Metabolismo del Glicogeno: Struttura e Funzione

Buongiorno a tutti, in questo video vi parlerò del metabolismo del glicogeno analizzando le varie reazioni sia per quanto riguarda i loro meccanismi sia per quanto riguarda la regolazione delle attività enzimatiche. Prima di iniziare vorrei segnalarvi la pagina Instagram Biochimica Easy che vedete in sovraimpressione e che è gestita da Michele che come me è uno studente appassionato della materia. Qui potete trovare tutta una serie di post riassuntivi che vi saranno utili sia per farvi un'idea sull'argomento, prima magari di cominciare questo video, sia come riassunti già pronti una volta che avete ascoltato tutta la spiegazione. Inoltre, per chi volesse approfondire anche alcuni aspetti legati ad alterazioni del metabolismo del glicogeno che io non tratterò, segnalo l'articolo open access presente in questa slide. Innanzitutto, il glicogeno... è un polisaccaride ramificato composto da molteplici unità di glucosio all'incirca, nello specifico, dalle 2000 alle 60.000 unità per molecola di glicogeno. La sua funzione è quella di riserva energetica a breve termine e lo possiamo trovare principalmente nel citoplasma di cellule muscolari scheletriche, perlopiù in quelle di tipo 2, e anche degli epatociti, ma si può trovare anche in altre sedi come ad esempio il rene e gli astrociti nel sistema nervoso centrale. In media nel fegato di un adulto se ne trovano all'incirca 100-120 grammi, mentre nel muscolo scheletrico di un adulto medio di 70 kg se ne trovano circa 400 grammi, quindi la concentrazione nel fegato è decisamente più alta. Questo polisaccaride viene immagazzinato in granuli citoplasmatici e come vedete in figura, al centro di ognuno di questi granuli è presente una proteina detta glicogenina, che è fondamentale per l'avvio della glicogenosintesi. Vediamo che a partire dalla glicogenina si ripartono due catene iniziali che successivamente si ramificano sempre di più portando il granulo ad assumere una forma globulare. Il vantaggio dell'immagazzinare il glucosio in questa forma è dato dalla riduzione dell'effetto osmotico e dall'aumento della solubilità complessiva della molecola. Inoltre ognuna... di queste ramificazioni ha una parte terminale che può essere utilizzata come punto di attacco per la glicogeno fosforilasi e ciò permette la degradazione rapida dell'intero polimero in caso di necessità come possiamo vedere i tratti lineari sono formati da molecole di glucosio unite da legami alfa 1,4-glicosidici mentre le ramificazioni sono date da legami alfa 1,6-glicosidici la loro frequenza è di una ogni 10 residui disposti linearmente ora che abbiamo concluso le generalità possiamo finalmente parlare del processo di sintesi del glicogeno nel fegato che è uguale a quello nel muscolo ma semplicemente il glucosio viene fosforilato da isoforme diverse dell'esokinasi per prima cosa vediamo che il glucosio entrato all'interno dell'epatocita viene fosforilato a glucosio 6 fosfato dalla glucochinasi Ricordate che questa isoforma ha una Km decisamente più alta rispetto all'esochinasi da muscolo, quindi nel fegato questa reazione avviene solo con alte concentrazioni di glucosio. Successivamente il glucosio 6-fosfato viene isomerizzato a glucosio 1-fosfato dalla fosfoglucomutasi e in seguito questo composto viene poi attivato ad UDP-glucosio dall'UDP-glucosio pirofosforilasi. A questo punto, grazie all'attività della glicogenina, della glicogenosintasi e dell'enzima ramificante, inizia la vera e propria sintesi del glicogeno. Per quanto riguarda la glucochinasi, non spiegherò il meccanismo nello specifico, ma vi lascio comunque questa immagine e una breve spiegazione scritta a lato, e se volete la spiegazione vera e propria, vi rimando al secondo video sulla glicolisi che lascio nelle schede in alto. Vediamo invece il meccanismo della reazione catalizzata dalla fosfoglucomutasi. Nell'immagine si vede la conversione del glucosio 1-fosfato a glucosio 6-fosfato, ma la reazione che interessa a noi è l'esatto contrario. Quello che cambia è semplicemente che si parte da destra con l'ossigeno dell'ossidrile legato al carbonio 1 che andrà ad attaccare il fosfato legato all'enzima e l'enzima poi si andrà a riorientare in modo da portare il fosfato in posizione 6 abbastanza vicino alla serina dell'enzima in modo tale che questo fosfato possa essere rimosso convertendo quindi il glucosio 1,6-bisfosfato intermedio in glucosio 1-fosfato. Lo step successivo è la formazione di UDP glucosio. Anche in questo caso vi lascio la breve spiegazione scritta e vi invito a recuperarvi il video che lascio in alto nelle schede qualora abbiate dubbi. Entriamo quindi nel vivo dell'argomento del video parlando della glicogenina. Come detto ad inizio video, questa proteina non ha solo un ruolo strutturale, ma è anche fondamentale per la sintesi dell'intera molecola di glicogeno. Il motivo è che la glicogeno sintasi non è in grado di avviare la sintesi del glicogeno partendo da zero o avendo l'UDP glucosio libero, ma ha bisogno di un primer lineare composto da almeno 4-6 unità di glucosio e questo primer viene sintetizzato proprio dalla glicogenina. In figura vediamo il residuo di aspartato e il manganese nel sito attivo che coordinano l'UDP glucosio. La prima cosa che avviene è l'autoglicosilazione della tirosina 194 della glicogenina. Vediamo che c'è un attacco nucleofilo dell'ossigeno ossidrilico sul carbonio 1 del glucosio, dell'UDP glucosio e si ha una conseguente