CALEA PENTOZ-FOSFAŢILOR

Calea pentoz-fosfaților (numită și șuntul hexoz-monofosfaților) este o cale de metabolizare a glucozei care constituie o alternativă la degradarea acestui compus prin glicoliză. În majoritatea ţesuturilor, soarta principală a glucozo-6-fosfatului este degradarea prin glicoliză la piruvat, urmată de degradarea în continuare a acestuia, cu generare de ATP. În unele ţesuturi, are o importanţă particulară metabolizarea glucozei pe calea pentoz-fosfaţilor, care are roluri complet diferite de cele ale glicolizei.

Acest proces are loc în citoplasmă şi cuprinde 2 faze: faza oxidativă (ireversibilă) faza neoxidativă (reversibilă).

I. Faza oxidativă (transformarea hexoz-P în pentoz-P) (#2)

Începe cu o reacţie de dehidrogenare a glucozo-6-fosfatului în prezenţă de NADP+, cu formare de 6-fosfo-gluconolactonă şi NADPH + H+, sub acţiunea catalitică a glucozo-6-fosfat dehidrogenazei. Glucono-lactonaza catalizează apoi hidroliza lactonei, cu formare de acid 6-fosfo-gluconic.

Urmează o nouă dehidrogenare NADP+-dependentă urmată imediat de decarboxilare, într-o reacție catalizată de 6-P-gluconat dehidrogenaza, cu generarea unei noi molecule de NADPH + H+

şi a unei pentoze: ribuloză-5-fosfat.Ribulozo-5-P se poate transforma în alte două pentoze prin două reacţii de izomerizare: (#3)- prin epimerizare sub acțiunea fosfopentoz-epimeraze se transformă în xiluloză-5-P (care

conţine o inversiune la C3);- printr-o izomerizare cetoză-aldoză sub acțiunea fosfopentoz-izomerazei se tranformă în

riboză-5-P.

Ecuaţia globală a primei etape a căii pentoz-fosfaţilor este:

Glucoză-6-P + 2 NADP+ + H2O Riboză-5-P + CO2 + 2 NADPH + 2 H+

II. Faza neoxidativă (transformarea pentoz-P în hexoz-P) (#4,5)

În această fază au loc o serie de rearanjări ale scheletelor de C ale pentozelor fosforilate formate în prima etapă, care vor realiza reciclarea pentoz-fosfaţilor la hexoz-fosfaţi, permiţând astfel oxidarea continuă a glucozo-6-P.

Mai întâi, transcetolaza catalizează transferul unui fragment cu 2 C de la un donor cetozic (xiluloză-5-P) la un acceptor aldozic (riboză-5-P), cu formare de sedoheptuloză-7-P şi gliceraldehidă-3-P. Enzima necesită participarea tiamin pirofosfatului (forma activă a vitaminei B1) în calitate de coenzimă: TPP joacă rolul de transportor al fragmentului de 2 C între cele două pentoze fosforilate.

Apoi, transaldolaza catalizează transferul unui fragment de 3 C de la sedoheptuloză-7-P la gliceraldehidă-3-P, formându-se fructoză-6-P şi eritroză-4-P (o aldo-tetroză).

Urmează o nouă intervenţie a transcetolazei, care catalizează transferul unui fragment de 2 C de la o nouă moleculă de xiluloză-5-P la eritroză-4-P, cu formare de fructoză-6-P şi gliceraldehidă-3-P.

Produşii fazei neoxidative a şuntului pentoz-fosfaţilor, fructozo-6-P şi gliceraldehida-3-P, pot urma în continuare două căi: (#6,7,9)

- prin parcurgerea câtorva etape din gluconeogeneză, se pot transforma în glucoză-6-P, aceasta putându-se angaja din nou în faza oxidativă a căii pentoz-P;

- prin angajare în procesul glicolizei, cei doi compuşi sunt degradaţi la piruvat sau lactat.

1

Bilanţul global al celor două faze ale căii pentoz-fosfaţilor constă în degradarea a 3 molecule de glucoză-6-P la două molecule de fructoză-6-P şi o moleculă de gliceraldehidă-3-P.

Multiplicând cu 2, se ajunge la următoarea ecuaţie globală (având în vedere că una din cele două molecule de gliceraldehidă-3-P se poate izomeriza la dihidroxiaceton-P, iar cele două trioze formează împreună o moleculă de fructoză-1,6-P2, care apoi se transformă în fructoză-6-P): (#8)

6 G-6-P + 12 NADP+ + 7 H2O 5 F-6-P + 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + Pi

5 G-6-P

Bilanţul net constă, deci, în oxidarea totală a unei molecule de glucoză-6-P la 6 CO2:

Glucoză-6-P + 12 NADP+ + 7 H2O 6 CO2 + 12 NADPH + 12 H+ + Pi IMPORTANŢA CĂII PENTOZ-FOSFAŢILOR

Calea pentoz-fosfaților nu prezintă importanță din punct de vedere energetic, ci rolurile sale constau în producerea a doi compuși cu roluri esențiale în celule: NADPH și riboză-5-fosfat.

