Biologia Molecolare della Cellula ’087: Regolazione ormonale del metabolismo del

glicogeno e della glicolisiDesensitizzazione

Proteina-CHINASI cAMP DIPENDENTE (PKA)

Proteine target :ε metabolici

cAMP

Fosforilasi chinasi

Glicogeno Fosforilasi

Aumento della demolizione del glicogeno

Glicogeno Sintasi

Diminuzione dellasintesi del glicogeno

Effetti fisiologiciEffetti biochimiciOrmone

Sintesi del glicogeno Livello di glucosio ematico Glicogenolisi

Utilizzo del glucosio da parte delmuscolo

Mobilizzazione dei trigliceridi Rilascio di glucosio dal fegato Livelli di cAMP nel muscoloEpinefrina

Glicolisi Gluconeogenesi Idrolisi dei trigliceridi Sintesi del glicogeno

Livello di glucosio ematico Glicogenolisi Rilascio di glucosio dal fegato Livelli di cAMP (fegato e tessuto adiposo)Glucagone

Sintesi proteica, del DNA e RNA Degradazione delle proteine Lipolisi

Crescita cellulare edifferenziamento

Gluconeogenesi Sintesi dei trigliceridi

Immagazzinamento dei combustibili Sintesi del glicogeno Livello di glucosio ematico Glicolisi

Segnala lo stato di abbondanza dinutrienti

Permeabilita’ cellulare (muscolo e tessutoadiposo)

Insulina

I principali ormoni che regolano il metabolismo energetico negli animali

Gli ormoni chiave nella regolazione del metabolismo energetico sono l’insulina, che promuove l’utilizzo delglucosio, e il glucagone e l’epinefrina, che aumentano il livello ematico del glucosio

CONTROLLO del GLUCOSIO EMATICO (glicemia)

Negli animali il glucosio viene immagazzinato sotto forma di GLICOGENO (ungrosso polimero del glucosio) nel fegato e nel muscolo scheletrico.

Nel fegato il glucosio ottenuto dalla degradazione del glicogeno puo’ essererilasciato nella circolazione perche’ possa essere assorbito dagli altri tessuti.Nel muscolo viene utilizzato per generare energia necessaria per la contrazione.

β-cells

α-cells

Legame α-1,4 glucosidico

1

6

5

4

3 2

1

6

41

6

5

4

3 2

glicogeno

NELSON cap. 15CONTROLLO del GLUCOSIO EMATICO (glicemia)

Funzione del fegato e’ di mantenere costante (circa 5mM) la concentrazione di glucosio nel sangue.Risponde a GLUCAGONE e insulina.- bassa [gluc] (= fame, attivita’) α cells pancreas rilasciano GLUCAGONE aum. cAMP demolizione del glicogeno e inibiz. della glicolisi- alta [gluc] β cells pancreas rilasciano INSULINA attivazione PP1 SINTESI del GLICOGENO

La PKA nel METABOLISMO del GLICOGENO

SINTESI del glicogeno:

UDP-glucosio + glicogeno (n residui) glicogeno (n+1) + UDP

glicogenoSINTASI

DEGRADAZIONE: glicogeno (n)

Pi

glicogenoFOSFORILASI

glucosio1-

gluc1- MUTASI gluc 6-muscolo e altri tessuti il glucosio 6-P entra nella glicolisi

glicolisi ATP

fegato :

gluc1- MUTASI gluc 6-

Pi

G-6-FOSFATASIglucosio SANGUE altri

tessuti

+ glicogeno (n-1)

L’aumento della concentrazione di cAMP indotta da stimolazione con adrenalina o glucagoneaumenta la conversione da glicogeno a glucosio1- mediante:

- L’inibizione della SINTESI del glicogeno

- L’attivazione della sua DEGRADAZIONE (glicogenolisi)

Il processo e’ reversibile quando cala la concentrazione di cAMP

Sintesi e degradazione del glicogeno

GLICOGENOSINTASI (GS)

GLICOGENOFOSFORILASI (GP)

LODISH cap.20

(a) L’Incorporazione del glucosioda UDP-glucosio nel glicogenoe’ catalizzato dalla glicogenosintasi.(b) La rimozione di unita’ diglucosio dal glicogeno e’catalizzata dalla glicogenofosforilasi.

