REGOLAZIONE DEL METABOLISMO
GLUCIDICO
IL METABOLISMO DEL GLICOGENO E’ FINEMENTE REGOLATO:
Quando è attiva la sua sintesi non è attiva la sua demolizione e viceversa
I principali ormoni che controllano il metabolismo glucidico sono:
Glucagone
REGOLANO IL FLUSSO DEI METABOLITI NELLA
GLICOLISI, NELLA GLICOGENO-SINTESI, NELLA
Insulina
GLIGENO-LISI E NELLA GLUCONEOGENESI.
Adrenalina
AGISCONO IN FUNZIONE DELLA CONCENTRAZIONE
PLASMATICA DI GLUCOSIO (GLUCAGONE, INSULINA),
O DI STIMOLI NERVOSI (ADRENALINA).
D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2/E,
Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2007
REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DEL GLICOGENO DA PARTE DI GLUCAGONE E ADRENALINA
Concentrazioni plasmatiche di glucosio
inferiori a quelle normali (~ 5 mM)
Condizioni di stress fisico, mentale o
emotivo: stimolazione nervosa
Produzione e secrezione di
glucagone da parte del pancreas
(cellule α)
Inibisce la secrezione di
insulina da parte del
pancreas (cellule β)
Recettori epatici associati
a proteine Gs
stimola la
GLICOGENOLISI epatica
INNALZAMENTO DELLA
GLICEMIA
Produzione e secrezione di
adrenalina da parte della
midollare surrenale
Recettori su vari tessuti,
nel muscolo: recettori β
associati a proteine Gs
stimola la
GLICOGENOLISI
muscolare
Incremento della glicolisi e
produzione di ATP nel muscolo
Glucagone = innalza il
livello ematico di glucosio
Adrenalina = scatena una risposta in
seguito ad un’improvvisa richiesta
energetica
DEGRADAZIONE
Negli epatociti stimolati dal
glucagone,
è
attiva
la
demolizione del glicogeno, la
glicolisi
è
inibita.
Sotto
stimolazione di adrenalina è
attivo il ciclo di Cori e quindi la
gluconeogenesi,
DEGRADAZIONE
Nelle cellule muscolari stimolate
dall’adrenalina è attiva la glicolisi, la
fosforilazione ossidativa e si attua il ciclo
di Cori
Il segnale è trasmesso al 2° messaggero e
amplificato attraverso una cascata di
fosforilazioni
GDP
GTP
Proteine G
stimolatorie
+ PPi
Ca2+
Attivata dalla fosforilazione
e dal legame con il Ca2+
- OH
Glicogeno
Defosforilata
inattiva
Glicogeno
Fosforilata
attiva
Modulazione covalente
reversibile
Fosforilazione/defosforilazione
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Sotto effetto del glucagone/adrenalina la GLICOGENO SINTASI deve essere inibita
per FOSFORILAZIONE
È fosforilata da almeno 11 chinasi diverse, tra cui la PKA, la casein chinasi II (CKII) e la
glicogeno sintasi chinasi 3 (GSK3)
È la principale responsabile della inibizione della
glicogeno sintasi, che fosforila su 3 residui di Ser.
La sua azione inizia solo dopo che la
CKII ha fosforilato il proprio sito bersaglio
Fosforila i
residui di Ser
precedenti,
in direzione
amminoterminale
GSK3 INATTIVA: FOSFORILATA
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In risposta allo stimolo del glucagone e dell’adrenalina deve essere soppressa l’attività
delle FOSFATASI citosoliche, in particolare della proteina fosfatasi 1 (PP1)
Muscolo in
condizioni di riposo
Adrenalina
Attivazione di PKA
La PKA agisce sulla proteina GM
Fosforilandola sul sito 2
GM: proteina che
riconosce il
glicogeno,
fosforilata sul sito 1
Fosforilazione
Glicogeno
fosforilasi
Granulo di
glicogeno
Dissociazione di GM e PP1 da:
fosforilasi chinasi, glicogeno
fosforilasi, glicogeno sintasi.
Fosforilasi
chinasi
Glicogeno-lisi
I-1
Fosforilazione
dell’inibitore I-1
della PP1
Glicogeno
sintasi
P
PP1
P
PP1
I-1
La PP1 è sequestrata
dall’inibitore
REGOLAZIONE DEL METABOLISMO DEL GLICOGENO DA PARTE DELL’INSULINA
Concentrazioni plasmatiche di
glucosio superiori a quelle normali
(> 5 mM)
Produzione e secrezione di insulina da
parte del pancreas (cellule β)
Effetto dell’insulina sul metabolismo del
glicogeno:
a) Captazione del glucosio plasmatico
(attiva i trasportatori di membrana
nei tessuti insulino-sensibili)
b) Inibizione della secrezione di
glucagone
c) Aumento della sintesi e Attivazione
delle esochinasi,
d) Accumulo di glucosio sotto forma
di glicogeno (epatico e muscolare)
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Attivazione della GLUCOCHINASI o ESOCHINASI IV nel fegato.
