GLIKOGENAS: STRUKTŪRA, SINTEZĖ, SKILIMAS, FUNKCIJOS - BIOLOGIJA - 2025

Glikogenas yra angliavandenių saugojimo daugumos žinduolių. Angliavandeniai paprastai vadinami cukrumi ir skirstomi pagal hidrolizės sukeltų liekanų skaičių (monosacharidai, disacharidai, oligosacharidai ir polisacharidai).

Monosacharidai yra patys paprasčiausi angliavandeniai, kurie klasifikuojami pagal anglies kiekį jų struktūroje. Tada yra triozės (3C), tetrosos (4C), pentozės (5C), heksozės (6C), heptosas (7C) ir oktosas (8C).

Cheminė glikogeno struktūra, rodanti glikozidinius ryšius (Šaltinis: Glykogen.svg: NEUROtiker darinys: Marek M per Wikimedia Commons)

Atsižvelgiant į aldehido grupės arba ketonų grupės buvimą, šie monosacharidai taip pat klasifikuojami kaip atitinkamai aldozės arba ketozės.

Dėl disacharidų hidrolizės metu susidaro du paprasti monosacharidai, o oligosacharidai sukuria nuo 2 iki 10 monosacharidų vienetų, o polisacharidai - daugiau kaip 10 monosacharidų.

Glikogenas, biocheminiu požiūriu, yra polisacharidas, susidedantis iš šešių anglies aldozės, tai yra heksozės, žinomos kaip gliukozė, šakotų grandinių. Glikogeną grafiškai galima pavaizduoti kaip gliukozės medį. Tai dar vadinama gyvuliniu krakmolu.

Augaluose esanti gliukozė kaupiama kaip krakmolas, o gyvūnams - kaip glikogenas, daugiausia kaupiama kepenyse ir raumenų audiniuose.

Kepenyse glikogenas gali sudaryti 10% savo masės ir 1% raumenų masės. Kadangi 70 kg sveriančiam vyrui kepenys sveria apie 1800 g, o raumenys - apie 35 kg, bendras raumenų glikogeno kiekis yra daug didesnis nei kepenyse.

Struktūra

Glikogeno molekulinė masė gali siekti 108 g / mol, tai prilygsta 6 × 105 gliukozės molekulėms. Glikogeną sudaro daugybė šakotų α-D-gliukozės grandinių. Gliukozė (C6H12O6) yra aldoheksozė, kuri gali būti pavaizduota tiesine arba cikline forma.

Glikogenas turi labai šakotą ir kompaktišką struktūrą, sudarydamas 12–14 gliukozės liekanų grandines α-D-gliukozės pavidalu, sujungtas su α- (1 → 4) gliukozidiniais ryšiais. Grandinės atšakos formuojamos α- (1 → 6) gliukozidiniais ryšiais.

Glikogenas, kaip ir krakmolas maiste, suteikia didžiąją dalį angliavandenių, kurių reikia kūnui. Žarnyne šie polisacharidai suskaidomi hidrolizės būdu ir po to absorbuojami į kraują daugiausia kaip gliukozė.

Trys fermentai: ß-amilazė, α-amilazė ir amil-α- (1 → 6) -gliukozidazė yra atsakingi už glikogeno ir krakmolo skaidymą žarnyne.

Α-amilazė atsitiktine tvarka hidrolizuoja ir glikogeno, ir krakmolo šoninių grandinių α- (1 → 4) ryšius, todėl vadinama endoglikozidaze. Ss-amilazė yra egzoglikozidazė, atpalaiduojanti ß-maltozės dimerus, skaldydama α- (1 → 4) glikozidinius ryšius iš išorinių grandinių galų, nepasiekdama šakų.

Kadangi nei ß-amilazė, nei α-amilazė neskaido šakojimosi taškų, jų galutinis produktas yra labai išsišakojusi struktūra, kurioje yra apie 35–40 gliukozės liekanų, vadinamų pasienio dekstrinu.

