Regulação do metabolismo do glicogênio A U L A 27 objetivos Ao final desta aula, você deverá ser capaz de: Aprender sobre as vias de regulação do metabolismo de glicogênio. Reforçar os conceitos adquiridos sobre regulação alostérica, regulação por modulação covalente e regulação hormonal. Pré-requisito Conhecimentos adquiridos nas Aulas 2, 3, 25 e 26 de Bioquímica II.
BIOQUÍMICA II Regulação do metabolismo do glicogênio INTRODUÇÃO Na Aula 25 você viu uma figura (25.1) que comparava os grânulos de glicogênio, presentes no citosol de um hepatócito de rato bem alimentado, com os grânulos existentes em um hepatócito de um rato em jejum. Você aprendeu, nas Aulas 25 e 26, que a degradação do glicogênio e a sua síntese ocorrem próximo a estes grânulos, e, portanto, no citosol. Assim, podemos deduzir que as duas enzimas chaves do metabolismo do glicogênio, a glicogênio fosforilase e a glicogênio sintase, estejam distribuídas no citosol. Agora pensemos juntos... Durante a degradação do glicogênio liberamos glicose-1-fosfato pela ação da glicogênio fosforilase; esta molécula é usada na síntese do glicogênio, pela ação da glicogênio sintase. Uma célula precisa, portanto, de sistemas de regulação muito aprimorados para impedir a realização de ciclos fúteis, ou seja, reações que aparentemente não conduziriam a lugar algum. Neste caso, a glicose 1-P gerada na degradação do glicogênio para atender a necessidade de aumento dos níveis de glicose sangüínea ou para alimentar a via glicolítica poderia ser imediatamente utilizada para repor as reservas de glicogênio. Para impedir tal ciclo fútil, nosso organismo desenvolveu mecanismos de controle simultâneos para cada uma destas duas enzimas. São estes mecanismos que serão abordados nesta aula. 176 CEDERJ
REGULAÇÃO DA GLICOGÊNIO FOSFORILASE Como você deve ter aprendido na Aula 25, a glicogênio fosforilase degrada glicogênio para gerar glicose quando os níveis desta, na corrente sangüínea, estão baixos. Assim, utilizamos glicogênio durante o jejum (como, por exemplo, no intervalo entre as refeições) ou ainda quando necessitamos de energia. Um indicativo para a célula de que a demanda energética está baixa pode ser visualizado por aumentos nos níveis de AMP ou por decréscimo na concentração de ATP. Em função destas observações, é fácil compreendermos que a glicogênio fosforilase esteja sujeita à ativação alostérica por AMP cíclico e à inibição por glicose e ATP. Além da regulação alostérica, a glicogênio fosforilase está sujeita também a uma regulação por modulação covalente. A glicogênio fosforilase existe em uma forma a, ativa, e em uma forma b que é inativa. Estas formas são interconvertidas pela ação das enzimas glicogênio fosforilase quinase e fosfo proteína fosfatase. A primeira enzima catalisa a adição de um fosfato na enzima glicogênio fosforilase (lembre-se de que toda enzima classificada como quinase catalisa reações de fosforilação), enquanto a fosfo-proteína fosfatase retira este fosfato adicionado. Você pode então observar que a glicogênio fosforilase quinase ativa a glicogênio fosforilase, e a fosfo-proteína fosfatase inibe a glicogênio fosforilase. Essas reações de fosforilação ou de desfosforilação (um tipo particular de modulação covalente) promovem mudanças conformacionais na glicogênio fosforilase, que têm como conseqüências a transformação da enzima para um estágio catalítico mais ativo, quando fosforilada, ou um estágio catalítico menos ativo, quando desfosforilada. Observe um resumo destas informações na Figura 27.1.! Se você teve dúvida sobre o que é regulação alostérica e regulação por modulação covalente, leia novamente a Aula 3. AULA 27 MÓDULO 7 CEDERJ 177
BIOQUÍMICA II Regulação do metabolismo do glicogênio Figura 27.1: Regulação da glicogênio fosforilase e da glicogênio fosforilase quinase por modulação covalente. A fosforilação converte as enzimas glicogênio fosforilase e glicogênio fosforilase quinase em suas formas ativas: glicogênio fosforilase (a) e glicogênio fosforilase quinase (a). A enzima glicogênio fosforilase quinase catalisa a reação de adição de um fosfato, doado pelo ATP, à enzima glicogênio fosforilase, sendo, portanto, responsável pela ativação desta ultima enzima. Entretanto, a glicogênio fosforilase quinase está também sujeita à regulação por uma proteína quinase A. Olhe novamente para a Figura 27.1 e observe estas afirmações. Você pôde reparar que a glicogênio fosforilase quinase também existe nas formas (a) e (b). A mudança da forma (b) para a forma (a) ocorreu após a fosforilação catalisada pela proteína quinase. Novamente o fosfato inorgânico (Pi) adicionado veio de uma molécula de ATP. Agora pense comigo: Se a proteína quinase A estivesse sempre ativa na célula, provavelmente ela ativaria a glicogênio fosforilase quinase, que por sua vez ativaria a glicogênio fosforilase. Com a glicogênio fosforilase ativa seria praticamente impossível estocar glicogênio. Logo, com certeza, deve haver um mecanismo para regular a proteína quinase A, a enzima responsável por disparar o processo de regulação das duas outras enzimas; é este o mecanismo que estudaremos agora. 178 CEDERJ
