Rol de la glucokinasa neuronal

La glucosa es una fuente primaria de combustible para el sistema nervioso central (SNC) y es importante para la función normal de las neuronas. Los mecanismos sensores de glucosa permiten al cerebro monitorear constantemente los niveles neuronales de glucosa para controlar las funciones metabólicas periféricas involucradas en la homeostasis de glucosa y energía.  La glucosa actúa como molécula de señalización y como sustrato energético  en las neuronas sensibles a glucosa. Hay dos tipos de neuronas sensibles a glucosa: excitadas por glucosa (GE) e inhibidas por glucosa (GI).  Los dos tipos de neuronas se encuentran en  las regiones sensibles a glucosa del cerebro como el hipotálamo y el tallo cerebral.  La tasa de disparo de las neuronas GE incrementa (y la de las neuronas GI disminuye) en la medida  que aumentan los niveles de glucosa en el cerebro. La evidencia actual sugiere que la mayoría de neuronas GE expresan péptidos anorexigénicos, mientras las neuronas GI liberan péptidos estimulantes del apetito durante los estados de hipoglucemia para incrementar la ingesta de alimentos.

La glucokinasa (GK), también conocida como hexokinasa IV, cataliza la conversión  de glucosa en glucosa-6-fosfato,  la primera etapa de la glucolisis. La GK tiene ciertas propiedades bioquímicas que la diferencian de otras hexokinasas y le permiten funcionar como una enzima sensible a glucosa. La GK tiene menor afinidad por la glucosa que otras hexokinasas (K_m 10 mmol/l) y no se satura con las concentraciones fisiológicas de glucosa. A diferencia de otras hexokinasa, la GK no es inhibida  por el producto de la reacción que cataliza. Estas propiedades permiten que la tasa de fosforilación  de glucosa dependa de –y sea proporcional a- los niveles intracelulares de glucosa. Existen dos isoformas de GK, con las mismas propiedades cinéticas  pero con funciones diferentes. Estas isoformas son codificadas por el mismo gen, pero promotores separados  provocan diferentes patrones de “splicing”, produciendo diferentes variantes de la enzima GK. La GK es expresada en el páncreas y el hígado. La GK pancreática está involucrada en el proceso de secreción de insulina  estimulada por glucosa. Un aumento en la concentración de glucosa resulta en un incremento en la producción  celular de ATP,  causando el cierre de los canales de potasio sensibles a ATP (K_ATP) y la despolarización  de la célula β. La entrada de calcio a través de canales de Ca²⁺ activados por voltaje provoca la liberación  de insulina. En el hígado, la GK tiene un rol  central en la promoción  de la captación  glucosa y su posterior conversión  en glucógeno para el almacenamiento de energía.

La expresión de GK ha sido demostrada  en múltiples poblaciones neuronales en el SNC de ratas, ratones y humanos. En el hipotálamo, es expresada en múltiples núcleos incluyendo  núcleo arcuato (ARC),  núcleo ventromedial (NVM) y área hipotalámica lateral.  Fuera del hipotálamo, la GK ha sido identificada en el núcleo amigdalar  medial (NAM) y en tres núcleos  del complejo vagal dorsal (CVD) del tallo cerebral: el núcleo del tracto solitario (NTS), el área postrema  y el núcleo motor dorsal (NMD) del vago. La GK también es expresada  en células gliales como los tanicitos hipotalámicos. En estas células, la GK tiene un importante rol en la homeostasis energética. El ARNm de la GK neuronal tiene un patrón de “splicing” similar al de la isoforma  pancreática, lo que sugiere un  rol similar de ambas GK. En efecto, el papel de los canales K_ATP y la co-localización de GK y canales K_ATP han sido demostrados en las  neuronas sensibles a glucosa.

