GLYKOGEN: STRUKTUR, SYNTES, NEDBRYTNING, FUNKTIONER - BIOLOGI - 2025

Den glykogen är kolhydrat lagring av de flesta däggdjur. Kolhydrater kallas vanligtvis sockerarter och dessa klassificeras enligt antalet rester orsakade av hydrolys (monosackarider, disackarider, oligosackarider och polysackarider).

Monosackarider är de enklaste kolhydraterna som klassificeras enligt antalet kolhydrater i deras struktur. Det finns sedan trioserna (3C), tetrosas (4C), pentoser (5C), hexoser (6C), heptosas (7C) och oktosas (8C).

Kemisk struktur av glykogen som visar glykosidbindningar (Källa: Glykogen.svg: NEUROtikerderivat: Marek M via Wikimedia Commons)

Beroende på närvaron av aldehydgruppen eller ketongruppen klassificeras dessa monosackarider också som aldoser respektive ketoser.

Disackarider ger upphov till, genom hydrolys, två enkla monosackarider, medan oligosackarider producerar 2 till 10 monosackaridenheter och polysackarider producerar mer än 10 monosackarider.

Glykogen är, ur en biokemisk synvinkel, en polysackarid som består av grenade kedjor av en sexkolldos, dvs en hexos som kallas glukos. Glykogen kan representeras grafiskt som ett glukosträd. Detta kallas också djurstärkelse.

Glukos i växter lagras som stärkelse och i djur som glykogen, som förvaras främst i levern och muskelvävnaden.

I levern kan glykogen utgöra 10% av sin massa och 1% av sin muskelmassa. Som hos en man på 70 kg väger levern cirka 1800 g och musklerna cirka 35 kg, den totala mängden muskelglykogen är mycket högre än levern.

Strukturera

Molekylvikten för glykogen kan nå 108 g / mol, vilket motsvarar 6 x 105 glukosmolekyler. Glykogen består av flera grenade kedjor av a-D-glukos. Glukos (C6H12O6) är en aldohexos som kan representeras i linjär eller cyklisk form.

Glykogen har en mycket grenad och kompakt struktur med kedjor med 12 till 14 glukosrester i form av a-D-glukos som är kopplade till a- (1 → 4) glukosidbindningar. Kedjans grenar bildas av a- (1 → 6) glukosidbindningar.

Glykogen, som stärkelse i kosten, ger de flesta kolhydrater som kroppen behöver. I tarmen bryts dessa polysackarider ned genom hydrolys och absorberas sedan i blodomloppet huvudsakligen som glukos.

Tre enzymer: ß-amylas, α-amylas och amyl-a- (1 → 6) -glukosidas är ansvariga för tarmnedbrytningen av både glykogen och stärkelse.

Α-Amylas hydrolyserar slumpmässigt a- (1 → 4) bindningarna i sidokedjorna för både glykogen och stärkelse, och kallas därför endoglykosidas. Ss-amylas är ett exoglykosidas som frisätter ß-maltosdimerer genom att bryta α- (1 → 4) glykosidbindningar från ändarna av de yttersta kedjorna utan att nå grenarna.

Eftersom varken ß-amylas eller α-amylas försämrar grenpunkterna är slutprodukten av deras verkan en starkt grenad struktur av cirka 35 till 40 glukosrester, kallad border dextrin.

Gränsen för dextrin hydrolyseras slutligen vid de grenpunkter som har a- (1 → 6) bindningar med hjälp av amyl-a- (1 → 6) -glukosidas, även känt som ett "debranching" -enzym. Kedjorna som frigörs genom denna avgrening degraderas sedan av ß-amylas och a-amylas.

När den intagna glykogenen kommer in som glukos måste den som finns i vävnaderna syntetiseras av kroppen från glukos.

Syntes

Glykogensyntes kallas glykogenes och sker främst i muskler och lever. Glukosen som kommer in i kroppen med kosten passerar in i blodomloppet och därifrån in i cellerna, där den omedelbart fosforyleras genom verkan av ett enzym som kallas glukokinas.

Glukokinasfosforylerar glukos vid kol 6. ATP tillhandahåller fosfor och energi för denna reaktion. Som ett resultat bildas glukos 6-fosfat och en ADP frisätts. Sedan omvandlas glukos 6-fosfat till glukos 1-fosfat genom verkan av ett fosfoglukomutas som flyttar fosfor från position 6 till position 1.

