GLYKOGEN: STRUKTUR, SYNTESE, NEDBRYTNING, FUNKSJONER - BIOLOGI - 2025

Den glykogen er karbohydrat lagring av de fleste pattedyr. Karbohydrater kalles ofte sukkerarter, og disse klassifiseres i henhold til antall rester forårsaket av hydrolyse (monosakkarider, disakkarider, oligosakkarider og polysakkarider).

Monosakkarider er de enkleste karbohydratene som klassifiseres i henhold til antall karbonhydrater i strukturen. Det er da trioene (3C), tetrosas (4C), pentoser (5C), heksoser (6C), heptosas (7C) og oktosas (8C).

Kjemisk struktur av glykogen som viser glykosidbindinger (Kilde: Glykogen.svg: NEUROtiker derivatarbeid: Marek M via Wikimedia Commons)

Avhengig av tilstedeværelsen av aldehydgruppen eller ketongruppen, er disse monosakkaridene også klassifisert som henholdsvis aldoser eller ketoser.

Disakkarider gir ved hydrolyse to enkle monosakkarider, mens oligosakkarider produserer 2 til 10 monosakkaridenheter og polysakkarider produserer mer enn 10 monosakkarider.

Glykogen er, fra et biokjemisk synspunkt, et polysakkarid sammensatt av forgrenede kjeder av en seks-karbon aldose, det vil si en heksose kjent som glukose. Glykogen kan fremstilles grafisk som et glukosetre. Dette kalles også dyrestivelse.

Glukose i planter lagres som stivelse og i dyr som glykogen, som primært lagres i leveren og muskelvevet.

I leveren kan glykogen utgjøre 10% av massen og 1% av muskelmassen. Som hos en mann på 70 kg veier leveren cirka 1800 g og musklene ca 35 kg, den totale mengden muskelglykogen er mye høyere enn leveren.

Struktur

Molekylvekten til glykogen kan nå 108 g / mol, noe som tilsvarer 6 × 105 glukosemolekyler. Glykogen består av flere forgrenede kjeder av α-D-glukose. Glukose (C6H12O6) er en aldoheksose som kan representeres i lineær eller syklisk form.

Glykogen har en meget forgrenet og kompakt struktur med kjeder med 12 til 14 glukoserester i form av a-D-glukose som er koblet med a- (1 → 4) glukosidbindinger. Grenene av kjeden dannes av α- (1 → 6) glukosidbindinger.

Glykogen, som stivelse i kostholdet, gir det meste av karbohydrater som kroppen trenger. I tarmen brytes disse polysakkaridene ned ved hydrolyse og absorberes deretter i blodstrømmen hovedsakelig som glukose.

Tre enzymer: ß-amylase, α-amylase og amyl-α- (1 → 6) -glukosidase er ansvarlig for tarmnedbrytningen av både glykogen og stivelse.

Α-Amylase hydrolyserer tilfeldig a- (1 → 4) bindingene til sidekjedene til både glykogen og stivelse, og kalles derfor endoglykosidase. Ss-amylase er en eksoglykosidase som frigjør ß-maltosedimerer ved å bryte α- (1 → 4) glykosidbindinger fra endene av de ytterste kjedene uten å nå grenene.

Siden verken ß-amylase eller α-amylase nedbryter grenpunktene, er sluttproduktet av deres virkning en svært forgrenet struktur på rundt 35 til 40 glukoserester kalt border dextrin.

Begrensede dekstrin hydrolyseres til slutt ved forgreningspunktene som har a- (1 → 6) bindinger ved hjelp av amyl-a- (1 → 6) -glukosidase, også kjent som et "debranching" -enzym. Kjedene som frigjøres ved denne avgreningen, blir deretter nedbrutt med ß-amylase og α-amylase.

Når det inntatt glykogen kommer inn som glukose, må det som finnes i vevene syntetiseres av kroppen fra glukose.

syntese

Glykogensyntese kalles glykogenese og foregår først og fremst i muskel og lever. Glukose som kommer inn i kroppen gjennom kosthold passerer inn i blodomløpet og derfra inn i cellene, hvor den umiddelbart fosforyleres ved virkningen av et enzym kalt glukokinase.

Glukokinase fosforylerer glukose ved karbon 6. ATP gir fosfor og energi til denne reaksjonen. Som et resultat dannes glukose 6-fosfat og en ADP frigjøres. Deretter omdannes glukose 6-fosfat til glukose 1-fosfat ved virkning av en fosfoglukomutase som flytter fosfor fra stilling 6 til stilling 1.

