ГЛІКОГЕН: БУДОВА, СИНТЕЗ, ДЕГРАДАЦІЯ, ФУНКЦІЇ - БІОЛОГІЯ - 2025

Глікоген є вуглевод зберігання більшості ссавців. Вуглеводи зазвичай називають цукрами, і їх класифікують за кількістю залишків, викликаних гідролізом (моносахариди, дисахариди, олігосахариди та полісахариди).

Моносахариди - це найпростіші вуглеводи, які класифікуються за кількістю вуглецю, що міститься в їх структурі. Потім існують триози (3С), тетроси (4С), пентози (5С), гексози (6С), гептози (7С) та октоси (8С).

Хімічна структура глікогену, що показує глікозидні зв’язки (Джерело: Glykogen.svg: Похідне NEUROtiker: Marek M через Wikimedia Commons)

Залежно від присутності альдегідної групи або кетонової групи, ці моносахариди також класифікуються як альдози або кетози відповідно.

Дисахариди призводять до гідролізу двох простих моносахаридів, тоді як олігосахариди утворюють від 2 до 10 моносахаридних одиниць, а полісахариди - понад 10 моносахаридів.

З біохімічної точки зору глікоген - полісахарид, що складається з розгалужених ланцюгів шестивуглецевої альдози, тобто гексози, відомої як глюкоза. Глікоген можна графічно представити у вигляді дерева глюкози. Це ще називається тваринним крохмалем.

Глюкоза в рослинах зберігається як крохмаль, а у тварин як глікоген, який зберігається насамперед у печінці та м’язовій тканині.

У печінці глікоген може становити 10% його маси та 1% його м’язової маси. Оскільки у людини з 70 кг печінка важить близько 1800 г, а м'язи - близько 35 кг, загальна кількість м’язового глікогену значно перевищує печінку.

Будова

Молекулярна маса глікогену може досягати 108 г / моль, що еквівалентно 6 × 105 молекул глюкози. Глікоген складається з декількох розгалужених ланцюгів α-D-глюкози. Глюкоза (C6H12O6) - це альдогексоза, яка може бути представлена ​​у лінійній або циклічній формі.

Глікоген має сильно розгалужену і компактну структуру з ланцюжками від 12 до 14 залишків глюкози у вигляді α-D-глюкози, які пов'язані з α- (1 → 4) глюкозидними зв’язками. Гілки ланцюга утворені глюкозидними зв’язками α- (1 → 6).

Глікоген, як крохмаль у раціоні, забезпечує більшу частину вуглеводів, які потрібні організму. У кишечнику ці полісахариди руйнуються гідролізом і потім всмоктуються в кров переважно як глюкоза.

Три ферменти: ß-амілаза, α-амілаза та аміл-α- (1 → 6) -глюкозидаза відповідають за кишкову деградацію як глікогену, так і крохмалю.

Α-Амілаза випадковим чином гідролізує α- (1 → 4) зв’язки бічних ланцюгів як глікогену, так і крохмалю, тому їх називають ендоглікозидазою. Ss-амілаза - це екзоглікозидаза, яка вивільняє β-мальтозні димери, розриваючи α- (1 → 4) глікозидні зв’язки від кінців самих зовнішніх ланцюгів, не досягаючи гілок.

Оскільки ні ß-амілаза, ні α-амілаза не погіршують точки розгалуження, кінцевим продуктом їх дії є сильно розгалужена структура, що містить близько 35 до 40 залишків глюкози, що називається граничним декстрином.

Кінцевий декстрин, нарешті, гідролізується в точках розгалуження, які мають α- (1 → 6) зв’язки за допомогою аміл-α- (1 → 6) -глюкозидази, також відомий як фермент "деканірування". Потім ланцюги, що вивільняються цим декануванням, деградують ß-амілазою та α-амілазою.

Коли поглинутий глікоген потрапляє як глюкоза, той, що знаходиться в тканинах, повинен синтезуватися організмом з глюкози.

Синтез

Синтез глікогену називається глікогенезом і відбувається насамперед у м’язах та печінці. Глюкоза, яка потрапляє в організм за допомогою дієти, переходить у кров і звідти в клітини, де вона негайно фосфорилюється під дією ферменту, який називається глюкокіназа.

Глюкокіназа фосфорилює глюкозу при вуглеці 6. АТФ забезпечує фосфор і енергію для цієї реакції. В результаті утворюється 6-фосфат глюкози і виділяється АДФ. Потім 6-фосфат глюкози перетворюється на 1-фосфат глюкози дією фосфоглюкомутази, яка переміщує фосфор з положення 6 в положення 1.

