Glykogen ist ein Makromolekül (Molekulargewicht von etwa 400 Millionen Dalton) von α-Glucose, in dem aufgrund von α-1, 6-glykosidischen Bindungen hauptsächlich α-1, 4-glykosidische Bindungen und Verzweigungen im Verhältnis 1:10 vorliegen.
Das Glykogen stellt ein Reservematerial dar und wird kontinuierlich abgebaut und rekonstituiert. In der gesamten Körperzellmasse haben wir ungefähr 100 g Glykogen: Das meiste davon befindet sich in der Leber, wo es mobil ist, und kann daher als Reserve für die anderen Organe verwendet werden (Glykogen in den Muskeln ist nicht mobil).
Die Enzyme, die den Abbau und die Synthese von Glykogen katalysieren, befinden sich alle im Zytoplasma. Daher wird ein Regulationssystem benötigt, das einen Weg inaktiv macht, wenn der andere aktiv ist: Wenn Glucose verfügbar ist, wird letzterer in Glykogen umgewandelt (Anabolismus), der eine Reserve darstellt. Wenn dagegen Glukose benötigt wird, wird Glykogen abgebaut (Katabolismus).
Das Enzym, das hauptsächlich am Abbau von Glykogen beteiligt ist, ist Glykogenphosphorylase ; Dieses Enzym ist in der Lage, eine α-1, 4-glycosidische Bindung unter Verwendung eines anorganischen Orthophosphats als Lysemittel zu spalten. Die Spaltung erfolgt über Phosphorolyse und es wird Glucose-1-phosphat erhalten.
Bei fünf oder sechs Einheiten von einem Verzweigungspunkt ist das Enzym Glykogenphosphorylase nicht mehr in der Lage zu wirken, löst sich daher vom Glykogen und wird durch ein Entzweigungsenzym ersetzt, das eine Transferase ist : An der katalytischen Stelle dieses Enzyms befindet sich ein Histidin, das den Transfer von drei Zuckereinheiten zur nächsten glykosidischen Kette ermöglicht (Histidin greift den ersten Kohlenstoff eines Glucosemoleküls an). Das gerade erwähnte Enzym ist Glycosyltransferase ; am Ende der Wirkung dieses Enzyms verbleibt nur eine Glucoseeinheit an der Seitenkette, wobei der erste Kohlenstoff an den sechsten Kohlenstoff einer Glucose in der Hauptkette gebunden ist. Die letzte Glucoseeinheit der Seitenkette wird durch die Wirkung des α-1, 6-Glycosidaseenzyms freigesetzt (dieses Enzym ist der zweite Teil des Entzweigungsenzyms); unter der Annahme, dass die Verzweigungen in Glykogen ein Verhältnis von 1:10 aufweisen, erhalten wir aus dem vollständigen Abbau des Makromoleküls etwa 90% Glucose-1-phosphat und etwa 10% Glucose.
Die Wirkung der vorgenannten Enzyme ermöglicht die Eliminierung einer Seitenkette aus dem Glykogenmolekül; Die Aktivität dieser Enzyme kann wiederholt werden, bis die Kette vollständig abgebaut ist.
Betrachten wir einen Hepatozyten. Glucose (über die Nahrung aufgenommen) wandelt sich beim Eintritt in die Zelle in Glucose-6-phosphat um und wird so aktiviert. Glucose-6-phosphat wird durch Einwirkung von Phosphoglucomutase in Glucose-1-phosphat umgewandelt: Letzteres ist eine nicht unmittelbare Vorstufe der Biosynthese; Bei der Biosynthese wird eine aktivierte Form von Zuckern verwendet, die durch an ein Diphosphat gebundenen Zucker dargestellt wird: üblicherweise Uridyldiposphat (UDP). Das Glucose-1-phosphat wird dann in UDP-Glucose umgewandelt; Dieser Metabolit steht unter der Wirkung der Glykogensynthase, die UDP-Glucose an ein nicht reduzierendes Ende des wachsenden Glykogens binden kann: Aus einer Glucosideinheit und UDP wird längliches Glykogen gewonnen. UDP wird durch das Enzym Nucleosidedifosphokinase in UTP umgewandelt, das in den Kreislauf zurückkehrt.
