GLIKOGÉN: SZERKEZET, SZINTÉZIS, LEBOMLÁS, FUNKCIÓK - BIOLÓGIA - 2025

A glikogén a legtöbb emlős szénhidrát tárolása. A szénhidrátokat általában cukroknak nevezik, és ezeket a hidrolízis által kiváltott maradványok száma szerint osztályozzák (monoszacharidok, diszacharidok, oligoszacharidok és poliszacharidok).

A monoszacharidok a legegyszerűbb szénhidrátok, amelyeket szerkezetükben lévő szénszám alapján osztályoznak. Ezután a triózok (3C), a tetroszák (4C), pentózok (5C), hexózok (6C), heptosas (7C) és októzok (8C) állnak.

A glikogén kémiai szerkezete glikozidkötéseket mutatva (Forrás: Glykogen.svg: NEUROtiker származékos munka: Marek M a Wikimedia Commons segítségével)

Az aldehid- vagy a ketoncsoport jelenlététől függően ezeket a monoszacharidokat aldózok vagy ketózokként is soroljuk be.

A diszacharidok hidrolízissel két egyszerű monoszacharidot eredményeznek, míg az oligoszacharidok 2-10 monoszacharid egységet, a poliszacharidok pedig több mint 10 monoszacharidot eredményeznek.

A glikogén biokémiai szempontból egy poliszacharid, amely egy hat szénatomos aldóz, azaz egy glükóz néven ismert hexóz elágazó láncaiból áll. A glikogént grafikusan ábrázolhatjuk glükózfának. Ezt más állati keményítőnek is nevezik.

A növényekben a glükózt keményítőként, állatokban pedig glikogént tárolják, amelyet elsősorban a májban és az izomszövet tárol.

A májban a glikogén tömegének 10% -át és izomtömegének 1% -át teheti ki. Mivel egy 70 kg-os embernél a máj körülbelül 1800 g, az izmok pedig körülbelül 35 kg, az izom glikogén mennyisége sokkal nagyobb, mint a májé.

Szerkezet

A glikogén molekulatömege elérheti a 108 g / mol értéket, ami 6 × 105 glükózmolekulának felel meg. A glikogén az α-D-glükóz több elágazó láncából áll. A glükóz (C6H12O6) egy aldohexóz, amely lineáris vagy ciklikus formában képviselhető.

A glikogén erősen elágazó és kompakt szerkezetű, 12–14 glükózmaradék-lánccal, α-D-glükóz formájában, amelyek az α- (1 → 4) glükozidkötésekhez kapcsolódnak. A lánc elágazásait α- (1 → 6) glükozid kötések képezik.

A glikogén, akárcsak az étrendben alkalmazott keményítő, biztosítja a test számára szükséges legtöbb szénhidrátot. A bélben ezek a poliszacharidok hidrolízissel bomlanak, majd elsősorban glükóz formájában abszorbeálódnak a véráramba.

Három enzim: ß-amiláz, α-amiláz és amil-α- (1 → 6) -glükozidáz felelős mind a glikogén, mind a keményítő bélben történő lebomlásáért.

Az Α-amiláz véletlenszerűen hidrolizálja mind a glikogén, mind a keményítő oldalsó láncának α- (1 → 4) kötéseit, ezért endoglikozidáznak nevezik. Az Ss-amiláz egy exoglikozidáz, amely felszabadítja a ß-maltóz dimereket azáltal, hogy α- (1 → 4) glikozidkötéseket hasít a legkülső láncok végéből anélkül, hogy elérné az ágakat.

Mivel sem a ß-amiláz, sem az α-amiláz nem bontja le az elágazási pontokat, hatásuk végterméke egy erősen elágazó szerkezetű, körülbelül 35–40 glükózmaradék, úgynevezett border dextrin.

A határérték-dextrint végül az α- (1 → 6) -kötésekkel rendelkező elágazási pontokban hidrolizálják amil-α- (1 → 6) -glükozidáz, más néven „szétbontó” enzim néven. Az ebből az elválasztásból felszabaduló láncokat ezután ß-amiláz és α-amiláz bontja le.

Mivel a bevitt glikogén glükóz formájában kerül be a szervezetbe, a szövetekben található glükózt glükózból kell szintetizálni.

Szintézis

A glikogén szintézist glikogenezisnek nevezik, és elsősorban az izomban és a májban zajlik. Az étrenddel a testbe belépő glükóz átkerül a véráramba, onnan a sejtekbe, ahol egy glükokináz enzim hatására azonnal foszforilálódik.

A glükokináz a 6-os szénnél foszforilálja a glükózt. Az ATP biztosítja a foszfort és az energiát ehhez a reakcióhoz. Ennek eredményeként glükóz-6-foszfát képződik és ADP szabadul fel. Ezután a glükóz-6-foszfát átalakul glükóz-1-foszfáttá egy foszfor-glukomutáz hatásával, amely a foszfort a 6. helyzetből az 1. helyzetbe hozza.