rottura del legame carbonio-ossigeno e di stacco quindi dell'UDP. Successivamente sarà l'ossigeno del gruppo ossidrilico in posizione 4 del glucosio appena legato alla tirosina a dare attacco nucleofilo sul carbonio 1 di un'altra molecola di glucosio all'interno di un UDP glucosio e il meccanismo si ripeterà esattamente allo stesso modo fino a che non si sarà raggiunta una lunghezza di 8, 6 barra 8 molecole di glucosio disposte linearmente unite da legami alfa 1,4. Per l'allungamento della catena, quindi fino a raggiungere le otto molecole di glucosio, c'è una collaborazione tra glicogenina e glicogenosintasi, mentre a partire dall'aggiunta del non residuo di glucosio, l'attività di allungamento della catena diventa interamente a carico della glicogenosintasi e il meccanismo di reazione rimane comunque lo stesso. Come abbiamo visto precedentemente il glicogeno è caratterizzato da ramificazioni dovute alla presenza di legami alfa 1,6 glicosidici la cui frequenza è di 1 ogni 10 barra 14 residui di glucosio uniti da legami alfa 1,4. La glicogeno sintasi tuttavia non è in grado di introdurre queste ramificazioni quindi serve l'azione dell'enzima ramificante. Nell'immagine vediamo che questo enzima trasferisce queste sette molecole di glucosio rosse in realtà poi il numero potrebbe variare leggermente all'incirca di una molecola, su un altro glucosio che le precede all'interno della catena lineare, formando quindi un legame alfa-1,6-glicosidico tra il carbonio 1 della molecola di glucosio che occupava la posizione più prossimale tra quelle trasferite e il carbonio 6 dell'altro glucosio. Il meccanismo prevede l'idrolisi di un legame alfa 1,4-glicosidico e una successiva transglicosilazione. Vediamo che l'ossigeno con carica negativa di un residuo di aspartato nel sito attivo effettua un attacco nucleofilo sul carbonio 1 della molecola di glucosio e l'ossigeno impegnato nel legame alfa 1,4 strappa un protone ad un acido glutammico formando quindi un buon gruppo uscente che è questo gruppo ossidrilico legato al resto della catena. La parte distale della catena lineare appena spezzata, che è quella in blu, può quindi essere attaccata ad un residuo più prossimale sulla stessa catena oppure ad un residuo di glucosio su una catena vicina. Il tutto avviene grazie all'attacco nucleofilo dell'ossigeno dell'ossidrile in posizione 6 di questo glucosio sul carbonio 1 del glucosio all'estremità riducente del pezzo di catena da collegare. Affinché questo avvenga serve che il glutammato strappi il protone a questo gruppo ossidrilico. L'attacco causerà la formazione di un legame alfa-1,6-glicosidico e la rottura del legame tra il glucosio e l'aspartato. A questo punto quindi si saranno ottenute due catene che potranno essere entrambe allungate dalla glicogenosintasi. Ora che abbiamo visto la glicogenosintesi, prima di parlarvi della regolazione, vediamo anche la glicogenolisi nel fegato. I meccanismi sono uguali a quelli nel muscolo, ma nel fegato è presente un enzima in più. Per prima cosa vi ricordo che ogni estremità non riducente della molecola di glicogeno, ovvero ogni punto terminale di una catena lineare, funge da punto di attacco per la glicogeno fosforilasi, quindi la degradazione del glicogeno può avvenire molto velocemente in caso di bisogno. La glicogeno fosforilasi libera un glucosio 1-fosfato dal glicogeno e per farlo utilizza come cofattore un pyridossal fosfato che forma una base di Schiff con la lisina 680. In questo caso il pyridossal fosfato partecipa alla reazione con il suo gruppo fosfato ed è una cosa che non accade in tutte le altre reazioni a cui partecipa come cofattore. Vediamo infatti che questo gruppo dona un protone ad un fosfato inorganico permettendo quindi la deprotonazione del fosfato inorganico da parte dell'ossigeno impegnato nel legame glicosidico. Il pyridossalfosfato cede facilmente questo protone perché la carica negativa su questo ossigeno viene poi stabilizzata per risonanza sia grazie alla struttura del gruppo fosfato sia grazie all'anello. L'ossigeno protonato diventa un buon gruppo uscente quindi si va a rompere il legame tra carbonio 1 e ossigeno di conseguenza il carbonio 1 del glucosio terminale diventerà un carbocatione. L'ossigeno del fosfato inorganico deprotonato successivamente dà attacco nucleofilo sul carbocatione, di conseguenza si formerà il glucosio 1 fosfato, questo fosfato verrà di nuovo deprotonato dal pyridossal fosfato che essenzialmente si riprende il suo protone e quindi può ripartire un nuovo ciclo catalitico. e quindi si sarà ottenuto il glucosio 1 fosfato e una catena di glicogeno accorciata di un'unità il glucosio 1 fosfato viene poi convertito in glucosio 6 fosfato dalla fosfoglucomutasi ciò che accade questa volta è che l'ossigeno dell'ossidrile in posizione 6 attacca il fosforo del fosfato legato alla serina e si forma quindi glucosio 1 6 bisfosfato a causa poi di un riorientamento dell'enzima il fosfato in posizione 1 si trova nella posizione corretta rispetto alla serina per permettere il trasferimento proprio di questo gruppo all'amminoacido e la conseguente formazione di glucosio 6-fosfato nel muscolo il glucosio 6-fosfato non potrebbe essere usato per produrre glucosio ma dovrebbe obbligatoriamente seguire uno degli altri possibili destini metabolici molto probabilmente entrerebbe nella glicolisi ma potrebbe anche prendere la via dei pentosofosfati questo è dovuto alla mancanza della glucosio 6 fosfatasi che invece è presente