גליקוגן: מבנה, סינתזה, השפלה, פונקציות - ביולוגיה - 2025

גליקוגן הוא אחסון הפחמימות של רוב היונקים. פחמימות נקראות בדרך כלל סוכרים ואלה מסווגות לפי מספר השאריות הנגרמות על ידי הידרוליזה (מונוסכרידים, דיסכרידים, אוליגוסכרידים ופוליסכרידים).

מונוסכרידים הם הפחמימות הפשוטות ביותר המסווגות לפי מספר הפחמימות הכלולות במבנה שלהן. יש אחר כך את השלישיות (3C), טטרוזות (4C), פנטוזות (5C), הקסוזות (6C), הפטוזה (7C) ואוקטוזות (8C).

מבנה כימי של גליקוגן המציג קשרים גליקוזידיים (מקור: Glykogen.svg: עבודה נגזרת של NEUROtiker: Marek M דרך Wikimedia Commons)

תלוי בנוכחות קבוצת האלדהיד או בקבוצת הקטון, מונוסכרידים אלה מסווגים גם כאלדוזות או קטוזות בהתאמה.

דיסכרידים מולידים באמצעות הידרוליזה שני מונוסכרידים פשוטים, ואילו אוליגוסכרידים מייצרים 2 עד 10 יחידות מונוסכרידים ופוליסכרידים מייצרים יותר מעשרה מונוסכרידים.

גליקוגן הוא, מנקודת מבט ביוכימית, פוליסכריד המורכב משרשראות מסועפות של אלדוז בן שש פחמן, כלומר משושה המכונה גלוקוז. ניתן לייצג את הגליקוגן באופן גרפי כעץ גלוקוז. זה נקרא גם עמילן מהחי.

גלוקוז בצמחים מאוחסן כעמילן ובבעלי חיים כגליקוגן, שנאגר בעיקר ברקמת הכבד והשריר.

בכבד הגליקוגן יכול להוות 10% ממסתו ו -1% ממסת השריר שלו. כמו אצל גבר של 70 ק"ג הכבד שוקל כ 1800 גרם והשרירים כ 35 ק"ג, הכמות הכוללת של גליקוגן שריר גבוהה בהרבה מהכבד.

מִבְנֶה

המשקל המולקולרי של הגליקוגן יכול להגיע ל 108 גרם / מולקולה, וזה שווה ערך ל 6 × 105 מולקולות גלוקוז. הגליקוגן מורכב מרשתות מסועפות מרובות של α-D-גלוקוזה. גלוקוזה (C6H12O6) היא אלדההקסוזה שניתן לייצג בצורה ליניארית או מחזורית.

לגליקוגן מבנה מסועף וקומפקטי ביותר עם שרשראות של 12 עד 14 שאריות גלוקוז בצורת α-D-גלוקוזה המקושרות לקשרים גלוקוזידיים α- (1 → 4). ענפי השרשרת נוצרים על ידי קשרים α- (1 → 6) גלוקוזידים.

גליקוגן, כמו עמילן בתזונה, מספק את מרבית הפחמימות שהגוף זקוק לה. במעי מתפרקים פוליסכרידים אלה על ידי הידרוליזה ואז נספגים לזרם הדם בעיקר כגלוקוזה.

שלושה אנזימים: ß-amylase, α-amylase ו- amyl-α- (1 → 6) -glucosidase אחראים להשפלת המעי הן של גליקוגן והן של עמילן.

Α-אמילאז ממצה הידרוליזה אקראית של הקשרים α- (1 → 4) של שרשראות הצד של גליקוגן ועמילן, ולכן נקרא אנדוגליקוזידאז. Ss-amylase הוא exoglycosidase המשחרר דימר ß-maltose על ידי שבירת קשרים α- (1 → 4) מקצוות השרשראות החיצוניות ביותר מבלי להגיע לענפים.

מכיוון שאף ß-amylase ולא α-amylase לא משפילים את נקודות הענף, התוצר הסופי של פעולתם הוא מבנה מסועף ביותר של כ- 35 עד 40 שאריות גלוקוז המכונות דקסטרין גבול.

גבול הדקסטרין מנוטרל לבסוף בנקודות הענף שקשורות α- (1 → 6) באמצעות אמיל-α- (1 → 6) -גלוקוזידאז, הידוע גם כאנזים "debranching". השרשראות המשוחררות על ידי סניף זה מושפלות על ידי ß-amylase ו- α-amylase.