Glukose 1-fosfat forblir aktivert for syntese av glykogen, som involverer deltakelse av et sett med tre andre enzymer: UDP-glukosepyrofosforylase, glykogensyntetase og amyl- (1,4 → 1,6) -glykosyltransferase.

Glukose-1-fosfat, sammen med uridin-trifosfat (UTP, et nukleosid av uridin-trifosfat) og ved virkning av UDP-glukose-pyrofosforylase, danner uridindifosfat-glukosekompleks (UDP Glc). I prosessen hydrolyseres et pyrofosfation.

Enzymet glykogensyntetase danner deretter en glykosidbinding mellom Cl i UDP Glc-komplekset og C4 av en terminal glukoserest av glykogen, og UDP frigjøres fra det aktiverte glukosekomplekset. For at denne reaksjonen skal skje, må det være et allerede eksisterende glykogenmolekyl kalt "primordialglykogen."

Primordialglykogen syntetiseres på et primerprotein, glykogenin, som er 37 kDa og som er glykosylert til en tyrosinrest av UDP Glc-komplekset. Derfra er α-D-glukoserester bundet med 1 → 4 bindinger og det dannes en liten kjede hvorpå glykogensyntetase virker.

Når den innledende kjeden har koblet sammen minst 11 glukoserester, overfører forgreningsenzymet eller amyl- (1,4 → 1,6) -glykosyltransferase et stykke kjede med 6 eller 7 glukoserester til den tilstøtende kjeden i posisjon 1 → 6 og derved etablere et grenpunkt. Det således konstruerte glykogenmolekylet vokser ved tilsetninger av glukoseenheter med 1 → 4 glykosidbindinger og flere grener.

nedbrytning

Nedbrytningen av glykogen kalles glykogenolyse, og det tilsvarer ikke den omvendte veien for syntese. Hastigheten til denne veien er begrenset av hastigheten på den glykogenfosforylase-katalyserte reaksjonen.

Glykogenfosforylase er ansvarlig for spaltning (fosforolyse) av 1 → 4-bindinger i glykogenkjedene, og frigjør glukose 1-fosfat. Den enzymatiske virkningen begynner i endene av de ytterste kjedene, og de fjernes sekvensielt til det gjenstår 4 glukoserester på hver side av grenene.

Så utsetter et annet enzym, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glukanoverføring, eksponering av grenpunktet ved å overføre en trisakkaridenhet fra en gren til en annen. Dette gjør at amyl- (1 → 6) -glukosidase (avgreningsenzym) kan hydrolysere bindingen 1 → 6, fjerne grenen som vil gjennomgå virkningen av fosforylase. Den kombinerte virkningen av disse enzymene ender opp med å spalte glykogen fullstendig.

Siden den innledende fosfomutasereaksjonen er reversibel, kan glukose 6-fosfat dannes fra de spaltede glukose 1-fosfatrester av glykogen. I lever og nyre, men ikke i muskler, er det et enzym, glukose-6-fosfatase, som er i stand til å avfosforylere glukose 6-fosfat og omdanne det til fri glukose.

Dephosforylert glukose kan diffundere i blodet, og det er slik glykogenolyse i leveren gjenspeiles i en økning i blodsukkerverdiene (glykemi).

Regulering av syntese og nedbrytning

Av syntese

Denne prosessen utøves på to grunnleggende enzymer: glykogensyntetase og glykogenfosforylase, på en slik måte at når den ene av dem er aktiv, er den andre i sin inaktive tilstand. Denne forskriften forhindrer motsatte reaksjoner av syntese og nedbrytning fra å oppstå samtidig.

Den aktive formen og den inaktive formen til de to enzymene er veldig forskjellige, og interkonversjonen av de aktive og inaktive formene av fosforylase og glykogensyntetase er strengt hormonelt kontrollert.

Epinefrin er et hormon som frigjøres fra binyremedulla, og glukagon er et annet som produseres i den endokrine delen av bukspyttkjertelen. Den endokrine bukspyttkjertelen produserer insulin og glukagon. Α-cellene på Langerhans-holmene er de som syntetiserer glukagon.

Adrenalin og glukagon er to hormoner som frigjøres når det er behov for energi som svar på redusert blodsukkernivå. Disse hormonene stimulerer aktiveringen av glykogenfosforylase og hemmer glykogensyntetase, og stimulerer dermed glykogenolyse og hemmer glykogenese.

Mens adrenalin utøver sin virkning på muskelen og leveren, virker glukagon bare på leveren. Disse hormonene binder seg til spesifikke membranreseptorer på målcellen, som aktiverer adenylatsyklase.

