GLYKOGEN: STRUKTUR, SYNTESE, NEDBRYDNING, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den glykogen er det kulhydrat opbevaring af de fleste pattedyr. Carbohydrater kaldes almindeligvis sukkerarter, og disse klassificeres i henhold til antallet af rester forårsaget af hydrolyse (monosaccharider, disaccharider, oligosaccharider og polysaccharider).

Monosaccharider er de enkleste kulhydrater, der klassificeres efter antallet af kulhydrater indeholdt i deres struktur. Der er derefter trioser (3C), tetrosas (4C), pentoser (5C), hexoser (6C), heptosas (7C) og octosas (8C).

Kemisk struktur af glykogen, der viser glykosidiske bindinger (Kilde: Glykogen.svg: NEUROtiker-derivatarbejde: Marek M via Wikimedia Commons)

Afhængig af tilstedeværelsen af ​​aldehydgruppen eller ketongruppen klassificeres disse monosaccharider også som henholdsvis aldoser eller ketoser.

Disaccharider giver ved hydrolyse to enkle monosaccharider, mens oligosaccharider producerer 2 til 10 monosaccharidenheder, og polysaccharider producerer mere end 10 monosaccharider.

Glycogen er, fra et biokemisk synspunkt, et polysaccharid sammensat af forgrenede kæder af en seks-carbon aldose, det vil sige en hexose kendt som glucose. Glykogen kan repræsenteres grafisk som et glukosetræ. Dette kaldes også dyrestivelse.

Glukose i planter opbevares som stivelse og i dyr som glycogen, som primært opbevares i leveren og muskelvævet.

I leveren kan glycogen udgøre 10% af sin masse og 1% af dens muskelmasse. Ligesom hos en mand på 70 kg vejer leveren ca. 1800 g og musklerne ca. 35 kg, er den samlede mængde muskelglykogen meget højere end leveren.

Struktur

Molekylvægten af ​​glycogen kan nå 108 g / mol, hvilket er ækvivalent med 6 × 105 glukosemolekyler. Glykogen består af flere forgrenede kæder af a-D-glucose. Glucose (C6H12O6) er en aldohexose, der kan repræsenteres i lineær eller cyklisk form.

Glykogen har en stærkt forgrenet og kompakt struktur med kæder på 12 til 14 glukoserester i form af a-D-glukose, der er forbundet med a- (1 → 4) glukosidbindinger. Kædens grene dannes af α- (1 → 6) glukosidiske bindinger.

Glykogen, som stivelse i kosten, giver det meste af kulhydrater, som kroppen har brug for. I tarmen nedbrydes disse polysaccharider ved hydrolyse og absorberes derefter hovedsageligt i blodbanen som glukose.

Tre enzymer: ß-amylase, α-amylase og amyl-α- (1 → 6) -glucosidase er ansvarlige for tarmnedbrydningen af ​​både glycogen og stivelse.

Α-Amylase hydrolyserer tilfældigt a- (1 → 4) bindingerne i sidekæderne af både glycogen og stivelse og kaldes derfor endoglycosidase. Ss-amylase er en exoglycosidase, der frigiver ß-maltosedimerer ved at bryde α- (1 → 4) glycosidiske bindinger fra enderne af de yderste kæder uden at nå grenene.

Da hverken ß-amylase eller α-amylase nedbryder forgreningspunkterne, er slutproduktet af deres virkning en stærkt forgrenet struktur på ca. 35 til 40 glucoserester kaldet border dextrin.

Begrænsningen af ​​dextrin hydrolyseres til sidst ved de forgreningspunkter, der har a- (1 → 6) bindinger ved hjælp af amyl-a- (1 → 6) -glucosidase, også kendt som et "debranching" -enzym. Kæderne frigivet ved denne afgrening nedbrydes derefter med ß-amylase og α-amylase.

Når den indtagne glycogen kommer ind som glukose, skal den der findes i vævet syntetiseres af kroppen ud fra glukose.

syntese

Glykogensyntese kaldes glycogenese og finder primært sted i muskler og lever. Glukosen, der kommer ind i kroppen med kosten, går ind i blodbanen og derfra ind i cellerne, hvor den øjeblikkeligt fosforyleres ved hjælp af et enzym kaldet glukokinase.

Glucokinase-phosphorylerer glukose ved kulstof 6. ATP tilvejebringer fosfor og energi til denne reaktion. Som et resultat dannes glukose 6-phosphat, og en ADP frigøres. Derefter omdannes glukose 6-phosphat til glukose 1-phosphat ved virkning af en phosphoglucomutase, der flytter fosfor fra position 6 til position 1.