כאשר הגליקוגן המוזרם נכנס כגלוקוזה, זה שנמצא ברקמות חייב להיות מסונתז על ידי הגוף מגלוקוזה.

סִינתֶזָה

סינתזת גליקוגן נקראת גליקוגנזה ומתרחשת בעיקר בשרירים ובכבד. הגלוקוז שנכנס לגוף עם הדיאטה עובר לזרם הדם ומשם לתאים, שם הוא זורק מייד על ידי פעולת אנזים המכונה גלוקוקינאז.

גלוקוקינאז זרחן גלוקוז בפחמן 6. ATP מספק את הזרחן והאנרגיה לתגובה זו. כתוצאה מכך נוצר 6-פוספט גלוקוז ומשוחרר ADP. לאחר מכן, גלוקוז 6-פוספט מומר לגלוקוז 1-פוספט על ידי פעולה של פוספוגלוקומוטאז שמעביר את הזרחן ממיקום 6 למצב 1.

גלוקוזה 1-פוספט נותרה מופעלת לסינתזה של גליקוגן, הכרוכה בהשתתפות קבוצה של שלושה אנזימים נוספים: UDP-גלוקוז פירופוספוריאלאז, גלוקוגן סינטטז ואמיל- (1,4 → 1,6) -גליקוזילטרנספרז.

גלוקוזה-1-פוספט, יחד עם אורידין-טריפוספט (UTP, נוקלאוזיד של אורידין-טריפוספט) ובאמצעות פעולה של UDP-Glucose-Pyrophosphorylase, יוצרים את מתחם האורדין-דיפוספט-גלוקוזה (UDP Glc). בתהליך הידרוליזה יון פירופוספט.

לאחר מכן היוצר האנזים גליקוגן סינטטז יוצר קשר גליקוזידי בין C1 של מתחם ה- UDP Glc ו- C4 של שארית גלוקוז סופנית של גליקוגן, וה- UDP משתחרר ממתחם הגלוקוז המופעל. כדי שתגובה זו תתרחש חייבת להיות מולקולת גליקוגן קיימת שנקראה "גליקוגן קדמוני."

גליקוגן פרימורדיאלי מסונתז על חלבון פריימר, גליקוגנין, שהוא 37 kDa ואשר הוא גליקוזילציה לשארית טירוזין על ידי מתחם ה- UDP Glc. משם, שאריות α-D-גלוקוזיות קשורות לקשרים 1 → 4 ונוצרת שרשרת קטנה עליה פועל סינתזה גליקוגן.

ברגע שהשרשרת הראשונית מקשרת בין לפחות 11 שאריות גלוקוז, האנזים המסועף או האמיל- (1,4 → 1,6) -גליקוזילטרנספרז מעביר חתיכת שרשרת של 6 או 7 שאריות גלוקוז לשרשרת הסמוכה במצב 1 → 6 ובכך נקבע נקודת סניף. מולקולת הגליקוגן שנבנתה כך גדלה על ידי תוספות של יחידות גלוקוז עם 1 → 4 קשרים גליקוזידיים ועוד ענפים.

הַשׁפָּלָה

פירוק הגליקוגן נקרא גליקוגנוליזה, והוא אינו שווה לנתיב ההפוך של הסינתזה שלו. מהירות מסלול זה מוגבלת על ידי קצב התגובה הזירוזית הזרחנית של גליקוגן.

הגליקוגן פוספורילאז אחראי על המחשוף (זרחן) של קשרי 1 → 4 של שרשראות הגליקוגן, ומשחרר גלוקוז 1-פוספט. הפעולה האנזימטית מתחילה בקצות השרשראות החיצוניות ביותר והם מוסרים בהדרגה עד שנותרו 4 שאריות גלוקוזה מכל צד של הענפים.

ואז אנזים אחר, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) גלוקן טרנספרז, חושף את נקודת הענף על ידי העברת יחידת טריזכריד מענף אחד למשנהו. זה מאפשר לאמיל- (1 → 6) -גלוקוזידאז (אנזים תילוש) להידרזל את הקשר 1 → 6, ולהסיר את הענף שיעבור את הפעולה של פוספורילאז. הפעולה המשולבת של אנזימים אלה בסופו של דבר מוחקת את הגליקוגן.

