Metabolismo del glicogeno: regolazione allosterica e covalente

Il metabolismo del glicogeno, al pari del metabolismo in generale, si compone di due fasi, una fase costruttiva o anabolismo, ed una fase degradativa o catabolismo. Nella fase costruttiva, reazioni catalizzate da specifici enzimi portano alla sintesi del glicogeno, mentre durante la fase degradativa, reazioni catalizzate da specifici enzimi portano alla sua degradazione.
Negli Archea, Batteri, Funghi e negli animali il glicogeno funge da riserva di energia e carbonio che gli organismi accumulano nei momenti di abbondanza di nutrienti, e  che verrà utilizzata nel momento di bisogno. Negli animali è presente nel citosol di praticamente tutti i tipi cellulari, come pure nei loro lisosomi.
Nei mammiferi le riserve più importanti si trovano nel muscolo scheletrico e nel fegato. Il glicogeno epatico viene utilizzato per regolare la glicemia tra i pasti, durante il digiuno o nel corso di un’attività fisica intensa, al fine di assicurare un adeguato apporto di energia principalmente ai neuroni e ai globuli rossi. Il glicogeno muscolare serve per soddisfare i fabbisogni energetici del muscolo stesso durante l’attività fisica ad alta intensità.
Al pari dell’amido, il glicogeno è un polimero ramificato di unità di D-glucosio, e permette l’accumulo di elevate quantità di glucosio dando luogo ad una pressione osmotica molto inferiore rispetto a quella che il glucosio eserciterebbe se fosse presente nella sua forma monomerica. Legati covalentemente allo scheletro polisaccaridico si ritrovano gruppi fosfato e la proteina glicogenina e, associate in modo non covalente, numerose altre proteine. Gli aggregati polisaccaride-proteine sono detti granuli beta e sono considerati una fonte di energia rapidamente disponibile. Tali proteine sono coinvolte nel metabolismo del glicogeno, che è regolato attraverso effettori allosterici e modificazioni covalenti di enzimi chiave sia della sintesi che della degradazioni citosolica o glicogenolisi.

INDICE

Metabolismo del glicogeno: la fase di sintesi

La sintesi del glicogeno avviene nel citosol, sembra essere associata ai filamenti di actina, e può avvenire a partire dal glucosio derivante dai carboidrati assunti con l’alimentazione, o dal glucosio derivante da precursori non glucidici quali lattato ed alanina.
Il lattato, che si accumula nelle cellule muscolari scheletriche in condizioni di scarsa disponibilità di ossigeno, nei globuli rossi, che dipendono interamente dalla glicolisi anaerobica per la produzione di ATP, o derivante da altri tessuti, viene metabolizzato per la maggior parte a livello epatico per la produzione di glucosio attraverso la gluconeogenesi. Il glucosio prodotto diffonde dagli epatociti nel circolo ematico ed è trasportato ai tessuti periferici, tra cui anche il muscolo scheletrico dove può essere convertito a lattato, chiudendo così un ciclo che è conosciuto come ciclo di Cori. L’alanina, un amminoacido non essenziale, può derivare da processi transaminativi in cui il piruvato di origine glicolitica funge da accettore del gruppo amminico di aminoacidi utilizzati a scopi energetici. L’alanina rappresenta quindi il mezzo di trasporto dello scheletro del piruvato e dei gruppi amminici dai tessuti extraepatici al fegato dove, lo scheletro carbonioso verrà utilizzato per produrre glucosio attraverso la via gluconeogenetica, ed il gruppo amminico convertito in urea attraverso il ciclo dell’urea. Il glucosio diffonde quindi nel circolo sanguigno e raggiunge i tessuti extraepatici dove può essere riconvertito in piruvato chiudendo il ciclo, che è conosciuto come ciclo glucosio-alanina.
Il glucosio entra nelle cellule utilizzando specifici trasportatori chiamati GLUT, dall’inglese glucose transporter, dei quali GLUT4 prevale in tessuti insulino-dipendenti o insulino-sensibili, quali il muscolo scheletrico e cardiaco ed il tessuto adiposo, ed è esso stesso attivato dall’ormone.
Una volta nella cellula il glucosio viene fosforilato a glucosio-6-fosfato. La reazione è catalizzata dalla glucochinasi o esochinasi IV (EC 2.7.1.1) nel fegato e nelle cellule beta del pancreas, e dalle altre esochinasi (EC 2.7.1.1) negli altri tipi cellulari.
Il destino del glucosio-6-fosfato dipenderà dallo stato metabolico della cellula. Può entrare nella via glicolitica per produrre energia e/o precursori per altre vie metaboliche. In alternativa può subire una isomerizzazione a glucosio-1-fosfato, nella reazione reversibile catalizzata dalla fosfoglucomutasi (EC 5.4.2.2). Il glucosio-1-fosfato può essere incanalato nella via di sintesi del glicogeno, o nella via del pentoso fosfato se la cellula necessita di NADPH per le biosintesi riduttive, come quelle degli acidi grassi o del colesterolo, o di ribosio-5-fosfato per la sintesi dei nucleotidi.
Quando prevale la sintesi del glicogeno, il glucosio-1-fosfato viene attivato a UDP-glucosio nella reazione catalizzata dalla UDP-glucosio pirofosforilasi (EC 2.7.7.9), a spese di una molecola di UTP. L’UDP-glucosio è il donatore di glucosio. Inizialmente la glicogenina catalizza la glicosilazione di un suo residuo di tirosina, dopo di che aggiunge altri 6-10 unità di glucosio a formare un oligosaccaride di 7-11 unità. La catena oligosaccaridica funge quindi da substrato per la glicogeno sintasi (EC 2.4.1.11) che, in combinazione con l’enzima ramificante o amilo-α-(1,4)→α-(1,6)-transglicosidasi (EC 2.4.1.18), completa la sintesi del glicogeno.

