Corso di Laurea in Farmacia
Insegnamento di
BIOCHIMICA
Angela Chambery
Lezione 30
La demolizione del glicogeno
Concetti chiave:
• Il glicogeno, la forma di immagazzinamento del glucosio, è un polimero ramificato.
• La mobilizzazione del glucosio nel fegato coinvolge una serie di reazioni che dal glicogeno
portano a glucosio-1-fosfato, glucosio-6-fosfato e infine a glucosio.
Struttura del glicogeno
Il glicogeno è un polimero ramificato di residui di glucosio, una forma di riserva di glucosio
facilmente mobilizzabile quando è richiesta produzione di energia. I residui di D-glucosio del
glicogeno sono legati da legami glicosidici α-1,4 con ramificazioni α-1,6 ogni 8-14 residui.
Struttura del glicogeno
Il glicogeno si presenta sottoforma di granuli sferoidali con dimensioni di circa 40 nm. Una
molecola di glicogeno contiene fino a dodici strati di glucosio con al centro la proteina
glicogenina. La superficie del granulo contiene le estremità non riducenti.
Struttura del glicogeno
Il glicogeno è presente nel citoplasma e la sua molecola è visibile sottoforma di granuli.
Localizzazione del glicogeno
I due principali siti di riserva del glicogeno sono il fegato (10% del peso) ed il muscolo scheletrico
(1-2% del peso). Nel fegato la sintesi e degradazione del glicogeno sono regolate in modo da
mantenere il livello ematico di glucosio ai livelli necessari per il fabbisogno dell’intero organismo.
Destini del glucosio 6-fosfato
La demolizione del glicogeno produce
glucosio 6-fosfato che può essere:
1. Impiegato come combustibile per il
metabolismo aerobico e anaerobico
(ad esempio nel tessuto muscolare);
2. Può essere convertito in glucosio
libero nel fegato e successivamente
rilasciato nel sangue;
3. Essere trasformato dalla via del
pentosio fosfato per generare
NADPH o ribosio in molti tessuti.
La demolizione del glicogeno
La demolizione del glicogeno (glicogenolisi) avviene mediante rimozione sequenziale delle unità
di glucosio dalle estremità non riducenti (prive di un gruppo C1-OH e con un gruppo ossidrilico
libero sul C4).
La demolizione del glicogeno
Ogni ramificazione ha un’estremità non riducente per cui la struttura molto ramificata consente
la rapida mobilizzazione del glucosio attraverso il rilascio simultaneo di unità di glucosio in
corrispondenza delle ramificazioni.
La demolizione del glicogeno
La glicogenolisi richiede tre enzimi:
1. La glicogeno fosforilasi (o fosforilasi) che catalizza la fosforolisi del glicogeno con la rimozione
del residuo di glucosio terminale dall’estremità non riducente di una catena di glicogeno;
2. L’enzima deramificante che rimuove le ramificazioni rendendo le unità di glucosidiche
accessibili all’attacco della fosforilasi;
3. La fosfoglucomutasi che trasforma il G1P in G6P.
Glicogeno fosforilasi Enzima deramificante
Enzima deramificante
2
1
Glicogeno fosforilasi
G6P
3
G1P
Fosfoglucomutasi
La demolizione del glicogeno (1)
La glicogeno fosforilasi catalizza la reazione in cui il legame glicosidico α-1-4 viene attaccato dal
fosfato inorganico producendo il rilascio di glucosio 1-fosfato. Parte dell’energia del legame
glicosidico viene conservata mediante la formazione dell’estere fosforico nel glucosio 1-fosfato.
La demolizione del glicogeno (1)
La scissione fosforolitica del glicogeno è energeticamente vantaggiosa perché lo zucchero
rilasciato è già fosforilato. Una scissione idrolitica produrrebbe glucosio che, per entrare nella via
glicolitica, dovrebbe essere fosforilato a spese di molecole di ATP.
Meccanismo di reazione della glicogeno fosforilasi
La glicogeno fosforilasi, omodimero con subunità identiche formate da tre domini. Nel sito
catalitico è presente una molecola di PLP legata alla Lys 680 dell’enzima.
Il sito di legame del glicogeno è connesso al
sito catalitico da una sottile fessura dove
possono accomodarsi 4-5 residui di glucosio
permettendo all’enzima di catalizzare la
fosforolisi di molti residui senza doversi
dissociare (enzima processivo).
