Aula Metabolismo de Glicogênio

Polímero ramificado de radicais de glicose Estrutura Polímero ramificado de radicais de glicose Presente em grânulos no citoplasma Ligações α  polímeros helicoidais abertos É um grande polímero ramificado de glicose Solúvel e presente em grânulos no citoplasma Como uma molécula tão grande é capaz de ser estocada em um lugar tão pequeno? Devido as suas ligações alfa, que formam polímeros helicoidais e suas ramificações, tornando a molécula mais solúvel. Para elucidar melhor a questão da ligação, no próximo slide observaremos outro tipo de ligação de polímero de glicose 2

Glicídios Redutores e Não-Redutores Os açúcares redutores possuem grupos aldeídos e cetonas livres na cadeia e são chamados redutores por atuarem como agentes redutores, isto é, que sofrem oxidação (doam elétrons). Açúcares não redutores (como a sacarose) possuem esses grupamentos interligados e tornam-se redutores a partir do momento em que sofrem hidrólise (quebra). Ainda em relação a estrutura do glicogênio, observamos em sua cadeia a presença de finais redutores e não redutores. O que isto significa? Os açucares redutores possuem grupamentos aldeídos e cetonas livres. São agentes redutores, isto é, sofrem reação de oxidação. Quando estes grupamentos estão interligados, no caso da sacarose por exemplo, não encontramos aldeídos ou cetonas livres para sofrerem oxidação, logo temos glicídios não redutores. No glicogênio podemos observar terminais não redutores, isto é, sem o aldeído da glicose livre para ser oxidado e terminais redutores, com esses aldeídos livres. 3

Quebra do glicogênio realizada pela retirada sucessiva de glicose. Glicogenólise Quebra do glicogênio realizada pela retirada sucessiva de glicose. Então, como disse anteriormente, o glicogênio é a reserva imediata de glicose em nosso organismo Em situações de exercício, intervalos entre as refeições e durante o sono, este polímero é degradado para suprir as necessidades de glicose em nosso corpo. Nos próximos slides, observaremos como acontece essa clivagem do glicogênio, chamada glicogenólise. 4

Glicogênio Fosforilase catalisa a remoção sequência de 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. 5

Piridoxal fosfato (PLP) – derivado da vitamina B6 Glicogênio fosforilase 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 pridoxal fosfato, um análogo da piridoxina (vitamina B6) Além de auxiliar na reação catalítica da glicogênio fosofrilase, esse cofator auxilia na geração 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. Piridoxal fosfato (PLP) – derivado da vitamina B6 6

Glicogênio fosforilase 1 Glicogênio fosforilase 2 α-1,6-glicosidase 1 2 Essa reação da Glicogênio Fosforilase acontece em cadeia. Ela vai “caminhando” pela cadeia de glicogênio, quebrando as ligações e gerando glicose 1 fosfato. Logo, como disse anteriormente, esta reação só acontece nas ligações α-1,4. Então, como a ligação α-1,6 da ramificação é quebrada? Para isto existe uma enzima chamada enzima desramificadora, que possui duas funções catalíticas, a função de transferase e a função de α-1,6 glicosidase. A glicogênio fosforilase só é capaz de quebrar as ligações α-1,4 da cadeia de glicogênio até 4 glicosils antes da ligação α-1,6. Para isto entra em ação a tranferase que transfere os 3 resídos glicosils anteriores ao glicosil que forma a ligação α-1,6 para a cadeia principal do glicogênio. Para quebrar a ligação α-1,6 a (α-1,6) glicosidase realiza uma hidrólise, quebrando a ligação α-1,6 gerando glicose. A cadeia de glicogênio está linear, sem nenhum impedimento para a ação catalítica da glicogênio fosforilase. 2 7

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. No músculo a glicose 6-fosfato entra na via glicolítica, porém no fígado ele tem outro destino. 8

Presente principalmente no fígado Glicose-6-fosfatase: Presente principalmente no fígado Está localizada no lado lumial 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 e sofre a ação da glicose-6-fosfatase, que defosforila a glicose, gerando glicose. Esta sai do retículo por um transportador de glicose e é secretada para corrente sanguínea pelo GLUT2. 9

Glicogênese Ao contrário da quebra do glicogênio, a síntese acontece após às refeições, quando há uma taxa aumentada de glicose sanguinea 10

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, ao contrário do que vcs podem imaginar, não é uma reversão das reações de degradação. Ela acontece por vias diferentes da degradação. 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. 11

UDP-glicose pirofosforilase A síntese de glicogênio, ao contrário do que vcs podem imaginar, não é uma reversão das reações de degradação. Ela acontece por vias diferentes da degradação. 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. 12

Nucleosídeo difosfato quinase Glicogênio sintase A síntese de glicogênio é catalisada pela enzima glicogênio sintase. Essa enzima transfere a unidade glicosil da UDP-Glicose para a hidroxila do carbono 4 terminal da cadeia de glicogênio. Todavia, a essa enzima só pode adicionar radicais glicosil em cadeias que contenham mais de 4 oses. Por isso é necessário um primer para a criação de uma primeira cadeia glicosídica para começar a geração da molécula de glicogênio. Essa função é exercida pela proteina glicogenina UDT + ATP UTP +ADP Nucleosídeo difosfato quinase 13

Glicogenina Possui um oligossacarídeo de unidades de glicose α-1,4 ligadas ao átomo de oxigênio de um radical tirosina. UDP-Glicose UDP 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 4 oses e assim ter a ação da glicogenio sintase. 14