Der Abbau von Glykogen erfolgt durch die Einwirkung von Glykogenphosphorylase, die ein Glucosemolekül freisetzt und es in Glucose-1-phosphat umwandelt. Anschließend wandelt Phosphoglucomutase Glucose-1-phosphat in Glucose-6-phosphat um.
Glykogen wird vor allem in der Leber und in den Muskeln synthetisiert: Im Körper sind 1-1, 2 Gramm Glykogen in der gesamten Muskelmasse verteilt.
Das Glykogen einer Myozyte stellt nur für diese Zelle eine Energiereserve dar, während das in der Leber enthaltene Glykogen auch für die anderen Gewebe eine Reserve darstellt, dh es kann als Glukose an andere Zellen gesendet werden.
Das aus dem Abbau von Glykogen in den Muskeln gewonnene Glucose-6-phosphat wird dann bei Energiebedarf der Glykolyse zugeführt; In der Leber wird Glucose-6-phosphat durch die Einwirkung von Glucose-6-phosphatphosphatase (ein für Hepatozyten charakteristisches Enzym) in Glucose umgewandelt und in den Kreislaufstrom befördert.
Sowohl die Glykogensynthase als auch die Glykogenphosphorylase wirken auf die nichtreduzierenden Einheiten des Glykogens, sodass ein hormonelles Signal vorhanden sein muss, das die Aktivierung des einen Weges und die Blockierung des anderen befiehlt (oder umgekehrt).
Im Labor konnte die Glykogenkette unter Ausnutzung der Glykogenphosphorylase und Verwendung von Glucose-1-phosphat in sehr hoher Konzentration verlängert werden.
In Zellen katalysiert Glykogenphosphorylase nur die Abbaureaktion, da die Konzentrationen der Metaboliten das Gleichgewicht der folgenden Reaktion nach rechts verschieben (dh zum Abbau von Glykogen):
Betrachten wir den Wirkungsmechanismus der Glykogenphosphorylase: Acetalsauerstoff (der als Brücke zwischen Glucoseeinheiten fungiert) bindet an Phosphorylwasserstoff: Ein Reaktionsintermediat wird durch ein Carbokation gebildet (an Glucose, das Extremität), an die das Phosphoryl (Pi) sehr schnell bindet.
Glykogenphosphorylase benötigt einen Cofaktor, der Pyridoxalphosphat ist (dieses Molekül ist auch ein Cofaktor für Transaminasen): Es ist nur teilweise phosphorylprotoniert (Pyridoxalphosphat ist von einer hydrophoben Umgebung umgeben, die die Anwesenheit von daran gebundenen Protonen rechtfertigt). . Phosphoryl (Pi) ist in der Lage, ein Proton für Glykogen zu liefern, da solches Phosphoryl dann das Proton aus dem teilweise protonierten Phosphoryl des Pyridoxalphosphats zurückgewinnt. Die Wahrscheinlichkeit, dass das Phosphoryl bei physiologischem pH-Wert das Proton verliert und vollständig deprotoniert bleibt, ist sehr gering.
Nun wollen wir sehen, wie Phosphoglucomutase funktioniert. Dieses Enzym hat einen phosphorylierten Serinrest an der katalytischen Stelle; Serin liefert Phosphoryl zu Glucose-1-phosphat (in Position sechs): Glucose-1, 6-bisphosphat wird für kurze Zeit gebildet, dann wird Serin rephosphoryliert, indem Phosphoryl in Position eins genommen wird. Phosphoglucus-Mutase kann in beide Richtungen wirken, d. H. Glucose-1-phosphat in Glucose-6-phosphat umwandeln oder umgekehrt; Wenn Glucose-6-phosphat produziert wird, kann es direkt zur Glykolyse in die Muskeln geschickt oder in der Leber in Glucose umgewandelt werden.
