Glycogenolysis, ou decomposição do glicogénio, liberta glicose quando é necessária.
No fígado, o glicogénio é uma reserva de glicose para a manutenção dos níveis normais de glicose no sangue, e a sua decomposição ocorre principalmente:
- no estado de jejum, por exemplo, durante o jejum nocturno;
- durante uma actividade física de alta intensidade.
li> entre as refeições;
Em hepatócitos, a glicogenólise é estimulada pelo glucagon e adrenalina, inibida pela insulina, e sujeita a regulação alérgica negativa também pela glicose (ver abaixo).
No músculo, o glicogénio é uma fonte de energia para a actividade muscular; portanto, a degradação do glicogénio ocorre durante a contracção, e apenas nos músculos envolvidos na actividade.
Em células musculares, a glicogenólise é estimulada pela adrenalina, e regulada por agentes de efeito alérgico positivos e negativos, AMP e ião de cálcio (Ca2+), e ATP e glucose 6-fosfato, respectivamente (ver abaixo).
CONTENTES
- Etapas da glicogenólise
- >li>Destino metabólico da glicose 1-fosfato em músculo e fígado
- β-Receptores adrenérgicos
- Músculo fosforilase cinase
- Hepática phosphorylase kinase
- Muscle glycogen phosphorylase
- Regulação alostérica da PP1
- Hepatic glycogen phosphorylase
- 1-fosfato de glucose (cerca de 90% das moléculas de glucose libertadas);
- uma pequena quantidade de glucose livre, os restantes 10% ;
- uma molécula de glicogénio mais pequena e menos ramificada.
- adrenalina (também conhecida como epinefrina), produzida pelas glândulas supra-renais, que actua por exemplo sobre as células musculares, hepáticas e gordurosas;
- glucagon, produzido pelas células alfa do pâncreas, que actua sobre os hepatócitos e adipócitos.
- an increase in glycogen breakdown in muscle and liver cells;
- an increase in triglyceride breakdown (lipolysis) in adipose tissue.
- glicogénio sintetase (EC 2.4.1.11), inibida;
- T, para tenso ou tenso, que é menos activo;
- G-subunidade, que, na forma fosforilada, não é capaz de ligar a subunidade catalítica do PP1, e portanto o PP1 não atinge os seus alvos associados ao glicogénio (inversamente, a fosforilação da subunidade G induzida pela estimulação da insulina, afectando diversos resíduos de aminoácidos, permite a ligação à subunidade catalítica do PP1);
- inibidor-1, que, na forma fosforilada, é capaz de inibir a actividade do PP1.
- Se uma célula com uma carga energética adequada receber o sinal hormonal que desencadeia a cascata de activações, a glicogénio fosforilase b, inibido por ATP e glucose-6-fosfato, permanece no estado T até a carga ser elevada.
- Se a carga energética celular for baixa, a glicogénio fosforilase b, activada por AMP, inicia a decomposição do glicogénio, mesmo na ausência do estímulo hormonal que induz a sua conversão para a forma activa a.
- A primeira diferença diz respeito à resposta à AMP: a glicogénio hepático fosforilase b não é activada pela AMP.
- A segunda diferença diz respeito à glicogénio fosforilase a: a enzima é inibida pela glicose, que é um inibidor competitivo (o monossacarídeo desloca o equilíbrio alostárico para o estado T inactivo da forma.
/ul> Regulação covalente da glicogenólise em músculo e fígado
Proteínas G estimuladorasAdenil ciclaseProteína cinase AFosforilase cinase Proteína cinase Proteína G estimulante Regulação alostérica da glicogenólise muscular e hepática
Passos de glicogenólise
Glycogenolysis começa pela acção da glicogénese fosforilase (EC 2.4.1.1), um homodímero que para a sua actividade requer a presença de piridoxal-5-fosfato, um derivado da piridoxina ou vitamina B6. A enzima catalisa a clivagem fosforolítica de α-(1,4) ligação glicosídica, libertando as moléculas de glicose uma de cada vez das extremidades não redutoras, ou seja, as extremidades com um grupo livre de 4′-OH, dos ramos externos. Esta reacção, que não consome ATP mas um ortofosfato, produz glicose 1-fosfato.
