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METABOLISMO DELGLICOGENO

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DESTINI DEL GLUCOSIO 6-FOSFATO

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RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DEL METABOLISMO DEL GLUCOSIORAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DEL METABOLISMO DEL GLUCOSIO

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Omeostasi del glicogeno

• Nell'organismo animale, il glicogeno è una riserva di carboidrati

• Non è possibile conservare all'interno delle cellule il glucosio in forma libera.

• Glicogeno epatico: serve a mantenere costante il livello ematico di glucosio

• Glicogeno dei muscoli: è una riserva energetica (le cellule del muscolo non possiedono l'enzima glucosio-6-fosfatasi)

Glucosio-6-fosfatasi

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Struttura del glicogeno

Formula molecolare

Rappresentazione schematica

M.E.

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DEMOLIZIONE DEL

GLICOGENO

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•La degradazione del glicogeno avviene, ad opera della glicogeno fosforilasi

•L’enzima rimuove residui di glucosio dalle estremità non riducenti del polisaccaride mediante fosforolisi.

•Parte dell’energia del legame glicosidico viene conservata nell’estere fosforico del glucosio 1-fosfato

•L’enzima lavora sino a raggiungere la quarta unitàdi glucosio prima di una ramificazione.

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L’enzima deramificante

•È una αααα (1,4) glicosiltransferasi

e una αααα (1,6) glicosidasi; le 2 attività sono localizzate in 2 siti separati della stessa proteina

•In una prima fase, l’enzima stacca (attività transferasica) un blocco di tre residui dalla ramificazione ad una estremità non riducente vicina, con formazione di un legame (a 1-> 4) glicosidico.

Il residuo coinvolto nella formazione della ramificazione (legame a 1 -> 6) viene rilasciato direttamente come glucosio libero (attivitàglucosidasica).

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La fosfoglucomutasi

•La demolizione del glicogeno ad opera della glicogeno fosforilasiproduce G1P, che viene trasformato in G6P dalla fosfoglucomutasi

•La fosfoglucomutasirichiede glucosio 1,6-bisfosfato come cofattore

•Il G6P può entrare nella glicolisi oppure nella via dei pentosi fosfati

•Nel fegato la glucosio 6 fosfatasi idrolizza il G6P in glucosio che può così essere esportato ad altri organi

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RimodellamentoRimodellamento del glicogenodel glicogeno• I legami α 1,4-glicosidici

vengono scissi su ciascun

ramo dalla fosforilasi

• La transferasi sposta

un blocco di tre residui

glicosidici da un ramo

etremo all’ altro

• L’ α-1,6-glucosidasi

rimuove i residui in

modo da lasciare una

molecola lineare con

tutti i legami α-1,4-

glicosidici suscettibili

ad ulteriori scissioni

12Struttura ai raggi X della glicogeno fosforilasi

Disegno schematico

•Catalizza la fosforolisi del glicogeno a glucosio-1-Pi

•È regolata sia da interazioni allostericheche da modificazioni covalenti

•Utilizza il piridossal-5’-fosfato come cofattore

•Non può staccare residui oltre 5 unità da un punto di ramificazione

La glicogeno fosforilasi

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1) Glicogeno fosforilasi : catalizza la fosforolisi del glicogeno

Glicogeno + Pi glicogeno + G 1P (n residui) (n - 1 residui)

2) Enzima deramificante del glicogeno

3) Fosfoglucomutasi

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GLICOGENO FOSFORILASIGLICOGENO FOSFORILASI • è un omodimero

• ciascun sito catalitico

comprende un gruppo

piridossalfosfato ( PLP)

• il PLP è legato alla

lisina 680 dell’enzima

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La La fosforilasifosforilasi a a è fosforilata sulla serinaserina 1414 di ciascuna subunità che favorisce la struttura dello stato R più attivo

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• Sia la fosforilasi aa sia la fosforilasi bbesistono come equilibri tra uno stato RRpiù attivo e uno stato TT meno attivo

• La fosforilasi bb di solito è inattiva

poiché l’equlibrio favorisce lo stato TT

• La fosforilasi a a è di solito attiva poiché l’equilibrio favorisce lo stato RR

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Regolazione Regolazione allostericaallosterica della della fosforilasifosforilasi muscolaremuscolare