Metabolismo del glicogeno: la fase degradativa

A differenza della sintesi del glicogeno, la fase catabolica o degradativa avviene sia nel citosol che nei lisosomi, ma con l’intervento di differenti vie metaboliche.
La glicogenolisi è associata al reticolo endoplasmatico e al reticolo sarcoplasmatico, ed ha come fine la liberazione a scopi energetici del glucosio. Le reazioni catalizzate dalla glicogeno fosforilasi (EC 2.4.1.1), dalla α-(1,4)-glucan-6-glicosiltransferasi (EC 2.4.1.25) e dall’amilo-α-(1,6)-glucosidasi o enzima deramificante (EC 3.2.1.33) portano alla liberazione del glucosio in forma di glucosio-1-fosfato, per il 90% circa, e di glucosio libero per il restante 10%. A livello della cellula muscolare scheletrica l’attività della esochinasi è così intensa che tutto il glucosio libero è immediatamente fosforilato a glucosio-6-fosfato e dunque bloccato nella cellula stessa. Negli epatociti, nelle cellule della corteccia renale e negli enterociti, essendo presente la via gluconeogenetica, l’enzima glucosio-6-fosfatasi (EC 3.1.3.9) catalizza la defosforilazione del glucosio-6-fosfato, derivante dalla isomerizzazione del glucosio-1-fosfato, a glucosio che può lasciare la cellula e contribuire alla regolazione della glicemia.

Degradazione del glicogeno nei lisosomi

Sebbene il glicogeno sia sintetizzato nel citosol, si ritrovato anche nei lisosomi. Il glicogeno lisosomiale sembra derivare da meccanismi di autofagia, ed interessa circa il 10% del contenuto totale del glicogeno epatico ed circa il 5% di quello muscolare.
Secondo una ipotesi, il grado di fosforilazione del granulo di glicogeno sarebbe uno dei fattori chiave nella regolazione del suo metabolismo lisosomiale. Il grado di fosforilazione correlerebbe con l’età del granulo, rappresentando una sorta di controllo di qualità: l’aumento delle fosforilazioni, con la conseguente riduzione della solubilità del granulo, costituirebbe un marker in grado di indirizzare il metabolismo del glicogeno verso la fase di degradazione lisosomiale, un processo noto anche come glicofagia.
Nei lisosomi la degradazione del polisaccaride avviene nella reazione catalizzata dall’enzima alfa-(1,4)-glucosidasi acida (EC 3.2.1.20). L’idrolisi porta alla liberazione di D-glucosio. Poiché l’enzima idrolizza di preferenza i legami glicosidici α-(1,4), non è ancora chiaro come vengano idrolizzati i legami glicosidici α-(1,6).
L’importanza del catabolismo lisosomiale del glicogeno è sottolineata dalla malattia di Pompe o glicogenosi di tipo II, causata da una mutazione del gene per la alfa-glucosidasi acida. La carenza di alfa-glucosidasi acida funzionante causa un accumulo di glicogeno nei lisosomi ed in strutture vescicolari. Nella sua forma più grave la malattia di Pompe risulta fatale entro il primo anno di vita.

