La enzima glucosa 6-fosfatasa (EC 3.1.3.9, G6Pasa ; nombre sistemático D- glucosa-6-fosfato fosfohidrolasa ) cataliza la hidrólisis de la glucosa 6-fosfato , lo que da como resultado la creación de un grupo fosfato y glucosa libre:
Luego, la glucosa se exporta desde la célula a través de proteínas de membrana transportadoras de glucosa . [1] Esta catálisis completa el paso final de la gluconeogénesis y, por lo tanto, desempeña un papel clave en la regulación homeostática de los niveles de glucosa en sangre. [2]
La glucosa 6-fosfatasa es un complejo de proteínas de múltiples componentes, incluidos transportadores de G6P, glucosa y fosfato. La función principal de la fosfatasa la realiza la subunidad catalítica de la glucosa 6-fosfatasa. En humanos, existen tres isoenzimas de la subunidad catalítica: glucosa 6-fosfatasa-α, codificada por G6PC ; IGRP, codificado por G6PC2 ; y glucosa 6-fosfatasa-β, codificada por G6PC3 . [3]
La glucosa 6-fosfatasa-α y la glucosa 6-fosfatasa-β son fosfohidrolasas funcionales y tienen una estructura de sitio activo, topología, mecanismo de acción y propiedades cinéticas similares con respecto a la hidrólisis de G6P. [4] Por el contrario, IGRP casi no tiene actividad hidrolasa y puede desempeñar un papel diferente en la estimulación de la secreción de insulina pancreática. [5]
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Aunque no se ha llegado a un consenso claro, un gran número de científicos se adhieren a un modelo de transporte de sustrato para explicar las propiedades catalíticas de la glucosa 6-fosfatasa. En este modelo, la glucosa 6-fosfatasa tiene un bajo grado de selectividad. La transferencia de la glucosa 6-fosfato se realiza mediante una proteína transportadora (T1) y el retículo endoplásmico (RE) contiene estructuras que permiten la salida del grupo fosfato (T2) y de la glucosa (T3). [6]
La glucosa 6-fosfatasa consta de 357 aminoácidos y está anclada al retículo endoplásmico (RE) mediante nueve hélices transmembrana. Su N -terminal y su sitio activo se encuentran en el lado de la luz del RE y su C -terminal se proyecta hacia el citoplasma. Debido a su estrecha asociación con el RE, la estructura exacta de la glucosa 6-fosfatasa sigue siendo desconocida. Sin embargo, la alineación de secuencias ha demostrado que la glucosa 6-fosfatasa es estructuralmente similar al sitio activo de la cloroperoxidasa que contiene vanadio que se encuentra en Curvularia inaequalis. [7]
Con base en estudios cinéticos de pH de la catálisis de la glucosa 6-fosfatasa-α, se propuso que la hidrólisis de la glucosa 6-fosfato se completara mediante un intermediario covalente de fosfohistidina glucosa 6-fosfato. El sitio activo de la glucosa 6-fosfatasa-α se identificó inicialmente por la presencia de un motivo característico de fosfato conservado que generalmente se encuentra en las lípidos fosfatasas, las fosfatasas ácidas y las haloperoxidasas de vanadio. [4]
Los residuos esenciales en el sitio activo de las haloperoxidasas de vanadio incluyen: Lys353, Arg360, Arg490, His404 e His496. Los residuos correspondientes en el sitio activo de la glucosa 6-fosfatasa-α incluyen Arg170 y Arg83, que donan iones de hidrógeno al fosfato, estabilizando el estado de transición, His119, que proporciona un protón al oxígeno desfosforilado unido a la glucosa, e His176, que completa un ataque nucleofílico al fosfato para formar un intermedio de enzima fosforilo unido covalentemente. [1] Dentro de la cloroperoxidasa que contiene vanadio, se descubrió que Lys353 estabiliza el fosfato en el estado de transición. Sin embargo, el residuo correspondiente en la glucosa 6-fosfatasa-α (Lys76) reside dentro de la membrana del RE y su función, si la hay, actualmente no está determinada. Con la excepción de Lys76, todos estos residuos están ubicados en el lado luminal de la membrana del RE. [4]
La glucosa 6-fosfatasa-β es una proteína de membrana de 346 aminoácidos expresada de forma ubicua que comparte un 36% de identidad de secuencia con la glucosa 6-fosfatasa-α. Dentro de la enzima glucosa 6-fosfatasa-β, las alineaciones de secuencias predicen que su sitio activo contiene His167, His114 y Arg79. Similar al sitio activo de la glucosa 6-fosfatasa-α, His167 es el residuo que proporciona el ataque nucleofílico, y His114 y Arg79 son los donantes de hidrógeno. La glucosa 6-fosfatasa-β también se localiza en la membrana del RE, aunque se desconoce su orientación. [4]
La hidrólisis de la glucosa 6-fosfato comienza con un ataque nucleofílico al fosfato unido al azúcar por parte de His176, lo que resulta en la formación de un enlace fosfohistidina y la degradación de un carbonilo. Un oxígeno cargado negativamente transfiere sus electrones reformando un carbonilo y rompiendo su enlace con la glucosa. El oxígeno unido a la glucosa con carga negativa es luego protonado por His119 formando una glucosa libre. El fosfointermedio producido por la reacción entre His176 y el grupo fosfato se rompe mediante un ataque hidrófilo; Después de la adición de otro hidróxido y la descomposición de un carbonilo, el carbonilo se reforma liberando los electrones originalmente donados por el residuo His176, creando así un grupo fosfato libre y completando la hidrólisis. [1]
