TEMA 37: SINTESIS Y DEGRADACIÓN DEL GLUCÓGENO. REGULACIÓN. CONTROL HORMONAL DEL METABOLIISMO DEL GLUCÓGENO.

Glucógeno es un homopolímero de reserva, que tienen todas las células, pero los hepatocitos y las musculares son las que mayor concentración tienen.El glucógeno hepático sirve para dar glucosa al resto de los tejidos.El músculo es el que más cantidad de glucógeno acumula desde el punto de vista cuantitativo, pero el para su propio beneficio.El glucógeno está presente en el citosol.

ESTRUCTURA DEL GLUCÓGENOLa mayoría de las glucosas del glucógeno están unidas por enlaces glicosídicos α 1-4. Las ramificaciones se forman por enlaces glicosídicos α 1-6.

Extremos no reductores

DEGRADACIÓN DEL GLUCÓGENO:En el músculo la necesidad de ATP provoca la conversión del glucógeno en glucosa-6-fosfato (G6P) para ingresar en la glúcosilación.En el hígado la baja concentración de glucosa en sangre desencadena la degradación del glucógeno en G6P que, en este caso, se hidroliza a glucosa y se libera al torrente sanguíneo para revertir esta situación.

Glucógeno fosforilasa: cataliza la fosforilación del glucógeno, para producir glucosa-1-fosfato

Degradación requiere la acción de tres enzimas. Enzima desramificadora: elimina las ramificaciones del glucógeno.Fosfoglucomutasa: convierte G1P en G6P.

- La glucógeno fosforilasa cataliza la escisión fosforolítica del glucógeno para dar glucosa 1- fosfato:La glucógeno fosforilasa, escinde su sustrato mediante la adición de ortofosfato (Pi) para producir G1P. La rotura de un enlace por la adición de Pi se conoce como fosforolisis.

La fosforilasa cataliza la eliminación secuencial de residuos glucosílicos desde los extremos no reductores de la molécula de glucógeno.El enlace glucosídico entre el C-1 del residuo terminal y el C-4 del residuo adyacente se rompe por el Pi.La ruptura se hace entre el átomo de carbono C-1 y el átomo de oxígeno glicosídico, de modo que la configuración α en el C-1 se mantiene.De la fosforolisis obtenemos una molécula de glucosa 1-fosfato + glucógeno n-1.

El enzima fosfoglucoquinasa puede convertir fácilmente la glucosa 1-fosfato en glucosa-6-fosfato, un intermediario metabólico importante.La escisión fosforílitica del glucógeno es energéticamente ventajosa porque el azúcar que se libera está fosforilado.

- Para la degradación del glucógeno se necesita también un enzima desramificante:La glucógeno fosforilasa cesa de escindir enlaces (α 1-4), cuando alcanza un residuo terminal situado a cuatro residuos del punto de ramificación, llamado dextrina límite.En ese momento actuará una enzima desramificante (bifuncional) que actúa en dos fases, para remodelar el glucógeno para que la glucógeno fosforilasa pueda continuar con la degradación.1ª fase: Enzima actúa como una glucosil transferasa. Translada un bloque de tres residuos glicosilo desde una rama externa a otra. Esto deja un solo residuo de glucosa unido por enlace glicosídico (α 1-6). 2ª fase: Actúa como una α-1,6-glucosidasa. Hidroliza los enlaces glicosídicos (α 1-6) , dando lugar a la liberación de una molécula de glucosa libre.Esta molécula de glucosa libre se fosforila por el enzima glicolítico hexoquinasa.

-- La

fosfoglucoquinasa convierte la glucosa 1-fosfato en glucosa 6-fosfato.La G1P formada en la escisión fosforolítica debe convertirse en G6P para poder entrar en la corriente metabólica principal. Este desplazamiento del grupo fosforilo está catalizado por la fosofoglucoquinasa, usada también en el metabolismo de la galactosa.Para que se produzca el intercambio la quinasa debe tener en su sitio catalítico un residuo fosforilado de serina. El grupo fosforilo se transfiere del residuo de serina al grupo C-6 de la G1P para forma el intermediario glucosa 1,6-bisfostato.El grupo fosforilo C-1 de este intermediario vuelve entonces al mismo residuo de serina y da como resultado la formación de G6P y regenera que quinasa.

