3 - Metabolismo glucidico epatico

REGOLAZIONE ORMONALE DELLA GLICOGENOSINTESI

L’ormone responsabile della regolazione della glicogenosintesi è l’insulina, secreta dalle cellule

beta del pancreas in condizioni iperglicemiche. In queste condizioni il glucosi entra negli epatociti

tramite GLUT2 e viene utilizzato per sintetizzare il glicogeno.

Come fanno le cellule beta a rilasciare insulina?

Nel pancreas, così come nel fegato, è presente il trasportatore GLUT2, con alta Kt, per cui più

glucosio sarà presente in circolo e più ne entrerà nelle cellule. All’interno delle cellule, il glucosio

viene convertito in G6P dalla GK (HK IV) che lavora anch’essa con elevata Km (più Glu è presente

e più G6P produce). Nel pancreas il G6P prende la via glicolitica con formazione di piruvato che

entra nei mitocondri dove viene convertito in AcetilCoA che entra nel ciclo di Krebs. Dal ciclo si

ottengono intermedi riducenti in forma di NADH e FADH2 che vengono utilizzati nella

fosforilazione ossidativa per produrre ATP. L’↑ATP blocca i canali per il K+ lengandosi alla

subunità regolatoria SUR1. Con la chiusura di tali canali il potassio si accumula all’interno della

cellula provocando una depolarizzazione che determina l’apertura dei canali per il Ca2+ voltaggio-

dipendenti. L’aumento della concentrazione di Ca2+ promuove l’esocitosi dei granuli di insulina

preformati.

Nei soggetti affetti da D.M. di tipo II si utilizzano le Sulfuniluree, farmaci orali con effetto

ipoglicemizzante che mimano l’azione dell’ATP legandosi alle subunità SUR1 del canale per il K+

bloccandone l’attività quindi provocando l’apertura dei canali per il calcio e l’esocitosi dei granuli

contenenti insulina.

Ci sono patologie alla cui base vi è una mutazione nel gene che codifica per il canale del K+ tali che

alcune mutazioni fanno si che il canale sia sempre aperto altre che il canale sia sempre chiuso. In

caso di canale sempre aperto saremo in presenza di una condizione iperglicemica appartenete al DM

di tipo I, nel caso di canale semprechiuso avremo un’eccessiva produzione e rilascio di insulina

quindi una persistente condizione ipoglicemica risolvibile mediante la resezione parziale del

pancreas. 22

Dove agisce l’insulina?

L’insulina agisce legandosi a Rc con attività tirosin-chinasica intrinseca presenti sulla membrana

degli epatociti dove promuove la glicogenosintesi (ma non solo).

I Rc per l’insulina sono presenti anche in altri tessuti come il muscolare e l’adiposo; in questi tessuti

il glucosio entra con GLUT4 che è un trasportatore insulino-dipendente, pertanto l’effetto primario

dell’insulina su tali tessuti sarà l’aumento dell’uptake di glucosio. I muscoli utilizzano il glicosio

per la sintesi di glicogeno (in particolare le fibre bianche), il tessuto adiposo utilizza glucosio per la

produzione di glicerolo-3-P necessario alla biosintesi dei TAG.

Che effetto ha l’insulina sul metabolismo epatico e muscolare dei carboidrati?

A livello epatico l’insulina media effetti opposti a quelli esercitati dal glucagone (vedi signaling

mentre nel tessuto muscolare e adiposo aumenta l’uptake di glucosio.

insulina)

Il legame dell’insulina al Rc innesca l’attività tirosin-chinasica del recettore e ciascuna subunità

beta fosforila residui di Tyr dell’altra subunità beta (=auto-trans-fosforilazione). In questa forma

fosforilata, il recettore è in grado di legare e fosforilare il substrato 1 del recettore dell’insulina

(IRS1). Su IRS1-P si lega la proteina Fosfatidil-inositolo-3-chinasi che addiziona un gruppo -P al

Fosfatidilinositolo-4,5-bisP (PIP2) della membrana plasmatica con formazione di PI-3,4,5-triP

(PIP3).

