Glykogen -Glycogen
Glykogen ist ein vielverzweigtes Polysaccharid aus Glukose , das in Tieren , Pilzen und Bakterien als Energiespeicher dient . Es ist die Hauptspeicherform von Glukose im menschlichen Körper.
Glykogen fungiert als eine von zwei Formen von Energiereserven, wobei Glykogen für kurzfristige und die andere Form Triglyzeridspeicher im Fettgewebe (dh Körperfett) für langfristige Speicherung ist. Beim Menschen wird Glykogen hauptsächlich in den Zellen der Leber und der Skelettmuskulatur hergestellt und gespeichert . In der Leber kann Glykogen 5–6 % des Frischgewichts des Organs ausmachen: Die Leber eines 1,5 kg schweren Erwachsenen kann etwa 100–120 Gramm Glykogen speichern. In der Skelettmuskulatur kommt Glykogen in geringer Konzentration vor (1–2 % der Muskelmasse): Die Skelettmuskulatur eines 70 kg schweren Erwachsenen speichert etwa 400 Gramm Glykogen. Kleine Mengen Glykogen werden auch in anderen Geweben und Zellen gefunden, einschließlich der Nieren , roten Blutkörperchen , weißen Blutkörperchen und Gliazellen im Gehirn . Die Gebärmutter speichert während der Schwangerschaft auch Glykogen, um den Embryo zu ernähren.
Die Menge an Glykogen, die im Körper gespeichert wird, hängt hauptsächlich vom körperlichen Training, dem Grundumsatz und den Ernährungsgewohnheiten ab (insbesondere oxidative Typ-1-Ballaststoffe). Unterschiedliche Niveaus von Muskelglykogen im Ruhezustand werden erreicht, indem die Anzahl der Glykogenpartikel geändert wird, anstatt die Größe der vorhandenen Partikel zu erhöhen, obwohl die meisten Glykogenpartikel im Ruhezustand kleiner als ihr theoretisches Maximum sind. Ungefähr 4 Gramm Glukose sind zu jeder Zeit im Blut des Menschen vorhanden; Bei nüchternen Personen wird der Blutzucker auf Kosten der Glykogenspeicher in Leber und Skelettmuskel konstant auf diesem Niveau gehalten. Glykogenspeicher im Skelettmuskel dienen als Energiespeicher für den Muskel selbst; Der Abbau von Muskelglykogen behindert jedoch die Aufnahme von Muskelglukose aus dem Blut, wodurch die Menge an Blutglukose erhöht wird, die für die Verwendung in anderen Geweben verfügbar ist. Leberglykogenspeicher dienen als Glukosespeicher zur Verwendung im ganzen Körper, insbesondere im zentralen Nervensystem . Das menschliche Gehirn verbraucht etwa 60 % des Blutzuckers bei nüchternen, sitzenden Personen.
Glykogen ist das Analogon von Stärke , einem Glukosepolymer , das in Pflanzen als Energiespeicher fungiert . Es hat eine ähnliche Struktur wie Amylopektin (ein Bestandteil von Stärke), ist jedoch stärker verzweigt und kompakter als Stärke. Beide sind weiße Pulver in ihrem trockenen Zustand. Glykogen kommt in Form von Granula im Zytosol /Zytoplasma vieler Zelltypen vor und spielt eine wichtige Rolle im Glukosezyklus . Glykogen bildet eine Energiereserve , die schnell mobilisiert werden kann, um einen plötzlichen Bedarf an Glukose zu decken, die jedoch weniger kompakt ist als die Energiereserven von Triglyceriden ( Lipiden ). Als solches findet es sich auch als Speicherreserve in vielen parasitären Protozoen wieder.
Struktur
Glykogen ist ein verzweigtes Biopolymer , das aus linearen Ketten von Glucoseresten mit einer durchschnittlichen Kettenlänge von etwa 8–12 Glucoseeinheiten und 2.000–60.000 Resten pro Glykogenmolekül besteht.
Wie Amylopektin sind Glukoseeinheiten durch glykosidische α(1→4)-Bindungen von einer Glukose zur nächsten linear miteinander verbunden. Verzweigungen sind mit den Ketten verbunden, von denen sie abzweigen, durch glykosidische α(1→6)-Bindungen zwischen der ersten Glukose der neuen Verzweigung und einer Glukose an der Stammkette.