Ribinis dekstrinas galutinai hidrolizuojamas šakojimosi vietose, kuriose yra α- (1 → 6) jungtys, naudojant amil-α- (1 → 6) -gliukozidazę, dar žinomą kaip „atskyrimo“ fermentas. Grandinės, išsiskyrusios dėl šio atsiribojimo, yra skaidomos β-amilazės ir α-amilazės.

Nurijus glikogeną patenka kaip gliukozė, audiniuose esantį glikogeną organizmas turi sintetinti iš gliukozės.

Sintezė

Glikogeno sintezė vadinama glikogeneze ir vyksta daugiausia raumenyse ir kepenyse. Gliukozė, kuri patenka į organizmą laikantis dietos, patenka į kraują, o iš ten - į ląsteles, kur ji yra nedelsiant fosforilinama veikiant fermentui, vadinamam gliukokinaze.

Gliukokinazė fosforilina gliukozę prie anglies 6. ATP teikia fosforo ir energijos šiai reakcijai. Dėl to susidaro gliukozės 6-fosfatas ir išsiskiria ADP. Tada gliukozės 6-fosfatas yra paverčiamas gliukozės 1-fosfatu, veikiant fosfogliukomutazei, kuri fosforą perkelia iš 6 padėties į 1 padėtį.

Gliukozės 1-fosfatas išlieka aktyvuotas glikogeno sintezei, kuriame dalyvauja trys kiti fermentai: UDP-gliukozės pirofosforilazė, glikogeno sintetazė ir amil- (1,4 → 1,6) -glikoziltiltransferazė.

Gliukozės-1-fosfatas kartu su uridino trifosfatu (UTP, uridino trifosfato nukleozidu) ir veikdamas UDP-gliukozės-pirofosforilazę, sudaro uridino difosfato-gliukozės kompleksą (UDP Glc). Proceso metu hidrolizuojamas pirofosfato jonas.

Fermento glikogeno sintetazė tada suformuoja glikozidinį ryšį tarp UDP Glc komplekso C1 ir galinio gliukogeno gliukozės liekanų C4, o UDP išsiskiria iš aktyvuoto gliukozės komplekso. Kad ši reakcija įvyktų, turi būti jau egzistavusi glikogeno molekulė, vadinama „pirmykščiu glikogenu“.

Pirminis glikogenas yra sintetinamas ant pradinio baltymo glikogenino, kuris yra 37 kDa ir kuris UDP Glc komplekse yra glikozilintas iki tirozino liekanos. Iš ten α-D-gliukozės liekanos yra sujungtos 1 → 4 jungtimis ir susidaro maža grandinė, ant kurios veikia glikogeno sintetazė.

Kai pradinė grandinė susieja mažiausiai 11 gliukozės liekanų, šakojantis fermentas arba amil- (1,4 → 1,6) -glikoziltiltransferazė perkelia 6 arba 7 gliukozės liekanų grandinės gabalėlį į gretimą grandinę 1 padėtyje. → 6, taip nustatant atšakos tašką. Taip sukonstruota glikogeno molekulė auga pridedant gliukozės vienetų, turinčių 1 → 4 glikozidinius ryšius ir daugiau šakų.

Degradacija

Glikogeno skilimas vadinamas glikogenolize, ir tai neprilygsta atvirkštiniam jo sintezės keliui. Šio kelio greitį riboja glikogeno fosforilazės katalizuojamos reakcijos greitis.

Glikogeno fosforilazė yra atsakinga už glikogeno grandinių 1 → 4 jungčių skaidymą (fosforolizę), išskirdama gliukozės 1-fosfatą. Fermentinis veikimas prasideda nuo atokiausių grandinių galų ir jie paeiliui pašalinami, kol kiekvienoje šakos pusėje lieka 4 gliukozės likučiai.

Tada kitas fermentas α- (1 → 4) → α- (1 → 4) gliukano transferazė atskleidžia šakelės tašką, perkeldama trisacharido vienetą iš vienos šakos į kitą. Tai leidžia amil- (1 → 6) -gliukozidazei (atitraukiančiam fermentui) hidrolizuoti 1 → 6 ryšį, pašalindami šaką, kurioje bus veikiama fosforilazės. Bendras šių fermentų veikimas baigiasi glikogeno skaidymu.

