El papel de la AMPK en el organismo, su activación durante el ejercicio y su potencial como modelo para el desarrollo de fármacos miméticos en el tratamiento de la diabetes mellitus tipo II

    ESPACIO ACADÉMICO ESTUDIANTIL

    El papel de la AMPK en el organismo, su activación durante el ejercicio y su potencial como modelo para el desarrollo de fármacos miméticos en el tratamiento de la diabetes mellitus tipo II

    AMPK role in the organism, it’s activation during exercise and it’s potential as a model for the development of mimetic drugs in the treatment of type II diabetes mellitus

    C. M. Ortiz-Vilchisa,*

     

     

     

     

    Recibido: 04 de diciembre de 2015

    Aceptado: 04 de abril de 2016

    Handle: http://ri.uaemex.mx/handle/20.500.11799/66662

     

    PALABRAS CLAVE

    Diabetes; AMPK; Molecular; Compuesto 14; Mimético; Ejercicio; Metformina; Diabetes mellitus tipo II; Insulina; PPRAy; Hiperinsulinemia; MAP/ERK; PI-3K; LKB1; IRS1; GLUT4; PFKL; ZMP; Endurobol; AICAR.

    RESUMEN

    La AMPK es una enzima heretotrimérica que cumple un papel clave en la regulación de vías catabólicas durante el estrés celular. El mecanismo de activación de la enzima AMPK en los tejidos toma lugar en diferentes condiciones fisiológicas, situaciones de ayuno prolongado y ardua actividad física. Su estimulación es principalmente desencadenada por un incremento en el índice de AMP: ATP, que es esencialmente un indicador de inanición celular, ello se traduce con la activación de vías catabólicas (aumentando la producción de ATP), a mencionar, el transporte de glucosa, la glucólisis y la β-oxidación de los ácidos grasos; en paralelo desactivando o limitando vías anabólicas, como la síntesis de proteínas y la gluconeogénesis. La metformina, fármaco de primera línea usado para el tratamiento de la enfermedad diabética, cuyo mecanismo de acción se mantuvo en el misterio hasta hace poco, activa AMPK al incrementar la concentración de AMP citosólico, lo cual ha llevado al concepto de que la AMPK posee un potencial farmacéutico importante para el tratamiento de pacientes con resistencia a la insulina (como en la diabetes tipo 2) y es de hecho, el objetivo de los medicamentos existentes y las hormonas que mejoran la sensibilidad a la insulina.

    a Universidad Autónoma del Estado de México, Toluca, México.

    * Autor para correspondencia: Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo. (Ortiz-Vilchis).

    KEYWORDS:

    Diabetes; AMPK; molecular; compound 14; mimetic; exercise; metformin; type II diabetes; insulin; PPRAy; hyperinsulinemia; MAP/ERK; PI-3K; LKB1; IRS1; GLUT4; PFKL; ZMP; endurobol; AICAR.

    ABSTRACT

    AMPK is a heterotrimeric enzyme that plays a key role in the regulation of many catabolic pathways during cellular stress. The mechanism of activation of the enzyme AMPK in the tissues takes place at different physiologic conditions, starvation situations and intensive physical activity. Its stimulation is mainly triggered by an increase in the AMP: ATP ratio, which is essentially an indicator of cellular starvation, this translates in the activation of catabolic pathways (increasing ATP production), to mention, the transport of glucose, glycolysis and the β-oxidation of fatty acids; in parallel deactivating or limiting anabolic pathways, like protein synthesis and gluconeogenesis. Metformin, the first line drug used for the treatment of diabetic disease, which mechanism of action was maintained in the mystery up until lately, activates AMPK by increasing cytosolic AMP concentration. This has led to the concept that AMPK possesses the important pharmaceutic potential for the treatment of patients with insulin resistance (like in type II diabetes) an it’s in fact, the objective of existent drugs and hormones that enhance insulin sensibility.

    INTRODUCCIÓN

    La diabetes mellitus es una enfermedad que afecta aproximadamente a 390 millones de personas globalmente, la Federación Internacional de Diabetes FID estima que esta cifra incremente 50% en 20351 .Esta enfermedad resulta en la falla de la glucosa de alcanzar el interior de la célula para procesarse como energía, comúnmente ésta se encuentra en 2 formas cercanamente vinculadas por estados hiperglicemicos2 ; la diabetes tipo 1 (DM1), donde el páncreas cesa de producir insulina, hormona responsable de desencadenar la captación celular de glucosa y la diabetes tipo 2 (DM2) en la cual el problema reside en la insensibilidad de las células del organismo a la presencia de insulina. La DM1 es causada comúnmente por una respuesta autoinmune, la DM2 es generalmente, pero no siempre, causada por una dieta nutricionalmente pobre, cuya consecuencia es la obesidad3 .