Para que la enzima siempre este activada debe estar siempre presente en el medio el intermediario.

DESTINOS DE LA GLUCOSA-6-FOSFATO:La G6P proveniente de la ruptura del glucógeno tiene tres destinos:

1) es el sutrato inicial de la glucolisis2) puede procesarse por la ruta de las pentosas fosfato para generar

NADPH y derivados de la ribosa.3) Puede convertirse en glucosa libre para liberarse al torrente

sanguíneo.Estas transformaciones tienen lugar en el hígado principalmente.

EL HÍGADO CONTIENE GLUCOSA 6-FOSFATASA , UN ENZIMA AUSENTE EN EL MÚSCULO:Una función muy importante del hígado es mantener relativamente constante el mivel de glucosa en sangre.La G6P producida en la degradación del glucógeno, al contrario que la glucosa libre , no se transporta con facilidad fuera de las células.El hígado tiene un enzima hidrolítico, la glucosa 6-fosfatasa, que escinde el grupo fosforilo y produce glucosa y Pi. La glucosa 6-fosfatasa se localiza en la cara interna de la membrana del REL.Para que la G6P se desfosforile debe ser transportada desde el citosol al interior del lúmen del REL por la proteína transportdora T1.Una vez en el lúmen la G6P se hidroliza a glucosa gracias a la glucosa 6-fosfatasa, que se encuentra unida a la membrana.Para la actividad fosfatasa es esencial la asociación de una proteína estabilizadora (SP) que une Ca2+.La glucosa y el Pi formado se transportan de nuevo al citosol gracias a un par de transportadores T2 y T3 respectivamente.

ESTRUCTURA DE LA GLUCÓGENO FOSFORILASA:La glucógeno fosforilasa es un dímero de subunidades idénticas.Cada subunidad contiene un centro catalítico y un centro de unión para el colágeno.El centro catalítico se localiza en una profunda hendidura formada por residuos de los dominios amino y carboxilo terminales.Como la glucógeno fosforilasa rompe el glucógeno de forma fosforolítica y no hidrolítica necesita que el centro catalítico este totalmente ausente de agua, para que esta no luche por el enlace.Para evitar esto cada centro catalítico tiene unido un piridoxal-fosfato (PLP) a la lisina 680 del enzima.La glucógeno fosforilasa en la escisión del glucógeno siempre une el glucógeno en uno de los dominios y el centro catalítico que actúa es el del dominio contrario.Por eso solo puede actuar hasta que está a una distancia de cuatro residuos de glucosa de una ramificación, porque esa es la distancia que existe entre el centro catalítico de un dominio y el de unión del otro. La enzima no puede continuar con la escisión por impedimentos estéricos entre la ramificación y sus dominios también porque la cadena de glucógeno no llega hasta el centro catalítico.

glucógeno

- Mecanismo de acción de la glucógeno fosforilasa:En primer lugar, el sustrato glucógeno y el producto glucosa 1-fosfato tiene ambos configuración α en el C-1, por lo que se debe formar un ión carbanio intermedio, porque un ataque directo del fosfato en el C-1 de un azúcar invertiría la configuración a ß.Por otro lado el grupo 5’-fosfato del PLP actúa en serie con el ortofosfato sirviendo como dador de protones y después como aceptor de protones.El ortofosfato (HPO4

2-) dono el protón al átomo de oxígeno unido al C-4 de la cadena de glucógeno de partida y simultáneamente capta un protón del PLP. El ión carbanion intermedio formado esn esta etapa en esta etapa es entonces atacado por el ortofosfato para originar α-glucosa 1-fosfato, con el regreso concomitante del hidrógeno al PLP.

LA SÍNTESIS DEL GLUCÓGENO:

- La UDP-glucosa es una forma activada de la glucosa:La síntesis del glucógeno comienza por la fosforilación de la glucosa mediante ATP.

hexoquinsaGlucosa + ATP glucosa 1-fosfato + ADP + H+

La glucosa 1-fosfato y UTP sintetizarán UDP-glucosa, en una reacción catalizada por la UDP-glucosa pirofosfalasa.