Kadangi pradinė fosfomutazės reakcija yra grįžtamoji, iš suskaidytų gliukozės 1-fosfato liekanų glikogeno gali susidaryti gliukozės 6-fosfatas. Kepenyse ir inkstuose, bet ne raumenyse, yra fermentas, gliukozės-6-fosfatazė, galintis defosforilinti gliukozės 6-fosfatą ir paversti jį laisvąja gliukoze.

Defosforilinta gliukozė gali pasiskirstyti kraujyje, ir taip kepenų glikogenolizė atsispindi padidėjus gliukozės kiekiui kraujyje (glikemijai).

Sintezės ir skaidymo reguliavimas

Iš sintezės

Šis procesas vyksta dviem pagrindiniais fermentais: glikogeno sintetaze ir glikogeno fosforilaze tokiu būdu, kad kai vienas iš jų yra aktyvus, kitas yra neaktyvus. Šis reguliavimas neleidžia vienu metu vykti priešingoms sintezės ir skilimo reakcijoms.

Abiejų fermentų aktyvioji ir neaktyvioji forma yra labai skirtingi, o fosforilazės ir glikogeno sintetazės aktyviųjų ir neaktyviųjų formų tarpusavio sąveika yra griežtai kontroliuojama hormoniškai.

Adrenalinas yra hormonas, išsiskiriantis iš antinksčių žievės, o gliukagonas - kitas, gaminamas kasos endokrininėje dalyje. Endokrininė kasa gamina insuliną ir gliukagoną. Langerhanso salelių α ląstelės sintezuoja gliukagoną.

Adrenalinas ir gliukagonas yra du hormonai, kurie išsiskiria, kai reikia energijos reaguojant į sumažėjusį gliukozės kiekį kraujyje. Šie hormonai skatina glikogeno fosforilazės aktyvaciją ir slopina glikogeno sintetazę, taip stimuliuodami glikogenolizę ir slopindami glikogenezę.

Nors adrenalinas veikia raumenis ir kepenis, gliukagonas veikia tik kepenis. Šie hormonai jungiasi prie specifinių tikslinės ląstelės membranos receptorių, kurie aktyvina adenilato ciklazę.

Adenilato ciklazės aktyvinimas inicijuoja fermentinę kaskadą, kuri, viena vertus, suaktyvina nuo cAMP priklausomą baltymo kinazę, kuri inaktyvuoja glikogeno sintetazę ir aktyvina glikogeno fosforilazę fosforilinant (atitinkamai tiesiogiai ir netiesiogiai).

Skeleto raumenys turi kitą glikogeno fosforilazės suaktyvinimo per kalcį mechanizmą, kuris išsiskiria kaip raumenų membranos depoliarizacijos rezultatas susitraukimo pradžioje.

Iš degradacijos

Anksčiau aprašytos fermentinės kaskados padidina gliukozės kiekį kraujyje, o kai jos pasiekia tam tikrą lygį, suaktyvėja glikogenezė ir slopinama glikogenolizė, taip pat slopinant vėlesnį epinefrino ir gliukagono išsiskyrimą.

Glikogenezė suaktyvinta suaktyvinant fosforilazės fosfatazę - fermentą, kuris įvairiais mechanizmais reguliuoja glikogeno sintezę, apimant fosforilazės kinazės ir fosforilazės α, kuri yra glikogeno sintetazės inhibitorius, inaktyvavimą.

Insulinas skatina gliukozės patekimą į raumenų ląsteles, padidindamas gliukozės 6-fosfato lygį, kuris skatina defosforilinimą ir glikogeno sintetazės aktyvaciją. Taigi prasideda sintezė ir slopinamas glikogeno skilimas.

funkcijos

Raumenų glikogenas yra raumens energijos rezervas, kuris, kaip ir atsarginiai riebalai, leidžia raumeniui atlikti savo funkcijas. Būdamas gliukozės šaltinis, raumenys glikogeną naudoja fizinio krūvio metu. Šie rezervai didėja fizinio rengimo metu.

