GLIKOGEN: BUDOWA, SYNTEZA, DEGRADACJA, FUNKCJE - BIOLOGIA - 2026

Glikogenu jest węglowodan przechowywanie większości ssaków. Węglowodany są powszechnie nazywane cukrami i są one klasyfikowane według liczby pozostałości spowodowanych hydrolizą (monosacharydy, disacharydy, oligosacharydy i polisacharydy).

Monosacharydy to najprostsze węglowodany, które klasyfikuje się według liczby węgli zawartych w ich strukturze. Istnieją zatem triozy (3C), tetrozy (4C), pentozy (5C), heksozy (6C), heptoza (7C) i oktozy (8C).

Struktura chemiczna glikogenu wykazująca wiązania glikozydowe (źródło: Glykogen.svg: praca pochodna NEUROtikera: Marek M przez Wikimedia Commons)

W zależności od obecności grupy aldehydowej lub ketonowej, te monosacharydy są również klasyfikowane odpowiednio jako aldozy lub ketozy.

Disacharydy dają w wyniku hydrolizy dwa proste monosacharydy, podczas gdy oligosacharydy wytwarzają od 2 do 10 jednostek monosacharydowych, a polisacharydy wytwarzają ponad 10 monosacharydów.

Glikogen to z biochemicznego punktu widzenia polisacharyd złożony z rozgałęzionych łańcuchów sześciowęglowej aldozy, czyli heksozy zwanej glukozą. Glikogen można przedstawić graficznie jako drzewo glukozy. Nazywa się to również skrobią zwierzęcą.

Glukoza w roślinach jest magazynowana jako skrobia, a u zwierząt jako glikogen, który jest magazynowany głównie w wątrobie i tkance mięśniowej.

W wątrobie glikogen może stanowić 10% jej masy i 1% masy mięśniowej. Ponieważ u ważącego 70 kg człowieka wątroba waży około 1800 g, a mięśnie około 35 kg, całkowita ilość glikogenu mięśniowego jest znacznie większa niż w wątrobie.

Struktura

Masa cząsteczkowa glikogenu może osiągnąć 108 g / mol, co odpowiada 6 × 105 cząsteczkom glukozy. Glikogen składa się z wielu rozgałęzionych łańcuchów α-D-glukozy. Glukoza (C6H12O6) to aldoheksoza, którą można przedstawić w postaci liniowej lub cyklicznej.

Glikogen ma silnie rozgałęzioną i zwartą strukturę z łańcuchami zawierającymi od 12 do 14 reszt glukozy w postaci α-D-glukozy połączonych wiązaniami α- (1 → 4) glukozydowymi. Gałęzie łańcucha tworzą wiązania α- (1 → 6) glukozydowe.

Glikogen, podobnie jak skrobia w diecie, dostarcza większość węglowodanów potrzebnych organizmowi. W jelicie te polisacharydy są rozkładane w wyniku hydrolizy, a następnie wchłaniane do krwiobiegu głównie w postaci glukozy.

Trzy enzymy: ß-amylaza, α-amylaza i amylo-α- (1 → 6) -glukozydaza są odpowiedzialne za jelitowy rozkład glikogenu i skrobi.

Α-Amylaza losowo hydrolizuje wiązania α- (1 → 4) łańcuchów bocznych zarówno glikogenu, jak i skrobi i dlatego jest nazywana endoglikozydazą. Ss-Amylaza jest egzoglikozydazą, która uwalnia dimery ß-maltozy, zrywając wiązania α- (1 → 4) glikozydowe na końcach najbardziej zewnętrznych łańcuchów, nie docierając do rozgałęzień.

Ponieważ ani ß-amylaza, ani α-amylaza nie degradują punktów rozgałęzienia, końcowym produktem ich działania jest silnie rozgałęziona struktura około 35 do 40 reszt glukozy zwana graniczną dekstryną.