    La insulina exógena es requerida para el control de la DM1, mientras que la medicación de la DM2 se centra en fármacos que sirvan para decremento de la glucemia, aumentando su captación celular3 . Aproximadamente dos tercios de quienes padecen DM2 son indicados con la administración de al menos un fármaco, siendo la mayor parte de las veces la metformina4 , ésta reduce la producción de glucosa en el hígado, proceso regulado al alza en la diabetes, primariamente como una repuesta a los niveles intracelulares bajos de glucosa5 . Otros mecanismos de la metformina, como el incremento en la captación de azucares sanguíneos, no se comprenden totalmente6 , sin embargo, el más favorecido por teóricos es el incremento en la activación de la proteín quinasa activada por AMP (AMPK), es importante mencionar que existen evidencias que apoyan el trasfondo teórico7 .

    La formación de adenosina trifosfato (ATP) es la meta final de todo sistema energético orgánico, traduciéndose en la degradación de esta molécula que permite al organismo funcionar. La ATP es eventualmente separada a ADP, y posteriormente a AMP (adenosina difosfato y monofosfato, respectivamente) antes de ser refosforilado de vuelta a ATP.

    La AMPK es una enzima heterotrimerica formada por una subunidad α, β, y γ; cada una de estas subunidades juega un papel específico tanto en la estabilidad como en la actividad de la AMPK8 . Además su participación es clave en la regulación de procesos catabólicos, (producción de energía), incluyendo la captación celular de glucosa. La activación de AMPK es primariamente desencadenada por el incremento en el índice AMP: ATP, que es esencial como indicador de la inanición celular, detectada específicamente por la subunidad γ que incluye 4 dominios particulares de cistation beta sintasa (CBS), dando a la AMPK sensibilidad a los cambios al alza de la concentración citosólica de AMP9 . La metformina, fármaco de primera línea usado para el tratamiento de la enfermedad diabética, cuyo mecanismo de acción se mantuvo en el misterio hasta hace poco, activa AMPK al incrementar la concentración de AMP citosólico10.

    LA PATOLOGÍA DE LA DIABETES

    La diabetes mellitus tipo 2 es causada por una combinación de resistencia periférica a la acción de la insulina y una inadecuada respuesta secretora por las células beta pancreáticas (deficiencia relativa de insulina). Aproximadamente entre 90% y 95% de los pacientes diabéticos presentan este tipo 2 de la enfermedad; la mayoría presentan sobrepeso (índice de masa corporal superior a 24.99). Aunque esta enfermedad se considera clásicamente de inicio adulto la prevalencia de diabetes tipo 2 en niños y adolescentes ha ido en incremento debido a los altos índices de obesidad entre niños y adolescentes de 5 a 20 años de edad11.

    La diabetes mellitus no es sólo una enfermedad, sino una constelación de desórdenes metabólicos cuya característica común es la hiperglicemia, ésta resulta de defectos en la secreción de insulina, la acción de la insulina o ambas. La hiperglicemia crónica y la desregulación metabólica de la diabetes mellitus pueden estar asociadas con daños secundarios a múltiples sistemas orgánicos, especialmente en riñones, ojos, nervios y vasos sanguíneos, siendo la principal causa de la nefropatía terminal, ceguera en edad adulta, y amputaciones no traumáticas de extremidades12.

    Diagnóstico

    Los niveles de glucosa sanguínea normalmente son mantenidos en un rango muy estrecho, usualmente de 79-120 mg/dL. El diagnóstico de la diabetes es establecido por la elevación en la glucosa sanguínea, medida por uno de los siguientes 3 criterios:

     

     

     

     

     

     

     

    Las personas con tolerancia disfuncional a la glucosa tienen mayor riesgo de sufrir diabetes franca si no son tratadas adecuadamente, entre 5% y 10% desarrollan enfermedades secundarias a la diabetes (retinopatía, nefropatía o neuropatía) en un periodo mínimo de 10 años. Asimismo el riesgo cardiovascular específico aumenta, lo cual predispone de manera marcada al desarrollo de ateroesclerosis, como consecuencia del metabolismo anormal de carbohidratos y la coexistencia de manifestaciones acompañantes al síndrome metabólico, como son la presencia de dislipidemias14.

