ГЛИКОГЕН: СТРУКТУРА, СИНТЕЗА, РАЗГРАДЊА, ФУНКЦИЈЕ - БИОЛОГИЈА - 2025

Гликоген је угљених хидрата складиштење већине сисара. Угљикохидрати се обично називају шећерима и они су класификовани према броју остатака изазваних хидролизом (моносахариди, дисахариди, олигосахариди и полисахариди).

Моносахариди су најједноставнији угљени хидрати који су класификовани према броју угљеника садржаних у њиховој структури. Затим постоје триозе (3Ц), тетрозе (4Ц), пентозе (5Ц), хексозе (6Ц), хептозе (7Ц) и октозе (8Ц).

Хемијска структура гликогена која показује гликозидне везе (Извор: Гликоген.свг: НЕУРОтикер деривати: Марек М виа Викимедиа Цоммонс)

У зависности од присуства алдехидне групе или кетонске групе, ови моносахариди се такође класификују као алдозе или кетозе.

Дизахариди доводе до хидролизе два једноставна моносахарида, док олигосахариди производе 2 до 10 моносахаридних јединица, а полисахариди производе више од 10 моносахарида.

Гликоген је, са биохемијске тачке гледишта, полисахарид састављен од разгранатих ланаца шесто-угљеничне алдозе, односно хексозе познате као глукоза. Гликоген се може графички представити као стабло глукозе. То се такође назива животињски скроб.

Глукоза у биљкама се чува као скроб, а у животиња као гликоген, који се складишти пре свега у јетри и мишићном ткиву.

У јетри гликоген може да чини 10% његове масе и 1% његове мишићне масе. Како је у мушкарца од 70 кг јетра тежина око 1800 г, а мишићи око 35 кг, укупна количина мишићног гликогена много је већа од јетре.

Структура

Молекуларна тежина гликогена може достићи 108 г / мол, што је еквивалентно 6 × 105 молекула глукозе. Гликоген се састоји од више разгранатих ланаца α-Д-глукозе. Глукоза (Ц6Х12О6) је алдохексоза која може бити представљена у линеарном или цикличном облику.

Гликоген има високо разгранату и компактну структуру са ланцима од 12 до 14 остатака глукозе у облику α-Д-глукозе који су повезани са α- (1 → 4) глукозидним везама. Гране ланца формиране су α- (1 → 6) глукозидним везама.

Гликоген, као скроб у исхрани, пружа већину угљених хидрата који су потребни организму. У цревима се ови полисахариди разграђују хидролизом, а затим апсорбују у крвоток углавном као глукоза.

Три ензима: ß-амилаза, α-амилаза и амил-α- (1-6) -глукозидаза одговорни су за цревну разградњу и гликогена и шкроба.

А-амилаза насумично хидролизује α- (1 → 4) везе бочних ланаца и гликогена и шкроба, и због тога се назива ендогликозидаза. Сс-амилаза је егзогликозидаза која ослобађа ß-малтозне димере разбијањем α- (1 → 4) гликозидних веза са крајева најудаљенијих ланаца без да доспе до грана.

Пошто ни ß-амилаза ни α-амилаза не разграђују тачке грана, крајњи производ њиховог деловања је високо разграната структура од око 35 до 40 остатака глукозе која се назива гранични декстрин.

Гранични декстрин коначно се хидролизује на тачкама грана које имају α- (1 → 6) везе помоћу амил-α- (1 → 6) -глукозидазе, такође познате као ензим „одвајања“. Ланци који се ослобађају овим одвајањем разграђују се ß-амилазом и α-амилазом.

Како унесени гликоген улази као глукоза, тело које се налази у ткивима мора синтетизовати из глукозе.

Синтеза

Синтеза гликогена назива се гликогенеза и одвија се првенствено у мишићима и јетри. Глукоза која уђе у организам исхраном прелази у крвоток, а одатле у ћелије, гдје се одмах фосфорилира дјеловањем ензима који се зове глукокиназа.

Глукокиназа фосфорилира глукозу на угљенику 6. АТП обезбеђује фосфор и енергију за ову реакцију. Као резултат тога, формира се 6-фосфат глукозе и ослобађа се АДП. Затим се глукозни 6-фосфат претвара у глукоза 1-фосфат дејством фосфоглукомутазе која фосфор помера из положаја 6 у положај 1.

Глукозни 1-фосфат остаје активиран за синтезу гликогена, што укључује учешће низа три друга ензима: УДП-глукоза пирофосфорилаза, гликоген синтетаза и амил- (1,4 → 1,6) -гликозилтрансфераза.