Los genes que codifican la enzima se expresan principalmente en el hígado, en la corteza renal y (en menor medida) en las células β de los islotes pancreáticos y en la mucosa intestinal (especialmente en tiempos de inanición). [6] Según Surholt y Newsholme, la glucosa 6-fosfatasa está presente en una amplia variedad de músculos en todo el reino animal, aunque en concentraciones muy bajas. [8] Por lo tanto, el glucógeno que almacenan los músculos generalmente no está disponible para el resto de las células del cuerpo porque la glucosa 6-fosfato no puede cruzar el sarcolema a menos que esté desfosforilada. La enzima juega un papel importante durante los períodos de ayuno y cuando los niveles de glucosa son bajos. Se ha demostrado que el hambre y la diabetes inducen un aumento de dos a tres veces en la actividad de la glucosa 6-fosfatasa en el hígado. [6] La actividad de Glc 6-Pase también aumenta dramáticamente en el nacimiento cuando un organismo se vuelve independiente de la fuente de glucosa de la madre. El gen humano Glc 6-Pase contiene cinco exones que abarcan aproximadamente 125,5 kb de ADN ubicado en el cromosoma 17q21. [9]
Mutaciones del sistema de glucosa 6-fosfatasa, en concreto la subunidad de glucosa 6-fosfatasa-α (glucosa 6-fosfatasa-α), el transportador de glucosa 6 (G6PT) y la glucosa 6-fosfatasa-β (glucosa 6-fosfatasa-α). Las subunidades β o G6PC3) conducen a deficiencias en el mantenimiento de la homeostasis de la glucosa interprandial y en la función y homeostasis de los neutrófilos . [10] [11] Las mutaciones tanto en la glucosa 6-fosfatasa-α como en G6PT conducen a la enfermedad de almacenamiento de glucógeno tipo I (GSD 1, enfermedad de von Gierke). [12] Para ser específicos, las mutaciones en la glucosa-6-fosfatasa-α conducen a la enfermedad de almacenamiento de glucógeno tipo 1a, que se caracteriza por la acumulación de glucógeno y grasa en el hígado y los riñones, lo que resulta en hepatomegalia y renomegalia. [13] GSD-1a constituye aproximadamente el 80% de los casos de GSD-1 que se presentan clínicamente. [14] La ausencia de G6PT conduce a GSD-1b (GSD-1b), que se caracteriza por la falta de un G6PT y representa el 20% de los casos que se presentan clínicamente. [14] [15]
La causa específica del GSD-1a proviene de mutaciones sin sentido, inserciones/deleciones con o sin un cambio en el marco de lectura, o mutaciones en el sitio de empalme que ocurren a nivel genético. [6] Las mutaciones sin sentido afectan los dos grandes bucles luminales y las hélices transmembrana de la glucosa 6-fosfatasa-α, suprimiendo o reduciendo en gran medida la actividad de la enzima. [6] La causa específica de GSD-1b proviene de mutaciones "graves", como mutaciones en el sitio de empalme, mutaciones de cambio de marco y sustituciones de un residuo altamente conservado que destruyó por completo la actividad de G6PT. [6] Estas mutaciones conducen a la prevalencia de GSD-1 al impedir el transporte de glucosa-6-fosfato (G6P) a la porción luminal del RE y también al inhibir la conversión de G6P en glucosa para ser utilizada por la célula.
El tercer tipo de deficiencia de glucosa 6-fosfatasa, la deficiencia de glucosa 6-fosfatasa-β, se caracteriza por un síndrome de neutropenia congénita en el que los neutrófilos exhiben estrés aumentado en el retículo endoplásmico (RE), aumento de la apoptosis, alteración de la homeostasis energética y alteración de la funcionalidad. [16] También puede provocar malformaciones cardíacas y urogenitales. [17] Esta tercera clase de deficiencia también se ve afectada por una deficiencia de G6PT, ya que la glucosa-6-fosfatasa-β también se encuentra dentro de la luz del RE y, por lo tanto, puede provocar síntomas similares de deficiencia de glucosa-6-fosfatasa-β asociada con GSD- 1b. [15] Además, estudios recientes han dilucidado esta área de similitud entre ambas deficiencias y han demostrado que se produce una glicosilación aberrante en ambas deficiencias. [18] La glicosilación de neutrófilos tiene un efecto profundo sobre la actividad de los neutrófilos y, por lo tanto, también puede clasificarse como un trastorno congénito de la glicosilación. [18]
Se ha determinado que la función principal de la glucosa 6-fosfatasa-β es proporcionar glucosa reciclada al citoplasma de los neutrófilos para mantener la función normal. La alteración de la proporción de glucosa a G6P debido a una disminución significativa de los niveles de glucosa intracelular causa una alteración significativa de la glucólisis y el HMS . [11] A menos que se contrarreste con la absorción de glucosa extracelular, esta deficiencia conduce a la disfunción de los neutrófilos. [11]
Se ha demostrado que los compuestos de vanadio, como el sulfato de vanadilo, inhiben la enzima y, por lo tanto, aumentan la sensibilidad a la insulina in vivo en diabéticos, según lo evaluado mediante la técnica de pinza hiperinsulinémica , lo que puede tener posibles implicaciones terapéuticas. [19] [20]
Las imágenes de gráficos moleculares se produjeron utilizando UCSF Chimera. [21]
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