Glicogenolisi e Glicogenosintesi

Glicogeno = polisaccaride costituito da n unità di glucosio legate da legami 1,4-glicosidici e 1,6-glicosidici nei punti di ramificazione della catena.

Si tratta di molecole molto grandi, con diverse ramificazioni legate alla catena principale, si trovano soprattutto nel fegato e nel muscolo. L’amido è il corrispondente del glicogeno nei vegetali, ed è anch’esso ramificato, a differenza dell’amilosio che è invece a catena lineare.
Nel fegato il segnale di inizio del processo di fosforilazione è la bassa glicemia che causa la mobilizzazione dell’ormone peptidico del glucagone prodotto dalle cellule a delle isole di Langherans. Il glucagone, in quanto ormone peptidico, ha il suo recettore sulla membrana plasmatica e la formazione del complesso ormone-recettore attiva i processi di fosforilazione,dalla formazione di questo complesso, infatti, prende il via un insieme di processi che porta alla fosforilazione dell’enzima, il quale taglia una molecola di glucosio all’estremità non riducente (al C-4).

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In una grossa molecola di glicogeno ci sono tante estremità non riducenti quanti sono i rami, è qui che agisce la glicogeno-fosforilasi, il tronco (la catena principale, che è unica) finisce invece con un’estremità riducente. Anche la glicogeno-sintasi aggiunge molecole di glucosio alle estremità dei rami (quindi alle estremità non riducenti).

Rispetto all’amilosio fatto da catene rettilinee, il glicogeno ha il vantaggio di avere più rami, quindi una molteplicità di punti di attacco per la glicogeno-fosforilasi (nonché poi per la glicogeno-sintasi), e dunque un’enorme rapidità nella mobilizzazione del glicogeno. Per tanto in caso di ipoglicemia, quindi sotto l’azione del glucagone, la glicogeno-fosforilasi stacca le unità di glucosio a partire dall’estremità non riducenti fino a moltissime unità di glucosio dalla catena principale, allo stesso modo agisce la glicogeno-sintasi per ripristinare il legame con ulteriori molecole di glucosio.

schema2

Fosforilasi = enzima che scinde fosforiliticamente il legame 1,4-glicosidico (quindi al C-4) utilizzando l’H3PO4 (scritto dissociato con i due protoni rilasciati, come HPO42-), viene rilasciato un Pi che si va a rimettere sul C-1 dell’unità di glucosio, il glicogeno risulta quindi più corto di una unità.

La glicogeno-fosforilasi agisce su una catena fino a un certo punto: può procedere nello staccare subunità di glucosio fino a una distanza di 4 unità di glucosio dal punto di ramificazione, e non può andare oltre, vengono quindi prodotte tante molecole di glucosio quante sono quelle che si trovano nel ramo di glicogeno oltre il moncone di quattro unità dalla ramificazione (se si dispone del sufficiente numero di molecole di ortofosfato Pi).

A questo punto interviene un enzima deramificante, che è un enzima bifunzionale (per i due diversi substrati):

  1. funzione trasferasica deramificante per il legame 1,4 → stacca solo una parte del ramo (il frammento delle ultime 3 unità di glucosio), lasciando un’unità di glucosio legata alla catena, quella della ramificazione legata alla catena con legame 1,6-glicosidico, questo perché l’enzima non riconosce il legame 1,6. Le tre unità di glucosio staccate dal moncherino di 4 unità sono legate al ramo principale della catena, a cui è rimasta solo una unità “di troppo” per essere una catena lineare
  2. funzione glucosidasica per il legame 1,6-glicosidico → lo stesso enzima deramificante idrolizza il legame 1,6 glicosidico con aggiunta di una molecola di H2O, viene quindi liberata una molecola di glucosio neutro per ogni biforcazione

La stesso processo che avviene nel fegato con il glucagone avviene anche nel muscolo (dove non sono praticamente presenti recettori per il glucagone) prendendo come primo messaggero ad esempio la noradrenalina, questa si lega ai recettori b attivando la stessa mobilizzazione del glucosio.
Il glucosio-6-fosfato (che può derivare dalla glicogenolisi o dalla gluconeogenesi) non può essere messo in circolo per innalzare la glicemia (quale è il compito del fegato), ma deve prima perdere il fosfato

