Ciclo fútil

Un ciclo fútil , también conocido como ciclo de sustrato , ocurre cuando dos vías metabólicas se ejecutan simultáneamente en direcciones opuestas y no tienen otro efecto que disipar energía en forma de calor . ^{[ 1 ]} La razón por la que este ciclo se denominó ciclo "fútil" fue porque parecía operar sin utilidad neta para el organismo. Por lo tanto, se pensó que era una peculiaridad del metabolismo y por eso se le dio el nombre de ciclo fútil. Después de una investigación más profunda, se vio que los ciclos fútiles son muy importantes para regular las concentraciones de metabolitos. ^{[ 2 ]} Por ejemplo, si la glucólisis y la gluconeogénesis estuvieran activas al mismo tiempo, la glucosa se convertiría en piruvato por la glucólisis y luego se convertiría de nuevo en glucosa por la gluconeogénesis, con un consumo total de ATP . ^{[ 3 ]} Los ciclos fútiles pueden tener un papel en la regulación metabólica, donde un ciclo fútil sería un sistema que oscila entre dos estados y es muy sensible a pequeños cambios en la actividad de cualquiera de las enzimas involucradas. ^{[ 4 ]} El ciclo genera calor y puede utilizarse para mantener la homeostasis térmica , por ejemplo en el tejido adiposo marrón de mamíferos jóvenes , o para generar calor rápidamente, por ejemplo en los músculos de vuelo de los insectos y en animales hibernantes durante el despertar periódico del letargo . Se ha informado que el ciclo del sustrato del metabolismo de la glucosa no es un ciclo fútil sino un proceso regulador. Por ejemplo, cuando se necesita energía repentinamente, el ATP es reemplazado por AMP, una adenina mucho más reactiva.

La realización simultánea de la glucólisis y la gluconeogénesis es un ejemplo de ciclo fútil, representado por la siguiente ecuación:

Por ejemplo, durante la glucólisis, la fructosa-6-fosfato se convierte en fructosa-1,6-bisfosfato en una reacción catalizada por la enzima fosfofructocinasa 1 (PFK-1).

Pero durante la gluconeogénesis (es decir, la síntesis de glucosa a partir de piruvato y otros compuestos) tiene lugar la reacción inversa, catalizada por la fructosa-1,6-bisfosfatasa (FBPasa-1).

Dando una reacción general de:

Es decir, hidrólisis de ATP sin que se realice ningún trabajo metabólico útil. Claramente, si se permitiera que estas dos reacciones se produjeran simultáneamente a una alta velocidad en la misma célula, se disiparía una gran cantidad de energía química en forma de calor. Por lo tanto, este proceso antieconómico se ha denominado ciclo fútil. ^{[ 5 ]}

No existen muchos fármacos que puedan tratar o revertir la obesidad de forma eficaz. La obesidad puede aumentar el riesgo de padecer enfermedades relacionadas principalmente con problemas de salud como la diabetes, la hipertensión, las enfermedades cardiovasculares e incluso ciertos tipos de cáncer. Un estudio sobre el tratamiento y la prevención de la obesidad mediante ratones transgénicos experimentales reporta resultados positivos que sugieren que el miR-378 podría ser un agente prometedor para prevenir y tratar la obesidad en humanos. Los hallazgos del estudio demuestran que la activación del ciclo fútil piruvato-PEP en el músculo esquelético a través del miR-378 es la causa principal del aumento de la lipólisis en los tejidos adiposos de los ratones transgénicos miR-378, y ayuda a orquestar la comunicación entre el músculo y la grasa para controlar la homeostasis energética en los ratones. ^{[ 6 ]}

Nuestra comprensión general del ciclo fútil es un ciclo de sustrato, que ocurre cuando dos vías metabólicas superpuestas se ejecutan en direcciones opuestas, y que, sin regulación, continuará sin control sin ninguna producción real hasta que se agote toda la energía celular. Sin embargo, la idea detrás del estudio indica que el ciclo fútil de piruvato-fosfoenolpiruvato activado por miR-378 tiene un beneficio regulador. ^{[ 6 ]} No solo se especula que miR-378 produce una menor masa grasa corporal debido a una lipólisis mejorada, sino que también se especula que los ciclos fútiles regulan el metabolismo para mantener la homeostasis energética. miR-378 tiene una función única en la regulación de la comunicación metabólica entre el músculo y el tejido adiposo para controlar la homeostasis energética a nivel de todo el cuerpo. ^{[ 6 ]}

Para comprender cómo la presencia de un ciclo fútil ayuda a mantener bajos los niveles de ATP y la generación de calor en algunas especies, analizamos las vías metabólicas que se ocupan de la regulación recíproca de la glucólisis y la gluconeogénesis .

La vejiga natatoria de muchos peces, como el pez cebra , es un órgano internamente lleno de gas que contribuye a su flotabilidad . Estas células de la glándula de gas se encuentran en las mismas zonas que los capilares y los nervios. Los análisis de enzimas metabólicas demostraron que la enzima gluconeogénica fructosa-1,6-bisfosfatasa (Fbp1) y la enzima glucolítica gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa (Gapdh) se expresan en gran medida en las células de la glándula de gas. ^{[ 7 ]} El estudio indicó que la caracterización de la vejiga natatoria del pez cebra no debería incluir la expresión del gen de la fructosa-1,6-bisfosfatasa. Se sabe que el tejido de la vejiga natatoria tiene una actividad glucogénica muy alta y carece de gluconeogénesis; sin embargo, se encontró una cantidad predominante de Fbp expresada. Este hallazgo sugiere que, en la célula de la glándula de gas, Fbp forma un ciclo metabólico fútil dependiente de ATP. La generación de calor es de vital importancia para que las células de las glándulas de gas sinteticen ácido láctico, ya que el proceso se inhibe fuertemente si se acumula ATP.

Otro ejemplo sugiere que el calor generado en la vejiga natatoria del pez globo se transporta fuera del lugar de generación, sin embargo, puede recuperarse constantemente a través de la red mirabile para mantener la temperatura de la glándula de gas más alta que otras áreas del cuerpo.

La reacción neta global del ciclo fútil implica el consumo de ATP y la generación de calor de la siguiente manera:

Otro ejemplo de ciclo fútil que beneficia la generación de calor se encuentra en los abejorros . El ciclo fútil que involucra a Fbp y Pfk es utilizado por los abejorros para producir calor en los músculos de vuelo y calentar sus cuerpos considerablemente a bajas temperaturas ambientales. ^{[ 7 ]}

• Ciclos fútiles en los Encabezamientos de Materia Médica (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.