GLICOGEN: STRUCTURĂ, SINTEZĂ, DEGRADARE, FUNCȚII - BIOLOGIE - 2025

Glicogen este stocarea de carbohidrați al majorității mamiferelor. Carbohidrații sunt numiți frecvent zaharuri și acestea sunt clasificate în funcție de numărul de reziduuri cauzate de hidroliză (monosacharide, dizaharide, oligozaharide și polizaharide).

Monozaharidele sunt cei mai simpli carbohidrați care sunt clasificați în funcție de numărul de carboni conținuți în structura lor. Există apoi triose (3C), tetroze (4C), pentoze (5C), hexoze (6C), heptoză (7C) și octoze (8C).

Structura chimică a glicogenului care prezintă legături glicozidice (Sursa: Glykogen.svg: Lucrarea derivată a NEUROtiker: Marek M prin Wikimedia Commons)

În funcție de prezența grupării aldehide sau a grupului cetonelor, aceste monosacharide sunt, de asemenea, clasificate ca aldozele, respectiv ketozele.

Dizaharidele dau naștere, prin hidroliză, a două monosacharide simple, în timp ce oligozaharidele produc 2 până la 10 unități monosacharide, iar polizaharidele produc mai mult de 10 monosacharide.

Glicogenul este, din punct de vedere biochimic, un polizaharid compus din lanțuri ramificate dintr-o aldoză cu șase atomi de carbon, adică o hexoză cunoscută sub numele de glucoză. Glicogenul poate fi reprezentat grafic ca un arbore de glucoză. Aceasta se mai numește și amidon de animale.

Glucoza din plante este depozitată ca amidon și la animale sub formă de glicogen, care este păstrat în principal în ficat și țesutul muscular.

În ficat, glicogenul poate constitui 10% din masa sa și 1% din masa musculară. La fel ca la un om de 70 kg ficatul cântărește aproximativ 1800 g, iar mușchii aproximativ 35 kg, cantitatea totală de glicogen muscular este mult mai mare decât ficatul.

Structura

Greutatea moleculară a glicogenului poate atinge 108 g / mol, ceea ce este echivalent cu 6 × 105 molecule de glucoză. Glicogenul este format din mai multe lanțuri ramificate de α-D-glucoză. Glucoza (C6H12O6) este o aldohexoză care poate fi reprezentată sub formă liniară sau ciclică.

Glicogenul are o structură foarte ramificată și compactă, cu lanțuri de 12 până la 14 reziduuri de glucoză sub formă de α-D-glucoză care sunt legate cu legături α- (1 → 4) glucozidice. Ramurile lanțului sunt formate din legături α- (1 → 6) glucozidice.

Glicogenul, ca și amidonul din dietă, furnizează cea mai mare parte a carbohidraților de care organismul are nevoie. În intestin aceste polizaharide sunt descompuse prin hidroliză și apoi absorbite în fluxul sanguin, în principal sub formă de glucoză.

Trei enzime: ß-amilază, α-amilază și amil-α- (1 → 6) -glucozidaza sunt responsabile pentru degradarea intestinală a glicogenului și a amidonului.

Α-Amilază hidrolizează aleatoriu legăturile α- (1 → 4) ale lanțurilor laterale atât ale glicogenului, cât și ale amidonului și, prin urmare, se numește endoglicozidază. Ss-amilaza este o exoglicozidază care eliberează dimeri de ß-maltoză prin ruperea legăturilor α- (1 → 4) glicozidice de la capetele lanțurilor exterioare fără a ajunge la ramuri.

Deoarece nici ß-amilaza și nici α-amilază nu degradează punctele de ramură, produsul final al acțiunii lor este o structură extrem de ramificată de aproximativ 35 până la 40 de reziduuri de glucoză numită dextrină de graniță.

Dextrina limită este în cele din urmă hidrolizată în punctele de ramificare care au legături α- (1 → 6) cu ajutorul amil-α- (1 → 6) -glucozidază, cunoscută și sub denumirea de enzimă „depanare”. Lanțurile eliberate de această deconectare sunt apoi degradate de ß-amilază și α-amilază.

Pe măsură ce glicogenul ingerat intră sub formă de glucoză, cel găsit în țesuturi trebuie sintetizat de organism din glucoză.

Sinteză

Sinteza glicogenului se numește glicogeneză și are loc în principal în mușchi și ficat. Glicemia care intră în organism odată cu dieta trece în fluxul sanguin și de acolo în celule, unde este imediat fosforilată prin acțiunea unei enzime numite glucokinază.

Glucokinaza fosforilează glucoza la carbon 6. ATP asigură fosforul și energia pentru această reacție. Ca urmare, se formează glucoza 6-fosfat și se eliberează un ADP. Apoi, glucoza 6-fosfat este transformată în glucoza 1-fosfat prin acțiunea unei fosfoglucomutase care deplasează fosforul din poziția 6 în poziția 1.

