Metabolismo do Glicogênio

Prévia do material em texto

Metabolismo do Glicogênio 
(Regulação coordenada de síntese 
e degradação) 
 
 Estoque de glicogênio: músculo e 
fígado. Outros tecidos apresentam 
quantidades mínimas de 
glicogênio. 
 Figado: 6-8% 
 Musculo: 1-2% 
 Todas células tem mínimo. 
 
 
 O glicogênio hepático serve para 
manter a glicemia, principalmente 
durante os primeiros estágios do 
jejum. Cerca de 100 g no fígado (6 
a 8% do peso úmido, no estado 
alimentado). 
 O glicogênio muscular serve como 
combustível de reserva para 
síntese de ATP durante a contração 
muscular. Cerca de 400 g no 
músculo (1 a 2% do peso úmido). 
 O que impede que o músculo ajude 
na manutenção da glicemia? 
Lembrar das aulas anteriores... 
 O nivel de glicogênio flutua muito 
no fígado, o estoque aumenta no 
estado alimentado e fica depletado 
durante o período de jejum. 
 O estoque de glicogênio no 
músculo não fica muito alterado 
durante períodos curtos de jejum 
(alguns dias) e é diminuido em 
períodos longos de jejum 
(semanas). Em exercícios intensos 
o estoque de glicogênio fica 
diminuído. 
 
 
Grânulos com enzimas de síntese e 
degradação. 
Minimiza os efeitos de osmolaridade e 
transporte. 
 
 Nos hepatócitos o glicogênio está 
intimamente associado com os 
túbulos do REL → Glicose-6-
fosfatase 
 
QUAL A IMPORTANCIA? 
Para relembrar: calcula-se que os 
hepatócitos armazenam uma concentração 
de glicogênio equivalente a 0,4 M de 
glicose. 
Se o citosol contivesse 0,4 M de glicose, a 
osmolaridade seria perigosamente elevada, 
causando uma entrada osmótica de água 
que poderia romper a célula. 
Além disso, com a concentração de glicose 
interna igual a 0,4 M e a concentração 
externa igual a 5 mM (nos mamíferos), a 
variação de energia livre para o transporte 
de glicose para dentro das células contra 
este gradiente de concentração tão alto 
seria proibitivamente grande. 
Os grânulos de glicogênio contribuem para 
que isso não ocorra... 
ESTRUTURA DO GLICOGENIO 
 
O glicogênio é um polímero de 
subunidades de glicose ligadas por ligações 
(α1→4), com ligações (α1→6) nas 
ramificações a cada 8 a 12 resíduos de 
glicose). 
 
A degradação do glicogênio ocorre nas 
numerosas extremidades não redutoras… 
 
Um resumo da Degradação do 
Glicogênio 
 
 
 
Ao chegar próximo 3 a 4 resíduos de um 
ponto de ramificação a Glicogênio 
fosforilase não pode mais atuar. É preciso 
que uma enzima desramificadora atue. 
 
Agora a atividade de glicosidase deve atuar 
 
 
 
 
A degradação do glicogênio… 
- A glicogenio-fosforilase catalisa a 
reação na qual uma ligação glicosídica 
(α1→4) entre dois resíduos de glicose 
em uma extremidade não redutora do 
glicogênio é atacada por um fosfato 
inorgânico (Pi), removendo o resíduo 
terminal na forma de α-D-glicose-1-
fosfato. 
- Esta reação de fosforólise é diferente 
da hidrólise das ligações glicosídicas 
pela amilase durante a degradação 
intestinal do glicogênio e do amido da 
dieta. 
Na fosforólise, parte da energia da 
ligação glicosídica é preservada pela 
formação do éster de fosfato (a glicose-
1-fosfato). Economia metabólica! 
 
O piridoxal-fosfato é um cofator 
essencial na reação da glicogênio-
fosforilase. Seu grupo fosfato atua 
como um catalisador ácido geral, 
promovendo o ataque pelo Pi sobre a 
ligação glicosídica. Este é um papel 
incomum do piridoxal-fosfato. 
Como veremos, seu papel mais 
característico é o de cofator no 
metabolismo dos aminoácidos. 
 