Az 1-glükóz-foszfát aktiválódik a glikogén szintéziséhez, amely három másik enzim sorozatának részvételével jár: UDP-glükóz-pirofoszforiláz, glikogén-szintetáz és amil- (1,4 → 1,6) -glikozil-transzferáz.

A glükóz-1-foszfát az uridin-trifoszfáttal (UTP, az uridin-trifoszfát nukleozidja) és az UDP-glükóz-pirofoszforiláz hatására alkotja az uridin-difoszfát-glükóz komplexet (UDP Glc). Az eljárás során egy pirofoszfát-ion hidrolizálódik.

A glikogénszintetáz enzim ezután glikozidkötést képez az UDP Glc komplex C1 és a glikogén terminális glükózmaradéka C4 között, és az UDP felszabadul az aktivált glükóz komplexből. Ahhoz, hogy ez a reakció megtörténjen, léteznie kell egy már létező, elsődleges glikogénnek nevezett glikogén molekulának.

Az elsődleges glikogént egy primer fehérjén, a glikogeninön szintetizálják, amely 37 kDa, és amelyet az UDP Glc komplex tirozin maradékgliklizál. Innentől kezdve az α-D-glükózmaradékok 1 → 4 kötéssel kapcsolódnak, és egy kis lánc jön létre, amelyen a glikogén-szintetáz hat.

Amint a kezdeti lánc legalább 11 glükózmaradékot összekapcsol, az elágazó enzim vagy az amil- (1,4 → 1,6) -glikoziltranszferáz 6 vagy 7 glükózmaradékot tartalmazó láncdarabot továbbít az 1. helyzetben lévő szomszédos lánchoz. → 6, ezáltal létrehozva egy elágazási pontot. Az így előállított glikogén molekula növekszik, ha glükóz egységeket adunk hozzá 1 → 4 glikozid kötéssel és még több ággal.

A lebomlás

A glikogén bontását glikogenolízisnek nevezzük, és ez nem felel meg a szintézisének fordított útjának. Ennek az útnak a sebességét korlátozza a glikogén-foszforiláz által katalizált reakció sebessége.

A glikogén-foszforiláz felelős a glikogén láncok 1 → 4 kötéseinek hasításáért (foszforolíziséért), felszabadítva a glükóz-1-foszfátot. Az enzimatikus hatás a legkülső láncok végén kezdődik, és egymást követően eltávolítják őket, amíg 4 glükózmaradék marad az ágak mindkét oldalán.

Ezután egy másik enzim, az α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glükán-transzferáz teszi ki az elágazási pontot egy triszacharid egység áthelyezésével az egyik ágból a másikba. Ez lehetővé teszi, hogy az amil- (1 → 6) -glikozidáz (leválasztó enzim) az 1 → 6 kötést hidrolizálja, eltávolítva az ágot, amelyen a foszforiláz hat. Ezen enzimek együttes hatása a glikogén teljes hasadását eredményezi.

Mivel a kezdeti foszfomutáz reakció reverzibilis, glükóz-6-foszfát képződik a glikogén hasított glükóz-1-foszfát maradékaiból. A májban és a vesében, de az izomban nem található egy enzim, a glükóz-6-foszfatáz, amely képes glükóz-6-foszfát defoszforilálására és szabad glükózzá alakítására.

A defoszforilált glükóz diffundálhat a vérben, és így tükröződik a máj glikogenolízise a vércukorszint növekedésében (glikémia).

A szintézis és a lebomlás szabályozása

Szintézisből

Ezt a folyamatot két alapvető enzimre gyakorolják: a glikogén-szintetáz és a glikogén-foszforiláz, oly módon, hogy ha egyikük aktív, a másik inaktív állapotban van. Ez a szabályozás megakadályozza a szintézis és a lebomlás ellentétes reakcióinak egyidejű kialakulását.

Mindkét enzim aktív formája és inaktív formája nagyon eltérő, és a foszforiláz és a glikogén-szintetáz aktív és inaktív formáinak kölcsönös átalakulása szigorúan hormonálisan szabályozott.

Az adrenalin egy hormon, amely felszabadul a mellékvese medulla részéből, a glukagon pedig egy olyan anyag, amelyet a hasnyálmirigy endokrin részében termesztnek. Az endokrin hasnyálmirigy inzulint és glukagonot termel. A Langerhans-szigetek α-sejtjei szintetizálják a glukagont.

Az adrenalin és a glukagon két olyan hormon, amelyek felszabadulnak, amikor energiára van szükség a vércukorszint csökkentése miatt. Ezek a hormonok stimulálják a glikogén-foszforiláz aktiválását és gátolják a glikogén-szintetázt, ily módon stimulálva a glikogenolízist és gátolva a glikogenezist.

Míg az adrenalin hatással van az izomra és a májra, addig a glukagon csak a májat érinti. Ezek a hormonok a célsejt specifikus membránreceptorához kapcsolódnak, amely aktiválja az adenilát-ciklázt.