REGULAÇÃO DA PROTEÍNA QUINASE A A proteína quinase A é formada por quatro cadeias polipeptídicas, ou seja, é um tetrâmero com duas subunidades reguladoras e duas subunidades catalíticas que se encontram associadas, quando a enzima está na forma inativa. Quatro moléculas de AMP cíclico (adenosina mono-fosfato cíclica camp) se ligam às subunidades reguladoras, sendo duas por subunidade. Após a associação das moléculas de AMP cíclico às subunidades reguladoras, as duas subunidades catalíticas são liberadas, expondo seus sítios ativos. Neste caso dizemos que a proteína quinase foi então ativada. Veja a Figura 27.2. AULA 27 MÓDULO 7 Figura 27. 2: Ativação da proteína quinase. Todo o processo de ativação estaria resolvido se você soubesse quem é a molécula AMP cíclico e como ela é formada. Vamos então conhecer o processo de formação do AMP cíclico, uma molécula conhecida como um segundo mensageiro celular. CEDERJ 179
BIOQUÍMICA II Regulação do metabolismo do glicogênio FORMAÇÃO DO AMP CÍCLICO Antes de falarmos exatamente sobre a formação do AMP cíclico é importante que você relembre as situações metabólicas nas quais um organismo necessita utilizar suas reservas de glicogênio. Duas são as principais situações: a primeira é no intervalo entre as refeições, onde o glicogênio hepático é consumido para manter os níveis da glicose sangüínea em valores normais; a segunda ocorre nos momentos em que o organismo precisa de energia para movimentos, como por exemplo durante o exercício, ou em uma situação de alerta. No primeiro caso, normalmente o sinal endógeno é queda nos níveis de glicose sangüínea, situação à qual o organismo responde liberando o hormônio glucagon; no segundo caso o hormônio adrenalina é liberado. Os hormônios glucagon e adrenalina são, portanto, os primeiros mensageiros. Estes hormônios são liberados na circulação, se dirigem aos órgãos- alvos, mas não podem atravessar a membrana celular. Assim, glucagon e adrenalina se ligam aos receptores presentes no fígado, no caso do glucagon, e no músculo, no caso da adrenalina. Os receptores de membrana estão associados a uma proteína que pode se ligar ao nucleotídeo guanosina trifosfato (proteína G). Após esta ligação, a proteína G se desloca através da membrana e ativa uma enzima, a adenilato ciclase, que se encontra associada a esta membrana. A adenilato ciclase converte ATP em AMP cíclico no citosol das células hepáticas e musculares. Veja a estrutura do AMP cíclico na Figura 27.3 e o seu processo de formação na Figura 27.4. Figura 27.3: Estrutura da adenosina monofosfato (AMP Cíclico). 180 CEDERJ
AULA 27 MÓDULO 7 Figura 27.4: Processo de formação do AMP cíclico. CEDERJ 181
BIOQUÍMICA II Regulação do metabolismo do glicogênio Para dar prosseguimento às reações catalisadas pela proteína quinase A, uma molécula de ATP se associa ao sítio catalítico que foi exposto em cada uma das duas subunidades, permitindo que a proteína a ser fosforilada receba um fosfato desta molécula de ATP. A proteína quinase fosforilada se dissocia da subunidade catalítica e está pronta para ativar outras proteínas no interior da célula. No caso em análise, a proteína a ser fosforilada para ser ativada é a glicogênio fosforilase quinase. Esta enzima catalisa a ativação da glicogênio fosforilase que atua diretamente sobre o glicogênio. Observe esta cascata de ativações na Figura 27.5. Figura 27.5: Cascata de ativação da glicogênio fosforilase. 182 CEDERJ
