REGOLAZIONE DEL METABOLISMO GLUCIDICO

IL METABOLISMO DEL GLICOGENO E FINEMENTE REGOLATO: Quando è attiva la sua sintesi non è attiva la sua demolizione e viceversa

I principali ormoni che controllano il metabolismo glucidico sono: Glucagone Insulina Adrenalina REGOLANO IL FLUSSO DEI METABOLITI NELLA GLICOLISI, NELLA GLICOGENO-SINTESI, NELLA GLIGENO-LISI E NELLA GLUCONEOGENESI. AGISCONO IN FUNZIONE DELLA CONCENTRAZIONE PLASMATICA DI GLUCOSIO (GLUCAGONE, INSULINA), O DI STIMOLI NERVOSI (ADRENALINA). D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2007

REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DEL GLICOGENO DA PARTE DI GLUCAGONE E ADRENALINA Concentrazioni plasmatiche di glucosio inferiori a quelle normali (~ 5 mm) Condizioni di stress fisico, mentale o emotivo: stimolazione nervosa Produzione e secrezione di glucagone da parte del pancreas (cellule α) Produzione e secrezione di adrenalina da parte della midollare surrenale Inibisce la secrezione di insulina da parte del pancreas (cellule β) Recettori epatici associati a proteine G s stimola la GLICOGENOLISI epatica Recettori su vari tessuti, nel muscolo: recettori β associati a proteine G s stimola la GLICOGENOLISI muscolare INNALZAMENTO DELLA GLICEMIA Incremento della glicolisi e produzione di ATP nel muscolo

Glucagone = innalza il livello ematico di glucosio Adrenalina = scatena una risposta in seguito ad un improvvisa richiesta energetica DEGRADAZIONE Negli epatociti stimolati dal glucagone, è attiva la demolizione del glicogeno, la glicolisi è inibita. Sotto stimolazione di adrenalina è attivo il ciclo di Cori e quindi la gluconeogenesi, DEGRADAZIONE Nelle cellule muscolari stimolate dall adrenalina è attiva la glicolisi, la fosforilazione ossidativa e si attua il ciclo di Cori

Il segnale è trasmesso al 2 messaggero e amplificato attraverso una cascata di fosforilazioni Proteine G stimolatorie GDP GTP + PP i Attivata dalla fosforilazione e dal legame con il Ca 2+ - OH Glicogeno Ca 2+ Glicogeno Defosforilata inattiva Fosforilata attiva

Sotto effetto del glucagone/adrenalina la GLICOGENO SINTASI deve essere inibita per FOSFORILAZIONE È fosforilata da almeno 11 chinasi diverse, tra cui la PKA, la casein chinasi II (CKII) e la glicogeno sintasi chinasi 3 (GSK3) È la principale responsabile della inibizione della La sua azione inizia solo dopo che la glicogeno sintasi, che fosforila su 3 residui di Ser. CKII ha fosforilato il proprio sito bersaglio Fosforila i residui di Ser precedenti, in direzione amminoterminale GSK3 INATTIVA: FOSFORILATA Nelson Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2014 14 41

In risposta allo stimolo del glucagone e dell adrenalina deve essere soppressa l attività delle FOSFATASI citosoliche, in particolare della proteina fosfatasi 1 (PP1) Muscolo in condizioni di riposo Adrenalina Attivazione di PKA La PKA agisce sulla proteina GM Fosforilandola sul sito 2 GM: proteina che riconosce il glicogeno, fosforilata sul sito 1 Fosforilazione Dissociazione di GM e PP1 da: fosforilasi chinasi, glicogeno fosforilasi, glicogeno sintasi. Granulo di glicogeno Glicogeno fosforilasi Fosforilasi chinasi Glicogeno sintasi Fosforilazione dell inibitore I-1 della PP1 Glicogeno-lisi I-1 P PP1 PP1 I-1 P La PP1 è sequestrata dall inibitore

REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DEL GLICOGENO DA PARTE DELL INSULINA Concentrazioni plasmatiche di glucosio superiori a quelle normali (> 5 mm) Produzione e secrezione di insulina da parte del pancreas (cellule β) Effetto dell insulina sul metabolismo del glicogeno: a) Captazione del glucosio plasmatico (attiva i trasportatori di membrana nei tessuti insulino-sensibili) b) Inibizione della secrezione di glucagone c) Aumento della sintesi e Attivazione delle esochinasi, d) Accumulo di glucosio sotto forma di glicogeno (epatico e muscolare) Nelson Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2014 15 43

