ГЛИКОГЕН: СТРУКТУРА, СИНТЕЗ, РАЗГРАЖДАНЕ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2025

В гликоген е въглехидрати съхранение на повечето бозайници. Въглехидратите обикновено се наричат ​​захари и те се класифицират според броя на остатъците, причинени от хидролизата (монозахариди, дизахариди, олигозахариди и полизахариди).

Монозахаридите са най-простите въглехидрати, които се класифицират според броя на въглеродите, съдържащи се в тяхната структура. След това има триози (3С), тетроси (4С), пентози (5С), хексози (6С), хептоси (7С) и октози (8С).

Химична структура на гликоген, показващ гликозидни връзки (Източник: Glykogen.svg: NEUROtiker производно: Marek M чрез Wikimedia Commons)

В зависимост от присъствието на алдехидната група или кетонната група, тези монозахариди също се класифицират съответно като алдози или кетози.

Дизахаридите водят до хидролиза на два прости монозахарида, докато олигозахаридите произвеждат 2 до 10 монозахаридни единици, а полизахаридите произвеждат повече от 10 монозахариди.

Гликогенът е от биохимична гледна точка полизахарид, съставен от разклонени вериги от шест въглероден алдоза, тоест хексоза, известна като глюкоза. Гликогенът може да бъде представен графично като глюкозно дърво. Това също се нарича животинско нишесте.

Глюкозата в растенията се съхранява като нишесте, а при животните като гликоген, който се съхранява главно в черния дроб и мускулната тъкан.

В черния дроб гликогенът може да представлява 10% от неговата маса и 1% от мускулната му маса. Тъй като при мъж от 70 кг черният дроб тежи около 1800 г, а мускулите - около 35 кг, общото количество мускулен гликоген е много по-високо от черния дроб.

структура

Молекулното тегло на гликоген може да достигне 108 g / mol, което е еквивалентно на 6 × 105 глюкозни молекули. Гликогенът е изграден от множество разклонени вериги от α-D-глюкоза. Глюкозата (C6H12O6) е алдохексоза, която може да бъде представена в линейна или циклична форма.

Гликогенът има силно разклонена и компактна структура с вериги от 12 до 14 глюкозни остатъци под формата на α-D-глюкоза, които са свързани с α- (1 → 4) глюкозидни връзки. Клоните на веригата са образувани от α- (1 → 6) глюкозидни връзки.

Гликогенът, подобно на нишестето в диетата, осигурява по-голямата част от въглехидратите, от които тялото се нуждае. В червата тези полизахариди се разграждат чрез хидролиза и след това се абсорбират в кръвообращението главно като глюкоза.

Три ензима: ß-амилаза, α-амилаза и амил-α- (1 → 6) -глюкозидаза са отговорни за чревната деградация както на гликоген, така и на нишесте.

Α-Амилаза произволно хидролизира връзките α- (1 → 4) на страничните вериги както на гликоген, така и на нишесте, и затова се нарича ендогликозидаза. Ss-амилазата е екзогликозидаза, която освобождава β-малтозни димери, като разкъсва α- (1 → 4) гликозидни връзки от краищата на най-отдалечените вериги, без да достига до клоните.

Тъй като нито ß-амилаза, нито α-амилаза разграждат точките на разклонение, крайният продукт на тяхното действие е силно разклонена структура от около 35 до 40 глюкозни остатъци, наречени граничен декстрин.

Ограничителният декстрин най-накрая се хидролизира в точките на разклонение, които имат α- (1 → 6) връзки с помощта на амил-а- (1 → 6) -глюкозидаза, известна също като ензим „разграждане“. Веригите, освободени от това разграждане, след това се разграждат от ß-амилаза и α-амилаза.

Тъй като погълнатият гликоген влиза като глюкоза, този, който се намира в тъканите, трябва да се синтезира от тялото от глюкоза.

синтез

Синтезът на гликоген се нарича гликогенеза и се осъществява предимно в мускулите и черния дроб. Глюкозата, която влиза в организма с диетата, преминава в кръвта и оттам в клетките, където веднага се фосфорилира под действието на ензим, наречен глюкокиназа.

Глюкокиназата фосфорилира глюкозата при въглерод 6. АТФ осигурява фосфор и енергия за тази реакция. В резултат на това се образува глюкозен 6-фосфат и се отделя ADP. След това глюкозният 6-фосфат се превръща в глюкозен 1-фосфат чрез действието на фосфоглукомутаза, която премества фосфора от позиция 6 в позиция 1.

