Fosfoglicomutase

Unha vez que a glicóxeno fosforilase cataliza a clivaxe fosforolítica dun residuo glicosilo dun polímero de glicóxeno, a glicosa liberada ten un grupo fosfato no seu carbono 1. Esta molécula de glicosa 1-fosfato non é un intermediario metabólico útil, pero a fosfoglicomutase cataliza a conversión desta glicosa 1-fosfato a glicosa 6-fosfato (ver máis abaixo o mecanismo desta reacción).

O destino metabólico da glicosa 6-fosfato depende das necesidades da célula no momento en que se xera esta molécula. Se a célula está baixa en enerxía, entón a glicosa 6-fosfato entrará na vía glicolítica, rendendo finalmente dúas moléculas de adenosín trifosfato. Se á célula lle fan falta intermediarios biosintéticos, a glicosa 6-fosfato entrará na ruta da pentosa fosfato, onde sufrirá unha serie de reaccións para producir ribosas e/ou NADPH, dependendo ds condicións celulares.

Se está tendo lugar a glicoxenólise no fígado, a glicosa 6-fosfato pode ser convertida en glicosa polo encima glicosa 6-fosfatase; a glicosa producida no fígado libérase despois no torrente sanguíneo para o seu uso noutros órganos. As células musculares, ao contrario, non teñen o encima glicosa 6-fosfatase, así que non poden compartir os seus almacéns de glicóxeno co resto do corpo.

A fosfoglicomutase tamén actúa de maneira oposta cando os niveis de glicosa sanguíneos son altos. Neste caso, a fosfoglicomutase cataliza a conversión da glicosa 6-fosfato (que se xera doadamente a partir de glicosa por acción da hexoquinase) a glicosa 1-fosfato.

Esta glicosa 1-fosfato pode despois reaccionar co UTP para dar UDP-glicosa nunha reacción catalizada pola UDP-glicosa-pirofosforilase. Se o encima glicóxeno sintase é activado pola presenza de insulina procederá a unir a glicosa da UDP-glicosa a un polímero de glicóxeno (glicoxenoxénese).

A fosfoglicomutase intercambia un grupo fosforilo co substrato.^[1] Os experimentos de etiquetaxe isotópica confirmaron que esta reacción procede a través dun intermediario glicosa 1,6-bisfosfato.^[2]

O primeiro paso da reacción cara a adiante é a transferencia dun grupo fosforilo desde o encima á glicosa 1-fosfato, formando glicosa 1,6-bisfosfato e deixando unha forma desfosforilada do encima.^[2] Despois, o encima experimenta unha rápida reorientación difusional para posicionar axeitadamente o 1-fosfato do intermediario bisfosfato en realción ao encima desfosforilado.^[3] As relacións substrato-velocidade e os tests de transporte inducido revelaron que o encima desfosforilado facilita despois a transferencia dun grupo fosforilo do intermediario glicosa 1,6-bisfosfato ao encima, rexenerando a fosfoglicomutase fosforilada e rendendo glicosa 6-fosfato (na dirección cara a adiante da reacción).^[4][5] Estudos estruturais posteriores confirmaron que o único sitio do encima que se fosforila e desfosforila é o oxíxeno do residuo de serina do sitio activo (ver o diagrama de máis abaixo).^[6][7] Cómpre un ión metálico bivalente, usualmente magnesio ou cadmio, para a actividade encimática e observouse que forma complexo directamente co grupo fosforilo esterificado na serina do sitio activo.^[8]

 

Esta formación dun intermediario glicosa 1,6-bisfosfato é análoga á interconversión do 2-fosfoglicerato e o 3-fosfoglicerato catalizada pola fosfoglicerato mutase, na cal o 2,3-bisfosfoglicerato se xera como un intermediario.^[9]

 

Aínda que a fosfoglicomutase do músculo de coello serviu como prototipo para a maioría das dilucidacións da estrutura deste encima, novas estruturas cristalinas deste encima derivado de bacterias mostran moitas das mesmas características definitorias.^[10] Cada monómero de fosfoglicomutase pode ser dividido en catro dominios de secuencia, do I ao IV, baseándose na configuración espacial por defecto do encima (ver imaxe á dereita).^[11]

Cada monómero comprende catro unidades estruturais α/β distintas, cada unha das cales contén unha das catro febras en folla β de cada monómero e está constituído só por residuos dun dominio de secuencia dado (ver imaxe á dereita).^[11] O enterramento do sitio activo (incluíndo a Ser-116, o residuo esencial do encima que é fosforilado e desfosforilado) na parte interior hidrófoba do encima serve para excluír a auga, que podería producir unha hidrólise contraprodutiva dos enlaces fosfoéster críticos, mentres que á vez permite que o substrato acceda ao sitio activo.^[12]

O músculo humano contén dúas isocimas da fosfogliucomutase con propiedades case idénticas, chamadas PGM I e PGM II.^[13] Algunha destas formas pode perderse conxenitamente nalgunhas persoas.^[14] A deficiencia de PGM1 é coñecida como PGM1-CDG ou síndrome CDG tipo 1t (CDG1T), antes chamado enfermidade de almacenamento do glicóxeno tipo 14 (GSD XIV).^[15][16] A doenza é unha glicoxenose e un trastorno conxénito de glicosilación.^[17][18] É tamén unha miopatía metabólica e un erro conxénito do metabolismo de carbohidratos.^[19]