1. Producerea de NADPH - utilizat ca donor de echivalenţi reducători pentru următoarele scopuri:

Procesele de biosinteză reductivă: biosinteza de acizi graşi, colesterol, hormoni steroizi; astfel, şuntul este activ în ţesuturile în care au loc asemenea procese: ficat, ţesut adipos, glanda mamară în lactaţie, glandele corticosuprarenale şi gonade.

Detoxifierea xenobioticelor (substanțe străine organismului: medicamente sau substanțe toxice) la nivel hepatic. Acest proces presupune, într-o primă etapă, hidroxilarea compușilor respectivi sub acțiunea unui sistem monooxigenazic, cu participarea oxigenului molecular, a NADPH și a citocomului P450:

R−H + O2 + NADPH + H+ → R−OH + NADP+ + H2O

Reducerea glutationului oxidat, cu menţinerea în celulă a unor rezerve adecvate de glutation redus (GSH, un tripeptid: -glutamil-cisteinil-glicina); reacţia este catalizată de glutation reductază. La rândul său, GSH este implicat în descompunerea peroxidului de hidrogen sub acţiunea glutation peroxidazei (enzimă ce necesită seleniu în calitate de cofactor). H2O2 este un agent oxidant puternic, care poate ataca membranele celulare, ducând la lezarea acestora. Contracarând acţiunea peroxidului de hidrogen, GSH este unul din componentele importante ale echipamentului de apărare anti-oxidantă al celulelor, având efect protector asupra membranelor celulare. (#10)

Calea pentoz-P are o importanţă particulară în eritrocit, unde reprezintă singura sursă de NADPH (în alte ţesuturi mai există alte două posibilităţi de sinteză a NADPH: reacţia malic-enzimei şi reacţia izocitrat dehidrogenazei NADP+-dependente).

În cazul unui deficit genetic al glucozo-6-P dehidrogenazei, scade generarea de NADPH în eritrocit, ceea ce afectează negativ activitatea glutation reductazei și duce la scăderea rezervelor de glutation redus. Ca urmare, scade capacitatea de descompunere a peroxidului de hidrogen, iar acumularea acestuia determină lezarea oxidativă a membranei plasmatice a eritrocitului (hemoliză); reducerea duratei de viaţă a hematiilor se manifestă sub forma anemiei hemolitice. (#11)

2. Sinteza de riboză-5-P - precursor utilizat în biosinteza de nucletide. Acestea, la rândul lor, reprezintă unităţile structurale ale acizilor nucleici, intră în componenţa unor coenzime (NAD +, FAD, coenzima A) şi a nucleotidelor macroergice implicate în stocarea şi transferul energiei libere (ATP, GTP, UTP, CTP).

Reglarea activităţii căii pentoz-fosfaţilor: (#12)

2

1. Glucozo-6-P dehidrogenaza este inhibată de NADPH, produs al reacției.2. Insulina determină inducţia celor două dehidrogenaze NADP+-dependente care

acţionează în faza oxidativă a şuntului.

Glucozo-6-P are două posibilități de metabolizare: glicoliza și calea pentoz-fosfaților. Alegerea uneia sau a alteia din cele două căi, la un moment dat, depinde de necesitățile de ATP, respectiv NADPH în acel țesut:

- Atunci când ţesutul foloseşte activ NADPH în procesele de biosinteză reductivă, se menţine o concentraţie ridicată a NADP+ în celulă → aceasta permite funcționarea optimă a G-6-P dehidrogenazei; pe de altă parte, scăderea concentrației NADPH duce la eliberarea G-6-P dehidrogenazei de sub acțiunea sa inhibitorie. Ca urmare, va crește viteza de desfăşurare a şuntului.

- Atunci când NADPH se formează mai rapid decât este utilizat, va creşte în celulă concentraţia NADPH → acesta inhibă G-6-P dehidrogenaza, ceea ce va duce la scăderea vitezei de desfăşurare a şuntului. În aceste condiții, glucozo-6-fosfatul se va angaja preponderent în procesul glicolizei.

Modul în care se desfășoară calea pentoz-fosfaților în diverse țesuturi depinde de necesităţile relative de NADPH şi riboză-5-P în ţesutul respectiv. Astfel, sunt posibile trei situaţii distincte:

În ţesuturile în care necesarul de NADPH şi cel de riboză-5-P sunt relativ egale (cum este ficatul) → şuntul se poate opri la finalul fazei oxidative, izomeraza transformând ribulozo-5-P în riboză-5-P, iar faza neoxidativă nu se mai desfășoară.

