GLIKOGĒNS: STRUKTŪRA, SINTĒZE, SADALĪŠANĀS, FUNKCIJAS - BIOLOĢIJA - 2025

Glikogēna ir ogļhidrāts uzglabāšanu vairumā zīdītājiem. Ogļhidrātus parasti sauc par cukuriem, un tos klasificē pēc hidrolīzes izraisīto atliekvielu skaita (monosaharīdi, disaharīdi, oligosaharīdi un polisaharīdi).

Monosaharīdi ir vienkāršākie ogļhidrāti, kurus klasificē pēc oglekļa atomu skaita to struktūrā. Pēc tam ir triozes (3C), tetrosas (4C), pentozes (5C), heksozes (6C), heptoze (7C) un oktozes (8C).

Glikogēna ķīmiskā struktūra, kas parāda glikozīdiskās saites (Avots: Glykogen.svg: NEUROtiker atvasināšanas darbs: Marek M, izmantojot Wikimedia Commons)

Atkarībā no aldehīdu grupas vai ketonu grupas klātbūtnes šos monosaharīdus klasificē arī attiecīgi kā aldozes vai ketozes.

Disaharīdi hidrolīzes ceļā rada divus vienkāršus monosaharīdus, savukārt oligosaharīdi rada 2 līdz 10 monosaharīdu vienības un polisaharīdi rada vairāk nekā 10 monosaharīdus.

Glikogēns no bioķīmiskā viedokļa ir polisaharīds, kas sastāv no sazarotām ķēdēm no sešu oglekļa aldozes, tas ir, heksozes, kas pazīstama kā glikoze. Glikogēnu grafiski var attēlot kā glikozes koku. To sauc arī par dzīvnieku cieti.

Glikozi augos uzglabā kā cieti, bet dzīvniekus - kā glikogēnu, kas galvenokārt tiek glabāta aknās un muskuļu audos.

Aknās glikogēns var veidot 10% no tās masas un 1% no tās muskuļu masas. Tā kā 70 kg smagam cilvēkam aknas sver apmēram 1800 g, bet muskuļi - apmēram 35 kg, kopējais muskuļu glikogēna daudzums ir daudz lielāks nekā aknās.

Uzbūve

Glikogēna molekulmasa var sasniegt 108 g / mol, kas ir ekvivalents 6 × 105 glikozes molekulām. Glikogēnu veido vairākas sazarotas α-D-glikozes ķēdes. Glikoze (C6H12O6) ir aldoheksoze, ko var attēlot lineārā vai cikliskā formā.

Glikogēnam ir ļoti sazarota un kompakta struktūra ar 12 līdz 14 glikozes atlikumu ķēdēm α-D-glikozes veidā, kas ir savienotas ar α- (1 → 4) glikozīdiskajām saitēm. Ķēdes zarus veido α- (1 → 6) glikozīdiskās saites.

Glikogēns, tāpat kā ciete uzturā, nodrošina lielāko daļu organismam nepieciešamo ogļhidrātu. Zarnā šie polisaharīdi tiek sadalīti hidrolīzes ceļā un pēc tam absorbēti asinsritē galvenokārt kā glikoze.

Trīs fermenti: ß-amilāze, α-amilāze un amil-α- (1 → 6) -glikozidāze ir atbildīgi par gan glikogēna, gan cietes sadalīšanos zarnās.

Α-Amilāze nejauši hidrolizē gan glikogēna, gan cietes sānu ķēžu α- (1 → 4) saites, tāpēc to sauc par endoglikozidāzi. Ss-amilāze ir eksoglikozidāze, kas atbrīvo ß-maltozes dimērus, sadalot α- (1 → 4) glikozīdiskās saites no ārējo ķēžu galiem, nesasniedzot zarus.

Tā kā ne ß-amilāze, ne α-amilāze nesadalās filiāles punktos, to darbības galaprodukts ir ļoti sazarota struktūra, kurā ir aptuveni 35 līdz 40 glikozes atlikumu, ko sauc par robeždekstrīnu.

