Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi PDF

Docente Sara Baldelli Lezione Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi  Sara Baldelli Glicogeno struttura e funzione Il glicogeno è la riserva di glucosio degli animali. Presente principalmente...

Docente Sara Baldelli Lezione Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi  Sara Baldelli Glicogeno struttura e funzione Il glicogeno è la riserva di glucosio degli animali. Presente principalmente nel fegato e nel muscolo. FEGATO: il glicogeno è connesso al controllo della glicemia, soprattutto fra un pasto e l’altro. MUSCOLO: fonte energetica per la contrazione muscolare Il metabolismo del glicogeno è sotto controllo ormonale: INSULINA inibisce la glicogenolisi e promuove la glicogenosintesi, ADRENALINA e GLUCAGONE agiscono in modo contrario. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 2 di 36  Sara Baldelli Glicogeno struttura e funzione Il glicogeno rappresenta la fonte di deposito e di riserva del glucosio negli animali. Ha scarsa importanza alimentare poiché viene rapidamente trasformato in acido lattico dopo la morte dell'animale; rappresenta invece una riserva energetica importantissima per sostenere il metabolismo corporeo. Il 10% in peso del fegato è costituito da glicogeno. Il fegato provvede a depositare glucosio (glicogenosintesi) o a mobilitare glucosio (glicogenolisi) a seconda delle richieste metaboliche. In questo modo è possibile mantenere la glicemia a valori costanti. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 3 di 36  Sara Baldelli Glicogeno struttura e funzione Scorte di glucosio prontamente utilizzabile dai tessuti per ricavarne energia si trovano principalmente nel fegato e nei muscoli scheletrici. Mentre le riserve di glucosio contenute nel fegato vengono utilizzate per rifornire i vari tessuti, quelle contenute nei muscoli sono utilizzate solo localmente. I maggiori consumatori di glucosio sono il cervello e il muscolo scheletrico tramite la via aerobica. Il rimanente glucosio è consumato dagli eritrociti (globuli rossi) e dal muscolo cardiaco. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 4 di 36  Sara Baldelli Glicogeno struttura e funzione I cerchi vuoti rappresentano le molecole di glucosio collegate tra loro tramite legami α-1,4. I pallini neri rappresentano le molecole di glucosio legate mediante legami α-1,6. Ogni pallino nero rappresenta un punto di ramificazione nella molecola. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 5 di 36  Sara Baldelli Glicogeno e muscolo scheletrico Il glicogeno si trova soprattutto nei muscoli scheletrici (circa i 2/3 del totale presente nell'organismo), dove rappresenta la più importante scorta di energia. I muscoli ne contengono 12-16 g/kg, per un totale di 200-300 g. Il glicogeno contenuto nei muscoli è costituito da catene più corte rispetto a quello epatico, e può essere utilizzato solo dai muscoli, non potendo essere immesso nel sangue. Il glicogeno muscolare viene utilizzato solo in piccola percentuale durante le attività fisiche di intensità bassa, come per esempio camminare. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 6 di 36  Sara Baldelli Glicogeno e muscolo scheletrico Il consumo aumenta all'aumentare dell'intensità dello sforzo e diventa importante solo per attività fisiche di intensità media o alta. Quando si esaurisce il glicogeno nei muscoli, avviene un vero e proprio crollo nella prestazione degli atleti, perché in assenza di carboidrati diventa molto difficile consumare anche i grassi: si va incontro ad un deficit energetico tale da costringere l'atleta al ritiro, o a continuare a velocità molto ridotta. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 7 di 36  Sara Baldelli Glicogeno e fegato La seconda riserva di glicogeno dell'organismo è il fegato, che ne può contenere, a parità di peso, una quantità molto maggiore rispetto al muscolo scheletrico: circa 80-100 g, su un peso totale di circa 1,5 kg. Il fegato è in grado di assorbire il glucosio in eccesso dal torrente circolatorio, trasformandolo in glicogeno, oppure di "smontare" il glicogeno al fine di rilasciare glucosio nel sangue: in questo modo, il fegato è in grado di mantenere costante la glicemia Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 8 di 36  Sara Baldelli Glicogeno e fegato Le riserve di glicogeno del fegato possono mantenere un livello ottimale della glicemia per circa 12 ore, poi essa diminuisce e sopraggiungono stanchezza e debolezza. Se al contrario le scorte di glicogeno del fegato (e nei muscoli) sono sature, un eccesso di zuccheri nel sangue verrà trasformato in grassi e stoccato nel tessuto adiposo. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 9 di 36  Sara Baldelli Glicogenosintesi La glicogenosintesi è un processo che avviene nel citoplasma delle cellule del fegato e dei muscoli e consiste nella conversione del glucosio in glicogeno. Questo polisaccaride si trova nel citosol delle cellule di muscolo e fegato, condensato in grossi granuli. Nei granuli si trovano legati al glicogeno gli enzimi necessari per la sintesi (e come vedremo successivamente anche per la sua degradazione). Richiede UDP-glucosio, un primer e 2 enzimi (glicogeno sintasi ed enzima ramificante). Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 10 di 36  Sara Baldelli Glicogenosintesi: le tappe 1. La prima reazione che avviene è la conversione del glucosio in glucosio 6- fosfato grazie all’enzima esochinasi. Il glucosio assunto durante i pasti viene prima convertito in lattato dagli eritrociti e poi convertito in glucosio 6-fosfato nel fegato. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 11 di 36  Sara Baldelli Glicogenosintesi: le tappe 2. La seconda reazione è la conversione del glucosio 6-fosfato in glucosio 1-fosfato tramite l’enzima fosfoglucomutasi. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 12 di 36  Sara Baldelli Glicogenosintesi: le tappe 3. La terza reazione è la formazione di UDP-glucosio. Per fare ciò il glucosio 1-fosfato viene legato ad una molecola di UTP con formazione di UDP-glucosio e pirofosfato. La UDP- glucosio pirofosforilasi catalizza questa reazione. Il PPi che si forma viene rapidamente degradato dalla pirofosfatasi inorganica con formazione di 2 Pi. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 13 di 36  Sara Baldelli Glicogenosintesi: le tappe 4. La glicogeno sintasi catalizza l’attacco di un UDP-glucosio ad un’estremità non riducente di un primer, formando legami di tipo α1→4. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 14 di 36  Sara Baldelli Glicogenosintesi: le tappe 5. Questo enzima però non può formare legami di tipi α1→6, necessari per la costruzione di ramificazioni. Per adempire a questo compito interviene la amilo (α1→4) (α1→6) transglicosilasi anche detto glicosil-(4→6)- trasferasi che catalizza il trasferimento di un segmento terminale di 6 o 7 residui dall’estremità non riducente di una catena lunga almeno 11 residui, al gruppo ossidrico sul C6 di un glucosio più interno della stessa catena (o anche di un’altra). Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 15 di 36  Sara Baldelli Il primer Il primer può essere: un frammento di glicogeno presente in cellule in cui non è completamente depleto. una sequenza di residui di glucosio α1→4 sintetizzati da una proteina chiamata glicogenina. una ramificazione di almeno 8 residui di glucosio. La proteina glicogenina catalizza la formazione del primer, sul quale poi potrà attaccarsi la glicogeno sintasi per continuare la sintesi del glicogeno. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 16 di 36  Sara Baldelli Glicogenosintesi: le tappe 6. Il processo procede secondo le seguenti tappe: trasferimento di un residuo di glucosio dal UDP-Glu alla tirosina della glicogenina. Questa reazione è catalizzata dalla stessa glicogenina (attività della glucosiltransferasi). la catena nascente si estende per aggiunta successiva di altri 7 residui di glucosio, ciascuno derivante dall’UDP-Glu. Questa tappa è catalizzata sempre dalla glicogenina e si ripete 6 volte. interviene la glicogeno sintasi per proseguire l’allungamento della catena. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 17 di 36  Sara Baldelli Glicogenolisi La glicogenolisi è la degradazione del glicogeno con produzione di glucosio 1- fosfato (G1P) che sarà convertito in glucosio 6-fosfato (G6P). In questo processo entrano in gioco 3 enzimi: glicogeno fosforilasi: rompe legami α1→4 glicosidici con rilascio di glucosio 1-fosfato (circa 90%); enzima deramificante: rompe legami α1→6 glicosidici con rilascio di glucosio libero (10%); fosfoglucomutasi: converte il G1P in G6P. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 18 di 36  Sara Baldelli Glicogenolisi: le tappe 1. L’enzima glicogeno fosforilasi rompe legami α 1→4 glicosidici tra due residui di glucosio situati all’estremità non riducente di una catena. Rilascia come prodotto il glucosio 1-fosfato. Questa reazione è detta fosforolitica poiché il legame viene scisso da un fosfato inorganico (Pi). L’enzima necessita del cofattore piridossal fosfato (PLP) che agisce da catalizzatore acido generale promuovendo l’attacco da parte del Pi sul legame glicosidico. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 19 di 36  Sara Baldelli Glicogenolisi: le tappe La glicogeno fosforilasi può agire ripetutamente sulle estremità non riducenti fino a che non arriva a 4 monomeri di distanza da una ramificazione. A quel punto deve intervenire l’enzima deramificante. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 20 di 36  Sara Baldelli Glicogenolisi: le tappe 2. L’enzima deramificante (oligo (α1→6) (α1→4) glucantrasferasi) catalizza il trasferimento della ramificazione sulla catena principale. Il legame α1→6 che trattiene l’ultima molecola di glucosio dell’ex ramificazione viene idrolizzato, con liberazione di glucosio libero. Questo enzima ha quindi sia attività trasferasica che glicosidica. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 21 di 36  Sara Baldelli Glicogenolisi: le tappe 3. La fosfoglucomutasi determina la conversione del G1P in G6P che può essere defosforilato dalla glucosio-6 -fosfatasi e divenire glucosio libero. Quest’ultimo enzima è presente solo nelle cellule di fegato e rene, il cui sito attivo è rivolto verso il lume del reticolo endoplasmatico per essere poi immenso nel torrente ematico. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 22 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione Per quanto riguarda la glicogeno fosforilasi è presente in due isoforme interconvertibili: glicogeno fosforilasi A (attiva, fosforilata) e B (meno attiva, defosforilata). L’enzima fosforilasi B chinasi è responsabile della fosforilazione di una specifica serina della fosforilasi B per trasformarla in A. Questo enzima è stimolato dagli ormoni adrenalina (nel muscolo) e glucagone (nel fegato). Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 23 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione Nel muscolo, quando l’adrenalina si lega al proprio recettore, l’adenil ciclasi inizia a produrre cAMP. Questo secondo messaggero attiva la PKA cAMP- dipendente che a sua volta andrà a fosforilare la fosforilasi B chinasi. L’alta concentrazione di ione calcio intracellulare (dovuta alla contrazione del muscolo) promuove ancora di più la fosforilazione della fosforilasi B chinasi. Il Ca++ si andrà a legare alla fosforilasi B chinasi sulla calmodulina (subunità δ dell’enzima). Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 24 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione Questa chinasi andrà a catalizzare la fosforilazione della glicogeno fosforilasi B per trasformarla nella sua forma più attiva, la A. Quest’ultima poi provvederà alla degradazione del glicogeno per ottenere glucosio. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 25 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione In seguito all’intenso sforzo muscolare ci sarà una alta concentrazione di AMP che fa da attivatore allosterico della glicogeno fosforilasi. Questo processo avviene quando il muscolo è in contrazione, in particolare durante il riflesso combatti o fuggi. Nel muscolo a riposo la fosforilasi A fosfatasi (fosfoproteina fosfatasi 1, PP1) rimuove i gruppi P dalla fosforilasi A, convertendola nella sua forma meno attiva, B. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 26 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione Nel fegato invece, la stessa cascata enzimatica è attivata dal glucagone, in seguito ad una condizione di scarsità di glucosio ematico. Gli enzimi della cascata epatica sono isozimi che rispondono a regolazioni allosteriche differenti. Quando la concentrazione ematica di glucosio torna normale, il glucosio penetra nell’epatocita e si lega alla fosforilasi A, fungendo da inibitore allosterico. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 27 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione Il legame col glucosio porta ad una modificazione conformazionale dell’enzima che esporrà i propri residui di serina fosforilati al PP1, per essere rimossi. La conseguenza finale quindi è l’inattivazione dell’enzima. La glicogeno fosforilasi quindi fa da “sensore” per la concentrazione di glucosio e risponde adeguatamente alle variazioni. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 28 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione Anche la glicogeno sintasi è presente in due isoforme: A (attiva, defosforilata) e B (inattiva, fosforilata). La glicogeno sintasi (GYS) può essere fosforilata a livello di diversi residui da diversi enzimi. Tra questi il più importante è la glicogeno sintasi chinasi 3 (GSK3). Questo fosforila la GYS inattivandola (tranne se è presente G6P). La GSK3 però può agire solo dopo che la caseina chinasi II (CKII) ha fosforilato un’altra serina. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 29 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione Nel fegato poi la conversione della GYS-B nella sua forma attiva è promossa dalla PP1. Questa rimuove i gruppi P dai residui di serina della GYS-B. Questo processo può avvenire però solo se è presente G6P legato ad un sito allosterico della GYS-B, in quanto lo zucchero espone i residui di serina fosforilati dell’enzima. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 30 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione L’insulina è un attivatore della glicogeno sintasi, attiva la sintesi del glicogeno, ed è un inibitore della glicogeno fosforilasi, impedendo la demolizione di glicogeno. Il glucosio quindi entrerà nel fegato attraverso GLUT2 scatenando il rilascio della glucochinasi dal nucleo. A questo punto l’enzima convertirà il Glu in G6P per fornire precursori alle glicogenogenesi. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 31 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione In condizioni di digiuno viene rilasciato glucagone. Questo si lega ai suoi recettori portando all’attivazione della PKA. Questa fosforila la fosforilasi chinasi (attivandola) e la glicogeno sintasi (inattivandola). La fosforilasi chinasi quindi andrà ad attivare la glicogeno fosforilasi che demolirà il glicogeno. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 32 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione In una situazione di pericolo viene rilasciata adrenalina nel sangue. Questa attiva la PKA e fosforila la glicogeno fosforilasi chinasi, portando alla produzione di glucosio dal glicogeno. Lo ione Ca++ è un ulteriore stimolatore della glicogeno fosforilasi chinasi. Lo ione agisce ogni volta che avviene una contrazione muscolare, in maniera però più blanda rispetto all’adrenalina. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 33 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione La glicogeno fosforilasi epatica è inibita dal Glu perché il compito del fegato è produrre glucosio che viene esportato ai vari tessuti quando la glicemia è bassa. Quindi se il glucosio è presente nel fegato, derivato da altre fonti come la dieta, non c’è necessità di mobilizzare il glicogeno. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 34 di 36  Sara Baldelli Regolazione coordinata di sintesi e degradazione Diversamente dall’enzima muscolare, la fosforilasi epatica è insensibile alla regolazione da AMP perché il fegato non subisce quei cambiamenti drammatici in carica energetica che si verificano invece nel muscolo in contrazione. Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 35 di 36  Sara Baldelli Conclusioni In questa lezione abbiamo trattato di: Glicogeno struttura e funzione; Glicogeno e muscolo scheletrico; Glicogeno e fegato; Glicogenosintesi: le tappe; Glicogenolisi: le tappe; Regolazione Glicogeno, Glicogenosintesi e Glicogenolisi 36 di 36