Glucoza 1-fosfat rămâne activată pentru sinteza glicogenului, ceea ce implică participarea unui set de alte trei enzime: UDP-glucoza pirofosforilaza, glicogen sintaza și amil- (1,4 → 1,6) -glicoziltransferaza.

Glucoza-1-fosfat, împreună cu uridina trifosfat (UTP, un nucleozid de uridină trifosfat) și prin acțiunea UDP-Glucoză-pirofosforilaza, formează complexul uridin difosfat-glucoză (UDP Glc). În proces, un ion pirofosfat este hidrolizat.

Enzima glicogen sintaza formează apoi o legătură glicozidică între C1 din complexul UDP Glc și C4 al unui reziduu de glucoză terminal al glicogenului, iar UDP este eliberat din complexul de glucoză activat. Pentru ca această reacție să aibă loc trebuie să existe o moleculă de glicogen preexistentă numită „glicogen primordial”.

Glicogenul primordial este sintetizat pe o proteină primară, glicogenină, care este de 37 kDa și care este glicozilat la un reziduu de tirozină de complexul UDP Glc. De acolo, reziduurile α-D-Glucoză sunt legate cu legături 1 → 4 și se formează un lanț mic asupra căruia acționează glicogenul sintaza.

După ce lanțul inițial leagă cel puțin 11 reziduuri de glucoză, enzima de ramificare sau amil- (1,4 → 1,6) -glicoziltransferaza transferă o bucată de lanț de 6 sau 7 resturi de glucoză la lanțul adiacent în poziția 1 → 6, creând astfel un punct de ramură. Molecula de glicogen astfel construită crește prin adăugarea de unități de glucoză cu legături glicozidice 1 → 4 și mai multe ramuri.

Degradare

Distrugerea glicogenului se numește glicogenoliză și nu este echivalentă cu calea inversă a sintezei sale. Viteza acestei căi este limitată de viteza reacției catalizate de glicogen fosforilază.

Glicogenul fosforilază este responsabil pentru clivajul (fosforoliza) legăturilor 1 → 4 ale lanțurilor de glicogen, eliberând 1-fosfat de glucoză. Acțiunea enzimatică începe la capetele lanțurilor exterioare și sunt îndepărtate secvențial până când rămân 4 reziduuri de glucoză de fiecare parte a ramurilor.

Apoi, o altă enzimă, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glucan transferază, expune punctul de ramură prin transferul unei unități trisacharide de la o ramură la alta. Acest lucru permite amil- (1 → 6) -glucozidaza (enzimă de debarcare) să hidrolizeze legătura 1 → 6, îndepărtând ramura care va fi supusă acțiunii fosforilazei. Acțiunea combinată a acestor enzime se termină complet de glicogen.

Deoarece reacția inițială a fosfomutazei este reversibilă, glucoza 6-fosfat poate fi formată din resturile de 1-fosfat de glucoză clivate ale glicogenului. În ficat și rinichi, dar nu și în mușchi, există o enzimă, glucoza-6-fosfatază, capabilă să defosforileze 6-fosfat glucoză și să o transforme în glucoză liberă.

Glicemia defosforilată se poate difuza în sânge și astfel se reflectă glicogenoliza hepatică într-o creștere a valorilor glicemiei (glicemie).

Reglarea sintezei și degradării

De sinteză

Acest proces se exercită asupra a două enzime fundamentale: glicogen sintaza și glicogen fosforilaza, astfel încât atunci când unul dintre ei este activ, celălalt este în starea sa inactivă. Această reglementare împiedică reacțiile opuse de sinteză și degradare să se producă simultan.

Forma activă și forma inactivă a ambelor enzime este foarte diferită, iar interconversia formelor active și inactive ale fosforilazei și glicogen sintazei este strict controlată hormonal.

Epinefrina este un hormon care este eliberat din medula suprarenală, iar glucagonul este altul care este produs în partea endocrină a pancreasului. Pancreasul endocrin produce insulină și glucagon. Celulele α ale insulelor Langerhans sunt cele care sintetizează glucagonul.

Adrenalina și glucagonul sunt doi hormoni care se eliberează atunci când este nevoie de energie ca răspuns la scăderea nivelului glicemiei. Acești hormoni stimulează activarea glicogenului fosforilază și inhibă glicogen sintaza, stimulând astfel glicogenoliza și inhibă glicogeneza.

În timp ce adrenalina își exercită acțiunea asupra mușchiului și a ficatului, glucagonul acționează numai asupra ficatului. Acești hormoni se leagă de receptorii specifici ai membranei de pe celula țintă, care activează adenilatul ciclazei.