Глукоза-1-фосфат, заједно са уридин трифосфатом (УТП, нуклеозид уридин трифосфата) и дејством УДП-глукозе-пирофосфорилазе, формира уридин-дифосфат-глукозни комплекс (УДП Глц). У процесу се хидролизује пирофосфатни јон.

Ензим гликоген синтетаза тада формира гликозидну везу између Ц1 комплекса УДП Глц комплекса и Ц4 крајњег остатка глукозе гликогена, а УДП се ослобађа из активираног комплекса глукозе. Да би се ова реакција догодила, мора постојати претходно постојећи молекул гликогена који се зове „примордијални гликоген“.

Примордијални гликоген се синтетише на основном протеину, гликогенину, који износи 37 кДа и који се гликозилира у остатак тирозина помоћу УДП Глц комплекса. Одатле су остаци α-Д-глукозе повезани са 1 → 4 везама и формиран је мали ланац на који делује гликогенска синтетаза.

Једном када почетни ланац повеже најмање 11 остатака глукозе, ензим разгранавања или амил- (1,4 → 1,6) -гликозилтрансфераза преноси део ланца од 6 или 7 остатака глукозе у суседни ланац у положају 1 → 6, чиме се успоставља тачка гране. Тако направљен молекул гликогена расте додавањем јединица глукозе са 1 → 4 гликозидне везе и више грана.

Деградација

Распад гликогена назива се гликогенолиза и није еквивалентан обрнутом путу његове синтезе. Брзина овог пута је ограничена брзином реакције катализиране гликоген фосфорилазом.

Гликоген фосфорилаза је одговорна за цепање (фосфоролиза) 1 → 4 веза гликогенских ланаца, ослобађајући глукозу 1-фосфат. Ензимско деловање почиње на крајевима најудаљенијих ланаца и они се секвенцијално уклањају све док 4 остатка глукозе не остану на свакој страни грана.

Затим други ензим, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) глукан трансфераза, излаже тачку гране преносећи трисакхаридну јединицу из једне гране у другу. Ово омогућава амил- (1 → 6) -глукозидазу (ензим који растеже) хидролизујући везу 1 → 6, уклањајући гранчицу која ће бити подвргнута деловању фосфорилазе. Комбиновано деловање ових ензима завршава потпуно цепањем гликогена.

Пошто је почетна реакција фосфомутазе реверзибилна, из цепљених остатака глукозе 1-фосфата гликогена може да се створи 6-фосфат глукозе. У јетри и бубрезима, али не и у мишићима, постоји ензим, глукоза-6-фосфатаза, који је способан да дефосфорилира глукозу 6-фосфат и претвори га у слободну глукозу.

Дефосфорилирана глукоза може да дифузује у крв, и на тај начин се хепатичка гликогенолиза огледа у повећању вредности глукозе у крви (гликемији).

Регулација синтезе и разградње

Од синтезе

Овај процес се врши на два основна ензима: гликоген синтетаза и гликоген фосфорилаза, тако да када је један од њих активан, други је у неактивном стању. Ова регулација спречава да се истовремено одвијају супротне реакције синтезе и разградње.

Активни облик и неактивни облик оба ензима је веома различит, а међусобна конверзија активних и неактивних облика фосфорилазе и гликогенске синтетазе строго је хормонски контролисана.

Адреналин је хормон који се ослобађа из надбубрежне медуле, а глукагон је други који се производи у ендокрином делу панкреаса. Ендокрини панкреас производи инзулин и глукагон. Α ћелије оточића Лангерханса су оне које синтетишу глукагон.

Адреналин и глукагон су два хормона која се ослобађају када је потребна енергија као одговор на снижени ниво глукозе у крви. Ови хормони подстичу активацију гликоген фосфорилазе и инхибирају гликоген синтетазу, чиме стимулишу гликогенолизу и инхибирају гликогенезу.

Док адреналин делује на мишиће и јетру, глукагон делује само на јетру. Ови хормони се везују за специфичне мембранске рецепторе на циљној ћелији, који активирају аденилат циклазу.

Активација аденилат циклазе покреће ензимску каскаду која, с једне стране, активира протеин-киназу зависну од цАМП-а која инактивира синтетазу гликогена и фосфорилазу гликоген-фосфорилазу (директно и индиректно).

Скелетни мишић има још један механизам активације гликоген фосфорилазе кроз калцијум, који се ослобађа као последица деполаризације мишићне мембране на почетку контракције.

Деградације

Описане ензимске каскаде завршавају пораст нивоа глукозе и када оне достигну одређени ниво, гликогенеза се активира и инхибира гликогенолиза, а такође инхибира касније ослобађање епинефрина и глукагона.

