GLICOGENO: STRUTTURA, SINTESI, DEGRADAZIONE, FUNZIONI - BIOLOGIA - 2024

Il glicogeno è il deposito di carboidrati della maggior parte dei mammiferi. I carboidrati sono comunemente chiamati zuccheri e questi sono classificati in base al numero di residui causati dall'idrolisi (monosaccaridi, disaccaridi, oligosaccaridi e polisaccaridi).

I monosaccaridi sono i carboidrati più semplici che vengono classificati in base al numero di atomi di carbonio contenuti nella loro struttura. Ci sono poi le triosi (3C), le tetrose (4C), i pentosi (5C), gli esosi (6C), le eptose (7C) e le ottose (8C).

Struttura chimica del glicogeno che mostra legami glicosidici (Fonte: Glykogen.svg: lavoro derivato NEUROtiker: Marek M tramite Wikimedia Commons)

A seconda della presenza del gruppo aldeidico o del gruppo chetone, questi monosaccaridi sono anche classificati rispettivamente come aldosi o chetosi.

I disaccaridi danno luogo, per idrolisi, a due semplici monosaccaridi, mentre gli oligosaccaridi producono da 2 a 10 unità monosaccaridiche ei polisaccaridi producono più di 10 monosaccaridi.

Il glicogeno è, da un punto di vista biochimico, un polisaccaride composto da catene ramificate di un aldosio a sei atomi di carbonio, cioè un esoso noto come glucosio. Il glicogeno può essere rappresentato graficamente come un albero del glucosio. Questo è anche chiamato amido animale.

Il glucosio nelle piante viene immagazzinato come amido e negli animali come glicogeno, che viene immagazzinato principalmente nel fegato e nel tessuto muscolare.

Nel fegato, il glicogeno può costituire il 10% della sua massa e l'1% della sua massa muscolare. Poiché in un uomo di 70 kg il fegato pesa circa 1800 ge i muscoli circa 35 kg, la quantità totale di glicogeno muscolare è molto più alta del fegato.

Struttura

Il peso molecolare del glicogeno può raggiungere 108 g / mol, che è equivalente a 6 × 105 molecole di glucosio. Il glicogeno è costituito da più catene ramificate di α-D-glucosio. Il glucosio (C6H12O6) è un aldoesosio che può essere rappresentato in forma lineare o ciclica.

Il glicogeno ha una struttura altamente ramificata e compatta con catene da 12 a 14 residui di glucosio sotto forma di α-D-glucosio che sono collegati con legami α- (1 → 4) glucosidici. I rami della catena sono formati da legami α- (1 → 6) glucosidici.

Il glicogeno, come l'amido nella dieta, fornisce la maggior parte dei carboidrati di cui il corpo ha bisogno. Nell'intestino questi polisaccaridi vengono scomposti per idrolisi e quindi assorbiti nel flusso sanguigno principalmente come glucosio.

Tre enzimi: la ß-amilasi, l'α-amilasi e l'amil-α- (1 → 6) -glucosidasi sono responsabili della degradazione intestinale sia del glicogeno che dell'amido.

L'α-amilasi idrolizza casualmente i legami α- (1 → 4) delle catene laterali sia del glicogeno che dell'amido, ed è quindi chiamata endoglicosidasi. La Ss-amilasi è una esoglicosidasi che rilascia dimeri di ß-maltosio rompendo i legami glicosidici α- (1 → 4) dalle estremità delle catene più esterne senza raggiungere i rami.

Poiché né la ß-amilasi né l'α-amilasi degradano i punti di diramazione, il prodotto finale della loro azione è una struttura altamente ramificata di circa 35-40 residui di glucosio chiamata destrina di confine.

La destrina limite viene infine idrolizzata nei punti di diramazione che hanno legami α- (1 → 6) per mezzo dell'amil-α- (1 → 6) -glucosidasi, noto anche come enzima “decramificante”. Le catene rilasciate da questo declassamento vengono quindi degradate dalla ß-amilasi e dall'α-amilasi.

Poiché il glicogeno ingerito entra come glucosio, quello che si trova nei tessuti deve essere sintetizzato dall'organismo a partire dal glucosio.

Sintesi

La sintesi del glicogeno è chiamata glicogenesi e avviene principalmente nel muscolo e nel fegato. Il glucosio che entra nell'organismo con la dieta passa nel flusso sanguigno e da lì nelle cellule, dove viene immediatamente fosforilato dall'azione di un enzima chiamato glucochinasi.

La glucochinasi fosforila il glucosio al carbonio 6. L'ATP fornisce il fosforo e l'energia per questa reazione. Di conseguenza, si forma glucosio 6-fosfato e viene rilasciato un ADP. Quindi, il glucosio 6-fosfato viene convertito in glucosio 1-fosfato dall'azione di una fosfoglucomutasi che sposta il fosforo dalla posizione 6 alla posizione 1.