Graniczna dekstryna jest ostatecznie hydrolizowana w punktach rozgałęzień, które mają wiązania α- (1 → 6) za pomocą amylo-α- (1 → 6) -glukozydazy, znanej również jako enzym „rozgałęziający”. Łańcuchy uwolnione w wyniku tego rozgałęzienia są następnie degradowane przez β-amylazę i α-amylazę.

W miarę jak spożywany glikogen dostaje się jako glukoza, ten znajdujący się w tkankach musi zostać zsyntetyzowany przez organizm z glukozy.

Synteza

Synteza glikogenu nazywana jest glikogenezą i zachodzi przede wszystkim w mięśniach i wątrobie. Glukoza, która dostaje się do organizmu wraz z dietą, przenika do krwiobiegu, a stamtąd do komórek, gdzie jest natychmiast fosforylowana przez enzym zwany glukokinazą.

Glukokinaza fosforyluje glukozę na węglu 6. ATP dostarcza fosfor i energię potrzebną do tej reakcji. W wyniku tego powstaje glukozo-6-fosforan i uwalnia się ADP. Następnie glukozo-6-fosforan jest przekształcany w glukozo-1-fosforan przez działanie fosfoglukomutazy, która przemieszcza fosfor z pozycji 6 do pozycji 1.

Glukozo-1-fosforan pozostaje aktywowany do syntezy glikogenu, przy udziale zestawu trzech innych enzymów: pirofosforylazy UDP-glukozy, syntetazy glikogenu i amylo- (1,4 → 1,6) -glikozylotransferazy.

Glukozo-1-fosforan, razem z trifosforanem urydyny (UTP, nukleozyd trifosforanu urydyny) i poprzez działanie UDP-glukozo-pirofosforylazy, tworzy kompleks urydyno-difosforanowo-glukozowy (UDP Glc). W procesie hydrolizuje jon pirofosforanowy.

Enzym syntetaza glikogenu tworzy następnie wiązanie glikozydowe między C1 kompleksu UDP Glc i C4 końcowej reszty glukozy glikogenu, a UDP jest uwalniany z aktywowanego kompleksu glukozy. Aby ta reakcja zaszła, musi istnieć wcześniej istniejąca cząsteczka glikogenu zwana „pierwotnym glikogenem”.

Pierwotny glikogen jest syntetyzowany na białku startera, glikogeninie o masie 37 kDa, która jest glikozylowana do reszty tyrozyny przez kompleks UDP Glc. Stamtąd reszty α-D-glukozy są połączone wiązaniami 1 → 4 i tworzy się mały łańcuch, na którym działa syntetaza glikogenu.

Gdy początkowy łańcuch łączy co najmniej 11 reszt glukozy, enzym rozgałęziający lub amylo- (1,4 → 1,6) -glikozylotransferaza przenosi fragment łańcucha 6 lub 7 reszt glukozy do sąsiedniego łańcucha w pozycji 1 → 6, tworząc w ten sposób punkt rozgałęzienia. Tak skonstruowana cząsteczka glikogenu rośnie przez dodanie jednostek glukozy z 1 → 4 wiązaniami glikozydowymi i większą liczbą rozgałęzień.

Degradacja

Rozpad glikogenu nazywany jest glikogenolizą i nie jest równoznaczny z odwrotnym szlakiem jego syntezy. Szybkość tego szlaku jest ograniczona szybkością reakcji katalizowanej fosforylazą glikogenu.

Fosforylaza glikogenowa jest odpowiedzialna za rozszczepienie (fosfolizę) wiązań 1 → 4 łańcuchów glikogenu, uwalniając glukozo-1-fosforan. Działanie enzymatyczne rozpoczyna się na końcach najbardziej zewnętrznych łańcuchów i są one kolejno usuwane, aż 4 reszty glukozy pozostaną po każdej stronie odgałęzień.

