GLIKOGEN: STRUKTURA, SINTEZA, RAZGRADNJA, FUNKCIJE - BIOLOGIJA - 2025

Glikogen je ogljikov hidrat skladiščenje večine sesalcev. Ogljikove hidrate običajno imenujemo sladkorji in jih razvrstimo glede na število ostankov, ki jih povzroči hidroliza (monosaharidi, disaharidi, oligosaharidi in polisaharidi).

Monosaharidi so najpreprostejši ogljikovi hidrati, ki so razvrščeni glede na število ogljikov, ki jih vsebuje njihova struktura. Potem so tu trioze (3C), tetroze (4C), pentoze (5C), heksoze (6C), heptoze (7C) in oktoze (8C).

Kemična zgradba glikogena, ki kaže glikozidne vezi (Vir: Glykogen.svg: NEUROtiker derivati: Marek M via Wikimedia Commons)

Ti monosaharidi so glede na prisotnost aldehidne ali ketonske skupine prav tako razvrščeni kot aldoze oziroma ketoze.

Dizaharidi povzročijo s hidrolizo dva preprosta monosaharida, oligosaharidi pa 2 do 10 monosaharidnih enot, polisaharidi pa več kot 10 monosaharidov.

Glikogen je z biokemičnega vidika polisaharid, sestavljen iz razvejanih verig šest-ogljikove aldoze, torej heksoze, znane kot glukoza. Glikogen je lahko grafično predstavljen kot glukozno drevo. Temu pravimo tudi živalski škrob.

Glukoza v rastlinah je shranjena kot škrob, pri živalih pa kot glikogen, ki je shranjen predvsem v jetrih in mišičnem tkivu.

V jetrih lahko glikogen predstavlja 10% njegove mase in 1% njegove mišične mase. Tako kot pri 70-kilogramskem človeku jetra tehta približno 1800 g, mišice pa približno 35 kg, je skupna količina mišičnega glikogena veliko večja kot jetra.

Struktura

Molekularna teža glikogena lahko doseže 108 g / mol, kar je enako 6 × 105 molekul glukoze. Glikogen je sestavljen iz več razvejanih verig α-D-glukoze. Glukoza (C6H12O6) je aldoheksoza, ki je lahko predstavljena v linearni ali ciklični obliki.

Glikogen ima močno razvejeno in kompaktno strukturo z verigami od 12 do 14 ostankov glukoze v obliki α-D-glukoze, ki so povezane z glukozidnimi vezmi α- (1 → 4). Veje verige so tvorjene z glukozidnimi vezmi α- (1 → 6).

Glikogen, kot škrob v prehrani, zagotavlja večino ogljikovih hidratov, ki jih telo potrebuje. V črevesju se ti polisaharidi razgradijo s hidrolizo in nato absorbirajo v krvni obtok predvsem kot glukoza.

Trije encimi: ß-amilaza, α-amilaza in amil-α- (1 → 6) -glukozidaza so odgovorni za razgradnjo črevesja tako glikogena kot škroba.

Α-amilaza naključno hidrolizira α- (1 → 4) vezi stranskih verig tako glikogena kot škroba, zato se imenuje endoglikozidaza. Ss-amilaza je eksoglikozidaza, ki sprosti d-maltozne dimere z razbijanjem glikozidnih vezi α- (1 → 4) s koncev najbolj oddaljenih verig, ne da bi segale do vej.

Ker niti ß-amilaza niti α-amilaza ne razkrajata vej, je končni produkt njihovega delovanja zelo razvejena struktura z okoli 35 do 40 ostanki glukoze, imenovana mejni dekstrin.

Limitni dekstrin se na koncu hidrolizira na mestih razvejanja, ki imajo α- (1 → 6) vezi s pomočjo amil-α- (1 → 6) -glukozidaze, znane tudi kot encim "razgradnje". Verige, ki se sprostijo s to raztavitvijo, nato razgradijo ß-amilaza in α-amilaza.

Ko zaužit glikogen vstopi kot glukoza, mora telo, ki ga najdemo v tkivih, sintetizirati iz glukoze.

Sinteza

Sinteza glikogena se imenuje glikogeneza in poteka predvsem v mišicah in jetrih. Glukoza, ki vstopi v telo s prehrano, preide v krvni obtok in od tam v celice, kjer se takoj fosforilira z delovanjem encima, imenovanega glukokinaza.

Glukokinaza fosforilira glukozo pri ogljiku 6. ATP zagotavlja fosfor in energijo za to reakcijo. Posledično nastane 6-fosfat glukoze in sprosti ADP. Nato se glukozni 6-fosfat pretvori v glukozni 1-fosfat z delovanjem fosfoglukomutaze, ki fosfor premakne iz položaja 6 v položaj 1.

