Sintesi e degradazione del glicogeno - regolazione. degradazione. biosintesi. Glycogen phosphorylase. Glycogen synthase. Mutase

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1 Sintesi e degradazione del glicogeno - regolazione degradazione Glycogen phosphorylase biosintesi Glycogen synthase Mutase Glucose-6- phopshatase GLUT2 Hexokinase UDP-glucose pyrophosphorylase Mutase

2 Regolazione del metabolismo del Glicogeno Il glicogeno è il polisaccaride di riserva del glucosio in tutto il regno animale. È formato da catene di glucosio unite da legami 1-4 α-glicosidici, altamente ramificate (ogni 8-12 residui) con legami 1,6 α-glicosidici. La massa molecolare è molto elevata 1,4 α 1,6 α Particella del glicogeno, 20 nm, ~ 3-5 x 10 4 Glc >2000 estremità max 12 livelli di ramificazione Rosette formate da particelle È assemblato su una proteina centrale, la glicogenina, sotto forma di granuli densi, formati da glicogeno, dagli enzimi che lo sintetizzano e lo degradano, e dai componenti del sistema di controllo. È una forma di riserva a medio termine, immediatamente mobilizzabile (es. nel muscolo)

3 Caratteristiche e Funzione del Glicogeno Riserva di glucosio nelle cellule animali Formato dal glucosio in eccesso derivato dai carboidrati presenti nella dieta Accumulato principalmente nel fegato e nel muscolo 10% del peso 1-2% del peso La sua sintesi richiede energia (1ATP/residuo). Il vantaggio di un sistema di riserva polimerico è che riduce notevolmente sia il [Glc] ematico che il [Gluc] citoplasmatico NB. 0,01 mm glicogeno 0,4 M glucosio A differenza dei trigliceridi (riserva a lungo termine) - è immediatamente mobilizzato (combatti o fuggi) - il prodotto (Glc) può essere utilizzato in condizioni anaerobiche - fornisce Glc direttamente, mentre gli AG forniscono Ac-CoA che non può essere convertito in Glc La ramificazione fornisce molti terminali non-riducenti sui quali possono rapidamente agire gli enzimi che l assemblano o la degradano

4 Catabolismo del Glicogeno Rottura dei legami 1 4 da parte della glicogeno fosforilasi. L enzima catalizza l attacco del legame glicosidico da parte di Pi, liberando G-1-P Questa è una reazione di fosforolisi, dove l enzima, invece di usare H 2 O per l idrolisi del legame (che libererebbe Glc) usa Pi (H 3 PO 4 dissociato in HPO 2-4 a ph7) per liberare direttamente G-6-P (Glc già fosforilato). glicogeno fosforilasi fosfoglucomutasi La reazione di Glicogeno (n) + HPO 2-4 Glicogeno (n-1) + Glu-1P Glu-6P FOSFOROLISI (endogeno) fa risparmiare 1 ATP amilasi Glicogeno (n) + H 2 O Glicogeno (n-1) + Glu (esogeno) esochinasi ATP ADP Glu-6P Perché la fosforilasi possa funzionare correttamente, è necessario anche un enzima deramificante [ oligo ( 1 4) ( 1 4) glucan-traferasi e ( 1 6) glicosidasi ]. (N.B. ca. il 10% del glicogeno Glc, non G-1-P per azione della glicosidasi)

5 Funzioni della glicogenolisi Destini del G-6-P ottenuto dalla demolizione del glicogeno: - Nel muscolo: via glicolitica produzione di ATP (necessario per la contrazione muscolare) buon apporto di ossigeno (buona circolazione e irrorazione) (fibre muscolari ROSSE) completamente ossidato a CO 2 e H 2 O ossigeno insufficiente per l ossidazione completa piruvato lattato (fibre muscolari BIANCHE) -Nel fegato: defosforilato dalla G-6-Pasi ed esportato nel sangue CO 2