Robeždekstrīns beidzot tiek hidrolizēts filiāles punktos, kur ir α- (1 → 6) saites, izmantojot amil-α- (1 → 6) -glikozidāzi, kas pazīstama arī kā “atslāņošanās” enzīms. Pēc šī atslāņošanās atbrīvotās ķēdes pēc tam sadalās ß-amilāze un α-amilāze.

Tā kā uzņemtais glikogēns nonāk kā glikoze, audos esošais ir jāintegrē no glikozes audos.

Sintēze

Glikogēna sintēzi sauc par glikoģenēzi, un tā galvenokārt notiek muskuļos un aknās. Glikoze, kas organismā nonāk kopā ar diētu, nonāk asinsritē un no turienes šūnās, kur tā tiek nekavējoties fosforilēta ar fermenta, ko sauc par glikokināzi, darbību.

Glikokināze fosforilē glikozi pie oglekļa 6. ATP nodrošina fosforu un enerģiju šai reakcijai. Tā rezultātā veidojas glikozes 6-fosfāts un izdalās ADP. Pēc tam glikozes 6-fosfāts tiek pārveidots par glikozes 1-fosfātu, rīkojoties ar fosfoglukomutazēm, kas pārvieto fosforu no 6. pozīcijas uz 1. pozīciju.

Glikozes 1-fosfāts paliek aktivizēts glikogēna sintēzei, kurā piedalās trīs citi fermenti: UDP-glikozes pirofosforilāze, glikogēna sintetāze un amil- (1,4 → 1,6) -glikoziltransferāze.

Glikozes-1-fosfāts kopā ar uridīna trifosfātu (UTP, uridīna trifosfāta nukleozīds) un ar UDP-glikozes-pirofosforilāzes palīdzību veido uridīna difosfāta-glikozes kompleksu (UDP Glc). Procesa laikā hidrolizē pirofosfāta jonu.

Fermenta glikogēna sintetāze pēc tam veido glikozīda saiti starp UDP Glc kompleksa C1 un glikogēna termināla glikozes atlikumu C4, un UDP tiek atbrīvots no aktivētā glikozes kompleksa. Lai šī reakcija notiktu, ir jābūt jau esošai glikogēna molekulai, ko sauc par "pirmatnējo glikogēnu".

Primoriālais glikogēns tiek sintezēts uz primerproteīna glikogenīna, kas ir 37 kDa un kuru UDP Glc komplekss glikozilē līdz tirozīna atlikumam. No turienes α-D-glikozes atlikumi ir saistīti ar 1 → 4 saitēm un veidojas maza ķēde, uz kuras iedarbojas glikogēna sintetāze.

Tiklīdz sākotnējā ķēde savieno vismaz 11 glikozes atlikumus, sazarojošais enzīms vai amil- (1,4 → 1,6) -glikoziltransferāze pārnes 6 vai 7 glikozes atlikumu virknes gabalu uz blakus esošo ķēdi 1. pozīcijā. → 6, tādējādi izveidojot atzarojuma punktu. Šādi konstruētā glikogēna molekula aug, pievienojot glikozes vienības ar 1 → 4 glikozīdiskām saitēm un vairāk zariem.

Degradācija

Glikogēna sadalīšanos sauc par glikogenolīzi, un tā nav līdzvērtīga tās sintēzes apgrieztajam ceļam. Šī ceļa ātrumu ierobežo glikogēna fosforilāzes katalizētās reakcijas ātrums.

Glikogēna fosforilāze ir atbildīga par glikogēna ķēžu 1 → 4 saišu šķelšanu (fosforolīzi), atbrīvojot glikozes 1-fosfātu. Fermentatīvā darbība sākas ar visattālāko ķēžu galiem, un tos secīgi noņem, līdz katrā zaru pusē paliek 4 glikozes atlikumi.

Tad cits enzīms, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glikāna transferāze, pakļauj filiāles punktu, pārnesot trisaharīdu vienību no vienas filiāles uz otru. Tas ļauj amil- (1 → 6) -glikozidāzei (atslāņošanās fermentam) hidrolizēt 1 → 6 saiti, noņemot atzarojumu, kurā notiks fosforilāzes darbība. Šo fermentu kopīgā darbība beidzas ar glikogēna pilnīgu šķelšanos.

