GLYKOGEN: STRUKTUR, SYNTHESE, ABBAU, FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Das Glykogen ist die Kohlenhydratspeicherung der meisten Säugetiere. Kohlenhydrate werden üblicherweise als Zucker bezeichnet und diese werden nach der Anzahl der durch Hydrolyse verursachten Rückstände (Monosaccharide, Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide) klassifiziert.

Monosaccharide sind die einfachsten Kohlenhydrate, die nach der Anzahl der in ihrer Struktur enthaltenen Kohlenstoffe klassifiziert werden. Es gibt dann die Trios (3C), Tetrosas (4C), Pentosen (5C), Hexosen (6C), Heptosas (7C) und Oktosas (8C).

Chemische Struktur von Glykogen mit glykosidischen Bindungen (Quelle: Glykogen.svg: NEUROtiker-Derivatarbeit: Marek M über Wikimedia Commons)

Abhängig vom Vorhandensein der Aldehydgruppe oder der Ketongruppe werden diese Monosaccharide auch als Aldosen bzw. Ketosen klassifiziert.

Disaccharide führen durch Hydrolyse zu zwei einfachen Monosacchariden, während Oligosaccharide 2 bis 10 Monosaccharideinheiten und Polysaccharide mehr als 10 Monosaccharide produzieren.

Glykogen ist aus biochemischer Sicht ein Polysaccharid, das aus verzweigten Ketten einer Aldose mit sechs Kohlenstoffatomen besteht, dh einer Hexose, die als Glucose bekannt ist. Glykogen kann grafisch als Glukosebaum dargestellt werden. Dies wird auch als Tierstärke bezeichnet.

Glukose in Pflanzen wird als Stärke und in Tieren als Glykogen gespeichert, das hauptsächlich in Leber und Muskelgewebe gespeichert wird.

In der Leber kann Glykogen 10% seiner Masse und 1% seiner Muskelmasse ausmachen. Da bei einem 70 kg schweren Mann die Leber etwa 1800 g und die Muskeln etwa 35 kg wiegt, ist die Gesamtmenge an Muskelglykogen viel höher als die Leber.

Struktur

Das Molekulargewicht von Glykogen kann 108 g / mol erreichen, was 6 × 10 5 Glucosemolekülen entspricht. Glykogen besteht aus mehreren verzweigten Ketten von α-D-Glucose. Glucose (C6H12O6) ist eine Aldohexose, die in linearer oder cyclischer Form dargestellt werden kann.

Glykogen hat eine stark verzweigte und kompakte Struktur mit Ketten von 12 bis 14 Glucoseresten in Form von α-D-Glucose, die mit α- (1 → 4) glucosidischen Bindungen verbunden sind. Die Zweige der Kette werden durch α- (1 → 6) glucosidische Bindungen gebildet.

Glykogen liefert wie Stärke in der Nahrung die meisten Kohlenhydrate, die der Körper benötigt. Im Darm werden diese Polysaccharide durch Hydrolyse abgebaut und dann hauptsächlich als Glucose in den Blutkreislauf aufgenommen.

Drei Enzyme: ß-Amylase, α-Amylase und Amyl-α- (1 → 6) -Glucosidase sind für den intestinalen Abbau von Glykogen und Stärke verantwortlich.

Α-Amylase hydrolysiert zufällig die α- (1 → 4) -Bindungen der Seitenketten von Glykogen und Stärke und wird daher als Endoglycosidase bezeichnet. Ss-Amylase ist eine Exoglycosidase, die ß-Maltose-Dimere freisetzt, indem sie α- (1 → 4) glycosidische Bindungen an den Enden der äußersten Ketten aufbricht, ohne die Verzweigungen zu erreichen.

Da weder ß-Amylase noch α-Amylase die Verzweigungspunkte abbauen, ist das Endprodukt ihrer Wirkung eine stark verzweigte Struktur von etwa 35 bis 40 Glucoseresten, die als Grenzdextrin bezeichnet wird.

