GLYKOGÉN: ŠTRUKTÚRA, SYNTÉZA, DEGRADÁCIA, FUNKCIE - BIOLÓGIE - 2026

Glykogén je sacharid skladovanie väčšiny cicavcov. Sacharidy sa bežne nazývajú cukry a sú klasifikované podľa počtu zvyškov spôsobených hydrolýzou (monosacharidy, disacharidy, oligosacharidy a polysacharidy).

Monosacharidy sú najjednoduchšie uhľohydráty, ktoré sú klasifikované podľa počtu uhlíkov obsiahnutých v ich štruktúre. Potom sú tu triózy (3C), tetózy (4C), pentózy (5C), hexózy (6C), heptózy (7C) a októzy (8C).

Chemická štruktúra glykogénu ukazujúca glykozidické väzby (Zdroj: Glykogen.svg: NEUROtikerovo odvodené dielo: Marek M cez Wikimedia Commons)

V závislosti od prítomnosti aldehydovej skupiny alebo ketónovej skupiny sa tieto monosacharidy tiež klasifikujú ako aldózy alebo ketózy.

Disacharidy hydrolýzou vedú k vzniku dvoch jednoduchých monosacharidov, zatiaľ čo oligosacharidy produkujú 2 až 10 monosacharidových jednotiek a polysacharidy produkujú viac ako 10 monosacharidov.

Glykogén je z biochemického hľadiska polysacharid zložený z rozvetvených reťazcov šesť uhlíkovej aldózy, tj hexózy známej ako glukóza. Glykogén môže byť graficky znázornený ako glukózový strom. Nazýva sa to aj živočíšny škrob.

Glukóza v rastlinách sa ukladá ako škrob a u zvierat ako glykogén, ktorý sa ukladá predovšetkým v pečeni a svalovom tkanive.

V pečeni môže glykogén tvoriť 10% svojej hmoty a 1% svojej svalovej hmoty. Pretože u mužov s hmotnosťou 70 kg je hmotnosť pečene asi 1800 ga svaly asi 35 kg, celkové množstvo svalového glykogénu je omnoho vyššie ako pečeň.

štruktúra

Molekulová hmotnosť glykogénu môže dosiahnuť 108 g / mol, čo je ekvivalentné 6 x 105 molekúl glukózy. Glykogén je tvorený niekoľkými rozvetvenými reťazcami a-D-glukózy. Glukóza (C6H12O6) je aldohexóza, ktorá môže byť zastúpená v lineárnej alebo cyklickej forme.

Glykogén má vysoko rozvetvenú a kompaktnú štruktúru s reťazcami 12 až 14 glukózových zvyškov vo forme a-D-glukózy, ktoré sú spojené s a- (1 → 4) glukozidickými väzbami. Vetvy reťazca sú tvorené a- (1 → 6) glukozidickými väzbami.

Glykogén, podobne ako škrob v potrave, poskytuje väčšinu uhľohydrátov, ktoré telo potrebuje. V čreve sa tieto polysacharidy rozkladajú hydrolýzou a potom sa absorbujú do krvného obehu hlavne ako glukóza.

Za črevnú degradáciu glykogénu a škrobu sú zodpovedné tri enzýmy: ß-amyláza, a-amyláza a amyl-α- (1 → 6) -glukozidáza.

Α-Amyláza náhodne hydrolyzuje a- (1 → 4) väzby bočných reťazcov glykogénu a škrobu, a preto sa nazýva endoglykozidáza. Ss-amyláza je exoglykozidáza, ktorá uvoľňuje diméry ß-maltózy rozbitím α- (1 → 4) glykozidických väzieb z koncov najvzdialenejších reťazcov bez dosiahnutia vetiev.

Pretože ani ß-amyláza, ani a-amyláza nedegradujú body vetvenia, je konečným produktom ich pôsobenia vysoko rozvetvená štruktúra asi 35 až 40 glukózových zvyškov nazývaná hraničný dextrín.

