Metabolismo del glicogeno e regolazione glicemia

L’attività della fosforilasi chinasi è massima quando:

- l’enzima è fosforilato dalla fosforilasi chinasi e dalla PKA, che lo attivano

- sono presenti alte concentrazioni di AMP e basse di ATP e glucosio-6-fosfato

l’enzima è legato al calcio, che attiva la fosforilasi chinasi

-

Fegato:

Nel fegato la forma prevalente è la forma A.

La molecola di glucosio è un effettore allosterico della fosforilasi A: se il glucosio aumenta, si lega alla fosforilasi A convertendola

nella forma inattiva e bloccando la glicogenolisi. Quando la concentrazione di glucosio scende, l’inibizione allosterica della

fosforilasi è poca e la fosforilasi si attiva.

La glicogeno fosforilasi è quindi un sensore della concentrazione di glucosio.

Il segnale biologico che attiva la PKA e la fosforilasi chinasi è un ormone:

- nel muscolo, l’adrenalina

- nel fegato, il glucagone

Glicogenosintesi

La glicogeno sintesi è la via che porta alla formazione del glicogeno a partire da glucosio. Non è l’inverso della glicogenosintesi in

quanto presenta enzimi differenti, che aumentano la possibilità di regolazione indipendente delle due vie.

I tappa: →

glucosio 6-fosfato glucosio 1-fosfato

Enzima: fosfoglucomutasi

L’enzima è lo stesso della via di degradazione del glicogeno.

Presenta un residuo di Serina fosforilato che cede al

glucosio 6-fosfato il gruppo fosforico formando un

intermedio che è il glucosio 1,6-bisfosfato.

Da questo intermedio la Ser sottrae il gruppo fosfato sul C6

formando il glucosio 1-fosfato.

II tappa: →

glucosio 1-fosfato + uridina trifosfato UDP-glucosio

Enzima: UDP-glucosio pirofosforilasi

Il reale precursore del glicogeno è una forma attivata del G-

1P, ovvero l’uridin difosfo-glucosio o (UDP-glucosio). Questo

composto entra in gioco in tutte le reazioni di

polimerizzazione di monosaccaridi.

La formazione dell’UDP-glucosio avviene a partire dal

glucosio 1-fosfato e l’uridina trifosfato, tramite la perdita di

un pirofosfato PPi. La scissione del pirofosfato in due gruppi

da parte della pirofosfatasi inorganica determina

l’irreversibilità della reazione.

Un ossigeno del fosfato attacca il P in posizione α dell’uridina

trifosfato, liberando PPi.

I due gruppi fosfati che si trovano nella molecola di UDP

hanno quindi origine diversa:

- uno deriva dal glucosio 1-P

- uno deriva dall’uridina trifosfato

Si forma UDP-glucosio

III tappa: trasferimento di UDP-glucosio all’estremità non riducente di una catena di glicogeno

Enzima: glicogeno sintasi

La glicogeno sintasi agisce inserendo gli UDP-glucosio a livello dell’estremità non riducente di una catena di glucosio già formata,

che superi una certa lunghezza, tramite la liberazione dell’UDP.

Formazione iniziale della catena:

L’enzima glicogeno sintasi può solamente allungare una catena pre esistente di residui di glucosio legati da legami α(1→4), ma è

necessario un primer che inizi la reazione. Tale funzione è svolta dalla glicogenina.

La glicogenina è una glicosiltrasferasi dimerica in cui ogni subunità catalizza l’aggiunta di 8 unità di glucosio a livello di un -OH

del residuo di Tirosina 194, con un processo di autoglicosilazione UDP-glucosio dipendente. L’attività catalitica di una subunità

permette la glicosilazione dell’altra subunità all’interno del dimero, fino a formare catene di 8 glucosi. A questo punto può

intervenire

nuovamente la

glicogeno sintasi.

