Il glicogeno è un polimero di residui di glucosio uniti mediante legami α-1,4 glicosidici; ogni 10 residui si creano ramificazioni attraverso la formazione di legami α-1,6 glicosidici (Figura 1).
E’ presente nel citosol sotto forma di granuli, contenenti anche gli enzimi della sintesi, della degradazione e della regolazione.
Nei vertebrati il glicogeno si trova prevalentemente nel fegato e nel muscolo scheletrico.
Il glicogeno muscolare rappresenta un fonte di energia rapidamente utilizzabile che si esaurisce in meno di 1 ora durante uno sforzo muscolare intenso.
Il glicogeno epatico serve come riserva di glucosio per gli altri tessuti quando non è disponibile glucosio alimentare (nel periodo tra i pasti e nel digiuno).
Il glicogeno epatico si esaurisce in 12-24 ore.
Il glicogeno può essere introdotto anche con la dieta, ma la degradazione del glicogeno alimentare è diversa da quella del glicogeno di riserva ed avviene mediante reazioni di idrolisi.
Il metabolismo del glicogeno consiste nella sua degradazione e sintesi.
La degradazione si svolge in 3 tappe:
Anche la sintesi del glicogeno si svolge in 3 tappe:
Gli enzimi necessari per la degradazione e per la sintesi del glicogeno sono indicati in Figura 2.
La degradazione del glicogeno (glicogenolisi) richiede tre enzimi:
La glicogeno fosforilasi scinde il legame α-1,4 glicosidico con l’intervento del fosfato inorganico (Pi), producendo una molecola di glicogeno accorciata di un residuo di glucosio e glucosio 1-fosfato (Figura 3).
Si tratta di una reazione di fosforolisi, energeticamente vantaggiosa perché parte dell’energia del legame glicosidico viene conservata nella molecola di glucosio 1-fosfato e non si deve consumare altro ATP per attivare il glucosio.
Il cofattore della glicogeno fosforilasi è il piridossalfosfato, un derivato della piridossina (vitamina B6), che con il suo gruppo fosforico promuove l’attacco del legame glicosidico da parte del gruppo fosfato.
La glicogeno fosforilasi catalizza la rimozione sequenziale di residui glicosidici a partire dalle estremità non riducenti, ma non è in grado di scindere il legame α-1,6 glicosidico.
Quattro residui prima della ramificazione entra in azione l’enzima deramificante che possiede un’attività transferasica e un’attività α-1,6 glucosidasica (Figura 4).
L’attività transferasica sposta tre residui di glucosio dalla catena della ramificazione ad un’altra catena, lasciando un solo residuo di glucosio legato con legame α-1,6 glicosidico.
L’attività α-1,6 glucosidasica catalizza l’idrolisi del legame α-1,6 glicosidico rilasciando una molecola di glucosio.
Negli eucarioti queste due attività catalitiche fanno parte di uno stesso enzima bifunzionale.
Il glucosio 1-fosfato prodotto dell’azione della glicogeno fosforilasi viene convertito in glucosio 6-fosfato dalla fosfoglucomutasi.
Glucosio 1-fosfato ⇆ Glucosio-6P
Nel muscolo il glucosio 6-fosfato può entrare nella glicolisi.
Il fegato invece deve rilasciare il glucosio nel sangue per rifornire gli altri tessuti.
Per fare ciò è necessario un enzima idrolitico, la glucosio 6-fosfatasi.
La glucosio 6-fosfatasi è un enzima della gluconeogenesi, presente solo nel fegato e nel rene, che consente al glucosio di uscire dal fegato.
In figura 5 è schematicamente riportato il destino del glucosio 6-fosfato.
L’enzima principale della glicogenolisi è la glicogeno fosforilasi, la cui attività è regolata da più meccanismi:
Regolazione allosterica.
Regolazione mediante modificazione covalente.
Entrambi i meccanismi di regolazione sono attivi sia nel fegato che nel muscolo scheletrico, ma con determinate differenze dovute al fatto che il muscolo produce energia per sé stesso, mentre il fegato rifornisce di glucosio l’intero organismo.
La glicogeno fosforilasi è un enzima allosterico costituito da 2 subunità uguali.
