La extracción de moléculas de glucógeno hepático para la determinación de la estructura del glucógeno

El glucógeno es un polímero complejo e hiperramificado de glucosa que se encuentra en animales, hongos^{y bacterias}. En los mamíferos, el glucógeno hepático funciona como un amortiguador de glucosa en sangre, preservando la homeostasis, mientras que el glucógeno muscular actúa como un reservorio de glucosa a corto plazo para proporcionar energía directamente². La estructura del glucógeno a menudo se describe por tres niveles (que se muestran en la Figura 1): 1. Las cadenas lineales están formadas por monómeros de glucosa a través de enlaces glucosídicos (1→4)-α, con puntos de ramificación conectados a través de enlaces glucosídicos (1→6)-α; 2. partículas β muy ramificadas (~20 nm de diámetro) que, especialmente en tejidos como el músculo esquelético, actúan como moléculas de glucógeno independientes ^3,4; 3. Partículas de glucógeno α más grandes (hasta 300 nm de diámetro) que consisten en unidades de glucógeno β más pequeñas, que se encuentran en el hígado⁵, el corazón⁶ y en algunas especies no mamíferas⁷. Las partículas de α hepáticas de ratones diabéticos son molecularmente frágiles, con una propensión a degradarse a partículas β cuando se disuelven en dimetilsulfóxido (DMSO), mientras que las partículas α de los controles no diabéticos generalmente permanecen sin cambios. Una hipótesis es que esta fragilidad puede exacerbar el pobre equilibrio de glucosa en sangre que se observa en la diabetes, ya que las partículas frágiles de α pueden resultar en proporciones más altas de la partícula^{de β} 8,9,10,11 que se degrada más rápidamente.

Los métodos tradicionales de extracción de glucógeno utilizan las condiciones relativamente duras de exponer el tejido hepático a una solución alcalina caliente¹² o soluciones ácidas como el ácido tricloroacético (TCA)¹³ o el ácido perclórico (PCA)¹⁴. Si bien son eficaces para separar el glucógeno de otros componentes del tejido hepático, estos métodos inevitablemente degradan la estructura del glucógeno hasta cierto punto^15,16. Aunque estos métodos son adecuados para la medición cuantitativa del contenido de glucógeno, no son ideales para estudios centrados en la obtención de información estructural sobre el glucógeno debido a este daño estructural. Desde el desarrollo de estos métodos, se ha desarrollado un procedimiento de extracción más suave que utiliza tampón Tris frío (que se ha demostrado que inhibe la degradación de la glucosidasa) con ultracentrifugación en gradiente de densidad de sacarosa 17,18,19. Con el pH controlado a ~8, este método no somete el glucógeno a la hidrólisis ácida o alcalina vista en procedimientos anteriores.

La ultracentrifugación en gradiente de densidad de sacarosa del tejido hepático homogeneizado puede separar las partículas de glucógeno de la mayor parte del material celular. Si es necesario, se puede realizar una purificación adicional mediante cromatografía de exclusión por tamaño preparativa, lo que da como resultado la recolección de glucógeno purificado con proteínas asociadas al glucógeno unidas²⁰. A pesar de que este método, en condiciones más leves, es más probable que preserve la estructura del glucógeno, es difícil evitar que una parte del glucógeno se pierda en el sobrenadante, especialmente las partículas de glucógeno más pequeñas que son menos densas¹⁵. Otra causa potencial de la pérdida de glucógeno es que las condiciones más suaves permiten cierta degradación enzimática, lo que resulta en menores rendimientos de glucógeno en comparación con los métodos de extracción más duros. Investigaciones recientes informaron de la optimización del método de extracción de glucógeno hepático para preservar la estructura del glucógeno²¹. Aquí, se probaron varias concentraciones de sacarosa (30%, 50%, 72,5%) para determinar si las concentraciones más bajas de sacarosa minimizaban la pérdida de partículas de glucógeno más pequeñas. La razón era que la densidad más baja permitiría que partículas más pequeñas y menos densas penetraran en la capa de sacarosa y se agregaran en el gránulo con el resto del glucógeno.

En este estudio, se compararon los métodos de extracción con y sin un paso de ebullición de 10 minutos para probar si las enzimas de degradación de glucógeno podían desnaturalizarse, lo que resultaría en la extracción de más glucógeno que también estaba libre de degradación parcial. Se utilizaron distribuciones de tamaño molecular completo y distribuciones de longitud de cadena de glucógeno para determinar la estructura del glucógeno extraído, similar a una optimización de la extracción de almidón publicada anteriormente²². Se utilizó la cromatografía de exclusión por tamaño (SEC) con detección de índice de refracción diferencial (DRI) para obtener las distribuciones de tamaño del glucógeno, que describen el peso molecular total en función del tamaño molecular. Se utilizó la electroforesis de carbohidratos asistida por fluoróforos (FACE) para analizar las distribuciones de longitud de cadena, que describen el número relativo de cadenas de glucósidos de cada tamaño (o grado de polimerización) dado. En este trabajo se describe la metodología de extracción de glucógeno de los tejidos hepáticos basada en el estudio de optimización previo²¹. Los datos sugieren que el método más adecuado para preservar la estructura del glucógeno es una concentración de sacarosa del 30% con un paso de ebullición de 10 minutos.