Siccome due enzimi differenticatalizzano la formazione e ladegradazione del glicogeno, ledue reazioni possono essereregolate in modo indipendente.(R e’ la porzione rimanente dellamolecola di glicogeno)

a

b

Legame α-1,4 glucosidico

Regolazione della sintesi e degradazione del glicogeno indotta da cAMPin cellule epatiche e muscolari

GLUCAGONE

PKA

PIP-Ca2+

(a) Un aumento del cAMP citosolico attiva la chinasi cAMP dipendente (cAPK-PKA) cheinnesca una cascata di protein chinasi che include la Glicogeno fosforilasi chinasi(GPK) e la Glicogeno fosforilasi (GP), e porta alla demolizione del glicogeno. La cAPKattiva fosforila e inattiva la Glicogeno Sinatasi (GS) inibendo la sintesi del glicogeno. Lafosforilazione di un inibitore (PIP) della fosfoprotein fosfatasi (PP) (v. oltre) impedisce allaPP di defosforilare gli enzimi attivati della cascata di chinasi e la GS inattiva.(Gli enzimi attivi sono in toni di colore piu’ scuri, i toni piu’ chiari corrispondono alla forma inattiva)

Regolazione della sintesi e degradazione del glicogeno indotta da cAMPin cellule epatiche e muscolari

(INSULINA) Fosfatasi

(b) Un decremento del cAMP inattiva la PKA, e libera la fosfoprotein fosfatasi (PP) nellasua forma attiva. Questo enzima rimuove i fosfati dalla GPK e GP, inibendo quindi lademolizione del glicogeno. La fosfatasi rimuove anche il fosfato alla glicogeno sintasi(GS) inattiva, attivando questo enzima e stimolando la sintesi del glicogeno.(Gli enzimi attivi sono in toni di colore piu’ scuri, i toni piu’ chiari corrispondono alla forma inattiva)

Le Protein fosfatasiPhosphoprotein Phosphatase (PP)

Protein fosfatasi 1 (PP-1)Protein fosfatasi 2A (PP2A)Protein fosfatasi 2BProtein fosfatasi 2C

Glicogeno fosforilasi (GP)Fosforilasi chinasi (GPK)Glicogeno sintasi (GS)

La protein fosfatasi-1 e’ inibita daun inibitore fosforilato: PIP(Phosphatase Inhibitor Protein)

PP-1ATTIVA

PP-1INATTIVA

PIP inattivo

PIP attivo

PIP attivo

ATP

ADPPKAcAMP

L’aumento del cAMP inibisce l’attivita’della protein fosfatasi 1 (PP-1) inquanto la PKA rende attivo l’inibitore,fosforilandolo

P

P

La fosforilazione da parte della PKA di- Glicogeno FOSFORILASI CHINASI (GPK) (attivattore glicogeno fosforilasi)

- Glicogeno SINTASIha effetti opposti sull’attivita’ dei due enzimiassieme all’inibizione della fosfatasi porta alla mobilitazione del glicogeno

GPK GPK-

GP GP-

ATTIVA

DEGRADAZIONE

GS GS- INATTIVA

SINTESI

gluc 1P

Quando cala la concentrazione di cAMP prevale l’attivita’ della Proteinfosfatasi (PP) con effetto opposto

glicogeno

SINTESI

UDP

UDP- Gluc

GSGS

GPK

GPK

DEGRADAZIONE

Gluc-1PGP

GP

PKAR2C2

R24cAMP

2C

HR

Ca2+

cAMP

attivazione inibizione

HR nel fegato = GLUCAGONE (ADRENALINA) ( => GPCR accoppiati a Gs) nel muscolo = ADRENALINA

CONTROLLO della GLICOLISI da PKA

Nel muscolo il G1P prodotto dalla GP e’ utilizzato per generare ATPG1P G6P glicolisi ciclo acido citrico

Nel fegato il glucosio puo’ essere rilasciato nel circolo sanguigno in quantoe’ presente glucosio-6-fosfatasi,

G1P G6PG6 fosfatasi

glucosio + Pi

e grazie al blocco della glicolisi.La regolazione della glicolisi avviene a livello delle 3 reazioni esoergoniche,mediante regolazione allosterica e modificazioni covalenti.

La Fosfofruttochinasi 1 (PFK-1) e’ un enzima chiave

F6P + ATP F1,6BP + ADPTetramero di 340KDaInibito da ATP, CITRATOInibizione da ATP e’ reversibile da AMPInoltre e’ attivata da F2,6BP

La regolazione mediata da cAMP dell’attivita’ PFK-1 avviene a livello dellaconcentrazione di F2,6BP

GLICOGENO

Gluc.1PGPmutasi

PFK-1

Regolazione ormonale della glicolisinel fegato

GLUCOSIO

sangue

G6PG1P

F6P

F1,6BP

PIRUV

F2,6BP

glicogeno

PFK-2

PFK-1FBPase-2

FBPase-1

GS

GP

UTP

UDP

PEP

Il fruttosio 2,6 bisfosfato (F2,6BP) e’regolatore della glicolisi.Riflette la disponibilita’ di GLUCOSIO= Basso GLUCAGONE

[F2,6BP]

[F2,6BP]

attivazione inibizione

Glicolisi

Glicolisi

Gluconeogenesi

SINTESI e DEGRADAZIONE del F2,6BP sono REGOLATE daFOSFORILAZIONE dell’ENZIMA TANDEM (PFK-2 / FBPase-2)

PFK -2 FBPase -2enzima tandem

Fosfofrutto chinasi-2/Fruttosio Bisfosfatasi- 2

Fosforilazione PFK2/FBPase2(= glucagone, BASSO glucosio)ATTIVAZIONE FBPase-2INIBIZIONE PFK-2