La GK juega un rol central en neuronas GE  y GI. El mecanismo sensor de glucosa de las neuronas GE es similar  al de las células β del páncreas. Es decir, la glucosa entra a la neurona  a través de transportadores  GLUT. Una vez en el citosol, la glucosa  es fosforilada  por la GK, aumenta la relación ATP/ADP  y se cierran los canales K_ATP. A continuación la despolarización  neuronal dispara la entrada de Ca²⁺ por canales  de Ca²⁺ dependientes de voltaje, lo cual provoca la secreción de neurotransmisores.  El mecanismo sensor de glucosa en las neuronas GI es menos claro. Sin embargo, los estudios de imagenología revelan que más del 70% de las neuronas GI en el NVM son afectadas por inhibidores de GK, lo que sugiere que la GK está involucrada en el mecanismo sensor en neuronas GI. La actividad de la GK provoca hiperpolarización  e inhibición de la liberación de neurotransmisores en las neuronas GI. La hiperpolarización  ocurre vía estimulación de la Na⁺/K⁺ ATPasa  causada por el incremento de los niveles de ATP en la neurona, inducido por la GK, lo cual provoca la inhibición de la actividad neuronal. El acople de la entrada de glucosa con la glucólisis y la producción de ATP estimula la ATPasa Na⁺/K⁺. Por cada molécula  de ATP, salen de la célula tres iones Na+ y entran dos iones K⁺. Esto causa una disminución  en el voltaje de la membrana  y resulta en hiperpolarización de la célula con la consiguiente disminución de la actividad de la neurona. Los mecanismos neuronales sensores de glucosa también pueden ser independientes de GK. Por ejemplo, la proteína kinasa activada por AMP (AMPK), un sensor de energía celular, también está involucrada en los mecanismos sensores de glucosa. En ratas, la carencia de AMPK en el NVM inhibe la respuesta del glucagón a la hipoglucemia, mientras su activación farmacológica favorece dicha respuesta.  La AMPK también es capaz de despolarizar neuronas GI del NVM en respuesta a los niveles disminuidos de glucosa a través de un mecanismo que involucra al óxido nítrico (NO) y al GMPc, y llevar a cabo el efecto contrario en condiciones de hiperglucemia. Otro importante sensor de energía, per-arnt-sim kinasa (PASK), también juega un rol en los mecanismos neuronales sensores de glucosa. Su expresión varía agudamente de acuerdo con los niveles de glucosa.  El co-transportador de glucosa acoplado a sodio (SGLT) también ha sido involucrado en los mecanismos sensores de glucosa.

El rol más claramente definido de la GK es la regulación de la homeostasis de glucosa. Esto parece ser mediado  principalmente por la GK en el NVM y el NAM a través de la modulación  de la respuesta contrarreguladora (RCR). El NVM y el NAM juegan un rol central en la RCR, un sistema de retroalimentación para contrarrestar la hipoglucemia incrementando la producción de glucosa y limitando su utilización. La RCR se caracteriza por la liberación de glucagón y aumento de la gluconeogénesis y la glucogenolisis. En un ambiente de baja concentración de glucosa, la activación farmacológica de la GK del NVM incrementa la actividad de las neuronas GE y disminuye la actividad de las neuronas GI. Estos hallazgos sugieren que los niveles plasmáticos de glucosa alteran la actividad neuronal vía GK en las neuronas del NVM. En apoyo a esto, los estudios electrofisiológicos  revelan que la inhibición de la GK disminuye la actividad de neuronas GE e incrementa la actividad de neuronas GI.  Es importante  señalar que las neuronas sensibles a glucosa del NVM  también expresan  hexokinasa I, la cual tiene una mayor afinidad por la glucosa. En el NVM, la hexokinasa I parece manejar el metabolismo de la glucosa para mantener un aporte constante de ATP en condiciones de concentraciones extracelulares de glucosa fluctuantes, mientras la GK actúa como un sensor de glucosa  a través del acople bioquímico  del flujo de glucosa  con los procesos celulares  distintos  de la producción celular de ATP. El NVM se relaciona con la periferia a través de conexiones simpáticas y parasimpáticas, las cuales inervan a las células α del páncreas. Estas conexiones podrían ocurrir vía tallo cerebral. La estimulación nerviosa simpática  resulta en secreción de glucagón. Por lo tanto, el NVM puede causar la liberación de glucagón  a través de la inervación simpática esplácnica  de las células α, quizá por liberación de adrenalina y noradrenalina, las cuales actúan sobre receptores α₂ y β₂-adrenérgicos.  Las rutas colinérgicas vagales que forman parte del sistema nervioso  parasimpático también han sido implicadas  en la regulación  de la secreción de glucagón, la activación de receptores muscarínicos M3 resulta en liberación de glucagón.