Limitný dextrín sa nakoniec hydrolyzuje v miestach vetvenia, ktoré majú väzby α- (1 → 6) pomocou amyl-α- (1 → 6) -glukozidázy, známej aj ako „odštepujúci“ enzým. Reťazce uvoľňované týmto odštepením sa potom degradujú ß-amylázou a a-amylázou.

Keď prijímaný glykogén vstupuje ako glukóza, musí sa ten, ktorý sa nachádza v tkanivách, syntetizovať v tele z glukózy.

syntéza

Syntéza glykogénu sa nazýva glykogenéza a prebieha primárne vo svaloch a pečeni. Glukóza, ktorá vstupuje do tela so stravou, prechádza do krvného obehu a odtiaľ do buniek, kde je okamžite fosforylovaná pôsobením enzýmu nazývaného glukokináza.

Glukokináza fosforyluje glukózu na uhlíku 6. ATP poskytuje pre túto reakciu fosfor a energiu. Výsledkom je tvorba 6-fosfátu glukózy a uvoľnenie ADP. Potom sa 6-fosfát glukózy premení na 1-fosfát glukózy pôsobením fosfoglukomutázy, ktorá pohybuje fosforom z polohy 6 do polohy 1.

Glukóza 1-fosfát zostáva aktivovaný na syntézu glykogénu, čo zahŕňa účasť súboru troch ďalších enzýmov: UDP-glukóza-pyrofosforyláza, glykogénsyntetáza a amyl- (1,4 → 1,6) -glykozyltransferáza.

Glukóza-1-fosfát spolu s uridíntrifosfátom (UTP, nukleozid uridíntrifosfátu) a pôsobením UDP-glukóza-pyrofosforylázy tvoria komplex uridín difosfát-glukóza (UDP Glc). Pri tomto spôsobe sa pyrofosfátový ión hydrolyzuje.

Enzým glykogén syntetáza potom vytvára glykozidovú väzbu medzi C1 komplexu UDP Glc a C4 koncového zvyšku glukózy glykogénu a UDP sa uvoľňuje z aktivovaného komplexu glukózy. Aby k tejto reakcii mohlo dôjsť, musí existovať už existujúca molekula glykogénu nazývaná „prvotný glykogén“.

Primordiálny glykogén je syntetizovaný na primérovom proteíne, glykogeníne, ktorý je 37 kDa a ktorý je glykozylovaný na tyrozínový zvyšok komplexom UDP Glc. Odtiaľ sú a-D-glukózové zvyšky spojené 1 až 4 väzbami a vytvorí sa malý reťazec, na ktorý pôsobí glykogénsyntetáza.

Keď počiatočný reťazec spojí aspoň 11 zvyškov glukózy, vetviaci enzým alebo amyl- (1,4 → 1,6) -glykozyltransferáza prenesie časť reťazca 6 alebo 7 zvyškov glukózy na susedný reťazec v polohe 1. → 6, čím sa vytvorí odbočný bod. Takto skonštruovaná molekula glykogénu rastie pridaním jednotiek glukózy s 1 - 4 glykozidickými väzbami a viacerými vetvami.

degradácia

Rozklad glykogénu sa nazýva glykogenolýza a nie je ekvivalentom reverznej dráhy jeho syntézy. Rýchlosť tejto dráhy je obmedzená rýchlosťou reakcie katalyzovanej glykogénfosforylázou.

Glykogénfosforyláza je zodpovedná za štiepenie (fosforolýzu) 1 - 4 väzieb glykogénových reťazcov, pričom sa uvoľňuje glukóza-1-fosfát. Enzymatický účinok začína na koncoch najvzdialenejších reťazcov a postupne sa odstraňujú, až kým na každej strane vetiev nezostanú 4 zvyšky glukózy.