Das Enzym Uridylphosphoglucus-Transferase (oder UDP-Glucosepyrophosphorylase) katalysiert die Transferreaktion von Glucose-1-phosphat zu UTP durch Phosphorylangriff a.
Das soeben beschriebene Enzym ist eine Pyrophosphorylase: Dieser Name beruht auf der Tatsache, dass die entgegengesetzte Reaktion zu der soeben beschriebenen eine Pyrophosphorylierung ist.
UDP-Glucose, erhalten wie beschrieben, kann die Glykogenkette einer Monosaccharideinheit verlängern.
Es ist möglich, die Reaktion zur Bildung von UDP-Glucose zu entwickeln, indem ein Produkt eliminiert wird, das Pyrophosphat ist; Das Enzym Pyrophosphatase wandelt Pyrophosphat in zwei Orthophosphatmoleküle um (Hydrolyse eines Anhydrids) und hält dadurch die Pyrophosphatkonzentration so niedrig, dass der UDP-Glucosebildungsprozess thermodynamisch begünstigt wird.
Wie bereits erwähnt, kann UDP-Glucose dank der Wirkung der Glykogensynthase die Glykogenkette verlängern.
Die Verzweigungen (im Verhältnis 1:10) beruhen auf der Tatsache, dass bei einer Glykogenkette aus 20-25 Einheiten ein Verzweigungsenzym (mit einem Histidin an seiner katalytischen Stelle) interveniert, das in der Lage ist, eine Reihe von 7 zu übertragen -8 glycosidische Einheiten weiter stromabwärts von 5-6 Einheiten: es wird somit eine neue Verzweigung erzeugt.
Aus Gründen der Nervenherkunft oder wenn aufgrund körperlicher Anstrengung Energie benötigt wird, wird Adrenalin aus den Nebennieren ausgeschieden.
Die Zielzellen von Adrenalin (und Noradrenalin) sind die der Leber, der Muskeln und des Fettgewebes (in letzterem werden Triglyceride abgebaut und Fettsäuren zirkuliert; in den Mitochondrien wird daher Glucose produziert 6 -Phosphat, das der Glykolyse zugeführt werden soll, während in Adipozyten Glucose-6-phosphat durch die Wirkung des Enzyms Glucose-6-phosphat-phosphatase in Glucose umgewandelt und in Gewebe exportiert wird).
Sehen wir uns nun die Wirkungsweise von Adrenalin an. Das Adrenalin bindet sich an einen Rezeptor auf der Zellmembran (von Myozyten und Hepatozyten) und bestimmt so die Übertragung des Signals von außen nach innen in der Zelle. Die Proteinkinase wird aktiviert, die gleichzeitig auf die Systeme einwirkt, die die Synthese und den Abbau von Glykogen regulieren:
Glykogensynthase existiert in zwei Formen: einer dephosphorylierten Form (aktiv) und einer phosphorylierten Form (inaktiv); Die Proteinkinase phosphoryliert die Glykogensynthase und blockiert ihre Wirkung.
Glykogenphosphorylase kann in zwei Formen vorliegen: in einer aktiven Form, in der ein phosphoryliertes Serin vorliegt, und in einer inaktiven Form, in der das Serin dephosphoryliert ist. Glykogenphosphorylase kann durch das Enzym Glykogenphosphorylasekinase aktiviert werden . Glykogenphosphorylasekinase ist aktiv, wenn sie phosphoryliert ist, und inaktiv, wenn sie dephosphoryliert ist; die Proteinkinase hat als Substrat die Glykogenphosphorylase-Kinase, d. h. sie ist in der Lage, letztere zu phosphorylieren (und daher zu aktivieren), wodurch wiederum Glykogenphosphorylase aktiviert wird.
Sobald das Adrenalinsignal vorbei ist, muss auch die Wirkung, die es in der Zelle hat, aufhören: Phosphataseenzyme greifen dann in die Proteinspezies ein.
