ГЛИКОГЕН: СТРУКТУРА, СИНТЕЗ, РАЗЛОЖЕНИЕ, ФУНКЦИИ - БИОЛОГИЯ - 2024

Гликоген является углевод хранения большинства млекопитающих. Углеводы обычно называются сахарами и классифицируются по количеству остатков, вызванных гидролизом (моносахариды, дисахариды, олигосахариды и полисахариды).

Моносахариды - это простейшие углеводы, которые классифицируются в зависимости от количества атомов углерода, содержащихся в их структуре. Затем существуют триозы (3C), тетрозы (4C), пентозы (5C), гексозы (6C), гептозы (7C) и октозы (8C).

Химическая структура гликогена, показывающая гликозидные связи (Источник: Glykogen.svg: работа по производному NEUROtiker: Марек М. через Wikimedia Commons)

В зависимости от присутствия альдегидной или кетонной группы эти моносахариды также классифицируются как альдозы или кетозы соответственно.

Дисахариды путем гидролиза образуют два простых моносахарида, в то время как олигосахариды производят от 2 до 10 моносахаридных единиц, а полисахариды производят более 10 моносахаридов.

Гликоген, с биохимической точки зрения, представляет собой полисахарид, состоящий из разветвленных цепей шестиуглеродной альдозы, то есть гексозы, известной как глюкоза. Гликоген можно представить графически в виде дерева глюкозы. Его еще называют животным крахмалом.

Глюкоза в растениях хранится в виде крахмала, а у животных - в виде гликогена, который в основном хранится в печени и мышечной ткани.

В печени гликоген может составлять 10% ее массы и 1% ее мышечной массы. Так как у человека весом 70 кг печень весит около 1800 г, а мышцы - около 35 кг, общее количество мышечного гликогена намного больше, чем в печени.

Структура

Молекулярная масса гликогена может достигать 108 г / моль, что эквивалентно 6 × 105 молекулам глюкозы. Гликоген состоит из нескольких разветвленных цепей α-D-глюкозы. Глюкоза (C6H12O6) представляет собой альдогексозу, которая может быть представлена ​​в линейной или циклической форме.

Гликоген имеет сильно разветвленную и компактную структуру с цепями от 12 до 14 остатков глюкозы в форме α-D-глюкозы, которые связаны α- (1 → 4) глюкозидными связями. Ветви цепи образованы α- (1 → 6) глюкозидными связями.

Гликоген, как и крахмал в рационе, обеспечивает большинство необходимых организму углеводов. В кишечнике эти полисахариды расщепляются путем гидролиза, а затем всасываются в кровоток в основном в виде глюкозы.

Три фермента: β-амилаза, α-амилаза и амил-α- (1 → 6) -глюкозидаза ответственны за расщепление в кишечнике как гликогена, так и крахмала.

Α-Амилаза случайным образом гидролизует α- (1 → 4) связи боковых цепей как гликогена, так и крахмала, и поэтому называется эндогликозидазой. Ss-амилаза - это экзогликозидаза, которая высвобождает димеры ß-мальтозы, разрывая α- (1 → 4) гликозидные связи на концах самых внешних цепей, не достигая разветвлений.

Поскольку ни ß-амилаза, ни α-амилаза не разрушают точки ветвления, конечным продуктом их действия является сильно разветвленная структура примерно из 35-40 остатков глюкозы, называемая пограничным декстрином.

В конце концов, предельный декстрин гидролизуется в точках разветвления, которые имеют α- (1 → 6) связи, с помощью амил-α- (1 → 6) -глюкозидазы, также известной как «разветвляющий» фермент. Цепи, высвобождаемые в результате этого разветвления, затем разлагаются ß-амилазой и α-амилазой.

Когда проглоченный гликоген поступает в виде глюкозы, тот, который обнаруживается в тканях, должен синтезироваться организмом из глюкозы.

Синтез

Синтез гликогена называется гликогенезом и происходит в основном в мышцах и печени. Глюкоза, которая попадает в организм с пищей, попадает в кровоток и оттуда в клетки, где немедленно фосфорилируется под действием фермента, называемого глюкокиназой.

Глюкокиназа фосфорилирует глюкозу по углероду 6. АТФ обеспечивает фосфор и энергию для этой реакции. В результате образуется глюкозо-6-фосфат и высвобождается АДФ. Затем глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы, которая перемещает фосфор из положения 6 в положение 1.

Глюкозо-1-фосфат остается активированным для синтеза гликогена, в котором участвует набор из трех других ферментов: UDP-глюкозопирофосфорилаза, гликогенсинтетаза и амил- (1,4 → 1,6) -гликозилтрансфераза.

