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Glicogeno, CONTROLLO ORMONALE METABOLISMO GLICOGENO, CASEINA CHINASI II…

- - - - L'UDP-glucosio è substrato della GLICOGENO SINTASI
        
        GLICOGENO SINTASI
        
        Meccanismo d'azione:
        Catalizza il trasferimento di un residuo di glucosio dall’UDP-glucosio all’estremità non riducente di una catena di glicogeno formando un legame alfa 1-4 glicosidico. 
        La glicogeno sintasi può soltanto allungare una catena già esistente di residui di glucosio legati da legami alfa 1-4:   è necessario un primer, rappresentato dalla glicogenina, una glicosiltrasferasi dimerica in cui ogni subunità catalizza l’aggiunta di otto unità di glucosio all’altra subunità (tirosina 194) con un processo di autoglicosilazione UDP-glucosio-dipendente.  
        
        GLICOGENINA:
        La glicogenina innesca la sintesi del glicogeno legando un residuo di glucosio al gruppo OH del residuo di tirosina 194 del polipeptide. La reazione utilizza UDP-glucosio e avviene grazie all’attività autocatalitica protein-tirosina glicosiltrasferasica. All’estremità non riducente vengono aggiunti altri 7 residui di glucosio ad opera della glicogenina associata alla glicogeno sintasi.
        --> A questo punto la glicogeno sintasi dissocia dalla glicogenina e allunga la catena, sempre con legami alfa 1-4. Non appena il numero dei residui aggiunti lo permette, l’enzima ramificante aggiunge una seconda estremità non riducente sulla quale la glicogeno sintasi può lavorare e così via. 
        
        ENZIMA RAMIFICANTE,
        o Glicosil-(4 → 6)-Transferasi (detto anche Amilo-(1,4→1,6)-Transglicosilasi
        
        Meccansimo d'azione:
        Si tratta di fatto di una trasferasi: rompe un legame 1,4 alfa glicosidico stacca 6-7 residui di glucosio da una catena di 11 già allungata da una glicogeno sintasi e la trasferisce su una catena diversa, ad almeno 4 residui di distanza da una ramificazione preesistente formando un legame 1,6 alfaglicosidico.
        
        Utilità delle ramificazioni:
        La presenza di ramificazioni aumenta la solubilità del glicogeno e la velocità di sintesi e di degradazione della molecola, creando più estremità non riducenti che sono i siti di azione sia della glicogeno sintasi che della glicogeno fosforilasi.
        
        Funzione:
        L’enzima ramificante ci consente di aumentare i siti di attacco della glicogenosintasi.
        
        GLICOGENOSI DI TIPO IV (MALATTIA DI ANDERSEN):
        È una delle più gravi patologie del metabolismo del Glicogeno e deriva dalla mancanza dell’enzima Amilo-(1,4→1,6)-Transglicosilasi (Enzima Ramificante).
        Tale deficit provoca una concentrazione normale di Glicogeno ma con una struttura alterata a lunghe
        catene non ramificate.
        
        E' un'enzima piuttosto complesso, un peptide ad alto peso molecolare costituito da 4 subunità, che può trovarsi sia in forma attiva che inattiva, fosforilata:
        
        La fosforilazione cambia la distribuzione di carica della Glicogeno Sintasi a livello delle estremità
        carbossiterminale e amminoterminale.
        
        Glicogeno Sintasi “a” (DEFOSFORILATA attiva)
        
        Glicogeno Sintasi “b” (FOSFORILATA inattiva).
        
        La regolazione covalente per fosforilazione è molto fine a causa di ben 11 diversi residui fosforilabili che modulano a vari livelli l’affinità per il substrato (UDP-Glucosio), l’affinità per ATP e Pi e l’affinità per il regolatore allosterico Glucosio-6-P.
        