Glicogénio(n resíduos de glicose) + Pi → Glicose 1-Fosfato + Glicogénio(n-1 resíduos de glicose)
Nota: no intestino delgado, pancreática α-amilase (EC 3.2.1.1) catalisa a clivagem hidrolítica das ligações glicosídicas do amido α-(1,4), e produz moléculas de glucose.
In vivo, a glicogénio fosforilase catalisa uma fosforólise irreversível, uma reacção particularmente vantajosa para o músculo esquelético e o coração (ver abaixo). A irreversibilidade da reacção é assegurada pela relação /, que é normalmente superior a 100. Pelo contrário, a reacção é facilmente reversível in vitro.
A fosforilase glicogénica actua repetitivamente nas extremidades não redutoras dos ramos, parando quando a unidade de glucose que está a 4 resíduos do ponto do ramo é atingida: este é o limite externo do limite da dextrina. Neste ponto, duas actividades enzimáticas, presentes na mesma cadeia de polipeptídeos, degradação completa do glicogénio: a α-(1,4)-glucan-6-glucosiltransferase (EC 2.4.1.24) e a amilo-α-(1,6)-glucosidase ou enzima de detritos (EC 3.2.1.33). A primeira actividade enzimática transfere três das quatro unidades de glucose restantes do ramo para a extremidade não redutora de outro ramo, deixando na primeira cadeia apenas uma única unidade de glucose, que é ligada à cadeia por uma ligação glicosídica α-(1,6)-glycosidic. A segunda actividade enzimática hidrolisa esta ligação α-(1,6)-glicosídica, libertando glicose e uma cadeia não ramificada de unidades de glicose α-(1,4)-linked glucose units.
Sem o ramo, a glicogénio fosforilase pode continuar a remover unidades de glicose até atingir o próximo limite de dextrina.
Por isso, os produtos das reacções catalisadas pelas três actividades enzimáticas são:
Metabolic fate of glucose 1-fosfato em músculo e fígado
Glucose 1-fosfato é uma molécula carregada, e portanto está presa dentro da célula.
É convertida em glucose 6-fosfato na reacção catalisada pela fosfoglucomutase (EC 5.4.2.2), a mesma enzima que também intervém na síntese do glicogénio convertendo a glucose 6-fosfato em glucose 1-fosfato. Esta enzima catalisa uma reacção reversível: a direcção é determinada pelas concentrações relativas das duas moléculas e, neste caso, move o grupo fosfato de C1 para C6.
Glucose 1-Fosfato ⇄ Glucose 6-Fosfato
No músculo, e na maioria dos outros órgãos e tecidos, a glicose da glicólise entra na glicólise como glicose 6-fosfato, contornando a etapa de activação catalisada pela hexoquinase. Assim, a glicogénese fosforilase, libertando uma molécula de glicose já “activada”, poupa uma ATP. Uma molécula de ATP é necessária para sintetizar outro intermediário glicolítico, a frutose 1,6-bisfosfato.
Desta forma, uma parte da energia de activação necessária para a síntese do glicogénio é conservada: o rendimento líquido de ATP por molécula de glicose por glicólise ao lactato é de 3 em vez de 2, uma vantagem para o músculo de trabalho. A equação global é:
glicogénio(n resíduos de glicose) + 3 ADP + 3 Pi → Glicogénio(n-1 resíduos de glicose) + 2 lactato + 3 ATP
No fígado, a glicose 6-fosfato de glicogénio é desfosforilada pela glicose 6-fosfatase (EC 3.1.3.9), e depois libertada para a corrente sanguínea. Estes são os passos na remoção de unidades de glucose, sob a forma de glucose fosforilada, por glicogénese hepática:
glicogénio(n resíduos de glicose) + Pi → Glucose 1-Fosfato + Glicogénio(n-1 resíduos de glicose)
glucose-1-fosfato → glucose-6-fosfato
glucose-6-fosfato + H2O → glucose + Pi
A equação geral é
glicogénio(n resíduos de glicose) + H2O → Glicogénio(n-1 resíduos de glicose) +Glicose
Regulação covalente da glicogénese em músculo e fígado
A decomposição do glicogénio está sob um fino controlo através de modificações covalentes e/ou alostéricas de algumas proteínas chave, tais como a fosforilase quinase (EC 2.7.11.19), glicogénio fosforilase, e proteína fosfatase 1.
