UNIVERSITATEA DIN BUCURESTI

CICLUL 1. LICENTA IN BIOCHIMIE

Biochimie metabolica

Sinteza glicogenului

1957 Luis Leloir

(1) Glc + ATP glucokinaza (ficat) Glc 6-P + ADP

hexokinaza (muschi)

(2) Glc 6-P fosfoglucomutaza Glc 1-P

(3) UTP + Glc 1-P UDP-Glc UDP-Glc + PP

pirofosforilaza

(4) PP + H2O pirofosfataza 2Pi

(5) UDP-Glc + (glicogen)n glicogen sintaza UDP + (glicogen)n+1

(6) UDP + ATP nucleozid difosfokinaza UTP + ADP

Reactie totala Glucoza + (glicogen)n + 2 ATP (glicogen)n+1 + 2ADP +2 Pi

2

Pirofosfat anorganic (PPi) Fosfat anorganic (Pi)

pirofosfataza

ATP ADP

UDP UTP

Nucleozid difosfokinaza

3

Glc Glc 6-P

UDP-Glc este forma activata a glucozei

Rolul central role al glucokinazei (GK) in mentinerea homeostaziei glucozei. In celulele pancreatice ß, GK tip B este parte dintr-un sensor al glucozei. Glucoza este transportata in celule prin intermediul transportorului GLUT2. Glicoliza si metabolismul oxidativ al glucozei cresc raportul [ATP]/[GDP] conducand la inactivarea unui canal de potasiu Kir6.2 si ulterior depolarizarea membranei. Ca urmare a influxului ionilor de Ca2+ prin canalul de Ca2+ deschis de voltaj, veziculele de stocare care contin insulina fuzioneaza cu membrana plasmatica, provocand eliberarea hormonului in fluxul sangvin. In ficat, productia glucozo-6-P de catre GK tip L (GKL) precede inmagazionarea glucozei sub forma de glicogen, proces stimulat de insulina. In adipocite si miocite, insulina stimuleaza preluarea si metabolizarea glucozei prin inducerea translocarii GLUT 4 din vezuculele de stocare intracelulare la membrana plasmatica.

5

Glicogen sintaza (GS) – este o glicozil transferaza 6

UDP-glucoza + Glicogen primer (n)

cel putin 4 resturi

UDP + Glicogen (n+1) GS adauga repetitiv resturi glucozil la capatul nereducator al unui glicogen primer (C4) cu formarea de legaturi α-1,4-glucozidice

1991 – biosinteza glicogenului– prima etapa catalizata de o protein tirozin glucozil transferaza care formeaza o prima legatura glucozidica prin atasarea glucozei la restul Tyr194 a proteinei – glicogenina (o proteina de 37 kDa)

- a doua etapa – extensia lantului glucan de la Tyr 194 prin adaugarea succesiva a 7-8 resturi glucozil (donor UDP-Glc) – realizata autocatalitic de glicogenina care are o activitate intrinseca UDP-Glc glucozil transferazica Mn2+/Mg(2+)-dependenta, cand glicogenina si GS sunt asamblate intr-un complex.

- GS disociaza de pe glicogenina permitind extensia moleculei de glicogen.

1) Sinteza auto-catalizata a unui oligomer glucan de catre glicogenina; 2) extensia lineara a oligomerului glucan catalizata de glicogen sintaza; 3) formarea ramificatiilor catalizata de enzima de ramificare. Repetarea ultimelor doua transformari permite generarea unui glicogen cu MM mare si ramificat in mod normal. Cataliza acestor transformari de izoenzime distincte in ficat si muschi permite reglarea independenta a sintezei glicogenului in cele doua tesuturi

7

Enzima de ramificare

Formarea de ramificatii α-1,6 creste solubilitatea glicogenului

numarul de capete nereducatoare

Viteza de transformare

scindeaza un fragment terminal de ~ 7 resturi de la un capat nereducator

il transfera pe alt brat al glicogenului (care are cel putin 11 resturi glucozil

legandu-l α-1,6 cu destul de mare precizie

Sinteza glicogenului in fibre musculare in repaus

(glicogen)n + Glc + 2 ATP (glicogen)n+1 + 2 ADP + 2 Pi

Scindarea glicogenului in fibre musculare in contractie

(glicogen)n+1 + 3 (ADP + Pi) (glicogen)n + 2 Lac +3 ATP

Suma Glc + ADP + Pi 2 Lac + ATP 8

Glc + ADP + Pi 2 Lac + ATP 9

De ce glicogenul este forma de stocare a energiei metabolice ?

1) Viteza de metabolizare maxima

2) Catabolizare si in lipsa O2

3) Permite mentinerea homeostaziei glicemiei

Reglarea glicogen sintazei

prin fosforilarea unor resturi de Ser din GS, soldata cu inactivarea enzimei

GS exista in 2 forme: a (activa, defosforilata, I) si b (inactiva, fosforilata, D)

prin activare alosterica a formei b – Glucozo 6-P I-independenta, D-dependenta de Glc 6-P

Glicogen sintaza-OH Glicogen sintaza-P

ATP ADP

activa inactiva

H2O Pi

PP-1

+ Gluco 6-P

Exista multe protein kinaze implicate in fosforilare si cel putin 9 resturi de Ser fosforilabile, grupate in clustere la capetele N si C

Glc 6-P este activator alosteric in conc > 10 mM [conc fizologice 0,2-0,4 mM)

10

Protein kinaze implicate in fosforilarea/inactivarea GS:

PKA: protein kinaza cAMP dependenta

CaMK: protein kinaza calmodulin dependenta

CK1, CK2: cazein kinaz2

GSK3: glicogen sintaza kinaza 3

AMPK: AMP kinaza

Fosforilaza kinaza

Epinefrina activeaza PKA care scade acivitatea GS direct prin fosforilarea situsului 2 si indirect prin fosforilarea situsului 3 printr-un mecanism necunoscut.