 
 
Degradação do glicogênio próximo a um 
ponto de ramificação (α1→6) 
Seguindo-se a remoção sequencial dos 
resíduos terminais de glicose pela 
glicogênio-fosforilase, os resíduos 
próximos a uma ramificação são removidos 
por um processo que requer a enzima de 
desramificação bifuncional [oligo (α1→6) a 
(α1→4) glican-transferase]. 
 
Na primeira atividade de transferase, a 
enzima remove um bloco de três resíduos 
de glicose da ramificação para uma 
extremidade não redutora próxima, a qual 
é religado por uma ligação (α1→4). 
O resíduo remanescente no ponto de 
ramificação em ligação (α1→6), é então 
liberado como glicose livre pela atividade 
de glicosidase (α1→6) da enzima de 
desramificação. 
 
 
A glicose-1-fosfato pode entrar na glicólise 
ou, no fígado, repor a glicose sanguínea 
 
A glicose-1-fosfato, o produto final da 
reação catalisada pela glicogênio-
fosforilase, é convertida em glicose-6-
fosfato pela fosfoglicomutase, que catalisa 
a reação reversível: 
Glicose-1-fosfato ↔ glicose-6-fosfato 
 
Fosfoglicomutase 
A reação inicia-se com a enzima fosforilada 
no resíduo Ser. 
 No passo 1, a enzima doa seu grupo 
fosforil (verde) para a glicose-1-fosfato, 
produzindo glicose-1,6- bifosfato. 
No passo 2, o grupo fosforil no C-1 da 
glicose-1,6- bifosfato (rosa) é transferido 
de volta para a enzima. 
Produzindo, assim, glicose-6-fosfato e 
regenerando a enzima. 
 
 
A glicose-6-fosfato formada no músculo 
esquelético a partir do glicogênio pode 
entrar na glicólise e serve como uma fonte 
de energia para a contração muscular. 
 
No fígado, a degradação do glicogênio 
serve a um propósito diferente: liberar 
glicose para o sangue quando o nível de 
glicose sanguínea diminui, como acontece 
entre as refeições. 
 
Isto requer a enzima glicose-6-fosfatase 
presente no fígado e no rim e em algumas 
células intestinais, mas não em outros 
tecidos. 
 
 
 
Hidrólise da glicose-6-fosfato pela glicose-
6-fosfatase do retículo endoplasmático. 
1 - O sítio catalítico da glicose-6-fosfatase 
está voltado para o lúmen do RE. 
2 - Um transportador (T1) de glicose-6-
fosfato leva o substrato do citosol para o 
lúmen, e os produtos, glicose e Pi, passam 
para o citosol por meio de transportadores 
específicos (T2) e (T3). 
3 - A glicose deixa a célula via 
transportador GLUT2 da membrana 
plasmática. 
 
Os destinos da Glicose 6-fosfato 
dependem, obviamente, do tipo de célula 
e também das condições metabólicas. 
Vamos refletir? 
GLICOSE 6-FOSFATO: 
o Glicose 1-fosfato 
o Via Glicolitica – ciclo de Krebs 
o Via das pentoses 
o Glicose livre 
 
A Síntese do Glicogênio 
Em muitos organismos, quando há glicose 
livre em excesso, ela é convertida em 
formas poliméricas (para armazenamento) 
e em dissacarídeos (para transporte). 
Em vertebrados e muitos microrganismos 
 glicose é convertida em glicogênio. A 
própria glicose é transportada no sangue. 
Em vegetais  glicose é convertida em 
amido. A glicose é transportada como 
sacarose. 
Muitas das reações nas quais as hexoses 
são transformadas ou polimerizadas 
envolvem os nucleotídeos de açúcar. 
São compostos nos quais o carbono 
anomérico de um açúcar é ativado pela 
união a um nucleotídeo por meio de uma 
ligação fosfodiester. Eles são os substratos 
para a polimerização 
O papel dos nucleotídeos de açúcar na 
biossíntese do glicogênio e de outros 
carboidratos derivados foi descoberto por 
Luis Leloir. 
Único pesquisador sul-americano a ganhar 
o Prêmio Nobel de Bioquímica. 
 