Aqui, são analisados os efeitos de duas hormonas, que actuam através de modificações covalentes das proteínas alvo:
Estas hormonas, ligadas aos seus receptores de membrana, desencadeiam uma cascata idêntica de eventos intracelulares que amplificam por várias ordens de magnitude o seu sinal, estimulando a glicogenólise e inibindo a síntese do glicogénio.
De notar que mesmo a acetilcolina, pela ligação ao receptor localizado na junção neuromuscular, desencadeia a mesma cascata de activações de adrenalina e glucagon.
Aqui, as proteínas envolvidas na cascata.
β-Adrenalina receptores
Os receptores para adrenalina e glucagon são proteínas de membrana integral, com sete transmembranas α-helices.
O termo “adrenérgico” deriva da adrenalina. Existem quatro subtipos de receptores adrenérgicos: α1, α2, β1 e β2. Na discussão subsequente, apenas β1 e β2 receptores, referidos como β, e que actuam da mesma forma, serão considerados.
β-adrenergic receptors cause alterações no metabolismo energético, tais como:
Proteínas G estimulante
A ligação da hormona ao receptor causa uma alteração conformacional na porção citosólica do receptor, e isto modifica a interacção com a segunda proteína da cascata: a proteína de ligação estimulante da guanina nucleotídica ou, mais simplesmente, a proteína G estimulante (GS). É um heterotrimer composto por três subunidades: α (contendo o site de ligação de nucleótidos), β, e γ. Na forma inactiva, GSαβγ-GDP, o heterotrimer é acoplado a receptoresadrenérgicos β.
As alterações conformacionais no receptor permitem-lhe catalisar a substituição do PIB por GTP na subunidade α do complexo GSαβγ. Isto leva à dissociação do trimer num dímero inactivo, βγ, e do complexo GSα-GTP que se move ao longo do plano da superfície interna da membrana plasmática, ao qual é ancorado por um grupo palmitoyl covalentemente ligado, até atingir a adenylyl ciclase (EC 4.6.1.1).
Nota: a acção do GS assemelha-se à das proteínas Ras, outra classe de proteínas G que estão envolvidas na transdução do sinal de insulina.
Adenil ciclase
É uma enzima de membrana integral, cujo local activo se encontra no lado citosólico da membrana plasmática. A interacção entre GSα e a adenil ciclase activa a enzima que, por sua vez, catalisa a síntese de cAMP a partir de ATP. Isto leva a um aumento da concentração intracelular do nucleótido cíclico.
A actividade estimulante do GSα é auto-limitada, pois é um GPTasi, ou seja, hidrolisa o GTP ligado ao PIB, desligando-se assim. Na forma inactiva, GSα dissocia-se da adenil ciclase e reassocia-se com o dímero Gβγ. Portanto, o heterotrimer está novamente disponível para interagir com um complexo hormonal-receptor.
Proteína kinase A
cAMP liga-se e activa cAMP-dependente da proteína quinase ou proteína kinase A ou PKA (EC 2.7.11.11). A forma inactiva da enzima é um tetrâmero composto por duas subunidades catalíticas e duas subunidades reguladoras. Cada uma das duas subunidades reguladoras tem um domínio auto-inibidor, ou seja, uma região que ocupa o local de ligação para o substrato de cada subunidade catalítica. A ligação de duas moléculas de cAMP a dois sítios em cada subunidade reguladora leva a uma mudança conformacional que causa a sua dissociação do tetrâmero, libertando as duas subunidades catalíticas como enzimas activas. A forma activa do PKA catalisa a fosforilação de algumas proteínas, activando ou inibindo-as, tais como:
li> lipase sensível ao hormônio (EC 3.1.1.79), ativada;li>fosfofrutoquinase 2/frutose-2,6-bisfosfatase (EC 2.7.1.105 e EC 3.1.3.46 respectivamente), activada;li>inibidor-1 e a subunidade de ligação ao glicogénio (G)-subunidade de proteína fosfatase 1, activada;li> phosphorylase kinase, activada.