Attivazione della GLUCOCHINASI o ESOCHINASI IV nel fegato. 1) Ha una Km = 10 mm, l attività dell enzima può essere regolata dalla concentrazione di glucosio disponibile, quando la [glucosio] nel sangue e nel citosol degli epatociti aumenta sino a 10 mm e oltre, aumenta anche l attività della glucochinasi. 2) Il glucosio aumenta la disponibilità di glucochinasi nel citosol, infatti in condizioni di digiuno l enzima è associato ad una proteina regolatrice che lo trascina dentro il nucleo. Dopo un pasto ricco di carboidrati [Glc]> 5 mm: Entra nel nucleo Il Glc causa la dissociazione della proteina regolatrice Fuoriesce nel citosol Il F6P si associa alla prot. Regolatrice e l attiva In condizioni di digiuno [Glc] < 5 mm Il F6P causa l associazione con la prot. Regolatrice: la glucochinasi è sequestrata nel nucleo

L insulina attiva il TRASPORTATORE PER IL GLUCOSIO GLUT4. I GLUT4, in condizioni di digiuno, sono sequestrati nella membrana di vescicole citosoliche. In condizioni di elevate [Glc] l insulina promuove il trasferimento dei GLUT4 sulla membrana plasmatica (attraverso un processo di endocitosi). AUMENTA LA CAPACITA DI CAPTAZIONE DI GLUCOSIO da parte dei miociti e degli epatociti. L aumento del flusso di glucosio all interno della cellula spinge verso la GLICOGENO- SINTESI D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright 2007

Recettore tirosin-chinasico: formato da due dimeri che si associano in seguito al legame con l insulina e si autofosforilano. La tirosin chinasi attivata fosforila a sua volta diverse proteine citosoliche attivando diverse cascate di eventi cellulari = complesso dei substrati del recettore insulinico varie cascate di eventi cellulari Attiva la FOSFATIDIL-INOSITOLO 3 -CHINASI (PI3 -K) che produce FOSFATIDIL-INOSITOLO 3,4,5-TRIFOSFATO (PIP 3 ) È il 2 messaggero intracellulare che attiva la cascata delle chinasi PDK1, PKB, PKC, responsabile del controllo del metabolismo glucidico da parte dell insulina Tale cascata chinasica arresta la fosforilazione sulla glicogeno sintasi, accendendo la sua attività catalitica

PI-3K = fosfatidilinositolo-3 chinasi converte il PIP2 in PIP3 (fosfatidilinositolo 3,4,5,-trisfosfato) PIP3 si lega alla PDK-1 che attiva la PKB. La chinasi PKB fosforila e INATTIVA la GSK3 Substrato 1 del recettore insulinico L inibizione della GSK3 contribuisce alla riattivazione della glicogeno sintasi Nelson Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2014 La proteina fosfatasi 1 (PP1) può defosforilare la glicogeno sintasi ATTIVANDOLA 15 47

In risposta allo stimolo dell insulina deve essere stimolata l attività delle FOSFATASI citosoliche, in particolare della proteina fosfatasi 1 (PP1) Muscolo in condizioni di accumulo Granulo di glicogeno Defosforilazione P Glicogeno fosforilasi 1 GM Fosforilasi chinasi Glicogeno-sintesi PP1 Glicogeno sintasi INSULINA Attivazione di una chinasi Insulino-dipendente che fosforila la GM sul sito 1 GM si associa a PP1 scalzando l Inibitore I, PP1 lo defosforila. GM e PP1 si associano e si complessano con fosforilasi chinasi, glicogeno fosforilasi, glicogeno sintasi, le quali vengono DEFOSFORILATE. Nel fegato il complesso GL/PP1 è inattivato dall associazione con la glicogeno fosforilasi, è il GLUCOSIO/GLUCOSIO 6-P che provoca la dissociazione della glicogeno fosforilasi dal complesso GL/PP1, permettendo alla PP1 di DEFOSFORILARE. Nelson Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2014 15 48

