Efectos ergogénicos del ácido fosfatídico

La masa de músculo esquelético comprende aproximadamente  la mitad de  la masa corporal y es esencial para la locomoción, la producción de calor durante periodos de  frío y el metabolismo. La masa de músculo esquelético puede ser incrementada por carga mecánica como ocurre con los programas de ejercicio de resistencia. La respuesta hipertrófica a la carga mecánica puede ser  aumentada mediante estrategias dietéticas como la ingesta óptima de proteínas y estrategias de suplementación, tales como la provisión de creatina monofosfato. A nivel celular, la carga mecánica, la ingesta de proteínas y varios suplementos deportivos regulan la actividad del complejo blanco de rapamicina 1 (mTORC1). El mTORC1 es un complejo proteico con tres subunidades: mTOR, Raptor y mLST8. El mTOR forma el centro catalítico del complejo y funciona como una serina/treonina quinasa perteneciente a la familia de quinasas relacionadas con la fosfatidilinositol-3 quinasa (PIKK).  El mTORC1 actúa como una señal integradora de factores  ambientales y controla la síntesis de proteínas, específicamente el proceso de inicio de la traslación a través de la regulación hacia abajo de la proteína ribosomal p70 S6 quinasa 1 (p70S6K1) y el factor de inicio 4E-proteína ligadora 1 (4E-BP1). La fosforilación, y por consiguiente, la activación de p70S6K1 modula las funciones de los factores de iniciación de la traslación y también puede promover la biogénesis de ribosomas, lo cual resulta en un incremento de la capacidad traslacional de la célula. En otros sustratos, el 4E-BP1, inhibe la iniciación de la traslación previniendo la formación del complejo eIF4F,  el cual facilita el reclutamiento de la pequeña subunidad (40S) en el extremo 5´del ARNm. La fosforilación de 4E-BP1 por el mTOR resulta en la disociación  de la banda de ARNm   y por lo tanto atenúa la inhibición de la formación del complejo eIF4F.

Los factores que regulan al mTORC1 incluyen factores de crecimiento [Ej: insulina y factor similar a insulina 1 (IGF-I)], aminoácidos, estímulos mecánicos y estatus energético. La regulación de la actividad de mTORC1 por estímulos mecánicos puede ser mediada por la formación de ácido fosfatídico (AF). Más aún, el aminoácido de cadena ramificada leucina, un importante regulador de la actividad de mTORC1, activa la fosfolipasa D1 (PLD1) e induce su traslocación subcelular a los lisosomas (el sitio de actividad del mTORC1). La PLD1 hidroliza fosfatidilcolina (FC) para producir AF. El AF es un fosfolípido compuesto por un glicerol con dos ácidos grasos  y un grupo fosfato adherido a él. Los dos ácidos grasos están adheridos a átomos de carbono vecinos en las posiciones sn-1 y sn-2 con el grupo fosfato adherido al átomo de carbono en la posición sn-3. El ácido graso en la posición ns-1 a menudo es saturado, mientras el ácido graso en la posición sn-2 generalmente es insaturado. La composición de ácidos grasos del AF es crítica en su capacidad para activar al mTORC1. Específicamente, las investigaciones han demostrado que las especies  de AF que contienen uno o dos ácidos grasos insaturados activan  al mTORC1 en células de embrión humano, mientras las especies AF saturadas  no tienen efecto significativo. Dado el aparente rol del AF en la regulación del mTORC1, se ha evaluado su suplementación en hombres entrenados con ejercicio de resistencia para asegurar su efecto sobre la fuerza y el grosor muscular.

