GLYKOGEENI: RAKENNE, SYNTEESI, HAJOAMINEN, TOIMINNOT - BIOLOGIA - 2026

Glykogeenin on hiilihydraatti varastoinnin useimpien nisäkkäiden. Hiilihydraatteja kutsutaan yleisesti sokereiksi, ja ne luokitellaan hydrolyysin aiheuttamien jäämien lukumäärän perusteella (monosakkaridit, disakkaridit, oligosakkaridit ja polysakkaridit).

Monosakkaridit ovat yksinkertaisimpia hiilihydraatteja, jotka luokitellaan niiden rakenteessa olevien hiilimäärien perusteella. Sitten on trioseja (3C), tetroaseja (4C), pentooseja (5C), heksooseja (6C), heptosasia (7C) ja oktoosia (8C).

Glykogeenin kemiallinen rakenne, joka osoittaa glykosidisidoksia (Lähde: Glykogen.svg: NEUROtiker-johdannaisteos: Marek M Wikimedia Commonsin kautta)

Aldehydiryhmän tai ketoniryhmän läsnäolosta riippuen nämä monosakkaridit luokitellaan myös vastaavasti aldooseiksi tai ketoosiksi.

Disakkaridit aiheuttavat hydrolyysillä kahta yksinkertaista monosakkaridia, kun taas oligosakkaridit tuottavat 2-10 monosakkaridiyksikköä ja polysakkaridit tuottavat yli 10 monosakkaridia.

Glykogeeni on biokemiallisesta näkökulmasta polysakkaridi, joka koostuu haarautuneista kuuden hiilen aldoosin ketjuista, ts. Heksoosista, joka tunnetaan nimellä glukoosi. Glykogeeni voidaan esittää graafisesti glukoosipuuna. Tätä kutsutaan myös eläinstärkkelykseksi.

Kasvien glukoosi varastoidaan tärkkelyksenä ja eläimissä glykogeeninä, jota varastoidaan pääasiassa maksassa ja lihaskudoksessa.

Maksassa glykogeeni voi olla 10% massastaan ​​ja 1% lihasmassasta. Koska 70 kilogramman painoisella miehellä maksa painaa noin 1800 g ja lihakset noin 35 kg, lihaksen glykogeenin kokonaismäärä on paljon suurempi kuin maksan.

Rakenne

Glykogeenin molekyylipaino voi olla 108 g / mol, mikä vastaa 6 x 105 glukoosimolekyyliä. Glykogeeni koostuu useista haarautuneista a-D-glukoosiketjuista. Glukoosi (C6H12O6) on aldoheksoosi, jota voidaan edustaa lineaarisessa tai syklisessä muodossa.

Glykogeenillä on erittäin haarautunut ja kompakti rakenne, jolla on ketjut, joissa on 12 - 14 glukoositähdettä a-D-glukoosin muodossa, jotka on kytketty a- (1 → 4) -glukosidisidoksisiin. Ketjun haarat muodostetaan a- (1 → 6) -glukosidisidoksilla.

Glykogeeni, kuten tärkkelys ruokavaliossa, tarjoaa suurimman osan hiilihydraateista, joita elin tarvitsee. Suolistossa nämä polysakkaridit hajoavat hydrolyysillä ja imeytyvät sitten verenkiertoon pääasiassa glukoosina.

Kolme entsyymiä: ß-amylaasi, a-amylaasi ja amyyli-α- (1 → 6) -glukosidaasi vastaavat sekä glykogeenin että tärkkelyksen suoliston hajoamisesta.

Α-amylaasi hydrolysoi satunnaisesti sekä glykogeenin että tärkkelyksen sivuketjujen a- (1 → 4) sidokset, ja siksi sitä kutsutaan endoglykosidaasiksi. Ss-amylaasi on eksoglykosidaasi, joka vapauttaa ß-maltoosidimeerejä hajottamalla α- (1 → 4) glykosidisidoksia uloimpien ketjujen päistä saavuttamatta oksia.

Koska kumpikaan ß-amylaasi eikä a-amylaasi ei hajoa haarakohtia, niiden vaikutuksen lopputuotteena on hyvin haarautunut rakenne, jossa on noin 35 - 40 glukoositähdettä, nimeltään rajadekstriini.