Dacă necesarul de NADPH este mai mare decât necesarul de riboză-5-P (cum se întâmplă, de exemplu, în ţesutul adipos) → faza oxidativă este activă și produce NADPH în cele două reacții de dehidrogenare, iar ribozo-5-P este îndepărtat prin angajare în faza a doua a şuntului. Fructozo-6-P şi gliceraldehida-3-P formate la finalul acestei faze sunt transformate în glucoză-6-P, care intră din nou în faza oxidativă, generând cantități suplimentare de NADPH; alternativ, produșii fazei neoxidative se pot angaja în glicoliză în vederea degradării. Deci într-un asemenea ţesut sunt active ambele faze ale căii pentoz-P.

Dacă necesarul de riboză-5-P este mai mare decât cel de NADPH (într-un ţesut precum muşchiul) → deşi faza I a şuntului are activitate foarte redusă, este posibilă, totuşi, sinteza de riboză-5-P pornind de la fructoză-6-P şi gliceraldehidă-3-P (care sunt obținuți din glicoliză), prin parcurgerea în sens invers a fazei neoxidative a şuntului (care are caracter reversibil). Ca urmare, nu este necesar să existe o cale a pentoz-fosfaţilor complet funcţională pentru ca un ţesut să poată sintetiza riboză-5-P.

METABOLISMUL GLICOGENULUI

3

Glicogenul reprezintă forma de depozitare a glucozei în organismele animale. Cele mai importante depozite de glicogen se găsesc în:

- ficat - glicogenul poate reprezenta până la 10% din greutatea organului (aprox. 100 g);- muşchi - glicogenul poate reprezenta până la 1-2% din greutatea ţesutului (în jur de 400 g).Motivul pentru care glucoza este depozitată sub formă de glicogen constă în faptul că acesta

reprezintă o formă de stocare din care glucoza poate fi rapid mobilizată, pentru a asigura necesarul de glucoză al ţesuturilor gluco-dependente, în perioadele în care lipseşte aportul exogen sau când crește substanțial necesarul de glucoză ca sursă de energie, cum se întâmplă în cursul exercițiului fizic.

O altă rezervă de energie o reprezintă trigliceridele depozitate în ţesutul adipos; deşi însumează aprox. 130.000 kcal (faţă de aprox. 800 kcal, cât reprezintă rezervele de glicogen), depozitarea energiei sub formă de lipide are două inconveniente faţă de depozitarea sa ca glicogen:

- trigliceridele nu pot fi utilizate ca sursă de energie în absenţa oxigenului;- acizii graşi din componenţa trigliceridelor nu pot fi transformaţi în glucoză (absolut

necesară pentru ţesuturile gluco-dependente).Depozitarea glucozei se face sub formă de glicogen şi nu sub formă de glucoză liberă

deoarece glucoza este o substanţă osmotic activă → dacă într-o celulă s-ar acumula acelaşi număr de molecule de glucoză sub formă liberă, presiunea osmotică intra-celulară ar creşte foarte mult → apa atrasă din mediul extra-celular ar determina liza osmotică a celulei (o concentraţie a glicogenului de 0,01 M este echivalentă cu o concentraţie a glucozei de 0,4 M).

Structura glicogenului Glicogenul este un polimer de glucoză cu structură ramificată: (#14)- porţiunile liniare sunt formate din molecule de glucoză unite prin legături (1-4)-

glicozidice;- ramificaţiile sunt create prin formarea de legături (1-6)-glicozidice.Ramificaţiile sunt situate la distanţă de 4 resturi glucozil (în interiorul moleculei), fiind mai

rare spre periferia moleculei; fiecare lanţ liniar conţine 12-14 molecule de glucoză, iar pe fiecare lanţ sunt ataşate două ramificaţii. Molecula glicogenului conține un singur capăt reducător (C-1 al unei molecule de glucoză, ce poartă gruparea hidroxil glicozidic), toate celelalte capete ale lanțurilor de glicogen fiind nereducătoare (au liberă gruparea hidroxil de la C-4).

Structura ramificată a glicogenului prezintă un mare avantaj: permite sinteza și degradarea sa rapidă, enzimele implicate putând acționa simultan la nivelul capetelor nereducătoare de pe mai multe lanțuri.

I. SINTEZA GLICOGENULUI (GLICOGENOGENEZA)

Pentru a putea fi încorporată în molecula glicogenului, glucoza trebuie să fie activată cu un nucleotid, sub formă de UDP-glucoză. (#16)

- Pentru aceasta, glucoza este mai întâi fosforilată la glucoză-6-fosfat sub acţiunea hexokinazei sau a glucokinazei, după care este izomerizată la glucoză-1-fosfat sub acţiunea fosfogluco-mutazei.

- Glucozo-1-fosfat uridil transferaza (UDP-glucoz-pirofosforilaza) catalizează apoi transferul unui radical uridil (UMP) din UTP pe glucoză-1-fosfat, cu formare de UDP-glucoză; aceasta reprezintă o formă activă a glucozei: o parte din energia legăturii fosfoanhidridice din UTP care se scindează este înmagazinată în molecula UDP-glucozei, crescând astfel conţinutul de energie liberă al moleculei şi făcând posibilă participarea sa la reacţia de sinteză a glicogenului.

- Pirofosfatul eliberat în această reacţie este hidrolizat sub acţiunea pirofosfatazei anorganice; aceasta menţine concentraţia pirofosfatului la un nivel redus → echilibrul reacţiei catalizate de uridil transferază este net favorizat în sensul formării UDP-glucozei.

4

UDP-glucoza este donorul de grupare glucozil pentru sinteza glicogenului: restul glucozil este transferat, sub acţiunea glicogen sintazei, la capătul nereducător al unei molecule mici de glicogen deja existentă, care funcţionează ca primer pentru sinteza glicogenului. (#17) Întrucât glicogen sintaza nu poate iniţia sinteza de glicogen pornind de la o moleculă de glucoză, este necesar să existe deja acest primer de glicogen (care să amorseze sinteza glicogenului); primerul poate fi:

- un lanţ scurt de glicogen rămas din procese de degradare ale glicogenului anterioare (cu minimum 4 resturi de glucoză);

- glicogenina: este o proteină pe care sunt asamblate, la nivelul unei grupări −OH dintr-un rest de tirozină, primele câteva molecule de glucoză (provenite din UDP-glucoză, sub acţiunea glucozil-transferazică a proteinei); glicogenina rămâne legată la singurul capăt reducător al moleculei de glicogen. (#18)

Glicogen sintaza poate realiza numai legături (1-4)-glicozidice. Pentru formarea legăturilor (1-6)-glicozidice (care creează puncte de ramifiere), atunci când lanţul s-a alungit cu 11 resturi de glucoză intervine o altă enzimă: enzima de ramifiere [amilo(1-4)→(1-6) transglicozilaza]: aceasta transferă un fragment cu aproximativ 6 resturi glucozil de la capătul nereducător al unui lanţ → la atomul C6 al unui rest de glucoză din acelaşi lanţ sau dintr-un lanţ diferit. Prin formarea unei legături (1-6)-glicozidice, se creează un punct de ramifiere. Ulterior intervine glicogen sintaza, care va adăuga noi molecule de glucoză prin legături (1-4)-glicozidice şi va alungi ramificaţia. (#19)

Ca urmare a modului de acţiune al glicogen sintazei, molecula de glicogen conţine un singur capăt reducător şi o multitudine de capete nereducătoare: acesta constituie un avantaj, întrucât creează numeroase situsuri de acţiune pentru enzimele implicate în sinteza şi degradarea glicogenului, ceea ce asigură o eficienţă sporită a acestor procese.

Ecuaţia globală a alungirii moleculei de glicogen cu un rest de glucoză:

Glucoză + ATP + UTP + (Glucoză)n + H2O (Glucoză)n+1 + ADP + UDP + 2 Pi

Sinteza glicogenului este un proces consumator de energie: pentru fiecare moleculă de glucoză adăugată se consumă 2 legături macroergice.

II. DEGRADAREA GLICOGENULUI (GLICOGENOLIZA)

Are loc printr-un proces de fosforoliză: scindarea legăturilor (1-4)-glicozidice de la capătul nereducător al unui lanţ de glicogen cu ajutorul fosfatului anorganic → eliberarea glucozei terminale sub formă de glucoză-1-fosfat. Acest proces este catalizat de glicogen fosforilază, enzimă care necesită prezenţa piridoxal-fosfatului (forma activă a vitaminei B6) în calitate de cofactor esenţial. (#21)

Glicogen fosforilaza acţionează repetitiv până când ajunge la o distanţă de 4 resturi glucozil faţă de un punct de ramifiere, moment în care se opreşte.

La nivelul ramificaţiilor moleculei de glicogen acţionează o altă enzimă numită enzima de deramifiere, care are activitate dublă: (#22)

- prin activitatea oligo-(1-4)→(1-4) glucan transferazică, ea transferă un grup de 3 resturi glucozil de pe lanţul care a fost scurtat pe un alt lanţ, unde leagă acest fragment prin legătură (1-4) glicozidică;

- prin activitatea (1-6) glicozidazică, enzima scindează hidrolitic restul de glucoză care a rămas la punctul de ramifiere (legat (1-6)-glicozidic) → îndepărtează această moleculă de glucoză sub formă de glucoză liberă.

După ce ramificaţia a fost îndepărtată, asupra lanţului liniar de glicogen va acţiona în continuare glicogen fosforilaza.

5

Aşadar, produşii degradării glicogenului sunt:

- în principal glucoză-1-P, care rezultă în urma procesului de fosforoliză catalizat de glicogen fosforilază;

- o cantitate mică de glucoză liberă, rezultată de la nivelul punctelor de ramifiere, în urma procesului de hidroliză catalizat de enzima de deramifiere.