negli epatociti vi ricordo che il glucosio ma non il glucosio 6 fosfato può uscire dalla cellula tramite i trasportatori glute quindi questo dal punto di vista pratico implica che il fegato sia in grado di cedere glucosio alla circolazione sanguigna mentre il muscolo non lo possa fare Ne consegue quindi che il ruolo principale della glicogenolisi epatica sia quello di mantenere la glicemia durante i periodi di digiuno a breve termine, mentre quello della glicogenolisi muscolare sia quello di fornire glucosio per l'attività al singolo miocita. Detto questo, possiamo parlare del meccanismo di reazione. Per prima cosa, l'azoto di unistidina dà attacco nucleofilo sul fosforo del fosfato in posizione 6. quindi si va a formare un intermedio bipiramidale trigonale. Il riarrangiamento elettronico nell'intermedio causa la rottura del legame fosforo-ossigeno e l'ossigeno in posizione 6 strappa un protone all'azoto di un'altra istidina. In questo modo quindi viene liberato il glucosio. Entra quindi una molecola d'acqua il cui ossigeno dà attacco nucleofilo sul fosforo causando la localizzazione degli elettroni del legame pi greca su questo ossigeno che assume carica negativa. Di conseguenza si formerà un nuovo intermedio in cui c'è un ossigeno con carica positiva legato a due idrogeni e al fosforo. Si ha quindi un trasferimento di protone intramolecolare grazie a cui questo ossigeno perde la carica positiva e tramite un altro riarrangiamento elettronico si ha la rottura del legame tra il fosforo e l'azoto. Di conseguenza quindi viene rilasciato il fosfato inorganico. Ciò che ho spiegato fino ad ora fa capire come vengano rimosse le unità di glucosio dalle catene lineari grazie alla glicogeno fosforilasi, ma questo enzima non è in grado di rompere i legami alfa 1,6, quindi si ferma a 4 residui di distanza dalla ramificazione lasciando il posto all'enzima deramificante. Quest'ultimo per prima cosa trasferisce tre residui di glucosio dal ramo in questione ad un ramo vicino lasciando quindi un solo residuo di glucosio che è quello impegnato nel legame alfa 1,6 come vediamo in figura. Successivamente questo legame viene idrolizzato dallo stesso enzima e di conseguenza viene rimossa la ramificazione e viene liberato glucosio. La reazione comincia con l'attacco nucleofilo sul carbonio 1 da parte di una base nel sito attivo e con l'ossigeno impegnato nel legame alfa 1,6 che strappa un protone ad un amminoacido diventando così un buon gruppo uscente. In questo modo si rompe il legame tra carbonio 1 e ossigeno ma successivamente bisognerà anche rompere il legame tra il glucosio e l'amminoacido che ha agito da nucleofilo. Per questo motivo l'amminoacido precedentemente deprotonato strappa un protone ad una molecola d'acqua e in questo modo l'ossigeno può effettuare un attacco nucleofilo sul carbonio 1 causando la rottura del legame tra questo carbonio e l'amminoacido. Notiamo che dalla reazione si è liberato direttamente il glucosio e non glucosio 1-fosfato quindi questo andrà poi fosforilato per entrare nella glicolisi oppure nel caso del fegato viene direttamente rilasciato. Concluso il discorso sulle reazioni, possiamo iniziare a parlare della regolazione dell'attività dei principali enzimi implicati nel metabolismo del glicogeno, partendo da questa tabella riassuntiva. Innanzitutto vediamo che gli enzimi possono essere regolati allostericamente oppure possono essere regolati dall'azione di ormoni e questo implica una regolazione tramite modificazione covalente, ovvero tramite fosforilazione. Per prima cosa, la glicosinosintasi è attivata allostericamente dal glucosio 6-fosfato. Questo ha senso in quanto la presenza di grandi quantità di glucosio 6-fosfato indicano glicolisi bloccata o molto rallentata, ampia disponibilità di glucosio, quindi, e di conseguenza lo scenario è anabolico e ha senso immagazzinare quel glucosio in forma di glicogeno. Nel muscolo la MP e il calcio attivano invece la glicogeno fosforilasi, questo ha senso perché sono entrambi segnali di contrazione muscolare in atto, infatti il calcio aumenta all'interno del citoplasma durante la contrazione e l'aumento della MP indica un grande consumo di ATP tipico appunto della contrazione muscolare. Quindi ha senso che in quella situazione venga degradato il glicogeno per fornire glucosio e di conseguenza energia alla cellula. Il glucosio ovviamente funge da inibitore all'osterico della glicogeno fosforilasi, infatti se sono già presenti grandi quantità di glucosio non ha senso andare a catabolizzare il glicogeno. Per quanto riguarda la regolazione ormonale vediamo che l'insulina... promuove l'attività della glicogenosintasi e non c'è da stupirsi in quanto l'insulina viene rilasciata in risposta all'aumento della glicemia di conseguenza indica ampia disponibilità di glucosio che può essere immagazzinato in forma di glicogeno. In contrasto invece il glucagone e l'adrenalina, il glucagone nello specifico nel fegato e l'adrenalina nel muscolo, inducono inibizione della glicogeno sintasi e attivazione della glicogeno fosforilasi questo perché il glucagone indica un abbassamento della glicemia di conseguenza servirà che il fegato rilasci glucosio partendo proprio dal catabolismo del glicogeno invece l'adrenalina viene rilasciata durante un esercizio fisico e di conseguenza induce la produzione di glucosio all'interno del muscolo in modo che possa essere utilizzato a scopi energetici. Vediamo la regolazione della glicogeno fosforilasi. Questo