PIP3 rimane nella membrana e recluta PDK1 (chinasi dipendente dal fosfatidil-inositolo) e PKB

(chiamata anche Akt). PDK1 fosforila ed attiva PKB. PKB-P si dissocia dal PIP-3 ed esplica la sua

azione nel citosol fosforilando residui di Ser e Thr di varie proteine bersaglio.

Che cosa fa PKB? Aumenta l’up-take di glucosio e la glicogenosintesi. Come?

1. Aumenta il numero di trasportatori Glut-4

esposti sulla membrana cellulare nei tessuti

insulino-dipendenti (tessuto muscolare ed

adiposo). Il Glut-4 è gia preformato e contenuto

all’interno di vescicole endocitiche. L’aumento di

Glut-4 nel tessuto adiposo e muscolare, facilita

l’up-take di glucosio quindi la diminuzione della

glicemia.

2. Inibisce la Glicogeno-sintasi-kinasi 3 (GSK3)

mediante fosforilazione. GSK3-P non è più in

grado di fosforilare la glicogeno-sintasi che rimane

quindi attiva. Ciò assicura la sintesi di glicogeno

nel fegato e nel tessuto muscolare.

3. Attiva le Fosfodiesterasi che rompono il legame fosfodiestere del cAMP, impedendo quindi

l’attivazione della PKA e spegnendo il signaling avviato dal glucagone.

4. Attiva le Fosfoproteine fosfatasi PP1. Mentre il glucagone attivava l’inibitore 1 che inibiva

l’azione delle PP, l’insulina fa l’esatto opposto. L’azione delle PP è ‘facilitata’ dal G6P

(abbondantemente presente perché siamo in condizioni iperglicemiche) che determina una

modifica conformazionale nella glicogeno sintasi rendendola più sensibile all’attività delle PP.

In particolare le PP rimuovono i gruppi -P:

- dalla glicogeno sintasi che si attiva; 23

- dalla glicogeno-fosforilasi-chinasi che si inattiva —> di conseguenza non di attiva la

glicogeno-fosforilasi.

5. Modificazione dell’espressione genica con aumento dell’espressione di enzimi glicolitici ed in

generale degli enzimi coinvolti nelle vie biosintetiche e diminuzione dell’espressione di enzimi

gluconeogenetici e catabolici.

6. Attivazione dello Shunt

7. Attivazione della biosintesi degli acidi grassi

Per quanto riguarda le Fosfoproteine fosfatasi non si sa ancora bene come funzionino queste

proteine a livello epatico mentre è noto il loro funzionamento a livello muscolare. Sembra che le

PP1 vengano attivate da delle kinasi insulino-sensibili che nel muscolo vanno a fosforilare la

proteina G attivandola (G nel fegato). La proteina GM è associata ai granuli di glicogeno ed

M L

attiva a sua volta la PP1 permettendone il distacco dai

granuli. PP1 così libera nel citosol può rimuovere i gruppi

-P dalla glicogeno sintasi (attivandola) e dalla glicogeno-

fosforilasi (inattivandola).

L’adrenalina (il muscolo non ha rc per il glucagone)

induce invece l’inattivazione delle PP1 mediante il

signaling mediato dalla PKA. La PKA va ad aggiungere

un ulteriore gruppo -P alla proteina GM (GM-P-P) con

una conseguente modificazione conformazionale che ne

deterina il distacco dal granulo insieme alle PP1. PP1

libera nel citosol può così interagire con l’Inibitore 1,

contemporaneamente attivato dalla PKA. 24

SCHEMA RIASSUNTIVO della regolazione del metabolismo dei Carboidrati nel fegato.