Potom ďalší enzým, a- (1 → 4) → a- (1 → 4) glukántransferáza, vystaví miesto vetvenia prenosom trisacharidovej jednotky z jednej vetvy do druhej. To umožňuje amyl- (1 → 6) -glukozidáze (enzým rozvetvenia) hydrolyzovať väzbu 1 - 6, čím sa odstráni vetva, ktorá sa podrobí pôsobeniu fosforylázy. Kombinovaný účinok týchto enzýmov končí úplne štiepením glykogénu.

Pretože počiatočná fosfomutázová reakcia je reverzibilná, glukózový 6-fosfát sa môže tvoriť zo štiepených glukózových 1-fosfátových zvyškov glykogénu. V pečeni a obličkách, ale nie vo svaloch, existuje enzým glukóza-6-fosfatáza, ktorý je schopný defosforylovať glukózu 6-fosfát a premeniť ju na voľnú glukózu.

Defosforylovaná glukóza sa môže difundovať do krvi, a tak sa glykogenolýza pečene odráža vo zvýšení hladín glukózy v krvi (glykémia).

Regulácia syntézy a degradácie

Syntézy

Tento proces sa uplatňuje na dva základné enzýmy: glykogénsyntetáza a glykogénfosforyláza takým spôsobom, že keď je jeden z nich aktívny, druhý je v neaktívnom stave. Toto nariadenie zabraňuje tomu, aby sa súčasne vyskytovali opačné reakcie syntézy a degradácie.

Aktívna forma a neaktívna forma týchto dvoch enzýmov sa veľmi líšia a vzájomná premena aktívnych a neaktívnych foriem fosforylázy a glykogénsyntetázy je prísne kontrolovaná hormonálne.

Epinefrín je hormón, ktorý sa uvoľňuje z nadobličkovej drene, a glukagón je ďalší, ktorý sa vytvára v endokrinnej časti pankreasu. Endokrinný pankreas produkuje inzulín a glukagón. A Bunky Langerhansových ostrovčekov sú bunky, ktoré syntetizujú glukagón.

Adrenalín a glukagón sú dva hormóny, ktoré sa uvoľňujú, keď je potrebná energia v reakcii na zníženú hladinu glukózy v krvi. Tieto hormóny stimulujú aktiváciu glykogénfosforylázy a inhibujú glykogénsyntetázu, čím stimulujú glykogenolýzu a inhibujú glykogenézu.

Kým adrenalín pôsobí na svaly a pečeň, glukagón pôsobí iba na pečeň. Tieto hormóny sa viažu na špecifické membránové receptory v cieľovej bunke, ktorá aktivuje adenylátcyklázu.

Aktivácia adenylátcyklázy iniciuje enzymatickú kaskádu, ktorá na jednej strane aktivuje proteínovú kinázu závislú od cAMP, ktorá inaktivuje glykogénsyntetázu a aktivuje glykogénfosforylázu fosforyláciou (priamo a nepriamo).

Kostrový sval má ďalší mechanizmus aktivácie glykogénfosforylázy vápnikom, ktorý sa uvoľňuje v dôsledku depolarizácie svalovej membrány na začiatku kontrakcie.

Degradácie

Enzymatické kaskády opísané vyššie končia zvyšujúcimi sa hladinami glukózy, a keď dosiahnu určitú hladinu, aktivuje sa glykogenéza a inhibuje sa glykogenolýza, ktorá tiež inhibuje následné uvoľňovanie epinefrínu a glukagónu.

Glykogenéza sa aktivuje prostredníctvom aktivácie fosforylázovej fosfatázy, enzýmu, ktorý reguluje syntézu glykogénu rôznymi mechanizmami, vrátane inaktivácie fosforylázovej kinázy a fosforylázy a, ktorá je inhibítorom glykogénsyntetázy.

Inzulín podporuje vstup glukózy do svalových buniek, zvyšuje hladiny 6-fosfátu glukózy, čo stimuluje defosforyláciu a aktiváciu glykogénsyntetázy. Začne teda syntéza a inhibuje sa degradácia glykogénu.

