno es un polisacárido grande y ramificado que es la principal forma de almacenamiento de glucosa en animales y seres humanos. El glucógeno es un importante depósito de energía; cuando el cuerpo requiere energía, el glucógeno se descompone en glucosa, que luego ingresa a la vía glicolítica o de la pentosa fosfato o se libera en el torrente sanguíneo. El glucógeno también es una forma importante de almacenamiento de glucosa en hongos y bacterias.

Estructura del glucógeno

El glucógeno es un polímero ramificado de glucosa. Los residuos de glucosa están unidos linealmente por enlaces glicosídicos α-1,4, y aproximadamente cada diez residuos una cadena de residuos de glucosa se ramifica mediante enlaces glicosídicos α-1,6. Los enlaces α-glicosídicos dan lugar a una estructura polimérica helicoidal. El glucógeno se hidrata con tres o cuatro partes de agua y forma gránulos en el citoplasma de 10 a 40 nm de diámetro. La proteína glucogenina, que participa en la síntesis de glucógeno, se encuentra en el núcleo de cada gránulo de glucógeno. El glucógeno es un análogo del almidón, que es la principal forma de almacenamiento de glucosa en la mayoría de las plantas, pero el almidón tiene menos ramas y es menos compacto que el glucógeno.


Esta figura muestra la estructura del glucógeno. Los círculos verdes representan enlaces α-1,6 en los puntos de ramificación y los círculos rojos representan los extremos no reductores de la cadena.

Función de glucógeno

En animales y humanos, el glucógeno se encuentra principalmente en las células musculares y hepáticas. El glucógeno se sintetiza a partir de glucosa cuando la sangre los niveles de glucosa son elevados, y sirve como una fuente de glucosa para los tejidos de todo el cuerpo cuando los niveles de glucosa en sangre disminuyen.

Celulas hepáticas

El glucógeno constituye del 6 al 10% del peso del hígado. Cuando se ingieren alimentos, los niveles de glucosa en sangre aumentan y la insulina liberada del páncreas promueve la absorción de glucosa en las células del hígado. La insulina también activa enzimas involucradas en la síntesis de glucógeno, como la glucógeno sintasa. Mientras que los niveles de glucosa e insulina son suficientemente altos, las cadenas de glucógeno se alargan mediante la adición de moléculas de glucosa, un proceso denominado gluconeogénesis. A medida que disminuyen los niveles de glucosa e insulina, cesa la síntesis de glucógeno. 

Cuando los niveles de glucosa en sangre caen por debajo de cierto nivel, el glucagón liberado del páncreas envía señales a las células del hígado para que descompongan el glucógeno. El glucógeno se degrada mediante glucogenólisis en glucosa-1-fosfato, que se convierte en glucosa y se libera en el torrente sanguíneo. Por lo tanto, el glucógeno actúa como el principal amortiguador de los niveles de glucosa en sangre al almacenar glucosa cuando los niveles son altos y liberar glucosa cuando los niveles son bajos. La degradación del glucógeno en el hígado es fundamental para suministrar glucosa y satisfacer las necesidades energéticas del cuerpo. Además del glucagón, el cortisol, la epinefrina y la norepinefrina también estimulan la degradación del glucógeno.

Células musculares

A diferencia de las células del hígado, el glucógeno solo representa el 1-2% del peso del músculo. Sin embargo, dada la mayor masa muscular del cuerpo, la cantidad total de glucógeno almacenado en el músculo es mayor que la almacenada en el hígado. El músculo también se diferencia del hígado en que el glucógeno del músculo solo proporciona glucosa a la propia célula muscular. Las células musculares no expresan la enzima glucosa-6-fosfatasa, que es necesaria para liberar glucosa al torrente sanguíneo. La glucosa-1-fosfato que se produce a partir de la degradación del glucógeno en las fibras musculares se convierte en glucosa-6-fosfato y proporciona energía al músculo durante una sesión de ejercicio o en respuesta al estrés, como en la respuesta de lucha o huida.