6 Enzima regolatore della glicogenolisi: Glicogeno fosforilasi La Glicogeno fosforilasi è un enzima omodimerico. È allostericamente regolato da: AMP ATP G-6-P Il controllo allosterico permette alla cellula di adeguarsi alle sue normali esigenze metaboliche + AMP Regulatory site v + ATP Glicogen binding site [Pi] L enzima lega il Pi in modo cooperativo, e l attività aumenta in un arco ristretto di [Pi] (curva sigmoide) Utilizza il pirodossalfosfato come coenzima, per attivare Pi, un uso insolito (è più tipicamente coinvolto nel metabolismo degli amminoacidi, es. nelle aminotrasferasi)

7 Regolazione della Glicogeno fosforilasi 2 Glc insulina PPP1 Pi Quando non è fosforilata, la Glicogeno fosforilasi è nello stato Teso meno attivo e sotto controllo allosterico per inibizione da parte di ATP e G-6-P e per attivazione da AMP ( stato Rilassato) In condizioni critiche, quando c è una necessita immediata di ATP, il controllo per fosforilazione, effettuato dalla PKA, ha precedenza su quello allosterico. La fosforilazione delle Ser14 in entrambe le subunità della Glicogeno fosforilasi convertono l enzima nella forma più attiva e meno soggetta a controllo allosterico da ATP e G-6.P. La defosforilazione da parte della PPP1 (insulina) ritorna l enzima alla forma meno attiva. Nel fegato, il glucosio ha un effetto allosterico inibente, poiché induce una modificazione conformazionale che espone il residuo Ser alla fosfatasi (sensore per [Glc] ematiche).

8 PKA CaM-K PPP-1 camp; Ca 2+ (recettori legati a Gαs o a Gq) PKA, CaM-K. Attivano la scissione fosforolitica del glicogeno nel muscolo, che è anche meno dipendente dallo stato energetico cellulare Insulina: ripristina il controllo allosterico. Il glicogeno viene scisso solo se la carica energetica è bassa (rapporto AMP/ATP )

9 Regolazione differenziata della Glicogeno fosforilasi (GP) nel muscolo e nel fegato Muscolo Fegato muscolo : epinefrina Gαs, Gq camp; Ca 2+ fegato: glucagone Gαs camp Gq camp PKA GPb chinasi GPa (GPb kinase) [Ca 2+ ] Nel muscolo la GPb chinasi è anche sotto controllo della CamK (calmodulina-dipendente, sensibile all aumento di Ca 2+, necessario per la contrazione muscolare) Insulina PPP1 [AMP] Insulina PPP1 la GPb chinasi è attivata da AMP mentre ATP la spiazza riducendo l attività) La cascata del segnale è rapida e comporta una notevole amplificazione del segnale

10 La regolazione della Glicogeno fosforilasi (GF) avviene a diversi livelli GFb chinasi GFb chinasi meno attiva più attiva Glicogeno Fosforilasi b Glicogeno Fosforilasi a PPP1 Glucosio PP-I Inibitore di PPP1 PKA PPP2A X-5-P PP-I

11 Sintesi del Glicogeno Dopo un pasto ricco in carboidrati l eccesso di glucosio nel sangue (circolo entero-epatico) viene trasportato negli epatociti. L elevata K M della GLUT2 assicura un trasporto proporzionale alla glicemia, mentre la glucochinasi garantisce la simultanea fosforilazione a G-6-P I sistemi allosterici di controllo della glicolisi impediscono l utilizzo di G-6-P se la carica energetica e livelli di Ac-CoA sono elevati. G-6-P è quindi convertito in G-1-P dalla fosfoglucomutasi, L elevata concentrazione di Pi rende la depolimerizzazione del glicogeno, catalizzata dalla Glicogeno fosforilasi, irreversibile. Quindi, il processo di polimerizzazione richiede l attivazione del G-1-P per un processo alternativo di polimerizzazione La forma attivata del glucosio è l Uridin-difosfo glucosio (UDPG) L attivazione del carbonio anomerico degli zuccheri mediante legame con un nucleotide è un modo comune a molte reazioni di trasformazione o polimerizzazione degli esosi. glucosio legame fosfo-estere difosfato uracile Uridina ribosio