Rajadekstriini hydrolysoidaan lopulta haarautumispisteissä, joissa on α- (1 → 6) sidokset amyyli-α- (1 → 6) -glukosidaasin avulla, joka tunnetaan myös nimellä "hajoava" entsyymi. Tämän hajoamisen vapauttamat ketjut hajoavat sitten ß-amylaasilla ja a-amylaasilla.

Kun nautittu glykogeeni saapuu glukoosina, elimistön on syntetisoitava kudoksissa esiintyvä glukoosista.

Synteesi

Glykogeenisynteesiä kutsutaan glykogeneesiksi ja tapahtuu pääasiassa lihaksessa ja maksassa. Ruokavalion mukana kehoon kulkeutuva glukoosi siirtyy verenkiertoon ja sieltä soluihin, missä se fosforyloituu välittömästi glukokinaasi-nimisen entsyymin vaikutuksesta.

Glukokinaasi fosforyloi glukoosia hiilessä 6. ATP tarjoaa fosforia ja energiaa tähän reaktioon. Seurauksena muodostuu glukoosi-6-fosfaattia ja ADP vapautuu. Sitten glukoosi-6-fosfaatti muunnetaan glukoosi-1-fosfaatiksi fosforiglukomutaasin vaikutuksella, joka siirtää fosforia asemasta 6 asemaan 1.

Glukoosi-1-fosfaatti pysyy aktivoituna glykogeenin synteesiin, johon sisältyy kolmen muun entsyymin osallistuminen: UDP-glukoosipyrofosforylaasi, glykogeenisyntetaasi ja amyyli- (1,4 → 1,6) -glykosyylitransferaasi.

Glukoosi-1-fosfaatti muodostaa yhdessä uridiinitrifosfaatin (UTP, uridiinitrifosfaatin nukleosidi) ja UDP-glukoosipyrofosforylaasin vaikutuksesta uridiinidifosfaatti-glukoosikompleksin (UDP Glc). Menetelmässä hydrolysoidaan pyrofosfaatti-ioni.

Glykogeenisyntetaasientsyymi muodostaa sitten glykosidisidoksen UDP Glc -kompleksin C1: n ja glykogeenin terminaalisen glukoositähteen C4: n välille, ja UDP vapautuu aktivoidusta glukoosikompleksista. Jotta tämä reaktio tapahtuisi, täytyy olla olemassa olemassa oleva glykogeenimolekyyli, jota kutsutaan "ensisijaiseksi glykogeeniksi".

Ensisijainen glykogeeni syntetisoidaan alukeproteiinilla, glykogeniinillä, joka on 37 kDa ja joka glykosyloidaan tyrosiinitähteeksi UDP Glc -kompleksilla. Sieltä a-D-glukoositähteet yhdistetään 1 → 4 sidoksilla ja muodostuu pieni ketju, jolle glykogeenisyntetaasi vaikuttaa.

Heti kun alkuketju yhdistää ainakin 11 glukoositähdettä, haarautunut entsyymi tai amyyli- (1,4 → 1,6) -glykosyylitransferaasi siirtää palan ketjun 6 tai 7 glukoositähteestä viereiseen ketjuun asemassa 1 → 6, muodostaen siten haarapisteen. Siten konstruoitu glykogeenimolekyyli kasvaa lisäämällä glukoosiyksiköitä, joissa on 1 - 4 glykosidisidoksia ja enemmän haaraa.

hajoaminen

Glykogeenin hajoamista kutsutaan glykogenolyysiksi, eikä se vastaa sen synteesin käänteispolkua. Tämän reitin nopeutta rajoittaa glykogeenifosforylaasikatalysoidun reaktion nopeus.

Glykogeenifosforylaasi vastaa glykogeeniketjujen 1 → 4 sidosten pilkkoutumisesta (fosforolyysistä) vapauttaen glukoosi-1-fosfaattia. Entsymaattinen vaikutus alkaa uloimpien ketjujen päistä ja ne poistetaan peräkkäin, kunnes 4 glukoositähdettä jää oksien molemmille puolille.