Glukozni 1-fosfat ostaja aktiviran za sintezo glikogena, kar vključuje sodelovanje treh drugih encimov: UDP-glukoza pirofosforilaza, glikogen sintetaza in amil- (1,4 → 1,6) -glikoziltransferaza.

Glukoza-1-fosfat skupaj z uridin trifosfatom (UTP, nukleozid uridin trifosfata) in z delovanjem UDP-glukoze-pirofosforilaze tvori uridin difosfat-glukozni kompleks (UDP Glc). V procesu hidroliziramo pirofosfatni ion.

Encim glikogen sintetaza nato tvori glikozidno vez med C1 kompleksa UDP Glc in C4 končnega glukoznega ostanka glikogena in UDP se sprosti iz aktiviranega glukoznega kompleksa. Da se ta reakcija pojavi, mora obstajati že obstoječa molekula glikogena, imenovana "primordialni glikogen".

Primordialni glikogen se sintetizira na osnovnem proteinu, glikogeninu, ki znaša 37 kDa in je glikoziliran do ostanka tirozina s kompleksom UDP Glc. Od tam so ostanki α-D-glukoze povezani z 1 → 4 vezmi in nastala je majhna veriga, na katero deluje glikogenska sintetaza.

Ko začetna veriga poveže vsaj 11 ostankov glukoze, razvejani encim ali amil- (1,4 → 1,6) -glikoziltransferaza prenese kos verige s 6 ali 7 ostanki glukoze v sosednjo verigo v položaju 1 → 6, s čimer se vzpostavi točka podružnice. Tako zgrajena molekula glikogena raste z dodatkom glukoznih enot z 1 → 4 glikozidnimi vezmi in več vejami.

Degradacija

Razpad glikogena se imenuje glikogenoliza in ni enakovreden obratni poti njegove sinteze. Hitrost te poti je omejena s hitrostjo reakcije, katalizirane z glikogen fosforilazo.

Glikogenska fosforilaza je odgovorna za cepitev (fosforoliza) 1 → 4 vezi glikogenskih verig, pri čemer se sprošča glukozni 1-fosfat. Encimsko delovanje se začne na koncih najbolj oddaljenih verig in jih zaporedno odstranjujemo, dokler na vsaki strani vej ne ostanejo 4 ostanki glukoze.

Nato drugi encim, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glukanska transferaza, izpostavi točko veje s prenosom triksaharidne enote iz ene veje v drugo. To omogoča, da amil- (1 → 6) -glukozidaza (encim, ki razkroji) hidrolizira vez 1 → 6 in odstrani vejo, ki bo podvržena delovanju fosforilaze. Kombinirano delovanje teh encimov konča popolnoma cepitev glikogena.

Ker je začetna reakcija fosfomutaze reverzibilna, lahko iz cepljenih ostankov glukoznega 1-fosfata glikogena nastane 6-fosfat glukoze. V jetrih in ledvicah, ne pa tudi v mišicah, obstaja encim glukoza-6-fosfataza, ki lahko defosforilira glukozo 6-fosfat in ga pretvori v prosto glukozo.

Defosforilirana glukoza lahko razprši v kri in tako se jetrna glikogenoliza odraža v povečanju vrednosti glukoze v krvi (glikemiji).

Regulacija sinteze in razgradnje

Od sinteze

Ta proces deluje na dveh temeljnih encimih: glikogen sintetaza in glikogen fosforilaza, in sicer tako, da je eden od njiju v aktivnem stanju. Ta uredba preprečuje, da bi se hkrati pojavile nasprotne sintezne in razgradne reakcije.

Aktivna oblika in neaktivna oblika obeh encimov sta zelo različna, medsebojna pretvorba aktivne in neaktivne oblike fosforilaze in glikogenske sintetaze pa je strogo hormonsko nadzorovana.

Adrenalin je hormon, ki se sprošča iz nadledvične medule, glukagon pa je še en, ki se proizvaja v endokrinem delu trebušne slinavke. Endokrina trebušna slinavka proizvaja inzulin in glukagon. Α celice otočkov Langerhansa so tiste, ki sintetizirajo glukagon.

Adrenalin in glukagon sta dva hormona, ki se sproščata, ko je potrebna energija kot odgovor na znižanje ravni glukoze v krvi. Ti hormoni spodbujajo aktivacijo glikogenske fosforilaze in zavirajo glikogensko sintetazo, s čimer se spodbudi glikogenoliza in zavira glikogeneza.

Medtem ko adrenalin deluje na mišice in jetra, glukagon deluje le na jetra. Ti hormoni se vežejo na specifične membranske receptorje na ciljni celici, ki aktivirajo adenilat ciklazo.

Aktivacija adenilat ciklaze sproži encimsko kaskado, ki po eni strani aktivira cAMP-odvisno proteinsko kinazo, ki inaktivira glikogensko sintetazo in aktivira glikogen fosforilazo s fosforilacijo (neposredno in posredno).