Vlastnosti

Svalový glykogén predstavuje energetickú rezervu pre sval, ktorá podobne ako rezervné tuky umožňuje svalu plniť svoje funkcie. Počas cvičenia sa používa svalový glykogén ako zdroj glukózy. Tieto zásoby sa zvyšujú s telesným tréningom.

V pečeni je glykogén tiež dôležitým rezervným zdrojom tak pre fungovanie orgánov, ako aj pre dodávanie glukózy do zvyšku tela.

Táto funkcia pečeňového glykogénu je spôsobená skutočnosťou, že pečeň obsahuje glukózu-6-fosfatázu, enzým schopný odstrániť fosfátovú skupinu z glukózy-6-fosfátu a premeniť ju na voľnú glukózu. Voľná ​​glukóza, na rozdiel od fosforylovanej glukózy, sa môže šíriť cez membránu hepatocytov (pečeňové bunky).

Týmto spôsobom môže pečeň poskytovať glukózu do obehu a udržiavať stabilnú hladinu glukózy, a to aj v podmienkach dlhodobého hladovania.

Táto funkcia je veľmi dôležitá, pretože mozog sa spolieha takmer výlučne na hladinu glukózy v krvi, takže závažná hypoglykémia (veľmi nízka koncentrácia glukózy v krvi) môže viesť k strate vedomia.

Súvisiace choroby

Choroby súvisiace s glykogénom sa všeobecne nazývajú „choroby ukladania glykogénu“.

Tieto choroby tvoria skupinu dedičných patológií charakterizovaných ukladaním abnormálnych množstiev alebo typov glykogénu v tkanivách.

Väčšina chorôb ukladania glykogénu je spôsobená genetickým deficitom ktoréhokoľvek z enzýmov zapojených do metabolizmu glykogénu.

Sú rozdelené do ôsmich typov, z ktorých väčšina má svoje vlastné názvy a každý z nich je spôsobený iným nedostatkom enzýmov. Niektoré sú fatálne veľmi skoro v živote, zatiaľ čo iné sú spojené so slabosťou a deficitmi svalov počas cvičenia.

Odporúčané príklady

Medzi najvýznamnejšie choroby súvisiace s glykogénmi patria:

- Von Gierkeho choroba alebo choroba z uskladnenia glykogénu typu I je spôsobená deficitom 6-fosfatázy glukózy v pečeni a obličkách.

Vyznačuje sa abnormálnym rastom pečene (hepatomegália) v dôsledku prehnanej akumulácie glykogénu a hypoglykémie, pretože pečeň nie je schopná dodávať glukózu do obehu. Pacienti s týmto ochorením majú poruchy rastu.

- Pompeho choroba alebo choroba typu II je spôsobená nedostatkom α- (1 → 4) -glukán-6-glykozyltransferúl v pečeni, srdci a kostrových svaloch. Táto choroba, podobne ako choroba Andersena alebo typu IV, je smrteľná pred dosiahnutím veku dvoch rokov.

- McArdle alebo choroba typu V predstavuje nedostatok svalovej fosforylázy a je sprevádzaná svalovou slabosťou, zníženou toleranciou cvičenia, abnormálnou akumuláciou svalového glykogénu a nedostatkom laktátu počas cvičenia.

Referencie

1. Bhattacharya, K. (2015). Vyšetrovanie a manažment chorôb pečeňového glykogénu. Transal Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Choroba z uskladnenia glykogénu typu III. Gene Reviews, 1-16.
3. Guyton, A. a Hall, J. (2006). Učebnica lekárskej fyziológie (11. vydanie). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemistry (3. vydanie). San Francisco, Kalifornia: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiológia chorôb pečene s glykogénom. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V. a Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28. vydanie). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, a Cox, MM (2009). Lehningerove princípy biochémie. Vydania Omega (5. vydanie).
8. Rawn, JD (1998). Biochémie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Myopatie spojené s poruchami metabolizmu glykogénu. Neurotherapeutics.