Metabolismo do Glicogênio Bioquímica para Enfermagem Prof. Dr. Didier Salmon MSc. Daniel Lima

Glicogênio Forma polimérica da glicose Necessidade de uma reserva energética de fácil mobilização Desde as bactérias, até as plantas e os vertebrados, o excesso de glicose é armazenado em formas poliméricas, seja glicogênio ou amido. Nos vertebrados, encontrado principalmente no fígado e musculatura esquelética, representando até 10% do peso do fígado e 1-2% do peso muscular O glicogênio muscular fornece uma fonte de energia rápida para o metabolismo anaeróbio e aeróbio. O glicogênio hepático serve como uma reserva de glicose para os outros tecidos. Na figura: estrutura do glicogênio, mostrando as várias ramificações Como uma molécula tão grande é capaz de ser estocada em um lugar tão pequeno?

Glicogênio Ligações a → polímeros helicoidais abertos A forma helicoidal do polímero permite uma maior compactação no ambiente intracelular. Parecido com o DNA

Grânulos: Patículas elementares: Partículas-b, cada partícula contem hexoquinase fosfoglicomutase Voltando a estrutura secundária do polímero: - Composto por várias ramificações expondo glicoses não redutoras. A extremidade redutora (C1) está sempre ligada a outra glicose. Ou seja, apenas um lado do polímero é redutor. Partículas elementares: beta – 55 mil moléculas de glicose, contendo 2000 extremidades não redutoras alfa – 20 a 40 dessas partículas, rosetas alfa Grânulos: Patículas elementares: Partículas-b, cada partícula contem 55.000 moléculas de glicose e 2000 Extremidades não-reduzidas. 20 até 40 dessas partículas = rosetas-a agregadas formando os grânulos

Glicogênio X Celulose Celulose Outro Polímero da Glicose Ligações β  filamentos retos, formando fibrilas estruturais A celulose também é um polímero de glicose, porém devido a sua cadeia linear (sem ramificações) e a presença de ligações beta Polímeros com ligações beta são comumente estruturais e não reservas energéticas. Se o glicogênio fosse com essa estrutura, seriamos seres gigantes.

Vantagens do Glicogênio Qual vantagem de armazenar a glicose na forma de glicogênio? SOLUBILIDADE FACIL DE MOBILIZACAO OSMOLARIDADE. Se todo o glicogênio de um hepatócito estivesse sob a forma de glicose, a concentração seria de 0,4M. Quando armazenada sob a forma de glicogênio, a mesma massa de glicose tem concentração de 0,01μM Quais são as vantagens de se armazenar glicogênio e não glicose? Se fosse glicose haveria aumento da tonicidade do meio intracelular... Entrada de água na célula

Glicogênese

Glicogênese Glicose + ATP Glicose 6-fosfato + ADP + H+ Glicose 6-fosfato Glicose 1-fosfato Glicose 1-fosfato + UTP UDP-G + PPi hexoquinase fosfoglicomutase UDP-glicose pirofosforilase A síntese de glicogênio acontece por vias diferentes da degradação. A primeira etapa é a formação de glicose-1-fosfato, por ação da fosfoglicomutase A segunda etapa da síntese é a formação da UDP-glicose a partir da glicose-1-fosfato pela UDP-Glicose pirofosforilase A UDP-glicose que é acrescentada ao glicogênio para aumentar o tamanho do polímero

Pirofosfatase inorgânica Glicogênese UDP-Glicose pirofosforilase: A primeira etapa da síntese é a formação da UDP-glicose a partir da glicose-1-fosfato pela UDP-Glicose pirofosforilase Além da geração de UDP-Glicose, essa reação gera pirofosfato, que é rapidamente degradado pela pirofosfatase inorgânica, em uma reação irreversível. Logo, apesar da reação catalisada pela UDP-Glicose Pirofosforilase ser reversível, esta estará sempre no sentido de síntese de UDP-Glicose, devido a rápida degradação do PPi pela pirofosfatase inorgânica. Pirofosfatase inorgânica PPi + H2O 2 Pi + H+ 2 Pi pirofosfatase 9

Nucleosídeo difosfato quinase Glicogênese UDP-G + (Glicogênio)n resíduos de glicose (Glicogênio)n+1 resíduos de glicose + UDP glicogênio sintase As UDP-glicoses são adicionadas ao polímero por ação da glicogênio sintase. O UDP resultante é convertido a UTP por ação de uma nucleotídeo fosfato quinase, que doa um fosfato do ATP para o UDP. UDP + ATP UTP + ADP Nucleosídeo difosfato quinase α-1,4

