Glykogén je zásobáreň rýchlo dostupnej glukózy pre telo. Ukladá sa v bunkách, tvorený je množstvom molekúl glukózy, ktoré sú navzájom spojené dvoma typmi väzieb. Najrozsiahlejšia syntéza (tvorba) aj odbúravanie glykogénu prebieha v pečeni a svaloch, no v určitej miere tieto deje pozorujeme vo väčšine buniek tela.
Keď má telo dostatok glukózy (v krvi), spustia sa dráhy vedúce k jej zabudovaniu do glykogénu – zásobnej formy. Glykogén je polysacharid, zložený z množstva molekúl glukózy, ktoré sa navzájom spájajú a vetvia.
Naopak, pri poklese glykémie, t.j. znížení hladiny glukózy v krvi (napr. pri hladovaní, alebo fyzickej práci), získavame glukózu z glykogénu. Štiepením vzniká predovšetkým glukóza-1-fosfát, čistá glukóza iba v malej miere.
Svalový glykogén tvorí asi 1-2% hmotnosti svalu. Odbúrava sa pri ťažkej svalovej práci, prípadne strese.
Hmotnosť glykogénu v pečeni sa po jedle vyšplhá až na 5-10% hmotnosti pečene. Odbúrava sa, keď poklesne hladina glukózy v krvi, t.j. glykémia. Aby sa glykémia zvýšila, získaný glukóza-1-fosfát sa potrebuje premeniť na glukózu, keďže on sám do krvi preniknúť nedokáže. Glykogén v pečeni je teda nesmierne dôležitý. Vyčerpá sa však pomerne rýchlo.
Glykogén ako zásoba glukózy v tele
Hlavnou zásobnou formou je glykogén, ktorý sa ukladá v pečeni a svaloch. Organizmus dokáže uskladniť až 400 – 500 gramov. Z toho asi ¾ sú vo svaloch.
Ako je spomenuté v úvode, v pečeni slúži glykogén predovšetkým na udržanie glykémie. Jeho množstvo sa teda výrazne mení, po 12 – 18 hodinách sa vyčerpá.
Na rozdiel od toho glykogén v svaloch je energetickou rezervou pre bunky svaloviny. Chýba tu enzým katalyzujúci premenu glykóza-1-fosfátu na glukózu, takže tá sa nevylučuje do krvi. Glykogén má tak čisto energetickú funkciu, nepodieľa sa na regulácii glykémie.
Zásoby glykogénu v svale sa pri krátkom hladovaní nevyčerpajú, pri dlhšom klesajú len mierne. Spotrebúva sa hlavne pri svalovej práci (fyzickej činnosti). Uvoľnený glukóza-1-fosfát izomerizuje na glukóza-6-fosfát a vstupuje do glykolýzy. Hlavnou úlohou je zisk energie. Okrem toho však vďaka ďalším cyklom (Coriho cyklus a glukózo-alanínový cyklus) vieme glukózu využiť nepriamo aj mimo svalového tkaniva.
Porovnajte
„Pečeňový glykogén“ tvorí 5% hmotnosti pečene. „Svalový glykogén“ iba 1% hmotnosti svalu. V svalovine je ho však oveľa viac. Zatiaľ čo pečeň váži asi 1,8 kg (glykogén v nej teda 90 gramov), svalovina má hmotnosť až 35 kg a uskladnený glykogén 350 gramov.
Glykogén - kedy prebieha syntéza a kedy odbúravanie
Glykogén sa ukladá vo forme cytoplazmatických granúl (sval), alebo ich zhlukov (pečeň). V strede sa nachádza jadro tvorené proteínmi. Odtiaľ do priestoru vybiehajú reťazce glykogénu. Výsledný tvar má tvar guličky.
Enzýmy, ktoré sa podieľajú na tvorbe a odbúraní glykogénu, sú viazané na povrchu týchto granúl. Jeho odbúranie a syntéza nie sú opačné deje! Ide o rozdielne pochody využívajúce iné enzýmy. Takisto platí, že tieto dva deje nikdy neprebiehajú súčasne – ich priebeh závisí na fáze metabolizmu.
Po jedle prebieha syntéza. V potrave sme prijali dostatok (aj nadbytok) glukózy. Vylučuje sa inzulín, ktorý zvyšuje jej vychytávanie bunkami. V nich sa nadbytočná glukóza využije na tvorbu zásob.
Pri hladovaní je naopak glykémia nižšia. To vedie k vylúčeniu glukagónu (pozor, nemýľte si glykogén – zásobnú formu glukózy – a glukagón – hormón), ktorý stimuluje odbúranie zásob, aby doplnil chýbajúcu glukózu v krvi a zabezpečil tak správne fungovanie na nej závislých štruktúr (napr. červené krvinky, mozog).