REGOLAZIONE DELLA GLUCONEOGENESI/GLICOLISI DA PARTE DI GLUCAGONE E ADRENALINA Concentrazioni plasmatiche di glucosio inferiori a quelle normali (~ 5 mm) Produzione e secrezione di glucagone da parte del pancreas (cellule α) Condizioni di stress fisico, mentale o emotivo: stimolazione nervosa Digiuno prolungato Produzione e secrezione di adrenalina da parte della midollare surrenale Inibisce la secrezione di insulina da parte del pancreas (cellule β) Recettori epatici associati a proteine G s Recettori su vari tessuti, muscolo ricco di recettori β associati a proteine G s stimola la GLUCONEOGENESI epatica, inibisce la GLICOLISI INNALZAMENTO DELLA GLICEMIA stimola la GLICOGENOLISI epatica stimola la GLICOGENOLISI muscolare Incremento della GLICOLISI e produzione di ATP nel muscolo Stimola la GLUCONEOGENESI renale

Controllo ormonale della gluconeogenesi Glucagone: attiva la gluconeogenesi e inibisce la glicolisi Insulina: attiva la glicolisi e inibisce la gluconeogenesi 1) Controllo a lungo termine (espressione dei geni codificanti gli enzimi glicolitici e gluconeogenici). FOSFOENOLPIRUVATO CARBOSSICHINASI (PEPCK) L insulina riduce la velocità di sintesi della PEPCK, spegne la gluconeogenesi 2) Controllo a breve termine sulla glicolisi/gluconeogenesi. Regolata positivamente dal glucagone che ne induce la trascrizione genica favorendo la gluconeogenesi (digiuno prolungato). Controllo attraverso la regolazione dell attività di enzimi che catalizzano reazioni chiave dei due processi: GLUCAGONE Esochinasi/glucochinasi Glucosio 6-fosfatasi Fosfofruttochinasi 1 Fruttosio 1,6-bisfosfatasi INSULINA Piruvato chinasi GLICOLISI GLUCONEOGENESI

1) Controllo a breve termine sulla glicolisi/gluconeogenesi: ESOCHINASI Le esochinasi sono attivate dall elevato flusso di glucosio in direzione intracellulare ( la loro attività è regolata dalla concentrazione del substrato) L ingresso di glucosio è consentito dai trasportatori specifici e in particolare dai GLUT4 che sono attivati dallo stimolo insulinico. In condizioni di iperglicemia: le esochinasi I-III lavorano a velocità massima e viene attivata anche la glucochinasi 2) Controllo a breve termine sulla glicolisi/gluconeogenesi: PIRUVATO CHINASI Sotto controllo ormonale negli epatociti e nelle cellule intestinali dei mammiferi È defosforilata e ATTIVATA da una proteina fosfatasi stimolata dall insulina in risposta a un alta [glucosio] ematica È fosforilata e INIBITA dalla PKA, attivata a sua volta dal glucagone in risposta a una bassa [glucosio] ematica GLICOLISI GLUCONEOGENESI

3) Controllo a breve termine sulla glicolisi/gluconeogensi: FOSFOFRUTTOCHINASI 1 FosfoFruttochinasi 1 glicolisi H gluconeogenesi Fruttosio 1,6- bisfosfatasi 1 β-d-fruttosio 1,6-bisfosfato (F1,6P) Una delle due vie deve prevalere sull altra altrimenti avremmo un ciclo futile. Quale delle due prevale è determinato regolando l attività dei due enzimi: Fosfofruttochinasi 1 (PFK1) Fruttosio 1,6-bisfosfatasi (FBPasi-1) Il MODULATORE che agisce è il FRUTTOSIO 2,6-BISFOSFATO Attiva la PFK-1 Inibisce la FBPasi-1 Incrementa la glicolisi

Il fruttosio 2,6-bisfosfato è prodotto dall azione di un enzima bifunzionale: PFK-2/FBPasi-2 Quando l enzima bifunzionale è fosforilato è attiva la funzione fosfatasica (FBPasi-2) si riduce il livello di fruttosio 2,6-bisfosfato Quando l enzima è defosforilato è attiva la funzione chinasica (PFK-2) aumenta il livello di fruttosio 2,6-bisfosfato

Punto critico del controllo ormonale della gluconeogenesi è la fosforilazione/defosforilazione dell enzima bifunzionale PFK2/FBPasi2 Accelera la glicolisi PFK-1 + attiva Fruttosio 2,6- bisfosfato La PKA attivata dal glucagone fosforila PFK2/FBPasi2 attivando il dominio fosfatasico: la gluconeogenesi è stimolata. La PFK-1 non è stimolata Fruttosio 6- fosfato Fruttosio 6- fosfato L insulina attiva una fosfatasi che mantiene defosforilato PFK2/FBPasi2 e attiva il dominio chinasico: la gluconeogenesi è inibita Fruttosio 2,6- bisfosfato