El AF tiene un rol central en la síntesis de glicerofosfolípido y triacilglicerol como su precursor biosintético y puede ser generado  por tres mecanismos principales. Una de estas rutas metabólicas es capaz de generar AF de novo.  La ruta de novo se origina a partir de glicerol-3-fosfato (G3P). El G3P puede ser formado a partir de uno de los productos  intermediarios de la glucólisis. Durante la glucólisis, la glucosa es convertida en fructosa 1,6-bifosfato y posteriormente clivada en dos subunidades  de tres carbonos, concretamente dihidroacetona fosfato (DHAP) y gliceraldehído-3-fosfato. La DHAP generada puede ser reducida a G3P, una reacción catalizada por la glicerol-3-fosfato deshidrogenasa (GDPH). La GDPH es una proteína integral de membrana  del retículo endoplásmico y también de la membrana mitocondrial externa donde  su expresión es inducida por la insulina. Después de la producción de G3P, ocurren dos reacciones de acilación para generar AF. La primera reacción de acilación produce ácido lisofosfatídico (ALP) y es catalizada por la glicerol-3-fosfato aciltransferasa (GPAT) y la segunda acilación, resulta en AF y es catalizada la ácido lisofosfatídico aciltransferasa (ALPAT). Los ácidos grasos de la dieta y el ácido palmítico sintetizado de novo  contribuyen con los grupos acil-CoA requeridos. La ruta de novo tiene fuerte preferencia  por la producción de especies de AF con dos ácidos grasos saturados.

En la segunda ruta, la FC es hidrolizada en AF y colina. Una reacción catalizada por la fosfolipasa D (PLD), la cual juega un rol crucial en el mecanismo de activación de la señal mTOR, y las isoformas PLD1 y PLD2 pueden encontrarse en la banda α de músculo esquelético. Sin embargo, una investigación reciente demuestra que la activación de PLD no es requerida para incrementar la señal mTOR inducida mecánicamente. Esto contradice experimentos previos que demuestran que la PLD es crucial en la mediación de este incremento. Más aún, los primeros hallazgos indicaban que la actividad PLD inducida mecánicamente se correlacionaba pobremente con el incremento celular de AF. La LPD1 ha sido recientemente implicada en la activación de mTORC1 por el aminoácido ramificado leucina, un importante regulador de la actividad de  mTORC1. La leucina tARN sintetasa interactúa con la quinasa de lípido Vps34. A su vez, la Vps34 produce fosfatidilinositol-3-fosfato (PI₃P), el cual interactúa con el dominio PX de la PLD1. Esta interacción trasloca la PLD1 a los lisosomas, el sitio de actividad del mTORC1, y produce  AF. Adicionalmente, algunos factores de crecimiento como insulina  e IGF-1 pueden regular la actividad de la PLD.

La tercera ruta que genera AF utiliza diacilglicerol  (DAG) como sustrato. El DAG puede derivar de la grasa almacenada como triacilglicerol o el glicerofosfolípido fosfatidilinositol (PI). En el primer caso, uno de los grupos acil-CoA externos  es desacilado por una lipasa. Por el contrario, la síntesis de DAG a partir de PI requiere la remoción del grupo inositol, la enzima fosfolipasa C (PLC) cataliza esta reacción. El DAG es fosforilado por la DAG quinasa (DGK), o por la  retículo endoplásmico quinasa similar a PRK (PERK), en AF.  La PERK se encuentra en la membrana del retículo endoplásmico (ER) y exhibe actividad quinasa dependiente de la fosfoinositido-3 quinasa (PI3K). Esto puede proporcionar un enlace entre AF-señal mTORC1 y la activación de mTOR por factores de crecimiento mediada la señal PI3K/Akt.

El metabolismo del AF sigue dos rutas importantes en la síntesis de novo  de glicerofosfolípidos  y triacilglicerol. Una ruta provoca el almacenamiento  de energía en el tejido adiposo, esto es, la biosíntesis de triacilglicerol. Una fosfatasa de AF hidroliza el enlace con el grupo fosfato para generar DAG y Pi. El DAG formado puede ser esterificado con un tercer grupo acil-CoA para producir triacilglicerol. El DAG producido también puede ser dirigido hacia la ruta de Kennedy para producir  dos glicerofosfolípidos: fosfatidiletanolamina (FE) y FC, constituyentes importantes  de la membrana celular, con la FC más abundante y la PE como el segundo fosfolípido más abundante. La segunda ruta está dirigida a la síntesis de glicerofosfolípido. El AF es activado por citidina difosfato (CDP) formando CDP-diacilglicerol, reacción catalizada por la CDP-diacilglicerol sintetasa. Esta etapa es análoga a la activación de glucosa por uridina difosfato (UDP) en la síntesis de glucógeno. Después de la activación por CDP, el AF puede ser convertido a PI, fosfatidilglicerol (FG) y cardiolipina (CL). El PI es un precursor de fosfoinositidos como el fosfatidilinositol (3,4,5)-trifosfato (PIP3) que juega un importante rol en la señalización intracelular, el tráfico de vesículas y la dinámica del citoesqueleto. FG y CL juegan un importante rol en el funcionamiento de las mitocondrias y también están involucrados en la señalización molecular de varios procesos  celulares. Adicionalmente, el grupo acil en posición sn-2 puede ser hidrolizado por la fosfolipasaA2 (PLA₂) y producir ALP.