Skeletna mišica ima še en mehanizem aktivacije glikogen fosforilaze preko kalcija, ki se sprosti kot posledica depolarizacije mišične membrane na začetku krčenja.

Degradacije

Zgoraj opisane encimske kaskade končajo zvišanje ravni glukoze in ko te dosežejo določeno raven, se glikogeneza aktivira in zavira glikogenoliza, kar zavira tudi poznejše sproščanje epinefrina in glukagona.

Glikogeneza se aktivira z aktivacijo fosforilaze fosfataze, encima, ki z različnimi mehanizmi uravnava sintezo glikogena, pri čemer sodeluje inaktivacija fosforilaza kinaze in fosforilaze α, ki je zaviralec sintetaze glikogena.

Insulin spodbuja vnos glukoze v mišične celice, povečuje raven glukoze 6-fosfata, kar spodbuja dephosforilacijo in aktivacijo glikogenske sintetaze. Tako se začne sinteza in zavira razgradnja glikogena.

Lastnosti

Mišični glikogen predstavlja energijsko rezervo mišice, ki tako kot rezervne maščobe mišici omogoča, da izpolni svoje funkcije. Med vadbo uporabljamo mišični glikogen, ki je vir glukoze. Te rezerve se povečujejo s fizičnim treningom.

V jetrih je glikogen pomemben rezervni vir tako za delovanje organov kot za oskrbo s glukozo v preostalem telesu.

Ta funkcija jetrnega glikogena je posledica dejstva, da jetra vsebujejo glukozno 6-fosfatazo, encim, ki lahko odstrani fosfatno skupino iz glukoznega 6-fosfata in jo pretvori v prosto glukozo. Prosta glukoza lahko, za razliko od fosforilirane glukoze, difundira skozi membrano hepatocitov (jetrnih celic).

Tako lahko jetra zagotovijo glukozo v obtoku in ohranjajo stabilno raven glukoze, tudi v pogojih dolgotrajnega posta.

Ta funkcija je zelo pomembna, saj možgane hranijo skoraj izključno z glukozo v krvi, zato lahko huda hipoglikemija (zelo nizka koncentracija glukoze v krvi) povzroči izgubo zavesti.

Sorodne bolezni

Bolezni, povezane z glikogenom, se splošno imenujejo "bolezni shranjevanja glikogena".

Te bolezni so skupina dednih patologij, za katere je značilno, da se v tkivih odlagajo nenormalne količine ali vrste glikogena.

Večina bolezni shranjevanja glikogena povzroča genetski primanjkljaj katerega koli od encimov, vključenih v presnovo glikogena.

Razvrščamo jih v osem vrst, večina jih ima lastna imena in vsak od njih povzroča drugačno pomanjkanje encimov. Nekateri so smrtni že zelo zgodaj v življenju, medtem ko so drugi povezani z mišično šibkostjo in primanjkljajem med vadbo.

Predstavljeni primeri

Nekatere najvidnejše bolezni, povezane z glikogenom, so naslednje:

- bolezen Von Gierke ali bolezen skladiščenja glikogena tipa I povzroča pomanjkanje 6-fosfataze glukoze v jetrih in ledvicah.

Zanj je značilna nenormalna rast jeter (hepatomegalija) zaradi pretiranega kopičenja glikogena in hipoglikemije, saj jetra ne morejo dovajati glukoze v obtok. Bolniki s tem stanjem imajo motnje rasti.

- Bolezen Pompeja ali tipa II nastane zaradi pomanjkanja 6-glikoziltransfer α- (1 → 4) -glukana v jetrih, srcu in skeletnih mišicah. Ta bolezen, kot pri Andersenu ali tipu IV, je smrtna že pred dvema letoma.

- McArdlejeva bolezen ali tip V predstavlja pomanjkanje mišične fosforilaze, spremlja pa ga mišična oslabelost, zmanjšana toleranca za vadbo, nenormalno kopičenje mišičnega glikogena in pomanjkanje laktata med vadbo.

Reference

1. Bhattacharya, K. (2015). Preiskava in obvladovanje jetrnih bolezni za shranjevanje glikogena. Translacijska pediatrija, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Bolezen za shranjevanje glikogena tip III. Genski pregledi, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Učbenik medicinske fiziologije (11. izd.). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokemija (3. izd.). San Francisco, Kalifornija: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologija jetrnih glikogenskih shranjevalnih bolezni. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harperjeva ilustrirana biokemija (28. izd.). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerjeva načela biokemije. Izdaje Omega (5. izd.).
8. Rawn, JD (1998). Biokemija. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Miopatije, povezane z motnjami metabolizma glikogena Nevroterapevtiki.