A deficiencia de PGM é unha condición extemadamente rara que non ten un conxunto de síntomas fisiolóxicos ben caracterizados. Esta condición pode ser detectada por un estudo in vitro da glicólise anaerobia que revela un bloqueo da ruta que leva á produción de ácido láctico despois da glicosa 1-fosfato pero antes da glicosa 6-fosfato.^[20] Hai dúas formas de PGM1-CDG: 1) exclusivamente mioxénica, e 2) multisistema (incluíndo os músculos).^[16]

A ruta habitual para a formación de glicóxeno a partir da glicosa sanguínea está bloqueada, xa que sen a fosfoglicomutase, a glicosa 6-fosfato non se pode converter en glicosa 1-fosfato. Porén, unha ruta alternativa partir da galactosa pode formar glicóxeno ao facer a conversión galactosa → galactosa 1-fosfato → glicosa 1-fosfato. Isto permite que se forme o glicóxeno, pero sen a fosfoglicomutase, a glicosa 1-fosfato non pode converterse en glicosa 6-fosfato para a glicólise. Isto causa unha acumulación anormal de glicóxeno en células musculares, observable en biopsias musculares.^[16][21]

Aínda que o fenotipo e a gravidade da doenza é moi variable, síntomas comúns son: intolerancia ao exercicio, hiperamonemia inducida polo exercicio, acumulación anormal de glicóxeno en biopsias musculares, elevada CK sérica, transferrina sérica anormal (perda de N-glicanos completos), estatura curta, padal fendido, úvula bífida, e hepatopatía.^[16][21]

O fenómeno do "segundo alento" nos esforzos físicos pode observarse nalgunhas persoas, pero non en todas, ao medir a frecuencia cardíaca mentres se están exercitando nunha fita de correr.^[16][22] No repouso, as células musculares dependen da glicosa sanguínea e ácidos graxos libres; despois do esforzo, é necesario o glicóxeno, xunto coa glicosa sanguínea e os ácidos graxos libres.^[23][24] A dependencia do glicóxeno muscular increméntase co exercicio aeróbico de maior intensidade e con todos os exercicios anaeróbicos.^[23][24]

Ao non poderse crear ATP a partir do glicóxeno muscular almacenado, durante o exercicio hai un baixo reservorio de ATP (ADP>ATP). Nesas circunstancias, increméntanse a frecuencia cardíaca e respiratoria inapropiadamente dada a intensidade do exercicio, nun intento de maximizar a subministración de oxíxeno e nutrientes enerxéticos traídos polo sangue á célula muscular. Os ácidos graos libres son o sistema bioenerxético do corpo máis lento para producir ATP por fosforilación oxidativa, aproximadamente aos 10 minutos.^[23] O alivio dos síntomas de intolerancias ao exercicio, incluíndo unha baixada da frecuencia cardíaca de polo menos 10 latexos por minuto mentres se vaia á velocidade da fita de correr, despois duns 10 minutos de exercicio aeróbico é chamado "segundo lento", no cal se está producindo un incremento de ATP a partir de ácidos graxos libres.

Outra consecuencia do baixo reservorio de ATP (ADP>ATP) durante o exercicio, debido a que non se pode producir ATP a partir do glicóxeno muscular, é o incremento do uso da reacción da mioquinase (adenilato quinase) e do ciclo dos nucleótidos púricos. A reacción da mioquinase produce AMP (2 ADP → ATP + AMP), e despois o ciclo dos nucleótidos púricos usa o AMP e produce máis AMP xunto con fumarato (o fumarato é despois convertido e produce ATP por medio da fosforilación oxidativa). O amoníaco (NH₃) é un subproduto do ciclo dos nucleótidos púricos cando o AMP se converte en IMP. Durante un test no antebrazo non isquémico, os individuos con PGM1-CDG mostran un elevado amoníaco sérico (hiperamonemia) inducido polo exercicio e un aumento normal de lactato sérico.^[16][18][19]

Estudos feitos noutras enfermidades que teñen un bloqueo glicolítico mostraron durante os tests de exercicio no antebrazo isquémicos e non isquémicos, que non só fai aumentar o amoníaco, senón que despois do exercicio, aumentan tamén a inosina, a hipoxantina e o ácido úrico séricos.^[25][26] Estes estudos apoiaron que cando se para o exercicio ou se produce ATP suficiente a partir doutros combustibles metabólicos (como os ácidos graxos libres), entón o reservorio de ATP normalízase e o AMP acumulado e outros nucleótidos convértense en nucleósidos e abandonan a célula muscular para convertérense en ácido úrico, o que se coñece como hiperuricemia mioxénica. AMP → IMP → Inosina → Hipoxantina → Xantina → Ácido úrico. Desafortunadamente, os estudos sobre PGM1-CDG soamente se testaron para o amonio sérico e o lactato, así é actualmente descoñecido se os individuos con PGM1-CDG tamén experimentan hiperuricemia mioxénica.^[16][18][19]

• PGM1, PGM2, PGM3, PGM5

• Beta-fosfoglicomutase
• Trastorno conxénito da glicosilación
• Enfermidade de almacenamento de glicóxeno
• Erros conxénitos no metabolismo de carbohidratos
• Miopatía metabólica
• Mutase
• Ciclo dos nucleótidos purínicos (ADP>ATP, AMP↑)

• Phosphoglucomutase Medical Subject Headings (MeSH) na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA.