Определение гликогена
Гликоген большой, разветвленный полисахарид это основная форма хранения глюкозы у животных и человека. Гликоген является важным энергетическим резервуаром; когда организму требуется энергия, гликоген расщепляется до глюкозы, которая затем попадает в гликолитический или пентозофосфатный путь или выделяется в кровоток. Гликоген также является важной формой хранения глюкозы в грибы а также бактерии.
Структура гликогена
Гликоген является разветвленным полимером глюкозы. Глюкозные остатки линейно связаны α-1,4-гликозидными связями, и приблизительно каждые десять остатков цепь остатков глюкозы разветвляется через α-1,6-гликозидные связи. Α-гликозидные связи приводят к спиральной структуре полимера. Гликоген гидратируется тремя-четырьмя частями воды и образует гранулы в цитоплазма это 10-40 нм в диаметре. Белок гликогенин, который участвует в синтезе гликогена, находится в ядре каждой гранулы гликогена. Гликоген является аналогом крахмала, который является основной формой хранения глюкозы в большинстве растений, но крахмал имеет меньше ветвей и менее компактен, чем гликоген.
Функция гликогена
У животных и людей гликоген находится в основном в мускул а также печень клетки. Гликоген синтезируется из глюкозы, когда кровь уровень глюкозы высокий и служит готовым источником глюкозы для тканей всего тела, когда уровень глюкозы в крови снижается.
Клетки печени
Гликоген составляет 6-10% печени по массе. При приеме пищи уровень глюкозы в крови повышается, а выделение инсулина из поджелудочной железы способствует поглощению глюкозы клетками печени. Инсулин также активирует ферменты, участвующие в синтезе гликогена, такие как гликогенсинтаза. Хотя уровни глюкозы и инсулина достаточно высоки, гликогеновые цепи удлиняются путем добавления молекул глюкозы, процесс, называемый гликонеогенезом. По мере снижения уровня глюкозы и инсулина синтез гликогена прекращается. Когда уровень глюкозы в крови падает ниже определенного уровня, глюкагон, высвобождаемый из поджелудочной железы, сигнализирует клеткам печени о расщеплении гликогена. Гликоген расщепляется через гликогенолиз в глюкозо-1-фосфат, который превращается в глюкозу и выделяется в кровоток. Таким образом, гликоген служит в качестве основного буфера уровней глюкозы в крови, сохраняя глюкозу, когда его уровни высокие, и выделяя глюкозу, когда уровни низкие. Расщепление гликогена в печени имеет решающее значение для обеспечения глюкозы для удовлетворения энергетических потребностей организма. В дополнение к глюкагону, кортизол, адреналин и норадреналин также стимулируют расщепление гликогена.
Мышечные клетки
В отличие от клеток печени, гликоген составляет только 1-2% мышечной массы. Однако, учитывая большую массу мышц в организме, общее количество гликогена, хранящегося в мышцах, больше, чем запасенного в печени. Мышцы также отличаются от печени тем, что гликоген в мышцах обеспечивает глюкозу только мышечная клетка сам. Мышечные клетки не экспрессируют фермент глюкозо-6-фосфатазу, который необходим для высвобождения глюкозы в кровоток. Глюкозо-1-фосфат, образующийся в результате расщепления гли��огена в мышечных волокнах, превращается в глюкозо-6-фосфат и обеспечивает энергию для мышц во время тренировки или в ответ на стресс, как в реакции «сражайся или беги».
Другие ткани
Помимо печени и мышц, гликоген обнаруживается в меньших количествах в других тканях, включая эритроциты, лейкоциты, почечные клетки и некоторые глиальные клетки. Кроме того, гликоген используется для хранения глюкозы в матка обеспечить энергетические потребности эмбрион.
Грибы и бактерии
Микроорганизмы обладают механизмами накопления энергии, чтобы справиться с ними в случае ограниченных природных ресурсов, а гликоген представляет собой главную форму накопления энергии. Ограничение питательных веществ (низкий уровень углерода, фосфора, азота или серы) может стимулировать образование гликогена в дрожжах, в то время как бактерии синтезируют гликоген в ответ на легкодоступные источники энергии углерода с ограничением других питательных веществ. Рост бактерий и споруляция дрожжей также связаны с накоплением гликогена.
Гликоген гомеостаз это строго регулируемый процесс, который позволяет организму накапливать или выделять глюкозу в зависимости от его энергетических потребностей. Основными этапами метаболизма глюкозы являются гликогенез или синтез гликогена и гликогенолиз, или расщепление гликогена.