p>cAMP tem uma meia-vida muito curta: é hidrolisada a AMP, que não tem actividade de segundo mensageiro, na reacção catalisada pela nucleotide fosfodiesterase cíclica (EC 3.1.4.53). A cafeína e a teofilina, duas metilxantinas contidas no café e no chá, respectivamente, inibem a fosfodiesterase, aumentando assim a meia-vida da cAMP, e melhorando os seus efeitos.
Phosphorylase kinase
A próxima etapa da cascata é catalisada pela fosforilase kinase.
A proteína é composta por quatro subunidades diferentes, cada uma presente com quatro cópias para formar um complexo referido como (αβγδ)4. As subunidades γ têm actividade catalítica, enquanto que α, β e δ são subunidades reguladoras. α e β subunidades são fosforiladas quando a enzima muda do estado inactivo para o estado activo. A subunidade δ, também chamada calmodulin, é uma proteína reguladora que liga os iões de cálcio. Esta proteína também está presente num grande número de outras enzimas. Actua como um sensor de cálcio, ou seja, responde a alterações na concentração intracelular de cálcio, influenciando a actividade das proteínas com as quais interage (ver abaixo). A fosforilase quinase existe em duas isoformas, uma expressa no fígado e outra no músculo esquelético e cardíaco; diferem em relação às subunidades α e γ, que são codificadas por diferentes genes.
Uma das proteínas alvo da fosforilase quinase é a glicogénese fosforilase. Esta enzima existe como isoenzimas em diferentes tecidos, e em dois estados conformacionais em equilíbrio dinâmico, referidos como:
li>R, para relaxado, que é mais activo, e capaz de se ligar ao glicogénio, também no estado fosforilado (ver abaixo).
O cinase fosforilatos um único resíduo sereno (Ser-14) em cada uma das duas subunidades de glicogénio fosforilase, que está quase inteiramente no estado T, convertendo-o para a forma activa, que, pelo contrário, está quase inteiramente no estado R, e portanto desencadeando a decomposição do glicogénio.
A enzima fosforilase fosforilase é a forma mais activa da enzima e é referida como glicogénio fosforilase a; a enzima não fosforilase é a forma menos activa da enzima, e é referida como glicogénio fosforilase b. As duas formas enzimáticas podem ser inibidas ou activadas alostericamente (ver abaixo).
No músculo, a glicogenólise liberta glicose 1-fosfato que, como se viu anteriormente, é metabolizada no próprio músculo para produzir energia para contracção muscular, e portanto para a resposta de luta-ou-voo desencadeada pela adrenalina.
No fígado, o glucagon desencadeia a libertação de glicose na circulação para contrariar a hipoglicemia.
Após o fim da situação stressante, a fosforilase a fosfatase, também chamada fosfoproteína fosfatase 1 ou PP1 (EC 3.1.3.17), catalisa a remoção dos grupos fosfatos da fosforilase quinase e da glicogénio fosforilase a, convertendo-os assim em formas inactivas (a enzima remove também os grupos fosfatos da glicogénio sintetase). PP1 é constituída por uma subunidade catalítica, que tem baixa eficiência catalítica e baixa afinidade para o glicogénio, e a referida subunidade G, que pertence a uma família de proteínas que ligam outras proteínas ao glicogénio, conhecidas como proteínas alvo do glicogénio (também a quinase da fosforilase, a fosforilase do glicogénio, e a glicogénio-sintase estão ligadas a partículas de glicogénio por proteínas desta família).