La UDP-glucosa es el dador de glucosa en la síntesis de glucógeno, es un forma activada de la glucosa.El pirofosfato liberado en la reacción proviene de los dos residuos fosforilo externos del UTP.Esta reacción es fácilmente reversible. Pero el PPi se hidroliza rápidamente in vivo a 2 Pi por una pirofosfatasa inorgánica.La hidrólisis esencialmente irreversible hace que la reacción se dirija en sentido de la síntesis de UDP-glucosa.

Reacción total de la síntesis de UDP-glucosa

- La glucógeno sintasa cataliza la transferencia de glucosa desde UDP-glucosa a una cadena en crecimiento:

Las nuevas unidades de glucosilo se añaden a los residuos terminales no reductores del glucógeno.La unidad glucosilo activada de la UDP-glucosa se transfiere al grupo hidroxilo de un C-4 terminal del glucógeno para formar un enlace α 1,4-glicosídico.En la elongación, desplaza al UDP el grupo hidroxilo (-OH) terminal de la molécula de glucógeno en crecimiento.Esta reacción está catalizada por la glucógeno sintasa, el enzima regulador clave de la síntesis del glucógeno.La glucógeno sintasa solo puede añadir residuos glucosilo si la cadena de polisacárido ya contiene más de cuatro residuos, es decir necesita un cebador. Ese cebador es una proteína, la glucogenina.

- El papel de la glucogenina en la iniciación de la síntesis glucógeno:Es una proteína compuesta por dos subunidades idénticas, cada una con un oligosacárido de unidades de glucosa con enlace (α 1-4).El C-1 de la primera unidad de esta cadena, el extremo reductor, esta unido covalentemente al grupo hidroxilo fenólico de un tirosina específica en cada subunidad de la glucogenina.Cada unidad de glucogenina cataliza la adición de ocho unidades de glucosa a su pareja en el dímero.El donante en esta autoglucosilación es el UDP-glucosa.Cuando ya están los octámeros es cuando la glucógenosintsa entra en acción.

Nota: la glucogenina tiene carácter glucositransferasa.

- Un enzima ramificante forma enlaces α-1,6:La glucógeno sintasa solo es capaz de sintetizar enlaces α 1-4, por lo que es necesaria una enzima ramificante para que sintetice los enlaces α 1-6.La ramificación tiene lugar después de que incierto número de residuos glucosilo se hayan unido mediante enlaces α 1-4, por la glucógeno sintasa.Las ramas se forman por la ruptura de un enlace α 1-4, y la formación de un enlace α 1-6.El enzima ramificante que cataliza la reacción es altamente específico.Coge un bloque de 7 residuos, que debe incluir el extremo no reductor, de una cadena de al menos 11 residuos de longitud.El nuevo punto de ramificación debe distar de otro preexistente al menos en 4 residuos.

Nota: la ramificación incrementa la solubilidad del glucógeno, la velocidad de síntesis y degradación del mismo.La ramificación del glucógeno requiere una única actividad transferasa.

REGULACIÓN:

El metabolismo del glucógeno se controla con precisión por múltiples mecanismos interconectados y el epicentro de control es la glucógeno fosforilasa.La fosforilasa está regulada por varios efectores alostéricos que reflejan el estado energético de la célula así como por la fosforilación reversible, a cual responde a hormonas (insulina, glucagón, adrenalina).Existen diferencias entre la regulación en el músculo y el hígado, debido a la diferente función que le dan a la glucosa.

- La fosforilasa del músculo se regula por la carga energética intracelular:La fosforilasa del músculo existe en dos formas interconvertibles:o Fosforilasa a (generalmente activa)o Fosforilasa b(generalmente inactivaEstas dos formas existen en equilibrio entre un estado relajado activo (R) y un estado tenso mucho menos activo (T), pero el equilibrio para la fosforilasa a favorece el estado R y el equilibrio de la fosforilasa b favorece el estado T. La fosforilasa a y la fosforilasa b se diferencian por un único grupo fosforilo en cada subunidad.La fosforilasa b se convierte en fosforilasa a cuando ésta se fosforila en un único residuo de serina (Serina 14) en cada subunidad.El enzima regulador fosforilasa quinasa cataliza esta modificación covalente.