Sitten toinen entsyymi, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glukaanitransferaasi, paljastaa haarapisteen siirtämällä trisakkaridiyksikköä haarasta toiseen. Tämä sallii amyyli- (1 → 6) -glukosidaasi (irtoava entsyymi) hydrolysoida 1 → 6-sidoksen poistaen haaran, jolle tehdään fosforylaasin vaikutus. Näiden entsyymien yhdistetty vaikutus johtaa siihen, että glykogeeni lohkaistaan ​​kokonaan.

Koska alkuperäinen fosfomutaasireaktio on palautuva, glykogeenin pilkkoutuneista glukoosi-1-fosfaattijäännöksistä voidaan muodostaa glukoosi-6-fosfaattia. Maksassa ja munuaisissa, mutta ei lihaksessa, on entsyymi, glukoosi-6-fosfataasi, joka kykenee defosforyloimaan glukoosi-6-fosfaattia ja muuttamaan sen vapaaksi glukoosiksi.

Defosforyloitu glukoosi voi diffundoitua vereen, ja näin hepaattinen glykogenolyysi heijastuu verensokeriarvojen nousussa (glykemia).

Synteesin ja hajoamisen säätely

Synteesistä

Tämä prosessi kohdistuu kahteen perusentsyymiin: glykogeenisyntetaasiin ja glykogeenifosforylaasiin siten, että kun toinen niistä on aktiivinen, toinen on inaktiivisessa tilassa. Tämä asetus estää synteesin ja hajoamisen vastakkaisten reaktioiden tapahtumisen samanaikaisesti.

Kahden entsyymin aktiivinen muoto ja inaktiivinen muoto ovat hyvin erilaisia, ja fosforylaasin ja glykogeenisyntetaasin aktiivisten ja inaktiivisten muotojen keskinäistä muuntamista säädellään tiukasti hormonaalisesti.

Adrenaliini on hormoni, joka vapautuu lisämunuaisen välirinnasta, ja glukagoni on toinen, jota tuotetaan haiman endokriinisessä osassa. Endokriiniset haima tuottaa insuliinia ja glukagonia. Langerhansin saarekkeiden α-solut syntetisoivat glukagonia.

Adrenaliini ja glukagon ovat kaksi hormonia, jotka vapautuvat, kun energiaa tarvitaan vastauksena verensokerin laskuun. Nämä hormonit stimuloivat glykogeenifosforylaasin aktivaatiota ja estävät glykogeenisyntetaasia stimuloimalla siten glykogenolyysiä ja estäen glykogeneesiä.

Adrenaliini vaikuttaa lihakseen ja maksaan, mutta glukagoni vaikuttaa vain maksaan. Nämä hormonit sitoutuvat kohdesolun spesifisiin membraanireseptoreihin, joka aktivoi adenylaattisyklaasin.

Adenylaattisyklaasin aktivointi käynnistää entsymaattisen kaskadin, joka aktivoi toisaalta cAMP-riippuvaisen proteiinikinaasin, joka inaktivoi glykogeenisyntetaasin ja aktivoi glykogeenifosforylaasin fosforyloimalla (vastaavasti suoraan ja epäsuorasti).

Luustolihaksella on toinen glykogeenifosforylaasin aktivointimekanismi kalsiumin kautta, joka vapautuu lihaskalvon depolisaation seurauksena supistumisen alussa.

Hajoamisesta

Aikaisemmin kuvatut entsymaattiset kaskadit päätyvät lisäämään glukoositasoja ja kun ne saavuttavat tietyn tason, glykogeneesi aktivoituu ja glykogenolyysi estyy, estäen myös myöhemmän adrenaliinin ja glukagonin vapautumisen.

Glykogeneesi aktivoidaan aktivoimalla fosforylaasifosfataasi, entsyymi, joka säätelee glykogeenisynteesiä eri mekanismeilla, mukaan lukien fosforylaasikinaasin ja fosforylaasi a: n, joka on glykogeenisyntetaasin estäjä, inaktivointi.