Glukos 1-fosfat förblir aktiverat för syntes av glykogen, vilket involverar deltagande av en uppsättning av tre andra enzymer: UDP-glukospyrofosforylas, glykogensyntetas och amyl- (1,4 → 1,6) -glykosyltransferas.

Glukos-1-fosfat, tillsammans med uridintrifosfat (UTP, en nukleosid av uridintrifosfat) och genom verkan av UDP-glukos-pyrofosforylas bildar uridindifosfat-glukoskomplexet (UDP Glc). I processen hydrolyseras en pyrofosfatjon.

Enzymet glykogensyntetas bildar sedan en glykosidbindning mellan Cl i UDP Glc-komplexet och C4 i en terminal glukosrest av glykogen, och UDP frisätts från det aktiverade glukoskomplexet. För att denna reaktion ska inträffa måste det finnas en i förväg existerande glykogenmolekyl som kallas "primordial glykogen."

Primordialglykogen syntetiseras på ett grundprotein, glykogenin, som är 37 kDa och som glykosyleras till en tyrosinrest av UDP Glc-komplexet. Därifrån är a-D-glukosrester kopplade till 1 → 4-bindningar och en liten kedja bildas på vilken glykogensyntetas verkar.

När den initiala kedjan länkar åtminstone 11 glukosrester, överför grenzymet eller amyl- (1,4 → 1,6) -glykosyltransferas en bit kedja med 6 eller 7 glukosrester till den angränsande kedjan i position 1 → 6 och därigenom upprätta en grenpunkt. Den således konstruerade glykogenmolekylen växer genom tillsatser av glukosenheter med 1 → 4 glykosidbindningar och fler grenar.

Degradering

Fördelningen av glykogen kallas glykogenolys, och det motsvarar inte den omvända vägen för dess syntes. Denna vägs hastighet begränsas av hastigheten för den glykogenfosforylas-katalyserade reaktionen.

Glykogenfosforylas är ansvarig för klyvningen (fosforolys) av 1 → 4-bindningarna i glykogenkedjorna, vilket frisätter glukos 1-fosfat. Den enzymatiska verkan börjar vid ändarna av de yttersta kedjorna och de avlägsnas i följd tills 4 glukosrester kvar på varje sida av grenarna.

Sedan exponerar ett annat enzym, a- (1 → 4) → α- (1 → 4) glukantransferas, grenpunkten genom att överföra en trisackaridenhet från en gren till en annan. Detta tillåter amyl- (1 → 6) -glukosidas (debranching-enzym) att hydrolysera bindningen 1 → 6, avlägsna grenen som kommer att genomgå fosforylas-verkan. Den kombinerade verkan av dessa enzymer hamnar helt glykogen.

Eftersom den initiala fosfomutasreaktionen är reversibel kan glukos 6-fosfat bildas från de klyvda glukos-1-fosfatresterna av glykogen. I levern och njurarna, men inte i muskler, finns det ett enzym, glukos-6-fosfatas, som kan avfosforylera glukos-6-fosfat och omvandla det till fritt glukos.

Dephosforylerad glukos kan diffundera i blodet, och det är så att glykogenolys i levern återspeglas i en ökning av blodsockervärden (glykemi).

Reglering av syntes och nedbrytning

Av syntes

Denna process utövas på två grundläggande enzymer: glykogensyntetas och glykogenfosforylas, på ett sådant sätt att när en av dem är aktiv är den andra i sitt inaktiva tillstånd. Denna reglering förhindrar motsatta reaktioner av syntes och nedbrytning från att ske samtidigt.

Den aktiva formen och den inaktiva formen av de två enzymerna är mycket olika, och omvandlingen av de aktiva och inaktiva formerna av fosforylas och glykogensyntetas kontrolleras strikt hormonellt.

Epinefrin är ett hormon som frigörs från binjuremedulla, och glukagon är ett annat som produceras i den endokrina delen av bukspottkörteln. Den endokrina bukspottkörteln producerar insulin och glukagon. A-cellerna på Langerhans öar är de som syntetiserar glukagon.

Adrenalin och glukagon är två hormoner som frigörs när energi behövs som svar på minskade blodsockernivåer. Dessa hormoner stimulerar aktiveringen av glykogenfosforylas och hämmar glykogensyntetas, vilket stimulerar glykogenolys och hämmar glykogenes.

Medan adrenalin utövar sin verkan på muskeln och levern, verkar glukagon endast på levern. Dessa hormoner binder till specifika membranreceptorer på målcellen, som aktiverar adenylatcyklas.