 
 
...biossintese do glicogenio 
Ponto de partida: glicose 6-fosfato 
Na primeira reação da glicólise: ação da 
glicoquinase (no fígado) ou da hexoquinase 
(nos músculos). 
Glicose + ATP → glicose-6-fosfato + ADP 
 
A maior parte da glicose ingerida durante 
uma refeição toma uma via mais longa 
para chegar até o glicogênio: 
glicose ingerida  eritrócitos  lactato(glicólise)  corrente sanguínea  fígado 
 glicose-6-fosfato (gliconeogênese)  
glicogênio. 
 
...síntese de glicogênio: 
Glicose-6-fosfato  glicose-1-
fosfato 
 fosfoglicomutase 
Glicose-1-fosfato + UTP  UDP-glicose 
+ PPi 
 UDP-glicose pirofosforilase 
A UDP-glicose é o doador imediato para a 
formação de glicogênio pela ação da 
glicogênio sintase. 
 
Síntese do Glicogênio 
A cadeia de glicogênio é alongada pela 
glicogênio sintase. 
 
A enzima transfere a glicose do resíduo da 
UDP-glicose para a extremidade não 
redutora das ramificações do glicogênio, 
fazendo ligações (α1→4). 
 
A enzima é ativa se existir um pré-molde 
da cadeia de poliglicose com ligações 
(α1→4). Ou seja, ao menos um mínimo de 
8 moléculas de glicose. 
A enzima não sintetiza novas moléculas de 
glicogênio partindo do “ZERO”! 
 
 
 
 
 
 
Ramificação da molécula do glicogênio. 
 
 
Como sabemos, o glicogênio é altamente 
ramificado. 
Como a glicogênio sintase não pode fazer 
as ligações (α1→6), os pontos de 
ramificação são formados pela enzima de 
ramificação do glicogênio, também 
chamada de amilo (α1→4) para (α1→6) 
transglicosilase. 
 
A enzima ramificadora catalisa a 
transferência de um fragmento terminal de 
6 ou 7 resíduos glicosil da extremidade 
não-redutora de uma ramificação do 
glicogênio (que tem pelo menos 11 
resíduos) para o grupo hidroxilado C6 de 
um resíduo de glicose em uma posição 
mais interna da mesma ou de outra cadeia 
de glicogênio, criando assim uma nova 
ramificação... 
Novos resíduos glicosil podem ser 
adicionados ao novo ramo pela glicogênio 
sintase nas extremidades não redutoras... 
 
Qual o efeito biológico da ramificação do 
glicogênio? 
1) tornar a molécula de glicogênio mais 
solúvel através de mais água de solvatação, 
embora a mesma seja armazenada na 
forma de grânulos... 
2) aumentar o número de extremidades 
não-redutoras, o que torna o glicogênio 
mais acessível às enzimas glicogênio 
fosforilase e glicogênio sintase, já que 
ambas atuam apenas nas extremidades 
não-redutoras. 
 
- Levando em conta que a ação da 
glicogênio sintase necessita de um molde 
prévio inicial de glicogênio, como se 
principia uma nova molécula de 
glicogênio? 
- Através da presença de uma intrigante 
proteína chamada glicogenina, que 
funciona como molde inicial ao qual o 
primeiro resíduo de glicose é ligado. 
1) ligação covalente de uma glicose 
na tirosina194 da glicogenina pela 
atividade de glicosil transferase da 
proteína. 
2) a glicogenina forma um complexo 
com a glicogênio sintase 
3) a cadeia nascente recebe até 8 
resíduos de glicose – adições 
catalisadas pela glicogenina 
4) o complexo é separado após 
adição de mais glicose pela sintase, 
totalizando 11 resíduos 
5) ação conjunta da glicogênio sintase 
e da enzima ramificadora 
completam o ciclo. 
 