Glucose 1-phosphat forbliver aktiveret til syntese af glycogen, som involverer deltagelse af et sæt af tre andre enzymer: UDP-glucose pyrophosphorylase, glycogen synthetase og amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransferase.

Glucose-1-phosphat sammen med uridin-triphosphat (UTP, et nukleosid af uridin-triphosphat) og ved virkning af UDP-Glucose-pyrophosphorylase danner uridindiphosphat-glucosekomplekset (UDP Glc). I processen hydrolyseres en pyrophosphation.

Enzymet glycogen synthetase danner derefter en glycosidbinding mellem Cl i UDP Glc-komplekset og C4 af en terminal glukoserest af glycogen, og UDP frigøres fra det aktiverede glukosekompleks. For at denne reaktion skal finde sted, skal der være et allerede eksisterende glycogenmolekyle kaldet "primordial glycogen."

Primordial glycogen syntetiseres på et grundprotein, glycogenin, som er 37 kDa, og som glycosyleres til en tyrosinrest af UDP Glc-komplekset. Derfra er α-D-glukoserester bundet med 1 → 4-bindinger, og der dannes en lille kæde, hvorpå glycogensyntetase virker.

Når først den indledende kæde forbinder mindst 11 glukoserester, overfører forgreningsenzymet eller amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransferase et stykke kæde med 6 eller 7 glukoserester til den tilstødende kæde i position 1 → 6, hvorved der etableres et grenpunkt. Det således konstruerede glycogenmolekyle vokser ved tilsætning af glukoseenheder med 1 → 4 glykosidbindinger og flere grene.

nedbrydning

Nedbrydningen af ​​glycogen kaldes glycogenolyse, og det svarer ikke til den omvendte vej for dens syntese. Hastigheden af ​​denne vej er begrænset af hastigheden af ​​den glycogenphosphorylase-katalyserede reaktion.

Glycogen-phosphorylase er ansvarlig for spaltning (phosphorolyse) af 1 → 4-bindingerne i glycogenkæderne og frigiver glukose-1-phosphat. Den enzymatiske virkning begynder ved enderne af de yderste kæder, og de fjernes sekventielt, indtil der forbliver 4 glukoserester på hver side af grenene.

Derefter udsætter et andet enzym, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glucan transferase, eksponering af grenpunktet ved at overføre en trisaccharidenhed fra en gren til en anden. Dette gør det muligt for amyl- (1 → 6) -glucosidase (debranching-enzym) at hydrolysere bindingen 1 → 6 og fjerne grenen, der vil gennemgå phosphorylase. Den kombinerede virkning af disse enzymer ender fuldstændigt spaltning af glycogen.

Da den indledende phosphomutase-reaktion er reversibel, kan glukose-6-phosphat dannes ud fra de spaltede glucose-1-phosphatrester af glycogen. I lever og nyre, men ikke i muskler, er der et enzym, glucose-6-phosphatase, der er i stand til at dephosforylere glukose 6-phosphat og omdanne det til fri glukose.

Dephosforyleret glukose kan diffundere i blodet, og det er sådan, hepatisk glycogenolyse afspejles i en stigning i blodsukkerværdier (glycæmi).

Regulering af syntese og nedbrydning

Af syntese

Denne proces udøves på to grundlæggende enzymer: glycogen synthetase og glycogen phosphorylase på en sådan måde, at når den ene af dem er aktiv, er den anden i sin inaktive tilstand. Denne regulering forhindrer modsatte reaktioner af syntese og nedbrydning i at forekomme samtidigt.

Den aktive form og den inaktive form af begge enzymer er meget forskellige, og interkonvertering af de aktive og inaktive former af phosphorylase og glycogen-syntetase kontrolleres strengt hormonelt.

Adrenalin er et hormon, der frigøres fra binyremedulla, og glucagon er et andet, der produceres i den endokrine del af bugspytkirtlen. Den endokrine bugspytkirtel producerer insulin og glukagon. A-cellerne på Langerhans-holmene er dem, der syntetiserer glukagon.

Adrenalin og glucagon er to hormoner, der frigives, når der er behov for energi som reaktion på nedsat blodsukkerniveau. Disse hormoner stimulerer aktiveringen af ​​glycogenphosphorylase og hæmmer glycogen synthetase og stimulerer således glycogenolyse og hæmmer glycogenesis.

Mens adrenalin udøver sin virkning på muskler og lever, virker glukagon kun på leveren. Disse hormoner binder til specifikke membranreceptorer på målcellen, som aktiverer adenylatcyklase.