Tā kā sākotnējā fosfomutāzes reakcija ir atgriezeniska, no sadalītajiem glikogēna 1-fosfāta atlikumiem var veidoties glikozes 6-fosfāts. Aknās un nierēs, bet ne muskuļos, ir ferments, glikozes-6-fosfatāze, kas spēj defosforilēt glikozes 6-fosfātu un pārvērst to par brīvu glikozi.

Defosforilētā glikoze var izkliedēties asinīs, un šādi aknu glikogenolīze tiek atspoguļota glikozes līmeņa asinīs palielināšanās (glikēmija).

Sintēzes un sadalīšanās regulēšana

Sintēzes

Šis process tiek veikts diviem pamata fermentiem: glikogēna sintetāzei un glikogēna fosforilāzei tādā veidā, ka tad, kad viens no tiem ir aktīvs, otrs ir neaktīvā stāvoklī. Šis regulējums novērš sintēzes un noārdīšanās pretēju reakciju vienlaicīgu norisi.

Abu fermentu aktīvā forma un neaktīvā forma ir ļoti atšķirīga, un fosforilāzes un glikogēna sintetāzes aktīvo un neaktīvo formu savstarpēja pārveidošanās tiek stingri hormonāli kontrolēta.

Epinefrīns ir hormons, kas izdalās no virsnieru medulām, un glikagons ir vēl viens, kas tiek ražots aizkuņģa dziedzera endokrīnajā daļā. Endokrīnā aizkuņģa dziedzeris ražo insulīnu un glikagonu. Langerhāna salu α šūnas ir tās, kas sintezē glikagonu.

Adrenalīns un glikagons ir divi hormoni, kas izdalās, kad nepieciešama enerģija, reaģējot uz pazeminātu glikozes līmeni asinīs. Šie hormoni stimulē glikogēna fosforilāzes aktivizāciju un nomāc glikogēna sintetāzi, tādējādi stimulējot glikogenolīzi un kavējot glikoģenēzi.

Kamēr adrenalīns iedarbojas uz muskuļiem un aknām, glikagons iedarbojas tikai uz aknām. Šie hormoni saistās ar specifiskiem membrānas receptoriem mērķa šūnā, kas aktivizē adenilāta ciklāzi.

Adenilāta ciklāzes aktivizēšana sāk fermentatīvu kaskādi, kas, no vienas puses, aktivizē no cAMP atkarīgu proteīna kināzi, kas inaktivē glikogēna sintetāzi un aktivizē glikogēna fosforilāzi fosforilējot (attiecīgi tieši un netieši).

Skeleta muskuļiem ir vēl viens glikogēna fosforilāzes aktivizēšanas mehānisms caur kalciju, kas izdalās muskuļu membrānas depolarizācijas rezultātā kontrakcijas sākumā.

Noārdīšanās

Iepriekš aprakstītās fermentatīvās kaskādes palielina glikozes līmeni, un, kad tās sasniedz noteiktu līmeni, tiek aktivizēta glikoģenēze un tiek kavēta glikogenolīze, kavējot arī turpmāko epinefrīna un glikagona izdalīšanos.

Glikoģenēze tiek aktivizēta, aktivizējot fosforilāzes fosfatāzi - fermentu, kas ar dažādiem mehānismiem regulē glikogēna sintēzi, iesaistot fosforilāzes kināzes un α fosforilāzes, kas ir glikogēna sintetāzes inhibitors, inaktivāciju.

Insulīns veicina glikozes iekļūšanu muskuļu šūnās, palielinot glikozes 6-fosfāta līmeni, kas stimulē glikogēna sintetāzes defosforilēšanu un aktivizēšanu. Tādējādi sākas sintēze un tiek kavēta glikogēna sadalīšanās.

Iespējas

Muskuļu glikogēns ir enerģijas rezerves muskuļiem, kas, tāpat kā rezerves tauki, ļauj muskuļiem veikt savas funkcijas. Būdams glikozes avots, fiziskās aktivitātes laikā tiek izmantots muskuļu glikogēns. Šīs rezerves palielinās ar fizisko sagatavotību.