Esiste in due stati conformazionali:
La transizione da uno stato conformazionale all’altro è influenzata dalla presenza di modulatori.
I modulatori allosterici sono diversi nel fegato e nel muscolo.
Nel muscolo scheletrico la glicogeno fosforilasi è attivata da AMP ed inattivata da ATP e glucosio 6-fosfato.
La regolazione nel muscolo è basata essenzialmente sulla carica energetica.
Nel fegato la glicogeno fosforilasi è inattivata dal glucosio.
Dopo un pasto ricco di carboidrati il glucosio è già presente nel sangue e non c’è necessità di degradare il glicogeno epatico per rifornire i tessuti di glucosio.
L’attività della glicogeno fosforilasi può essere regolata mediante fosforilazione.
Il residuo di serina in posizione 14 presente su entrambe le subunità dell’enzima può essere fosforilato ad opera di una fosforilasi chinasi.
I gruppi fosfato possono essere rimossi da una fosforilasi fosfatasi.
L’enzima non fosforilato è meno attivo ed è detto fosforilasi b.
L’enzima fosforilato è più attivo ed è detto fosforilasi a.
La regolazione dell’attività dell’enzima mediante fosforilazione è dipendente dagli ormoni glucagone, adrenalina e insulina.
L’adrenalina, catecolammina rilasciata dalla midollare del surrene, stimola la degradazione del glicogeno nel muscolo (in misura minore nel fegato) per fornire glucosio per la contrazione muscolare. Il glucagone, ormone proteico secreto dalle cellule α del pancreas, stimola la degradazione del glicogeno nel fegato quando la glicemia è bassa. La cascata di eventi innescata nella cellula dall’ormone è la seguente (Figura 7):
Quando la proteina G è inattiva la subunità α lega il GDP, quando è attiva lega il GTP. La subunità α con GTP legato si stacca dalle altre subunità e interagisce con l’adenilato ciclasi, proteina di membrana che sintetizza AMP ciclico (cAMP) a partire dall’ATP. Il cAMP attiva la proteina chinasi A (PKA). La PKA fosforila la fosforilasi chinasi.
La fosforilasi chinasi fosforila la glicogeno fosforilasi attivandola.
Quando l’ormone non è più presente tutta la via si interrompe:
La glicogeno fosforilasi ritorna ad essere inattiva e la degradazione del glicogeno viene bloccata.
La sintesi di glicogeno ha luogo principalmente nel fegato e nel muscolo scheletrico.
Il punto di partenza della sintesi di glicogeno è il glucosio 6-fosfato, che deriva dal glucosio libero mediante fosforilazione da parte dell’esochinasi (nel muscolo) o della glucochinasi (nel fegato)
glucosio + ATP → glucosio 6-fosfato + ADP
Il glucosio 6-fosfato viene convertito in glucosio 1-fosfato dalla fosfoglucomutasi
glucosio 6-fosfato → glucosio 1-fosfato
Il glucosio 1-fosfato viene convertito in UDP-glucosio, una forma attivata di glucosio, dalla UDP-glucosio pirofosforilasi
glucosio 1-fosfato + UTP → UDP-glucosio + PPi
Il pirofosfato viene rapidamente idrolizzato da una pirofosfatasi.
L’UDP-glucosio è il donatore di unità di glucosio nella sintesi del glicogeno (Figura 8).
La glicogeno sintasi catalizza il trasferimento di un residuo di UDP-glucosio ad una estremità non riducente di una molecola di glicogeno, formando il legame α-1,4 glicosidico (Figura 9).
La glicogeno sintasi non può formare i legami α-1,6 glicosidici delle ramificazioni.
Questi legami sono formati dall’enzima ramificante che catalizza il trasferimento di 6-7 residui di glucosio dall’estremità non riducente di una catena lineare di glicogeno al gruppo –OH del carbonio 6 di un residuo di glucosio della stessa o di un’altra catena (Figura 10).
Una volta formata la ramificazione la glicogeno sintasi può aggiungere altri residui glicosidici alla nuova ramificazione.
(Figure da: D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino).
La glicogeno sintasi può solo allungare una catena preformata di glicogeno.
Per iniziare una nuova catena di glicogeno, quando tutto il glicogeno di riserva è esaurito, la glicogeno sintasi ha bisogno di un innesco.