    Base molecular de la resistencia a la insulina

    La resistencia a la insulina es definida como la falla en la respuesta de los tejidos del organismo para responder a las funciones de ésta, lo cual genera decremento en la captación de la glucosa en el musculo, reducida glucolisis y oxidación de ácidos grasos en el hígado e inhabilidad de suprimir la gluconeogénesis hepática.

    La explicación más aceptada para esta deficiencia es la incapacidad de translocación normal de los transportadores GLUT4 (Figura 1) a la membrana celular, especialmente presentes en el musculo esquelético y tejido adiposo, debido a un defecto en la vía de señalización la insulina mediada por receptores de tipo tirosina quinasa15.

    Una variedad de defectos funcionales ha sido reportada en las vías de señalización de la insulina en estados de resistencia a ésta (por ejemplo, la reducción en la fosforilación dependiente de la activación del receptor de insulina y la cascada de señalización de la misma), ello atenúa la transducción de señales. Ciertos factores como la obesidad juegan un papel importante en el desarrollo de la resistencia a la insulina16.

     

     

     

     

     

     

     

    Particularmente, en la obesidad el tejido adiposo no es únicamente un medio de almacenaje pasivo de grasa; éste puede operar como un órgano endocrino funcional, liberando adipociras en respuesta a estimulo extracelular o cambios en el estado metabólico. Estas adipocinas son citosinas especializadas que permiten la liberación concomitante de mediadores inflamatorios y a su vez potencian la inhibición de vías de señalización para la sensibilización de insulina en los tejidos periféricos del organismo17.

    El papel del exceso de ácidos grasos libres (FFAs)

    Estudios de cohorte han demostrado correlación inversa entre los ácidos grasos libres (FFAs) durante el ayuno y la sensibilidad a la insulina. El nivel de triglicéridos intracelulares usualmente esta incrementado en el músculo y tejidos hepáticos de personas obesas debido a que el exceso de FFAs se encuentra depositado en estos órganos.

    Los triglicéridos intracelulares y productos del metabolismo de ácidos grasos son potentes inhibidores de la señalización de insulina y resultante en un estado adquirido de resistencia a ésta. Los efectos lipotóxicos de los FFAs son mediados a través del decremento en la actividad clave de proteínas señalizadoras de la insulina18.

    Papel de la inflamación

    En los últimos años, la inflamación ha surgido como una variable importante en la patogénesis de la diabetes mellitus tipo 2. Actualmente, esta inflamación permisiva (no mediada de manera autoinmune como la diabetes tipo 1 sino más bien por citosinas proinflamatorias que son secretadas en respuesta a nutrientes en exceso como los FFAs) resulta tanto en resistencia periférica a la insulina como en disfunción de células beta pancreatinas.

    El exceso de FFAs dentro de los macrófagos y células beta pancreáticas puede activar el denominado inflamasoma, un complejo multiproteico citoplasmático que lleva a cabo la secreción de la citosina interleucina IL-1β (figura 2), la cual media la secreción de citosinas pro-inflamatorias adicionales desde los macrófagos, islotes pancreáticos, y otras células que son liberadas a la circulación y actúan en los sitios principales de acción de la insulina para promover la resistencia del tejido a ésta19. Por lo tanto, el exceso de FFAs puede impedir la señalización de la insulina directamente en los tejidos periféricos, así como indirectamente a través de la liberación de citosinas inflamatorias. Con base en esta premisa se justifica el uso de fármacos antagonistas de la IL-1β.

    Acción de la AMPK en el organismo

    La AMPK actúa como un interruptor metabólico maestro, regula diversos sistemas intracelulares, incluyendo la captación de glucosa, beta oxidación de ácidos grasos y la biogénesis del transportador de glucosa 4 (GLUT4), así como el mantenimiento de la mitocondria. (Figura 3)

     

     

     

     

     

     

     

     

    La capacidad energética sensitiva de la AMPK puede atribuirse a su habilidad para detectar las fluctuaciones en el índice AMP: ATP que toman lugar durante el descanso y ejercicio (implicando una estimulación del musculo esquelético).