Glucozo-1-P rezultat din glicogenoliză se va transforma în glucoză-6-P sub acţiunea fosfogluco-mutazei. Ulterior, soarta glucozo-6-fosfatului este diferită în ficat faţă de muşchi:

- în ficat, glucozo-6-P este hidrolizat sub acţiunea glucozo-6-fosfatazei, cu formare de glucoză liberă → aceasta este eliberată în sânge cu ajutorul transportorului GLUT2 situat în membrana plasmatică a celulelor hepatice → din sânge, glucoza va fi captată de către ţesuturile gluco-dependente, în vederea satisfacerii necesităţilor energetice; (#23)

- în muşchi, glucozo-6-fosfataza este absentă (deci glucozo-6-P nu poate fi transformat în glucoză liberă), iar glucoza fosforilată nu poate părăsi celula => glucozo-6-P va fi utilizat în glicoliză, pentru generare de ATP necesar contracţiei musculare.

Glicogenul din ficat şi cel din muşchi au roluri diferite: (#24)

În ficat, glicogenul - se sintetizează în condiţiile abundenţei de glucoză (postprandial); - se epuizează după 12-20 ore de post.

Rolul glicogenului hepatic este acela de a contribui la menţinerea constantă a glicemiei în intervalele dintre prânzuri (întrucât ficatul poate elibera în sânge glucoza rezultată din degradarea glicogenului, ca urmare a existenței glucozo-6-fosfatazei). Glicogenul hepatic este prima sursă endogenă de glucoză la care se apelează pentru a menține nivelul glucozei sanguine în perioadele interprandiale. Glicogenul hepatic oferă o sursă rapid mobilizabilă de glucoză plasmatică, ce poate fi utilizată în absența aportului exogen de glucide, sau în cursul exercițiului fizic susținut, după epuizarea rezervelor de glicogen muscular, pentru a asigura necesarul crescut de glucoză al mușchiului.

În muşchi, glicogenul - se epuizează după efortul susţinut (în aproximativ o oră);- se sintetizează după ce muşchiul a revenit la starea de repaus, pentru refacerea depozitelor.

(glicogenul muscular nu este afectat de perioade de post de câteva zile şi scade doar moderat în cursul postului prelungit).

Glicogenul muscular nu poate contribui la menţinerea constantă a glicemiei între prânzuri: nu poate furniza glucoză sângelui, datorită absenţei glucozo-6-fosfatazei. Rolul glicogenului muscular este acela de a constitui o rezervă de glucoză utilizabilă pentru satisfacerea necesităţilor energetice proprii ale muşchiului.

REGLAREA METABOLISMULUI GLICOGENULUI

I. Reglarea glicogenogenezei (#27)

Glicogen sintaza este supusă controlului metabolic prin intermediul reglării covalente şi al reglării alosterice.

1. Reglarea covalentă

Enzima poate exista sub două forme:- glicogen sintaza a - este forma activă, defosforilată- glicogen sintaza b - este forma inactivă, fosforilată

Fosforilarea glicogen sintazei se realizează la mai multe resturi de serină, prin transferul de grupări fosfat din ATP, sub acţiunea mai multor protein kinaze diferite, principala fiind protein kinaza A. Aceasta este activată de AMP ciclic, care se formează din ATP sub acţiunea adenilat

6

ciclazei, iar aceasta la rândul său este activată în urma cuplării unor hormoni cu receptorii lor membranari. AMPc este, deci, mesagerul secund prin intermediul căruia acţionează aceşti hormoni şi anume:

- glucagonul - acţionează asupra glicogenului din ficat;- adrenalina - acţionează asupra glicogenului din ficat şi din muşchi; activarea adenilat

ciclazei se realizează ca urmare a cuplării adrenalinei cu receptori β-adrenergici. Defosforilarea glicogen sintazei se realizează prin îndepărtarea hidrolitică a fosfatului sub

acţiunea protein fosfatazei-1, enzimă care este activată de către insulină.

2. Reglarea alosterică

Glucozo-6-fosfatul acţionează ca modulator alosteric pozitiv pentru glicogen sintaza b: el se leagă la un situs alosteric de pe suprafaţa enzimei şi determină o modificare conformaţională, care favorizează acţiunea protein fosfatazei-1 → defosforilarea glicogen sintazei b → activarea sa (trecerea la forma „a”). Acest efect al glucozo-6-P se exercită după prânzurile glucidice, când concentraţia sa în celule creşte.

II. Reglarea glicogenolizei (#28)

Glicogen fosforilaza suferă două tipuri de reglare: covalentă şi alosterică.

1. Reglarea covalentă

Enzima poate exista sub două forme:- fosforilaza a - activă, este forma fosforilată- fosforilaza b - inactivă, defosforilată.

Fosforilarea glicogen fosforilazei este catalizată de fosforilaz kinază → această enzimă este reglată, la rândul său, covalent:

- fosforilaz kinaza a este forma activă, fosforilată; fosforilarea sa se realizează sub acţiunea protein kinazei A, activată de glucagon şi adrenalină (prin receptori β-adrenergici);

- fosforilaz kinaza b este forma inactivă, defosforilată; defosforilarea se realizează sub acţiunea protein fosfatazei-1, activată de insulină.