Następnie inny enzym, transferaza glukanowa α- (1 → 4) → α- (1 → 4), odsłania punkt rozgałęzienia, przenosząc jednostkę trisacharydową z jednej gałęzi do drugiej. To pozwala amylo- (1 → 6) -glukozydazie (enzymowi rozszczepiającemu) na hydrolizę wiązania 1 → 6, usuwając gałąź, która będzie podlegać działaniu fosforylazy. Połączone działanie tych enzymów kończy się całkowitym rozszczepieniem glikogenu.

Ponieważ początkowa reakcja fosfomutazy jest odwracalna, z rozszczepionych reszt glukozo-1-fosforanu glikogenu można utworzyć 6-fosforan glukozy. W wątrobie i nerkach, ale nie w mięśniach, znajduje się enzym glukozo-6-fosfataza, zdolny do defosforylacji glukozo-6-fosforanu i przekształcenia go w wolną glukozę.

Zdefosforylowana glukoza może dyfundować do krwi i w ten sposób glikogenoliza wątrobowa przekłada się na wzrost wartości glukozy we krwi (glikemia).

Regulacja syntezy i degradacji

Syntezy

Proces ten zachodzi na dwa podstawowe enzymy: syntetazę glikogenu i fosforylazę glikogenową, w taki sposób, że gdy jeden z nich jest aktywny, drugi jest w stanie nieaktywnym. Regulacja ta zapobiega jednoczesnemu zachodzeniu przeciwnych reakcji syntezy i degradacji.

Forma aktywna i forma nieaktywna obu enzymów są bardzo różne, a wzajemna przemiana aktywnych i nieaktywnych form fosforylazy i syntetazy glikogenu podlega ścisłej kontroli hormonalnej.

Epinefryna to hormon uwalniany z rdzenia nadnerczy, a glukagon to kolejny hormon wytwarzany w endokrynnej części trzustki. Trzustka wydzielania wewnętrznego produkuje insulinę i glukagon. Komórki α wysepek Langerhansa to te, które syntetyzują glukagon.

Adrenalina i glukagon to dwa hormony, które są uwalniane, gdy potrzebna jest energia w odpowiedzi na obniżony poziom glukozy we krwi. Hormony te pobudzają aktywację fosforylazy glikogenu i hamują syntetazę glikogenu, stymulując w ten sposób glikogenolizę i hamując glikogenezę.

Podczas gdy adrenalina oddziałuje na mięśnie i wątrobę, glukagon działa tylko na wątrobę. Hormony te wiążą się ze specyficznymi receptorami błonowymi komórki docelowej, co powoduje aktywację cyklazy adenylanowej.

Aktywacja cyklazy adenylanowej inicjuje kaskadę enzymatyczną, która z jednej strony aktywuje zależną od cAMP kinazę białkową, która inaktywuje syntetazę glikogenu i aktywuje fosforylazę glikogenu przez fosforylację (odpowiednio bezpośrednio i pośrednio).

Mięśnie szkieletowe mają inny mechanizm aktywacji fosforylazy glikogenowej poprzez wapń, który jest uwalniany w wyniku depolaryzacji błony mięśniowej na początku skurczu.

Degradacji

Opisane powyżej kaskady enzymatyczne prowadzą w końcu do wzrostu poziomu glukozy, a gdy osiągają one określony poziom, aktywowana jest glikogeneza i hamowana jest glikogenoliza, hamując również późniejsze uwalnianie epinefryny i glukagonu.

Glikogeneza jest aktywowana poprzez aktywację fosforylazy fosfatazy, enzymu regulującego syntezę glikogenu poprzez różne mechanizmy, polegające na inaktywacji kinazy fosforylazy i fosforylazy α, która jest inhibitorem syntetazy glikogenu.

Insulina wspomaga wnikanie glukozy do komórek mięśniowych, zwiększając poziom glukozy 6-fosforanu, co stymuluje defosforylację i aktywację syntetazy glikogenu. W ten sposób rozpoczyna się synteza, a degradacja glikogenu jest hamowana.

cechy

Glikogen mięśniowy stanowi rezerwę energii dla mięśni, która podobnie jak tłuszcze zapasowe pozwala mięśniom na wypełnianie swoich funkcji. Będąc źródłem glukozy, glikogen mięśniowy jest wykorzystywany podczas ćwiczeń. Rezerwy te zwiększają się wraz z treningiem fizycznym.