F2,6BP

PKA

Controllo del metabolismo del GLUCOSIO da cAMP in fegato

Glicogenolisi Glicolisi

La modulazione della trasmissione del segnale a livello delRECETTORE:

la DESENSITIZZAZIONE

- Spegnimento del segnale

-Adattamento alla intensita’ dello stimoloPermette di ottenere una risposta cellulare che dipende dalla variazionedell’intensita’ dello stimolo piuttosto che alla quantita’ assoluta dello stesso risposta correlata alla Δ[H] quando la stimolazione e’ prolungata

Riduzione del numero di recettori funzionali per cellula

effetto a breve o a lungo termine (es. inattivazione funzionale / sequestro del recettore oppure degradazione) per stimoli ormonali, neurotrasmettitori o stimoli sensoriali

DESENSITIZZAZONE

La quantita’ di una specie di recettore sulla superficie cellulare non e’ costante:il suo livello e’ modulato

- SENSITIZZAZIONE (incremento del n.recettori)- DESENSITIZZAZIONE (riduzione del n. recettori funzionali)

L’esposizione prolungata all’ormone porta alla riduzione dei recettori funzionali.Cio’ DESENSITIZZA la cellula a quel dato ligando= per ottenere la medesima risposta fisiologica e’ necessario uno stimolo (conc.ligando) piu’ elevato.

• I recettori possono essere internalizzati per endocitosi e degradati• I recettori possono essere internalizzati, ma restano in vescicole intracellulari e possono essere riciclati in superficie (sequestro)• I recettori restano in superficie ma diminuisce la loro affinita’ per il ligando• I recettori restano in superficie, legano l’ormone, ma il complesso ormone recettorenon e’ piu’ funzionale - disaccoppiamento dal sistema di trasduzione del segnale

(es. non e’ piu’ in grado di riconoscere / attivare le proteine G)

SEQUESTRO DOWN-REGOLAZ INATTIVAZIONERECETTORE

INATTPROTEINA

SEGNALATRICE

PRODUZIONEINIBITORE

Cinque modi in cui una cellula target puo’ divenire desensitizzata a una molecola segnale. I meccanismi di inattivazioneche sono mostrati sia per il recettore che per le proteine segnalatrici avvengono spesso mediante fosforilazione dellaproteina che viene inattivata, ma ne sono conosciuti anche altri. Nella chemiotassi dei batteri la desensitizzazionedipende dalla metilazione del recettore.

Il processo reversibile di ADATTAMENTO o DESENSITIZZAZIONE permette alle celluledi rispondere a cambiamenti della concentrazione di ligando, piuttosto che allaconcentrazione assoluta dello stesso, per una finestra piuttosto ampia di concentrazionedi ligando.

- uno o piu’ meccanismi possono essere coinvolti- spesso coinvolge la fosforilazione dei recettori- un effetto secondario e’ l’abbassamento della [H] libero nell’ambiente extracellulare(per legame non produttivo)

C C

D

RRX S

SX N

INTERAZIONE con il LIGANDOD113 sulla TM3S204, S207 sulla TM5F290 sulla TM6

PONTI DISOLFURO

Siti di GLICOSILAZIONE (S/T X N)

S

Siti di FOSFORILAZIONE PKA (R K/R X S/T)

Siti di FOSFORILAZIONE βARK (beta Adrenergic Receptor Kinase)

Rec. β2-Adrenergico

L’Attivazione della PKA downregola i recettori accoppiati a GsDiagramma schematico della regolazione a feedback che controlla l’attivita’ di recettori accoppiati a Gsmediante cicli di fosforilazione e defosforilazione. Tutti i recettori di questo tipo sono fosforilati dalla chinasicAMP dipendente (PKA).

Residui addizionali sono fosforilati da chinasi specifiche per il recettore, come βARK, il cui substrato e’ ilrecettore beta-adrenergico, o da GRK.

Chinasi ATTIVATA dal RECETTORE

Kinase PH

GβγBARK (βARK ) = Beta Adrenergic Receptor Kinase

NC

Funzione e legame del dominio:• I domini Pleckstrin-homology (PH) si ritrovano in molte proteine della trasduzione delsegnale che si associano alle membrane.• Alcuni domini PH legano con alta affinita’ fosfoinositidi specifici formati durante latrasduzione del segnale (PI-4,5P2; PI-3,4P2, PI-3,4,5P3 - Kd a bassa µM, o nM).• Il legame ai fosfoinositidi potrebbe permettere alle proteine con domini PH dirispondere ai messaggeri lipidici per esempio mediante la rilocalizzazione presso lamembrana.• La porzione C-ter di alcuni PH e’ in grado di legare le subunita’ beta/gamma di Gproteine eterotrimeriche (v. BARK).

Domini di InterazioneI domini PH (Pleckstrin Homology)

Costituiti da circa 100 aa2 β-sheet antiparalleliβ-strands connessi da loop nonconservatiα-elica C-terminale