• Una bassa, , carica energetica, rappresentata da

elevate concentrazioni di

AMPAMP favorisce la transizione

allo stato Rstato R

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REGOLAZIONE ALLOSTERICA DELLA FOSFORILASI REGOLAZIONE ALLOSTERICA DELLA FOSFORILASI EPATICAEPATICA

• Il legame del glucosio alla

fosforilasifosforilasi aa sposta l’ equilibrio verso lo stato Tstato T e inattiva

l’enzima

• Il glicogenoglicogeno non viene

mobilizzato quando il

glucosio è già abbondante

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Sintesi del glicogeno

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Sintesi del glicogeno

La catena del polisaccaride viene allungata (a partire da

una catena preformata di almeno 8 residui) dall’enzima glicogeno sintasi.

Il glucosio attivato sotto forma di UDP-glucosio viene trasferito all’estremità non riducente di una catena polisaccaridica, con

formazione di un legame αααα(1-4) glicosidico.

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Sintesi dell’UDP-glucosio

•La formazione di uno zucchero attivato legato a nucleotidi avviene mediante una reazione di conden-sazione di un NTP con uno zucchero fosforilato.

•La carica negativa dell’ossigeno serve da nucleofilo per un attacco sul gruppo fosforico interno del nucleoside trifosfato e libera PPi.

•L’equilibrio della reazione viene complessivamente spinto verso destra dall’idrolisi del pirofosfatoda parte della pirofosfatasiinorganica.

• L’ UDP-glucosio è una forma attivata di

glucosio così come l’ATP e l’acetil CoA sono

forme attivate dell’ortofosfato e dell’acetato

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La glicogeno sintasi

•Catalizza l’aggiunta di unità di glucosio (a partire dall’UDPG) ad una catena di glicogeno di almeno 8 residui

•Il primo step è catalizzato dalla tirosina glicosiltransferasi, che attacca un residuo di glucosio all’OH di una Tyr della glicogenina

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•La proteina glicogenina (332 amminoacidi ) innesca la sintesi del glicogeno legando al gruppo –OH di un residuo di Tyr del polipeptide un residuo di glucosio.

•La reazione utilizza UDP-glucosio e avviene grazie all’attività autocatalitica della protein-tirosina glicosiltransferasica.

•All’estremità non riducente di questa prima unità glucosidica legata alla glicogeninavengono aggiunti altri 7 residui di glucosio ad opera della glicogenina associata alla glicogeno sintasi

•A questo punto, è possibile l’azione diretta della glicogeno sintasi che si dissocia dalla glicogenina e sintetizza una catena lineare.

•Non appena il numero di residui aggiunti lo permette, abbiamo l’azione dell’enzima ramificante che aggiunge una seconda estremità non riducente sulla quale la glicogeno sintasi può lavorare e così via.

AUTOGLICOSILAAUTOGLICOSILA

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GLICOGENINA

Sezione trasversale di una molecola del glicogeno

25La reazione catalizzata della glicogeno sintasi.

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L’enzima ramificante

(amilo (1,4 1,6 transglicosilasi)

•Le ramificazioni si formano grazie all’azione dell’enzima ramificante.

• L’enzima lavora trasferendo un segmento terminale di 6-7 residui glucosidici dall’e-stremitànon riducente di una catena poliglucosidicacomposta da almeno 11 residui, al gruppo –OH del carbonio C-6 di un residuo di glucosio della stessa catena o di un’altra catena ma localizzato in un punto più interno.

1

Ramificazione del glicogeno ad opera dell’enzima ramificante

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L’enzima ramificante

(amilo (1,4 1,6 transglicosilasi)

•L’azione combinata di glicogeno sintasi e dell’enzima ramificantepermette la formazione di un polisaccaride a ramifi-cazione crescente che permette una crescita (e una demolizione) molto piùrapida di un polisaccaride lineare.