12 Attivazione del G-1-P per la polimerizzazione La reazione è catalizzata dalla UDP-glucosio pirofosforilasi Il pirofosfato (PPi) liberato è rapidamente idrolizzato ad ortofosfato (Pi) (reazione altamente esoergonica) dalla pirofosfatasi inorganica, spingendo la reazione verso la sintesi dell UDP-glucosio. I livelli di UTP sono poi ripristinati dallo scambio di fosfato con una sola molecola di ATP UDP + ATP UTP + ADP Nucleoside difosfato chinasi L attivazione del glucosio è un processo energeticamente costoso: per ogni molecola di Glc da attivare viene spesa una molecola di ATP però la degradazione del glicogeno fornisce direttamente G-6-P (ca. il 90%), e quindi è equivalente alla 1 a reazione d innesto della glicolisi. Il costo è principalmente per il fegato che defosforila G-6-P per esporto.

13 Polimerizzazione del G-1-P L UDPG ha un elevato potenziale di trasferimento dell unità glucosidica La glicogeno sintasi, una transferasi, è un enzima omodimerico con due isoforme; L solo nel fegato ed M nel muscolo ed altri tessuti L enzima agisce su una catena primer di 8 residui Glc che si forma su un residuo di Tyr nella Glicogenina (reazione glicosil-trasferasica autocatalizzata) L unità glicosidica attivata dell UDP-glucosio è trasferita al gruppo ossidrilico C4 (nonriducente) del Glicogeno formando un legame glicosidico α-1,4. Si libera UDP, che è riconvertito ad UTP dalla nucleoside difosfato chinasi La necessità di poter degradare rapidamente il Glicogeno richiede un elevata ramificazione del polimero (ogni 8-12 residui) da parte dell enzima ramificante ( amilo ( 1 4) ( 1 6) transglicosilasi ).

14 Enzima ramificante residui attività della (autocatalizzata) glicosiltrasferasi Glicogeno sintasi (fino a resiudui) 12 file estensione primer fino a 8 residui (autocatalizzata) Particella del glicogeno 20 nm ~ 3-5 x 10 4 Glc > 2000 estremità max 12 livelli di ramificazione

15 Regolazione della Glicogeno sintasi La Glicogeno sintasi è regolata allostericamente da Pi ( ) e G-6-P ( ) Quando [G6P] aumenta, viene immagazzinato come polisaccaride La regolazione della La Glicogeno sintasi, come quella della Glicogeno fosforilasi, avviene a diversi livelli, ed in modo simile ma RECIPROCO. La Glicogeno sintasi ha molti siti di fosforilazione ed è disattivata da 11 diverse chinasi (modulo 2, scheda 22). sintesi del glicogeno inibita anche se [G-6-P] è alta Ca 2+, Glc glicolisi Ca 2+, DAG camp ADP GPb-K CAM-K PKC PKA GSa-K ATP degradazione glicogeno PPP1 insulina Inattiva P P P Glicogeno sintasi b (GSb) Glicogeno sintasi a (GSa) Attiva Pi G-6-P insulina insulina G-6-P PPP1 Pi glucagone/camp PKA inibitore di PPP1 PPP2A X-5-P

16 Regolazione reciproca delle Glicogeno sintasi e Glicogeno fosforilasi glucagone epinefrina PKA PKC CAM-K G s, Gq, (camp, DAG,Ca 2+ ) Insulina La glicogeno fosforilasi e la glicogeno sintasi non sono mai completamente attive nello stesso momento. I segnali e sistemi di controllo che stimolano un enzima inibiscono l altro