enzima è presente in due forme che sono dette fosforilasi A e fosforilasi B. La fosforilasi A è quella fosforilata. Vediamo che per quanto riguarda la fosforilasi A l'equilibrio è spostato verso la forma rilassata, ovvero la forma più attiva cataliticamente, mentre nel caso della fosforilase B l'equilibrio è spostato verso la forma attesa, ovvero quella meno attiva. La fosforilazione induce il passaggio da fosforilase B a fosforilase A, quindi rende più probabile trovare l'enzima nella forma rilassata. cioè attiva. Vediamo che l'AMP agisce da regolatore allosterico della fosforilase B promuovendone il passaggio alla forma rilassata, mentre l'ATP e il glucosio 6-fosfato ne inducono il passaggio alla forma tesa, quindi inducono una diminuzione della sua attività e se ci pensate ha senso, perché se c'è già tanto ATP e c'è già tanto glucosio 6-fosfato nel muscolo non ha senso. andare a rilasciare altro glucosio a partire dal glicogeno. Il glucosio puro invece induce il passaggio della fosforilasia dalla forma rilassata alla forma tesa, diminuendo quindi la sua attività. E ha senso sempre per gli stessi motivi, c'è già tanto glucosio, quindi non bisogna degradare il glicogeno. Per quanto riguarda l'azione dell'insulina possiamo dire che effettori a monte della via di segnalazione vanno ad inibire direttamente l'attività della fosforilasi chinasi e della glicogeno sintasi chinasi. Questo significa che la fosforilasi chinasi non riuscirà più a fosforilare la glicogeno fosforilasi che quindi risulterà meno attiva. Invece la glicogeno sintasi chinasi non potrà più inibire la glicogeno sintasi. Questo si traduce quindi in maggior sintesi di glicogeno e minor catabolismo di questo polimero. Inoltre l'insulina attiva la proteina fosfatasi 1 che va a defosforilare la fosforilasi chinasi a livello di alcuni residui amminoacidici inibendola, cioè diminuendo nell'attività, va a defosforilare la glicogeno fosforilasi nei siti in cui è fosforilata dalla fosforilasi chinasi di conseguenza inibendo nell'attività e va a defosforilare la glicogenosintasi, quindi la sua attività è contrastante anche con quella della glicogenosintasi chinasi. Nel complesso quindi capiamo che l'insulina promuove l'anabolismo del glicogeno e invece inibisce la glicogenolisi. Per quanto riguarda l'azione del glucagone e dell'adrenalina possiamo dire che questi stimolano l'attivazione della PKA. che va ad attivare la fosforilasi chinasi che quindi attiva a sua volta la glicogeno fosforilasi. Inoltre la PKA inibisce la proteina fosfatasi 1 rimuovendo quindi l'inibizione sulla fosforilasi chinasi e sulla glicogeno fosforilasi e rimuovendo anche l'attivazione della glicogenosintasi. Quindi nel complesso glucagone e adrenalina inducono la glicogeno lisi e inibiscono la glicogenosintasi. Concluso il discorso su glucagone e adrenalina, possiamo passare a osservare la situazione riguardo il metabolismo del glicogeno nel muscolo. In questo caso vediamo cosa accade nel muscolo a lavoro. Durante le contrazioni muscolari viene rilasciato calcio nel citoplasma, viene ridotta la quantità di ATP e aumenta la quantità di MP, quindi si attiverà la MPK. è presente appunto lo stretch meccanico e tutti questi fattori portano all'aumento della traslocazione dei GLUT4 nella membrana plasmatica e di conseguenza all'aumento dell'uptake di glucosio, quindi questo porterà a una sua fosforilazione e all'aumento del glucosio 6-fosfato che viene utilizzato nell'agricolisi per produrre ATP. Inoltre l'AMP, il calcio e come abbiamo visto prima l'adrenalina inducono attivazione della glicogeno fosforilasi, quindi quello che accade è che aumenta la glicogeno lisi, di conseguenza diminuiscono le scorte di glicogeno e si ottiene il glucosio 6 fosfato che serve appunto come detto per la produzione di ATP. Nel muscolo a riposo invece la situazione è decisamente diversa. Innanzitutto abbiamo... una mobilizzazione dei glute 4 durante l'esercizio quindi appena smettiamo di compiere i gesti che stavamo compiendo e passiamo al riposo questi glute 4 sono ancora in membrana magari immaginiamoci di mangiare con una specie una sorta di spuntino post workout e in questo caso sarà rilasciata insulina che indurrà ulteriore traslocazione dei glute 4 nella membrana plasmatica nelle cellule muscolari Questo nel complesso porta a un aumento dell'uptake di glucosio nel muscolo, un aumento ulteriore rispetto a prima. Quindi questo glucosio può essere ancora fosforilato a glucosio 6-fosfato, ma questa volta il glucosio 6-fosfato non sarà utilizzato solamente per la glicolisi come accadeva prima. perché non siamo più in una condizione in cui il muscolo ha un bisogno immediato di grandi quantità di ATP. Quello che accadrà è che il glucosio 6-fosfato comincerà ad accumularsi, quindi inibirà la glicogeno fosforilasi e attiverà la glicogenosintasi. Di conseguenza, durante il periodo di riposo, avremo una maggiore glicogenosintesi, e quindi si accumulerà il glicogeno che potrà essere poi utilizzato in una successiva fase di lavoro muscolare quando le scorte di glicogeno iniziano ad aumentare viene inibita a feedback la glicogenosintasi quindi si va a ridurre la velocità della sintesi del glicogeno direi che per questo video è tutto vi ricordo di iscrivervi al canale attivare la campanella delle notifiche lasciare un like al video se vi è piaciuto e di commentare se avete domande o suggerimenti Io vi aspetto nei miei prossimi video divulgativi e nei prossimi video di biochimica.

