GLYKOGEN: STRUKTURA, SYNTÉZA, DEGRADACE, FUNKCE - BIOLOGIE - 2025

Glykogen je sacharid skladování většiny savců. Sacharidy se běžně nazývají cukry a jsou klasifikovány podle počtu reziduí způsobených hydrolýzou (monosacharidy, disacharidy, oligosacharidy a polysacharidy).

Monosacharidy jsou nejjednodušší uhlohydráty, které jsou klasifikovány podle počtu uhlíků obsažených v jejich struktuře. Pak jsou zde triosy (3C), tetrosy (4C), pentózy (5C), hexózy (6C), heptózy (7C) a októzy (8C).

Chemická struktura glykogenu vykazující glykosidické vazby (Zdroj: Glykogen.svg: NEUROtikerova odvozená práce: Marek M přes Wikimedia Commons)

V závislosti na přítomnosti aldehydové skupiny nebo ketonové skupiny jsou tyto monosacharidy také klasifikovány jako aldózy nebo ketózy.

Disacharidy poskytují hydrolýzou dva jednoduché monosacharidy, zatímco oligosacharidy produkují 2 až 10 monosacharidových jednotek a polysacharidy produkují více než 10 monosacharidů.

Glykogen je z biochemického hlediska polysacharid složený z rozvětvených řetězců šesti uhlíkové aldózy, tj. Hexózy známé jako glukóza. Glykogen lze graficky znázornit jako glukózový strom. Tomu se říká také živočišný škrob.

Glukóza v rostlinách je uložena jako škrob a ve zvířatech jako glykogen, který je uložen primárně v játrech a svalové tkáni.

V játrech může glykogen tvořit 10% své hmoty a 1% své svalové hmoty. Protože u 70 kg muže váží játra asi 1800 ga svaly asi 35 kg, celkové množství svalového glykogenu je mnohem vyšší než játra.

Struktura

Molekulová hmotnost glykogenu může dosáhnout 108 g / mol, což odpovídá 6 × 105 molekul glukózy. Glykogen je tvořen více rozvětvenými řetězci a-D-glukózy. Glukóza (C6H12O6) je aldohexóza, kterou lze reprezentovat v lineární nebo cyklické formě.

Glykogen má vysoce rozvětvenou a kompaktní strukturu s řetězci 12 až 14 glukózových zbytků ve formě a-D-glukózy, které jsou spojeny s a- (1 → 4) glukosidickými vazbami. Větve řetězce jsou tvořeny a- (1 → 6) glukosidickými vazbami.

Glykogen, jako škrob ve stravě, poskytuje většinu sacharidů, které tělo potřebuje. Ve střevě se tyto polysacharidy hydrolýzou štěpí a poté absorbují do krevního oběhu hlavně jako glukóza.

Tři enzymy: ß-amyláza, a-amyláza a amyl-α- (1 → 6) -glukosidáza jsou zodpovědné za střevní degradaci glykogenu a škrobu.

Α-Amyláza náhodně hydrolyzuje a- (1 → 4) vazby postranních řetězců glykogenu a škrobu, a proto se nazývá endoglykosidáza. Ss-amyláza je exoglykosidáza, která uvolňuje dimery ß-maltózy rozrušením α- (1 → 4) glykosidických vazeb od konců nejvzdálenějších řetězců bez dosažení větví.

Protože ani ß-amyláza ani a-amyláza nedegradují body větvení, je konečným produktem jejich působení vysoce rozvětvená struktura asi 35 až 40 zbytků glukózy zvaná hraniční dextrin.

Limitní dextrin je nakonec hydrolyzován v bodech větvení, které mají vazby α- (1 → 6) pomocí amyl-α- (1 → 6) -glukosidázy, známé také jako enzym „odbourávání“. Řetězy uvolněné tímto debranchingem jsou pak degradovány ß-amylázou a a-amylázou.

Když přijímaný glykogen vstupuje jako glukóza, musí se ten, který se nachází ve tkáních, syntetizovat tělem z glukózy.

Syntéza

Syntéza glykogenu se nazývá glykogeneze a probíhá primárně ve svalech a játrech. Glukóza, která vstupuje do těla stravou, prochází do krevního řečiště a odtud do buněk, kde je okamžitě fosforylována působením enzymu zvaného glukokináza.

Glukokináza fosforyluje glukózu na uhlíku 6. ATP poskytuje pro tuto reakci fosfor a energii. Výsledkem je vytvoření 6-fosfátu glukózy a uvolnění ADP. Potom se glukóza 6-fosfát přemění na glukózu 1-fosfát působením fosfoglukomutázy, která pohybuje fosforem z polohy 6 do polohy 1.