W wątrobie glikogen jest również ważnym źródłem rezerwowym zarówno dla funkcji narządów, jak i dla dostarczania glukozy do reszty organizmu.

Ta funkcja glikogenu w wątrobie wynika z faktu, że wątroba zawiera 6-fosfatazę glukozową, enzym zdolny do usuwania grupy fosforanowej z 6-fosforanu glukozy i przekształcania jej w wolną glukozę. Wolna glukoza, w przeciwieństwie do glukozy fosforylowanej, może dyfundować przez błonę hepatocytów (komórki wątroby).

W ten sposób wątroba może dostarczać glukozę do krążenia i utrzymywać stabilny poziom glukozy, nawet w warunkach długotrwałego postu.

Ta funkcja ma ogromne znaczenie, ponieważ mózg opiera się prawie wyłącznie na poziomie glukozy we krwi, więc ciężka hipoglikemia (bardzo niskie stężenie glukozy we krwi) może powodować utratę przytomności.

Powiązane choroby

Choroby związane z glikogenem są ogólnie nazywane „chorobami spichrzania glikogenu”.

Choroby te stanowią grupę patologii dziedzicznych charakteryzujących się odkładaniem się w tkankach nieprawidłowych ilości lub typów glikogenu.

Większość chorób spichrzania glikogenu jest spowodowana deficytem genetycznym któregokolwiek z enzymów biorących udział w metabolizmie glikogenu.

Są one podzielone na osiem typów, z których większość ma swoje własne nazwy, a każdy z nich jest spowodowany innym niedoborem enzymu. Niektóre są śmiertelne w bardzo wczesnym okresie życia, podczas gdy inne są związane z osłabieniem mięśni i deficytami podczas ćwiczeń.

Polecane przykłady

Niektóre z najbardziej znanych chorób związanych z glikogenem to:

- Choroba von Gierkego lub choroba spichrzania glikogenu typu I jest spowodowana niedoborem glukozo-6-fosfatazy w wątrobie i nerkach.

Charakteryzuje się nieprawidłowym wzrostem wątroby (hepatomegalia) z powodu nadmiernego gromadzenia się glikogenu i hipoglikemii, ponieważ wątroba nie jest w stanie dostarczyć glukozy do krążenia. Pacjenci z tym stanem mają zaburzenia wzrostu.

- Choroba Pompego lub typu II jest spowodowana niedoborem α- (1 → 4) -glukan-6-glikozylotransfer w wątrobie, sercu i mięśniach szkieletowych. Ta choroba, podobnie jak choroba Andersena lub typu IV, jest śmiertelna przed ukończeniem dwóch lat.

- Choroba McArdle'a lub typu V objawia się niedoborem fosforylazy mięśniowej i towarzyszy jej osłabienie mięśni, obniżona tolerancja wysiłku, nieprawidłowe gromadzenie się glikogenu mięśniowego i brak mleczanu podczas wysiłku.

Bibliografia

1. Bhattacharya, K. (2015). Badanie i postępowanie w chorobach spichrzania glikogenu w wątrobie. Translational Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C. i Weinstein, D. (2016). Choroba spichrzeniowa glikogenu typu III. Gene Reviews, 1–16.
3. Guyton, A. i Hall, J. (2006). Podręcznik fizjologii medycznej (wyd. 11). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K. i Ahern, K. (2000). Biochemistry (3rd ed.). San Francisco, Kalifornia: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologia chorób spichrzania glikogenu wątrobowego. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (wyd. 28). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL i Cox, MM (2009). Zasady Lehningera biochemii. Omega Editions (wyd. 5).
8. Rawn, JD (1998). Biochemia. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Mgr Tarnopolski (2018). Miopatie związane z zaburzeniami metabolizmu glikogenu. Neuroterapeuta.