        Regolazione covalente per fosforilazione
        
        GLICOGENO SINTASI CHINASI 3 (GSK3)
        
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        FOSFOPROTEINA FOSFATASI 1 (PP1):
        defosforila la glicogeno sintasi in presenza di glucosio 6-P.  Il glucosio 6-P si lega su un sito allosterico della glicogeno sintasi b, provocando l’attivazione della PP1.
        
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        Regolazione allosterica
        
        GLUCOSIO 6 FOSFATO: regolazione allosterica positiva
        La Glicogeno Sintasi è suscettibile alla regolazione allosterica positiva da parte del Glucosio-6-P (cosa
        che rende l’enzima un “sensore” per il G6P).
        
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        GLICOGENOSI DI TIPO VII (MALATTIA DI TARUI):
        -->È provocata dalla mancanza dell’enzima glicolitico PFK-1 muscolare che provoca ad un accumulo enorme degli intermedi glicolitici Glucosio-6-P e Fruttosio-6-P.
        --> Le alte concentrazioni di Glucosio-6-P stimolano la Glicogeno Sintasi con un accumulo di Glicogeno nel muscolo mentre la mancanza della PFK-1 non consente alla glicolisi di soddisfare la richiesta di ATP nel
        muscolo in contrazione.
        
        GLICOGENOSI DI TIPO 0:
        È l’unica patologia del metabolismo del Glicogeno caratterizzata da una mancanza di tale zucchero ed è causata dal deficit della Glicogeno Sintasi epatica, provoca marcata ipoglicemia e iperchetonemia.
      - Perché utilizzare zuccheri legati a nucleotidi?
        Nella polimerizzazione del Glicogeno, così come in quella di altri polimeri degli esosi, vengono utilizzati
        zuccheri legati a nucleotidi a livello del carbonio anomerico mediante legame fosfodiestere.
        
        Ciò rende la reazione irreversibile contribuendo a rendere irreversibile l’intero processo biosintetico.
        
        I gruppi nucleotidici sono ottimi gruppi uscenti che attivano l’atomo di carbonio anomerico cui sono
        legati per renderlo più suscettibile agli attacchi nucleofili.
        
        Il gruppo nucleotidico funziona da “marker” molecolare permettendo di distinguere stesse molecole
        (ad es. Glucosio) con destini metabolici differenti.
        
        In generale tale processo avviene mediante una NDP-Zucchero Fosforilasi che permette il legame di uno
        Zucchero-fosfato con un Nucleotide-trifosfato (NTP) formando un NDP-Zucchero e liberando un PPi che
        verrà poi degradato a 2Pi mediante l’enzima Pirofosfatasi (tale passaggio rende la reazione irreversibile
        ed evita che il PPi possa riformare NTP attaccando il legame fosfodiestere appena formato).
- - - - Funzione:
        Catalizza la fosforolisi del glicogeno con la rimozione del residuo di glucosio terminale dall’estremità non riducente di una catena:
        
        La rottura del legame α(1→4) avviene mediante una reazione in cui il nucleofilo che attacca il legame è un gruppo fosfato legato all’enzima, provocando direttamente la fosforilazione del glucosio, che esce sotto forma di glucosio 1-fosfato.  E' un meccanismo molto più conveniente rispetto a un’idrolisi, perché anticipa la fosforilazione che dovrebbe a prescindere avvenire sul glucosio per il suo utilizzo.
      - Meccanismo di reazione: 
        Il fosfato inorganico viene stabilizzato dal gruppo fosfato del PLP; questa stabilizzazione passa attraverso una cessione di protone e l’attacco da parte del gruppo fosfato al legame α(1→4); si forma come intermedio di reazione il carbocatione, quindi l’atomo di carbonio cui si legherà il fosfato è carico positivamente, con il rilascio di glucosio 1-fosfato come prodotto di reazione. E' il PLP che dona uno dei suoi protoni al fosfato inorganico riorganizzandone la configurazione elettronica e permettendo l’attacco del legame.
        