1) Ha una Km = 10 mM, l’attività dell’enzima può essere regolata dalla concentrazione di
2)
glucosio disponibile, quando la [glucosio] nel sangue e nel citosol degli epatociti
aumenta sino a 10 mM e oltre, aumenta anche l’attività della glucochinasi.
Il glucosio aumenta la disponibilità di glucochinasi nel citosol, infatti in condizioni di
digiuno l’enzima è associato ad una proteina regolatrice che lo trascina dentro il nucleo.
Dopo un pasto ricco di carboidrati [Glc]> 5 mM:
Entra nel nucleo
Il Glc causa la
dissociazione della
proteina regolatrice
Fuoriesce
nel citosol
Il F6P si associa alla
prot. Regolatrice e
l’attiva
In condizioni di digiuno [Glc] < 5 mM
Il F6P causa
l’associazione con la
prot. Regolatrice: la
glucochinasi è
sequestrata nel nucleo
L’insulina attiva il
TRASPORTATORE PER IL
GLUCOSIO GLUT4.
I GLUT4, in condizioni di digiuno, sono
sequestrati nella membrana di
vescicole citosoliche. In condizioni di
elevate [Glc] l’insulina promuove il
trasferimento dei GLUT4 sulla
membrana plasmatica (attraverso un
processo di endocitosi).
AUMENTA
LA
CAPACITA’
DI
CAPTAZIONE DI GLUCOSIO da parte
dei miociti e degli epatociti.
L’aumento del flusso di
glucosio all’interno della cellula
spinge verso la GLICOGENOSINTESI
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Recettore tirosin-chinasico: formato da due dimeri che si associano
in seguito al legame con l’insulina e si autofosforilano. La tirosin
chinasi attivata fosforila a sua volta diverse proteine citosoliche
attivando diverse cascate di eventi cellulari
= complesso dei substrati del
recettore insulinico
varie cascate di eventi cellulari
Attiva la FOSFATIDIL-INOSITOLO 3’-CHINASI (PI3’-K)
che produce FOSFATIDIL-INOSITOLO 3,4,5-TRIFOSFATO (PIP3)
È il 2° messaggero intracellulare che attiva la cascata delle chinasi PDK1, PKB, PKC,
responsabile del controllo del metabolismo glucidico da parte dell’insulina
Tale cascata chinasica arresta la fosforilazione sulla
glicogeno sintasi, accendendo la sua attività catalitica
PI-3K = fosfatidilinositolo-3 chinasi converte il
PIP2 in PIP3 (fosfatidilinositolo 3,4,5,-trisfosfato)
PIP3 si lega alla PDK-1 che
attiva la PKB.
La chinasi PKB fosforila e
INATTIVA la GSK3
Substrato 1
del recettore
insulinico
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L’inibizione della GSK3
contribuisce alla
riattivazione della
glicogeno sintasi
La proteina fosfatasi 1
(PP1) può defosforilare la
glicogeno sintasi
ATTIVANDOLA15 | 47
In risposta allo stimolo dell’insulina deve essere stimolata l’attività delle FOSFATASI
citosoliche, in particolare della proteina fosfatasi 1 (PP1)
INSULINA
Muscolo in condizioni di
accumulo
Attivazione di una chinasi
Insulino-dipendente che
fosforila la GM sul sito 1
Defosforilazione
P
Granulo di
glicogeno
1
Glicogeno GM PP1
fosforilasi
Fosforilasi
chinasi
Glicogeno
sintasi
Glicogeno-sintesi
GM si associa a PP1 scalzando
l’Inibitore I, PP1 lo defosforila. GM
e PP1 si associano e si complessano
con fosforilasi chinasi, glicogeno
fosforilasi, glicogeno sintasi, le quali
vengono DEFOSFORILATE.
Nel fegato il complesso GL/PP1 è inattivato dall’associazione con la glicogeno
fosforilasi, è il GLUCOSIO/GLUCOSIO 6-P che provoca la dissociazione della glicogeno
fosforilasi dal complesso GL/PP1, permettendo alla PP1 di DEFOSFORILARE.