Regolazione coordinata del metabolismo del glicogeno

La sintesi e la degradazione del glicogeno sono processi esoergonici, per cui se operassero simultaneamente si avrebbe uno spreco di energia. Nella cellula le due vie metaboliche sono soggette ad uno stretto controllo e sono reciprocamente regolate in modo che quando una via procede l’altra rallenta. Al pari di quanto accade per la regolazione coordinata della glicolisi e della gluconeogenesi, ciò è stato ottenuto nel corso dell’evoluzione attraverso la selezione di enzimi differenti per catalizzare i passaggi chiave delle due vie. Gli enzimi chiave in questione sono la glicogeno fosforilasi e la glicogeno sintasi, la cui attività viene regolata per mezzo di:

  • meccanismi allosterici, che avvengono in un arco temporale di millisecondi, sono istantaneamente reversibili, e chiamano in causa quali effettori allosterici gli ioni calcio (Ca2+), il glucosio, e metaboliti che segnalano lo stato energetico della cellula, ossia l’ATP, l’AMP ed il glucosio-6-fosfato;
  • modificazioni covalenti, ossia fosforilazioni e defosforilazioni di specifiche proteine bersaglio quali, oltre ai due enzimi suddetti, la fosforilasi chinasi (EC 2.7.11.19), fosfoprotein fosfatasi 1 o PP1, dall’inglese phosphoprotein phosphatase 1 (EC 3.1.3.17), e la glicogeno sintasi chinasi 3 (EC 2.7.11.26). La regolazione covalente avviene in un arco temporale di secondi, ed è conseguente al legame di ormoni, di cui i più importanti sono l’ insulina, il glucagone e l’adrenalina o epinefrina, ai rispettivi recettori presenti sulla membrana plasmatica.

Nella regolazione coordinata del metabolismo del glicogeno i meccanismi allosterici e covalenti si sovrappongono.

Regolazione covalente

Di seguito sono riassunte le modificazioni metaboliche indotte dal legame di insulina, glucagone ed adrenalina ai rispettivi recettori epatici e muscolari.

L’insulina viene rilasciata dalle cellule beta delle isole pancreatiche di Langerhans in risposta all’aumento della glicemia conseguente, ad esempio, ad un pasto ricco di carboidrati, ed ha un’azione anabolica. Il legame ai recettori presenti sulla membrana plasmatica delle cellule del fegato e del muscolo scheletrico innesca una cascata di reazioni che determinano la defosforilazione della:

  • glicogeno fosforilasi, che risulta inibita;
  • glicogeno sintasi, che risulta attivata.

In aggiunta, l’insulina recluta sulla membrana plasmatica delle cellule del muscolo scheletrico il trasportatore GLUT4.
In questo modo viene stimolata la sintesi del glicogeno ed inibita la glicogenolisi. Ciò concorre ad abbassare la glicemia.

Il glucagone viene secreto dalle cellule alfa delle isole pancreatiche di Langerhans in risposta ad una riduzione della glicemia, ed ha un’azione catabolica. Il legame dell’ormone ai recettori presenti sulla membrana plasmatica degli epatociti innesca una cascata di reazioni che portano alla fosforilazione della:

  • glicogeno fosforilasi, che risulta attivata;
  • glicogeno sintasi, che risulta inibita.

In questo modo viene attivata la glicogenolisi ed inibita la sintesi del glicogeno. Ciò concorre ad aumentare la glicemia.

L’adrenalina viene secreta dalle ghiandole surrenali in risposta a segnali provenienti dal sistema nervoso simpatico innescati da situazioni che provocano paura o stress, ma anche a seguito di un esercizio fisico particolarmente intenso. Al pari del glucagone ha un’azione catabolica in quanto determina la fosforilazione della:

  • glicogeno fosforilasi, attivandola;
  • glicogeno sintasi, inibendola.

Tuttavia, a differenza del glucagone agisce sia sul fegato che sul muscolo scheletrico, a seguito del legame ai recettori adrenergici, beta-2 nel muscolo scheletrico, e beta-2 ed alfa-1 nel fegato.