Inoltre, per chi volesse approfondire anche alcuni aspetti legati ad alterazioni del metabolismo del glicogeno che io non tratterò, segnalo l'articolo open access presente in questa slide. Innanzitutto, il glicogeno... è un polisaccaride ramificato composto da molteplici unità di glucosio all'incirca, nello specifico, dalle 2000 alle 60.000 unità per molecola di glicogeno. La sua funzione è quella di riserva energetica a breve termine e lo possiamo trovare principalmente nel citoplasma di cellule muscolari scheletriche, perlopiù in quelle di tipo 2, e anche degli epatociti, ma si può trovare anche in altre sedi come ad esempio il rene e gli astrociti nel sistema nervoso centrale. In media nel fegato di un adulto se ne trovano all'incirca 100-120 grammi, mentre nel muscolo scheletrico di un adulto medio di 70 kg se ne trovano circa 400 grammi, quindi la concentrazione nel fegato è decisamente più alta.

Questo polisaccaride viene immagazzinato in granuli citoplasmatici e come vedete in figura, al centro di ognuno di questi granuli è presente una proteina detta glicogenina, che è fondamentale per l'avvio della glicogenosintesi. Vediamo che a partire dalla glicogenina si ripartono due catene iniziali che successivamente si ramificano sempre di più portando il granulo ad assumere una forma globulare. Il vantaggio dell'immagazzinare il glucosio in questa forma è dato dalla riduzione dell'effetto osmotico e dall'aumento della solubilità complessiva della molecola. Inoltre ognuna... di queste ramificazioni ha una parte terminale che può essere utilizzata come punto di attacco per la glicogeno fosforilasi e ciò permette la degradazione rapida dell'intero polimero in caso di necessità come possiamo vedere i tratti lineari sono formati da molecole di glucosio unite da legami alfa 1,4-glicosidici mentre le ramificazioni sono date da legami alfa 1,6-glicosidici la loro frequenza è di una ogni 10 residui disposti linearmente ora che abbiamo concluso le generalità possiamo finalmente parlare del processo di sintesi del glicogeno nel fegato che è uguale a quello nel muscolo ma semplicemente il glucosio viene fosforilato da isoforme diverse dell'esokinasi per prima cosa vediamo che il glucosio entrato all'interno dell'epatocita viene fosforilato a glucosio 6 fosfato dalla glucochinasi Ricordate che questa isoforma ha una Km decisamente più alta rispetto all'esochinasi da muscolo, quindi nel fegato questa reazione avviene solo con alte concentrazioni di glucosio.

Successivamente il glucosio 6-fosfato viene isomerizzato a glucosio 1-fosfato dalla fosfoglucomutasi e in seguito questo composto viene poi attivato ad UDP-glucosio dall'UDP-glucosio pirofosforilasi. A questo punto, grazie all'attività della glicogenina, della glicogenosintasi e dell'enzima ramificante, inizia la vera e propria sintesi del glicogeno. Per quanto riguarda la glucochinasi, non spiegherò il meccanismo nello specifico, ma vi lascio comunque questa immagine e una breve spiegazione scritta a lato, e se volete la spiegazione vera e propria, vi rimando al secondo video sulla glicolisi che lascio nelle schede in alto. Vediamo invece il meccanismo della reazione catalizzata dalla fosfoglucomutasi. Nell'immagine si vede la conversione del glucosio 1-fosfato a glucosio 6-fosfato, ma la reazione che interessa a noi è l'esatto contrario.

Quello che cambia è semplicemente che si parte da destra con l'ossigeno dell'ossidrile legato al carbonio 1 che andrà ad attaccare il fosfato legato all'enzima e l'enzima poi si andrà a riorientare in modo da portare il fosfato in posizione 6 abbastanza vicino alla serina dell'enzima in modo tale che questo fosfato possa essere rimosso convertendo quindi il glucosio 1,6-bisfosfato intermedio in glucosio 1-fosfato. Lo step successivo è la formazione di UDP glucosio. Anche in questo caso vi lascio la breve spiegazione scritta e vi invito a recuperarvi il video che lascio in alto nelle schede qualora abbiate dubbi. Entriamo quindi nel vivo dell'argomento del video parlando della glicogenina. Come detto ad inizio video, questa proteina non ha solo un ruolo strutturale, ma è anche fondamentale per la sintesi dell'intera molecola di glicogeno.

Il motivo è che la glicogeno sintasi non è in grado di avviare la sintesi del glicogeno partendo da zero o avendo l'UDP glucosio libero, ma ha bisogno di un primer lineare composto da almeno 4-6 unità di glucosio e questo primer viene sintetizzato proprio dalla glicogenina. In figura vediamo il residuo di aspartato e il manganese nel sito attivo che coordinano l'UDP glucosio. La prima cosa che avviene è l'autoglicosilazione della tirosina 194 della glicogenina.