Varios alimentos contienen AF, aunque en cantidades extremadamente pequeñas. Las mayores cantidades de AF  se encuentran en los vegetales pertenecientes a las Brassicaceac como el repollo (Brassica oleracea) que contiene 700 nmol/kg (aproximadamente 0,5 mg/g). Como la cantidad  de AF en la dieta es muy baja, es necesaria la suplementación en los individuos  entrenados con ejercicio de resistencia. Cuando se administra por vía oral, el AF es metabolizado a lisofosfolípidos y glicerol-3-fosfato  en la luz intestinal por varias fosfolipasas pancreáticas. Estas fosfolipasas hidrolizan los enlaces ester  en posición sn-1 o sn-2. Posteriormente, estos productos (principalmente lisofosfolípidos con un ácido graso en posición sn-1) son absorbidos por la mucosa intestinal. Los lisofosfolípidos  pueden entonces ser re-esterificados con un ácido graso en el enterocito, produciéndose AF nuevamente. También puede tener lugar la  esterificación para formar triacilglicerol. Los fosfolípidos formados  serán incorporados en la capa externa  de los quilomicrones, los cuales mediante exocitosis pasan al sistema linfático para llegar a la circulación sanguínea. Una dosis simple de 1,5 g de AF derivado de soya alcanza una concentración plasmática pico de AF a las 3 horas  después de la ingesta oral y se mantiene alta hasta por 7 horas. No está claro cuánto del AF absorbido eventualmente alcanza al tejido muscular esquelético y es absorbido por las células musculares o incorporado a sus membranas. Algunas evidencias sugieren que el AF exógeno debe ser metabolizado extracelularmente a ALP para activar al mTORC1.

El AF puede modular la actividad mTOR uniéndose directamente a su dominio de unión FKBP12-rapamicina (FRB). El dominio FRB presta su nombre a la rapamicina, un potente inhibidor farmacológico del mTOR. La rapamicina se une al sitio en un complejo con FKBP12 e inhibe la actividad catalítica del mTOR. La estimulación mecánica, la cual aumenta la concentración celular de AF, incrementa también la concentración inhibidora de rapamicina. Estos datos apoyan la hipótesis de una competencia entre el complejo FKBP12-rapamicina y el AF por la unión con el dominio FRB. Sin embargo, como la rapamicina debe ser administrada exógenamente, esto  no explica el efecto  del AF sobre la actividad mTOR en ausencia de rapamicina. Por otra parte, el inhibidor endógeno FKBP38 también se une al dominio FRB. El AF desplaza al FKBP38 y por lo tanto atenúa la inhibición impuesta sobre la actividad mTORC1. Adicionalmente, el AF es capaz de activar alostéricamente al mTORC1. Entonces, la acción del AF para la activación de mTORC1 ocurre por dos rutas: (i) desplazando al inhibidor endógeno FKBP38 del dominio FRB y (ii) alostéricamente estimulando la actividad catalítica del complejo. Por el contrario, el AF exógeno no activa al mTORC1 a través de su internalización y la posterior interacción directa con mTOR. El AF exógeno podría requerir la conversión extracelular  a ALP por fosfolipasas  para unirse y activar receptores del gen de diferenciación endotelial  (EDG-2) en la superficie celular. La activación de este receptor acoplado a proteína G desencadena la ruta de señalización MEK-ERK, la cual estimula la activación  de mTORC1 a través de la inhibición del complejo de esclerosis tuberosa y Raptor. El EDG-2 activado, además de la activación de la ruta MEK-ERK, provoca un incremento intracelular de AF  debido al aumento  de la actividad de PLD. Sin embargo, hay autores que sugieren que la estimulación mecánica induce la señal mTOR a través un mecanismo independiente de ERK que potencialmente involucra al AF. Adicionalmente, el AF puede promover un incremento en la masa muscular afectando la expresión de varios factores involucrados en la ruta ubiquitina-proteasoma como el FoxO. La familia FoxO de factores de transcripción juega un importante rol en la degradación de proteínas musculares modulando la actividad de las rutas proteolíticas ubiquitina-proteasoma y autofagia-lisosomal. Entre los factores regulados por FoxO están las dos ligasas E3 de la atrofia muscular F-box (MAFbx, también conocida como atrogina-1) y dedo de anillo muscular 1 (MuRF1). Ambas ligasas son importantes reguladores  de la atrofia muscular. Un posible mecanismo para esta acción del AF puede ser vía mTORC2, el cual se diferencia estructuralmente del mTORC1 porque no contiene Raptor sino Rictor. Sin embargo, su rol en la hipertrofia muscular parece ser menos prominente que el del mTORC1.