Aknās glikogēns ir arī svarīgs rezerves avots gan orgānu funkcijām, gan glikozes piegādei pārējam ķermenim.

Šī aknu glikogēna funkcija ir saistīta ar faktu, ka aknas satur glikozes 6-fosfatāzi - fermentu, kas spēj noņemt fosfātu grupu no glikozes 6-fosfāta un pārveidot to par brīvu glikozi. Brīvā glikoze, atšķirībā no fosforilētas glikozes, var izkliedēties caur hepatocītu (aknu šūnu) membrānu.

Tas ir veids, kā aknas var nodrošināt glikozi asinsritē un uzturēt stabilu glikozes līmeni pat ilgstoša badošanās apstākļos.

Šai funkcijai ir liela nozīme, jo smadzenes gandrīz pilnībā paļaujas tikai uz glikozes līmeni asinīs, tāpēc smaga hipoglikēmija (ļoti zema glikozes koncentrācija asinīs) var izraisīt samaņas zudumu.

Saistītās slimības

Ar glikogēnu saistītas slimības parasti sauc par "glikogēna uzkrāšanas slimībām".

Šīs slimības veido iedzimtu patoloģiju grupu, kurai raksturīga neparasta glikogēna daudzuma vai veida nogulsnēšanās audos.

Lielāko daļu glikogēna uzglabāšanas slimību izraisa jebkura no glikogēna metabolismā iesaistīto fermentu ģenētiskais deficīts.

Tos klasificē astoņos veidos, no kuriem lielākajai daļai ir savi nosaukumi, un katru no tiem izraisa atšķirīgs enzīmu deficīts. Daži no tiem ir letāli ļoti agrīnā dzīves posmā, bet citi ir saistīti ar muskuļu vājumu un deficītu fiziskās slodzes laikā.

Piedāvātie piemēri

Dažas no visizcilākajām ar glikogēnu saistītajām slimībām ir šādas:

- Von Gierke slimību vai I tipa glikogēna uzglabāšanas slimību izraisa glikozes 6-fosfatāzes deficīts aknās un nierēs.

To raksturo patoloģiska aknu augšana (hepatomegālija) pārspīlētas glikogēna uzkrāšanās un hipoglikēmijas dēļ, jo aknas kļūst nespējīgas piegādāt glikozi asinsritē. Pacientiem ar šo stāvokli ir augšanas traucējumi.

- Pompe vai II tipa slimība rodas α- (1 → 4) -glikāna 6-glikoziltransferēnu deficīta dēļ aknās, sirdī un skeleta muskuļos. Šī slimība, tāpat kā Andersena vai IV tipa slimība, ir letāla pirms divu gadu vecuma.

- Makardla vai V tipa slimība rada muskuļu fosforilāzes deficītu, un to papildina muskuļu vājums, samazināta fiziskās slodzes tolerance, patoloģiska muskuļu glikogēna uzkrāšanās un laktāta trūkums fiziskās slodzes laikā.

Atsauces

1. Bhattacharya, K. (2015). Aknu glikogēna uzglabāšanas slimību izpēte un pārvaldība. Tulkošanas pediatrija, 4. (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentners, C., & Veinšteins, D. (2016). Glikogēna uzglabāšanas slimība III tips. Gēnu apskats, 1. – 16.
3. Gytons, A., un Hall, J. (2006). Medicīniskās fizioloģijas mācību grāmata (11. izdevums). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Bioķīmija (3. izd.). Sanfrancisko, Kalifornija: Pīrsons.
5. Mckiernan, P. (2017). Aknu glikogēna glabāšanas slimību patobioloģija. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harpera ilustrētā bioķīmija (28. izdevums). McGraw-Hill Medical.
7. Nelsons, DL, & Cox, MM (2009). Lehingera bioķīmijas principi. Omega izdevumi (5. izdevums).
8. Rawn, JD (1998). Bioķīmija. Burlingtons, Masačūsetsa: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Miopātijas, kas saistītas ar glikogēna metabolisma traucējumiem. Neiroterapijas līdzekļi.