El estado T es menos activo debido a que el centro activo de cada subunidad esta parcialmente bloqueado.En el estado R se encuentra más accesible y el centro de unión del Pi está mejor definido.Al fosforilarse el fosforilasa b(inactiva) se produce un cambio conformacional.La posición en el equilibrio entre las formas T y R de a kfosforilasa b es sensible a las condiciones de la célula.La fosforilasa b muscular solamente se activa con altas concentraciones de AMP(bajo nivel energético), que se une al centro de unión de nucleótidos y estabiliza la conformación del enzima en su estado R.El ATP actúa como un efector alostérico negativo compitiendo con el AMP y favoreciendo el estado T.Conclusión: la alternancia de las formas T y R de la fosfoliralasa b está controlada por la carga energética de la célula muscular.

La fosfarilasa b es inactiva debido a los efectos inhibidores del ATP y de la glucosa-6-fosfato.La fosforilasa a es activa plenamente a pesar de los niveles de AMP, ATP y glucosa-6-fosfato.

- La fosforilasa de hígado genera glucosa para su uso en los otros tejidos:

La regulación de la glucógeno fosforilasa de hígado difiere sustancialmente de la de músculo, lo cual es una consecuencia del papel del hígado en la homeostasis de glucosa del organismo de forma global.La fosforilasa a de hígado pero no la b muestra una muy sensible transición de T a R.La unión de la glucosa desplaza el equilibrio alostérico de la fosforilasa a desde el estado R al T, lo que desactiva la enzima.La glucosa es un regulador negativo de la fosforilasa a del hígado porque el papel de la degradación del glucógeno en el hígado es producir glucosa para exportarla a otros tejidos cuando los niveles de glucosa en sangre son bajos, por lo tanto si hay exceso de glucosa en sangre es que no es necesario degradar más glucógeno y se debe inhibir la fosforilasa a.

La fosforilasa hepática no es sensible a la regulación por AMP

debido a que en el hígado no se dan cambios drásticos de carga energática.

- La fosforilasa quinasa se activa por fosforilación y por los iones calcio:Modifica a la glucógeno fosforilasa de forma covalente.Es una proteína muy grande con una composición de subunidades en el músculo esquelético (αβγδ)4.La actividad catalítica reside en la subundidad γ mientras que el resto de la subunidades tienen una actividad reguladora.Esta quinasa está sometida a un doble control.La quinasa se convierte de una forma de baja actividad a una de alta actividad por fosforilación de la subunidad β.El enzima que cataliza la activación de la fosforilasa quinasa es la proteína quinasa A (PKA), la cual a su vez se activa mediante un segundo mensajero (AMPc).La fosforilasa quinasa también puede activarse parcialmente por niveles de Ca2+ del orden de 1µM.Su subunidad δ es la calmodulina, un sensor de calcio que estimula a los enzimas de los eucariotas.Esta forma de activación tiene importancia en el músculo, en el que la contracción es debida por la liberación Ca2+ del retículo sarcoplásmico.La fosforilasa quinasa alcanza su máxima actividad solamente cuando se dan ambos efectos: fosforilación de la subunidad β y activación de la subunidad δ por la unión de Ca2+.

LA ADRENALINA Y EL GLUCAGÓN SON SEÑALES PARA LA DEGRADACIÓN DEL GLUCÓGENO:

La PKA activa a la fosforilasa quinasa, que a su vez, activa a la glucógeno fosforilasa

- Las proteínas G transmiten la para el inicio de la degradación del glucógeno:Varias hormonas afectan profundamente al metabolismo de glucógeno. La adrenalina y el glucagón desencadenan la lisis del glucógeno.La actividad muscular o un preparación inmediata llevan a una liberación de adrenalina.La adrenalina estimula de manera importante la ruptura del glucógeno en el músculo y en menor grado en el hígado.El hígado es más sensible al glucagón.

o Cascada reguladora para la ruptura del glucógeno en el músculo: La adrenalina y el glucagón se unen respectivamente a receptores 7TM específicos de las

membranas plasmáticas de las células de músculo e hígado. La adrenalina se une al recertor β-adrenérgico del músculo, mientras que el glucagón se une al receptor del glucagón. Estas uniones activan la subunidad β de a proteína Gs. una señal externa se transmite al interior de la célula a través de cambios estructurales, en primer lugar en el receptor y después en la proteína G.