Estudios recientes reportan la co-localización  de GK y hormona liberadora de hormona de crecimiento (GHRH) en neuronas del ARC. La GHRH media la secreción de hormona de crecimiento (GH), la cual es liberada durante la hipoglucemia como parte de la RCR. Aunque menos importante que las respuestas del sistema nervioso simpático como la liberación de glucagón y adrenalina, la liberación de GHRH ha sido implicada en la generación de la RCR y es parte  de la cascada neurohumoral de la RCR. Dado que la actividad de la GK provoca la secreción de neurotransmisores  en otras neuronas, es posible  que la GK del ARC  pueda inducir la liberación de GH  a través de la GHRH en respuesta a una disminución  en los niveles ambientales de glucosa. La GK es expresada en el NAM y puede ser la responsable de la detección de la hipoglucemia y el inicio de la RCR. La privación de glucosa en el NAM durante la hipoglucemia sistémica  amplifica la RCR. Sin embargo, la privación local de glucosa en el NAM por si misma es insuficiente para generar una respuesta hormonal contrarreguladora, lo que sugiere que el mecanismo sensor de glucosa  en el NAM solamente  tiene un rol de contribución con las otras regiones involucradas en la RCR como el NVM.   

El CVD es considerado un importante centro para la homeostasis de la glucosa y ha sido asociado con la RCR. Cada uno de los núcleos del CVD expresa bajos niveles  de GK y rol fisiológico en esos núcleos ha sido poco estudiado. El área postrema puede estar involucrada en la homeostasis de la glucosa, tiene una barrera hematoencefálica incompleta, lo cual permite  la difusión de la glucosa  en el CVD. Adicionalmente, las neuronas sensibles a glucosa del área postrema son estimuladas e inhibidas por concentraciones variantes de glucosa. En el NTS se ha demostrado la existencia de neuronas sensibles a glucosa cuya excitabilidad aumenta y disminuye en respuesta a una elevación  en la glucosa ambiental, lo cual sugiere la presencia de neuronas GE y GI en el NTS. La evidencia experimental apoya la presencia de transportadores GLUT2 y canales K_ATP, dos componentes  sensibles a glucosa, en el NTS. Los transportadores GLUT2 neuronales  han sido involucrados en la RCR pues son activados por la hipoglucemia y contribuyen a la secreción de glucagón. El NMD del vago contiene neuronas sensibles a glucosa y puede formar parte con el NTS del circuito hipotálamo-tallo cerebral-hígado que regula la gluconeogénesis hepática. Algunos estudios  sugieren que el hipotálamo dispara una señal al NTS, posiblemente vía canales K_ATP, que es transferida al NMD, el cual se encarga de transmitirla al hígado  a través de una ruta eferente vagal.

La co-localización  de receptor de la hormona anorexigénica GLP-1, GK y transportadores GLUT ha sido demostrada en áreas del cerebro que controlan la conducta alimenticia y contienen neuronas sensibles a glucosa. La evidencia reciente  relaciona a la GK en el ARC y el hipotálamo lateral (HL) con la regulación del apetito. El ARC ha sido implicado en la regulación del apetito porque contiene  las neuronas orexigénicas neuropeptido Y (NPY) y péptido relacionado con el agouti (AgRP) y las neuronas anorexigénicas  proopiomelanocortina (POMC) y transcripto regulado por cocaína y anfetamina (CART).  La GK es expresada en niveles relativamente altos en el ARC y en las neuronas NPY y POMC. El ARC medial está adyacente  a la eminencia media y  sus capilares forman fenestraciones durante los momentos de baja disponibilidad de glucosa para facilitar el movimiento de glucosa de la circulación sanguínea  al ARC y mantener el aporte de nutrientes cuando la difusión de glucosa a través de los transportadores  GLUT presentes en la barrera hematoencefálica no es suficiente. Entonces, el ARC parce ser un importante  centro sensor de glucosa  pues modula su entrada dependiendo  de la concentración plasmática. El mecanismo que provoca el incremento la ingesta de glucosa una vez activada la GK puede incluir  a los núcleos hipotalámicos paraventricular (NPV) y dorsomedial (NDM). Las neuronas NPY del ARC se proyectan a la división parvocelular del NPV (pNPV) y al NDM. Estas proyecciones influyen en la ingesta de carbohidratos. El NPY puede estimular la ingesta de alimentos a través de la activación de receptores Y1 y Y5 en esos núcleos hipotalámicos. La pNPV a su vez se proyecta al  tallo cerebral provocando la liberación de péptidos orexigénicos en el tracto gastrointestinal a través de eferentes vagales. Sin embargo, esta ruta generalmente está asociada con señales de saciedad.