Glukóza 1-fosfát zůstává aktivován pro syntézu glykogenu, což zahrnuje účast řady dalších enzymů: UDP-glukóza-pyrofosforyláza, glykogen syntetáza a amyl- (1,4 → 1,6) -glykosyltransferáza.

Glukóza-1-fosfát společně s uridintrifosfátem (UTP, nukleosid uridintrifosfátu) a působením UDP-glukóza-pyrofosforylázy tvoří komplex uridin difosfát-glukóza (UDP Glc). Při tomto postupu se pyrofosfátový ion hydrolyzuje.

Enzym glykogen syntetáza pak vytvoří glykosidickou vazbu mezi C1 komplexu UDP Glc a C4 koncového zbytku glukózy glykogenu a UDP se uvolní z aktivovaného glukózového komplexu. Aby k této reakci mohlo dojít, musí existovat již existující molekula glykogenu zvaná „prvotní glykogen“.

Primordiální glykogen je syntetizován na primemovém proteinu, glykogeninu, který je 37 kDa a který je glykosylován na tyrosinový zbytek komplexem UDP Glc. Od této chvíle jsou a-D-glukózové zbytky spojeny s 1 → 4 vazbami a vytvoří se malý řetězec, na který působí glykogen syntetáza.

Jakmile počáteční řetězec spojí alespoň 11 zbytků glukózy, rozvětvující se enzym nebo amyl- (1,4 → 1,6) -glykosyltransferáza přenese část řetězce 6 nebo 7 zbytků glukózy na sousední řetězec v poloze 1. → 6, čímž se vytvoří větev. Takto zkonstruovaná molekula glykogenu roste přidáním jednotek glukózy s 1 → 4 glykosidickými vazbami a více větvemi.

Degradace

Rozklad glykogenu se nazývá glykogenolýza a není ekvivalentní zpětné cestě jeho syntézy. Rychlost této dráhy je omezena rychlostí reakce katalyzované glykogen-fosforylázou.

Glykogenfosforyláza je zodpovědná za štěpení (fosforolýza) 1 → 4 vazeb glykogenových řetězců a uvolňuje 1-fosfát glukózy. Enzymatický účinek začíná na koncích nejvzdálenějších řetězců a postupně se odstraňují, dokud na každé straně větví nezůstanou 4 zbytky glukózy.

Potom další enzym, a- (1 → 4) → a- (1 → 4) glukan transferáza, vystaví bod větvení přenesením trisacharidové jednotky z jedné větve do druhé. To umožňuje amyl- (1 → 6) -glukosidázu (enzym rozvětvení) hydrolyzovat vazbu 1 → 6, čímž se odstraní větev, která podléhá působení fosforylázy. Kombinovaný účinek těchto enzymů končí úplně štěpením glykogenu.

Protože počáteční fosfomutázová reakce je reverzibilní, může být ze štěpených zbytků 1-fosfátu glukózy 1 glykogenu vytvořen 6-fosfát glukózy. V játrech a ledvinách, ale ne ve svalu, existuje enzym, glukóza-6-fosfatáza, schopný defosforylovat glukózu 6-fosfát a přeměnit ji na volnou glukózu.

Defosforylovaná glukóza se může difundovat do krve, a tak se glykogenolýza v játrech odráží ve zvýšení hodnot glukózy v krvi (glykémie).

Regulace syntézy a degradace

Syntézy

Tento proces se uplatňuje na dva základní enzymy: glykogen syntetáza a glykogen fosforyláza, a to tak, že když je jeden z nich aktivní, druhý je ve svém neaktivním stavu. Tato regulace zabraňuje paralelním reakcím syntézy a degradace současně.

Aktivní forma a neaktivní forma těchto dvou enzymů jsou velmi odlišné a vzájemná přeměna aktivních a inaktivních forem fosforylázy a glykogen syntetázy je přísně kontrolovaná hormonálně.

Epinefrin je hormon, který se uvolňuje z nadledvin, a glukagon je další, který se produkuje v endokrinní části slinivky břišní. Endokrinní pankreas produkuje inzulín a glukagon. Α-buňky Langerhansových ostrůvků jsou ty, které syntetizují glukagon.

Adrenalin a glukagon jsou dva hormony, které se uvolňují, když je potřeba energie v reakci na sníženou hladinu glukózy v krvi. Tyto hormony stimulují aktivaci glykogenfosforylázy a inhibují glykogen syntetázu, čímž stimulují glykogenolýzu a inhibují glykogenezi.

Zatímco adrenalin působí na svaly a játra, glukagon působí pouze na játra. Tyto hormony se vážou na specifické membránové receptory na cílové buňce, která aktivuje adenylátcyklázu.