Glicogênio Sintase

Glicogenina Possui um oligossacarídeo de unidades de glicose α-1,4 ligadas ao átomo de oxigênio de um radical tirosina A glicogênio sintase precisa de um molde de 8 glicoses para começar a adicionar mais glicoses. Como então começa a síntese de novo glicogênio, a partir do zero? Uma proteína especial: a glicogenina

Glicogênese UDP-Glicose UDP Possui um oligossacarídeo de unidades de glicose α-1,4 ligadas ao átomo de oxigênio de um radical tirosina A glicogenina contém um oligossacarídeo de unidades de glicose α-1,4 ligadas ao átomo de oxigênio de um radical tirosina. Ela capta a glicose da UDP-Glicose transfere a unidade glicosil da UDP-Glicose para o oligossarídeo. A próxima ligação glicosídica é realizada captando a glicose da UDP-Glicose transferindo a unidade glicosil da UDP-Glicose para a este glicosil anteriormente ligado até completar uma cadeia com mais de 8 oses e assim ter a ação da glicogenio sintase.

Ramificação Enzima ramificadora UDP-Glicose UDP UDP-Glicose UDP A glicogênio sintase só é capaz de alongar a cadeia formando ligações α-1,4, logo, esta enzima não é capaz de formar a ligação da ramificação. Essa ramificação é formada pela enzima ramificadora, a qual transfere um bloco de radicais para um local mais anterior formado uma ligação α-1,6 com a cadeia principal. Como funciona esta enzima?

Ramificação Transferência de uma pequena cadeia de 6 ou 7 resíduos de glicose. A enzima ramificadora realiza a transferência de 6 a 7 resíduos da extremidade não redutora, de uma cadeia de pelo menos 11 monômeros, para o grupo hidroxil c6 de uma posição mais interna da cadeia, ou de outra cadeia. Glicogenio sintase não consegue formar ligações alfa 1,6

Ramificação Cadeia com pelo menos 11 oses 7 resíduos glicosil A enzima ramificadora transfere um bloco de 7 oses, contendo o terminal não redutor, vindo de uma cadeia de pelo menos 11 oses. Além disso, o novo ponto de ramificação tem que estar pelo menos 4 oses de distância de um preexistente. A Glicogênio sintase continua alongando a cadeia, concomitantemente a enzima ramificadora catalisando sua reação. 4 resíduos glicosil 16

Glicogênese Cada ramificação possuí 12 a 14 resíduos de glicose Então com ação dessas enzimas, temos a formação da molécula de glicogênio. Lembrando, graças as ligações α-1,4 formadas pela glicogênio sintase e das ramificações formadas pela enzima ramificadora, temos uma molécula muito eficaz para o armazenamento de glicose, pois, apesar de grande, é solúvel e compacta.

Síntese do Glicogênio Resumo da síntese do glicogênio. No slide falta a enzima ramificadora.

Glicogenólise Não é o caminho de volta da glicogênese. Enzimas diferentes participam na glicogenólise.

Glicogenólise Glicogênio Fosforilase Catalisa a remoção sequencial de radicais glicose da extremidade não redutora da molécula de glicogênio A clivagem fosforolítica do glicogênio é energeticamente vantajosa A quebra das ligações α-1,4 da cadeia de glicogênio é catalisada pela enzima glicogênio fosforilase. Ela quebra essas ligações através de uma clivagem fosforolítica, que significa a quebra da ligação do carbono 1 do resíduo glicosil e a fosforilação deste. Essa clivagem fosforolítica é mais vantajosa energeticamente, pois é capaz de quebrar a ligação e ao mesmo tempo fosforilar a glicose formada, impedindo que esta saia da célula. Caso fosse uma reação de hidrólise a quebra da ligação aconteceria, mas a fosforilação seria a custas de ATP, por exemplo, gastando energia para o tal. Porém para haver a reação da glicogênio Fosforilase é necessário a presença de um cofator, o piridoxal fosfato.