Grenzdextrin wird schließlich an den Verzweigungspunkten, die α- (1 → 6) -Bindungen aufweisen, mittels Amyl-α- (1 → 6) -Glucosidase hydrolysiert, die auch als "Entzweigungsenzym" bekannt ist. Die durch diese Entzweigung freigesetzten Ketten werden dann durch ß-Amylase und α-Amylase abgebaut.

Wenn das aufgenommene Glykogen als Glukose eintritt, muss das im Gewebe gefundene vom Körper aus Glukose synthetisiert werden.

Synthese

Die Glykogensynthese wird Glykogenese genannt und findet hauptsächlich in Muskel und Leber statt. Die Glukose, die mit der Nahrung in den Körper gelangt, gelangt in den Blutkreislauf und von dort in die Zellen, wo sie durch die Wirkung eines Enzyms namens Glukokinase sofort phosphoryliert wird.

Glucokinase phosphoryliert Glucose an Kohlenstoff 6. ATP liefert den Phosphor und die Energie für diese Reaktion. Als Ergebnis wird Glucose-6-phosphat gebildet und ein ADP freigesetzt. Dann wird Glucose-6-phosphat durch die Wirkung einer Phosphoglucomutase, die den Leuchtstoff von Position 6 zu Position 1 bewegt, in Glucose-1-phosphat umgewandelt.

Glucose-1-phosphat bleibt für die Synthese von Glykogen aktiviert, an der drei weitere Enzyme beteiligt sind: UDP-Glucosepyrophosphorylase, Glykogensynthetase und Amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransferase.

Glucose-1-phosphat bildet zusammen mit Uridintriphosphat (UTP, ein Nucleosid von Uridintriphosphat) und durch Einwirkung von UDP-Glucosepyrophosphorylase den Uridindiphosphat-Glucosekomplex (UDP Glc). Dabei wird ein Pyrophosphation isoliert.

Das Enzym Glykogensynthetase bildet dann eine glykosidische Bindung zwischen C1 des UDP-Glc-Komplexes und C4 eines terminalen Glucoserests von Glykogen, und das UDP wird aus dem aktivierten Glucosekomplex freigesetzt. Damit diese Reaktion stattfinden kann, muss ein bereits vorhandenes Glykogenmolekül vorhanden sein, das als "primordiales Glykogen" bezeichnet wird.

Primordiales Glykogen wird auf einem Primerprotein, Glykogenin, synthetisiert, das 37 kDa beträgt und das durch den UDP-Glc-Komplex zu einem Tyrosinrest glykosyliert wird. Von dort werden α-D-Glucosereste mit 1 → 4-Bindungen verknüpft und eine kleine Kette gebildet, auf die Glykogensynthetase einwirkt.

Sobald die anfängliche Kette mindestens 11 Glucosereste verbindet, überträgt das Verzweigungsenzym oder die Amyl- (1,4 → 1,6) -Glycosyltransferase ein Stück Kette mit 6 oder 7 Glucoseresten an die benachbarte Kette in Position 1 → 6, wodurch ein Verzweigungspunkt festgelegt wird. Das so aufgebaute Glykogenmolekül wächst durch Addition von Glucoseeinheiten mit 1 → 4 glycosidischen Bindungen und mehr Verzweigungen.

Degradierung

Der Abbau von Glykogen wird als Glykogenolyse bezeichnet und entspricht nicht dem umgekehrten Syntheseweg. Die Geschwindigkeit dieses Weges ist durch die Geschwindigkeit der durch Glykogenphosphorylase katalysierten Reaktion begrenzt.

Glykogenphosphorylase ist für die Spaltung (Phosphorolyse) der 1 → 4-Bindungen der Glykogenketten verantwortlich, wobei Glucose-1-phosphat freigesetzt wird. Die enzymatische Wirkung beginnt an den Enden der äußersten Ketten und sie werden nacheinander entfernt, bis 4 Glucosereste auf jeder Seite der Zweige verbleiben.