Glicogenina: catalisa duas reações 
diferentes: 
O ataque inicial, pelo grupo hidroxila da 
Tyr-194 ao C-1 da porção glicosil da UDP-
glicose, resultando em um resíduo de 
tirosina glicosilado. 
O C-1 de outra molécula de UDP-glicose é 
atacado pelo grupo hidroxila de C-4 da 
glicose terminal. 
Esta sequência de reações se repete para 
formar uma molécula de glicogênio 
nascente com 8 resíduos de glicose unidas 
por ligações glicosídicas (α1→4). 
A partir daí, a glicogênio-sintase pode atuar 
como vimos anteriormente. 
 
Glicogenina e a estrutura da partícula de 
glicogênio 
Partindo de uma molécula de glicogenina 
central, as cadeias de glicogênio (com 12 a 
14 resíduos) estendem-se em fileiras 
sucessivas, formando várias camadas. 
Uma partícula madura de glicogênio possui 
até 55.000 resíduos de glicose, 
aproximadamente. 
 
 
Regulação Coordenada da Síntese 
e da Degradação do Glicogênio 
A atividade enzimática da fosforilase A e da 
glicogênio sintase em fígados de 
camundongos em resposta em infusão de 
glicose. A fosforilase A é rapidamente 
inativada e a glicogênio sintase é ativada 
 
 
A fosforilase do glicogênio é regulada 
alostericamente e por hormônios. 
 
Carl e Gerty Cori: descobriram inicialmente 
que a glicogênio fosforilase do músculo 
existia em duas formas básicas, as quais 
eles nomearam de formas “a” e “b”. 
Em 1947, Gerty Cori foi a primeira mulher a 
receber o Nobel em Fisiologia ou Medicina. 
Earl W. Sutherland , Jr. 
“Recebeu o Nobel em Fisiologia ou 
Medicina por suas descobertas sobre os 
mecanismos de ação dos hormônios" 
 
Sutherland descobriu que a glicogênio 
fosforilase “b” predomina no músculo 
em repouso enquanto que a glicogênio 
fosforilase “a” predomina no músculo 
em atividade. 
Esta mudança pode ser mediada por 
ação de hormônios que levam a 
formação de AMPc. 
 
Regulação da glicogênio fosforilase do 
músculo e do fígado por modificação 
covalente. 
Na sua forma mais ativa, a enzima, 
fosforilase a, os resíduos de Ser14, um em 
cada subunidade, são fosforilados pela 
ação da fosforilase b quinase induzida pela 
adrenalina no músculo e fígado e pelo 
glucagon no fígado. Relembraremos 
adiante. 
A fosforilase a é convertida para a forma 
menos ativa, a fosforilase b, pela perda 
enzimática dos grupos fosforil, catalisados 
pela fosforilase a fosfatase (também 
conhecida como fosfoproteína fosfatase 1, 
PP1). 
 
 
 
Regulação Alostérica no Músculo 
Adicionalmente, a enzima muscular 
passa por regulação alostérica, que no 
músculo se sobrepõe a regulação 
covalente. O Ca+2, que é um sinalizador 
da contração muscular, liga-se a 
glicogênio fosforilase b quinase e a 
ativa. 
 
O AMP se acumula nos músculos que 
estão se contraindo de forma vigorosa 
como resultado da quebra do ATP. O 
AMP se liga à fosforilase b quinase e 
também a ativa. 
 
Quando o músculo entra em estado de 
repouso uma enzima fosfatase (PP1) 
remove os grupos fosforila da 
fosforilase “a” e a converte na forma 
menos ativa “b”. 
 