гликогенеза
Для синтеза гликогена требуется энергия, которую обеспечивает уридин трифосфат (UTP). Гексокиназы или глюкокиназы сначала фосфорилируют свободную глюкозу с образованием глюкозо-6-фосфата, который превращается в глюкозо-1-фосфат фосфоглюкомутазой. UTP-глюкозо-1-фосфат-уридилилтрансфераза затем катализирует активацию глюкозы, при которой UTP и глюкозо-1-фосфат реагируют с образованием UDP-глюкозы. При синтезе гликогена de novo белок гликогенин катализирует прикрепление UDP-глюкозы к себе. Гликогенин представляет собой гомодимер, содержащий остаток тирозина в каждой субъединице, который служит якорем или точкой присоединения для глюкозы. Дополнительные молекулы глюкозы впоследствии добавляются к восстанавливающему концу предыдущей глюкозы молекула сформировать цепь из примерно восьми молекул глюкозы. Затем гликогенсинтаза удлиняет цепь, добавляя глюкозу через α-1,4-гликозидные связи.
Разветвление катализируется амило- (от 1,4 до 1,6) -трансглюкозидазой, также называемой гликоген-разветвляющим ферментом. Гликоген-разветвляющий фермент переносит фрагмент из шести-семи молекул глюкозы от конца цепи к С6 молекулы глюкозы, расположенной далее внутри молекулы гликогена, образуя гликозидные связи α-1,6.
гликогенолиз
Глюкоза удаляется из гликогена с помощью гликогенфосфорилазы, которая фосфоролитически удаляет одну молекулу глюкозы с невосстанавливающего конца с образованием глюкозо-1-фосфата. Глюкозо-1-фосфат, образующийся при расщеплении гликогена, превращается в глюкозо-6-фосфат, процесс, который требует фермента фосфоглюкомутазы. Фосфоглюкомутаза переносит фосфатная группа из фосфорилированного остатка серина в пределах активный сайт до С6 глюкозо-1-фосфата с образованием глюкозо-1,6-бисфосфата. Затем фосфат глюкозы С1 присоединяют к активный сайт серин в фосфоглюкомутазе и глюкозо-6-фосфат высвобождается.
Гликогенфосфорилаза не способна отщеплять глюкозу от точек ветвления; для разветвления требуется амило-1,6-глюкозидаза, 4-α-глюканотрансфераза или гликогендеразрушающий фермент (GDE), который обладает глюкотрансферазной и глюкозидазной активностями. Примерно в четырех остатках от точки ветвления гликогенфосфорилаза не способна удалять остатки глюкозы. GDE расщепляет последние три остатка ветви и присоединяет их к С4 молекулы глюкозы в конце другой ветви, а затем удаляет последний α-1,6-связанный глюкозный остаток из точки ветвления. GDE не удаляет α-1,6-связанную глюкозу из точки ветвления фосфорилически, что означает, что высвобождается свободная глюкоза. Эта свободная глюкоза теоретически может высвобождаться из мышц в кровоток без действия глюкозо-6-фосфатазы; однако эта свободная глюкоза быстро фосфорилируется гексокиназой, предотвращая ее попадание в кровоток.
Глюкозо-6-фосфат, полученный в результате расщепления гликогена, может превращаться в глюкозу под действием глюкозо-6-фосфатазы и высвобождаться в кровоток. Это происходит в печени, кишечнике и почках, но не в мышцах, где этот фермент отсутствует. В мышцах глюкозо-6-фосфат входит в гликолитический путь и обеспечивает энергию для клетка, Глюкоза-6-фосфат также может проникать в пентозофосфатный путь, что приводит к выработке NADPH и пять углеродных сахаров.
Упражнения и истощение гликогена
В упражнениях на выносливость спортсмены могут испытывать истощение гликогена, при котором большая часть гликогена истощается из мышц. Это может привести к сильной усталости и затруднению движения. Истощение гликогена может быть уменьшено путем непрерывного потребления углеводов с высоким гликемическим индексом (высокая скорость превращения в глюкозу крови) во время физических упражнений, которые заменит часть глюкозы, используемой во время физических упражнений. Могут также использоваться специализированные режимы упражнений, которые приводят в действие мышцу жирные кислоты как источник энергии с большей скоростью, тем самым разрушая меньше гликогена. Спортсмены могут также использовать углеводную загрузку, потребление большого количества углеводов, чтобы увеличить емкость для хранения гликогена.