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REGOLAZIONE DELLA GLUCONEOGENESI/GLICOLISI DA PARTE DI GLUCAGONE E ADRENALINA
Concentrazioni plasmatiche di glucosio
inferiori a quelle normali (~ 5 mM)
Condizioni di stress fisico, mentale o
emotivo: stimolazione nervosa
Digiuno prolungato
Produzione e secrezione di
adrenalina da parte della
midollare surrenale
Produzione e secrezione di
glucagone da parte del
pancreas (cellule α)
Inibisce la secrezione
di insulina da parte del
pancreas (cellule β)
stimola la
GLUCONEOGENESI
epatica, inibisce la
GLICOLISI
Recettori epatici
associati a proteine Gs
stimola la
GLICOGENOLISI epatica
INNALZAMENTO DELLA
GLICEMIA
Recettori su vari tessuti,
muscolo ricco di recettori β
associati a proteine Gs
stimola la
GLICOGENOLISI
muscolare
Incremento della
GLICOLISI e produzione
di ATP nel muscolo
Stimola la
GLUCONEOGENESI
renale
Controllo ormonale della gluconeogenesi
Glucagone: attiva la gluconeogenesi e inibisce la glicolisi
Insulina: attiva la glicolisi e inibisce la gluconeogenesi
1) Controllo a lungo termine (espressione dei geni codificanti gli enzimi glicolitici e
gluconeogenici).
Regolata positivamente dal
FOSFOENOLPIRUVATO CARBOSSICHINASI (PEPCK)
glucagone che ne induce la
trascrizione genica favorendo la
gluconeogenesi (digiuno
prolungato).
L’insulina riduce la velocità di sintesi della PEPCK,
spegne la gluconeogenesi
2) Controllo a breve termine sulla glicolisi/gluconeogenesi.
Controllo attraverso la regolazione dell’attività di enzimi che catalizzano reazioni chiave dei
due processi:
GLUCAGONE
Esochinasi/glucochinasi
Glucosio 6-fosfatasi
Fosfofruttochinasi 1
Fruttosio 1,6-bisfosfatasi
INSULINA
Piruvato chinasi
GLICOLISI
GLUCONEOGENESI
1) Controllo a breve termine sulla glicolisi/gluconeogenesi: ESOCHINASI
•
•
•
Le esochinasi sono attivate dall’elevato flusso di glucosio in direzione
intracellulare ( la loro attività è regolata dalla concentrazione del substrato)
L’ingresso di glucosio è consentito dai trasportatori specifici e in particolare dai
GLUT4 che sono attivati dallo stimolo insulinico.
In condizioni di iperglicemia: le esochinasi I-III lavorano a velocità massima e viene
attivata anche la glucochinasi
2) Controllo a breve termine sulla glicolisi/gluconeogenesi: PIRUVATO CHINASI
Sotto controllo ormonale negli epatociti e nelle cellule intestinali dei mammiferi
È defosforilata e ATTIVATA da una proteina
fosfatasi stimolata dall’insulina in risposta a
un’alta [glucosio] ematica
GLICOLISI
È fosforilata e INIBITA dalla PKA, attivata a
sua volta dal glucagone in risposta a una
bassa [glucosio] ematica
GLUCONEOGENESI
REGOLAZIONE ORMONALE DELLA
PIRUVATO CHINASI
REGOLAZIONE ALLOSTERICA DELLA
PIRUVATO CHINASI
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3) Controllo a breve termine sulla glicolisi/gluconeogensi: FOSFOFRUTTOCHINASI 1
FosfoFruttochinasi 1
glicolisi
gluconeogenesi
H
β-D-Fruttosio 1,6-bisfosfato
(F1,6P)
Fruttosio 1,6bisfosfatasi 1
Una delle due vie deve prevalere sull’altra altrimenti avremmo un ciclo futile. Quale
delle due prevale è determinato regolando l’attività dei due enzimi:
Fosfofruttochinasi 1 (PFK1)
Fruttosio 1,6-bisfosfatasi (FBPasi-1)
Il MODULATORE che agisce è il
FRUTTOSIO 2,6-BISFOSFATO
Attiva la PFK-1
Inibisce la FBPasi-1
Incrementa la glicolisi
Il fruttosio 2,6-bisfosfato è prodotto dall’azione di un enzima bifunzionale:
PFK-2/FBPasi-2
Quando l’enzima bifunzionale è fosforilato è attiva la funzione fosfatasica (FBPasi-2)
si riduce il livello di fruttosio 2,6-bisfosfato
Quando l’enzima è defosforilato è attiva la funzione chinasica (PFK-2)
aumenta il livello di fruttosio 2,6-bisfosfato
Berg et al., BIOCHIMICA 6/E, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2007
Punto critico del controllo ormonale della gluconeogenesi è la
fosforilazione/defosforilazione dell’enzima bifunzionale PFK2/FBPasi2
Accelera la
glicolisi
PFK-1
+ attiva
Fruttosio 2,6bisfosfato
La PKA attivata dal glucagone fosforila
PFK2/FBPasi2 attivando il dominio
fosfatasico: la gluconeogenesi è stimolata.
La PFK-1 non
è stimolata
Fruttosio 6fosfato
Fruttosio 2,6bisfosfato
Fruttosio 6fosfato
L’insulina attiva una fosfatasi che mantiene
defosforilato PFK2/FBPasi2 e attiva il dominio
chinasico: la gluconeogenesi è inibita