Otros tejidos

Además del hígado y los músculos, el glucógeno se encuentra en cantidades más pequeñas en otros tejidos, incluidos los glóbulos rojos, los glóbulos blancos, las células renales y algunas células gliales. Además, el glucógeno se utiliza para almacenar glucosa en el útero para satisfacer las necesidades energéticas del embrión.

Hongos y bacterias

Los microorganismos poseen mecanismos para almacenar energía para hacer frente en caso de recursos ambientales limitados, y el glucógeno representa una forma principal de almacenamiento de energía. La limitación de nutrientes (niveles bajos de carbono, fósforo, nitrógeno o azufre) puede estimular la formación de glucógeno en la levadura, mientras que las bacterias sintetizan glucógeno en respuesta a fuentes de energía de carbono fácilmente disponibles con limitación de otros nutrientes. El crecimiento bacteriano y la esporulación de levaduras también se han asociado con la acumulación de glucógeno.

Metabolismo del glucógeno

La homeostasis del glucógeno es un proceso altamente regulado que permite al cuerpo almacenar o liberar glucosa dependiendo de sus necesidades energéticas. Los pasos básicos en el metabolismo de la glucosa son la glucogénesis o síntesis de glucógeno y la glucogenólisis o degradación del glucógeno.

Glucogénesis

La síntesis de glucógeno requiere energía, que es suministrada por el trifosfato de uridina (UTP). Las hexocinasas o glucocinasa primero fosforilan la glucosa libre para formar glucosa-6-fosfato, que se convierte en glucosa-1-fosfato por la fosfoglucomutasa. La UTP-glucosa-1-fosfato uridililtransferasa luego cataliza la activación de la glucosa, en la que la UTP y la glucosa-1-fosfato reaccionan para formar UDP-glucosa. En la síntesis de novo de glucógeno, la proteína glucogenina cataliza la unión de UDP-glucosa a sí misma. La glucogenina es un homodímero que contiene un residuo de tirosina en cada subunidad que sirve como ancla o punto de unión para la glucosa. Posteriormente se añaden moléculas de glucosa adicionales al extremo reductor de la molécula de glucosa anterior.para formar una cadena de aproximadamente ocho moléculas de glucosa. La glucógeno sintasa luego extiende la cadena al agregar glucosa a través de enlaces glicosídicos α-1,4.

La ramificación es catalizada por la amilo- (1,4 a 1,6) -transglucosidasa, también llamada enzima ramificadora del glucógeno. La enzima ramificadora de glucógeno transfiere un fragmento de seis a siete moléculas de glucosa desde el final de una cadena al C6 de una molécula de glucosa ubicada más dentro de la molécula de glucógeno, formando enlaces glicosídicos α-1,6.

Glucogenólisis

La glucosa se elimina del glucógeno mediante la glucógeno fosforilasa, que elimina fosforolíticamente una molécula de glucosa del extremo no reductor, produciendo glucosa-1-fosfato. La glucosa-1-fosfato generada por la descomposición del glucógeno se convierte en glucosa-6-fosfato, un proceso que requiere la enzima fosfoglucomutasa. La fosfoglucomutasa transfiere un grupo fosfato de un residuo de serina fosforilado dentro del sitio activo al C6 de glucosa-1-fosfato, produciendo glucosa-1,6-bisfosfato. La glucosa C1 fosfato se une luego al sitio activo serina dentro de la fosfoglucomutasa y se libera glucosa-6-fosfato.

La glucógeno fosforilasa no puede escindir la glucosa de los puntos de ramificación; la desramificación requiere amilo-1,6-glucosidasa, 4-α-glucanotransferasa o enzima desramificante de glucógeno (GDE), que tiene actividades glucotransferasa y glucosidasa. Aproximadamente a cuatro residuos de un punto de ramificación, la glucógeno fosforilasa no puede eliminar los residuos de glucosa. GDE escinde los tres residuos finales de una rama y los une al C4 de una molécula de glucosa al final de una rama diferente, luego elimina el residuo de glucosa final unido a α-1,6 del punto de la rama. La GDE no elimina la glucosa unida a α-1,6 del punto de ramificación fosforitivamente, lo que significa que se libera glucosa libre. En teoría, esta glucosa libre podría liberarse del músculo al torrente sanguíneo sin la acción de la glucosa-6-fosfatasa; sin embargo, esta glucosa libre es fosforilada rápidamente por la hexoquinasa,