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? 16

Ramificação: transferência de uma pequena cadeia de 6 ou 7 resíduos de glicose. 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. 17

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 18

Síntese do glicogênio 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. 19

G6P Sintese do glicogêno: Glicogênio Sintase Epinefrina e glucagon promove dissociação de PP1 da partícula de glicogênio. caseina cinase II glicogênio sintase cinase 3 G6P fosfoproteína fosfatase 1 FIGURE 15-37 Effects of GSK3 on glycogen synthase activity. Glycogen synthase a, the active form, has three Ser residues near its carboxyl terminus, which are phosphorylated by glycogen synthase kinase 3 (GSK3). This converts glycogen synthase to the inactive (b) form. GSK3 action requires prior phosphorylation (priming) by casein kinase (CKII). Insulin triggers activation of glycogen synthase b by blocking the activity of GSK3 (see the pathway for this action in Figure 12-16) and activating a phosphoprotein phosphatase (PP1 in muscle, another phosphatase in liver). In muscle, epinephrine activates PKA, which phosphorylates the glycogen-targeting protein GM (see Figure 15-40) on a site that causes dissociation of PP1 from glycogen. Glucose 6-phosphate favors dephosphorylation of glycogen synthase by binding to it and promoting a conformation that is a good substrate for PP1. Glucose also promotes dephosphorylation; the binding of glucose to glycogen phosphorylase a forces a conformational change that favors dephosphorylation to glycogen phosphorylase b, thus relieving its inhibition of PP1 (see Figure 15-39). 20

glicogênio sintase cinase 3 Estado bem alimentado: Glicose se liga a glicogênio sintase => favorece defosforilação. G6P se liga a glicogênio sintase => alteração conformacional => melhor substrato para PP1 caseina cinase II glicogênio sintase cinase 3 G6P FIGURE 15-37 Effects of GSK3 on glycogen synthase activity. Glycogen synthase a, the active form, has three Ser residues near its carboxyl terminus, which are phosphorylated by glycogen synthase kinase 3 (GSK3). This converts glycogen synthase to the inactive (b) form. GSK3 action requires prior phosphorylation (priming) by casein kinase (CKII). Insulin triggers activation of glycogen synthase b by blocking the activity of GSK3 (see the pathway for this action in Figure 12-16) and activating a phosphoprotein phosphatase (PP1 in muscle, another phosphatase in liver). In muscle, epinephrine activates PKA, which phosphorylates the glycogen-targeting protein GM (see Figure 15-40) on a site that causes dissociation of PP1 from glycogen. Glucose 6-phosphate favors dephosphorylation of glycogen synthase by binding to it and promoting a conformation that is a good substrate for PP1. Glucose also promotes dephosphorylation; the binding of glucose to glycogen phosphorylase a forces a conformational change that favors dephosphorylation to glycogen phosphorylase b, thus relieving its inhibition of PP1 (see Figure 15-39). 21

Glicogenólise Adequado níveis de ATP = ATP bloqueia proteína cinase A (PKA) Proteína cinase dependente de cAMP fosfoproteína fosfatase 1 AMP resultante da quebra de ATP quando a musculatura está sob contração vigorosa ativa alostericamente a glicogênio fosforilase FIGURE 15-35 Cascade mechanism of epinephrine and glucagon action. By binding to specific surface receptors, either epinephrine acting on a myocyte (left) or glucagon acting on a hepatocyte (right) activates a GTP-binding protein Gsα (see Figure 12-4). Active Gsα triggers a rise in [cAMP], activating PKA. This sets off a cascade of phosphorylations; PKA activates phosphorylase b kinase, which then activates glycogen phosphorylase. Such cascades effect a large amplification of the initial signal; the figures in pink boxes are probably low estimates of the actual increase in number of molecules at each stage of the cascade. The resulting breakdown of glycogen provides glucose, which in the myocyte can supply ATP (via glycolysis) for muscle contraction and in the hepatocyte is released into the blood to counter the low blood glucose. Adequado níveis de ATP = ATP bloqueia local alostérico no qual AMP liga inativando fosforilase ( glicogênio fosforilase). Glicogenólise 22

No fígado a glicogênio fosoforilase atua como sensor de glicose. Miócito não possui receptores para glucagon Glicogenólise 23

José é um enfermeiro muito trabalhador José é um enfermeiro muito trabalhador. De tanto trabalhar sequer teve tempo de almoçar, de forma que saiu do trabalho hoje as 15 horas sem ter feito nenhuma refeição desde o café da manhã. Pergunta-se: a) Apesar do longo período de jejum, nível de glicose no sangue de José não se alterou. Que hormônio foi importante para manter sua glicemia constante? b) Quais são as consequências da sinalização desse hormônio no fígado em relação ao metabolismo da glicose (glicólise/glicogênese)? c) Este hormônio induz a biossíntese ou degradação do glicogênio hepático? Explique a cascata de sinalização que leva a tal evento. 2) Como se não bastasse sua intensa lida diária, no dia seguinte José foi surpreendido por um assaltante no caminho de casa, porém conseguiu escapar do assalto pois usou todas as suas forças correndo desesperadamente. a- Os estoques de glicogênio da musculatura esquelética das pernas de José foram bastante usados nesse episódio. Descreva a via catabólica de degradação do glicogênio. b- Qual hormônio sinalizou a quebra de glicogênio no tecido muscular? c- Que via catabólica foi usada na degradação da glicose muscular? Para onde seu produto é transportado e em que este produto é regenerado?