Dann legt ein anderes Enzym, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) Glucan-Transferase, den Verzweigungspunkt frei, indem eine Trisaccharideinheit von einem Zweig zu einem anderen übertragen wird. Dadurch kann Amyl- (1 → 6) -Glucosidase (Entzweigungsenzym) die 1 → 6-Bindung hydrolysieren und den Zweig entfernen, der die Wirkung von Phosphorylase erfährt. Die kombinierte Wirkung dieser Enzyme führt dazu, dass Glykogen vollständig gespalten wird.

Da die anfängliche Phosphomutase-Reaktion reversibel ist, kann Glucose-6-phosphat aus den gespaltenen Glucose-1-phosphat-Resten von Glykogen gebildet werden. In Leber und Niere, aber nicht im Muskel, gibt es ein Enzym, Glucose-6-Phosphatase, das Glucose-6-phosphat dephosphorylieren und in freie Glucose umwandeln kann.

Dephosphorylierte Glukose kann ins Blut diffundieren, und so spiegelt sich die hepatische Glykogenolyse in einem Anstieg der Blutzuckerwerte (Glykämie) wider.

Regulation der Synthese und des Abbaus

Der Synthese

Dieser Prozess wird auf zwei grundlegende Enzyme ausgeübt: Glykogensynthetase und Glykogenphosphorylase, so dass sich das andere in einem inaktiven Zustand befindet, wenn eines von ihnen aktiv ist. Diese Regelung verhindert, dass entgegengesetzte Reaktionen von Synthese und Abbau gleichzeitig auftreten.

Die aktive Form und die inaktive Form beider Enzyme sind sehr unterschiedlich, und die Umwandlung der aktiven und inaktiven Formen von Phosphorylase und Glykogensynthetase wird streng hormonell kontrolliert.

Adrenalin ist ein Hormon, das aus dem Nebennierenmark freigesetzt wird, und Glucagon ist ein weiteres Hormon, das im endokrinen Teil der Bauchspeicheldrüse produziert wird. Die endokrine Bauchspeicheldrüse produziert Insulin und Glucagon. Die α-Zellen der Langerhans-Inseln synthetisieren Glucagon.

Adrenalin und Glucagon sind zwei Hormone, die freigesetzt werden, wenn Energie als Reaktion auf einen verringerten Blutzuckerspiegel benötigt wird. Diese Hormone stimulieren die Aktivierung der Glykogenphosphorylase und hemmen die Glykogensynthetase, wodurch die Glykogenolyse stimuliert und die Glykogenese gehemmt wird.

Während Adrenalin seine Wirkung auf den Muskel und die Leber ausübt, wirkt Glucagon nur auf die Leber. Diese Hormone binden an spezifische Membranrezeptoren auf der Zielzelle, die die Adenylatcyclase aktivieren.

Die Aktivierung der Adenylatcyclase initiiert eine enzymatische Kaskade, die einerseits eine cAMP-abhängige Proteinkinase aktiviert, die die Glykogensynthetase inaktiviert und die Glykogenphosphorylase durch Phosphorylierung (direkt bzw. indirekt) aktiviert.

Der Skelettmuskel hat einen weiteren Mechanismus zur Aktivierung der Glykogenphosphorylase durch Kalzium, der als Folge der Depolarisation der Muskelmembran zu Beginn der Kontraktion freigesetzt wird.

Der Verschlechterung

Die oben beschriebenen enzymatischen Kaskaden führen zu einem Anstieg der Glucosespiegel. Wenn diese einen bestimmten Wert erreichen, wird die Glykogenese aktiviert und die Glykogenolyse gehemmt, wodurch auch die nachfolgende Freisetzung von Adrenalin und Glucagon gehemmt wird.