    Durante esta estimulación el AMP citsolico incrementa, mientras el ATP disminuye, permitiendo el cambio al alza de la AMPK como buen sustrato para su activación vía un complejo en cascada de quinasas, los niveles elevados de AMP mantienen activada a la AMPK por una fosforilación en su unidad de treonina 172 (unidad que es inactivada por la fosforilación dada por la enzima 2Calpha)20. El complejo enzimático de la AMPK está conformado por 3 proteínas: adaptador relacionado a STE, proteína MO25 y LKB1 (quinasa serina/treoinina).

    Durante el ejercicio físico extenuante la actividad de la AMPK incrementa y la célula muscular experimenta estrés metabólico originado por una demanda extrema de ATP. Posterior activación, la AMPK incrementa los niveles de energía celular al inhibir vías anabólicas consumidoras de energía (síntesis de ácidos grasos, síntesis de proteína, etc.) mientras que se estimulan vías catabólicas productoras de energía (oxidación de ácidos grasos, transporte de glucosa, etc.).

    Varias adaptaciones bioquímicas del músculo esquelético que toman lugar durante un episodio de ejercicio o una extendida duración de entrenamiento, como el incremento en la biogénesis y capacidad mitocondrial,incremento en el glucógeno muscular e incremento en las enzimas que se especializan en la captación de glucosa en las células como GLUT4 y hexoquinasa II son mediadas en parte por el complejo de la AMPK activado21.

    El efecto en cadena comienza con la mejora en la expresión de IRS1 (receptor del sustrato de insulina 1) en la membrana celular permitiendo sensibilizarla a las acciones de la insulina, ésta desencadena la vía MAP quinasa encargada de la expresión de la quinasa LKB1 (supresor tumoral) que inactiva vías anabólicas en la célula; en paralelo, la activación de la vía fosfoinositol 3-quinasa (PI-3K) promueve la expresión de la enzima hexoquinasa II (encargada de la conversión de glucosa a glucosa 6 fosfato) y de la enzima PFKL (fosfofructoquinasa de tipo hepática, encargada de la transformación de fructosa 6 fosfato a fructosa 1, 6 bifosfato, elemental durante la glucóolisis)22.

    Una de las más importantes funciones de la vía PI3K es la biosíntesis y translocación de transportadores GLUT4 a la membrana de células musculares y tejido adiposo, permitiendo mejorar enormemente la captación de glucosa al interior de éstas: 

     

     

     

     

     

     

     

    Tomando en cuenta esta cadena de adaptación celular podemos observar la gestión de la AMPK como interruptor en la redirección de vías metabólicas celulares en preferencia de procesos catabólicos durante estados de estrés, mejorando la posibilidad de supervivencia de la célula y el aprovechamiento íntegro de sus nutrientes en reserva23.

    Siendo uno de los recursos más importantes del organismo durante el ejercicio, la isquemia y la enfermedad diabética para compensar, tanto la demanda extrema de nutrientes en los tejidos metabólicamente activos como durante los estados de estrés celular, mediados por inanición celular derivada de la falta de captación de nutrientes por éstas.

    Acción de la AMPK sobre la mitocondria

    Las enzimas mitocondriales (citocromo c, succinato deshidrogenasa, malato deshidrogenasa, alpha-cetogluarato deshidrogenasa y citrato sintasa) incrementan su expresión y actividad en respuesta al ejercicio. Experimentos con análogos de la AMPK llamados AICAR (ribonucleotido aminoimidazole-4-carboxamida) incrementan la sintasa de citocromo c y la sintasa de δ-aminolevulinato (ALAS), enzima limitante involucrada en la producción del grupo hemo.

    La malato deshidrogenasa y la succinato deshidrogenasa también incrementan, así como la actividad de la citrato sintasa, mejorando ampliamente la reducción de NAD+a NADH y el funcionamiento de la cadena de transporte de electrones y el ciclo de Krebs, previendo en la célula niveles energéticos adecuados que permitan su funcionamiento. El coactivador del receptor gama activado por el proliferador de peroxisoma (PGC-1a) es un regulador transcripcional para genes involucrados en la biogénesis mitocondrial, la oxidación de ácidos grasos y la gluconeogénesis24. Este receptor gama activado por el proliferador de peroxisomas (PPARy) es un receptor nuclear y factor transcripcional expresado en el tejido adiposo, cumpliendo un papel seminal en la diferenciación de los adipocitos.