Глюкозният 1-фосфат остава активен за синтеза на гликоген, който включва участието на набор от три други ензима: UDP-глюкозна пирофосфорилаза, гликоген синтетаза и амил- (1,4 → 1,6) -гликозилтрансфераза.

Глюкозо-1-фосфатът, заедно с уридин трифосфат (UTP, нуклеозид на уридин трифосфат) и чрез действие на UDP-глюкоза-пирофосфорилаза, образува комплекса уридин дифосфат-глюкоза (UDP Glc). В процеса се хидролизира пирофосфатен йон.

Ензимът гликоген синтетаза след това образува гликозидна връзка между С1 на UDP Glc комплекса и С4 на терминален глюкозен остатък от гликоген и UDP се освобождава от активирания глюкозен комплекс. За да се случи тази реакция, трябва да има съществуваща молекула гликоген, наречена „първичен гликоген“.

Първичният гликоген се синтезира върху първичен протеин, гликогенин, който е 37 kDa и който е гликозилиран до остатък от тирозин от UDP Glc комплекса. Оттам остатъците от α-D-глюкоза са свързани с 1 → 4 връзки и се образува малка верига, върху която действа гликоген синтетазата.

След като първоначалната верига свърже най-малко 11 глюкозни остатъци, разклоняващият се ензим или амил- (1,4 → 1,6) -гликозилтрансфераза прехвърля парче верига от 6 или 7 глюкозни остатъци в съседната верига в позиция 1 → 6, като по този начин се установява точка на разклонение. Така изградената молекула гликоген расте с добавяне на глюкозни единици с 1 → 4 гликозидни връзки и повече клонове.

Деградация

Разграждането на гликоген се нарича гликогенолиза и не е еквивалентно на обратния път на неговия синтез. Скоростта на този път е ограничена от скоростта на реакцията, катализирана от гликоген фосфорилаза.

Гликоген фосфорилазата е отговорна за разцепването (фосфоролизата) на 1 → 4 връзките на гликогенните вериги, освобождавайки глюкоза 1-фосфат. Ензимното действие започва в краищата на най-външните вериги и те се отстраняват последователно, докато останат 4 глюкозни остатъци от всяка страна на клоните.

Тогава друг ензим, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) глюкан трансфераза, излага точката на разклоняване, като прехвърля трисахаридна единица от един клон в друг. Това позволява амил- (1 → 6) -глюкозидаза (разграждащ ензим) да хидролизира връзката 1 → 6, премахвайки клона, който ще бъде подложен на действието на фосфорилазата. Комбинираното действие на тези ензими завършва до напълно разцепване на гликоген.

Тъй като първоначалната фосфомутазна реакция е обратима, глюкозният 6-фосфат може да се образува от разцепените глюкозни 1-фосфатни остатъци от гликоген. В черния дроб и бъбреците, но не и в мускулите, има ензим, глюкоза-6-фосфатаза, способен да дефосфорилира глюкоза 6-фосфат и да го превърне в свободна глюкоза.

Дефосфорилираната глюкоза може да дифундира в кръвта и по този начин чернодробната гликогенолиза се отразява в повишаване на стойностите на кръвната глюкоза (гликемия).

Регулиране на синтеза и разграждането

От синтез

Този процес се упражнява върху два основни ензима: гликоген синтетаза и гликоген фосфорилаза по такъв начин, че когато единият от тях е активен, другият е в неактивно състояние. Това регулиране предотвратява едновременното протичане на противоположни реакции на синтез и разграждане.

Активната форма и неактивната форма на двата ензима са много различни и взаимовръзката на активната и неактивната форма на фосфорилаза и гликоген синтетаза е строго хормонално контролирана.

Епинефринът е хормон, който се отделя от надбъбречната медула, а глюкагонът е друг, който се произвежда в ендокринната част на панкреаса. Ендокринният панкреас произвежда инсулин и глюкагон. А-клетките на островчетата на Лангерган са тези, които синтезират глюкагон.

Адреналинът и глюкагонът са два хормона, които се отделят, когато е необходима енергия в отговор на понижените нива на кръвната глюкоза. Тези хормони стимулират активирането на гликоген фосфорилаза и инхибират гликоген синтетазата, като по този начин стимулират гликогенолизата и инхибират гликогенезата.

Докато адреналинът упражнява действието си върху мускула и черния дроб, глюкагонът действа само върху черния дроб. Тези хормони се свързват със специфични мембранни рецептори на целевата клетка, която активира аденилатциклазата.

Активирането на аденилатциклазата инициира ензимна каскада, която, от една страна, активира cAMP-зависима протеин киназа, която инактивира гликоген синтетазата и активира гликоген фосфорилазата чрез фосфорилиране (директно и индиректно, съответно).

