Il glicogeno è una forma di immagazzinamento del glucosio prontamente mobilitata. È un polimero molto grande e ramificato di residui di glucosio (Figura 21.1) che può essere scomposto per produrre molecole di glucosio quando è necessaria energia. La maggior parte dei residui di glucosio nel glicogeno sono legati da legami α-1,4-glicosidici. Le ramificazioni a circa ogni decimo residuo sono create da legami α-1,6-glicosidici. Ricordiamo che i legami α-glicosidici formano polimeri elicoidali aperti, mentre i legami β producono fili quasi diritti che formano fibrille strutturali, come nella cellulosa (Sezione 11.2.3).
Figura 21.1. Struttura del glicogeno.Figura 21.1
Struttura del glicogeno. In questa struttura di due rami esterni di una molecola di glicogeno, i residui alle estremità non riducenti sono mostrati in rosso e il residuo che inizia un ramo è mostrato in verde. Il resto della molecola di glicogeno è rappresentato da R.
Il glicogeno non è ridotto come gli acidi grassi e di conseguenza non è ricco di energia. Perché gli animali immagazzinano energia come glicogeno? Perché non convertire tutto il carburante in eccesso in acidi grassi? Il glicogeno è un’importante riserva di carburante per diverse ragioni. La scomposizione controllata del glicogeno e il rilascio di glucosio aumentano la quantità di glucosio disponibile tra i pasti. Quindi, il glicogeno serve da tampone per mantenere i livelli di glucosio nel sangue. Il ruolo del glicogeno nel mantenere i livelli di glucosio nel sangue è particolarmente importante perché il glucosio è praticamente l’unico combustibile utilizzato dal cervello, tranne che durante la fame prolungata. Inoltre, il glucosio del glicogeno è prontamente mobilitato ed è quindi una buona fonte di energia per attività improvvise e faticose. A differenza degli acidi grassi, il glucosio rilasciato può fornire energia in assenza di ossigeno e può quindi fornire energia per l’attività anaerobica.
I due siti principali di stoccaggio del glicogeno sono il fegato e il muscolo scheletrico. La concentrazione di glicogeno è più alta nel fegato che nel muscolo (10% contro il 2% in peso), ma nel muscolo scheletrico viene immagazzinato complessivamente più glicogeno a causa della sua massa molto maggiore. Il glicogeno è presente nel citosol sotto forma di granuli di diametro variabile da 10 a 40 nm (Figura 21.2). Nel fegato, la sintesi e la degradazione del glicogeno sono regolate per mantenere i livelli di glucosio nel sangue come richiesto per soddisfare le esigenze dell’organismo nel suo complesso. Al contrario, nel muscolo, questi processi sono regolati per soddisfare i bisogni energetici del muscolo stesso.
Figura 21.2
Micrografia elettronica di una cellula epatica. Le particelle dense nel citoplasma sono granuli di glicogeno.
21.0.1. Una panoramica del metabolismo del glicogeno:
La degradazione e la sintesi del glicogeno sono processi biochimici relativamente semplici. La degradazione del glicogeno consiste in tre fasi: (1) il rilascio di glucosio 1-fosfato dal glicogeno, (2) il rimodellamento del substrato del glicogeno per permettere un’ulteriore degradazione, e (3) la conversione del glucosio 1-fosfato in glucosio 6-fosfato per un ulteriore metabolismo. Il glucosio 6-fosfato derivato dalla degradazione del glicogeno ha tre destini (Figura 21.3): (1) è il substrato iniziale per la glicolisi, (2) può essere elaborato dalla via del pentoso fosfato per produrre NADPH e derivati del ribosio; e (3) può essere convertito in glucosio libero per il rilascio nel flusso sanguigno. Questa conversione avviene principalmente nel fegato e in misura minore nell’intestino e nei reni.
Figura 21.3
Il destino del glucosio 6-fosfato. Il glucosio 6-fosfato derivato dal glicogeno può (1) essere usato come combustibile per il metabolismo anaerobico o aerobico come, per esempio, nel muscolo; (2) essere convertito in glucosio libero nel fegato e successivamente rilasciato nel sangue; (più…)
La sintesi del glicogeno richiede una forma attivata di glucosio, l’uridina difosfato di glucosio (UDP-glucosio), che si forma dalla reazione di UTP e glucosio 1-fosfato. L’UDP-glucosio viene aggiunto all’estremità non riducente delle molecole di glicogeno. Come nel caso della degradazione del glicogeno, la molecola di glicogeno deve essere rimodellata per continuare la sintesi.
La regolazione di questi processi è abbastanza complessa. Diversi enzimi che partecipano al metabolismo del glicogeno rispondono allostericamente ai metaboliti che segnalano i bisogni energetici della cellula. Queste risposte allosteriche permettono la regolazione dell’attività enzimatica per soddisfare le esigenze della cellula in cui gli enzimi sono espressi. Il metabolismo del glicogeno è anche regolato da cascate stimolate ormonalmente che portano alla fosforilazione reversibile degli enzimi, che altera le loro proprietà cinetiche. La regolazione da parte degli ormoni permette al metabolismo del glicogeno di adattarsi alle necessità dell’intero organismo. Con entrambi questi meccanismi, la degradazione del glicogeno è integrata alla sintesi del glicogeno. Esamineremo prima il metabolismo, poi la regolazione degli enzimi e infine l’integrazione elaborata dei meccanismi di controllo.
Figura
Le cascate di segnali portano alla mobilitazione del glicogeno per produrre glucosio, una fonte di energia per i corridori.