2

Ramificazione del glicogeno ad opera dell’enzima ramificante

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Vie opposte di sintesi e di degradazione del glicogeno

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Controllo del metabolismo

del glicogeno

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Regolazione della sintesi e della degradazionedel glicogeno

• Sintesi e degradazione del glicogeno sono coregolate in modo da non funzionare simultaneamente

• La regolazione comporta sia un controllo allosterico diretto sugli enzimi

• Sia un controllo ormonale mediato da una modificazione covalente degli enzimi coinvolti

• La glicogeno fosforilasi è attivata da AMP e inibita da ATP e G6P

• La glicogeno sintasi è attivata dal G6P

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A) Controllo allosterico diretto

della glicogeno fosforilasi e della glicogeno sintasi

B) Modificazione covalente

della glicogeno fosforilasi e della glicogeno sintasi

C) Effetti ormonali sul metabolismo del glicogeno

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Controllo allosterico

[ATP] [G6P] [AMP]

Glicogeno fosforilasi +Glicogeno sintasi -

[ATP] [G6P]

Glicogeno fosforilasi –Glicogeno sintasi +

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Il sistema enzimatico diinterconversione della glicogeno fosforilasi

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Protein chinasi A dipendente da AMPc

•Le due subunità regolatrici

(subunità R) del complesso

R2C2 sono legate da due ponti

disolfuro.

• Il legame di due molecole di

AMPc a ogni subunità R

provoca la flessione di ogni

subunità R nella regione

cerniera e la liberazione delle

due subunità catalitiche (C).

.Attivazione della proteina chinasi dipendente dal cAMP.

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Controllo dell’attività della glicogeno fosforilasi

•La fosforilasi b ( inattiva) si trova nella configurazione T

La fosforilasi a (attiva) èprincipalmente nello stato R

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La calmodulinacalmodulina è una proteina ubiquitaria che lega il Ca 2+ e che partecipa a numerosi processi cellulari di tipo regolatorio

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• E’ una proteina di 148 amminoacidi , altamente ben conservata

• Possiede due domini globulari strutturalmente simili collegati da una struttura ad αααα-elica che descrive sette giri

• Ognuno dei due domini globulari contiene due siti di legame ad alta affinità per il Ca 2+

• Ognuno di questi siti di legame per il Ca 2+ è formato da un motivo strutturale elica-ansa-elica conosciuto come mano EFmano EF

• Il legame del Ca 2+ ad uno dei due domini della CaMinduce in quel dominio un cambiamento conformazionaletale, da esporre una superficie idrofobica ricca di Metionina. Questa zona , a sua volta, si lega con alta affinità al dominio della CaM che lega la subunità γγγγ della fosforilasi chinasi

STRUTTURA DELLA CALMODULINA

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MECCANISMO DI REGOLAZIONE DELLA FOSFOPROTEINA FOSFATASI

Subuità G che lega il

glicogeno

Inibitore-1

• Sono specifiche per la rimozione del fosfato da residui di serina

1

2

3

4

• La fosforilazione della subunità G da parte della proteina chinasi A causa il rilascio della subunitàcatalitica libera, che in questa forma è meno attiva

5

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Regolazione nel muscolo della fosfoproteina fosfatasi Effetti antagonistici dell’insulina e dell’adrenalina

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R2C2proteina chinasi

cAMP-dipendente

(inattiva)

2C

proteina chinasi

cAMP-dipendente

(attiva)

cAMP+ R2 (cAMP)4 SISTEMA DI

FOSFORILAZIONE

(α β γ δ)(α β γ δ)(α β γ δ)(α β γ δ)4fosforilasi

chinasi b

(α β γ δ)(α β γ δ)(α β γ δ)(α β γ δ)4fosforilasi

chinasi a

P PATP ADP

Pi H2O

altre

chinasi

P

glicogeno

fosforilasi b

ATP ADP

Pi H2O

glicogeno

fosforilasi a

glicogeno

sintasi aglicogeno

sintasi b

PATP ADP

Pi H2O

SISTEMA DIDEFOSFORILAZIONE

fosfoproteina

fosfatasi-1

(attiva)

P

P

ATP ADP

Pi H2O

inibitore della

fosfoproteina

fosfatasi-1 a

fosfoproteina

fosfatasi-1

(inattiva)

inibitore della

fosfoproteina

fosfatasi-1 a

inibitore della

fosfoproteina

fosfatasi-1 b

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GLUCOSIO

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GLUCAGONE

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ADRENALINA

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ACETILCOLINA

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INSULINA

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�Il bilancio netto tra la sintesi del glicogeno e la sua demolizioneviene controllato dai livelli ormonali di insulina e glucagone.