Il glucosio 1-fosfato rimane attivato per la sintesi del glicogeno, che prevede la partecipazione di un insieme di altri tre enzimi: UDP-glucosio pirofosforilasi, glicogeno sintetasi e amil- (1,4 → 1,6) -glicosiltransferasi.

Il glucosio-1-fosfato, insieme all'uridina trifosfato (UTP, un nucleoside dell'uridina trifosfato) e per azione dell'UDP-glucosio-pirofosforilasi, forma il complesso uridina difosfato-glucosio (UDP Glc). Nel processo uno ione pirofosfato viene idrolizzato.

L'enzima glicogeno sintetasi forma quindi un legame glicosidico tra C1 del complesso UDP Glc e C4 di un residuo di glucosio terminale del glicogeno e l'UDP viene rilasciato dal complesso glucosico attivato. Perché questa reazione avvenga, deve esserci una molecola di glicogeno preesistente chiamata "glicogeno primordiale".

Il glicogeno primordiale è sintetizzato su una proteina primer, la glicogenina, che è di 37 kDa e che è glicosilata in un residuo di tirosina dal complesso UDP Glc. Da lì, i residui di α-D-glucosio sono legati con legami 1 → 4 e si forma una piccola catena su cui agisce la glicogeno sintetasi.

Una volta che la catena iniziale collega almeno 11 residui di glucosio, l'enzima di ramificazione o amil- (1,4 → 1,6) -glicosiltransferasi trasferisce un pezzo di catena di 6 o 7 residui di glucosio alla catena adiacente in posizione 1 → 6, stabilendo così un punto di diramazione. La molecola di glicogeno così costruita cresce per aggiunta di unità di glucosio con 1 → 4 legami glicosidici e più rami.

Degradazione

La scomposizione del glicogeno è chiamata glicogenolisi e non è equivalente alla via inversa della sua sintesi. La velocità di questo percorso è limitata dalla velocità della reazione catalizzata dalla glicogeno fosforilasi.

La glicogeno fosforilasi è responsabile della scissione (fosforolisi) dei legami 1 → 4 delle catene del glicogeno, rilasciando glucosio 1-fosfato. L'azione enzimatica inizia alle estremità delle catene più esterne e vengono rimosse in sequenza fino a quando rimangono 4 residui di glucosio su ciascun lato dei rami.

Quindi un altro enzima, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glucano transferasi, espone il punto di diramazione trasferendo un'unità trisaccaridica da un ramo all'altro. Ciò consente all'amil- (1 → 6) -glucosidasi (enzima debranching) di idrolizzare il legame 1 → 6, rimuovendo il ramo che subirà l'azione della fosforilasi. L'azione combinata di questi enzimi finisce per scindere completamente il glicogeno.

Poiché la reazione iniziale della fosfomutasi è reversibile, il glucosio 6-fosfato può essere formato dai residui di glucosio 1-fosfato del glicogeno tagliati. Nel fegato e nei reni, ma non nei muscoli, è presente un enzima, glucosio-6-fosfatasi, in grado di defosforilare il glucosio 6-fosfato e convertirlo in glucosio libero.

Il glucosio defosforilato può diffondersi nel sangue, ed è così che la glicogenolisi epatica si riflette in un aumento dei valori di glucosio nel sangue (glicemia).

Regolazione della sintesi e della degradazione

Di sintesi

Questo processo viene esercitato su due enzimi fondamentali: la glicogeno sintetasi e la glicogeno fosforilasi, in modo tale che quando uno di essi è attivo l'altro si trovi nel suo stato inattivo. Questa regolazione impedisce che si verifichino simultaneamente reazioni opposte di sintesi e degradazione.

La forma attiva e la forma inattiva di entrambi gli enzimi è molto diversa e l'interconversione delle forme attive e inattive di fosforilasi e glicogeno sintetasi è strettamente controllata dal punto di vista ormonale.

L'adrenalina è un ormone che viene rilasciato dal midollo surrenale e il glucagone è un altro prodotto nella parte endocrina del pancreas. Il pancreas endocrino produce insulina e glucagone. Le cellule α delle isole di Langerhans sono quelle che sintetizzano il glucagone.

L'adrenalina e il glucagone sono due ormoni che vengono rilasciati quando l'energia è necessaria in risposta alla diminuzione dei livelli di glucosio nel sangue. Questi ormoni stimolano l'attivazione della glicogeno fosforilasi e inibiscono la glicogeno sintetasi, stimolando così la glicogenolisi e inibendo la glicogenesi.

Mentre l'adrenalina esercita la sua azione sui muscoli e sul fegato, il glucagone agisce solo sul fegato. Questi ormoni si legano a specifici recettori di membrana sulla cellula bersaglio, che attiva l'adenilato ciclasi.

L'attivazione dell'adenilato ciclasi avvia una cascata enzimatica che, da un lato, attiva una protein chinasi cAMP-dipendente che inattiva la glicogeno sintetasi e attiva la glicogeno fosforilasi mediante fosforilazione (rispettivamente direttamente e indirettamente).