Die Glykogenese wird durch die Aktivierung von Phosphorylase-Phosphatase aktiviert, einem Enzym, das die Glykogensynthese durch verschiedene Mechanismen reguliert, einschließlich der Inaktivierung von Phosphorylase-Kinase und Phosphorylase α, die ein Inhibitor der Glykogen-Synthetase ist.

Insulin fördert den Eintritt von Glukose in Muskelzellen und erhöht den Gehalt an Glukose-6-phosphat, wodurch die Dephosphorylierung und Aktivierung der Glykogensynthetase stimuliert wird. Somit beginnt die Synthese und der Abbau von Glykogen wird gehemmt.

Eigenschaften

Muskelglykogen stellt eine Energiereserve für den Muskel dar, die es dem Muskel wie Reservefette ermöglicht, seine Funktionen zu erfüllen. Als Glukosequelle wird während des Trainings Muskelglykogen verwendet. Diese Reserven erhöhen sich mit dem körperlichen Training.

In der Leber ist Glykogen auch eine wichtige Reservequelle sowohl für Organfunktionen als auch für die Versorgung des übrigen Körpers mit Glukose.

Diese Funktion des Leberglykogens beruht auf der Tatsache, dass die Leber Glucose-6-Phosphatase enthält, ein Enzym, das die Phosphatgruppe aus Glucose-6-phosphat entfernen und in freie Glucose umwandeln kann. Freie Glukose kann im Gegensatz zu phosphorylierter Glukose durch die Membran von Hepatozyten (Leberzellen) diffundieren.

Auf diese Weise kann die Leber den Kreislauf mit Glukose versorgen und auch bei längerem Fasten stabile Glukosespiegel aufrechterhalten.

Diese Funktion ist von großer Bedeutung, da das Gehirn fast ausschließlich auf Blutzucker angewiesen ist, sodass eine schwere Hypoglykämie (sehr niedrige Konzentrationen von Blutzucker im Blut) zu Bewusstlosigkeit führen kann.

Verwandte Krankheiten

Glykogen-bedingte Krankheiten werden allgemein als "Glykogenspeicherkrankheiten" bezeichnet.

Diese Krankheiten stellen eine Gruppe erblicher Pathologien dar, die durch die Ablagerung abnormaler Mengen oder Arten von Glykogen im Gewebe gekennzeichnet sind.

Die meisten Glykogenspeicherkrankheiten werden durch ein genetisches Defizit eines der am Glykogenstoffwechsel beteiligten Enzyme verursacht.

Sie werden in acht Typen eingeteilt, von denen die meisten ihren eigenen Namen haben und jeder von ihnen durch einen anderen Enzymmangel verursacht wird. Einige sind sehr früh im Leben tödlich, während andere mit Muskelschwäche und Defiziten während des Trainings verbunden sind.

Ausgewählte Beispiele

Einige der bekanntesten glykogenbedingten Erkrankungen sind die folgenden:

- Die Von-Gierke-Krankheit oder die Glykogenspeicherkrankheit Typ I wird durch einen Mangel an Glucose-6-Phosphatase in Leber und Niere verursacht.

Es ist gekennzeichnet durch das abnormale Wachstum der Leber (Hepatomegalie) aufgrund der übertriebenen Anreicherung von Glykogen und Hypoglykämie, da die Leber nicht mehr in der Lage ist, den Kreislauf mit Glukose zu versorgen. Patienten mit dieser Erkrankung haben Wachstumsstörungen.

- Die Pompe- oder Typ-II-Krankheit ist auf einen Mangel an α- (1 → 4) -Glucan-6-glycosyltransphären in Leber, Herz und Skelettmuskulatur zurückzuführen. Diese Krankheit ist wie die von Andersen oder Typ IV vor dem Alter von zwei Jahren tödlich.

- Die McArdle- oder Typ-V-Krankheit weist einen Muskelphosphorylase-Mangel auf und geht mit Muskelschwäche, verminderter Belastungstoleranz, abnormaler Anreicherung von Muskelglykogen und Laktatmangel während des Trainings einher.

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