Скелетният мускул има друг механизъм на активиране на гликоген фосфорилаза чрез калций, който се освобождава като следствие от деполяризацията на мускулната мембрана в началото на свиването.

На деградация

Описаните по-горе ензимни каскади завършват с повишаване на нивата на глюкозата и когато те достигнат определено ниво, гликогенезата се активира и гликогенолизата се инхибира, като също така инхибира последващото освобождаване на епинефрин и глюкагон.

Гликогенезата се активира чрез активиране на фосфорилаза фосфатаза, ензим, който регулира синтеза на гликоген по различни механизми, включващ инактивирането на фосфорилаза киназа и фосфорилаза α, който е инхибитор на гликоген синтетазата.

Инсулинът насърчава навлизането на глюкоза в мускулните клетки, повишавайки нивата на 6-фосфат на глюкоза, което стимулира дефосфорилиране и активиране на гликоген синтетаза. Така синтезът започва и разграждането на гликоген се инхибира.

Характеристика

Мускулният гликоген представлява енергиен резерв за мускула, който подобно на резервните мазнини позволява на мускула да изпълнява функциите си. Като източник на глюкоза, мускулният гликоген се използва по време на тренировка. Тези резерви се увеличават с физическата подготовка.

В черния дроб гликогенът също е важен резервен източник както за функциите на органите, така и за снабдяването с глюкоза в останалата част на тялото.

Тази функция на чернодробния гликоген се дължи на факта, че черният дроб съдържа глюкоза 6-фосфатаза, ензим, способен да отстрани фосфатната група от глюкоза 6-фосфат и да я превърне в свободна глюкоза. Свободната глюкоза, за разлика от фосфорилираната глюкоза, може да дифундира през мембраната на хепатоцитите (чернодробните клетки).

Ето как черният дроб може да осигури глюкоза в кръвообращението и да поддържа стабилни нива на глюкоза, дори в условия на продължително гладуване.

Тази функция е от голямо значение, тъй като мозъкът се подхранва почти изключително от глюкоза в кръвта, така че тежката хипогликемия (много ниски концентрации на глюкоза в кръвта) може да причини загуба на съзнание.

Свързани заболявания

Болестите, свързани с гликогена, се наричат ​​общо „гликогенни хранилища“.

Тези заболявания представляват група наследствени патологии, характеризиращи се с отлагането в тъканите на анормални количества или видове гликоген.

Повечето заболявания за съхранение на гликоген са причинени от генетичен дефицит на някой от ензимите, участващи в гликогенния метаболизъм.

Те са класифицирани в осем вида, повечето от които имат собствени имена и всеки от тях се причинява от различен ензимен дефицит. Някои са фатални много рано в живота, докато други са свързани с мускулна слабост и дефицит по време на упражнения.

Препоръчани примери

Някои от най-известните заболявания, свързани с гликоген, са следните:

- Болестта на Фон Дьорке или болестта за съхранение на гликоген тип I, се причинява от дефицит на 6-фосфатаза глюкоза в черния дроб и бъбреците.

Характеризира се с анормалния растеж на черния дроб (хепатомегалия) поради прекомерното натрупване на гликоген и хипогликемия, тъй като черният дроб не може да достави глюкоза в кръвообращението. Пациентите с това състояние имат нарушения в растежа.

- Болестта на Помпе или Тип II се дължи на дефицит на α- (1 → 4) -глюкан 6-гликозилтрансфери в черния дроб, сърцето и скелетните мускули. Това заболяване, подобно на Андерсен или Тип IV, е фатално преди навършване на две години.

- Болестта на McArdle или тип V представлява недостиг на мускулна фосфорилаза и е придружена от мускулна слабост, понижен толеранс при упражнения, анормално натрупване на мускулен гликоген и липса на лактат по време на тренировка.

Препратки

1. Bhattacharya, K. (2015). Изследване и управление на чернодробните гликогенни съхранения. Транслационна педиатрия, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Болест на съхранение на гликоген тип III. Генови рецензии, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Учебник по медицинска физиология (11 изд.). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Биохимия (3-то издание). Сан Франциско, Калифорния: Пиърсън.
5. Макиернан, П. (2017). Патобиология на чернодробните гликогенни съхранения. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Илюстрирана биохимия на Harper (28 изд.). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи на биохимията на Ленингер. Омега издания (5-то издание).
8. Rawn, JD (1998). Биохимия. Бърлингтън, Масачузетс: Нийл Патерсън Издатели.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Миопатии, свързани с нарушения на метаболизма на гликоген. Neurotherapeutics.