Activarea adenilat ciclazei inițiază o cascadă enzimatică care, pe de o parte, activează o proteină kinază dependentă de cAMP, care inactivează glicogen sintaza și activează glicogen fosforilaza prin fosforilare (direct și indirect, respectiv).

Mușchiul scheletal are un alt mecanism de activare a glicogenului fosforilază prin calciu, care este eliberat ca urmare a depolarizării membranei musculare la începutul contracției.

De degradare

Cascadele enzimatice descrise mai sus sfârșesc crescând nivelul de glucoză și atunci când acestea ating un anumit nivel, glicogeneza este activată și glicogenoliza este inhibată, inhibând, de asemenea, eliberarea ulterioară de epinefrină și glucagon.

Glicogeneza este activată prin activarea fosforazei fosforilazei, o enzimă care reglează sinteza glicogenului prin diferite mecanisme, implicând inactivarea fosforilazei kinazei și a fosforilazei α, care este un inhibitor al glicogenului sintaza.

Insulina promovează intrarea glucozei în celulele musculare, crescând nivelul glucozei 6-fosfat, ceea ce stimulează defosforilarea și activarea glicogenului sintaza. Astfel, sinteza începe și degradarea glicogenului este inhibată.

Caracteristici

Glicogenul muscular constituie o rezervă de energie pentru mușchi care, la fel ca grăsimile de rezervă, permite mușchiului să își îndeplinească funcțiile. Fiind o sursă de glucoză, glicogenul muscular este utilizat în timpul exercițiului fizic. Aceste rezerve cresc odată cu pregătirea fizică.

În ficat, glicogenul este, de asemenea, o sursă importantă de rezervă atât pentru funcțiile organelor, cât și pentru furnizarea de glucoză restului corpului.

Această funcție a glicogenului hepatic se datorează faptului că ficatul conține glucoză 6-fosfatază, o enzimă capabilă să îndepărteze grupul fosfat din glucoza 6-fosfat și să o transforme în glucoză liberă. Glicemia liberă, spre deosebire de glucoza fosforilată, poate difuza prin membrana hepatocitelor (celulele hepatice).

Astfel ficatul poate oferi glucoză circulației și menține niveluri stabile de glucoză, chiar și în condiții de post prelungit.

Această funcție este de mare importanță, deoarece creierul este hrănit aproape exclusiv de glucoză din sânge, astfel încât hipoglicemia severă (concentrații foarte mici de glucoză în sânge) poate provoca pierderea cunoștinței.

Boli conexe

Bolile legate de glicogen sunt denumite generic „boli de stocare a glicogenului”.

Aceste boli constituie un grup de patologii ereditare caracterizate prin depunerea în țesuturi a unor cantități anormale sau tipuri de glicogen.

Majoritatea bolilor de depozitare a glicogenului sunt cauzate de un deficit genetic al oricăreia dintre enzimele implicate în metabolismul glicogenului.

Acestea sunt clasificate în opt tipuri, majoritatea având nume proprii și fiecare dintre ele este cauzat de o deficiență de enzimă diferită. Unele sunt fatale foarte devreme în viață, în timp ce altele sunt asociate cu slăbiciune musculară și deficite în timpul exercițiului fizic.

Exemple prezentate

Unele dintre cele mai proeminente boli legate de glicogen sunt următoarele:

- Boala Von Gierke sau boala de depozitare a glicogenului de tip I, este cauzată de un deficit de 6-fosfatază de glucoză în ficat și rinichi.

Se caracterizează prin creșterea anormală a ficatului (hepatomegalie) datorită acumulării exagerate de glicogen și hipoglicemie, deoarece ficatul devine incapabil să furnizeze glucoză circulației. Pacienții cu această afecțiune au tulburări de creștere.

- Boala Pompe sau de tip II se datorează unei deficiențe de α- (1 → 4) -glucan 6-glicoziltransferare la nivelul ficatului, inimii și mușchilor scheletici. Această boală, precum cea a Andersenului sau a tipului IV, este fatală înainte de vârsta de doi ani.

- Boala McArdle sau de tip V prezintă o deficiență de fosforilază musculară și este însoțită de slăbiciune musculară, scăderea toleranței la efort, acumularea anormală a glicogenului muscular și lipsa lactatului în timpul exercițiului fizic.

Referințe

1. Bhattacharya, K. (2015). Investigarea și gestionarea bolilor de depozitare a glicogenului hepatic. Translation Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Boala de depozitare a glicogenului tip III. Recenzii de gene, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Manual de fiziologie medicală (ediția a 11-a). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochimie (ediția a III-a). San Francisco, California: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologia bolilor de depozitare a glicogenului hepatic. Curr Patobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (ediția a 28-a). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Principiile biochimiei Lehninger. Ediții Omega (ediția a 5-a).
8. Rawn, JD (1998). Biochimie. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Miopatii legate de tulburările de metabolizare a glicogenului. Neurotherapeutics.