Aktiveringen af ​​adenylatcyklase initierer en enzymatisk kaskade, der på den ene side aktiverer en cAMP-afhængig proteinkinase, der inaktiverer glycogensyntetase og aktiverer glycogenphosphorylase ved henholdsvis phosphorylering (direkte og indirekte).

Skelettemuskler har en anden mekanisme til aktivering af glycogenphosphorylase gennem calcium, som frigives som en konsekvens af depolariseringen af ​​muskelmembranen i begyndelsen af ​​sammentrækning.

Af nedbrydning

De tidligere beskrevne enzymatiske kaskader ender med at øge glukoseniveauet, og når disse når et vist niveau, aktiveres glycogenese, og glycogenolyse hæmmes, hvilket også hæmmer den efterfølgende frigivelse af epinephrin og glucagon.

Glykogenese aktiveres ved aktivering af phosphorylase-phosphatase, et enzym, der regulerer glycogensyntese ved forskellige mekanismer, der involverer inaktivering af phosphorylasekinase og phosphorylase α, som er en hæmmer af glycogensyntetase.

Insulin fremmer indtræden af ​​glukose i muskelceller, hvilket øger glukose 6-phosphatniveauer, hvilket stimulerer dephosforylering og aktivering af glycogensyntetase. Således begynder syntesen, og nedbrydningen af ​​glykogen hæmmes.

Funktioner

Muskelglykogen udgør en energireserve for den muskel, der ligesom reservefedt giver musklerne mulighed for at udføre sine funktioner. Som en kilde til glukose bruges muskelglykogen under træning. Disse reserver stiger med fysisk træning.

I leveren er glycogen også en vigtig reservekilde både til organfunktioner og til levering af glukose til resten af ​​kroppen.

Denne funktion af leverglykogen skyldes det faktum, at leveren indeholder glukose 6-phosphatase, et enzym, der er i stand til at fjerne phosphatgruppen fra glukose 6-phosphat og omdanne den til fri glukose. Fri glukose kan, i modsætning til fosforyleret glukose, diffundere gennem membranen af ​​hepatocytter (leverceller).

Sådan kan leveren give glukose til kredsløbet og opretholde stabile glukoseniveauer, selv under langvarig faste.

Denne funktion er af stor betydning, da hjernen næsten udelukkende er afhængig af blodsukker, så alvorlig hypoglykæmi (meget lave koncentrationer af glukose i blodet) kan forårsage tab af bevidsthed.

Relaterede sygdomme

Glykogenrelaterede sygdomme kaldes generisk "glycogenlagringssygdomme."

Disse sygdomme udgør en gruppe af arvelige patologier, der er karakteriseret ved aflejring i vævene af unormale mængder eller typer glycogen.

De fleste glykogenopbevaringssygdomme er forårsaget af et genetisk underskud af nogen af ​​de enzymer, der er involveret i glykogenmetabolismen.

De klassificeres i otte typer, hvoraf de fleste har deres egne navne, og hver af dem er forårsaget af en anden enzymmangel. Nogle er dødelige meget tidligt i livet, mens andre er forbundet med muskelsvaghed og underskud under træningen.

Udvalgte eksempler

Nogle af de mest fremtrædende glycogenrelaterede sygdomme er følgende:

- Von Gierkes sygdom eller type I glykogenlagringssygdom er forårsaget af en mangel på glukose 6-phosphatase i leveren og nyrerne.

Det er kendetegnet ved den unormale vækst i leveren (hepatomegaly) på grund af den overdrevne ophobning af glykogen og hypoglykæmi, da leveren ikke kan levere glukose til cirkulationen. Patienter med denne tilstand har vækstforstyrrelser.

- Pompe- eller type II-sygdom skyldes en mangel på α- (1 → 4) -glucan 6-glycosyltransferer i lever-, hjerte- og knoglemuskler. Denne sygdom, ligesom Andersen eller Type IV, er dødelig inden for en alder af to år.

- McArdle- eller type V-sygdom udviser en muskelphosphorylase-mangel og er ledsaget af muskelsvaghed, nedsat træningstolerance, unormal akkumulering af muskelglykogen og mangel på laktat under træning.

Referencer

1. Bhattacharya, K. (2015). Undersøgelse og håndtering af hepatiske glykogenlagringssygdomme. Translational Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Glykogenopbevaringssygdom type III. Genanmeldelser, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Lærebog om medicinsk fysiologi (11. udgave). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokemi (3. udg.). San Francisco, Californien: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologi af lever i sygdomme med leverglykogen. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28. udgave). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger-principper for biokemi. Omega-udgaver (5. udgave).
8. Rawn, JD (1998). Biokemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson forlag.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Myopatier relateret til glykogenmetabolismeforstyrrelser. Neurotherapeutics.