Svalová práca vedie k uvoľneniu glukózy v svale. Stimulantom je adrenalín, aj zvýšené množstvo vápenatých iónov (signál svalovej kontrakcie). Glykémia nemá vplyv na glykogén v svaloch!
Štruktúra glykogénu a typy väzieb
Už sme si povedali, že glykogén je zložený z množstva molekúl glukózy. Tie sú navzájom viazané dvoma typmi väzieb: α-1,6-glykosidovou a α-1,4-glykosidovou.
Keby bola prítomná iba α-1,4-glykosidová väzba, vznikol by lineárny reťazec za sebou zaradených glukóz. α-1,6-glykosidová väzba vytvára vetvenie reťazca v pozícii 6. Na jednom konci má glykogén redukujúci, na druhom neredukujúci koniec.
Glykogén a jeho syntéza
Môže sa zdať, že pripojenie glukózy na koniec reťazca je jednoduchý dej. Zdanie však môže klamať. Syntéza pozostáva zo štyroch krokov, resp. fáz:
1. aktivácia glukózy na UDP-glukózu
2. prenos aktivovanej glukózy k 4´-konci existujúceho reťazca glykogénu, alebo k primeru
3. tvorba α-1,4-glykosidovej väzby
4. vetvenie
Syntéza sa odohráva v cytoplazme bunky za spotreby energie. Pozrime sa teraz podrobnejšie na všetky kroky, vďaka ktorým glykogén vzniká.
1. krok syntézy - aktivácia glukózy
V prvom rade sa voľná glukóza premieňa na glukóza-6-fosfát. Spotrebujeme pri tom energiu vo forme jednej molekuly ATP a uloží sa do novovzniknutej molekuly (makroérgna väzba).
Glukóza-6-fosfát podlieha izomerizácii. Reakcie katalyzuje fosfoglukomutáza a vzniká glukóza-1-fosfát. Stále však nemáme molekulu s dostatočnou energiou na syntézu glykogénu. Preto dochádza k tvorbe aktivovanej glukózy: glukóza-1-fosfát reaguje s UTP za vzniku UDP-glukózy. Spotrebujeme pri tom ďalšiu molekulu ATP ako zdroj energie.
Vznik UDP-glukózy nie je jednoduchý
Táto reakcia je katalyzovaná enzýmom zo skupiny transferáz, to znamená, že dochádza k prenosu určitej skupiny z jednej molekuly na druhú. V našom prípade sa prenáša UMP získané z UTP. Po pripojení UMP na glukózu-1-fosfát vzniká UDP-glukóza (1 fosfát z UTP a druhý z glukóza-1-fosfátu). Ďalším produktom z pôvodnej molekuly UTP je PPi (difosfát). Ten je pomocou enzýmu hydroláza (difosfatáza) rozštiepený na dva fosfáty.
Keď sa pozrieme na energetickú náročnosť, zistíme, že na „pripravenie“ jednej glukózy sme minuli 2 ATP. V ďalších krokoch sa viac ATP nespotrebuje, takže na zabudovanie každej molekuly glukózy spotrebujeme dve molekuly ATP. Syntéza glykogénu je teda energeticky náročný proces a prebieha iba v prípade, keď telo má dostatok substrátov aj energie.
2. krok syntézy - pripojenie aktivovanej glukózy
Nemôžeme glukózu len tak niekam prilepiť. Potrebujeme na to buď už existujúci koniec glykogénu (neredukujúci), alebo primer.
Čo je primer?
Slovo primer možno poznáte z biológie. Pri replikácii DNA vzniká podľa pôvodného reťazca reťazec nový. Postupne sa pripájajú jednotlivé bázy. Lenže tie sa nedokážu pripojiť len tak „do vzduchu.“ Najprv sa pripája primer (RNA) a jednotlivé bázy sa viažu až naňho. Ak primer chýba, replikácia neprebehne. Ak ide všetko podľa plánu, neskôr sa táto časť vystrihne a je nahradená bázami. V DNA teda nezostáva, plní len funkciu akéhosi štartovača.
Podobný princíp platí pri glykogéne. Glukóza sa nemôže naviazať len tak niekam. Potrebuje sa prichytiť na správnu štruktúru. Jednou z možností je práve primer. Opäť ide o molekulu, ktorá plní funkciu „štartu.“ Nemá žiadnu zvláštnu funkciu, ani z neho nezískame energiu pri štiepení glykogénu. Slúži vyslovene na uchytenie glukózy, aby sa mohol vytvoriť počiatočný reťazec glykogénu.