        Cofattore:
        Il cofattore della fosforilasi è il piridossal fosfato (PLP). La sua funzione, trovandosi all’interno del sito attivo della glicogeno fosforilasi mediante la formazione del doppio legame carbonio-azoto (base di Schiff), con il proprio gruppo aldeidico e una delle lisine dell’enzima, è quella di stabilizzare, insieme ad altre catene laterali dell’enzima, la molecola di fosfato inorganico, che servirà per la fosforolisi del legame α(1→4). Quindi è un’interazione tra il gruppo fosfato del piridossal fosfato e il fosfato inorganico presente nella tasca del sito attivo, che predispone il fosfato inorganico ad attaccare il legame glicosidico.
        
        Si ferma a monte di quattro residui di glucosio dal punto della ramificazione perché serve il contributo del prossimo enzima:
      - Si alternano per liberare completamente il glucosio, nella grande maggioranza come glucosio fosforilato, ad eccezione di quei pochi che derivano dall’idrolisi dell’enzima deramificante che non sono fosforilati.
      - Si può trovare in due isoforme interconvertibili:
        la loro interconversione dipende dalla fosforilazione del residuo di serina presente sugli enzimi.
        
        Fosforilasi b, prevalentemente inattiva: si trova per la maggior parte nello stato T.
        DEFOSFORILATA
        
        Fosforilasi a, prevalentemente attiva: abbiamo la prevalenza dello stato R.
        FOSFORILATA
        
        L’attività della fosforilasi chinasi è massima nel muscolo quando l’enzima è sia fosforilato a carico ormonale che legato al calcio come conseguenza della contrazione muscolare. 
        
        Ci sono tre enzimi coinvolti nell’interconversione delle due forme:
        
        Fosforilasi b chinasi:
        --> fosforila, quindi ATTIVA la glicogeno fosforilasi.
        
        GLICOGENOSI DI TIPO VIII (GLICOGENOSI X-LINKED):
        --> È caratterizzata da una Fosforilasi b Chinasi difettosa (a causa della mancata funzionalità della subunità regolatoria α) che impedisce alla Glicogeno Fosforilasi di essere attivata.
        --> È l’unica malattia del metabolismo del Glicogeno ad essere legata al cromosoma X (le altre sono tutte a
        trasmissione autosomica recessiva) poiché la subunità α è codificata sul cromosoma X.
        
        GLICOGENOSI DI TIPO IX:
        --> È provocata da un deficit di Fosforilasi Chinasi per mutazione di uno dei geni che codificano per le subunità β, γ o δ.
        --> I sintomi variano a seconda degli organi interessati poiché tessuti diversi contengono diversi isozimi dell’enzima.
        
        Fosfoproteina fosfatasi-1 (PP1):
        --> defosforila la glicogeno fosforilasi, quindi DISATTIVA;
        --> defosforila quindi DISATTIVA la fosforilasi b chinasi
        
        INIBISCE l'utilizzazione del glicogeno
        
        Proteina chinasi A (PKA):
        --> fosforila quindi ATTIVA fosforilasi chinasi
        
        FAVORISCONO l'utilizzazione del glicogeno
      - Effettori allosterici
        
        NEL MUSCOLO:
        
        Effettori allosterici positivi:
        
        Ca2+.
        
        Nel muscolo in contrazione ci aspettiamo una alta concentrazione citosolica di ioni calcio provenienti dal reticolo sarcoplasmatico. Ciò contribuisce all’attivazione della glicogeno fosforilasi da parte della fosforilasi chinasi: il Ca2+ collabora con la fosforilazione perché permette l’attivazione della fosforilasi chinasi. 
        Il sensore del calcio della fosforilasi chinasi è una delle subunità dell’enzima che è la calmodulina.
        
        AMP:
        L’AMP (indice di bassa carica energetica) legandosi all’enzima induce una modificazione conformazionale che porta a passare dallo stato T a quello R spostando l’ansa.
        
        Effettori allosterici negativi:
        
        ATP;
        
        G6P.
        