La glucosa-6-fosfato resultante de la descomposición del glucógeno puede convertirse en glucosa por la acción de la glucosa-6-fosfatasa y liberarse al torrente sanguíneo. Esto ocurre en el hígado, intestino y riñón, pero no en el músculo, donde esta enzima está ausente. En el músculo, la glucosa-6-fosfato ingresa a la vía glucolítica y proporciona energía a la célula. La glucosa-6-fosfato también puede entrar en la vía de las pentosas fosfato, lo que da como resultado la producción de NADPH y azúcares de cinco carbonos.

Ejercicio y agotamiento del glucógeno

En el ejercicio de resistencia, los atletas pueden sufrir un agotamiento del glucógeno, en el que la mayor parte del glucógeno se agota del músculo. Esto puede resultar en fatiga severa y dificultad para moverse. El agotamiento de glucógeno se puede mitigar consumiendo continuamente carbohidratos con un índice glucémico alto (alta tasa de conversión a glucosa en sangre) durante el ejercicio, que reemplazará parte de la glucosa que se usa durante el ejercicio. También se pueden emplear regímenes de ejercicio especializados que acondicionan el músculo para utilizar los ácidos grasos como fuente de energía a un ritmo mayor, descomponiendo así menos glucógeno. Los atletas también pueden utilizar la carga de carbohidratos, el consumo de grandes cantidades de carbohidratos, para aumentar la capacidad de almacenamiento de glucógeno.

Ejemplos de enfermedades por almacenamiento de glucógeno

Hay dos categorías principales de enfermedades por almacenamiento de glucógeno: las resultantes de una homeostasis defectuosa del glucógeno en el hígado y las resultantes de una homeostasis defectuosa del glucógeno en el músculo. Las enfermedades que resultan de un almacenamiento defectuoso de glucógeno en el hígado generalmente causan hepatomegalia (agrandamiento del hígado), hipoglucemia y cirrosis (cicatrización del hígado). Las enfermedades que resultan de un almacenamiento defectuoso de glucógeno muscular generalmente causan miopatías y deterioro metabólico. Ejemplos de enfermedades por almacenamiento de glucógeno incluyen la enfermedad de Pompe, la enfermedad de McArdle y la enfermedad de Andersen.

Enfermedad de Pompe

La enfermedad de Pompe es causada por mutaciones en el gen GAA, que codifica la α-glucosidasa ácida lisosómica, también conocida como maltasa ácida, y afecta al músculo esquelético y cardíaco. La maltasa ácida participa en la degradación del glucógeno y las mutaciones que causan enfermedades dan como resultado la acumulación perjudicial de glucógeno en la célula. Hay tres tipos de enfermedad de Pompe: la forma adulta, la forma juvenil y la forma infantil, que son progresivamente más graves. La forma infantil conduce a la muerte entre uno y dos años de edad si no se trata.

Enfermedad de McArdle

La enfermedad de McArdle está causada por mutaciones en el gen PYGM, que codifica la miofosforilasa, la isoforma de glucógeno fosforilasa presente en el músculo. Los síntomas a menudo se observan en los niños, pero es posible que la enfermedad no se diagnostique hasta la edad adulta. Los síntomas incluyen dolor muscular y fatiga, y la enfermedad puede poner en peligro la vida si no se trata adecuadamente.

Enfermedad de Andersen

La enfermedad de Andersen es causada por una mutación en el gen GBE1, que codifica la enzima ramificadora del glucógeno y afecta al músculo y al hígado. Los síntomas generalmente se observan a los pocos meses de edad e incluyen retraso en el crecimiento, agrandamiento del hígado y cirrosis. Las complicaciones de la enfermedad pueden poner en peligro la vida.