L’enzima vitale per far sì che il fegato possa controllare la glicemia è glucosio-6-fosfatasi (che gli epatociti possiedono in maniera esclusiva), che toglie il fosfato da C-6 per produrre glucosio neutro nell’epatocita che deve essere in equilibrio con glucosio neutro nel sangue (in caso contrario il glucosio neutro esce/entra dall’/nell’epatocita), questo meccanismo consente la regolazione della glicemia. Se il processo fosse lo stesso anche nel muscolo (che è privo della glucosio-6-fosfatasi), con la mobilizzazione del glicogeno muscolare potrebbe essere prodotto per ogni punto di ramificazione glucosio neutro da immettere nel sangue, questo però non accade perché mentre nel fegato la glicolisi è praticamente ferma, perché siamo in condizioni di ipoglicemia e il rapporto glucacone/insulina è a favore del primo, nella membrana delle fibrocellule muscolari i recettori per il glucagone sono praticamente assenti e di conseguenza l’ormone non può far arrivare la sua azione inibitrice sul processo glicolitico della fibrocellula muscolare e la glicolisi è attivata. In presenza di un segnale di contrazione cellulare intensa, il muscolo utilizza quindi le sue riserve di glicogeno e il glucosio neutro viene rapidissimamente fosforilato tramite l’esocinasi (e non va quindi a influire sulla glicemia).

 

Rilascio del glucosio nel fegato

Glucosio-6-fosfato prodotto per gluconeogenesi oppure dal glicogeno si trova nel citosol intorno al RE: per essere defosforilato a glucosio neutro deve entrare nelle cisterne, nel lume del RE, non per diffusione passiva ma attraverso il trasportatore traslocasi (il pallino blu grande in alto nell’immagine). Nella cisterna si trova la glucosio-6-fosfatasi, attaccata alle pareti del RE, questo enzima idrolizza il fosfato in C-6 producendo glucosio neutro + Pi. Nel RE troveremo quindi a questo punto 2 trasportatori per l’uscita, uno per il glucosio neutro e uno per il Pi, affinché questi prodotti siano trasportati nel citosol.

 

Cascata regolatrice che controlla la degradazione del glicogeno

Regolazione ormonale in una cellula muscolare
Il legame ormone-recettore innesca l’interazione con la proteina G, che interagisce con l’adenilato ciclasi attivandola. Il legame del cAMP (4 molecole) con le 2 subunità regolatrici R della proteina cinasi A tetramerica (C2R2) ne provoca la dissociazione delle subunità C catalitiche, la proteina cinasi A inattiva diventa quindi attiva. La proteina cinasi A attiva ha come substrato anche la glicogeno fosforilasi cinasi b inattiva (ovvero l’enzima che fosforila la glicogeno fosforilasi che a sua volta taglia le unità di glucosio dal glicogeno, si tratta di fosfoenzimi modulati covalentemente: essi sono quindi più attivi quando fosforilati, inoltre una proteina modulata covalentemente, come la glicogeno fosforilasi chinasi, viene denominata in forma b se inattiva, in forma a se attiva, anche se bisogna dire come l’inattivazione in realtà non è mai completa: si parla di forma più (a) o meno (b) attiva.

schema3

Il monomero C attivo della proteina cinasi catalizza la fosforilazione di uno specifico residuo di treonina sulla fosforilasi cinasi b inattiva, attivandola a forma a. Cessata poi la necessità di mobilizzare il glicogeno è possibile effettuare il processo inverso con una fosfatasi e una molecola di H2O che taglia il legame diestereo. La fosforilasi cinasi a attiva fosforila un residuo di treonina su ciascuna delle 2 subunità della fosforilasi b inattiva omodimerica, ciascuna dotata del proprio OH per poter fare un legame estereo fra il fosfato fornito dall’ATP e la proteina, servono quindi 2 molecole di ATP per esterificare le 2 subunità della fosforilasi b inattiva, tale fosforilazione converte la fosforilasi b inattiva in fosforilasi a attiva, la quale catalizza la glicogenolisi. Cessata la necessità di mobilizzare il glicogeno è possibile effettuare il
processo inverso con una fosfatasi e 2 molecole di H2O per scindere i 2 legami esterei defosforilando la fosfatasi a attiva in fosfatasi b inattiva.

La glicogeno fosforilasi cinasi viene attivata per fosforilazione tramite modulazione covalente, ma per raggiungere la massima attività è necessario l’aumento della concentrazione di ioni Ca2+.