Dominio N-terminale
Dominio C-terminale
Meccanismo di reazione della glicogeno fosforilasi
• La scissione fosforolitica anziché idrolitica richiede
l’esclusione dell’acqua dal sito attivo.
• L’intervento del PLP è necessario per escludere
l’acqua dal sito attivo.
• Il gruppo aldeidico del PLP forma una base di Schiff
con un residuo di Lys nel sito attivo della fosforilasi.
• Nella fosforilasi il PLP, derivato della vitamina B6,
partecipa alla catalisi fungendo da catalizzatore
acido-base.
• Il gruppo fosforico del PLP agisce infatti di concerto
con l’ortofosfato fungendo da donatore ed accettore
di un protone.
Meccanismo di reazione della glicogeno fosforilasi
L’ortofosfato favorisce la scissione del legame glicosidico donando un protone al glucosio in
uscita ed accettando un protone dal PLP. Si forma così un carbocatione intermedio che viene
attaccato dall’ortofosfato per formare G1P con il concomitante ritorno dell’atomo di H al PLP.
La demolizione del glicogeno (2)
La fosforilasi non può degradare i legami α-1-6 delle ramificazioni del glicogeno. Intervengono
dunque una trasferasi ed una α-1-6-glucosidasi, attività presenti in un enzima bifunzionale, che
rimodellano il glicogeno affinché possa continuare ad essere degradato dalla fosforilasi.
La demolizione del glicogeno (2)
La trasferasi sposta un blocco di
tre residui glicosidici dall’estremità
di una ramificazione a un’altra.
Una α-1-6-glucosidasi (enzima
deramificante) idrolizza il legame α1-6-glicosidico.
Viene
così
rilasciata
una
molecola di glucosio libero che
verrà fosforilata dall’esochinasi.
La demolizione del glicogeno (3)
Il G1P formato dalla scissione fosforolitica del glicogeno viene convertito in G6P dalla
fosfoglucomutasi. L’enzima, con meccanismo simile a quello della fosfoglicerato mutasi della
glicolisi, cede un gruppo fosforico al substrato e il gruppo fosforico del bisfosfato intermedio
viene trasferito all’enzima per ottenere lo stato fosforilato iniziale.
Ruolo del fegato nell’omeostasi dei livelli di glucosio
Nel muscolo, il G6P può continuare nella via glicolitica o lungo la via del pentoso fosfato. Nel
fegato, il G6P è reso disponibile anche per essere usato da altri tessuti. Tuttavia, poiché il G6P
non può attraversare la membrana cellulare, il G6P è prima traslocato nel reticolo
endoplasmatico (RE) ad opera di G6P traslocasi e poi idrolizzato dalla glucosio-6-fosfatasi
(G6Pasi) enzima presente sulla membrana del RE.
Le malattie da accumulo di glicogeno
Difetti di uno qualsiasi dei componenti del metabolismo del glicogeno provocano le malattie
ereditarie da accumulo di glicogeno (glicogenosi) che con produzione di glicogeno anormale per
quantità o qualità. Tali patologie portano epatomegalia, ipoglicemia, disturbi renali e vascolari.
La sintesi del glicogeno
Concetti chiave:
• La sintesi del glicogeno nel fegato coinvolge una serie di reazioni che da glucosio portano a
glucosio-6-fosfato, UDP-glucosio e, infine, a glicogeno.
• L'UDP-glucosio è una molecola attivata.
• Il glicogeno viene allungato a partire da un innesco costruito dalla proteina glicogenina su
se stessa
Le vie opposte di sintesi e di degradazione del glicogeno
La sintesi e la demolizione del glicogeno avvengono attraverso vie separate ed opposte. Il
processo esoergonico della demolizione del glicogeno è invertito da un processo che usa solo
UTP per produrre l’intermedio UDP-glucosio.
La sintesi del glicogeno
Nell’ UDP-glucosio il gruppo ossidrilico del glucosio è esterificato con l’unità difosfato dell’UDP.
Agisce da donatore di glucosio nella biosintesi del glicogeno ed è una forma attivata di glucosio
come l’ATP e l’acetil CoA lo sono dell’ortofosfato e dell’acetato.
La sintesi del glicogeno
Nell’ UDP-glucosio si sintetizza dal glucosio
1-fosfato e dall’uridina trifosfato (UTP)
tramite una reazione catalizzata dall’UDPglucosio pirofosforilasi.