Kepenyse glikogenas taip pat yra svarbus atsargų šaltinis tiek organų funkcijoms, tiek ir aprūpinti gliukoze likusiam kūnui.

Ši kepenų glikogeno funkcija atsiranda dėl to, kad kepenyse yra gliukozės 6-fosfatazės - fermento, gebančio pašalinti fosfato grupę iš gliukozės 6-fosfato ir paversti ją laisvąja gliukoze. Laisva gliukozė, skirtingai nuo fosforilintos gliukozės, gali difuziškai pasiskirstyti per hepatocitų (kepenų ląstelių) membraną.

Taip kepenys gali tiekti gliukozę į kraujotaką ir palaikyti stabilų gliukozės kiekį net ir ilgo badavimo metu.

Ši funkcija turi didelę reikšmę, nes smegenys beveik išimtinai priklauso nuo gliukozės kiekio kraujyje, todėl sunki hipoglikemija (labai maža gliukozės koncentracija kraujyje) gali sukelti sąmonės netekimą.

Susijusios ligos

Su glikogenu susijusios ligos paprastai vadinamos „glikogeno kaupimosi ligomis“.

Šios ligos sudaro paveldimų patologijų grupę, kuriai būdingi nenormalūs glikogeno kiekiai ar tipai.

Daugelį glikogeno saugojimo ligų sukelia bet kurio fermento, dalyvaujančio glikogeno metabolizme, genetinis deficitas.

Jie skirstomi į aštuonis tipus, iš kurių dauguma turi savo pavadinimus, ir kiekvienas iš jų sukelia skirtingą fermento trūkumą. Kai kurie jų mirtini labai anksti, o kiti yra susiję su raumenų silpnumu ir trūkumu mankštos metu.

Panašūs pavyzdžiai

Kai kurios ryškiausios su glikogenu susijusios ligos yra šios:

- Von Gierke'io liga arba I tipo glikogeno kaupimosi liga sukelia gliukozės 6-fosfatazės trūkumą kepenyse ir inkstuose.

Jam būdingas nenormalus kepenų augimas (hepatomegalija) dėl per didelio glikogeno kaupimosi ir hipoglikemijos, nes kepenys tampa nepajėgios tiekti gliukozę į kraują. Pacientams, sergantiems šia liga, yra augimo sutrikimų.

- Pompe arba II tipo liga atsiranda dėl α- (1 → 4) -gliukano 6-glikoziltransferų trūkumo kepenų, širdies ir griaučių raumenyse. Ši liga, kaip ir Anderseno ar IV tipo liga, mirtina iki dvejų metų amžiaus.

- McArdle arba V tipo liga sukelia raumenų fosforilazės trūkumą, ją lydi raumenų silpnumas, sumažėjęs tolerancija mankštai, nenormalus raumenų glikogeno kaupimasis ir laktato trūkumas mankštos metu.

Nuorodos

1. Bhattacharya, K. (2015). Kepenų glikogeno saugojimo ligų tyrimas ir valdymas. „Translational Pediatrics“, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). III tipo glikogeno saugojimo liga. Genų apžvalgos, 1–16.
3. Guytonas, A., ir Hall, J. (2006). Medicininės fiziologijos vadovėlis (11-asis leidimas). „Elsevier Inc.“
4. Mathews, C., van Holde, K., ir Ahern, K. (2000). Biochemija (3-asis leidimas). San Franciskas, Kalifornija: Pearsonas.
5. Mckiernan, P. (2017). Kepenų glikogeno kaupimosi ligų patologija. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harperio iliustruota biochemija (28-asis leidimas). „McGraw-Hill Medical“.
7. Nelsonas, D. L. ir Coxas, MM (2009). Lehningerio biochemijos principai. „Omega“ leidimai (5-asis leidimas).
8. Rawn, JD (1998). Biochemija. Burlingtonas, Masačusetsas: Neilo Pattersono leidykla.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Miopatijos, susijusios su glikogeno metabolizmo sutrikimais. Neuroterapiniai vaistai.