Formazione delle ramificazioni: →

Le ramificazioni si formano per l’azione dell’enzima ramificante (amilo 1,4 1,6 transglicosilasi). Questo enzima:

→

- rompe un legame α(1 4) e stacca 6-7 residui di glucosio da una catena lunga almeno 11 residui

- forma un legame α(1→6) attaccando i 6-7 residui di glucosio su una catena diversa, ad almeno 4 residui di distanza da

una ramificazione pre-esistente.

La presenza di ramificazioni aumenta la solubilità del glicogeno e la velocità di sintesi e di degradazione della molecola, creando

più estremità non riducenti che sono i siti di azione dell’enzima glicogeno sintasi e glicogeno fosforilasi.

Regolazione della glicogenosintesi

La regolazione della glicogenosintesi avviene a livello dell’enzima glicogeno sintasi, che unisce UDP-glucosio a catene di

glicogeno preesistenti.

La glicogeno sintasi è un enzima tetramerico, costituito da 4 subunità uguali (omotetramerico), ed esiste in due forme:

- forma “A” o “i” (indipendente da G6P): attiva, non fosforilata

- forma “B” o “d” (dipendente da G6P): non attiva, fosforilata.

Agiscono sulla fosforilazione/defosforilazione diversi enzimi, chinasi per la fosforilazione e fosfatasi per la de-fosforilazione. In

particolare:

- proteina chinasi 3 (GSK3): Fosforila la glicogeno sintasi, inattivandola.

- la proteina fosfatasi 1 (PP1) defosforila la glicogeno sintasi, attivandola.

Proteina chinasi 3 (GSK3)

Enzima che inattiva la glicogeno sintasi.

Necessita dell’azione della caseina chinasi II (CKII). Può agire sulla glicogeno sintasi solo se l’enzima glicogeno sintasi è stato

precedentemente fosforilata dalla CKII. Aggiunge tre gruppi fosfato a 3 residui di Serina dell’enzima solo se la CKII ha aggiunto

precedentemente un gruppo fosfato su un residuo di Serina.

La GSK3 è inoltre resa inattiva dalla fosforilazione insulino-dipendente di un suo residuo di Serina all’estremità N-terminale, che

si ripiega e occupa il sito di priming.

➔ → → → →

Insulina fosforilazione GSK3 inattivazione GSK3 non fosforilazione di glicogeno sintasi attivazione di

glicogeno sintasi

Proteina fosfatasi 1 (PP1)

La proteina fosfatasi 1 o PP1 agisce anche sulla defosforilazione dell’enzima glicogeno fosforilasi nella glicogenolisi. In questo

caso defosforila la glicogeno fosforilasi e quindi inattiva la sua funzione. Quindi la PP1:

- attiva la glicogenosintesi, defosforilando e quindi attivando la glicogeno sintasi

- inattiva la glicogenolisi, defosforilando e quindi inattivando la glicogeno fosforilasi.

Non agiscono sulla regolazione della glicogenosintesi gli effettori allosterici (quali AMP, ATP e Glucosio 6-P) come avveniva

invece per la glicogenolisi.

L’enzima presenta numerosi siti di fosforilazione: man mano che un numero maggiore di siti viene fosforilato, l’attività

dell’enzima diminuisce.

Glicogeno sintesi / Glicogeno lisi

Gli eventi di fosforilazione e defosforilazione intervengono sia nella glicogeno sintesi che nella glicogenolisi

- fosforilazione: tramite enzimi differenti:

o si glicogenolisi, con fosforilasi chinasi e proteina chinasi A (PKA)

o no glicogenosintesi, con proteina chinasi 3 (GSK3)

- defosforilazione: tramite un unico enzima, proteina fosfatasi 1 (PP1)

o no glicogenolisi

o si glicogenosintesi

Regolazione della Proteina fosfatasi 1

Siccome la PP1, proteina fosfatasi 1, può interagire sia con la glicogeno sintasi che con la glicogeno fosforilasi, necessita di una

regolazione, che avviene tramite:

- recettori allosterici

- processi di fosforilazione

PP1 e glicogeno fosforilasi

La PP1 lega l’enzima glicogeno fosforilasi tramite una proteina che si chiama GL (nel fegato) o GM (nel muscolo). Questa

proteina forma un complesso che può legare effettori allosterici come il glucosio.