Nella cascata regolatrice ogni tappa enzimatica moltiplica il segnale, quindi più punti di regolazione potenziano la trasmissione: ecco perché la cAMP non agisce direttamente sulla fosforilasi.

 

Regolazione della glicogeno fosforilasi da modificazione covalente

schema4La calmodulina è una proteina con siti con cui lega gli ioni Ca2+ ; una volta legati gli ioni Ca2+, questi sviluppano la loro attività biologica andando quindi ad attivare sia la cinasi defosforilata b inattiva sia la cinasi fosforilata a attiva.

Oltre a questi meccanismi di regolazione covalente, la glicogeno fosforilasi è anche soggetta a meccanismi di regolazione allosterica. La forma b meno attiva della glicogeno fosforilasi è attivata dall’AMP (non ciclico), che ha il vantaggio di essere presente a concentrazioni 100 volte più basse dell’ATP, quindi in risposta a variazioni di concentrazione dell’ATP, le corrispondenti variazioni dell’AMP sono di molto superiori, infatti se ad esempio l’ATP diminuisce del 10 %, l’AMP aumenta di molto di più del 10 %) e le regolazioni saranno quindi più precise. La forma a più attiva fosforilata della glicogeno fosforilasi è inibita sia dalla concentrazione dell’ATP sia da quella di glucosio.

 

 

Glicogenosintesi    

schema5È necessario innanzi tutto che il glucosio-6-fosfato, che deriva dalla fosforilazione del glucosio neutro che si trova nel fegato, sia trasformato in glucosio-1-fosfato attraverso una reazione catalizzata dall’enzima fosfoglucomutasi. Il glucosio-1-fosfato (che corrisponde al prodotto della glicogenolisi) deve essere attaccato a un nucleotide, l’UTP, dalla glucosio-1-fosfato-uridiltrasferasi con formazione di UDP-glucosio. Il glucosio-1-fosfato viene attaccato più precisamente in corrispondenza del fosfato-a dell’UTP mentre viene rilasciato un fosfato grazie a una pirofosforilasi che taglia il legame fra i 2 fosfati. È proprio l’UDP-glucosio che aggiunge unità di glucosio (sempre alle estremità non riducenti, dove il C-4 è libero) nella sintesi del glicogeno, l’enzima che catalizza questo trasferimento è detto glicogeno-sintasi. L’allungamento di una unità di glucosio al preesistente glicogeno porta un (glucosio)n+1 e al rilascio di UDP, l’UDP in presenza di una molecola di ATP – ad opera di un nucleotide difosfato cinasi – ridiventa UTP, mentre l’ATP defosforila ad ADP.

Siccome il glicogeno ha una struttura spaziale ad albero la catena in formazione non può procedere in modo rettilineo, nello specifico per più di 11 unità di glucosio. Qui si deve trovare una ramificazione.

Non è pensabile che una molecola di glicogeno in una cellula nuova nasca da 1 molecola di glucosio che si lega a un’altra e poi a un’altra ancora e così via. La KM della sintasi (enzima regolatore) è bassissima per gli strati più esterni del granulo di glicogeno (che è di dimensioni notevoli), a mano a mano che si va verso il core del glicogeno aumenta in modo progressivo finché la sintasi non diventa praticamente inattiva. Si è arrivati a pensare che la molecola di glicogeno potesse essere eterna, quindi trasmessa da cellula a cellula.schema6

Si è poi scoperto che in realtà esiste una molecola iniziatrice (come per il DNA), che non è un frammento di glicogeno ma una proteina di 332 residui amminoacidici chiamata glicogenina. La glicogenina ha un’attività enzimatica: lega fra loro le prime 8 molecole di glucosio che si presentano sottoforma di UDP-glucosio. Queste 8 molecole si attaccano all’OH di un residuo di tirosina e si forma così un frammento di molecole di glucosio collegate fra loro, poi il processo prosegue con la glicogeno sintasi e l’enzima ramificante.