Defosforilarea glicogen fosforilazei este catalizată de protein fosfataza-1, activată de insulină.

Adrenalina stimulează glicogenoliza hepatică și pe o altă cale, activată în urma acțiunii pe receptori α1-adrenergici: prin intermediul proteinei Gq, are loc activarea fosfolipazei C membranare, care hidrolizează fosfatidil-inozitol difosfatul în diacilglicerol și inozitol trifosfat (IP3). Acesta din urmă stimulează eliberarea Ca2+ din reticului endoplasmic, ceea ce duce la creșterea concentrației calciului citosolic. Ionii de Ca2+ se leagă la calmodulină, care este una din subunităţile fosforilaz kinazei (această enzimă este alcătuită din 4 subunităţi: αşiβconţin resturile de serină care sunt fosforilate de către protein kinaza A,λconţine situsul catalitic, iarδeste calmodulina); legarea Ca2+ la această subunitate determină modificarea conformaţiei sale, iar complexul calciu-calmodulină va activa fosforilaz kinaza (totuşi activarea maximă a acestei enzime necesită atât fosforilarea cât şi legarea Ca2+). Fosforilaza kinaza activează apoi, prin fosforilare, glicogen fosforilaza. (#29)

2. Reglarea alosterică

Se realizează diferit în ficat faţă de muşchi (există două izoenzime ale glicogen fosforilazei în cele două ţesuturi, care sunt codificate de gene diferite).

a) În ficat: glicogen fosforilaza este supusă controlului alosteric prin intermediul glucozei. Atunci când glicemia creşte după un prânz glucidic, glucoza intră în hepatocit şi se leagă la

un situs alosteric inhibitor de pe suprafaţa glicogen fosforilazei a → determină o modificare conformaţională, care va duce la expunerea restului de serină fosforilat → este favorizată astfel

7

acţiunea protein fosfatazei-1 → aceasta va cataliza defosforilarea şi, deci, inactivarea glicogen fosforilazei.

Astfel, acest situs alosteric reprezintă un „senzor” pentru glucoză cu ajutorul căruia glicogen fosforilaza hepatică poate răspunde adecvat la modificări ale nivelului glucozei plasmatice.

b) În muşchi: degradarea glicogenului este influenţată prin două mecanisme de control alosterice.

Calciul sincronizează activarea fosforilazei cu contracţia musculară (în timpul contracţiei musculare, există o nevoie urgentă de ATP, care este sintetizat pe seama energiei eliberate prin degradarea glucozo-6-P provenit din glicogenoliza musculară). Impulsul nervos determină depolarizarea membranei celulei musculare → eliberarea Ca2+ din reticulul sarcoplasmic → creşterea concentraţiei Ca2+ citosolic → Ca2+ are două efecte: (#30)

- declanşează contracţia musculară;- în urma legării la calmodulină, activează fosforilaz kinaza prin mecanismul descris mai

sus, iar fosforilaz kinaza catalizează fosforilarea glicogen fosforilazei, ducând la activarea acesteia. AMP se acumulează în muşchiul aflat în contracţie viguroasă ca rezultat al degradării ATP

(creșterea [AMP] este un semnal de scădere a rezervelor de ATP) → AMP se leagă la fosforilaza b şi o activează → accelerarea degradării glicogenului → se eliberează astfel glucoza necesară pentru generarea de ATP prin degradare glicolitică. AMP activează alosteric și enzima reglatorie a glicolizei (fosfofructokinaza-1), sincronizând astfel stimularea glicogenolizei cu cea a glicolizei.

Acest control alosteric al glicogen fosforilazei musculare, prin intermediul Ca2+ şi al AMP, reflectă rolul acestei enzime de a asigura necesarul de glucoză, deci de ATP pentru contracţia musculară.

Reglarea coordonată, reciprocă a sintezei şi degradării glicogenului în ficat (#31)

Sinteza şi degradarea glicogenului la nivel hepatic nu funcţionează simultan cu viteze egale, astfel încât se evită formarea unui ciclu cu rezultat nul şi consumator de ATP (ataşarea unui rest de glucoză la molecula glicogenului consumă 2 legături macroergice, iar detaşarea unui rest de glucoză nu produce nici o moleculă de ATP).

Cele două procese sunt reglate coordonat şi reciproc: activarea unuia are loc concomitent cu inactivarea celuilalt şi viceversa (în funcţie de circumstanţele de moment în care se află organismul). Această reglare reciprocă este posibilă datorită faptului că glicogen sintaza şi glicogen fosforilaza sunt:

- fosforilate sub acţiunea aceleiaşi enzime (protein kinaza A);- defosforilate sub acţiunea aceleiaşi enzime (protein fosfataza-1).