Vediamo che c'è un attacco nucleofilo dell'ossigeno ossidrilico sul carbonio 1 del glucosio, dell'UDP glucosio e si ha una conseguente rottura del legame carbonio-ossigeno e di stacco quindi dell'UDP. Successivamente sarà l'ossigeno del gruppo ossidrilico in posizione 4 del glucosio appena legato alla tirosina a dare attacco nucleofilo sul carbonio 1 di un'altra molecola di glucosio all'interno di un UDP glucosio e il meccanismo si ripeterà esattamente allo stesso modo fino a che non si sarà raggiunta una lunghezza di 8, 6 barra 8 molecole di glucosio disposte linearmente unite da legami alfa 1,4. Per l'allungamento della catena, quindi fino a raggiungere le otto molecole di glucosio, c'è una collaborazione tra glicogenina e glicogenosintasi, mentre a partire dall'aggiunta del non residuo di glucosio, l'attività di allungamento della catena diventa interamente a carico della glicogenosintasi e il meccanismo di reazione rimane comunque lo stesso. Come abbiamo visto precedentemente il glicogeno è caratterizzato da ramificazioni dovute alla presenza di legami alfa 1,6 glicosidici la cui frequenza è di 1 ogni 10 barra 14 residui di glucosio uniti da legami alfa 1,4.

La glicogeno sintasi tuttavia non è in grado di introdurre queste ramificazioni quindi serve l'azione dell'enzima ramificante. Nell'immagine vediamo che questo enzima trasferisce queste sette molecole di glucosio rosse in realtà poi il numero potrebbe variare leggermente all'incirca di una molecola, su un altro glucosio che le precede all'interno della catena lineare, formando quindi un legame alfa-1,6-glicosidico tra il carbonio 1 della molecola di glucosio che occupava la posizione più prossimale tra quelle trasferite e il carbonio 6 dell'altro glucosio. Il meccanismo prevede l'idrolisi di un legame alfa 1,4-glicosidico e una successiva transglicosilazione.

Vediamo che l'ossigeno con carica negativa di un residuo di aspartato nel sito attivo effettua un attacco nucleofilo sul carbonio 1 della molecola di glucosio e l'ossigeno impegnato nel legame alfa 1,4 strappa un protone ad un acido glutammico formando quindi un buon gruppo uscente che è questo gruppo ossidrilico legato al resto della catena. La parte distale della catena lineare appena spezzata, che è quella in blu, può quindi essere attaccata ad un residuo più prossimale sulla stessa catena oppure ad un residuo di glucosio su una catena vicina. Il tutto avviene grazie all'attacco nucleofilo dell'ossigeno dell'ossidrile in posizione 6 di questo glucosio sul carbonio 1 del glucosio all'estremità riducente del pezzo di catena da collegare. Affinché questo avvenga serve che il glutammato strappi il protone a questo gruppo ossidrilico. L'attacco causerà la formazione di un legame alfa-1,6-glicosidico e la rottura del legame tra il glucosio e l'aspartato.

A questo punto quindi si saranno ottenute due catene che potranno essere entrambe allungate dalla glicogenosintasi. Ora che abbiamo visto la glicogenosintesi, prima di parlarvi della regolazione, vediamo anche la glicogenolisi nel fegato. I meccanismi sono uguali a quelli nel muscolo, ma nel fegato è presente un enzima in più.

Per prima cosa vi ricordo che ogni estremità non riducente della molecola di glicogeno, ovvero ogni punto terminale di una catena lineare, funge da punto di attacco per la glicogeno fosforilasi, quindi la degradazione del glicogeno può avvenire molto velocemente in caso di bisogno. La glicogeno fosforilasi libera un glucosio 1-fosfato dal glicogeno e per farlo utilizza come cofattore un pyridossal fosfato che forma una base di Schiff con la lisina 680. In questo caso il pyridossal fosfato partecipa alla reazione con il suo gruppo fosfato ed è una cosa che non accade in tutte le altre reazioni a cui partecipa come cofattore. Vediamo infatti che questo gruppo dona un protone ad un fosfato inorganico permettendo quindi la deprotonazione del fosfato inorganico da parte dell'ossigeno impegnato nel legame glicosidico. Il pyridossalfosfato cede facilmente questo protone perché la carica negativa su questo ossigeno viene poi stabilizzata per risonanza sia grazie alla struttura del gruppo fosfato sia grazie all'anello.

L'ossigeno protonato diventa un buon gruppo uscente quindi si va a rompere il legame tra carbonio 1 e ossigeno di conseguenza il carbonio 1 del glucosio terminale diventerà un carbocatione. L'ossigeno del fosfato inorganico deprotonato successivamente dà attacco nucleofilo sul carbocatione, di conseguenza si formerà il glucosio 1 fosfato, questo fosfato verrà di nuovo deprotonato dal pyridossal fosfato che essenzialmente si riprende il suo protone e quindi può ripartire un nuovo ciclo catalitico. e quindi si sarà ottenuto il glucosio 1 fosfato e una catena di glicogeno accorciata di un'unità il glucosio 1 fosfato viene poi convertito in glucosio 6 fosfato dalla fosfoglucomutasi ciò che accade questa volta è che l'ossigeno dell'ossidrile in posizione 6 attacca il fosforo del fosfato legato alla serina e si forma quindi glucosio 1 6 bisfosfato a causa poi di un riorientamento dell'enzima il fosfato in posizione 1 si trova nella posizione corretta rispetto alla serina per permettere il trasferimento proprio di questo gruppo all'amminoacido e la conseguente formazione di glucosio 6-fosfato nel muscolo il glucosio 6-fosfato non potrebbe essere usato per produrre glucosio ma dovrebbe obbligatoriamente seguire uno degli altri possibili destini metabolici molto probabilmente entrerebbe nella glicolisi ma potrebbe anche prendere la via dei pentosofosfati questo è dovuto alla mancanza della glucosio 6 fosfatasi che invece è presente negli epatociti vi ricordo che il glucosio ma non il glucosio 6 fosfato può uscire dalla cellula tramite i trasportatori glute quindi questo dal punto di vista pratico implica che il fegato sia in grado di cedere glucosio alla circolazione sanguigna mentre il muscolo non lo possa fare Ne consegue quindi che il ruolo principale della glicogenolisi epatica sia quello di mantenere la glicemia durante i periodi di digiuno a breve termine, mentre quello della glicogenolisi muscolare sia quello di fornire glucosio per l'attività al singolo miocita. Detto questo, possiamo parlare del meccanismo di reazione.