REGULAÇÃO DA GLICOGÊNIO SINTASE Bem, você já sabe que a glicogênio sintase catalisa a síntese da molécula de glicogênio e que usa os componentes que são gerados na degradação. Assim, a glicogênio sintase deve ser ativada no mesmo momento em que a glicogênio fosforilase for inativada para que ciclos de reação fúteis não ocorram na célula. Veja a forma eficiente que a célula adotou para solucionar esta situação: a mesma proteína quinase que fosforila a glicogênio fosforilase quinase, ativando-a, fosforila a glicogênio sintase, tornando-a inativa. Podemos concluir então que os hormônios que dispararam o processo de ativação das enzimas envolvidas nas etapas de degradação do glicogênio, no caso o glucagon e a adrenalina, são capazes de inibir a enzima-chave do processo de biossíntese. Se você observar cuidadosamente a parte inferior das Figuras 27.1 e 27.6, notará que o hormônio insulina ativa a fosfoproteína fosfatase, uma enzima que catalisa a hidrólise da ligação éster-fosfato de proteínas que foram fosforiladas, tanto glicogênio sintase quanto glicogênio fosforilase. Assim, a insulina é um hormônio que possui uma ação sobre o metabolismo do glicogênio, antagônica ao glucagon e à adrenalina. Ou seja, ela estimula os processos que levem à síntese do glicogênio. Este hormônio é liberado pelo nosso organismo logo após as refeições para que os estoques de glicogênio sejam repostos. Este assunto será também abordado nas Aulas 30, 31 e 32. AULA 27 MÓDULO 7 Figura 27.6: Regulação da glicogênio sintase por modulação covalente. A fosforilação converte glicogênio sintase a (ativa) em glicogênio sintase b (inativa). CEDERJ 183
BIOQUÍMICA II Regulação do metabolismo do glicogênio RESUMO A degradação do glicogênio muscular ocorre quando a situação energética da célula é baixa, ou seja, quando os níveis de ATP estão baixos e os níveis de AMP estão elevados. O glicogênio hepático é utilizado no intervalo entre as refeições. A enzima chave do processo de glicogenólise é a glicogênio fosforilase. Esta enzima é regulada por efetores alostéricos, por modulação covalente do tipo fosforilação e por regulação hormonal. O AMP é um efetor positivo (ativador) da glicogênio fosforilase; já a glicose e o ATP são efetores negativos. A glicogênio fosforilase existe em duas conformações: uma inativa, desfosforilada, a forma b; uma forma ativa, fosforilada, a forma a. A enzima responsável por esta fosforilação é a glicogênio fosforilase quinase. A enzima glicogênio fosforilase quinase é ativada por uma cascata de reações disparada pelo aumento dos níveis de AMP cíclico dentro da célula. Os hormônios glucagon e adrenalina apresentam um mecanismo de ação mediado por AMP cíclico. São hormônios cuja ação final é acelerar o processo de glicogenólise. A insulina é um hormônio que ativa a fosfo-proteína fosfatase, a enzima que catalisa a reação de retirada de um fosfato da enzima glicogênio fosforilase, inativando-a. A insulina é, portanto, um hormônio que interrompe o processo de glicogenólise e ativa o processo de glicogênese. A enzima chave do processo de glicogênese é a glicogênio sintase, a qual é regulada também por fosforilação. No entanto, de maneira oposta à glicogênio fosforilase, a glicogênio sintase é inibida por fosforilação. Ambas as enzimas estão presentes no citosol e necessitam da proteína quinase A para serem fosforiladas. Assim, o fato de a glicogênio fosforilase ser ativada por um mesmo processo que inativa a glicogênio sintase permitiu à célula coordenar processos de degradação e biossíntese do glicogênio, passando por intermediários comuns, dentro do mesmo compartimento celular. 184 CEDERJ
EXERCÍCIOS REFERENTES ÀS AULAS 25, 26 E 27 1. Explique como as seguintes observações identificam o ponto de regulação da síntese de glicogênio no músculo esquelético. AULA 27 MÓDULO 7 a) A medida da atividade da glicogênio sintase no músculo em repouso, expressa em micromoles de UDP glicose usada por grama por minuto, é menor do que a atividade da fosfo glicomutase medida também como micromoles de substrato transformada por grama por minuto. b) O estímulo da síntese de glicogênio leva a um decréscimo na concentração de glicose 6-fosfato, a um grande decréscimo na concentração de UDP glicose e a um substancial aumento de UDP. Relacione as seguintes enzimas às situações apresentadas nas questões 2 a 5 (justifique cada resposta). A- Glicogênio fosforilase B- Enzima desramificadora C- Proteína quinase D- Adenilato ciclase E- Glicose 6-fosfatase 2. Quando os níveis de glucagon sangüíneo aumentam, quais enzimas aumentam? 3. Qual enzima é bifuncional? 4. Qual enzima não está presente nos músculos mas está presente no fígado? CEDERJ 185
BIOQUÍMICA II Regulação do metabolismo do glicogênio 5. Qual enzima catalisa a retirada de uma molécula de glicose1-p do glicogênio? 6. Quando os níveis de glicose são diminuídos há uma ativação da glicogênio fosforilase. Faça um esquema desse processo. 7. Discuta sobre o processo que permite a síntese do glicogênio. 8. A fosforilação ativa quais das seguintes enzimas? (justifique cada resposta) A- Glicogênio fosforilase. B- Proteína quinase. C- Fosforilase quinase. D- Glicogênio sintase. 186 CEDERJ