GSK3 este o Ser/Thr protein kinaza care fosforileaza si inhiba GS. GSK3 la randul ei este fosforilata si inhibata de Akt protein kinaza din cadrul mecanismului de semnalizare a insulinei

11

12 De fapt epinefrina si glucagonul prin mesagerul sau secund (cAMP) regleaza coordonat liza si sinteza glicogenului

Epinefrina

Adenilat ciclaza Adenilat ciclaza

ATP cAMP

PKA PKA

Fosforilaza kinaza

Fosforilaza kinaza a

Fosforilaza b Fosforilaza a

glicogen glucoza

Glicogen sintaza a

Glicogen sintaza b

glicogen - +

Forme inactive

Forme active

Hormoni cu actiune hiperglicemianta

Ca2+

AMP

G6P

Activare alosterica

Reglarea coordonata a lizei si sintezei glicogenului se realizeaza si la nivelul PP-1

Glicogen sintaza b

Glicogen sntaza a

Creste sinteza

glicogenului

G C

Glicogen fosforilaza a

Glicogen fosforilaza b

Scade liza

glicogenului

PP-1

PP-1 este formata dintr-o subunitate catalitica C de 37 kDa si o subunitate G de legare a glicogenului de 100 kDa

Subunit G creste afinitatea de legare a PP-1c la particulele de glicogen

Fosforilarea subunitatii G de catre PKA previne legarea la PP-1c

Deci, epinefrina si glucagonul care actioneaza prin cAMP inhiba PP-1 mentinand glicogen fosforilaza si sintaza in forme fosforilate

13

14

Alt reglator cheie al PP-1 este inhibitorul 1, o proteina mica de 22 kDa.

Epinefrina PKA activata

PP-1G

I-1

P

P

PP-1 inactivata

Deci fosforilarile induse de epinefrina concura spre stimularea degradarii glicogenului

15

Reglarea coordonata a metabolismului glicogenului

Glucagon Epinefrina

Pr G AC

cAMP

Membraba plasmatica

PKA

Fos K FosK

ATP ADP

Pi H2O

PP1

ATP ADP

GPb GPa

Pi H2O + LIZA

PP1

Ca2+

AMP

GSa GSb

ATP ADP

G6P

Pi H2O

- SINTEZA

PP1

I1 I1-P

ATP ADP

Alta PP

Pi H2O

PP1c.PP1G

PP1c. PP1G

P

PP1activ PP1inactiv

Inhibitia PP-1

Inhibitia PP-1

16

17

Unul dintre multiplele mecanisme prin care insulina controleaza glicogenosinteza

Insulina stimuleaza sinteza glicogenului prin activarea PP-1

insulina

Receptor Tyr kinaza

Protein kinaza sensibila la insulina

activata

PP-1 activata

Glicogen sintaza a -OH

Glicogen fosforilaza b-OH

Protein kinaza insulin-sensibila fosforileaza PP-1G la un situs diferit de PKA

18

In ficat – glicogen fosforilaza (GP) este un senzor al glucozei

Glicemia normala 80-120 mg/100 ml (4,4 – 6,7 mM)

Ficatul sesizeaza orice modificare in glicemie. Cand creste glicemia nivel GPa scade rapid. Dupa o perioada de lag, nivelul GSa creste conducand la sinteza glicogenului

Legarea glucozei la GPa deplaseaza echilibrul alosteric R T, ceea ce

expune Ser14-P la hidroliza catalizata de PP-1

PP-1 se leaga puternic la GPa, dar ac t ioneaza cata l i t ic numai cand glucoza induce tranzitia la forma T inactiva.

GPb nu leaga PP-1

19

Maladii de stocare a glicogenului 20

Tip I: Maladia lui Von Gierke; Defect Glucozo-6-fosfataza hipoglicemie <60 mg/dL datorita lipsei etapei finale a gluconeogenezei afecteaza numai celulele ficatului si renale scade mobilizarea glicogenului – produce hepatomegalie scaderea gluconeogenezei conduce la cresterea [lactatului] - lactic acidemie

Tip V: Maladia lui McArdle; Defect Glicogen fosforilaza M. scheletici afectat numai M scheletic, enzima hepatica normala crampe musculare, slabiciune dupa exercitiu fizic nu creste nivelul lactatului in sange muschii contin un nivel crescut de glicogen dar cu o structura normala

Tip VI: Maladia lui Hers; Defect Glicogen fosforilaza Ficat afectat numai ficatul, enzima M. scheletici normala hepatomegalie datorata nivelului crescut de glicogen dar cu o structura normala dupa administrarea de glucagon nu creste nivelul glicemiei

Efectele glucagonului, epinefrinei si insulinei asupra metabolismului glucidic

glucagon epinefrina insulina

Sursa Celule αpancreas

Medulo suprarenale

Celule β pancreas

Efect global Hiper glicemiant

Hiper glicemiant

Hipoglicemiant

Tinta primara Ficat Muschi>ficat Muschi, ficat, t. adipos

Gluconeogeneza + + - Represeaza sinteze

Glicogensinteza - Fosforilare -Fosforilare +inductie GS, defosforilare

Glicogenoliza + fosforilare + Fosforilare - defosforilare

Glicoliza - Represeaza PK

- + stimuleaza sinteza enzime

cAMP + + +

Fru-2,6 P2 Numai ficat Numai ficat

22