Ciclo inútil

Un ciclo inútil , también conocido como ciclo del sustrato , ocurre cuando dos vías metabólicas funcionan simultáneamente en direcciones opuestas y no tienen ningún efecto general más que disipar energía en forma de calor . ^[1] La razón por la que este ciclo se llamó ciclo "inútil" fue porque parecía que este ciclo operaba sin ninguna utilidad neta para el organismo. Como tal, se pensó que era una peculiaridad del metabolismo y, por lo tanto, se lo denominó ciclo inútil. Después de una investigación más profunda, se vio que los ciclos inútiles 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 glucólisis y luego se convertiría nuevamente en glucosa por gluconeogénesis, con un consumo general de ATP . ^[3] Los ciclos inútiles pueden tener un papel en la regulación metabólica, donde un ciclo inútil sería un sistema que oscila entre dos estados y 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 pardo de los mamíferos jóvenes , o para generar calor rápidamente, por ejemplo en los músculos de vuelo de los insectos y en los animales que hibernan durante el despertar periódico del letargo . Se ha informado de que el ciclo del sustrato del metabolismo de la glucosa no es un ciclo inútil, sino un proceso regulador. Por ejemplo, cuando se necesita energía de repente, el ATP se sustituye por AMP, una adenina mucho más reactiva.

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

ATP + H ₂ O ADP + Pi ₊ H${\displaystyle \arponesderechoizquierdo}$

Por ejemplo, durante la glucólisis, la fructosa-6-fosfato se convierte en fructosa-1,6-bisfosfato en una reacción catalizada por la enzima fosfofructoquinasa 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, la hidrólisis del ATP sin que se realice ningún trabajo metabólico útil. Es evidente que, si se permitiera que estas dos reacciones se llevaran a cabo simultáneamente a un ritmo elevado en la misma célula, se disiparía una gran cantidad de energía química en forma de calor. Por ello, a este proceso antieconómico se lo ha denominado ciclo inútil. ^[5]

No existen muchos fármacos que puedan tratar o revertir eficazmente la obesidad. 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 que gira en torno al tratamiento y la prevención de la obesidad utilizando ratones transgénicos para experimentar informa de una respuesta positiva que propone que el miR-378 puede ser un agente prometedor para prevenir y tratar la obesidad en humanos. Los hallazgos del estudio demuestran que la activación del ciclo inútil piruvato-PEP en el músculo esquelético a través del miR-378 es la causa principal de la lipólisis elevada en los tejidos adiposos de los ratones transgénicos miR-378, y ayuda a orquestar la comunicación cruzada entre el músculo y la grasa para controlar la homeostasis energética en los ratones. ^[6]

En general, entendemos que el ciclo fútil es un ciclo de sustrato que ocurre cuando dos vías metabólicas superpuestas funcionan en direcciones opuestas y que, si no se regulan, seguirán funcionando sin control y sin ninguna producción real hasta que se agote toda la energía de las células. Sin embargo, la idea detrás del estudio indica que el ciclo fútil piruvato-fosfoenolpiruvato activado por miR-378 tiene un efecto regulador beneficioso. ^[6] El miR-378 no solo produce una menor masa grasa corporal debido a una mayor lipólisis, sino que también se especula que los ciclos fútiles regulan el metabolismo para mantener la homeostasis energética. El miR-378 tiene una función única en la regulación de la comunicación metabólica entre los tejidos muscular y adiposo para controlar la homeostasis energética a nivel de todo el cuerpo. ^[6]

Para entender cómo la presencia de un ciclo inútil ayuda a mantener niveles bajos de ATP y la generación de calor en algunas especies, analizamos las vías metabólicas que tratan con la regulación recíproca de la glucólisis y la gluconeogénesis .

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

Otro ejemplo sugiere que la generación de calor en la vejiga natatoria del fugu se transportará fuera del sitio de generación, sin embargo, aún puede recuperarse constantemente a través de la rete mirabile para mantener la temperatura de la glándula gaseosa más alta que otras áreas del cuerpo.

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

Otro ejemplo de ciclo fútil que se beneficia de 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]

• Futile+cycles en los encabezamientos de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.