Glicogênio Fosforilase Grupo prostético: piridoxal fosfato (derivado da vit B6) Embora a reação seja reversível, no meio celular ela sempre acontece no sentido de quebra do glicogênio pois a concentração de Pi é muito maior que de glicose-1-fosfato

Glicogênio Fosforilase Mecanismo de ação: A glicogênio fosforilase é um homodímero, logo ela possui dois sítios catalíticos. Nesses sítios catalíticos, ligados a uma resíduo de lisina, existe um cofator enzimático chamado piridoxal fosfato, um análogo da piridoxina (vitamina B6) Além de auxiliar na reação catalítica da glicogênio fosofrilase, esse cofator auxilia na geração de um meio livre de água, onde a reação de fosforolise ocorre com maior eficácia. No próximo slide observaremos o mecanismo de ação desta enzima, juntamente com o piridoxal fosfato. PLP = Piridoxal Fosfato

Glicogênio Fosforilase Uma vez que a ligação da base de Schiff é formada, segurando a molécula de PLP no sítio ativo, o grupo fosfato no PLP prontamente doa um próton de uma molécula de fosfato inorgânico, Permitindo que o fosfato inorgânico seja desprotonado pelo oxigênio formando o α-1 , 4 glicosídica. PLP é facilmente desprotonados devido à sua carga negativa é estabilizado não apenas dentro do grupo fosfato, mas também no anel de piridina, assim, a base conjugada resultante da desprotonação do PLP é bastante estável. O oxigénio protonado agora representa um bom grupo de partida, e a cadeia de glicogénio é separada a partir do glicogénio do terminal de forma SN1, resultando na formação de uma molécula de glicose com uma carbocação secundária na posição 1. Finalmente, os desprotonados atos de fosfato inorgânico como um nucleófilo e ligações com o carbocatião, resultando na formação de glicose-1-fosfato e uma cadeia de glicogénio encurtada por uma molécula de glicose

Enzima Desramificadora Dois tipos de atividade A glicogenio fosforilase age repeditamente nas extremidades não-redutoras das ramificações até que encontre uma ligação alfa 1,6, onde interrompe a ação. Quando existem 4 resíduos de glicose na ramificação a enzima desramificadora se liga e transfere 3 resíduos de glicose a uma extremidade não redutora próxima. (Primeira atividade = transferase) O resíduo que permaneceu em ligação alfa 1,6 é liberado como glicose livre por ação da atividade de glicosidase alfa 1,6 da enzima desramificadora (Segunda atividade = glicosidase)

Fosfoglicomutase Depois da quebra do glicogênio temos no citoplasma da célula livres glicose-1-fosfato (em sua maioria) e glicose. No fígado a glicose é liberada para a corrente sanguinea e no músculo esta é fosforilada pela hexoquinase e entra na via glicolítica. Já a glicose-1-fosfato é transformada em glicose-6-fosfato em ambos pela enzima fosfoglicomutase. A fosfoglicomutase possui um fosfato ligado n em um resíduo de serina em seu sítio catalítico. Este fosfato é ligado ao carbono 6 da glicose-1-fosfato, formando um intermediário chamado glicose-1,6-bisfosfato. O fosfato ligado ao carbono 1 deste intermediário é ligado à serina do sítio catalítico, regenerando a enzima e formando glicose-6-fosfato. No músculo este produto entra na via glicolítica, porém no fígado ele tem outro destino.

Destinos da Glicose 6-fosfato Uma das funções do fígado é prover glicose para os outros tecidos quando esse se encontra em falta. Fígado possui a enzima glicose-6-fosfatase que remove a fosforilação formando glicose livre que é liberada na circulação por um transportador GLUT-2 O músculo não expressa essa enzima, logo, a glicose-6-fosfato é toda direcionada para a glicólise.

Glicose-6-fosfatase Presente principalmente no fígado Está localizada no lado luminal da membrana do Retículo Endoplasmático Rugoso No fígado a glicose-6-fosfato é defosforilada pela glicose-6-fosfatase. Uma enzima localizada no lúmen do retículo endoplasmático rugoso. A glicose-6-fosfato entra no retículo via transportador T1 e sofre a ação da glicose-6-fosfatase, que defosforila a glicose, gerando glicose. Esta sai do retículo por um transportador de glicose T2 e é secretada para corrente sanguínea pelo GLUT2. Acredita-se que isso ocorra no retículo para evitar que a glicose-6-fosfatase inibisse a glicólise. Separação das duas vias em dois compartimentos.