Aktiveringen av adenylatcyklas initierar en enzymatisk kaskad som å ena sidan aktiverar ett cAMP-beroende proteinkinas som inaktiverar glykogensyntetas och aktiverar glykogenfosforylas genom fosforylering (direkt respektive indirekt).

Skelettmuskeln har en annan mekanism för aktivering av glykogenfosforylas genom kalcium, som frisätts som en följd av depolarisationen av muskelmembranet i början av sammandragningen.

Av degradering

De ovan beskrivna enzymatiska kaskaderna ökar glukosnivåerna och när dessa når en viss nivå aktiveras glykogenes och glykogenolys hämmas, vilket även hämmar den efterföljande frisättningen av epinefrin och glukagon.

Glykogenes aktiveras genom aktivering av fosforylasafosfatas, ett enzym som reglerar glykogensyntes genom olika mekanismer, som involverar inaktivering av fosforylasinkas och fosforylas a, som är en hämmare av glykogensyntetas.

Insulin främjar inträde av glukos i muskelceller, vilket ökar glukos 6-fosfatnivåer, vilket stimulerar avfosforylering och aktivering av glykogensyntetas. Således börjar syntesen och nedbrytningen av glykogen hämmas.

Funktioner

Muskelglykogen utgör en energireserv för musklerna som, liksom reservfett, gör att musklerna kan utföra sina funktioner. Som en källa till glukos används muskelglykogen under träningen. Dessa reserver ökar med fysisk träning.

I levern är glykogen också en viktig reservkälla både för organfunktioner och för tillförsel av glukos till resten av kroppen.

Denna funktion av leverglykogen beror på det faktum att levern innehåller glukos 6-fosfatas, ett enzym som kan ta bort fosfatgruppen från glukos 6-fosfat och omvandla den till fritt glukos. Fri glukos, till skillnad från fosforylerad glukos, kan diffundera genom membranet hos hepatocyter (leverceller).

Detta är hur levern kan tillföra glukos till cirkulationen och upprätthålla stabila glukosnivåer, även under förhållanden med lång fasta.

Denna funktion är av stor betydelse, eftersom hjärnan nästan uteslutande förlitar sig på blodsocker, så allvarlig hypoglykemi (mycket låga koncentrationer av glukos i blodet) kan leda till förlust av medvetande.

Relaterade sjukdomar

Glykogenrelaterade sjukdomar kallas generiskt "glykogenlagringssjukdomar."

Dessa sjukdomar utgör en grupp ärftliga patologier som kännetecknas av avsättning i vävnaderna av onormala mängder eller typer av glykogen.

De flesta glykogenlagringssjukdomar orsakas av ett genetiskt underskott av någon av de enzymer som är involverade i glykogenmetabolismen.

De klassificeras i åtta typer, varav de flesta har sina egna namn och var och en av dem orsakas av en annan enzymbrist. Vissa är dödliga mycket tidigt i livet, medan andra är förknippade med muskelsvaghet och underskott under träning.

Utvalda exempel

Några av de mest framträdande glykogenrelaterade sjukdomarna är följande:

- Von Gierkes sjukdom eller typ I glykogenlagringssjukdom orsakas av brist på glukos 6-fosfatas i levern och njurarna.

Det kännetecknas av onormal tillväxt i levern (hepatomegaly) på grund av den överdrivna ansamlingen av glykogen och hypoglykemi, eftersom levern inte kan leverera glukos till cirkulationen. Patienter med detta tillstånd har tillväxtstörningar.

- Pompe- eller typ II-sjukdom beror på brist på α- (1 → 4) -glukans 6-glykosyltransfärer i levern, hjärtat och skelettmusklerna. Denna sjukdom, liksom Andersen eller typ IV, är dödlig före två års ålder.

- McArdle- eller typ V-sjukdom uppvisar en muskelfosforylasasbrist och åtföljs av muskelsvaghet, minskad träningstolerans, onormal ackumulering av muskelglykogen och brist på laktat under träning.

referenser

1. Bhattacharya, K. (2015). Undersökning och hantering av glykogenlagersjukdomar i lever. Translational Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Glykogenlagringssjukdom typ III. Genrecensioner, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Lärobok för medicinsk fysiologi (11: e upplagan). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokemi (3: e upplagan). San Francisco, Kalifornien: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologi för sjukdomar i lagring av lever glykogen. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28: e upplagan). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger principer för biokemi. Omega Editions (5: e upplagan).
8. Rawn, JD (1998). Biokemi. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson förlag.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Myopatier relaterade till glykogenmetabolismstörningar. NeuroTherapeutics.