Jedes Glykogen ist im Wesentlichen eine Kugel aus Glucosebäumen mit etwa 12 Schichten, die auf einem Glykogeninprotein zentriert sind, mit drei Arten von Glucoseketten: A, B und C. Es gibt nur eine C-Kette, die an das Glykogenin gebunden ist. Diese C-Kette wird durch die Selbstglucosylierung des Glykogenins gebildet, wodurch eine kurze Primerkette gebildet wird. Aus der C-Kette wachsen B-Ketten heraus, und aus B-Ketten verzweigen sich B- und A-Ketten. Die B-Ketten haben im Durchschnitt 2 Verzweigungspunkte, während die A-Ketten endständig, also unverzweigt sind. Im Durchschnitt hat jede Kette eine Länge von 12, eng begrenzt auf 11 bis 15. Alle A-Ketten erreichen die sphärische Oberfläche des Glykogens.
Glykogen in Muskel-, Leber- und Fettzellen wird in hydratisierter Form gespeichert, bestehend aus drei oder vier Teilen Wasser pro Teil Glykogen, verbunden mit 0,45 Millimol (18 mg ) Kalium pro Gramm Glykogen.
Glukose ist ein osmotisches Molekül und kann in hohen Konzentrationen tiefgreifende Auswirkungen auf den osmotischen Druck haben und möglicherweise zu Zellschäden oder Zelltod führen, wenn es in der Zelle ohne Modifikation gespeichert wird. Glykogen ist ein nicht-osmotisches Molekül, daher kann es als Lösung zur Speicherung von Glukose in der Zelle verwendet werden, ohne den osmotischen Druck zu stören.
Funktionen
Leber
Wenn eine kohlenhydrat- oder eiweißhaltige Mahlzeit gegessen und verdaut wird , steigt der Blutzuckerspiegel und die Bauchspeicheldrüse schüttet Insulin aus . Blutzucker aus der Pfortader gelangt in Leberzellen ( Hepatozyten ). Insulin wirkt auf die Hepatozyten, um die Wirkung mehrerer Enzyme zu stimulieren , einschließlich der Glykogensynthase . Glukosemoleküle werden den Glykogenketten hinzugefügt, solange sowohl Insulin als auch Glukose reichlich vorhanden sind. In diesem postprandialen oder „gesättigten“ Zustand nimmt die Leber mehr Glukose aus dem Blut auf, als sie freisetzt.
Nachdem eine Mahlzeit verdaut wurde und der Glukosespiegel zu sinken beginnt, wird die Insulinsekretion reduziert und die Glykogensynthese gestoppt. Wenn es für Energie benötigt wird , wird Glykogen abgebaut und wieder in Glukose umgewandelt. Glykogenphosphorylase ist das primäre Enzym des Glykogenabbaus. Für die nächsten 8–12 Stunden ist aus Leberglykogen gewonnene Glukose die Hauptquelle für Blutzucker, die vom Rest des Körpers als Brennstoff verwendet wird.
Glucagon , ein weiteres von der Bauchspeicheldrüse produziertes Hormon, dient in vielerlei Hinsicht als Gegensignal zu Insulin. Als Reaktion auf Insulinspiegel, die unter den Normalwert fallen (wenn der Blutzuckerspiegel unter den normalen Bereich fällt), wird Glucagon in zunehmenden Mengen ausgeschüttet und stimuliert sowohl die Glykogenolyse (den Abbau von Glykogen) als auch die Gluconeogenese (die Produktion von Glucose aus anderen Quellen). .
Muskel
Muskelzellglykogen scheint als unmittelbare Reservequelle verfügbarer Glukose für Muskelzellen zu fungieren. Andere Zellen, die kleine Mengen enthalten, verwenden es ebenfalls lokal. Da den Muskelzellen Glucose-6-Phosphatase fehlt , die benötigt wird, um Glucose ins Blut zu transportieren, steht das gespeicherte Glykogen ausschließlich für den internen Gebrauch zur Verfügung und wird nicht mit anderen Zellen geteilt. Dies steht im Gegensatz zu Leberzellen, die bei Bedarf bereitwillig ihr gespeichertes Glykogen in Glukose abbauen und es als Brennstoff für andere Organe durch den Blutkreislauf schicken.