Il muscolo scheletrico ha un altro meccanismo di attivazione della glicogeno fosforilasi attraverso il calcio, che viene rilasciato in conseguenza della depolarizzazione della membrana muscolare all'inizio della contrazione.

Di degrado

Le cascate enzimatiche sopra descritte finiscono per aumentare i livelli di glucosio e quando questi raggiungono un certo livello si attiva la glicogenesi e si inibisce la glicogenolisi, inibendo anche il successivo rilascio di epinefrina e glucagone.

La glicogenesi viene attivata attraverso l'attivazione della fosforilasi fosfatasi, un enzima che regola la sintesi del glicogeno mediante vari meccanismi, che comportano l'inattivazione della fosforilasi chinasi e della fosforilasi α, che è un inibitore della glicogeno sintetasi.

L'insulina favorisce l'ingresso del glucosio nelle cellule muscolari, aumentando i livelli di glucosio 6-fosfato, che stimola la defosforilazione e l'attivazione della glicogeno sintetasi. Inizia così la sintesi e viene inibita la degradazione del glicogeno.

Caratteristiche

Il glicogeno muscolare costituisce una riserva di energia per il muscolo che, come i grassi di riserva, consente al muscolo di svolgere le sue funzioni. Essendo una fonte di glucosio, il glicogeno muscolare viene utilizzato durante l'esercizio. Queste riserve aumentano con l'allenamento fisico.

Nel fegato, il glicogeno è anche un'importante fonte di riserva sia per le funzioni degli organi che per l'apporto di glucosio al resto del corpo.

Questa funzione del glicogeno epatico è dovuta al fatto che il fegato contiene glucosio 6-fosfatasi, un enzima in grado di rimuovere il gruppo fosfato dal glucosio 6-fosfato e convertirlo in glucosio libero. Il glucosio libero, a differenza del glucosio fosforilato, può diffondersi attraverso la membrana degli epatociti (cellule del fegato).

In questo modo il fegato può fornire glucosio alla circolazione e mantenere livelli di glucosio stabili, anche in condizioni di digiuno prolungato.

Questa funzione è di grande importanza, poiché il cervello è nutrito quasi esclusivamente dal glucosio nel sangue, quindi un'ipoglicemia grave (concentrazioni molto basse di glucosio nel sangue) può causare perdita di coscienza.

Malattie correlate

Le malattie legate al glicogeno sono genericamente chiamate "malattie da accumulo di glicogeno".

Queste malattie costituiscono un gruppo di patologie ereditarie caratterizzate dal deposito nei tessuti di quantità o tipi anomali di glicogeno.

La maggior parte delle malattie da accumulo di glicogeno sono causate da un deficit genetico di uno qualsiasi degli enzimi coinvolti nel metabolismo del glicogeno.

Sono classificati in otto tipi, la maggior parte dei quali ha il proprio nome e ognuno di essi è causato da una diversa carenza enzimatica. Alcuni sono fatali molto presto nella vita, mentre altri sono associati a debolezza muscolare e deficit durante l'esercizio.

Esempi in primo piano

Alcune delle più importanti malattie legate al glicogeno sono le seguenti:

- La malattia di Von Gierke o malattia da accumulo di glicogeno di tipo I, è causata da una carenza di glucosio 6-fosfatasi nel fegato e nei reni.

È caratterizzato dalla crescita anormale del fegato (epatomegalia) dovuta all'accumulo esagerato di glicogeno e ipoglicemia, poiché il fegato diventa incapace di fornire glucosio alla circolazione. I pazienti con questa condizione hanno disturbi della crescita.

- La malattia di Pompe o di tipo II è dovuta a una carenza di α- (1 → 4) -glucano 6-glicosiltransferi nel fegato, nel cuore e nei muscoli scheletrici. Questa malattia, come quella di Andersen o di tipo IV, è fatale prima dei due anni.

- La malattia di McArdle o di tipo V presenta un deficit di fosforilasi muscolare ed è accompagnata da debolezza muscolare, ridotta tolleranza all'esercizio, accumulo anormale di glicogeno muscolare e mancanza di lattato durante l'esercizio.

Riferimenti

1. Bhattacharya, K. (2015). Ricerca e gestione delle malattie da accumulo di glicogeno epatico. Translational Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C. e Weinstein, D. (2016). Malattia da accumulo di glicogeno di tipo III. Gene Reviews, 1-16.
3. Guyton, A. e Hall, J. (2006). Libro di testo di fisiologia medica (11 ° ed.). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochimica (3a ed.). San Francisco, California: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologia delle malattie da accumulo di glicogeno epatico. Rappresentante Curr Pathobiol.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28 ° ed.). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL e Cox, MM (2009). Principi di biochimica di Lehninger. Omega Editions (5a ed.).
8. Rawn, JD (1998). Biochimica. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Miopatie correlate a disturbi del metabolismo del glicogeno. Neurotherapeutics.