Глюкозо-1-фосфат вместе с уридинтрифосфатом (UTP, нуклеозид уридинтрифосфата) и под действием UDP-глюкозо-пирофосфорилазы образует уридиндифосфат-глюкозный комплекс (UDP Glc). В процессе гидролизуется пирофосфат-ион.

Затем фермент гликоген синтетаза образует гликозидную связь между C1 комплекса UDP Glc и C4 концевого остатка глюкозы гликогена, и UDP высвобождается из активированного комплекса глюкозы. Чтобы эта реакция произошла, должна существовать уже существующая молекула гликогена, называемая «первичный гликоген».

Первичный гликоген синтезируется на праймерном белке, гликогенине, который составляет 37 кДа и который гликозилируется до остатка тирозина комплексом UDP Glc. Отсюда остатки α-D-глюкозы связываются связями 1 → 4, и образуется небольшая цепь, на которую действует гликоген синтетаза.

Как только начальная цепь связывает не менее 11 остатков глюкозы, фермент разветвления или амил- (1,4 → 1,6) -гликозилтрансфераза переносит часть цепи из 6 или 7 остатков глюкозы в соседнюю цепь в положении 1. → 6, тем самым устанавливая точку ветвления. Построенная таким образом молекула гликогена растет за счет добавления единиц глюкозы с 1 → 4 гликозидными связями и большим количеством разветвлений.

деградация

Распад гликогена называется гликогенолизом и не эквивалентен обратному пути его синтеза. Скорость этого пути ограничена скоростью реакции, катализируемой гликогенфосфорилазой.

Гликогенфосфорилаза отвечает за расщепление (фосфоролиз) связей 1 → 4 в цепях гликогена, высвобождая глюкозо-1-фосфат. Ферментативное действие начинается на концах самых внешних цепей, и они последовательно удаляются до тех пор, пока на каждой стороне разветвлений не останется по 4 остатка глюкозы.

Затем другой фермент, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) глюкантрансфераза, обнажает точку ветвления, перемещая трисахаридную единицу с одной ветви на другую. Это позволяет амил- (1 → 6) -глюкозидазе (фермент разветвления) гидролизовать связь 1 → 6, удаляя ветвь, которая будет подвергаться действию фосфорилазы. Совместное действие этих ферментов приводит к полному расщеплению гликогена.

Поскольку первоначальная реакция фосфомутазы обратима, глюкозо-6-фосфат может образовываться из расщепленных глюкозо-1-фосфатных остатков гликогена. В печени и почках, но не в мышцах, есть фермент глюкозо-6-фосфатаза, способный дефосфорилировать глюкозо-6-фосфат и превращать его в свободную глюкозу.

Дефосфорилированная глюкоза может диффундировать в кровь, и именно так гликогенолиз печени отражается на повышении уровня глюкозы в крови (гликемии).

Регулирование синтеза и разложения

Синтеза

Этот процесс осуществляется двумя основными ферментами: гликоген синтетазой и гликогенфосфорилазой, так что когда один из них активен, другой находится в неактивном состоянии. Это регулирование предотвращает одновременное протекание противоположных реакций синтеза и разложения.

Активная форма и неактивная форма двух ферментов сильно различаются, и взаимное превращение активных и неактивных форм фосфорилазы и гликоген синтетазы строго контролируется гормонально.

Адреналин - это гормон, который выделяется из мозгового вещества надпочечников, а глюкагон - еще один гормон, вырабатываемый эндокринной частью поджелудочной железы. Эндокринная поджелудочная железа вырабатывает инсулин и глюкагон. Α-клетки островков Лангерганса синтезируют глюкагон.

Адреналин и глюкагон - два гормона, которые высвобождаются, когда необходима энергия в ответ на снижение уровня глюкозы в крови. Эти гормоны стимулируют активацию гликогенфосфорилазы и ингибируют гликоген синтетазу, таким образом стимулируя гликогенолиз и ингибируя гликогенез.

В то время как адреналин оказывает свое действие на мышцы и печень, глюкагон действует только на печень. Эти гормоны связываются со специфическими мембранными рецепторами клетки-мишени, которая активирует аденилатциклазу.

Активация аденилатциклазы инициирует ферментативный каскад, который, с одной стороны, активирует цАМФ-зависимую протеинкиназу, которая инактивирует гликоген синтетазу и активирует гликогенфосфорилазу путем фосфорилирования (прямо и косвенно, соответственно).

Скелетная мышца имеет другой механизм активации гликогенфосфорилазы через кальций, который высвобождается в результате деполяризации мышечной мембраны в начале сокращения.

Деградации

Ранее описанные ферментные каскады приводят к увеличению уровней глюкозы, и когда они достигают определенного уровня, гликогенез активируется и гликогенолиз ингибируется, что также препятствует последующему высвобождению адреналина и глюкагона.