PP1 é também inibida por outra proteína chamada inibidor 1 de PP1.
como anteriormente visto, os fosforilatos de PKA:
Por conseguinte, a ligação da hormona ao seu receptor desencadeia uma reacção em cascata que, entre outras coisas, leva à inibição da actividade do PP1. Isto mantém fosforilase glicogénio fosforilase e glicogénio sintetase fosforilase fosforilase: a primeira enzima é activada enquanto que a segunda é inibida. Desta forma, o metabolismo dos hidratos de carbono é optimizado.
Regulação alostérica da glicogénese no músculo e fígado
A glicogénese também é regulada por ambos os efectores alostéricos positivos e negativos. Actuam sobre três enzimas: fosforilase muscular quinase, hepática e músculo glicogénio fosforilase, e PP1.
Músculo fosforilase quinase
A actividade enzimática é regulada por dois efectores alostéricos positivos, ião de cálcio e AMP, e um efector alostérico negativo, ATP.
Um aumento da concentração intracelular de ião de cálcio é o sinal de contracção muscular e, uma vez libertado do retículo sarcoplasmático, o cálcio liga-se à subunidade δ (calmodulin) da enzima, activando-a.
AMP acumula-se no músculo durante a contracção intensa, devido ao consumo de ATP, e liga-se à enzima e activa-a. Pelo contrário, quando a concentração de ATP é elevada, ou seja, o músculo não se contrai, liga-se ao local alostérico para inactivar a cinase.
Fosforilase kinase hepática
algumas hormonas podem actuar tanto por desencadear modificações covalentes das proteínas alvo como por provocar a libertação de iões de cálcio do retículo endoplasmático.
No fígado, a fosforilase kinase é regulada por hormonas que provocam a libertação de iões de cálcio. Exemplos são a vasopressina, mas também a adrenalina quando esta se liga aos receptores α1. Em relação à adrenalina, a sua ligação aos receptores α1 activa uma proteína G que estimula a fosfolipase C-β, que por sua vez converte o fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato em inositol 1,4,5-trifosfato (IP3) e diacilglicerol. O inositol 1,4,5-trifosfato provoca a libertação de iões de cálcio a partir do retículo endoplasmático. Os iões de cálcio, ligados à subunidade δ de fosforilase quinase, levam à sua activação.
Músculo glicogénio fosforilase
Músculo glicogénio fosforilase b é activado na presença de altas concentrações de AMP, que, ligando-se a um local específico de ligação de nucleótidos, altera a estrutura quaternária da enzima, deslocando o equilíbrio alostárico para o estado activo R da forma b. Pelo contrário, o ATP e o glucose-6-fosfato, que competem com o AMP para o mesmo sítio de ligação de nucleótidos, actuam como agentes de efeito alostárico negativos, deslocando o equilíbrio alostárico para o estado T inactivo da forma b.
Músculo glicogénio fosforilase a é activo, independentemente dos níveis de AMP, ATP, e glucose-6-fosfato.
No músculo em repouso, quase toda a glicogénio fosforilase está na forma b inactiva.
De facto, a regulação covalente e alostérica da enzima assegura que os níveis de glicose intracelular são finamente regulados.
Regulação alostérica da PP1
PP1 é activada alostericamente pelo glucose-6-fosfato, portanto quando a carga de energia celular é baixa.
Hepatic glycogen phosphorylase
No fígado, a regulação alostérica da enzima ocorre através de diferentes mecanismos.
no fígado, o objectivo da glicogenólise é fornecer glicose a outros tecidos quando o nível de glicose no sangue é baixo. Quando o nível de glicose no sangue volta ao normal, a sua concentração em hepatócitos aumenta e liga-se à glicogénese fosforilase a, induzindo uma alteração conformacional que expõe os resíduos serínicos fosforilados à actividade PP1, que inactiva a enzima através da desfosforilação. Portanto, o local alostérico para a glicose da glicogénio fosforilase hepática permite que a enzima actue como um sensor de glucose no sangue, respondendo adequadamente às alterações do nível de glucose no sangue. Em última análise, a isoenzima hepática responde apenas à glucose, não à AMP, ou seja, à carga de energia celular, e isto é notável porque os ácidos gordos, e não a glucose, são a fonte primária de energia para o fígado.
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