Siccome contemporaneamente alla fosforilazione della glicogeno sintasi ad opera della proteina cinasi o della glicogeno fosforilasi cinasi avviene la fosforilazione della glicogeno fosforilasi data dall’azione della glicogeno fosforilasi cinasi, e poiché quest’ultima attiva la glicogeno fosforilasi, è logico che la fosforilazione della glicogeno sintasi abbia un effetto inibitorio sulla stessa. Questo perché anche la glicogeno sintasi è substrato della glicogeno fosforilasi chinasi che fosforila la glicogeno fosforilasi, la quale defosforilata si trova appunto nella sua forma più attiva. La glicogeno sintasi è fosforilata da molti stimoli, alcuni anche sconosciuti, ma fra i tanti viene fosforilata pure dalla stessa cinasi che fosforila la glicogeno fosforilasi, ed è dunque inevitabile che per contro la glicogeno sintasi debba inibirsi a seguito della fosforilazione. La fosfoproteina fosfatasi anche qui ha funzione regolatrice, e viene stimolata dall’insulina e inibita dal cAMP.schema7

Regolazione della glicogeno sintasi

Esiste una distinzione fra

  • Glicogeno sintasi I = indipendente dal glucosio-6-fosfato
  • Glicogeno sintasi D = dipendente dal glucosio-6-fosfato

La seconda si riferisce alla glicogeno sintasi fosforilata, quindi nella forma b meno attiva, che in queste condizioni è stimolata dal glucosio-6-fosfato, infatti se si accumula glucosio-6-fosfato significa che bisogna defosforilarlo, accumulare glucosio sottoforma di glicogeno per poi eventualmente mandarlo in circolo in un momento successivo. Questo stimolo allosterico ricevuto dal glucosio-6-fosfato è la prima risposta all’accumulo di glucosio da parte del fegato e precede il meccanismo di regolazione covalente.schema8

La regolazione della SINTASI si realizza contemporaneamente alla regolazione della GLICOGENO FOSFORILASI con effetti opposti.

Il punto di partenza da considerare è che la glicogeno fosforilasi viene attivata da un processo di fosforilazione, che può a sua volta essere attivato non solo dal cAMP, ma anche da altri secondi messaggeri, attivati da primi messaggeri diversi da quelli che usano la via dell’AMPciclico.

Comunque se la glicogeno-fosforilasi è attivata dalla fosforilazione, la glicogeno-sintasi ne è inattivata. Ricordiamo che esiste anche una regolazione allosterica della glicogeno-sintasi. La forma fosforilata, quindi meno attiva della glicogeno-sintasi è stimolata allostericamente dall’accumularsi del glucosio-6-fosfato all’interno della cellula, in particolare nel fegato. Esso va sistemato sotto forma di glicogeno.

Quindi il glucosio 6-fosfato dà un primo stimolo all’attività di questo enzima quando è ancora fosforilato, cioè regolato negativamente dalla fosforilazione, dal fatto che si sia attaccato un fosfato alla molecola della glicogeno-sintasi. Se continua la disponibilità di glucosio-6-fosfato si attiva il processo di defosforilazione, favorito dall’insulina che sarà libera di agire e presente in quantità relativamente abbondanti rispetto al glucagone. Saremo in presenza quindi di un afflusso di glucosio che diventa immediatamente glucosio-6-fosfato. Quindi la modulazione allosterica dovuta al glucosio-6-fosfato è la prima risposta all’esigenza di collocare il glucosio-6-fosfato per ristabilire il carburante glucidico dentro l’epatocita. L’estrema rapidità con cui si mobilizza il glicogeno per produrre glucosio è sostenuta anche dall’amplificazione del segnale. Partendo da 10 molecole di ormone, alla fine della cascata di attivazione della mobilizzazione del glucosio si arriva a circa 100 milioni di molecole.

Non tutte le cinasi che agiscono sul metabolismo del glicogeno, cioè che inibiscono l’attività della sintasi, sono ben conosciute. Per quanto riguarda le regolazione covalente della glicogeno fosforilasi il discorso era molto più preciso, per quanto riguarda la glicogeno sintasi invece troviamo questa banda di cinasi (a, b, c) e la calmodulina. A noi interessa sapere che la glicogeno-fosforilasi-cinasi agisce anche sulla sintasi, cioè fosforila sia la glicogeno-fosforilasi, sia la glicogeno-sintasi, cioè lo stesso enzima, ossia la glicogeno fosforilasi cinasi fosforila sia la glicogeno fosforilasi, rendendola più attiva, sia la glicogeno sintasi inibendola, ha quindi un effetto allosterico opposto, e soprattutto quando è operante la glicogenolisi è silente la glicogenosintesi e viceversa.