�Questi, regolando i livelli di cAMP (il secondo messaggero intracellulare), determinano i rapporti tra le forma attive di glicogeno sintasi e glicogeno fosforilasi.

�Gli stessi ormoni regolano anche i livelli di F2,6BP e dunque il bilancio tra glicolisi e gluconeogenesi.

�L’adrenalina o epinefrina ha effetti simili a quelli del glucagone ma il tessuto bersaglio di questo ormone è tipicamente il muscolo, mentre il glucagone agisce essenzialmente a livello del fegato.

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SCHEMA RIASSUNTIVO

Glucagone Stimola la gluconeogenesi e la demolizione del glicogeno a livello epatico

Insulina Stimola la glicolisi e la glicogenosintesi a livello epatico

Adrenalina Stimola la demolizione del glicogeno (fegato e muscolo) e la gluconeogenesi (fegato)

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Controllo ormonale del metabolismo del glicogeno

Glucosio 6-fosfato

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Malattie del metabolismo del glicogeno

oTipo I: deficienza di glucosio 6 fosfatasi (Malattia di Von Gierke)

oTipo II: deficienza di a-1,4 glucosidasi (Malattia di Pompe)

oTipo III: deficienza di amilo-1,6-glucosidasi (Enz. deramificante; Malattia di Cori)

oTipo IV: deficienza di amilo-1.4---1,6-transglicosilasi (Enzima ramificante)

oTipo V: deficienza della fosforilasi muscolare (Malattia di Mc Ardle)

oTipo VI: deficienza della fosforilasi epatica (Malattia di Hers)

oTipo VII: deficienza di fosfofruttochinasi nel muscolo (Malattia di Tarui)

oTipo VIII: deficienza di fosforilasi chinasi legata al cromosoma X

oTipo IX: deficienza di fosforilasi chinasi

oTipo “0”: deficienza di glicogeno sintasi epatica

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Tipo I : Morbo di Von Gierke

•La deficienza congenita dell’enzima glucosio 6 fosfatasi, che idrolizza il glucosio 6 fosfato in glucosio) provoca:

• Abnorme accumulo di glicogeno nel fegato e nei reni.

•Grave ipoglicemia per mancato rilascio del glucosio dal fegato (ipoglicemia insensibile alla somministrazione di glucagone e adrenalina, ormoni che stimolano la glicogenolisi).

•Diminuito rilascio di insulina in seguito all’ipoglicemia.

•Elevata mobilizzazione degli acidi grassi per alterazione ormonale; aumento dei NEFA e dei corpi chetonici.

•Incapacità del fegato di convertire il lattato in glucosio (gluconeogenesi)

•Accumulo di acido lattico nel sangue che induce decalcificazionedelle ossa (osteoporosi).

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Tipo II: deficienza di a-1,4 glucosidasi (Malattia di Pompe)

•Accumulo del glicogeno nei lisosomi dove la fosforilasi non ha accesso.

•La morte sopravviene dopo circa 6 mesi di vita.

•Gli organi maggiormente colpiti sono cuore, fegato, muscolo scheletrico (cardiomegalia e debolezza muscolare).

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Tipo III: deficienza di amilo-1,6-glucosidasi (Enz. deramificante; Malattia di Cori)

•Accumulo di glicogeno nel fegato, muscolo, cuore, eritrociti e leucociti.

•Epatosplenomegalia. Debolezza muscolare.

•Ipoglicemia a digiuno e mancata risposta al glucagone (risposta glicemica).

•Alcuni muoino nei primi anni di vita, altri raggiungono l’età adulta.

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Tipo IV: deficienza di amilo-1.4---1,6-transglicosilasi (Enzima ramificante)

•La deficienza dell’enzima ramificante determina l’accumulo di glicogenoanomalo, più solubile del normale che induce lesioni strutturali e funzionali.

•Epatosplenomegalia seguita da cirrosi.

•Alterazioni al cuore e ai muscoli scheletrici.

•La sopravvivenza è limitata ai primi anni di vita.

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Glicogenosi tipo V: deficienza della fosforilasi muscolare (Malattia di Mc Ardle)

•Elevato contenuto di glicogeno nei muscoli, incapaci di utilizzarlo.

•La fosforilasi epatica è normale ed i pazienti non sono ipoglicemici.

•Presenti crampi muscolari e debolezza.