מכיוון שתגובת הפוספומוטאז הראשונית היא הפיכה, ניתן ליצור 6-פוספט גלוקוז מתוך שאריות הגלוקוזה 1-פוספט המחוקקות של הגליקוגן. בכבד ובכליות, אך לא בשרירים, יש אנזים, גלוקוז-6-פוספטאז, המסוגל לפילוס את הגלוקוז 6-פוספט ולהמיר אותו לגלוקוז חופשי.

גלוקוז מד-פוספורילציה יכול להתפזר בדם, וככה בא לידי ביטוי גליקוגנוליזה בכבד בעלייה בערכי הגלוקוז בדם (גליקמיה).

ויסות הסינתזה והשפל

של סינתזה

תהליך זה מופעל על שני אנזימים מהותיים: סינתזת גליקוגן וגלוקוגן פוספורילאז, באופן שכאשר אחד מהם פעיל השני נמצא במצב לא פעיל. תקנה זו מונעת מתגובות הפוכות של סינתזה והשפלות להתרחש במקביל.

הצורה הפעילה והצורה הלא פעילה של שני האנזימים שונים מאוד, וההמרה בין הצורות הפעילות והלא פעילות של זרחן וסינתזה של גליקוגן נשלטת באופן הורמונלי לחלוטין.

אפינפרין הוא הורמון שמשתחרר מהמדולה של יותרת הכליה, והגלוקגון הוא אחר המיוצר בחלק האנדוקריני של הלבלב. הלבלב האנדוקריני מייצר אינסולין וגלוקגון. תאי α באיים של לנגרנס הם אלו המסנתזים את הגלוקגון.

אדרנלין וגלוקגון הם שני הורמונים שמשתחררים כשנדרש אנרגיה בתגובה לירידה ברמות הגלוקוז בדם. הורמונים אלה ממריצים את הפעלת הגליקוגן פוספורילאז ומעכבים את סינתזת הגליקוגן ובכך מגרים גליקוגנוליזה ומעכבים גליקוגנזה.

בעוד האדרנלין מפעיל את פעולתו על השריר ועל הכבד, הגלוקגון פועל רק על הכבד. הורמונים אלו נקשרים לקולטני קרום ספציפיים בתא המטרה, המפעילה ציקלאז אדנילט.

הפעלת ציקלאז אדנילט יוזמת מפל אנזימטי שמצד אחד מפעיל קינאז חלבון תלוי cAMP המפעיל את סינתז הגליקוגן ומפעיל זרחן גליקוגן באמצעות זרחן (באופן ישיר ועקיף, בהתאמה).

לשריר השלד יש מנגנון נוסף להפעלה של גליקוגן פוספורילאז דרך סידן, שמשתחרר כתוצאה מהדלחת קרום השריר בתחילת ההתכווצות.

של השפלה

מפל האנזימטי המתואר לעיל בסופו של דבר מגביר את רמות הגלוקוז וכאשר אלה מגיעים לרמה מסוימת, מופעלת גליקוגנזה ומעכבים גליקוגנוליזה, ומעכבת גם את השחרור לאחר מכן של אפינפרין וגלוקגון.

הגליקוגנזה מופעלת באמצעות הפעלת פוספטילאז פוספטאז, אנזים המווסת את סינתזת הגליקוגן על ידי מנגנונים שונים, הכוללת הפעלה של פוספורילאז קינאז ופוספורילאז α המהווה מעכב לסינתזה של גליקוגן.

האינסולין מקדם את כניסת הגלוקוז לתאי השריר, ומעלה את רמות הגלוקוז 6-פוספט, מה שממריץ את דה-פוספורילציה והפעלת סינתזה גליקוגן. כך הסינתזה מתחילה וההשפלה של הגליקוגן מעוכבת.

מאפיינים

גליקוגן שרירים מהווה שמורת אנרגיה לשריר שכמו שומני מילואים מאפשר לשריר למלא את תפקידיו. בהיותו מקור לגלוקוז, משתמשים בגליקוגן בשרירים במהלך האימון. עתודות אלה גדלות עם אימונים גופניים.

בכבד, גליקוגן הוא גם מקור שמורה חשוב הן לתפקודי האיברים והן לאספקת גלוקוז לשאר הגוף.