Aktivering av adenylatsyklase initierer en enzymatisk kaskade som på den ene siden aktiverer en cAMP-avhengig proteinkinase som inaktiverer glykogensyntetase og aktiverer glykogenfosforylase ved henholdsvis fosforylering (direkte og indirekte).

Skjelettmuskulatur har en annen mekanisme for aktivering av glykogenfosforylase gjennom kalsium, som frigjøres som en konsekvens av depolarisering av muskelmembranen i begynnelsen av sammentrekningen.

Av degradering

De enzymatiske kaskadene beskrevet ovenfor ender med å øke glukosenivået, og når disse når et visst nivå, blir glykogenese aktivert og glykogenolyse hemmes, noe som også hemmer den etterfølgende frigjøring av epinefrin og glukagon.

Glykogenese aktiveres gjennom aktivering av fosforylase-fosfatase, et enzym som regulerer glykogensyntese ved forskjellige mekanismer, som involverer inaktivering av fosforylasekinase og fosforylase α, som er en hemmer av glykogensyntetase.

Insulin fremmer tilførsel av glukose i muskelceller, og øker glukose-6-fosfatnivåene, noe som stimulerer defosforylering og aktivering av glykogensyntetase. Dermed begynner syntesen og nedbrytningen av glykogen hemmes.

Egenskaper

Muskelglykogen utgjør en energireserve for muskelen som, i likhet med reservefett, lar muskelen utføre sine funksjoner. Å være en kilde til glukose, brukes muskelglykogen under trening. Disse reservene øker med fysisk trening.

I leveren er glykogen også en viktig reservekilde både for organfunksjoner og for tilførsel av glukose til resten av kroppen.

Denne funksjonen til leverglykogen skyldes det faktum at leveren inneholder glukose 6-fosfatase, et enzym som er i stand til å fjerne fosfatgruppen fra glukose 6-fosfat og omdanne den til fri glukose. Fri glukose, i motsetning til fosforylert glukose, kan diffundere gjennom membranen til hepatocytter (leverceller).

Slik kan leveren gi glukose til sirkulasjonen og opprettholde stabile glukosenivåer, selv under langvarig faste.

Denne funksjonen er av stor betydning, siden hjernen er avhengig nesten utelukkende på blodsukker, så alvorlig hypoglykemi (veldig lave konsentrasjoner av glukose i blodet) kan føre til bevissthetstap.

Beslektede sykdommer

Glykogenrelaterte sykdommer kalles generisk "glykogenlagringssykdommer."

Disse sykdommene utgjør en gruppe arvelige patologier preget av avsetning i vevene av unormale mengder eller typer glykogen.

De fleste glykogenlagringssykdommer er forårsaket av et genetisk underskudd av noen av enzymene som er involvert i glykogenmetabolismen.

De er klassifisert i åtte typer, hvorav de fleste har egne navn, og hver av dem er forårsaket av en annen enzymmangel. Noen er dødelige veldig tidlig i livet, mens andre er assosiert med muskelsvakhet og -underskudd under trening.

Utvalgte eksempler

Noen av de mest fremtredende glykogenrelaterte sykdommene er følgende:

- Von Gierkes sykdom eller type I glykogenlagringssykdom, er forårsaket av et underskudd av glukose 6-fosfatase i lever og nyre.

Det er preget av unormal vekst i leveren (hepatomegali) på grunn av den overdrevne ansamlingen av glykogen og hypoglykemi, siden leveren ikke kan levere glukose til sirkulasjonen. Pasienter med denne tilstanden har vekstforstyrrelser.

- Pompe- eller type II-sykdom skyldes mangel på α- (1 → 4) -glukan 6-glykosyltransferer i leveren, hjertet og skjelettmuskulaturen. Denne sykdommen, som Andersen eller type IV, er dødelig før fylte to år.

- McArdle- eller type V-sykdom presenterer en muskelfosforylase-mangel og er ledsaget av muskelsvakhet, nedsatt treningstoleranse, unormal ansamling av muskelglykogen og mangel på laktat under trening.

referanser

1. Bhattacharya, K. (2015). Undersøkelse og håndtering av leverene glykogenlagringssykdommer. Translational Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Glykogenlagringssykdom Type III. Genevurderinger, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Lærebok for medisinsk fysiologi (11. utg.). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokjemi (3. utg.). San Francisco, California: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologi av leverens sykdommer i lagring av glykogen. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28. utg.). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger prinsipper for biokjemi. Omega Editions (5. utg.).
8. Rawn, JD (1998). Biokjemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publisher.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Myopatier relatert til glykogenmetabolismeforstyrrelser. Neurotherapeutics.