Scheinbare Optimalität
1999 zeigten Meléndez et al., dass die Struktur von Glykogen unter einem bestimmten metabolischen Beschränkungsmodell optimal ist. Im Detail ist die Glykogenstruktur das optimale Design, das eine Fitnessfunktion maximiert, basierend auf der Maximierung von drei Größen: die Anzahl der Glukoseeinheiten auf der Oberfläche der Kette, die für den enzymatischen Abbau verfügbar sind, die Anzahl der Bindungsstellen, an denen sich die abbauenden Enzyme anlagern können, die Gesamtzahl gespeicherter Glukoseeinheiten; und Minimierung einer Qualität: Gesamtvolumen.
Wenn jede Kette 0 oder 1 Verzweigungspunkt hat, erhalten wir im Wesentlichen eine lange Kette, keine Kugel, und sie würde ein zu großes Volumen mit nur wenigen endständigen Glucoseeinheiten zum Abbau einnehmen. Wenn jede Kette 3 Verzweigungspunkte hat, würde sich das Glykogen zu schnell füllen. Der Balancepunkt ist 2.
Bei dieser Verzweigung Nummer 2 muss die Kettenlänge mindestens 4 betragen. Wie von Meléndez et al. modelliert, erreicht die Fitnessfunktion ihr Maximum bei 13 und nimmt dann langsam ab.
Empirisch beträgt die Verzweigungszahl 2 und die Kettenlänge reicht von 11–15 für die meisten Organismen, die von Wirbeltieren bis zu Bakterien und Pilzen reichen. Die einzige bedeutende Ausnahme ist Auster mit einer Glykogenkettenlänge von 2-30, im Durchschnitt 7.
Geschichte
Glykogen wurde von Claude Bernard entdeckt . Seine Experimente zeigten, dass die Leber eine Substanz enthielt, die durch die Wirkung eines „Ferments“ in der Leber zu einer Verringerung des Zuckers führen konnte. Bis 1857 beschrieb er die Isolierung einer Substanz, die er „ la matière glycogène “ oder „zuckerbildende Substanz“ nannte. Kurz nach der Entdeckung von Glykogen in der Leber fand A. Sanson heraus, dass auch Muskelgewebe Glykogen enthält. Die Summenformel für Glykogen von ( C
6H
10Ö
5) n wurde 1858
von Kekulé gegründet .
Stoffwechsel
Synthese
Die Glykogensynthese ist im Gegensatz zu ihrem Abbau endergonisch – sie erfordert die Zufuhr von Energie. Die Energie für die Glykogensynthese stammt von Uridintriphosphat (UTP), das mit Glucose-1-phosphat reagiert und UDP-Glucose bildet , in einer Reaktion, die von UTP – Glucose-1-phosphat-Uridylyltransferase – katalysiert wird . Glykogen wird aus Monomeren von UDP-Glucose zunächst durch das Protein Glykogenin synthetisiert , das zwei Tyrosinanker für das reduzierende Ende von Glykogen hat, da Glykogenin ein Homodimer ist. Nachdem etwa acht Glucosemoleküle an einen Tyrosinrest angefügt wurden, verlängert das Enzym Glykogensynthase die Glykogenkette schrittweise unter Verwendung von UDP-Glucose, indem es α(1→4)-gebundene Glucose an das nicht reduzierende Ende der Glykogenkette anfügt.
Das Glykogenverzweigungsenzym katalysiert die Übertragung eines terminalen Fragments von sechs oder sieben Glucoseresten von einem nicht reduzierenden Ende zur C-6-Hydroxylgruppe eines Glucoserests tiefer in das Innere des Glykogenmoleküls. Das Verzweigungsenzym kann nur auf eine Verzweigung mit mindestens 11 Resten einwirken, und das Enzym kann auf dieselbe Glucosekette oder benachbarte Glucoseketten übertragen werden.
Abbauen
Glykogen wird von den nicht reduzierenden Enden der Kette durch das Enzym Glykogenphosphorylase abgespalten , um Monomere von Glucose-1-phosphat zu erzeugen:
In vivo verläuft die Phosphorolyse in Richtung des Glykogenabbaus, da das Verhältnis von Phosphat zu Glucose-1-phosphat meist größer als 100 ist. Glucose-1-phosphat wird dann durch Phosphoglucomutase in Glucose-6-phosphat ( G6P ) umgewandelt . Ein spezielles Debranching-Enzym wird benötigt, um die α(1→6)-Verzweigungen in verzweigtem Glykogen zu entfernen und die Kette in ein lineares Polymer umzuformen. Die produzierten G6P-Monomere haben drei mögliche Schicksale:
- G6P kann den Glykolyseweg fortsetzen und als Brennstoff verwendet werden.