După prânzurile glucidice : creşte nivelul insulinei în sânge → aceasta activează protein fosfataza-1 → defosforilarea - glicogen sintazei → activarea sa

- glicogen fosforilazei → inactivarea sa.Deci în aceste perioade - este accelerată sinteza de glicogen

- este încetinită degradarea glicogenului.Astfel, în perioadele în care nivelul glicemiei este crescut, este favorizată depozitarea unei

părţi din glucoza plasmatică sub formă de glicogen în ficat.

Între prânzuri şi în stările de post : creşte nivelul glucagonului în sânge → acesta activează protein kinaza A (prin intermediul AMPc) → fosforilarea - glicogen fosforilazei → activarea sa

- glicogen sintazei → inactivarea sa. Deci în aceste perioade - este accelerată degradarea glicogenului

- este încetinită sinteza de glicogen.Astfel, în perioadele de absenţă a aportului exogen de glucoză, nivelul glicemiei este

menţinut pe seama glucozei eliberate prin degradarea glicogenului gepatic.

8

Glicogenoze (boli de stocare a glicogenului)

Reprezintă un grup de boli cu caracter genetic cauzate de deficite ale enzimelor implicate în metabolismul glicogenului. Ele se caracterizează prin acumularea în ţesuturi a unor cantităţi excesive de glicogen sau a unui glicogen cu structură anormală. Există mai multe tipuri de glicogenoze; câteva dintre acestea sunt:

- Deficitul glucozo-6-fosfatazei (boala von Gierke sau tipul I de glicogenoză) - se caracterizează prin depozitarea de cantităţi excesive de glicogen cu structură normală în ficat, cu mărirea de volum a acestuia (hepatomegalie); de asemenea, boala se manifestă prin hipoglicemie, datorită incapacităţii de eliberare a glucozei din glucoză-6-fosfat.

- Deficitul enzimei de deramifiere (boala Cori-Forbes sau tipul III) - se caracterizează prin acumularea în ficat şi muşchi a unui glicogen cu structură anormală (un polizaharid ramificat).

- Deficitul glicogen fosforilazei musculare (boala McArdle sau tipul V) - se caracterizează prin acumularea de cantităţi excesive de glicogen în muşchi şi toleranţă scăzută la efortul muscular (crampe musculare).

- Deficitul glicogen fosforilazei hepatice (boala Hers sau tipul VI) - se caracterizează prin creşterea conţinutului de glicogen în ficat, cu hepatomegalie şi tendinţă spre hipoglicemie.

CALEA ACIDULUI GLUCURONIC

Este o cale de metabolizare a glucozei care duce la sinteza acidului UDP-glucuronic. (#33)

9

Procesul implică fosforilarea glucozei la glucoză-6-P, urmată de izomerizarea acesteia la glucoză-1-P sub acţiunea fosfogluco-mutazei. Glucozo-1-P reacţionează apoi cu UTP sub acţiunea glucozo-1-P uridil transferazei: are loc transferul unui rest uridil din UTP pe glucoză-1-P, cu formare de UDP-glucoză (aceste prime etape sunt comune cu cele din procesul glicogenogenezei).

UDP-glucoza este oxidată în două etape la C6 sub acţiunea UDP-glucoz-dehidrogenazei, în prezenţa a 2 molecule de NAD+, cu formare de acid UDP-glucuronic (forma activă a glucuronatului).

De remarcat că UDP-glucoza este intermediar comun în sinteza de glicogen și în sinteza acidului UDP-glucuronic. (#36)

Rolurile acidului UDP-glucuronic: (#34)

1. Participă la procesul de conjugare al unor compuşi endogeni (bilirubina, unii hormoni liposolubili) şi exogeni (unele medicamente şi substanţe toxice), la nivelul ficatului. Prin încorporarea acidului glucuronic (compus cu caracter polar) în compuşii respectivi, creşte hidrosolubilitatea acestora; în consecință: (#33)

- compuşii conjugaţi se elimină mai uşor din organism prin bilă sau prin urină; - ei nu mai pot pătrunde în celule (de ex. în celulele cerebrale) pentru a exercita efecte

toxice.Așadar, conjugarea cu acidul glucuronic are ca efect scăderea toxicităţii compușilor

respectivi.

2. Acidul UDP-glucuronic participă la sinteza glicozaminoglicanilor. Aceştia sunt polizaharide neramificate alcătuite din unităţi dizaharidice repetitive, compuse dintr-un acid uronic (acidul glucuronic sau epimerul său la C5, acidul iduronic) şi o hexozamină (glucozamina sau galactozamina, de obicei acetilate). Prin ataşarea covalentă a glicozaminoglicanilor la o parte proteică se formează proteoglicanii, care sunt componente importante ale matricei extracelulare.