        Entrambi questi segnali sono indicatori di benessere a livello muscolare, infatti, portano la glicogeno fosforilasi a convertirsi nella forma T (inattiva).
        
        La regolazione allosterica dipendente da nucleotidi adenilici è dovuta ad un’ansa amminoacidica che blocca parzialmente il sito attivo e che determina due stati: T (poco attivo) quando l’ansa blocca il sito di legame e R (attivo) quando essa non lo blocca.
        
        NEL FEGATO:
        Nel fegato la Glicogeno Fosforilasi non possiede regolazione allosterica da AMP (perché la variazione è
        poco significativa) tuttavia è sotto la regolazione allosterica del Glucosio divenendo un “sensore” per il
        glucosio.
        
        Effettori allosterici negativi:
        
        Glucosio:
        
        Nella forma fosforilata “a” infatti i gruppi fosforici sono inaccessibili alla PP1 che si trova legata in
        complesso alla Glicogeno Fosforilasi. Il Glucosio induce una modificazione che espone i gruppi fosforici
        all’idrolisi e induce la dissociazione PP-1 attivandola, ciò permette di bloccare la degradazione di
        glicogeno quando la [Glucosio] ematica è sufficientemente elevata.
        
        Effettori allosterici positivi:
        
        Ca2+.
        
        Nel fegato l’aumento del Ca2+ per attivare la Fosforilasi b Chinasi viene indotto dall’Adrenalina (e in
        parte da stimolazione nervosa) che stimola anche il contemporaneo rilascio di Glucagone da parte del
        pancreas.
      - GLICOGENOSI DI TIPO V (MALATTIA DI McARDLE):
        --> E' un difetto metabolico confinato al tessuto muscolare dovuto all’assenza della Glicogeno Fosforilasi muscolare mentre l’isozima epatico è presente in concentrazioni normali.
        --> Provoca una limitata capacità a sostenere sforzi fisici intensi a causa di dolorosi crampi muscolari.
      - GLICOGENOSI DI TIPO VI (MALATTIA DI HERS):
        --> È caratterizzata dalla mancanza della Glicogeno Fosforilasi epatica con incapacità del fegato di rispondere alle richieste di Glucosio per mantenere la glicemia costante con conseguente ipoglicemia.
    - - Funzione:
        Rimuove le ramificazioni rendendo le unità glucosidiche accessibili all’attacco della glicogeno fosforilasi.
      - Meccanismo di reazione:
        Ha due attività:
        
        L’attività transferasica che si occupa di prendere tre delle quattro unità di glucosio restanti per trasferirle alle estremità non riducenti della catena principale;
        
        Idrolitica: da’ origine all’ultima molecola di glucosio, che esce a livello della ramificazione, mediante l’idrolisi del legame α-1,6.   Dove c’è una ramificazione si libera glucosio non fosforilato in quanto la reazione è una semplice idrolisi.
      - GLICOGENOSI DI TIPO III (MALATTIA DI CORI):
        --> È caratterizzata da una struttura del Glicogeno anomala con catene laterali molto corte a causa della mancanza dell’enzima α(1 → 6)-Glucosidasi (Enzima Deramificante) cosicché solo le catene laterali più esterne possono essere degradate.
        --> Provoca ipoglicemia e accelerata gluconeogenesi mediante utilizzo di precursori amminoacidici.
    - - Funzione:
        Trasforma il G1P in G6P. 
        Senza questo enzima il G1P non può entrare a far parte del metabolismo del glucosio.
        
        NEL FEGATO:
        Nel fegato (e anche nel rene e nell’intestino) il Glucosio-6-P così formatosi o entra nelle vie degradative (Via del Pentosio Fosfato/ Glicolisi) oppure viene defosforilato ad opera della Glucosio-6-Fosfatasi (enzima gluconeogenetico) per essere rilasciato in circolo a regolare la Glicemia e rifornire altri tessuti.
        