Per prima cosa, l'azoto di unistidina dà attacco nucleofilo sul fosforo del fosfato in posizione 6. quindi si va a formare un intermedio bipiramidale trigonale. Il riarrangiamento elettronico nell'intermedio causa la rottura del legame fosforo-ossigeno e l'ossigeno in posizione 6 strappa un protone all'azoto di un'altra istidina. In questo modo quindi viene liberato il glucosio.

Entra quindi una molecola d'acqua il cui ossigeno dà attacco nucleofilo sul fosforo causando la localizzazione degli elettroni del legame pi greca su questo ossigeno che assume carica negativa. Di conseguenza si formerà un nuovo intermedio in cui c'è un ossigeno con carica positiva legato a due idrogeni e al fosforo. Si ha quindi un trasferimento di protone intramolecolare grazie a cui questo ossigeno perde la carica positiva e tramite un altro riarrangiamento elettronico si ha la rottura del legame tra il fosforo e l'azoto.

Di conseguenza quindi viene rilasciato il fosfato inorganico. Ciò che ho spiegato fino ad ora fa capire come vengano rimosse le unità di glucosio dalle catene lineari grazie alla glicogeno fosforilasi, ma questo enzima non è in grado di rompere i legami alfa 1,6, quindi si ferma a 4 residui di distanza dalla ramificazione lasciando il posto all'enzima deramificante. Quest'ultimo per prima cosa trasferisce tre residui di glucosio dal ramo in questione ad un ramo vicino lasciando quindi un solo residuo di glucosio che è quello impegnato nel legame alfa 1,6 come vediamo in figura.

Successivamente questo legame viene idrolizzato dallo stesso enzima e di conseguenza viene rimossa la ramificazione e viene liberato glucosio. La reazione comincia con l'attacco nucleofilo sul carbonio 1 da parte di una base nel sito attivo e con l'ossigeno impegnato nel legame alfa 1,6 che strappa un protone ad un amminoacido diventando così un buon gruppo uscente. In questo modo si rompe il legame tra carbonio 1 e ossigeno ma successivamente bisognerà anche rompere il legame tra il glucosio e l'amminoacido che ha agito da nucleofilo. Per questo motivo l'amminoacido precedentemente deprotonato strappa un protone ad una molecola d'acqua e in questo modo l'ossigeno può effettuare un attacco nucleofilo sul carbonio 1 causando la rottura del legame tra questo carbonio e l'amminoacido.

Notiamo che dalla reazione si è liberato direttamente il glucosio e non glucosio 1-fosfato quindi questo andrà poi fosforilato per entrare nella glicolisi oppure nel caso del fegato viene direttamente rilasciato. Concluso il discorso sulle reazioni, possiamo iniziare a parlare della regolazione dell'attività dei principali enzimi implicati nel metabolismo del glicogeno, partendo da questa tabella riassuntiva. Innanzitutto vediamo che gli enzimi possono essere regolati allostericamente oppure possono essere regolati dall'azione di ormoni e questo implica una regolazione tramite modificazione covalente, ovvero tramite fosforilazione. Per prima cosa, la glicosinosintasi è attivata allostericamente dal glucosio 6-fosfato.

Questo ha senso in quanto la presenza di grandi quantità di glucosio 6-fosfato indicano glicolisi bloccata o molto rallentata, ampia disponibilità di glucosio, quindi, e di conseguenza lo scenario è anabolico e ha senso immagazzinare quel glucosio in forma di glicogeno. Nel muscolo la MP e il calcio attivano invece la glicogeno fosforilasi, questo ha senso perché sono entrambi segnali di contrazione muscolare in atto, infatti il calcio aumenta all'interno del citoplasma durante la contrazione e l'aumento della MP indica un grande consumo di ATP tipico appunto della contrazione muscolare. Quindi ha senso che in quella situazione venga degradato il glicogeno per fornire glucosio e di conseguenza energia alla cellula.

Il glucosio ovviamente funge da inibitore all'osterico della glicogeno fosforilasi, infatti se sono già presenti grandi quantità di glucosio non ha senso andare a catabolizzare il glicogeno. Per quanto riguarda la regolazione ormonale vediamo che l'insulina... promuove l'attività della glicogenosintasi e non c'è da stupirsi in quanto l'insulina viene rilasciata in risposta all'aumento della glicemia di conseguenza indica ampia disponibilità di glucosio che può essere immagazzinato in forma di glicogeno. In contrasto invece il glucagone e l'adrenalina, il glucagone nello specifico nel fegato e l'adrenalina nel muscolo, inducono inibizione della glicogeno sintasi e attivazione della glicogeno fosforilasi questo perché il glucagone indica un abbassamento della glicemia di conseguenza servirà che il fegato rilasci glucosio partendo proprio dal catabolismo del glicogeno invece l'adrenalina viene rilasciata durante un esercizio fisico e di conseguenza induce la produzione di glucosio all'interno del muscolo in modo che possa essere utilizzato a scopi energetici. Vediamo la regolazione della glicogeno fosforilasi.