IPOGLICEMIA - Una bassa concentrazione ematica di

glucosio determina un aumento della secrezione di

Glucagone, che mediante un signaling con cAMP come

secondo messaggero, attiva la PKA. La PKA attiva a sua

volta la fosforilasi chinasi che aumenta l’attività della

glicogeno fosforilasi con liberazione di monomeri di Glu1P

convertiti in G6P quindi in Glucosio che può andare in

circolo ed innalzare la glicemia.

Contemporaneamente la PKA inattiva la glicogeno sintasi

bloccando la sintesi di glicogeno.

La PKA inoltre inattiva la piruvato chinasi (enzima

glicolitico) quindi rallente la glicolisi.

La PKA fosforila la PFK2 (enzima tandem vedi oltre)

attivandone l’attività fosfatasica; ciò comporta una

riduzione dei livelli di F2,6bisP con conseguente riduzione

dell’attività della fosfofruttochinasi-1 (il F2,6bP è

modulatore allosterico dell’enzima nonché un potente

attivatore della via glicolitica), quindi diminuisce la

glicolisi.

F2,6bP ed enzima tandem: Nella via glicolitica un ruolo importante è

svolto dal F2,6bP che è un attivatore allosterico della PFK1 della

glicolisi ed un inibitore della gluconeogenesi. Il F2,6bP non è un

intermedio della via glicolitica in quanto la PFK1 non può aggiungere -

P in posizione 2. La sua sintesi avviene ad opera di una fruttosio-2.6-

bisfosfatasi (F2,6bPasi). In questo enzima, il dominio fosfatasico ed il

dominio chinasico sono due entità distinte facenti parte della stessa

proteina. Nel complesso l’enzima presenta 3 domini: fosfatasico

(F2,6bP→F6P), chinasico (F6P →F1,6bP) e regolatorio. Questo tipo di

enzima che presenta sia attività chinasica che fosfatasica è definito

enzima tandem. Come passo da attività fosfatasica a chinasica e

viceversa? Quando l’enzima è fosforilato nel suo dominio regolatore si

comporta come fosfatasi; quando è defosforilato si comporta come

chinasi

IPERGLICEMIA - Alti livelli ematici di glucosio portano all’aumento del rilascio di insulina. Un

aumento di insulina determina l’attivazione delle chinasi-insulino-sensibili che (indirettamente)

portano all’attivazione delle PP1 che a loro volta attivano la glicogeno sintasi ed inattivano la

fosforilasi chinasi quindi la glicogeno fosforilasi. L’azione delle PP1 è favorita dal glucosio che si

lega allostericamente alla glicogeno fosforilasi attiva inducendone una modifica conformazionale

che la rende più suscettibile all’attività delle PP1. Alti livelli di insulina portano all’attivazione della

PKB che attiva GSK3 e di conseguenza la glicogeno-sintasi. L’insulina promuove inoltre

l’espressione dell’HK II, della Fosfofrutto-chinasi 1 e della Piruvato chinasi, implicate nel processo

glicolitico e nella glicogeno-sintesi. Infine promuove il reclutamento dei GLUT-4, aumentando

l’uptake di glucosio nei tessuti insulino-dipendenti. 25

Schema riassuntivo sul controllo ormonale del metabolismo del glicogeno (vedi appunti immagine)

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GLUCONEOGENESI

In condizioni di digiuno notturno o prolungato, al protrarsi quindi della condizione ipoglicemica,

il fegato, e nelle fasi di digiuno avanzato anche il rene, da avvio alla gluconeogenesi. La

Gluconeogenesi è il processo di trasformazione di materiale non glucidico in glucosio. Tramite

questo processo il fegato riesce a mantenere i normali livelli glicemici per assicurare un adeguato

rifornimento di glucosio ai tessuti che più ne necessitano (RBC, cervello, sistema nervoso,

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midollare del rene e del surrene).

In una giornata tipo il processo di gluconeogenesi risulta particolarmente attivo prima della

colazione, in concomitanza con l’innalzamento del livello di cortisolo, da ciò deduciamo che tale

ormone svolga un import