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Metabolismo del glucógeno

http://www.sccollege.edu/pic/$Private/816_liver.jpg

Glucosa

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Bibliografía

Voet, D., J. Voet y C. Pratt. Capítulo 15.1, 15.2 y 15.3 McKee, T. y J. McKee. Capítulo 8.5 Mathews. Capítulo 15. Metabolismo del glucógeno (incluye gluconeogénesis)

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Champe, et al., 3ª. Ed. Biochemistry. Glycogen metabolism

Murray, et al. Harper, Bioquímica ilustrada. Capítulo 19 (18 edición anterior). Metabolismo del glucóneno.

http://themedicalbiochemistrypage.org/glycogen.html

Buena revisión de CHO’s http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/sugar.htm

Glycogen metabolism

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Objetivos Objetivo general:

Comprender la importancia del glucógeno, su función como fuente de energía, el proceso de degradación y síntesis, enzimas involucradas y métodos de control.

Objetivos específicos:

Comprender la importancia del glucógeno como fuente de energía en procesos de vigilia

Entender el proceso de catabolismo y los puntos de control y órganos donde se lleva a cabo.

Analizar el papel de las enzimas involucradas en cada paso catabólico y anabólico.

Comprender y familiarizarse con la terminología nueva introducida en este capítulo.

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Introducción El cuerpo humano necesita constantemente de glucosa para llevar a cabo procesos metabólicos

Glucosa es la fuente de energía preferencial en:

- Cerebro

- Eritrocitos (células con pocas o sin mito)

- Tejido muscular bajo condiciones anaeróbicas (ejercicio)

Tres fuentes principales de glucosa:

- Dieta (intermitente)

- Gluconeogénesis (fuente constante, proceso lento)

- Degradación de glucógeno (rápida movilización)

http://www.histol.chuvashia.com/atlas-en/cytol-en.htm

Gránulos de glucógeno en células del hígado en rojo. (haemotoxilina)

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Ud. está aquí

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Fuentes de glucógeno en cuerpo Se encuentra principalmente:

- Músculo esquelético (fuente energía sólo para la contracción)

- Hígado (mantiene los niveles de azúcar en sangre

(~5 mM en sangre)

Células en general (poca cantidad para su uso individual)

http://education.vetmed.vt.edu/Curriculum/VM8054/Labs/Lab3/Lab3.htm

Glucógeno en células músculo esquelético. El interior contiene una gran cantidad de haces contráctiles.

Glucógeno se encuentra en rojo hacia las orillas de las células

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Glucógeno

- Polisacárido (C6H10 O5)n La fuente principal de almacenamiento de carbohidratos

- Se sintetiza después de ingerir alimento glucogénesis hepática

- Una parte es sintetizada a partir de moléculas C3 lactato y alanina

- Se almacena en principio en el hígado

- Proporciona un suministro constante de Glu (12-18h)

El hígado puede almacenar glucosa para abastecer al cerebro medio día. En condiciones de ayuno prolongado, la demanda de glucosa se satisface, en principio vía gluconeogénesis.

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Almidón, celulosa, glucógeno

Almidón. Plantas. Enlaces alfa 1,4.

Ramificado (alfa 1,6): unidades de amilopectina.

Menos ramificado: amilosa, anillos.

Glucógeno: Animales Enlaces alfa 1,4. Ramificado.

Celulosa. Enlaces beta 1,4. Largas fibras de brindan fuerza mecánica a las paredes celulares de plantas

Polímeros de glucosa. Almidón y glucógeno: polisacáridos, almacén de energía Celulosa: polisacárido estructural

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Glucógeno

Polímero de glucosa, interconectado con enlaces alfa acetal (C1 es el carbono anomérico y posee dos oxígenos –eter = acetal).

Recuerden el hemiacetal posee un grupo eter y un alcohol en el mismo C

Alfa: el oxígeno hacia abajo en la posición «silla»

Glucógeno 3D: http://www.biotopics.co.uk/JmolApplet/glycogen2.html

http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/547glycogen.html http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/images/543hemiacetal.gif

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Glucosa 6-fosfato - Degradación de glucosa,

- Degradación de glucógeno

- Gluconeogénesis

G-6-P es precursor de la síntesis de glucógeno y de la vía de las pentosas

Se sintetizada durante:

Glucosa se metaboliza a piruvato y se incorpora como Acetyl-CoA al ciclo del Ac cítrico.