Varios estudios recientes han evaluado los efectos ergogénicos del AF en hombres entrenados con ejercicio de resistencia. Uno  de estos estudios examinó la eficacia  de 750 mg  de AF sobre el grosor muscular  y la ganancia de fuerza en hombres entrenados con ejercicio de resistencia. Un total de 15 hombres participaron  en el estudio y fueron instruidos para seguir un programa de entrenamiento con sesiones tres días por semana. La mitad de la dosis de AF fue tomada con el desayuno y la otra mitad con la cena. El grosor de los músculos recto femoral, vasto lateral, bíceps braquial y tríceps braquial fue medido con ultrasonografía. Aunque todos los participantes mejoraron en su medida de grosor y fuerza  muscular, no se encontraron diferencias significativas  entre el grupo AF y el grupo placebo. Sin embargo, otros estudios sugieren que la suplementación con AF puede ser una estrategia dietética útil  para incrementar la masa muscular y posiblemente la fuerza muscular en esta población, aunque solamente un estudio encontró un efecto estadísticamente significativo en estos parámetros. Esto puede deberse a diferencias entre los estudios  o a un pequeño efecto que podría requerir una muestra de mayor tamaño para alcanzar resultados estadísticamente significativos. Aunque el AF es un fosfolípido presente en las membranas de las células, su presencia en la dieta es muy pequeña y podría ser requerida la suplementación para obtener algunos potenciales beneficios ergogénicos. Sobre la base de las investigaciones actuales, una dosis apropiada de AF podría ser 750 mg diarios. Una dosis menor parece ser inefectiva para incrementar la masa y fuerza muscular.  El tiempo óptimo de ingesta de AF aún no ha sido establecido. Por lo tanto parece apropiado recomendar el tiempo de ingesta en línea con los estudios que han demostrado los efectos ergogénicos del compuesto en atletas. Estos estudios reportan efectos positivos cuando 450 mg de AF son tomados 30 minutos antes del entrenamiento y 300 mg inmediatamente después del mismo. En los días de descanso, se toman 450 mg con el desayuno y 300 mg con la cena.  Dado que el AF es hidrolizado antes de su absorción por la mucosa intestinal, después de lo cual es re-esterificado con ácidos grasos en el enterocito, la composición de ácidos grasos  de la comida con la cual se ingiere el AF puede influir en su eficacia ergogénica.

En conclusión, el mTORC1  es un regulador master  de la hipertrofia del músculo esquelético. El mTORC1 es regulado por  varias señales, incluyendo factores de crecimiento, estatus energético y estímulos mecánicos. Una considerable cantidad de estudios a nivel molecular sugieren que el AF está involucrado en la activación  mTORC1  por estimulación mecánica. La ruta mTORC1 está íntimamente involucrada en la regulación del tamaño del músculo esquelético a través de la regulación de la síntesis de proteínas. El AF modula la actividad mTOR por unión directa a su dominio FKBP12-rapamicina. Por otra parte, el AF exógeno activa al mTORC1 vía conversión extracelular  a ácido liso fosfatídico y su posterior unión  a receptores del gen de diferenciación celular en la superficie de celular. Adicionalmente, el AF puede afectar la degradación  de proteínas musculares  a través de la regulación de FoxO.

Fuente: Bond P (2017). Phosphatidic acid: biosynthesis, pharmacokinetics, mechanisms of action and effect on strength and body composition in resistance-trained individuals. Nutrition & Metabolism 14: 12.