Гликогенез активируется за счет активации фосфорилазы фосфатазы, фермента, который регулирует синтез гликогена с помощью различных механизмов, включая инактивацию киназы фосфорилазы и фосфорилазы α, которая является ингибитором гликоген синтетазы.

Инсулин способствует проникновению глюкозы в мышечные клетки, повышая уровень глюкозо-6-фосфата, что стимулирует дефосфорилирование и активацию гликоген синтетазы. Таким образом, начинается синтез и замедляется разложение гликогена.

Характеристики

Мышечный гликоген представляет собой энергетический резерв для мышц, который, как и резервные жиры, позволяет мышце выполнять свои функции. Мышечный гликоген, являясь источником глюкозы, используется во время упражнений. Эти резервы увеличиваются с физической подготовкой.

В печени гликоген также является важным резервным источником как для функций органов, так и для доставки глюкозы в остальные части тела.

Эта функция гликогена печени связана с тем, что печень содержит глюкозо-6-фосфатазу, фермент, способный удалять фосфатную группу из глюкозо-6-фосфата и превращать ее в свободную глюкозу. Свободная глюкоза, в отличие от фосфорилированной глюкозы, может диффундировать через мембрану гепатоцитов (клеток печени).

Таким образом печень может поставлять глюкозу в кровоток и поддерживать стабильный уровень глюкозы даже в условиях длительного голодания.

Эта функция имеет большое значение, поскольку мозг полагается почти исключительно на глюкозу в крови, поэтому тяжелая гипогликемия (очень низкие концентрации глюкозы в крови) может вызвать потерю сознания.

Сопутствующие заболевания

Заболевания, связанные с гликогеном, обычно называют «болезнями накопления гликогена».

Эти заболевания составляют группу наследственных патологий, характеризующихся отложением в тканях аномальных количеств или типов гликогена.

Большинство болезней накопления гликогена вызваны генетическим дефицитом любого из ферментов, участвующих в метаболизме гликогена.

Они подразделяются на восемь типов, большинство из которых имеют собственные названия, и каждый из них вызван недостаточностью определенного фермента. Некоторые из них приводят к летальному исходу в очень раннем возрасте, а другие связаны со слабостью мышц и дефицитом во время упражнений.

Избранные примеры

Некоторые из наиболее распространенных заболеваний, связанных с гликогеном, следующие:

- Болезнь фон Гирке или болезнь накопления гликогена I типа вызывается дефицитом глюкозо-6-фосфатазы в печени и почках.

Он характеризуется аномальным ростом печени (гепатомегалия) из-за чрезмерного накопления гликогена и гипогликемии, так как печень становится неспособной поставлять глюкозу в кровоток. У пациентов с этим заболеванием наблюдаются нарушения роста.

- Болезнь Помпе или болезнь Типа II возникает из-за дефицита α- (1 → 4) -глюкан-6-гликозилтрансфер в печени, сердце и скелетных мышцах. Это заболевание, как и болезнь Андерсена или тип IV, приводит к летальному исходу в возрасте до двух лет.

- Болезнь Макардла, или болезнь Типа V, представляет собой дефицит мышечной фосфорилазы и сопровождается мышечной слабостью, снижением толерантности к физической нагрузке, аномальным накоплением мышечного гликогена и недостатком лактата во время упражнений.

Ссылки

1. Бхаттачарья, К. (2015). Исследование и лечение заболеваний накопления гликогена в печени. Трансляционная педиатрия, 4 (3), 240–248.
2. Дагли, А., Сентнер, К., и Вайнштейн, Д. (2016). Болезнь накопления гликогена III типа. Gene Reviews, 1–16.
3. Гайтон, А., и Холл, Дж. (2006). Учебник медицинской физиологии (11-е изд.). Elsevier Inc.
4. Мэтьюз, К., ван Холде, К., и Ахерн, К. (2000). Биохимия (3-е изд.). Сан-Франциско, Калифорния: Пирсон.
5. Маккирнан, П. (2017). Патобиология заболеваний накопления гликогена в печени. Curr Pathobiol Rep.
6. Мюррей, Р., Бендер, Д., Ботам, К., Кеннелли, П., Родуэлл, В., и Вейл, П. (2009). Иллюстрированная биохимия Харпера (28-е изд.). McGraw-Hill Medical.
7. Нельсон, Д. Л., и Кокс, М. М. (2009). Принципы биохимии Ленингера. Omega Editions (5-е изд.).
8. Rawn, JD (1998). Биохимия. Берлингтон, Массачусетс: Нил Паттерсон Паблишерс.
9. Тарнопольский, М.А. (2018). Миопатии, связанные с нарушениями метаболизма гликогена. Neurotherapeutics.