Lactato y aminoácidos se convierten a piruvato y a su vez, son precursores de la gluconeogénesis.

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Estructura del glucógeno Gránulos de aprox. 400 a millones de daltons. Minimiza el efecto osmótico.

Enlaces α-1,4 glucosídicos

1 cada 12 residuos aprox. Ramifica cada 8-10 residuos, enlaces α 1,6 glucosídico

Su extremo reductor está enlazado a una proteína glucogénina con un enlace beta a un residuo de tirosina

Gránulos de glucógeno, hacia las ramas externas, contienen enzimas que lo polimerizan y lo degradan (según sea el caso).

A-D-glu

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Enlaces… 1,4 y 1,6

Enlaces α-1,4

Enlaces α-1,6

Su estructura ramificada incrementa la solubilidad lo que expone múltiples sitios de síntesis y degradación

http://www.center.osaka-wu.ac.jp/~ymakino/

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Glucógeno Polímero de D-glucosa con enlaces α(1-4) con ramificaciones α(1-6) cada 8-14 residuos.

Los gránulos intracelulares forman unidades que contienen las enzimas que lo degradan y regulan este proceso.

Presente principalmente en: células del músculo y células hepáticas.

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Glucógeno

Molécula de glucógeno

α- Moléculas esféricas de glucógeno

β- proteínas metabólicas asociadas

Glucógeno fosforilasa

La hendidura sólo puede alojar 4 ó 5 residuos,por ello no puede degradar ramificaiones

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Glucogenólisis: degradación

2. Desramificadora de Glucógeno. Elimina ramificaciones y permite que los residuos sean accesibles a la fosforilasa: 4 α-glucanotransferasa y Amilo α-1,6-glucosidasa

VOET: glucosiltransferasa: α 1,4 transglucosilasa 3. Fosfoglucomutasa. Convierte G-1-P en G-6-P

Requiere tres enzimas: 1. Glucógeno fosforilasa.

Sustituye el enlaces 1,4 glucosídicos de un residuo, por un grupo P G-1-P

Una unidad de glucosa a la vez es liberada. Sólo si está a 5 unidades del punto de ramificación Qué enlaces rompe y qué enlaces forma

la desramificadora?

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1. Glucógeno fosforilasa

Tiene como cofactor al Piridoxal-5’-fosfato (PLF)

Derivado de la Vit-B6

Libera una unidad de glucosa sólo si está alejada al menos 5 unidades de un punto de ramificación.}

No requiere de la hidrólisis de ATP, utiliza, [Pi].

http://www.rcmm.dote.hu/gergely.htm

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1. Glucógeno fosforilasa

1. Formación de un complejo cuaternario E-Pi-glucógeno (BH+=cadena lateral de un aa (Lys?) mantiene el PLP neutro).

2.Formación de un ión oxonio (H3O

+) involucrado en la catálisis ácida por el Pi.

3.Reacción del oxonio con el Pi libera la G-1-P

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Desramificación

http://www.center.osaka-wu.ac.jp/~ymakino/

4- α-glucotransferasa

Amilo-α-1,6-glucosidasa

VOET: UNA enzima glucosiltransferasa…!!! α 1,4 transglucosilasa

El último residuo, es hidrolizado, NO es fosforilado

Desrramificación: 2 enzimas:

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Glucógeno fosforilasa T y R

Estado T la subunidad fosforilasa b dimérica sin efectores alostéricos

Estado R con AMPc unido (mecanismo de reglulación de glucogenólisis y glucogénesis) (inhibe la glucogénesis)

Solo el grupo fosfato participa en la catálisis. Actúa como catalizador ácido base general.

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1. Glucógeno fosforilasa Dos formas: - Fosforilada: Fosforilasa a. Tejidos con mayor demanda energética

(músculo activo).