Questo enzima è presente in due forme che sono dette fosforilasi A e fosforilasi B. La fosforilasi A è quella fosforilata. Vediamo che per quanto riguarda la fosforilasi A l'equilibrio è spostato verso la forma rilassata, ovvero la forma più attiva cataliticamente, mentre nel caso della fosforilase B l'equilibrio è spostato verso la forma attesa, ovvero quella meno attiva. La fosforilazione induce il passaggio da fosforilase B a fosforilase A, quindi rende più probabile trovare l'enzima nella forma rilassata. cioè attiva.

Vediamo che l'AMP agisce da regolatore allosterico della fosforilase B promuovendone il passaggio alla forma rilassata, mentre l'ATP e il glucosio 6-fosfato ne inducono il passaggio alla forma tesa, quindi inducono una diminuzione della sua attività e se ci pensate ha senso, perché se c'è già tanto ATP e c'è già tanto glucosio 6-fosfato nel muscolo non ha senso. andare a rilasciare altro glucosio a partire dal glicogeno. Il glucosio puro invece induce il passaggio della fosforilasia dalla forma rilassata alla forma tesa, diminuendo quindi la sua attività. E ha senso sempre per gli stessi motivi, c'è già tanto glucosio, quindi non bisogna degradare il glicogeno. Per quanto riguarda l'azione dell'insulina possiamo dire che effettori a monte della via di segnalazione vanno ad inibire direttamente l'attività della fosforilasi chinasi e della glicogeno sintasi chinasi.

Questo significa che la fosforilasi chinasi non riuscirà più a fosforilare la glicogeno fosforilasi che quindi risulterà meno attiva. Invece la glicogeno sintasi chinasi non potrà più inibire la glicogeno sintasi. Questo si traduce quindi in maggior sintesi di glicogeno e minor catabolismo di questo polimero. Inoltre l'insulina attiva la proteina fosfatasi 1 che va a defosforilare la fosforilasi chinasi a livello di alcuni residui amminoacidici inibendola, cioè diminuendo nell'attività, va a defosforilare la glicogeno fosforilasi nei siti in cui è fosforilata dalla fosforilasi chinasi di conseguenza inibendo nell'attività e va a defosforilare la glicogenosintasi, quindi la sua attività è contrastante anche con quella della glicogenosintasi chinasi.

Nel complesso quindi capiamo che l'insulina promuove l'anabolismo del glicogeno e invece inibisce la glicogenolisi. Per quanto riguarda l'azione del glucagone e dell'adrenalina possiamo dire che questi stimolano l'attivazione della PKA. che va ad attivare la fosforilasi chinasi che quindi attiva a sua volta la glicogeno fosforilasi. Inoltre la PKA inibisce la proteina fosfatasi 1 rimuovendo quindi l'inibizione sulla fosforilasi chinasi e sulla glicogeno fosforilasi e rimuovendo anche l'attivazione della glicogenosintasi.

Quindi nel complesso glucagone e adrenalina inducono la glicogeno lisi e inibiscono la glicogenosintasi. Concluso il discorso su glucagone e adrenalina, possiamo passare a osservare la situazione riguardo il metabolismo del glicogeno nel muscolo. In questo caso vediamo cosa accade nel muscolo a lavoro. Durante le contrazioni muscolari viene rilasciato calcio nel citoplasma, viene ridotta la quantità di ATP e aumenta la quantità di MP, quindi si attiverà la MPK. è presente appunto lo stretch meccanico e tutti questi fattori portano all'aumento della traslocazione dei GLUT4 nella membrana plasmatica e di conseguenza all'aumento dell'uptake di glucosio, quindi questo porterà a una sua fosforilazione e all'aumento del glucosio 6-fosfato che viene utilizzato nell'agricolisi per produrre ATP.

Inoltre l'AMP, il calcio e come abbiamo visto prima l'adrenalina inducono attivazione della glicogeno fosforilasi, quindi quello che accade è che aumenta la glicogeno lisi, di conseguenza diminuiscono le scorte di glicogeno e si ottiene il glucosio 6 fosfato che serve appunto come detto per la produzione di ATP. Nel muscolo a riposo invece la situazione è decisamente diversa. Innanzitutto abbiamo...

una mobilizzazione dei glute 4 durante l'esercizio quindi appena smettiamo di compiere i gesti che stavamo compiendo e passiamo al riposo questi glute 4 sono ancora in membrana magari immaginiamoci di mangiare con una specie una sorta di spuntino post workout e in questo caso sarà rilasciata insulina che indurrà ulteriore traslocazione dei glute 4 nella membrana plasmatica nelle cellule muscolari Questo nel complesso porta a un aumento dell'uptake di glucosio nel muscolo, un aumento ulteriore rispetto a prima. Quindi questo glucosio può essere ancora fosforilato a glucosio 6-fosfato, ma questa volta il glucosio 6-fosfato non sarà utilizzato solamente per la glicolisi come accadeva prima. perché non siamo più in una condizione in cui il muscolo ha un bisogno immediato di grandi quantità di ATP. Quello che accadrà è che il glucosio 6-fosfato comincerà ad accumularsi, quindi inibirà la glicogeno fosforilasi e attiverà la glicogenosintasi.

Di conseguenza, durante il periodo di riposo, avremo una maggiore glicogenosintesi, e quindi si accumulerà il glicogeno che potrà essere poi utilizzato in una successiva fase di lavoro muscolare quando le scorte di glicogeno iniziano ad aumentare viene inibita a feedback la glicogenosintasi quindi si va a ridurre la velocità della sintesi del glicogeno direi che per questo video è tutto vi ricordo di iscrivervi al canale attivare la campanella delle notifiche lasciare un like al video se vi è piaciuto e di commentare se avete domande o suggerimenti Io vi aspetto nei miei prossimi video divulgativi e nei prossimi video di biochimica.

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