El centro sensible a glucosa del HL se divide en dos secciones, área hipotalámica lateral (AHL) y área perifornical. Ambas áreas poseen propiedades sensoras de glucosa. La GK es moderadamente expresada en el AHL y no ha sido detectada en las neuronas del área perifornical.  Las neuronas sensibles a glucosa representan aproximadamente 30% de las células  del AHL y su descarga de potenciales de acción aumenta cuando disminuye la concentración de glucosa. El incremento en los niveles de glucosa tiene el efecto opuesto, lo que sugiere  que las células del AHL que responden a la glucosa son del tipo GI. Las neuronas GI del AHL expresan GK, la cual puede jugar un rol en la respuesta a la hipoglucemia. La GK del AHL estimula una respuesta hedónica, lo que sugiere que tiene un rol en la respuesta de recompensa de alimentos. Una alta densidad de neuronas orexinérgica del HL, la mayoría localizadas en el área perifornical,  emiten proyecciones que terminan en el núcleo talámico paraventricular, el cual actúa como centro de relevo en la ruta hacia el núcleo accumbens. Este circuito podría ser potenciado por interneuronas colinérgicas para conducir información relacionada con el balance energético e involucra a la encefalina, entre otros péptidos.  La GK del AHL también puede mediar la ingesta de alimentos  a través de conexiones directas entre AHL y tracto gastrointestinal.

La presencia de GK ha sido detectada en neuronas oxitocina y vasopresina del núcleo supraóptico del hipotálamo. Los incrementos en los niveles de glucosa estimulan la liberación de oxitocina y vasopresina de una manera dependiente de GK, lo que indica que esas neuronas son tipo GE. La expresión de GK también ha sido identificada,  pero en bajos niveles, en otras regiones del cerebro incluyendo corteza cerebral, cerebelo y núcleos del rafe.  Los bajos niveles  de la enzima sugieren  que su función  puede ser de menor importancia en comparación con otras regiones cerebrales.

En conclusión, la GK es un componente clave del mecanismo sensor de glucosa neuronal y es expresada en regiones cerebrales  que controlan diversos procesos homeostáticos. Los primeros trabajos demostraron un importante rol de esta enzima neuronal en el hipotálamo. Los estudios más recientes han extendido su importancia a otras regiones cerebrales. Sin embargo, la investigación sobre el rol  de la GK neuronal  tiene algunas limitaciones. En algunos casos, la manipulación de los niveles  de glucosa puede llevar la glucemia  fuera de los niveles fisiológicos y, por lo tanto, los resultados pueden no ser representativos  del rol de la GK en condiciones normales. Por otra parte, la presencia de GK no necesaria indica que está involucrada en algún proceso neuronal. Es necesario destacar que aunque la glucosa  es una importante señal de energía, otras señales  metabólicas también  juegan un rol en la homeostasis de energía. Por ejemplo, la insulina puede alterar  la despolarización neuronal actuando  sobre los canales K_ATP o vía GLUT4 sensibles a glucosa. Las neuronas hipotalámicas sensibles a glucosa también son sensibles  a cambios en los niveles de ácidos grasos, lactato o cuerpos cetónicos.  No está claro si la GK  juega algún rol  en la respuesta a esas otras señales.

Fuente: De Baker I et al (2016). Insights into the role of neuronal glucokinase. American Journal of Physiology: Endocrinology and Metabolism 311: E42-E55.