I gruppi di pirofosfato vengono poi
idrolizzati a ortofosfato da una pirofosfatasi
inorganica.
Tale reazione è irreversibile e favorisce la
sintesi di UDP-glucosio.
La sintesi del glicogeno
La glicogeno sintasi catalizza il trasferimento del glucosio dall’UDP-glucosio ai residui terminali
non riducenti del glicogeno formando legami glicosidici α-1,4.
La sintesi del glicogeno
La glicogeno sintasi può aggiungere residui di
glucosio solo ad una catena polisaccaridica che
contenga almeno quattro residui per cui richiede
un innesco (primer).
Tale funzione è svolta dalla glicogenina, una
glicosiltrasferasi dimerica in cui ogni subunità
catalizza l’aggiunta di otto unità di glucosio
all’altra subunità con un processo di
autoglicosilazione UDP-glucosio-dipendente.
La sintesi del glicogeno
La glicogeno sintasi può aggiungere residui di glucosio solo ad una catena polisaccaridica che
contenga almeno quattro residui per cui richiede un innesco (primer). Tale funzione è svolta
dalla glicogenina, una glicosiltrasferasi dimerica in cui ogni subunità catalizza l’aggiunta di otto
unità di glucosio all’altra subunità con un processo di autoglicosilazione UDP-glucosiodipendente.
La sintesi del glicogeno
Poiché la glicogeno sintasi catalizza solo la sintesi di legami α-1,4, è necessario l’intervento di un
enzima ramificante che forma legami α-1,6 che fanno del glicogeno un polimero ramificato.
La sintesi del glicogeno
L’enzima ramificante rimuove un oligosaccaride di circa sette residui di lunghezza dall’estremità
non riducente e crea un legame di tipo α-1,6.
Il controllo del metabolismo del glicogeno
Concetti chiave:
• I processi opposti di demolizione e di sintesi del glicogeno sono regolati reciprocamente da
interazioni allosteriche e modificazioni covalenti degli enzimi chiave.
• La fosforilazione e la defosforilazione di un enzima come la glicogeno fosforilasi possono
modificarne l’attività spostando l'equilibrio tra la conformazione più attiva e quella meno
attiva dell'enzima.
• Il metabolismo del glicogeno è fondamentalmente sotto il controllo di ormoni quali
l'insulina, il glucagone e l'adrenalina.
Regolazione della glicogeno fosforilasi
La glicogeno fosforilasi è regolata da più effettori allosterici che segnalano lo stato energetico
della cellula nonché dalla fosforilazione reversibile che risponde a segnali ormonali quali
l’insulina, il glucagone e l’adrenalina.
Il controllo per modificazione covalente: la fosforilazione
Strutture della fosforilasi a e della fosforilasi b
La glicogeno fosforilasi b, generalmente inattiva, viene convertita in fosforilasi a attiva per
fosforilazione di una singola serina 14 di ciascuna subunità. Le fosforilasi a e la fosforilasi b sono in
equilibrio tra uno stato rilassato (R) ed uno teso (T).
Strutture della fosforilasi a e della fosforilasi b
La fosforilasi b di solito è inattiva poiché
l’equilibrio favorisce lo stato T.
La fosforilazione favorisce la struttura
dello stato R più attivo della fosforilasi a.
Nello stato T i siti catalitici sono
parzialmente occlusi.
Regolazione della fosforilasi muscolare
Nel muscolo il fine ultimo della glicolisi è la produzione di ATP. Nel muscolo a riposo tutto
l’enzima è nella forma b inattiva: non c’è necessità di produrre glucosio fino a quando non è
richiesta energia.
La fosforilasi b muscolare è attiva (stato R) solo in presenza di elevate concentrazioni di AMP
(bassa carica energetica), che si lega a un sito di legame per i nucleotidi presente su entrambe le
subunità e stabilizza la conformazione della fosforilasi b nello stato R. ATP e glucosio 6-fosfato
agiscono da effettori allosterici negativi.
Regolazione della fosforilasi epatica
Il fegato ha il ruolo di mantenere costante il livello di glucosio nel sangue producendo ed
esportando questo metabolita ai tessuti che lo richiedono, e importandolo e conservandolo
quando viene introdotto in eccesso con la dieta. La fosforilasi epatica è di norma presente nella
forma a.