Ciclo de Cori O ciclo de Cori ou via glicose-lactato-glicose consiste na conversão da glicose em lactato, produzido em tecidos musculares durante um período de privação de oxigênio, seguida da conversão do lactato em glucose, no fígado. Produção de lactato pelos tecidos musculares em um período de privação de oxigênio Quand em intensa atividade, o músculo utiliza o seu glicogênio estocado. Em condições anaeróbias, uma grande quantidade de lactato se forma Esse lactato é liberada na corrente sanguinea e capatado pelo figado que utiliza o lactato como precursor na via gliconeogenica para produzir glicose A glicose é liberada na circulação e captada pelos músculos, mantendo o combustível necessário para esses tecidos.

Regulação do Metabolismo do Glicogênio

Hormônios: Insulina: sinaliza estado alimentado. Produzido nas Ilhotas de Langerhans: aglomerações de células especializadas (celulas beta). Fígado, músculos e tecido adiposo - Glucagon: Produzido pelas células alfa. Sinaliza o estado de jejum. Fígado. Epinefrina: Modificação do aminoácido tirosina. Produzido pelo Sistema nervoso central e supra-renais. Liberado em momentos de estresse ou exercício.

Regulação da Glicogenólise Ativada pela PKA e defosforilada pela PP1 A glicogenio fosforilase é regulada por fosforilacao: É conhecida como fosforilase b quando defosforilada (forma inativa) e fosforilase a quando fosforilada (forma ativa). Glucagon dispara uma cascata de sinalização que culmina com a ativação da PKA, que fosforila a glicogenio fosforilase (assim como a epinefrina), ativando a enzima e favorecendo a quebra do glicogênio. A insulina ativa a fosfoproteína fosfatase 1, que desfosforila a glicogenio fosforilase e a inativa, favorecendo a glicogênese.

Músculo: Disparado na contração muscular ativa a fosforilase b kinase (isoforma muscular) que apresenta um domínio calmodulina AMP resultante da quebra de ATP quando a musculatura está sob contração vigorosa ativa alostericamente a glicogênio fosforilase Dois reguladores alostéricos que se sobrepoem a ativação pela PKA no tecido muscular Ca, liberado quando da contração muscular ativa a fosforilase b cinase (que possui um dominio regulado por calmodulina), que fosforila a glicogenio fosforilase, ativando-a O AMP, que representa a quebra do ATP em um músculo em atividade intensa, ativa alostericamente a glicogenio fosforilase

Regulação da Glicogenólise Muscular

Regulação da Glicogenólise Hepática

Glicogênio Fosforilase Regulação Alostérica ↑ Glicose plasmática Glicogênio fosforilase = sensor da [glicose] no fígado Glicogênio Fosforilase Hepática é regulada alostericamente por Glicose. A ligação da glicose causa uma mudanca conformacional que expoe os residuos de serina fosforilados a açao da fosfoproteina fosfatase (ativada pela insulina), que defosforila a glicogenio fosforilase, inativando-a

(Glicogênio sintase cinase 3) (Fosfoproteína fosfatase 1) (Caseina cinase II) (Glicogênio sintase cinase 3) (Fosfoproteína fosfatase 1) Glicogenio Sintase (Regulação da Glicogenese) Inibida por fosforilação (resíduos de serina no carboxi terminal) pela GSK3 (glicogenio sintase fosforilase) A glicogenio sintase pode ser fosforila por 11 cinases diferentes, a GSK3 é a mais importante. Entretanto, para que a GSK3 fosforile a GS, é necessário uma fosforilação previa pela caseina quinase Glicose-6-fosfato se liga a um sítio na glicogenio sintase b que favorece a sua defosforilação e consequente ativação. Glicogenio fosforilase funciona como sensor de glicose-6-fosfato. PP1 inibida por fosforilação pela PKA e ativada alostericamente por glicose-6-fosfato

Regulação da Glicogênese pela Epinefrina Músculo

Regulação da Glicogênese pela Insulina Músculo Papel Central

Fígado

Regulações Alostéricas da GS glucagon insulina ATP cAMP + Pi Ca+2 diacilglicerol AMP glicose ATP   G6P

Regulação Hormonal (Fígado) Glucagon (jejum) Epinefrina (stress) Glucagon Epinefrina Epinefrina

Regulação Hormonal e Simpática (Músculo) Epinefrina (stress) Acetilcolina

Regulação pela Insulina Fígado Músculo Glicogênese