Az adenilát-cikláz aktiválása enzimes kaszkádot indít, amely egyrészt egy cAMP-függő protein-kinázt aktivál, amely inaktiválja a glikogén-szintetázt, és aktiválja a glikogén-foszforilázt foszforilezéssel (közvetlenül, vagy közvetett módon).

A vázizomnak egy másik mechanizmusa van a glikogén-foszforiláz kalciumon keresztül történő aktiválására, amely felszabadul az izommembrán depolarizációjának következményeként a kontrakció kezdetén.

A lebomlásból

A fentebb leírt enzimatikus kaszkádok növelik a glükózszintet, és amikor ezek elérik egy bizonyos szintet, akkor aktiválódik a glikogenezis és glikogenolízis, gátolva az epinefrin és a glukagon későbbi felszabadulását.

A glikogenezist a foszforiláz-foszfatáz aktivációjával aktiválják, amely enzim a glikogénszintézist különféle mechanizmusokkal szabályozza, beleértve a foszforiláz-kináz és az α-foszforiláz inaktiválását, amely glikogén-szintetáz gátlója.

Az inzulin elősegíti a glükóz bejutását az izomsejtekbe, növeli a glükóz-6-foszfát szintet, ami serkenti a defoszforilációt és a glikogén-szintetáz aktiválását. Így megindul a szintézis, és gátolja a glikogén lebontását.

Jellemzők

Az izom-glikogén az izom energiatartalékát képezi, amely, mint a tartalékzsírok, lehetővé teszi az izom számára funkcióinak ellátását. Mivel glükózforrás, izom-glikogént használnak edzés közben. Ezek a tartalékok nőnek a fizikai edzéssel.

A májban a glikogén szintén fontos tartalékforrás a szervek működéséhez és a test többi részének glükózellátásához.

A máj glikogén funkciója annak a ténynek köszönhető, hogy a máj glükóz-6-foszfatázt tartalmaz, egy olyan enzimet, amely képes a foszfátcsoportot eltávolítani a glükóz-6-foszfátról és átalakítani szabad glükózzá. A szabad glükóz, a foszforilált glükóztól eltérően, diffundálhat a májsejtek (májsejtek) membránján keresztül.

Így tudják a máj glükózt szolgáltatni a keringéshez és fenntartani a stabil glükózszintet, még hosszan tartó böjt esetén is.

Ez a funkció nagy jelentőséggel bír, mivel az agy szinte kizárólag a vércukorszintre támaszkodik, így a súlyos hipoglikémia (a vér nagyon alacsony koncentrációja a vérben) eszméletvesztést okozhat.

Kapcsolódó betegségek

A glikogénnel kapcsolatos betegségeket általában "glikogén tároló betegségeknek" nevezzük.

Ezek a betegségek az örökletes patológiák egy csoportját alkotják, amelyre jellemző, hogy a szövetekben rendellenes mennyiségű vagy típusú glikogén rakódik le.

A legtöbb glikogén tároló betegséget a glikogén anyagcserében részt vevő enzimek genetikai hiánya okozza.

Nyolc típusba sorolják őket, amelyek többségének saját neve van, és mindegyiket eltérő enzimhiány okozza. Néhányan életük nagyon korai szakaszában végzetes, míg mások izomgyengeséggel és edzés közben fellépő deficittel járnak.

Kiemelt példák

A glikogénnel kapcsolatos legjelentősebb betegségek közül néhány a következő:

- A Von Gierke-kór vagy az I. típusú glikogén-tároló betegség a májban és a vesében a glükóz-6-foszfatáz hiányából származik.

Jellemzője a máj rendellenes növekedése (hepatomegália) a túlzott glikogén felhalmozódás és a hypoglykaemia miatt, mivel a máj nem képes a glükózt a keringésbe juttatni. Az ilyen állapotú betegeknél növekedési zavarok vannak.

- A Pompe vagy II típusú betegség az α- (1 → 4) -glükán-6-glikozil-transzferének hiánya miatt a májban, a szívben és a vázizmokban. Ez a betegség, akárcsak az Andersen vagy a IV típusú, kétéves kor előtt halálos.

- A McArdle vagy az V típusú betegség izomfoszforiláz-hiányt mutat, izomgyengeséggel, csökkent testtűrési képességgel, izom-glikogén rendellenes felhalmozódásával és laktát hiányával jár edzés közben.

Irodalom

1. Bhattacharya, K. (2015). A máj glikogén tároló betegségeinek vizsgálata és kezelése. Translational Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., és Weinstein, D. (2016). III. Típusú glikogén tároló betegség. Gene vélemények, 1–16.
3. Guyton, A., és Hall, J. (2006). Orvosi élettan tankönyve (11. kiadás). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., és Ahern, K. (2000). Biokémia (3. kiadás). San Francisco, Kalifornia: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). A máj glikogén tároló betegségeinek patológiája. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., és Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28. kiadás). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger Biokémiai alapelvek. Omega Editions (5. kiadás).
8. Rawn, JD (1998). Biokémia. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Glikogén metabolizmus zavarokkal kapcsolatos myopathiák. Neurotherapeutics.