1-фосфат глюкози залишається активованим для синтезу глікогену, що передбачає участь у складі трьох інших ферментів: УПД-глюкози-пірофосфорилази, глікогенсинтетази та аміл- (1,4 → 1,6) -глікозилтрансферази.

Глюкозо-1-фосфат разом з трифосфатом уридину (UTP, нуклеозидом уридину трифосфатом) та за дією UDP-глюкози-пірофосфорилази утворює діфосфат-глюкозний комплекс уридин (UDP Glc). У процесі іона пірофосфату гідролізується.

Потім фермент глікоген-синтетаза утворює глікозидну зв’язок між С1 комплексу UDP Glc та С4 кінцевого залишку глюкози глікогену, а УДП вивільняється з активованого комплексу глюкози. Щоб ця реакція відбулася, повинна існувати раніше існуюча молекула глікогену, яка називається "первинний глікоген".

Первинний глікоген синтезується на білку праймера, глікогеніну, який становить 37 кДа і який глікозильований до залишку тирозину комплексом UDP Glc. Звідти залишки α-D-глюкози пов'язані 1 → 4 зв’язками і утворюється невеликий ланцюг, на який діє синтетаза глікогену.

Після того як початкова ланцюг зв'язує щонайменше 11 залишків глюкози, фермент розгалуження або аміл- (1,4 → 1,6) -глікозилтрансфераза передає шматок ланцюга з 6 або 7 залишків глюкози до сусідньої ланцюга в положенні 1 → 6, тим самим встановивши точку відгалуження. Створена таким чином молекула глікогену зростає за рахунок додавання одиниць глюкози з 1 → 4 глікозидними зв’язками та більшою кількістю гілок.

Деградація

Розпад глікогену називається глікогенолізом, і це не рівнозначно зворотному шляху його синтезу. Швидкість цього шляху обмежена швидкістю реакції, катализируемой глікогенфосфорилазою.

Глікогенфосфорилаза відповідає за розщеплення (фосфороліз) зв’язків 1 → 4 глікогенних ланцюгів, вивільняючи 1-фосфат глюкози. Ферментативна дія починається на кінцях самих зовнішніх ланцюгів, і їх послідовно видаляють, поки не залишиться 4 залишку глюкози з кожної сторони гілок.

Тоді інший фермент, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) глюканова трансфераза, відкриває точку гілки, переносячи трисахаридну одиницю з однієї гілки на іншу. Це дозволяє аміл- (1 → 6) -глюкозидазі (ферменту, що розгальмовує) гідролізувати зв'язок 1 → 6, видаляючи гілку, яка зазнає дії фосфорилази. Комбінована дія цих ферментів закінчується повністю розщепленням глікогену.

Оскільки початкова реакція фосфомутази є оборотною, 6-фосфат глюкози може утворюватися з розщеплених залишків глюкози 1-фосфату глікогену. У печінці та нирках, але не у м’язах є фермент, глюкозо-6-фосфатаза, здатний дефосфорилювати 6-фосфат глюкози та перетворювати її у вільну глюкозу.

Дефосфорильована глюкоза може дифундувати в кров, і саме так гликогеноліз печінки відображається на збільшенні значень глюкози в крові (глікемії).

Регулювання синтезу та деградації

З синтезу

Цей процес здійснюється двома основними ферментами: глікогенсинтетазою та глікогенфосфорилазою таким чином, що коли один з них активний, інший перебуває у неактивному стані. Це регулювання запобігає виникненню протилежних реакцій синтезу та деградації одночасно.

Активна форма і неактивна форма двох ферментів сильно відрізняються, а взаємоперетворення активної та неактивної форм фосфорилази та синтезати глікогену суворо гормонально контролюється.

Адреналін - це гормон, який вивільняється з мозку надниркових залоз, а глюкагон - інший, який виробляється в ендокринній частині підшлункової залози. Ендокринна підшлункова залоза виробляє інсулін та глюкагон. Α-клітини острівців Лангерганса - це ті, що синтезують глюкагон.

Адреналін та глюкагон - два гормони, які виділяються, коли потрібна енергія у відповідь на зниження рівня глюкози в крові. Ці гормони стимулюють активацію глікогенфосфорилази та інгібують глікогенсинтетазу, тим самим стимулюючи глікогеноліз та інгібуючи глікогенез.

Хоча адреналін чинить свою дію на м’язи та печінку, глюкагон діє лише на печінку. Ці гормони зв'язуються зі специфічними мембранними рецепторами клітини-мішені, яка активує аденілатциклазу.

Активація аденілатциклази ініціює ферментативний каскад, який, з одного боку, активує cAMP-залежну протеїнкіназу, яка інактивує глікогенсинтетазу та активує фосфорилазу глікогену фосфорилюванням (безпосередньо та опосередковано відповідно).