- Defosforilada: Fosforilasa b. Músculos inactivos. Regulada por interacciones alostéricas y modificaciones covalentes

(forforilación y defosforilación)

Inhibidores alostéricos: ATP y G-6-P Activador alostérico: AMP Inhibidor alostérico en hígado: Glucosa Inhibidor: 1,5-gluconolactona (análogo geométrico de la media silla

del ión oxonio)

Los inhibidores y actúan en forma ligeramente diferente en las dos formas

OJO: Los residuos de glucosa se eliminan desde el extremo NO

reductor

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Control de la glucóneno-fosforilasa

La fosforilasa b (menos activa) por AMP activa alostéricamente y el ATP y G-6-P inhibe alostéricamente. Bajo condiciones fisiológicas está en su forma T

La fosforilasa a (mas activa), no responde comunmente a estos efectores y está mayormente en la forma R, a menos que haya un alto nivel de glucosa

Regulada por modificaciones alostéricas y covalentes, fosforilación y desfosforilación

El AMP promueve el desvío T a R

Baja afinidad por sustrato

Alta afinidad por sustrato

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Regulación de glucógeno fosforilasa

Puede ser regulada por modificación covalente vía fosforilación. La sutil actividad de la enzima sin modificar (de T a R- fosforilasa b), genera el suficiente G-1-P que entra a la glucólisis para el mantenimiento de la actividad normal de la célula (hígado ó en músculo). El calcio también la activa (independiente de PKA), ej. Acetilcolina glucogenólisis.

Enzima homodimérica posee dos estados: T=tenso menos activo R=relajado, más activo. Se enlaza al glucógeno en T. Activada por el enlace de AMP e inhibido por el enlace a ATP ó G-6-P.

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Enzima desramificadora

Oligo (α1-6) a (α1-4) Glucantransferasa.

Se transfieren tres residuos de glucosa con unión α(1-4) terminales desde la rama que ya no puede catalizar la fosforilasa, hacia el extremo no reductor

La rama que se alargó, queda disponible para la fosforilasa

El residuo α(1-6) es hidrolizado por la misma enzima.

Produce: una cadena alargada y una molécula de Glu libre

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Velocidades de rxn

La velocidad de reacción del glucógeno fosforilasa es mucho mayor que la velocidad de la desramificadora.

Bajo condiciones de alta demanda metabólica, las ramas externas del glucógeno (casi la mitad de los residuos) se degradan en unos pocos segundos en el músculo.

La degradación completa, que incluye las reacciones de desramificación, es más lenta.

Por ello, el músculo sólo puede aguantar su esfuerzo máximo por unos pocos segundos.

Usain Bolt, 100m en 9,58s. Ago 2009

http://www.theage.com.au/news/sport/lightning-bolt-breaks-own-100m-record/2009/08/17/1250362007419.html

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3. Fosfoglucomutasa

1. El OH del C-6 de la Glu ataca el P de la fosfoenzima

2. Se forma el intermediario G-1,6 biP. El OH de la Ser de la enzima ataca al fosforilo del C-1

3. Se forma la G-6-P y se regenera la fosfoenzima

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3. Fosfoglucomutasa

La G-6-P resultante: es impermeable a la membrana. Clase, porqué…??

La G-6-P se produce en el citosol y la G-6-Pasa reside en la mb del retículo endoplásmico, por lo que la G-6-P debe ser importada al RE por una translocasa.

La G-6-P es hidrolizada a Glucosa + Pi y regresa al citosol. Puede ser distribuida a otros tejidos. Enzima endémica de hígado y riñón

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Glucosa-6-fosfatasa en RE En hígado y riñón:

Cataliza el último paso de la glucogenólisis y de la

ruta de gluconeogénesis

G-6-P entra al RE vía un transportador, es

hidrolizada por la G-6-fosfatasa por una enzima

transmembranal

http://www.icp.be/grm/Carbohydrate/contributions.htm

PATOLOGIAS:

La enfermedad de deficiencia de almacenaje de glucógeno tipo Ia se debe a un defecto en la fosfatasa y la tipo Ib a un defecto en el transportador de G-6-P

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Glucogénesis

Proceso de «nucleación»: una Glucosa se enlaza a una proteína: Glucogenina. La glucogenina cataliza su propia glucosilación al enlazar al C-1 de un complejo UDP-glucosa.