פונקציה זו של גליקוגן בכבד נובעת מהעובדה שהכבד מכיל גלוקוז 6-פוספטאז, אנזים שמסוגל להוציא את קבוצת הפוספט מגלוקוז 6-פוספט ולהמיר אותו לגלוקוז חופשי. גלוקוז חופשי, בניגוד לגלוקוז זרחן, יכול להתפשט דרך הממברנה של הפטוציטים (תאי כבד).

כך הכבד יכול לספק גלוקוז למחזור הדם ולשמור על רמות גלוקוז יציבות, גם בתנאים של צום ממושך.

לתפקוד זה חשיבות רבה, מכיוון שהמוח מסתמך כמעט אך ורק על גלוקוז בדם, כך שהיפוגליקמיה קשה (ריכוזים נמוכים מאוד של גלוקוז בדם) עלולה להוביל לאובדן הכרה.

מחלות קשורות

מחלות הקשורות לגליקוגן נקראות באופן כללי "מחלות אגירת גליקוגן".

מחלות אלה מהוות קבוצה של פתולוגיות תורשתיות המאופיינות על ידי הפקדה ברקמות של כמויות או סוגים לא תקינים של גליקוגן.

מרבית מחלות האחסון הגליקוגן נגרמות כתוצאה מגירעון גנטי של אחד מהאנזימים המעורבים במטבוליזם של גליקוגן.

הם מסווגים לשמונה סוגים שלרובם שמות משלהם וכל אחד מהם נגרם כתוצאה ממחסור באנזים שונה. חלקם קטלניים בשלב מוקדם מאוד של החיים, בעוד שאחרים קשורים לחולשת שרירים ולמחסור במהלך האימון.

דוגמאות מוצגות

כמה מהמחלות הבולטות ביותר הגליקוגן הם הבאים:

- מחלת פון גירקיה או מחלת אגירת גליקוגן מסוג I, נגרמת כתוצאה מגירעון של גלוקוז 6-פוספטאז בכבד ובכליות.

היא מאופיינת בגידול לא תקין של הכבד (הפטגאליה) כתוצאה מהצטברות מוגזמת של גליקוגן והיפוגליקמיה, מכיוון שהכבד אינו מסוגל לספק גלוקוז למחזור הדם. חולים עם מצב זה סובלים מהפרעות בצמיחה.

- מחלת פומפה או סוג II נובעת ממחסור בכ- α- (1 → 4) -גלוקן 6-גליקוזילטרנספרות בכבד, ללב ושרירי השלד. מחלה זו, כמו זו של אנדרסן או סוג IV, היא קטלנית לפני גיל שנתיים.

- מחלת מקארדל או סוג V מציגה מחסור בזרחן עם שרירים ומלווה בחולשת שרירים, ירידה בסובלנות התרגיל, הצטברות לא תקינה של גליקוגן בשרירים וחוסר לקטט במהלך האימון.

הפניות

1. Bhattacharya, K. (2015). חקירה וניהול של מחלות אגירת הגליקוגן בכבד. רופאי ילדים תורניים, 4 (3), 240–248.
2. דגלי, א ', סנטנר, סי, ווינשטיין, ד' (2016). מחלת אגירת גליקוגן סוג III. ביקורות גנים, 1–16.
3. גייטון, א., והול, ג'יי (2006). ספר לימוד לפיזיולוגיה רפואית (מהדורה 11). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). ביוכימיה (מהדורה שלישית). סן פרנסיסקו, קליפורניה: פירסון.
5. מק'ירנן, פ (2017). פתוביולוגיה של מחלות האחסון הגליקוגן בכבד. Curr Pathobiol Rep.
6. מוריי, ר., בנדר, ד., בוטם, ק., קנלי, פ., רודוול, ו., וייל, פ. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (מהדורה 28). מקגרו היל רפואי.
7. נלסון, DL ו- Cox, MM (2009). עקרונות לינגינגר של ביוכימיה. מהדורות אומגה (מהדורה חמישית).
8. ראון, ג'יי.די (1998). בִּיוֹכִימִיָה. ברלינגטון, מסצ'וסטס: הוצאת ניל פטרסון.
9. טרנופולסקי, תואר שני (2018). מיופתיות הקשורות להפרעות מטבוליזם של גליקוגן. נוירותרפיה.