Примеры болезней накопления гликогена
Существуют две основные категории заболеваний, связанных с накоплением гликогена: те, которые возникают в результате нарушения гомеостаза гликогена в печени, и те, которые возникают в результате нарушения гомеостаза гликогена в мышцах. Заболевания, возникающие в результате неправильного хранения гликогена в печени, обычно вызывают гепатомегалию (увеличение печени), гипогликемию и цирроз печени (рубцевание печени). Заболевания, возникающие из-за дефектного накопления гликогена в мышцах, обычно вызывают миопатии и нарушение обмена веществ. Примеры заболеваний накопления гликогена включают болезнь Помпе, болезнь Макардла и болезнь Андерсена.
Болезнь Помпе
Болезнь Помпе вызвана мутациями в GAA ген, который кодирует лизосомальную кислотную α-глюкозидазу, также называемую кислой мальтазой, и влияет на скелет и сердечная мышца, Кислотная мальтаза участвует в расщеплении гликогена, а вызывающие заболевания мутации приводят к пагубному накоплению гликогена в клетке. Существует три типа болезни Помпе: взрослая форма, ювенильная форма и инфантильная форма, которые становятся все более тяжелыми. Инфантильная форма приводит к смерти в возрасте от одного до двух лет, если ее не лечить.
Болезнь Макардла
Болезнь Макардла вызвана мутациями в гене PYGM, который кодирует миофосфорилазу, изоформу гликогенфосфорилазы, присутствующую в мышцах. Симптомы часто наблюдаются у детей, но болезнь не может быть диагностирована до зрелого возраста. Симптомы включают мышечную боль и усталость, и если болезнь не лечится, болезнь может быть опасной для жизни.
Болезнь Андерсена
Болезнь Андерсена вызвана мутация в гене GBE1, который кодирует гликоген, разветвляющий фермент, и влияет на мышцы и печень. Симптомы обычно наблюдаются в возрасте нескольких месяцев и включают в себя задержку роста, увеличение печени и цирроз печени. Осложнения заболевания могут быть опасными для жизни.
викторина
1. Что лучше всего описывает функцию гликогена?A. Обеспечивает структурную поддержку мышечных клетокB. фактор транскрипции который регулирует дифференцировка клеток C. Хранит глюкозу в растенияхD. Буферы уровня глюкозы в крови и служит легко мобилизованным источником энергии
Ответ на вопрос № 1
D верно. Гликоген является основной формой хранения глюкозы у животных и человека. Гликоген синтезируется при высоком уровне глюкозы в крови и расщепляется при низком уровне глюкозы в крови, что делает его важным буфером уровня глюкозы в крови. Когда энергия требуется клеткой или организм Гликоген служит критическим источником энергии, обеспечивая глюкозу тканями по всему организму.
2. Что является основным гормон что стимулирует распад гликогена?A. глюкагонB. Щитовидная железаC. инсулинD. эстроген
Ответ на вопрос № 2
верно. Глюкагон, который вырабатывается в ответ на низкий уровень сахара в крови, стимулирует расщепление гликогена. Инсулин, вырабатываемый в ответ на высокий уровень сахара в крови, стимулирует поглощение глюкозы и синтез гликогена.
3. Каковы возможные судьбы глюкозо-1-фосфата, образующегося при гликогенолизе?A. Превращение в глюкозо-6-фосфат с последующим вступлением в гликолитический путьB. Превращение в глюкозо-6-фосфат с последующим вступлением в пентозофосфатный путьC. Преобразование в глюкозу с последующим выделением в кровотокD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 3
D верно. В мышечных клетках глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат с помощью фосфоглюкомутазы, после чего он может вступать в гликолитический или пентозофосфатный путь. В клетках печени глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозу глюкозо-6-фосфатазой и выделяется в кровоток.
Ссылки
- Eicke, S., Seung, D., Egli, B., Devers, E.A., и Streb, S. (2017) «Повышение способности растений хранить углеводы путем создания пула, подобного гликогеноподобному полимеру, в цитозоль «. Метаболическая инженерия. 40: 23-32.
- Харгривз М. и Рихтер Е.А. (1988) «Регулирование скелетная мышца гликогенолиз во время тренировки ». Канадский журнал спортивных наук. 13 (4): 197-203.
- Ivy, J.L. (1991). «Синтез мышечного гликогена до и после тренировки». Спортивная медицина. 11 (1): 6-19.