La glucosa enlazada a la proteína funciona como el «primer» para que la glucógeno sintasa enlace las subsecuentes moléculas de glucosa.

http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/glycogen.htm

Fuente: Hart & West, 2009. Nucleocytoplasmic glycosylation. 2009. Essentials of Glycobiology

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Síntesis de glucógeno Es una ruta termodinámicamente desfavorable ΔG positivo

3 enzimas:

1. UDP-glucosa pirofosforilasa,

2. Glucógeno sintasa

3. Enzima ramificadora del glucógeno

OJO: Voet pág. 481, dice desramificadora en lugar de ramificadora. Es un error.

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1. UDP-glucosa fosforilasa

Como tiene un ΔG positivo, requiere de un paso exergónico como es la ruptura de un nucleósido trifosfato –uridin trifosfato (UTP) para formar PPi

El O del fosforilo de G-1-P ataca al átomo α-fósforoso de UTP y forma UDP-glucosa y pirofosfato inorgánico PPi

El PPi es hidrolizado por la pirofosfatasa inorgánica

UDP-glucosa

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2. Glucógeno sintasa

Cataliza la transferencia del grupo glucosilo de la UDP-glucosa a los extremos no reductores del glucógeno

Este proceso incluye la formación de un ión oxonio por la eliminación de UDP.

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2. Glucógeno sintasa Glucógeno sintasa: en condiciones de alimentación normal, Activada alostéricamente por: G-6-P Glucógeno sintasa también es controlada alostéricamente: Inhibida por [] ATP, ADP y Pi (Voet, p. 486) Glucógeno sintasa fosforilada = inactiva Glucógeno sintasa des-fosforilada= activa

Sólo genera enlaces α(14) y produce α-amilosa

La enzima desfosforilada puede activarse por G-6-P

Se inhibe por la 1,5-gluconolactona (análogo geométrico de la media silla del ión oxonio)

Extiende una cadena glucano ligada α(1-4) existente (no une a dos glucosas)

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Síntesis…

Se requiere de una cadena de glucógeno.

Aparentemente se incia por la transferencia de glucosa desde la UDP-glucosa a un residuo específico de tirosina en una proteína cebadora “glucogenina”

La glucogenina extiende la cadena glucosa por más de siete residuos de glucosa, donados por UDPG lo que forma al “primer” (cebador).

Esto inicia la síntesis del glucógeno por extensión del cebador.

http://www.reactome.org/figures/glycogen_synthesis.jpg

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Nucleación de glucógeno

Requiere de un cebador de (α-1,4) cadena de poliglucosa de al menos ocho residuos (primera rama adherida a la glucogenina Cada nueva cadena se ramifica en cadenas (12 a 14 residuos) Las cadenas internas tienen dos ramificaciones α1,6 Una partícula madura, lista para continuar el proceso de síntesis posee aprox. 55,000resiuos de glucosa

Glucogenina

Glucógeno

Glucogenina G

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3. Enzima ramificadora Se forma por transferencia de un segmento de 7 residuos desde un extremo, hasta el grupo C6-OH de un residuo glucosa en la misma cadena o en otra

Amilo-1,41,6) transglucosilasa

Cada segmento puede llegar de una cadena de al menos 11 residuos y el nuevo punto está alejado al menos 4 residuos

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Regulación Para evitar un ciclo inútil de glucogénesis y glucogenólisis, la glucógeno sintasa (GS) y la glucógeno fosforilasa (GF)son reguladas recíprocamente.

Ambas son reguladas por efectores alostéricos y por modificación covalente (fosforilación).

GS (glucogénesis: Activada por G-6-P

GF (glugogenólisis): Músculo: AMP (activa – promueve el estado R)

ATP y G-6-P inhiben – promueven estado T

http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/glycogen.htm

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Control hormonal En células musculares, la unión de adrenalina a los receptores adrenérgicos (β) aumenta la [AMPc] lo que promueve degradación de glucógeno en G-6-P ó en glucosa (hígado) Hace más activa a la fosforilasa. El hígado responde de manera similar al glucagon.

En el hígado, la unión de adrenalina a los receptores adrenérgicos (α) aumenta la [Ca2+] citosólica que también promueve la degradación del glucógeno. El glucagon en el hígado, estimula la degradación de glucógeno

A altas [Gluc] en sangre, la insulina promueve que las células la internalicen, en le hígado se promueve la síntesis de glucógeno.