    Una clase de medicaciones antidiabéticas, conocidas como tiazolidinedionas, actúan como ligandos agonistas para PPARy, mejoran la sensibilidad a la insulina y enriquecen la biogénesis de IRS1. La activación de PPARy promueve la secreción de adipocinas antihiperglicemicas, como la adiponectina, cambiando la deposición de ácidos grasos libres al tejido adiposo en una conforEl papel de la AMPK en el organismo, su activación durante el ejercicio y su potencial como modelo para el desarrollo de fármacos miméticos en el tratamiento de la diabetes mellitus tipo II C. M. Ortiz-Vilchis mación de tejido adiposo café (calorigenico) de rápida metabolización, manteniendo a los ácidos grasos libres lejos del hígado y tejido muscular esquelético; este efecto se manifiesta en el mantenimiento de la euglicemia y evitando la acumulación de tejido adiposo que pueda llevar a la obesidad25.

    Fármacos miméticos de procesos de estrés celular

    La metformina decrementa la hiperglicemia primariamente al suprimir la producción de glucosa por el hígado (gluconeogenesis hepatica). La persona promedio con diabetes mellitus tipo 2 tiene 3 veces más el índice normal de gluconeogénesis; el tratamiento con metformina reduce este índice en periodos de uso prolongado.

    El mecanismo molecular de la metformina no era conocido hasta hace poco: la inhibición de la cadena respiratoria mitocondrial (complejo I), la activación de la AMPK, la inhibición de la elevación de AMP cíclico (AMPc) inducida por glucagón y la consecuente inactivación de la proteína quinasa A (PKA), la inhibición de la glicerolfosfato deshidrogenasa y un efecto en la microbionta intestinal se han propuesto como mecanismo potencial6 .

    La metformina entra a la célula por medio del canal SLC22A1, al inhibir el complejo I en la cadena respiratoria mitocondrial se imposibilita la producción normal de ATP para disposición de la célula, lo cual incrementa la concentración de AMP citosolico. El AMP celular incrementado en parte promueve la inhibición del incremento de AMP cíclico inducido por glucagón y por ende la activación de la PKA, dependiente de la actividad de la adenilato ciclasa. (Figura 5)

     

     

     

     

     

     

     

    Como consecuencia, se promueven los mecanismos antes explicados de la AMPK; la metformina y otros biaguanidos antagonizan la acción del glucagón, reduciendo los niveles de glucosa durante el ayuno, concomitante existe un incremento en la secreción de péptido similar a glucagón 1, el cual modifica la microbionta intestinal mejorando la captación de glucosa en está restringiendo su entrada al organismo26. Estos efectos en conjunto denotan la característica pérdida de peso del diabético bajo tratamiento farmacológico.

    CONCLUSIÓN

    Diversos estudios han demostrado que el ejercicio induce la activación del AMPK en sujetos diabéticos y no diabéticos. Conociendo el funcionamiento del AMPK podemos decir que el ejercicio solo es la mejor forma de prevenir la progresión de enfermedades como la diabetes y limitar sus asociaciones; las posibilidades de combinar medicamentos como la metformina con regímenes de ejercicio han demostrado un completo éxito en la mejora de la calidad de vida. Si algo es cierto es que ningún tratamiento farmacológico es satisfactorio si este no toma en cuenta la integridad del paciente y su entorno, desde el tipo de alimentación hasta la cantidad de actividad física que realice diariamente, sin olvidar la evaluación del tratamiento a largo plazo permitiendo confirmar su índice de efectividad en la patología determinada del paciente.

    Probablemente en los próximos años el desarrollo de nuevos medicamentos antidiabéticos sea una realidad, los cuales se caracterizarán por mecanismos de acción dirigidos específicamente a las subunidades determinantes de la activación de moléculas como la AMPK, sin dañar los complejos enzimáticos y energéticos de la célula que predispongan a simular situaciones de emergencia que formen a la célula a un estrés innecesario, como tiende a realizarlo la metformina. El desarrollo de un fármaco que logre englobar las acciones de los mencionados en este artículo sería un eficiente progreso en el tratamiento y mejoramiento de la calidad de vida de los pacientes diabéticos, limitando los efectos secundarios que los regímenes farmacológicos puedan causar actualmente.

    Financiación

    No se recibió patrocinio para llevar a cabo este artículo.

    Conflicto de intereses

    El autor declara no tener conflicto de intereses.

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