La proteina glicogenina funziona da innesco e da catalizzatore per l’unione dei primi residui di glucosio.
La sintesi della nuova catena di glicogeno avviene a tappe (Figura 11):
La glicogenina è inglobata nei granuli di glicogeno.
L’attività della glicogeno sintasi è regolata allostericamente e mediante modificazioni covalenti.
Regolazione allosterica
Glucosio-6-fosfato è modulatore positivo.
ATP è modulatore positivo.
AMP è modulatore negativo.
Regolazione mediante modificazione covalente
La glicogeno sintasi è fosforilata in più siti da diverse proteine chinasi, tra le quali la più importante è la glicogeno sintasi chinasi 3 (GSK3).
La fosforilazione rende l’enzima inattivo, mentre la defosforilazione ad opera di fosfatasi lo attiva.
Questo tipo di regolazione è ormone dipendente.
La sintesi e la degradazione del glicogeno non avvengono contemporaneamente.
La cascata enzimatica innescata del glucagone e dall’adrenalina nel fegato e nel muscolo determina contemporaneamente la degradazione del glicogeno e il blocco della sintesi del glicogeno (Figura 12).
Un ruolo centrale nella regolazione del metabolismo del glicogeno è svolto dalla proteina fosfatasi 1 (PP1) che inverte gli effetti della proteina chinasi A (PKA).
La PP1 defosforila la fosforilasi chinasi e la glicogeno fosforilasi, rendendole inattive.
La PP1 defosforila la glicogeno sintasi, rendendola attiva.
In definitiva, la PP1 stimola la sintesi del glicogeno e ne inibisce la degradazione (Figura 13).
Dopo un pasto ricco di carboidrati i livelli di glucosio nel sangue (glicemia) aumentano.
Le cellule β del pancreas producono insulina, un ormone polipeptidico che si lega al recettore di membrana ad attività enzimatica (attività tirosina chinasica).
Il recettore si autofosforila e può fosforilare residui di tirosina di proteine bersaglio, tra cui i substrati del recettore dell’insulina (IRS).
Questi una volta fosforilati, attivano altre chinasi che a loro volta fosforilano la glicogeno sintasi chinasi, rendendola inattiva.
Conseguentemente, la glicogeno sintasi non può essere più fosforilata.
Inoltre, l’insulina attiva la proteina fosfatasi 1 (PP1) che defosforila la glicogeno sintasi, rendendola attiva.
La sintesi del glicogeno può quindi avvenire (Figura 14).
La concentrazione di glucosio nel sangue è regolata dagli ormoni (insulina, glucagone e adrenalina) che hanno effetti sui processi metabolici di molti tessuti (fegato, muscolo, tessuto adiposo).
Le vie metaboliche regolate da questi ormoni sono:
L’insulina è un ormone polipeptidico sintetizzato dalle cellule β del pancreas.
Viene rilasciata quando la concentrazione di glucosio nel sangue è alta (dopo un pasto ricco di carboidrati).
L’insulina abbassa la concentrazione di glucosio nel sangue.
L’insulina:
Il glucagone è un ormone polipeptidico sintetizzato dalle cellule α del pancreas.
Viene rilasciato quando la concentrazione di glucosio nel sangue è bassa (alcune ore dopo un pasto).
Il glucagone aumenta la concentrazione di glucosio nel sangue.
Il glucagone:
L’adrenalina è un ormone amminoacidico derivante dalla tirosina che viene rilasciato dalla midollare del surrene quando c’è richiesta immediata di energia.
L’adrenalina:
1. Struttura degli amminoacidi e legame peptidico
3. Proteine fibrose e proteine globulari (collageno e mioglobina)
4. Emoglobina e legame all'ossigeno
5. Proprietà generali degli enzimi e cinetica enzimatica
7. Regolazione dell'attività enzimatica
8. Coenzimi
9. Significato generale del metabolismo intermedio
10. Metabolismo dei carboidrati. Glicolisi e destino metabolico del...
12. Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa
14. Gluconeogenesi
17. Sintesi degli acidi grassi
18. Metabolismo del colesterolo. Lipoproteine e trasporto dei lipid...
19. Principali reazioni del catabolismo delle proteine. Degradazion...