La vasopressina e l’adrenalina, quando si lega ai recettori alfa-1 adrenergici, innescano vie intracellulari che portano al rilascio di Ca2+ dal reticolo endoplasmatico, e, come spiegato in seguito, alla stimolazione della glicogenolisi ed inibizione della sintesi del glicogeno.

Regolazione allosterica

Di seguito sono riassunte le modificazioni metaboliche indotte dal legame degli effettori allosterici AMP, ATP, glucosio-6-fosfato, glucosio e Ca2+ ai rispettivi siti di legame presenti sugli enzimi bersaglio.

MUSCOLO SCHELETRICO

A seguito di un aumento della concentrazione dell’AMP:

  • la fosforilasi chinasi è attivata;
  • la glicogeno fosforilasi b è attivata.

A seguito di un aumento della concentrazione dell’ATP:

  • la fosforilasi chinasi è inibita;
  • la glicogeno fosforilasi b è inibita.

In risposta ad un aumento della concentrazione del glucosio-6-fosfato:

  • PP1 è attivata;
  • la glicogeno fosforilasi b è inibita;
  • la forma fosforilata della glicogeno sintasi, ossia la glicogeno sintasi a, è attivata, a seguito di un cambio conformazionale che favorisce la defosforilazione ad opera di PP1. Questa attivazione allosterica permette alla glicogeno sintasi di agire da sensore per il glucosio-6-fosfato.

Quindi, se le concentrazioni dell’ATP e del glucosio-6-fosfato sono basse ed è alta quella dell’AMP, la glicogeno sintasi è inibita, glicogeno fosforilasi è stimolata, e di conseguenza la glicogenolisi è stimolata mentre la sintesi del glicogeno è inibita.
Di contro, se la concentrazione dell’ATP e del glucosio-6-fosfato sono elevate, viene stimolata la sintesi del glicogeno ed inibita la glicogenolisi.

Nelle cellule muscolari scheletriche l’aumento della concentrazione intracellulare di Ca2+, rilasciato dal reticolo sarcoplasmatico, innesca la contrazione muscolare. Inoltre, Ca2+ si lega alla calmodulina, che è la subunità δ della fosforilasi chinasi muscolare. Il complesso Ca2+-calmodulina attiva la chinasi che fosforila la glicogeno fosforilasi e la glicogeno sintasi, attivando la prima ed inibendo la seconda.

Regolazione allosterica e covalente della glicogeno fosforilasi epatica e muscolare
Regolazione della Glicogeno Fosforilasi Epatica e Muscolare

FEGATO

Nel fegato la glicogeno fosforilasi b non è attivata dall’AMP, mentre la glicogeno fosforilasi a è inattivata a seguito di un aumento della glicemia. In che modo? La concentrazione del glucosio nel fegato riflette quella nel sangue: in risposta ad un aumento della glicemia il glucosio si lega ad uno specifico sito allosterico inibitore della glicogeno fosforilasi a ed innesca una modificazione conformazionale che porta all’esposizione di specifici residui di serina fosforilati che vengono defosforilati da PP1, con conseguente inattivazione dell’enzima. Ciò permette alla glicogeno fosforilasi di agire come sensore del glucosio ed di rispondere in modo adeguato alle sue variazioni ematiche.

Bibliografia

  1. Adeva-Andany M.M., González-Lucán M., Donapetry-García C., Fernández-Fernández C., Ameneiros-Rodríguez E. Glycogen metabolism in humans. BBA Clin 2016;27;5:85-100. doi:10.1016/j.bbacli.2016.02.001
  2. Garrett R.H., Grisham C.M. Biochemistry. 4th Edition. Brooks/Cole, Cengage Learning, 2010
  3. Nelson D.L., M. M. Cox M.M. Lehninger. Principles of biochemistry. 6th Edition. W.H. Freeman and Company, 2012
  4. Prats C., Graham T.E., and Shearer J. The dynamic life of the glycogen granule. J Biol Chem 2018;293(19):7089-98. doi:10.1074/jbc.R117.802843
  5. Roach P.J., Depaoli-Roach A.A., Hurley T.D and Tagliabracci V.C. Glycogen and its metabolism: some new developments and old themes. Biochem J 2012;441:763-87. doi:10.1042/BJ20111416
  6. Voet D. and Voet J.D. Biochemistry. 4th Edition. John Wiley J. & Sons, Inc. 2011

Biochemistry, metabolism and nutrition