Il legame del glucosio sposta l’equilibrio verso lo stato T e inattiva l’enzima. In tal modo il
glicogeno non viene mobilizzato quando il glucosio è già abbondante.
Regolazione della glicogeno fosforilasi
La
cascata
che
governa
l’interconversione enzimatica della
glicogeno fosforilasi coinvolge tre
enzimi:
la fosforilasi chinasi che fosforila
la glicogeno fosforilasi;
la proteina chinasi (PKA) che
fosforila la fosforilasi chinasi;
la fosfoproteina fosfatasi-1 (PP1)
che defosforila e quindi inattiva sia
la gliocogeno fosforilasi a sia la
fosforilasi chinasi.
Attivazione della fosforilasi chinasi
La fosforilasi chinasi, un tetramero (αβγδ
βγδ)
βγδ 4 è attivata dalla fosforilazione della subunità β mediata
da ormoni e dal legame al calcio nella subunità δ (calmodulina).
Regolazione della degradazione e sintesi del glicogeno
Quale è il segnale che
determina la scissione del
glicogeno attivando la PKA?
Controllo ormonale del metabolismo del glicogeno
Il legame dell’ormone al recettore da inizio a una via di trasduzione del segnale che determina la
fosforilazione e l’attivazione della glicogeno fosforilasi.
Controllo ormonale del metabolismo del glicogeno
Il legame dell’adrenalina ai recettori β-adrenergici delle cellule muscolari ed epatiche causa
l’aumento di cAMP che promuove la degradazione del glicogeno a G6P necessario per la glicolisi
nel muscolo oppure a glucosio libero destinato all’esportazione nel fegato.
Il fegato risponde in modo simile al glucagone. Il legame dell’adrenalina ai recettori α-adrenergici
sulle cellule epatiche causa un aumento citosolico del [Ca]2+ che favorisce la degradazione del
glicogeno.
Controllo ormonale del metabolismo del glicogeno
Quando il glucosio circolante è abbondante, l’insulina stimola l’assorbimento di glucosio e la
sintesi di glicogeno nel muscolo. Il fegato risponde direttamente all’aumento del glucosio
incrementando la sintesi di glicogeno.
Controllo ormonale del metabolismo del glicogeno
Controllo ormonale del metabolismo del glicogeno
L’insulina stimola la sintesi di glicogeno attivando un sistema a cascata che conduce alla
fosforilazione e all’inattivazione della glicogeno sintasi chinasi prevenendo così la fosforilazione
della glicogeno sintasi. Nella sua forma defosforilata la glicogeno sintasi è attiva.
Regolazione della degradazione e sintesi del glicogeno
Le stesse cascate enzimatiche del cAMP innescate da glucagone e adrenalina che conducono alla
degradazione del glicogeno nel fegato e nel muscolo provocano anche l’arresto della sintesi del
glicogeno tramite la stessa PKA che inattiva la glicogeno sintasi.
Regolazione della degradazione e sintesi del glicogeno
Le cascate enzimatiche forniscono un sistema
di controllo estremamente sofosticato che
modulano le capacità di risposta degli enzimi e
amplificano i segnali di regolazione.
Quale è il segnale che determina il
blocco della scissione del glicogeno
provocata dalla PKA?
Regolazione della degradazione e sintesi del glicogeno
Quale è il segnale che
determina il blocco della
scissione del glicogeno
provocata dalla PKA?
Attivazione della fosfoproteina fosfatasi-1 (PP1)
La mobilizzazione del glicogeno cessa per azione della proteina fosfatasi 1, enzima inibito
dall’adrenalina.
La fosforilazione della subunità regolatoria GM ad opera della PKA dissocia la subunità catalitica dai
suoi substrati nella particella di glicogeno. La fosforilazione dell’inibitore sempre ad opera della
PKA inattiva la subunità catalitica della PP1.
Regolazione della degradazione e sintesi del glicogeno
La proteina fosfatasi 1 stimola la sintesi del glicogeno e ne impedisce la degradazione.
Regolazione della degradazione e sintesi del glicogeno
Il glucosio ematico regola il metabolismo del glicogeno epatico. L’infusione di glucosio nel torrente
circolatorio determina l’inattivazione della fosforilasi che agisce come sensore cellulare del
glucosio, seguita dall’attivazione della glicogeno sintasi.
Schema generale del metabolismo del glucosio