Mecanismo em cascata da ação da 
adrenalina e glucagon 
As ações da adrenalina sobre os 
miócitos e hepatócitos e do glucagon 
sobre os hepatócitos, ocorrem por 
ligação a receptores específicos de 
superfície que ativam uma proteína de 
ligação a GTP chamada Gsα. 
Ativada, a proteína Gsα provoca um 
aumento da [cAMP], ativando a 
proteína quinase A (PKA). 
 
Isto inicia uma cascata de fosforilações 
que causam uma grande amplificação 
do sinal inicial. No músculo, o cálcio e o 
AMP também exercem papéis 
importantes. 
 
A degradação do glicogênio decorrente 
fornece glicose, que no músculo pode 
suprir o ATP (via glicólise) para a 
contração muscular e no hepatócito é 
liberada para o sangue para se opor à 
glicose sanguínea baixa. 
 
 
 
Glicogênio fosforilase do fígado como 
sensor do nível de glicose. 
 
 
A ligação da glicose em um sítio 
alostérico específico da isoenzima 
fosforilase a do fígado induz uma 
mudança conformacional que expõe os 
resíduos de Ser fosforilados à ação da 
fosforilase a fosfatase 1(PP1). 
Esta fosfatase converte a fosforilase a 
em b, reduzindo claramente a atividade 
de fosforilase e diminuindo a 
degradação de glicogênio em resposta 
à alta glicose sanguínea. 
A insulina também age indiretamente 
na estimulação da PP1 e na diminuição 
da degradação do glicogênio (no 
músculo e fígado). 
 
A glicogênio sintase também é 
regulada por fosforilação e 
defosforilação 
 
A glicogêniosintase pode ser 
fosforilada em diversos resíduos por, 
pelo menos, 11 proteína quinases. 
A quinase reguladora mais importante 
é a glicogênio sintase quinase 3 (GSK3), 
que adiciona o grupo fosforila a 3 
resíduos de Ser próximos da 
extremidade carbonila terminal da 
enzima, inativando-a. 
A ação da glicogênio sintase quinase 3 
GSK3 requer a ação prévia da caseína 
quinase (CKII), em um evento chamado 
preparação. 
 
 
Preparando a fosforilação da 
glicogênio sintase pela glicogênio 
sintase quinase 3 (GSK3). Participação 
da caseína quinase II (CKII). 
 
Glicogênio sintase quinase 3 (GSK3) 
primeiro se associa com o seu substrato 
(glicogênio sintase) pela interação 
entre 3 resíduos carregados 
positivamente (Arg96, Arg180, Lys205) e a 
fosfosserina na posição +4 no substrato 
(cuja adição do fosfato foi catalisada 
pela caseína quinase II) 
Isso cria um novo sítio de preparação 
(posição zero) e a enzima desloca a 
outra enzima de forma a fosforilar o 
resíduo de Ser na posição -4 e, então, 
 -8. 
 
 
A Insulina produz a ativação da 
glicogênio sintase por bloquear a 
atividade da GSK3 ao mesmo tempo em 
que ativa a fosfoproteína fosfatase 1 
(no músculo e no fígado). 
 
1- A insulina aciona as mudanças 
intracelulares por ativação de uma 
proteína quinase (a proteína quinase B 
ou PKB) que fosforila e inativa a GSK3 
(glicogênio sintase quinase 3). 
O mecanismo de ativação da PKB foi 
visto anteriormente. Revejam na aula 
de biossinalização... 
 
2- A fosforilação pela PKB dá-se em um 
resíduo de Ser próximo da extremidade 
amino terminal da GSK3 (glicogênio 
sintase quinase 3) e converte essa 
região da enzima em um 
pseudosubstrato, que se dobra no local 
em que normalmente se liga o resíduo 
de Ser fosforilado pela reação de 
PREPARAÇÃO (CKII- caseína quinase II). 
 