        GLICOGENOSI DI I TIPO:
        È stata la prima glicogenosi ad essere descritta e la prima dimostrazione di una carenza ereditaria di un enzima epatico, è caratterizzata dall’assenza dell’enzima Glucosio-6-Fosfatasi.
        --> Tale deficit, sebbene la struttura del Glicogeno sia normale porta ad un suo enorme accumulo con conseguente epatomegalia, inoltre provoca ipoglicemia (per impossibilità di rilasciare Glucosio in circolo) e aumento della glicolisi con accumulo di Lattato e Piruvato.
        La patologia può essere provocata anche da un difetto del trasportatore del Glucosio-6-P sulla superficie del RE.
        --> Il trasportatore per il G6P è un complesso pentaproteico formato da una trasportatore T1 per l’ingresso del
        G6P nel RE (dove avviene la defosforilazione);
        --> la Glucosio-6-Fosfatasi è una Proteina Stabilizzante che
        lega Ca2+ e due canali (T2 e T3) rispettivamente per il Pi ed il Glucosio prodotti dalla defosforilazione.
        
        NEL MUSCOLO:
        Nel muscolo è assente la Glucosio-6-Fosfatasi dunque il Glucosio-6-P può andare incontro solo a
        degradazione per produrre energia.
- - - - Fosforila una volta la subunità regolatrici GM/GL della PP1 (in un sito diverso dalla PKA) aumentandone l’attività.
        (ad alte concentrazioni di glucosio, la glicogeno fosforilasi, che si trova assemblata alla PP1 e alla subunità che fa da tramite GL/GM a formare un trimero, si stacca esponendo il residuo di serina 14 soggetto a fosforilazione/defosforilazione (in queso caso defosforilazione).
        
        PP1 va a defosforilare ed ATTIVARE la Glicogeno Sintasi rimuovendo i gruppi fosfato inibitori dai suoi tre residui di serina ( b-->a ):
        
        STIMOLA LA GLICOGENO SINTESI
        
        PP1 va a defosforilare la Glicogeno Fosforilasi INATTIVANDOLA ( a-->b ):
        
        BLOCCA LA DEGRADAZIONE DEL GLICOGENO
        
        PP1 defosforila anche la Fosforilasi “b” Chinasi inattivandola e impedendo così la riattivazione della Glicogeno fosforilasi.
      - Va a fosforilare la GSK3 (Glicogeno Sintasi Chinasi-3) su un suo residuo di serina all'estremità N-terminale, che si ripiega occupando il sito di priming, INIBENDOLA ed impedendo così la
        fosforilazione inattivatoria della Glicogeno Sintasi:
        
        MANTIENE ATTIVA LA SINTESI DI GLICOGENO
- - - - che attiva la PKA
        
        che attiva per fosforilazione la Fosforilasi “b” Chinasi
        
        che va a fosforilare la Glicogeno Fosforilasi “b”
        attivandola a Glicogeno Fosforilasi “a”,
        
        ATTIVANDO LA DEMOLIZIONE DEL GLICOGENO
        
        Va a fosforilare direttamente alcuni residui della Glicogeno Sintasi “a” che passa così nella forma
        “b” inattivandosi.
        
        INIBENDO LA SINTESI DI GLICOGENO
        
        Il meccanismo a cascata di inibizione della sintesi del Glicogeno ha un passaggio in meno rispetto al meccanismo di attivazione della degradazione (la PKA può agire direttamente sulla Glicogeno Sintasi mentre agisce sulla Glicogeno Fosforilasi solo mediante la Fosforilasi “b” Chinasi), ciò permette una regolazione più sensibile della degradazione che non della sintesi amplificando inoltre il segnale per renderlo più efficiente e andare incontro alle esigenze degli animali di avere una produzione estremamente rapida di glucosio nel muscolo.
        
        Nel muscolo: fosforila per la seconda volta GM:
        ciò fa staccare PP1 dal complesso. PP1 si può pertanto legare ad un inibitore specifico che la inattiva.
        
        non può più inibire la glicogenolisi e si inattiva la glicogenosintesi