La forma unida al GTP de la subunidad α de Gs activa la adenilato ciclasa, una proteína transmembrana que cataliza la formaciónde segundo mensajero AMPc a partir de ATP.

El elevado nivel de AMPc en el citosol activa la PKA a través de la unión del AMPc a las subunidades reguladoras, las cuales se disocian de las subunidades catalíticas. Las subunidades catalíticas libres son ahora activas.

La PKA fosforila a lasubunidad β de la fosforilasa quinasa que, a su vez, activa a la glucógeno fosforilasa.

La cascada de AMPc amplifica de forma espectacular los efectos de las hormonas.

o La cascada reguladora para la ruptura del glucógeno en el hígado: La adrenalina además de unirse al receptor β-adrenérgico se une al receptor α-adrenérgico

7TM, el cual activa a la fosfolipasa C, iniciándose a sí la cascada del fosfoinosítido. El aumento consecuente de inositol 1,4,5-trisfosfato induce a la liberación de Ca2+. La unión de Ca2+ a la calmodulina (subunidad δ de la fosforilasa quinasa) lleva a la activación

parcial de la fosforilasa quinasa.La activación conjunta estimulación conjunta por glucagón y adrenalina da lugar a la máxima movilización del glucógeno hepático.

- La degradación del glucógeno debe poderse desactivar rápidamente:

Otra cascada conduce a la desfosforilación e inactivación de la fosforilasa quinasa y de la glucógeno fosforilasa. Simultáneamente, se activa la síntesis de glucógeno.

La actividad GTPasa inherente unido al proteína G convierte el GTP en GDP, lo que interrumpe la transducción de señal.Las células tienen una actividad fosfodiesterasa que convierten el AMPc en AMP.La PKA establece las condiciones para bloquear la degradación del glucógeno mediante la adición de un grupo fosforilo a la subunidad α de la fosforilasa quinasa, después de haber fosforilada la subunidad β. Esta adición de grupos fosforilo convierte al enzima en mejor sustrato para la desfosforilación y la consiguiente inactivación por el enzima proteína fosfatasa 1 (PP1).La proteína fosfatasa 1 tasmbén elimina el grupo fosforilo de la glucógeno fosforilasa, lo que convierte al enzima a su forma b (inactiva).

LA REGULACIÓN COVALENTE DE LA GLUCÓGENO SINTASA:

La glucógeno sintasa se fosforila en múltiples puntos por la acción de la PKA y otras quinasas, que a su vez están reguladas por diferentes segundos mensajeros (AMPc, Ca2+, diacilglicerol…).La fosforilación de la glucógeno sintasa convierte su forma a (activa), en su forma b (inactiva).La forma b fosforilada requiere un alto nivel del activador alostérico glucosa-6-fosfato para activarse.La forma a es activa esté presente o no la glucosa-6-fosfato.

LA DEGRADACIÓN Y SÍNTESIS DEL GLUCÓGENO SE REGULA RECÍPROCAMENTE:

La degradación y síntesis del glucógeno se regulan recíprocamente por una cascada de AMPc desencadenada por hormonas, a través de la PKA.La PKA además de fosforilar y activar a la fosforilasa quinasa, la PKA añade un grupo fosforilo a la glucógeno sintasa, lo cual da lugar a un descenso de la actividad enzimática.Este importante mecanismo de control evita que se sintetice y degrade glucógeno a la vez.