 
A glicogênio sintase quinase 3 (GSK3) 
possui um resíduo de Ser próximo da 
sua ponta aminoterminal que pode ser 
fosforilado por PKB (proteína quinase 
B, que é ativada pela insulina). 
Isso produz na GSK3 uma região que 
funciona como "pseudosubstrato" que 
se dobra no sítio de preparação e torna 
o sítio inacessível a outra proteína 
substrato, inibindo a GSK3 até que o 
grupo fosfato de preparação da sua 
região pseudosubstrato seja removido 
pela PP1 (fosfoproteína fosfatase 1). 
 
A própria PP1 está sujeita à regulação 
covalente e alostérica: ela é inativada 
quando fosforilada pela PKA (glucagon 
e adrenalina) e é ativada 
alostericamente pela glicose e glicose 
6-fosfato. 
A glicose 6-fosfato favorece a 
defosforilação da glicogênio sintase por 
se ligar a ela e promover uma 
conformação que é um bom substrato 
para a PP1. 
A glicose também promove a 
defosforilação de maneira análoga a 
glicose 6-fosfato 
 
A fosfoproteína fosfatase 1 (PP1) não 
existe livre no citosol. Ela está 
firmemente ligada a suas proteínas alvo 
por uma proteína da família das 
proteínas de associação ao glicogênio, 
que se liga ao glicogênio e às três 
enzimas glicogênio-fosforilase, 
fosforilase-quinase e glicogênio sintase. 
A fosfoproteína fosfatase 1 (PP1), pode 
remover grupos fosforila de todas as 
enzimas fosforiladas em resposta à 
ação de hormônios (no fígado e no 
músculo): fosforilase quinase, 
glicogênio fosforilase e glicogênio 
sintase. 
 
 
1- A Proteína GM pertence a uma 
família de proteínas que une 
outras proteínas (inclusive a 
PP1) à partículas de glicogênio. 
2- 2- A fosforilação do sítio 1 da GM 
estimulada pela insulina ativa a 
PP1 que defosforila a fosforilase 
quinase, a glicogênio fosforilase 
e a glicogênio sintase. Inibe a 
glicogenólise e estimula 
glicogênese. 
3- 3- A fosforilação do sítio 2 da GM 
estimulada pela adrenalina (ou 
o glucagon no fígado) provoca a 
dissociação da PP1 da partícula 
do glicogênio impedindo o seu 
acesso à glicogênio fosforilase e 
à glicogênio sintase e ativando a 
glicogenólise. 
4- A PKA também fosforila uma 
proteína (Inibidor1) que quando 
fosforilada, inibe a PP1. Dessa 
forma, a insulina inibe a 
degradação do glicogênio e 
estimula sua síntese, e a 
adrenalina (ou o glucagon no 
fígado) tem o efeito oposto. 
Ciclo de fosforilação e defosforilação 
simplificado... 
Reações simultâneas de fosforilação e 
defosforilação. 
As duas enzimas possuem: 
Forma a = ativa 
Forma b = menos ativa 
 
O ciclo de fosforilação – defosforilação 
estabelece que quando uma enzima 
está estimulada a outra está inibida. 
As duas jamais estão totalmente ativas 
simultaneamente... 
Lembrar que no músculo, a regulação 
alostérica prevalece... 
 
 
Para ler em casa domingo à noite e, 
fazer uma recapitulação global do que 
foi estudado até então... (ATA) 
 
Regulação do metabolismo de 
carboidratos no fígado 
As flechas lilás conectam eventos 
resultantes da glicose sanguínea alta; 
as flechas azuis conectam eventos 
resultantes da glicose sanguínea baixa 
 
 
 
Diferenças na regulação do 
metabolismo de carboidratos no fígado 
e no músculo. 
No fígado, glucagon (indicando baixa 
glicose) ou adrenalina (sinalizando a 
necessidade de lutar ou correr) tem o 
efeito de maximizar a saída da glicose 
para corrente sanguínea. No músculo, a 
adrenalina aumenta a degradação do 
glicogênio e a glicólise que, juntas, 
fornecem combustível para a produção 
do ATP necessário na contração 
muscular. 
 
BOM ESTUDO!