Exemple de glicozaminoglicani: acidul hialuronic, condroitin sulfat, keratan sulfat, heparan sulfat, dermatan sulfat. Cu excepţia acidului hialuronic, ceilalţi glicozaminoglicani conţin ataşate grupări sulfat. (#35)

SINTEZĂ A METABOLISMULUI GLUCIDIC

10

Caracteristici ale glucozei ca sursă de energie:

Glucoza este o sursă de energie pentru toate ţesuturile. Unele țesuturi sunt gluco-dependente: creier, eritrocit, mușchi scheletic în activitate intensă. Glucoza este singurul combustibil care poate genera ATP în anaerobioză (prin fosforilare

la nivel de substrat): - aport insuficient de oxigen în raport cu necesitățile de ATP (de ex. muşchiul scheletic în activitate intensă, stări de hipoxie tisulară);- celule fără mitocondrii (eritrocit).

Alte substrate energogene (provenite din lipide: acizi graşi, corpi cetonici, precum și aminoacizii) pot genera ATP numai în aerobioză, prin fosforilare oxidativă.

Cei doi hormoni pancreatici - insulina şi glucagonul - reglează procesele din cadrul metabolismului glucidic, realizând adaptarea la necesităţile de moment; ei acţionează asupra enzimelor-cheie din căile metabolice prin 2 mecanisme:

- influenţarea reglării covalente (prin fosforilare-defosforilare) a activităţii enzimatice;- modificarea cantităţii enzimelor prin inducţie-represie.

I. După prânzurile glucidice (abundenţă de glucoză)

Glicemia crește → stimulează secreţia de insulină → raport insulină/glucagon crescut.

Căi metabolice active:- toate ţesuturile utilizează glucoza ca sursă de energie, prin glicoliză- în ficat şi muşchi are loc depozitarea glucozei sub formă de glicogen- în unele ţesuturi are loc metabolizarea glucozei pe calea pentoz-fosfaţilor → sinteză de

NADPH şi riboză-5-fosfat.

Efectele insulinei:- activează procesele care utilizează glucoza plasmatică - glicoliza

- sinteza de glicogen- inhibă procesele care produc glucoză - gluconeogeneza

- degradarea glicogenuluiMecanisme:

↑ captarea glucozei în ţesuturi (în special muscular şi adipos) - prin ↑ nr. de transportori membranari pentru glucoză (GLUT-4)

↑ cantitatea de fructoză-2,6-difosfat (în ficat) →- (+) fosfofructokinaza-1 => ↑ glicoliza- (–) fructozo-1,6-disfosfataza => ↓ gluconeogeneza

inducţia enzimelor-cheie ale glicolizei (în special glucokinaza) represia enzimelor-cheie ale gluconeogenezei (+) protein fosfataza-1 → defosforilarea:

- glicogen sintazei → (+) => ↑ glicogenogeneza - glicogen fosforilazei → (–) => ↓ glicogenoliza

Rezultatul acestor acţiuni ale insulinei este scăderea glicemiei → readucerea sa la normal (la aproximativ 2 ore după prânzul glucidic).

II. Inter-prandial şi în stările de post (depleţie de glucoză)

Glicemia scade → este stimulată secreţia de glucagon → raport insulină/glucagon scăzut.

11

Căi metabolice active:- glucoza este consumată, ca sursă de energie, numai de către ţesuturile gluco-dependente- ficatul produce glucoză prin - degradarea glicogenului

- gluconeogeneză- glucoza produsă este eliberată în sânge → captată de ţesuturile gluco-dependente.

Efectele glucagonului: - activează procesele hepatice care produc glucoză - gluconeogeneza

- degradarea glicogenului - inhibă procesele care utilizează glucoza plasmatică - glicoliza

- sinteza de glicogenMecanisme:

↓ cantitatea de fructoză-2,6-difosfat (în ficat) →- (+) fructozo-1,6-disfosfataza => ↑ gluconeogeneza - (–) fosfofructokinaza-1 => ↓ glicoliza

inducţia enzimelor-cheie ale gluconeogenezei ↑ cantitatea de AMPc în celulele hepatice → activarea protein kinazei A → fosforilarea:

- glicogen fosforilazei (prin intermediul fosforilaz kinazei) → (+) => ↑ glicogenoliza

- glicogen sintazei → (–) => ↓ glicogenogeneza

Rezultatul acestor acţiuni ale glucagonului este creşterea glicemiei → menţinerea sa la un nivel constant în condiţiile lipsei aportului exogen de glucoză.

Procesmetabolic

INSULINA GLUCAGONULEfect Mecanism Efect Mecanism

Glicoliza ↑ (+) fosfofructokinaza-1inducţia enzimelor-cheie

↓ (–) fosfofructokinaza-1

Gluconeogeneza ↓ (–) fructozo-1,6-disfosfatazarepresia enzimelor-cheie

↑ (+) fructozo-1,6-disfosfatazainducţia enzimelor-cheie

Glicogenogeneza ↑ (+) glicogen sintaza ↓ (–) glicogen sintazaGlicogenoliza ↓ (–) glicogen fosforilaza ↑ (+) glicogen fosforilaza

12