Скелетна мускулатура має ще один механізм активації фосфорилази глікогену через кальцій, який вивільняється як наслідок деполяризації м’язової мембрани на початку скорочення.

Деградації

Описані вище ферментативні каскади закінчують підвищення рівня глюкози, і коли вони досягають певного рівня, активізується глікогенез та інгібується глікогеноліз, що також гальмує подальше вивільнення епінефрину та глюкагону.

Глікогенез активується за рахунок активації фосфорилази фосфатази - ферменту, який регулює синтез глікогену за допомогою різних механізмів, залучаючи інактивацію фосфорилазакінази та фосфорилази α, який є інгібітором синтеза глікогену.

Інсулін сприяє надходженню глюкози в м’язові клітини, підвищуючи рівень 6-фосфатів глюкози, що стимулює дефосфорилювання та активацію синтеза глікогену. Таким чином починається синтез і гальмується деградація глікогену.

Особливості

М'язовий глікоген являє собою запас енергії для м’яза, який, як і запасні жири, дозволяє м’язу виконувати свої функції. Будучи джерелом глюкози, м’язовий глікоген використовується під час фізичних навантажень. Ці резерви збільшуються при фізичній підготовці.

У печінці глікоген також є важливим резервним джерелом як для функцій органів, так і для надходження глюкози до решти організму.

Ця функція глікогену печінки обумовлена ​​тим, що в печінці міститься 6-фосфатаза глюкози, фермент, здатний вивести фосфатну групу з 6-фосфату глюкози та перетворити її у вільну глюкозу. Вільна глюкоза, на відміну від фосфорильованої глюкози, може дифундувати через мембрану гепатоцитів (клітини печінки).

Ось так печінка може забезпечити кровообіг глюкози і підтримувати стабільний рівень глюкози навіть в умовах тривалого голодування.

Ця функція має велике значення, оскільки мозок покладається майже виключно на глюкозу в крові, тому сильна гіпоглікемія (дуже низька концентрація глюкози в крові) може спричинити втрату свідомості.

Супутні захворювання

Захворювання, пов'язані з глікогеном, загалом називають "захворюваннями зберігання глікогену".

Ці захворювання становлять групу спадкових патологій, що характеризуються відкладенням у тканинах аномальних кількостей або видів глікогену.

Більшість захворювань зберігання глікогену викликані генетичним дефіцитом будь-якого з ферментів, що беруть участь у метаболізмі глікогену.

Їх класифікують на вісім типів, більшість з яких мають власні назви, і кожен з них викликаний різною недостатністю ферментів. Деякі з них летальні дуже рано, в той час як інші пов'язані з м'язовою слабкістю та дефіцитом під час фізичних навантажень.

Пропоновані приклади

Одні з найпомітніших захворювань, пов'язаних з глікогеном, є наступними:

- Хвороба Фон Гірке або хвороба зберігання глікогену I типу, викликана дефіцитом 6-фосфатази глюкози в печінці та нирках.

Для нього характерний аномальний ріст печінки (гепатомегалія) внаслідок надмірного накопичення глікогену та гіпоглікемії, оскільки печінка стає нездатною постачати глюкозу в кровообіг. У пацієнтів із цим станом спостерігаються порушення росту.

- Хвороба Помпе або II типу зумовлена ​​дефіцитом α- (1 → 4) -глюканових 6-глікозилтрансфер у печінці, серці та скелетних м’язах. Ця хвороба, як у Андерсена або IV типу, є летальною у віці до двох років.

- Хвороба МакАрдла або типу V має дефіцит фосфорилази в м’язах і супроводжується м'язовою слабкістю, зниженням толерантності до фізичних вправ, аномальним накопиченням м’язового глікогену та нестачею лактату під час фізичного навантаження.

Список літератури

1. Бхаттачарія, К. (2015). Дослідження та лікування захворювань печінкового зберігання глікогену. Трансляційна педіатрія, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Хвороба зберігання глікогену III тип. Генові огляди, 1–16.
3. Гайтон, А., Холл, Дж. (2006). Підручник з медичної фізіології (11-е видання). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Біохімія (3-е видання). Сан-Франциско, Каліфорнія: Пірсон.
5. Маккірнан, П. (2017). Патобіологія печінкових захворювань глікогену. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Ілюстрована біохімія Харпера (28 вид.). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Принципи біохімії Ленінгера. Видання «Омега» (5-е видання).
8. Rawn, JD (1998). Біохімія. Берлінгтон, Массачусетс: Видавництво Ніла Паттерсона.
9. Тарнопольський, М. А. (2018). Міопатії, пов'язані з порушеннями метаболізму глікогену. Нейротерапевтичні засоби.