- G6P kann über das Enzym Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase in den Pentosephosphatweg gelangen , um NADPH und 5-Kohlenstoff-Zucker zu produzieren .
- In Leber und Niere kann G6P durch das Enzym Glucose-6-Phosphatase wieder zu Glucose dephosphoryliert werden . Dies ist der letzte Schritt im Gluconeogenese -Weg.
Klinische Relevanz
Störungen des Glykogenstoffwechsels
Die häufigste Erkrankung, bei der der Glykogenstoffwechsel anormal wird, ist Diabetes , bei der Leberglykogen aufgrund anormaler Insulinmengen anormal angesammelt oder abgebaut werden kann. Die Wiederherstellung des normalen Glukosestoffwechsels normalisiert normalerweise auch den Glykogenstoffwechsel.
Bei einer durch zu viel Insulin verursachten Hypoglykämie sind die Glykogenspiegel in der Leber hoch, aber die hohen Insulinspiegel verhindern die Glykogenolyse , die zur Aufrechterhaltung eines normalen Blutzuckerspiegels erforderlich ist. Glukagon ist eine übliche Behandlung für diese Art von Hypoglykämie.
Verschiedene angeborene Stoffwechselstörungen werden durch einen Mangel an Enzymen verursacht, die für die Synthese oder den Abbau von Glykogen notwendig sind. Diese werden zusammenfassend als Glykogenspeicherkrankheiten bezeichnet .
Glykogenabbau und Ausdauertraining
Bei Langstreckensportlern wie Marathonläufern , Langläufern und Radfahrern kommt es häufig zu einem Glykogenabbau, bei dem nach langen Belastungsphasen ohne ausreichende Kohlenhydratzufuhr fast alle Glykogenspeicher des Sportlers aufgebraucht sind. Dieses Phänomen wird beim Laufen als „ an die Wand schlagen “ und beim Radfahren als „bonking“ bezeichnet .
Dem Glykogenabbau kann auf drei mögliche Arten vorgebeugt werden:
- Erstens werden während des Trainings kontinuierlich Kohlenhydrate mit einer möglichst hohen Umwandlungsrate in Blutzucker (hoher glykämischer Index ) aufgenommen. Das bestmögliche Ergebnis dieser Strategie ersetzt etwa 35 % der Glukose, die bei Herzfrequenzen über etwa 80 % des Maximums verbraucht wird.
- Zweitens kann der Körper durch Anpassungen des Ausdauertrainings und spezialisierte Programme (z. B. Fasten, Ausdauertraining mit geringer Intensität) Typ-I-Muskelfasern konditionieren , um sowohl die Kraftstoffnutzungseffizienz als auch die Arbeitsbelastungskapazität zu verbessern, um den Prozentsatz der als Kraftstoff verwendeten Fettsäuren zu erhöhen und Kohlenhydrate zu sparen Nutzung aus allen Quellen.
- Drittens kann der Körper durch den Verzehr großer Kohlenhydratmengen nach Erschöpfung der Glykogenspeicher infolge von Bewegung oder Diät die Speicherkapazität der intramuskulären Glykogenspeicher erhöhen. Dieser Vorgang wird als Kohlenhydratladung bezeichnet . Im Allgemeinen spielt der glykämische Index der Kohlenhydratquelle keine Rolle, da die muskuläre Insulinsensitivität als Ergebnis einer vorübergehenden Glykogenverarmung erhöht wird.
Wenn Sportler nach einem erschöpfenden Training sowohl Kohlenhydrate als auch Koffein zu sich nehmen , werden ihre Glykogenspeicher tendenziell schneller wieder aufgefüllt; Die minimale Koffeindosis, bei der eine klinisch signifikante Wirkung auf die Glykogen-Repletion auftritt, wurde jedoch nicht ermittelt.
Siehe auch
Verweise
Externe Links
- "Glykogenspeicherkrankheit" . McArdle-Krankheit .
- Glykogen in der US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)