Metabolismo del glicogeno e regolazione glicemia

Glicogeno

Il glicogeno è la forma in cui il glucosio viene immagazzinato nei tessuti animali. L’immagazzinamento avviene per l’esigenza di non aumentare in modo eccessivo la pressione osmotica delle cellule. Le sedi di immagazzinamento sono:

• Fegato: 1/3 del glicogeno, circa 4-8g/100g unica forma di glicogeno che mantiene i livelli di glicemia costanti fra i pasti, formando glucosio che viene liberato nel sangue
• Tessuto muscolare: 2/3 del glicogeno, 1g/100 utilizzato per produrre glucosio direttamente nel muscolo sotto sforzo, che necessita di ATP.

Il glicogeno si trova nelle cellule accumulato in grandi granuli sferoidali di circa 40 nm. All’interno dei granuli troviamo fino a 12 strati del polimero di glucosio che circondano la glicogenina, da dove parte la sintesi. La superficie del granulo presenta invece estremità non riducenti da cui parte la sua degradazione. Nel granulo troviamo anche enzimi capaci di polimerizzare e depolimerizzare la molecola. Quindi in un granulo troviamo:

• Glicogeno
• Glicogenina
• Enzimi che ne controllano il metabolismo.

Struttura del glicogeno

Il glicogeno è un polimero idratato del glucosio: per ogni grammo di glicogeno vi si legano 2 grammi di H₂O. Questa idratazione permette agli enzimi che lo sintetizzano e che lo degradano di svolgere il loro ruolo. Presenta monomeri di glucosio legati da:

• Legami α(1→4) glicosidici nelle catene laterali
• Legami α(1→6) glicosidici nella catene ramificate

Glicogenolisi

La glicogenolisi è il processo di degradazione del glicogeno in glucosio. Nel fegato il glicogeno rimane per circa 12-24h, nel muscolo da 1-2h. Le tappe della glicogenolisi sono:

→ Glicogeno → glucosio 1-fosfato → glucosio 6-fosfato

Nel muscolo e nel tessuto nervoso il glucosio 6-fosfato prodotto procede verso la via glicolitica. Nel fegato viene defosforilato a glucosio libero per essere rilasciato in circolo. In altri casi può prendere la via dei pentosi-fosfato se c’è necessità di agenti riducenti o ribosio 5-fosfato. La glicogenolisi avviene rimuovendo progressivamente unità a partire dall’estremità non riducenti del polimero (quelle che hanno sul C4 un -OH esposto). Le ramificazioni permettono agli enzimi litici di procedere più velocemente.

Enzimi coinvolti nella glicogenolisi

• Glicogeno fosforilasi, che catalizza la fosforolisi del glicogeno con la rimozione del residuo di glucosio terminale dall’estremità non riducente
• Enzima deramificante: che rimuove le ramificazioni rendendo le unità glucosidiche accessibili all’attacco delle fosforilasi
• Fosfoglucomutasi: che muta il G1P in G6P

I tappa: Scissione fosforolitica tramite glicogeno fosforilasi

La glicogeno fosforilasi usa una molecola di fosfato inorganico per catalizzare la scissione fosforolitica del legame α(1→4) glicosidico più vicino ad un’estremità non riducente, liberando una molecola di glucosio 1-fosfato. La scissione fosforolitica è energeticamente vantaggiosa perché lo zucchero rilasciato è già fosforilato.

Nel sito attivo della fosforilasi è presente una molecola di piridossal fosfato (PLP) che partecipa alla catalisi. Il gruppo fosfato del PLP interagisce con il fosfato inorganico, fungendo da donatore di protoni. Il gruppo fosfato viene dunque protonato. Il gruppo fosfato protonato è in grado di attaccare il legame α(1→4) a livello dell’ossigeno: il legame si scinde formando un carbocatione. Il successivo trasferimento del gruppo fosfato a livello del carbocatione forma il glucosio 1-fosfato. Il protone è riceduto al PLP.

La glicogeno fosforilasi agisce progressivamente continuando ad idrolizzare i legami fino a quando non arriva a 4 residui di glucosio dal punto di ramificazione. A questo punto interviene l’enzima deramificante.

II tappa: Scissione delle ramificazioni tramite l’enzima deramificante

L’enzima deramificante agisce 4 molecole di glucosio prima rispetto alla ramificazione. Catalizza due reazioni:

• Distacco e trasferimento sull’estremità riducente di tre residui di glucosio, tramite la sua attività transferasica
• Idrolisi del legame α(1→6), tramite la sua attività glicosidasica e con formazione di un glucosio libero e non glucosio 1-fosfato

Le tre catene sono soggette nuovamente all’enzima glicogeno fosforilasi.

III tappa: Conversione di glucosio 1-fosfato in glucosio 6-fosfato tramite l’enzima fosfoglucomutasi

In questa tappa il glucosio 1-P viene modificato in glucosio 6-P che intraprenderà vie diverse a seconda dei tessuti. La reazione avviene tramite un residuo di Ser fosforilato nel sito attivo dell’enzima fosfoglucomutasi che:

• Dona al C6 il gruppo fosfato
• Si crea un intermedio diglucosio 1,6-bisfosfato
• Prende il gruppo fosfato dal C1, formando glucosio 6-fosfato

La via seguita dal glucosio 6-fosfato dipende poi dal tessuto in cui avviene:

• Nel muscolo il glucosio 6-fosfato viene ossidato nella glicolisi e poi nel ciclo di Krebs per formare energia oppure usato nella via dei pentosi fosfato
• Nel fegato il glucosio 6-fosfato viene scisso dal gruppo fosfato in glucosio tramite la glucosio 6-fosfatasi, che viene poi liberato nel sangue.

Regolazione della glicogenolisi

Regolazione dell’enzima glicogeno fosforilasi

L’enzima glicogeno fosforilasi è regolato da:

• Effettori allosterici, per cui piccole molecole regolano l’attività dell’enzima
• Fosforilazione reversibile, a sua volta controllata da ormoni quali insulina, adrenalina e glucagone

Si può trovare in due forme:

• Forma A: prevalentemente attiva, ha il residuo di Ser fosforilato
• Forma B: prevalentemente inattiva

Entrambe le forme si possono trovare in uno stato rilassato R, attivo e in uno stato teso T, inattivo.

• L’equilibrio della fosforilasi A è prevalentemente verso lo stato R
• L’equilibrio della fosforilasi B è prevalentemente verso lo stato T

L’interconversione delle due forme coinvolge tre enzimi:

• Fosforilasi chinasi che fosforila la glicogeno fosforilasi
• Proteina chinasi A che fosforila la fosforilasi chinasi
• Fosfoproteina fosfatasi-1 che defosforila e quindi inattiva la fosforilasi chinasi e la proteina chinasi A.

Muscolo

Nel muscolo a riposo l’enzima si trova nella forma B, non attiva e non fosforilata. In presenza di alte concentrazioni di AMP, prodotti dalla contrazione muscolare, la forma B si attiva in forma A fosforilata, quindi:

• AMP: effettore positivo
• ATP e glucosio 6-fosfato: effettori allosterici negativi, che mantengono la forma B

Inoltre, nel muscolo in contrazione aumenta la concentrazione di ioni Calcio che può parzialmente attivare la fosforilasi chinasi e di conseguenza attivare la fosforilasi in forma A, in quanto questa presenta la calmodulina sensibile al Calcio. 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.