La fosforilasi a nello stato R è legata tramite la proteina

GL alla PP1.

Il glucosio, se ad alte concentrazioni interrompe

- la glicogenolisi: si lega alla glicogeno fosforilasi

portandola allo stato T.

Nello stato T la fosforilasi si stacca da PP1 ed

- espone il residuo di serina 14-P

La PP1, adesso libera, stacca il fosfato dalla

- serina 14 e trasforma la fosforilasi a in b, la

forma inattiva

La PP1 inoltre stacca i fosfati dalle tre serine

- della glicogeno sintasi b, trasformandola nella

forma attiva e promuovendo la glicogenosintesi.

→

➔ Glucosio distacco PP1 e GL dalla glicogeno

→

fosforilasi a defosforilazione della glicogeno

→

fosforilasi che diventa inattiva (b) stop glicogenolisi →

➔ Defosforilazione della glicogeno sintasi che diventa attivo glicogeno sintesi

A sua volta le proteine GM e GL sono bersaglio di modificazioni:

- L’insulina fosforila GM su un suo sito

- Il glucagone o l’adrenalina la fosforilano su un altro sito

1- La fosforilazione insulino-dipendente di GM attiva la PP1, che defosforila:

a. La glicogeno fosforilasi, inibendo la glicogenolisi

b. La glicogeno sintasi, attivando la glicogeno sintesi

2- La fosforilazione adrenalina/glucagone dipendente di GM fa staccare la PP1 dal complesso. La PP1 può essere legata ad

un inibitore che la inattiva. L’inattivazione della PP1 determina:

a. Attivazione della glicogenolisi

b. Inibizione della glicogenosintesi

Malattie da accumulo di glicogeno – glicogenosi

Le glicogenosi sono enzimopatologie associate ad un abnorme accumulo di glicogeno nelle cellule, dovute ad alterazioni di

enzimi che partecipano al metabolismo del glicogeno nel fegato o nel tessuto muscolare. La struttura del glicogeno accumulato

più essere normale o alterata.

Sintomi: Glicogenosi epatiche: ipoglicemia, dovuta all’incapacità del fegato di rilasciare glucosio nel sangue durante i periodi di

digiuno. Glicogenosi muscolare: debolezza muscolare, difficoltà ad eseguire esercizi fisici

Glicogenosi di tipo I

Deficienza epatica di glucosio-6-fosfatasi: il glucosio 6-fosfato non viene rilasciato come glucosio libero (causa quindi

ipoglicemia) ma rimane nelle cellule, dove:

- Stimola la glicolisi con conseguente accumulo di lattato nel sangue, che determina acidosi metabolica. Il piruvato

prodotto dalla glicolisi va anche a formare acetil-CoA e quindi corpi chetonici, che contribuiscono ancora di più

all’acidosi metabolica.

- Attiva la glicogeno sintasi b con meccanismo allosterico, quindi la glicogenosintesi. Il glicogeno si accumula nel fegato

che risulta ingrossato.

Glicogenolisi di tipo II – malattia di Pompe →

L’accumulo di glicogeno avviene all’interno dei lisosomi, se privi dell’enzima α-1 4 glicosidasi. Questo enzima si trova

solitamente nei lisosomi dove idrolizza maltosio e altri oligosaccaridi lineare agendo anche sulle ramificazioni più esterne del

glicogeno. Di solito non partecipa al metabolismo principale del glicogeno ma è una via alternativa, ma la carenza dell’enzima ha

effetti molto gravi: la morte sopravviene prima del primo anno di età per arresto cardiocircolatorio.

Glicogenosi di tipo III – malattia di Cori

L’enzima che manca è l’enzima deramificante, per cui i