Aktivace adenylátcyklázy iniciuje enzymatickou kaskádu, která na jedné straně aktivuje cAMP-dependentní protein kinázu, která inaktivuje glykogen syntetázu a aktivuje glykogen fosforylázu fosforylací (přímo a nepřímo).

Kosterní sval má další mechanismus aktivace glykogenfosforylázy vápníkem, který se uvolňuje v důsledku depolarizace svalové membrány na začátku kontrakce.

Degradace

Enzymatické kaskády popsané výše nakonec zvyšují hladiny glukózy a když tyto dosáhnou určité úrovně, aktivuje se glykogeneze a inhibuje se glykogenolýza, což také inhibuje následné uvolňování epinefrinu a glukagonu.

Glykogeneze je aktivována aktivací fosforylázy fosfatázy, enzymu, který reguluje syntézu glykogenu různými mechanismy, zahrnující inaktivaci fosforylázy kinázy a fosforylázy a, která je inhibitorem glykogen syntetázy.

Inzulín podporuje vstup glukózy do svalových buněk, zvyšuje hladinu 6-fosfátu glukózy, což stimuluje defosforylaci a aktivaci glykogen syntetázy. Tím začíná syntéza a inhibice degradace glykogenu.

Funkce

Svalový glykogen představuje energetickou rezervu pro sval, která stejně jako rezervní tuky umožňuje svalu plnit jeho funkce. Během cvičení je zdrojem glukózy svalový glykogen. Tyto rezervy se zvyšují s tělesným tréninkem.

V játrech je glykogen také důležitým rezervním zdrojem jak pro funkce orgánů, tak pro dodávání glukózy do zbytku těla.

Tato funkce jaterního glykogenu je způsobena skutečností, že játra obsahují glukózu 6-fosfatázu, enzym schopný odstranit fosfátovou skupinu z glukózy 6-fosfátu a převést ji na volnou glukózu. Volná glukóza, na rozdíl od fosforylované glukózy, se může šířit membránou hepatocytů (jaterních buněk).

To je způsob, jak játra mohou poskytovat glukózu do oběhu a udržovat stabilní hladiny glukózy, a to i za podmínek dlouhodobého půstu.

Tato funkce je velmi důležitá, protože mozek se spoléhá téměř výhradně na glukózu v krvi, takže těžká hypoglykémie (velmi nízké koncentrace glukózy v krvi) může způsobit ztrátu vědomí.

Související nemoci

Glykogenní nemoci se obecně nazývají „nemoci ukládání glykogenu“.

Tato onemocnění představují skupinu dědičných patologií charakterizovaných ukládáním abnormálních množství nebo typů glykogenu v tkáních.

Většina nemocí skladování glykogenu je způsobena genetickým deficitem některého z enzymů podílejících se na metabolismu glykogenu.

Jsou rozděleny do osmi typů, z nichž většina má svá vlastní jména a každý z nich je způsoben jiným nedostatkem enzymů. Některé jsou fatální velmi brzy v životě, zatímco jiné jsou spojeny se slabostí svalů a deficitem během cvičení.

Doporučené příklady

Mezi nejvýznamnější nemoci související s glykogenem patří:

- Von Gierkeho choroba nebo glykogenová choroba typu I je způsobena deficitem 6-fosfatázy glukózy v játrech a ledvinách.

Je charakterizován abnormálním růstem jater (hepatomegalie) v důsledku přehnané akumulace glykogenu a hypoglykémie, protože játra nemohou dodávat glukózu do oběhu. Pacienti s tímto stavem mají poruchy růstu.

- Pompe nebo nemoc typu II je způsobena nedostatkem α- (1 → 4) -glukan 6-glykosyltranspher v játrech, srdci a kosterních svalech. Tato nemoc, stejně jako nemoc Andersena nebo typu IV, je fatální před dosažením dvou let.

- McArdle nebo onemocnění typu V představuje nedostatek svalové fosforylázy a je doprovázen slabostí svalů, sníženou tolerancí k zátěži, abnormální akumulací svalového glykogenu a nedostatkem laktátu během cvičení.

Reference

1. Bhattacharya, K. (2015). Vyšetřování a zvládání nemocí jaterního glykogenu. Translační pediatrie, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Glykogenní choroba skladování typu III. Gene Reviews, 1-16.
3. Guyton, A., and Hall, J. (2006). Učebnice lékařské fyziologie (11. vydání). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemistry (3. vydání). San Francisco, Kalifornie: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologie nemocí jaterního glykogenu. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V. a Weil, P. (2009). Harperova ilustrovaná biochemie (28. vydání). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerovy principy biochemie. Vydání Omega (5. vydání).
8. Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Myopatie spojené s poruchami metabolismu glykogenu. Neuroterapeutika.