Ambas enzimas se producen en respuesta a baja azúcar sanguínea

Animación: http://www.wiley.com/college/fob/quiz/quiz15/15-21.html

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Patologías

Glycogen Storage Disease Symptoms, in addition to glycogen

accumulation

Type I, liver deficiency of Glucose-6-

phosphatase (von Gierke's disease)

hypoglycemia (low blood glucose) when

fasting, liver enlargement.

Type IV, deficiency of branching enzyme

in various organs, including liver

(Andersen's disease)

liver dysfunction and early death.

Type V, muscle deficiency of Glycogen

Phosphorylase (McArdle's disease)

muscle cramps with exercise.

Type VII, muscle deficiency of

Phosphofructokinase.

inability to exercise.

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Regulación

Glucógeno sintasa a (des-fosforilada = activa)

Glucógeno sintasa b (fosforilada = inactiva)

Animación del Voet: http://www.wiley.com/college/fob/quiz/quiz15/15-20.html

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Regulación

Adrenalina y glucagon desencadenan la síntesis de AMPc e inhiben la síntesis del glucógeno al fosforilar la Glucógeno sintasa b.

http://sandwalk.blogspot.com/2007/05/regulating-glycogen-metabolism.html

Inactiva síntesis de glucógeno

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Regulación

Adrenalina y glucagon, además de bloquear la síntesis de glucógeno, promueven la degradación del mismo al fosforilar la glucógeno fosforilasa a

http://sandwalk.blogspot.com/2007/05/regulating-glycogen-metabolism.html

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Papel de la insulina

La insulina tiene el efecto contrario de glucagon y adrenalina. Cuando los niveles de azúcar sanguínea son altos, la insulina se enlaza a su receptor y de mb y desencadena una ruta de activación de la fosfatasa-1. Se desfosforilan las tres enzimas y activan la síntesis de glucógeno.

Por cada cinasa hay una fosfatasa

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Cascada de la glucógeno fosforilasa

http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/glycogen.htm

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Regulación hormonal

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Regulación

Asegúrense que entienden bien el papel de los siguientes compuestos y enzimas:

Insulina

Glucagon

Adrenalina

Glucógeno sintasa

Glucógeno fosforilasa

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Respuestas mediadas por receptores en glucógeno sintasa

Cuando los receptores a-andergénicos son estimulados → actividad de la fosfolipasa gamma → hidrólisis de PIP → DAG e IP3. DAG y Ca2+ (liberados por la actividad e IP3) activan la cinasa PCK que fosforila e incativa la glucógeno sintasa. De la misma forma se activa la calmodulina dependiente de cinasa que fosforila la glucógeno sintasa.

http://themedicalbiochemistrypage.org/glycogen.html

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Voet: ligas de animaciones…

Ligas de animaciones de procesos:

http://www.wiley.com/college/fob/anim/

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Fructosa en nuestra dieta Why is fructose such a strong signal for release of glucokinase. Remember, glucokinase is "not interested" in reacting with fructose. It is specific for glucose. Starch, which yields glucose during digestion, has been a main energy source for mankind since the agricultural revolution 8000-10000 years ago. Fructose is found in small quantities in many fruits and honey. The amount of fructose in our former diets was far lower than starch-derived glucose found in the food we have eaten for thousands of years. Combine an apple (5-7% fructose) and some wheat, potatoes or corn, and you get translocation of glucokinase and an active glucose metabolizing system (with a little fructose taken along for the ride). Fructose seems to have acted as a signal substance, used to activate glucose metabolism. The enzyme required to initiate fructose metabolism, fructokinase, is only found in quantity in the liver (and sperm cells). Furthermore, it is not under metabolic control. If fructose comes to the liver, it will be taken up and very quickly metabolized! The rapid metabolism of sugar at today’s very large levels appears to be responsible for excessive fatty acid synthesis in the liver. Because fructose metabolism "fills" glycolysis with substrate at a very high rate, frequent use of sucrose (remember sucrose is a dimer of fructose and glucose) or fructose promotes fat production. Measurement of plasma triglyceride levels has shown these to be increased by the chronic ingestion of sugar. There is a reliable correlation between sugar consumption, dyslipidemia and metabolic syndrome.

http://www.medbio.info/Horn/Time%201-2/carbohydrate_metabolism%20March%202007.htm

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Diferente demanda, diferente metabolismo

http://health.howstuffworks.com/wellness/diet-fitness/exercise/sports-physiology4.htm