Гликогенеза се активира активирањем фосфорилаза фосфатазе, ензима који регулише синтезу гликогена разним механизмима, укључујући инактивацију фосфорилаза киназе и фосфорилазе α, која је инхибитор синтетазе гликогена.

Инсулин потиче улазак глукозе у мишићне ћелије, повећавајући ниво 6-фосфата глукозе, што подстиче дефосфорилацију и активацију гликогенске синтетазе. Тако почиње синтеза и инхибира се разградња гликогена.

Карактеристике

Мишићни гликоген представља резерву енергије за мишић, која попут резервних масти омогућава мишићу да испуњава своје функције. Као извор глукозе користи се мишићни гликоген током вежбања. Те се резерве повећавају физичким тренингом.

У јетри је гликоген важан резервни извор и за функције органа и за снабдевање глукозе остатком тела.

Ова функција јетреног гликогена резултат је чињенице да јетра садржи глукозу 6-фосфатазу, ензим који може уклонити фосфатну групу из глукозе 6-фосфата и претворити је у слободну глукозу. Слободна глукоза, за разлику од фосфорилиране глукозе, може дифундирати кроз мембрану хепатоцита (ћелије јетре).

Овако јетра може да обезбеди циркулацију глукозе и одржава стабилне нивое глукозе, чак и у условима дужег поста.

Ова функција је од велике важности, јер се мозак ослања готово искључиво на глукозу у крви, па тешка хипогликемија (врло ниска концентрација глукозе у крви) може изазвати губитак свести.

Сродне болести

Болести повезане са гликогеном генерички се називају „болести складиштења гликогена“.

Ове болести чине групу наследних патологија карактеристичних за депоновање у ткивима ненормалних количина или врста гликогена.

Већина болести складиштења гликогена узрокована је генетским дефицитом било којег ензима који учествују у метаболизму гликогена.

Они су класификовани у осам врста, од којих већина има своја имена и сваки од њих је узрокован другачијим недостатком ензима. Неки су смртни врло рано у животу, док су други повезани са мишићном слабошћу и дефицитом током вежбања.

Истакнути примери

Неке од најистакнутијих болести повезаних са гликогеном су следеће:

- болест Вон Гиерке-а или болест складиштења гликогена типа И, узрокована је мањком 6-фосфатазе глукозе у јетри и бубрезима.

Карактерише га ненормалан раст јетре (хепатомегалија) због прекомерног накупљања гликогена и хипогликемије, јер јетра не може да испоручи глукозу у циркулацију. Пацијенти са овим стањем имају поремећаје раста.

- Помпе или болест типа ИИ настаје због недостатка α- (1 → 4) -глукан 6-гликозилтрансфера у јетри, срцу и скелетним мишићима. Ова болест, попут оне код Андерсена или типа ИВ, фатална је пре две године.

- Болест МцАрдле-а или типа В представља недостатак мишићне фосфорилазе и праћена је мишићном слабошћу, смањеном толеранцијом на вежбање, ненормалним накупљањем мишићног гликогена и недостатком лактата током вежбања.

Референце

1. Бхаттацхариа, К. (2015). Испитивање и лечење болести јетрених гликогена у јетри. Транслатионал Педиатрицс, 4 (3), 240–248.
2. Дагли, А., Сентнер, Ц., и Веинстеин, Д. (2016). Болести складиштења гликогена Тип ИИИ. Гене Рецензије, 1–16.
3. Гуитон, А., & Халл, Ј. (2006). Уџбеник медицинске физиологије (11. изд.). Елсевиер Инц.
4. Матхевс, Ц., ван Холде, К., & Ахерн, К. (2000). Биохемија (3. изд.). Сан Франциско, Калифорнија: Пеарсон.
5. Мцкиернан, П. (2017). Патобиологија болести јетрених гликогена. Цурр Патхобиол Реп.
6. Мурраи, Р., Бендер, Д., Ботхам, К., Кеннелли, П., Родвелл, В., & Веил, П. (2009). Харпер'с Иллустратед Биоцхемистри (28. изд.). МцГрав-Хилл Медицал.
7. Нелсон, ДЛ и Цок, ММ (2009). Лехнингерови принципи биохемије. Омега издања (5. изд.).
8. Равн, ЈД (1998). Биохемија. Бурлингтон, Масачусетс: Неил Паттерсон Публисхерс.
9. Тарнополски, МА (2018). Миопатије повезане са поремећајима метаболизма гликогена. Неуротерапеутици.