DEGRADACIÓN DEL GLUCÓGENO SÍNTESIS DEL GLUCÓGENO

- La proteína fosfatasa 1 (PP1) invierte los efectos reguladores de las quinasas en el metabolismo del glucógeno:

Los cambios en la actividad enzimática producidos por las proteínas quinasa puede invertirse por las proteínas fosfatasas.La PP1 desactiva a la PKA y a la fosforilasa a por desfosforilación de las enzimas.La PP1 disminuye la velocidad de degradación del glucógeno: invierte los efectos de la cascada de fosforilación.La PP1 también elimina el grupo fosforilo de la glucógeno sintasa b. para convertirla en la forma a mucho más activa.De este modo la PP1 acelera la síntesis de glucógeno.El complejo de la PP1 está compuesto por tres componentes:

o La propia PP1, subunidad catalítica.o Subunidad RGl, alta afinidad por el glucógeno.o Inhibidor 1, pequeña subunidad reguladora, cuando está fosforilada, inhibe a la PP1.

La importancia de la RGl radica en acercar la PP1 a sus sutratos y hace que la enzima solamente sea activo cuando se asocia a las moléculas de glucógeno.

o EJEMPLO DE REGULACIÓN DE LA PP1 CUANDO PREDOMINA LA DEGRADACIÓN DE GLUCÓGENO:

En este caso la PKA está activa.Dos componentes de la PP1 son ellos mismos sustratos de la PKA. La fosforilación del componente RGl por la PKA evita que aquél se una a la subunidad catalítica PP1. En consecuencia, la activación de la cascada del AMPc conduce a la desactivación de la PP1 porque esta no puede unirse a sus sutratos.La fosforilación del inhibidor 1 por la PKA bloquea la síntesis por la PP1.De este modo cuando se dispara la degradación de glucógeno por AMPc, la consiguiente fosforilación del inhibidor 1 mantiene a la fosforilasa en su forma a y a la glucógeno sintasa en su forma b (inactiva).Las fosforilaciones, inducidas por adrenalina, de la subunidad RGl y del inhibidor 1 son dispositivos complementarios para mantener la degradación del glucógeno.

- La insulina estimula la síntesis del glucógeno al activar la proteína fosfatasa:

Cuando los niveles de glucosa en sangre son elevados, la insulina estimula la síntesis del glucógeno al impulsar una vía que activa a la proteína fosfatasa 1 (PP1).

o Cascada de activación de la PP1: La insulina se une a un receptor de tirosina quinasa de la membrana plasmática. La unión de la insulina a su receptor lleva a la activación de una proteína quinasa sensible a la

insulina que fosforila la subunidad RGl de la PP1 en un lugar diferente al que lo hace la PKA. Esta fosforilación conduce a la asociación de la subunidad RGl con PP1 y la molécula de

glucógeno. La consiguiente desfosforilación de la glucógeno sintasa, la fosforilasa quinasa y la fosforilasa

impulsan la síntesis del glucógeno y bloquean su degradación.

- El metabolismo del glucógeno en el hígado regula el nivel de glucosa en sangre:

Después de una comida rica en carbohidratos, los niveles de glucosa en sangre aumentan, lo que provoca un aumento de la síntesis de glucógeno en el hígado. La insulina es la primera señal para la síntesis de glucógeno, pero en el hígado también funcionan otros mecanismos no hormonales.La concentración de glucosa en sangre conlleva a que el hígado consuma o libere glucosa.Cuando se administra glucosa disminuye rápidamente la cantidad de fosforilas a hepática(activa).Después de un periodo de latencia, el total de glucógeno sintasa a aumenta, lo que da lugar a la síntesis de glucógeno.La fosforilasa a es el sensor de glucosa en las células hepática.La unión de glucosa a la fosforila a desplaza el equilibrio alostérico desde la forma R (activa) a la forma T (inactiva).Este cambio conformacional hace del grupo fosforilo de la serina 14 un sustrato de la PP1.

o Activación de la glucógeno sintasa por la glucosa:La fosforilasa b, a diferencia de la fosforilasa a, no se une a la PP1.La conversión de la forma a a la forma b se acompaña de la liberación de la PP1, la cual queda disponible para activar a la glucógeno sintasa.La separación del grupo fosforilo de la glucógeno sintasa b (inactiva) la convierte en forma a (activa

Este sistema depende de tres elementos claves: La comunicación entre el centro alostérico para la glucosa y la serina fosfato. La utilización de la PP1 para inactivar a la fosforilasa y activar a la glucógeno sintasa. La unión de la fosfatasa a la fosforilasa a para evitar la activación prematura de la glucógeno

sintasa.