Insuliini edistää glukoosin pääsyä lihassoluihin lisäämällä glukoosi-6-fosfaattitasoja, mikä stimuloi glykogeenisyntetaasin defosforylaatiota ja aktivointia. Siten synteesi alkaa ja glykogeenin hajoaminen estyy.

ominaisuudet

Lihasglykogeeni muodostaa lihaksen energiavarannon, joka, kuten rasvarasvat, sallii lihan suorittaa tehtävänsä. Koska lihaksen glykogeeni on lähde glukoosille, sitä käytetään liikunnan aikana. Nämä varannot kasvavat fyysisen harjoituksen myötä.

Maksassa glykogeeni on myös tärkeä varalähde sekä elinten toiminnalle että glukoosin toimittamiselle muulle keholle.

Maksan glykogeenin tämä tehtävä johtuu siitä, että maksa sisältää glukoosi-6-fosfataasia, entsyymiä, joka kykenee poistamaan fosfaattiryhmän glukoosi-6-fosfaatista ja muuttamaan sen vapaaseen glukoosiksi. Toisin kuin fosforyloitu glukoosi, vapaa glukoosi voi diffundoida maksasolujen (maksasolujen) kalvon läpi.

Näin maksa pystyy toimittamaan verenkiertoon glukoosia ja ylläpitämään vakaita glukoositasoja, jopa pitkään paastonneissa olosuhteissa.

Tällä toiminnolla on suuri merkitys, koska aivot luottavat melkein yksinomaan verensokeriin, joten vaikea hypoglykemia (erittäin alhaiset verensokeripitoisuudet) voi aiheuttaa tajunnan menetyksen.

Liittyvät sairaudet

Glykogeeniin liittyviä sairauksia kutsutaan yleisesti "glykogeenin varastointitauteiksi".

Nämä sairaudet muodostavat perinnöllisten patologioiden ryhmän, jolle on tunnusomaista, että kudoksiin on talletettu epänormaaleja määriä tai tyyppisiä glykogeenejä.

Suurin osa glykogeenin varastointitaudeista johtuu minkä tahansa glykogeenimetaboliaan osallistuvien entsyymien geneettisestä puutteesta.

Ne luokitellaan kahdeksaan tyyppiin, joista suurimmalla osalla on omat nimensä ja jokaisella niistä on erilainen entsyymipuute. Jotkut ovat kohtalokkaita hyvin varhaisessa vaiheessa, kun taas toiset liittyvät lihasheikkouteen ja vajavuuteen harjoituksen aikana.

Esitetyt esimerkit

Joitakin näkyvimmistä glykogeeniin liittyvistä sairauksista ovat seuraavat:

- Von Gierken tauti tai tyypin I glykogeenin varastointitauti johtuu glukoosi-6-fosfataasin puutoksesta maksassa ja munuaisissa.

Sille on ominaista maksan epänormaali kasvu (hepatomegalia), joka johtuu glykogeenin liiallisesta kertymisestä ja hypoglykemiasta, koska maksa ei kykene toimittamaan glukoosia verenkiertoon. Potilailla, joilla on tämä tila, on kasvuhäiriöitä.

- Pompe- tai tyypin II sairaus johtuu α- (1 → 4) -glutamaani-6-glykosyylitransfeerien puutoksesta maksassa, sydämessä ja luustolihaksissa. Tämä sairaus, kuten Andersenin tai tyypin IV sairaus, on tappava ennen kahden vuoden ikää.

- McArdle- tai tyyppi V -taudilla on lihasfosforylaasin puutos, ja siihen liittyy lihasheikkous, heikentynyt liikuntatietokyky, lihaksen glykogeenin epänormaali kertyminen ja laktaatin puute harjoituksen aikana.

Viitteet

1. Bhattacharya, K. (2015). Maksan glykogeenin varastointitautien tutkimus ja hallinta. Translational Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Glykogeenivarastointitauti tyyppi III. Geeniarvostelut, 1–16.
3. Guyton, A., ja Hall, J. (2006). Lääketieteellisen fysiologian oppikirja (11. painos). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biokemia (3. painos). San Francisco, Kalifornia: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Maksan glykogeenivarastointitautien patobiologia. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harperin kuvattu biokemia (28. painos). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehningerin biokemian periaatteet. Omega Editions (5. painos).
8. Rawn, JD (1998). Biokemia. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Glykogeenin aineenvaihduntahäiriöihin liittyvät myopatiat. Neurotieteilijöiden.