Ak je glykogén úplne vyčerpaný, glykóza sa viaže na špeciálny proteín – glykogenín. Ten katalyzuje naviazanie glukózy na určitú časť svojej molekuly a následné predĺženie reťazca o sedem molekúl glukózy (z UDP-glukózy). Medzi glykózami sa tvoria α-1,4-glykosidové väzby. Vznikne glykogénový primer. Ten sa postupne predlžuje vďaka enzýmu glykogénsyntáza a buduje sa rozvetvená molekula glykogénu.
Ak glykogén v cytoplazme nie je úplne vyčerpaný, molekuly glukózy sa pripájajú jednoducho na 4-koniec existujúceho glykogénového reťazca (fragmentu).
3. krok syntézy - predlžovanie reťazca
Predlžovanie reťazca, iným názvom elongácia, spočíva v pripájaní glukózových jednotiek k 4-koncom glykogénu a tvorbe α-1,4-glykosidových väzieb. Vznikajú tak stále dlhšie lineárne reťazce.
Tento dej katalyzuje glykogénsyntáza a vyjadruje ho nasledujúca rovnica:
UDP-Glc + (Glc)n → UDP + (Glc)n+1
4. krok syntézy - predlžovanie reťazca
Tento krok má na starosti vetviaci enzým, 4→6 transferáza. Keď je lineárny reťazec dostatočne dlhý, tento enzým odštiepi 5 až 8 glukózových zvyškov (oligosacharid) na jeho konci, prenesie ich a naviaže α-1,6-glykosidovou väzbou – na tento, alebo aj susedný reťazec.
Nové vetvy, ktoré týmto spôsobom vznikajú, pokračujú v lineárnom predlžovaní pripájaním ďalších glukózových jednotiek. Pri dostatočnej dĺžke prebehne opäť vetvenie.
Ako sa glykogén odbúrava?
Ešte pred tým, ako sa pustíme do jednotlivých krokov, je potrebné si uvedomiť dôležitú vec. Aká je úloha glykogénu? Na začiatku sme si už povedali, že okrem zdroja glukózy ide aj o zdroj energie. Preto platí, že odbúravanie nemôže energiu spotrebúvať.
Syntéza a odbúranie glukózy využívajú – až na pár výnimiek – rovnakú dráhu. Pri glykogéne to neplatí. Štiepenia sa zúčastňujú dva enzýmy. Prvý, glykogénfosforyláza, má na starosti fosforolytické štiepenie α-1,4-glykosidových väzieb. Odvetvovací enzým zabezpečuje odstránenie α-1,6-glykosidových väzieb.
Fosforolytické, hydrolytické a thiolytické štiepenie – v čom je rozdiel?
Slovo lýza je prevzaté z gréčtiny a znamená štiepenie. Vo všetkých prípadoch ide teda o rozklad substrátu na jednoduchšie molekuly. Ide o nasledujúci dej: substrát + reagent → produkt + produkt. Vo všeobecnosti platí, že tieto reakcie sú nevratné.
Hydrolytické štiepenie (hydrolýzu) pravdepodobne poznáte. Je najčastejšie a stretneme sa s ním v množstve reakcií, ktoré sú katalyzované enzýmami hydroláz – napr. esterázy (štiepenie esterov), proteinázy a peptidázy, ATPázy (štiepenie anhydridových väzieb v ATP), nukleázy (štiepenie nukleových kyselín) a ďalšie. Všeobecnú rovnicu reakcie vyjadríme nasledovne: A-B + H2O → A-H + B-OH. Substrát sa štiepi účinkom vody a reakcia je nevratná. Vznikajú dva produkty.
Thiolýza je štiepenie väzby medzi dvoma atómami uhlíka sírou (presnejšie SH skupinou, ktorá je zabudovaná v molekule koenzýmu A). Prebieha napríklad pri β-oxidácii mastných kyselín.
Fosforolýza, ako už názov napovedá, je štiepenie fosfátom. V prípade glykogénu dochádza k štiepeniu O-glykosidovej väzby, pri inosíne N-glykosidovej väzby. Enzým fosforyláza patrí medzi transferázy. Anorganický fosfát (energeticky chudobný) využíva ako reagent a rozštiepuje glykosidovú väzbu. Fosfát vytvára esterovú väzbu v molekule jedného z produktov (monosacharid-1-fosfát).
Odbúravanie prebieha v pečeni pri hladovaní a v svaloch pri fyzickej práci. V strese dochádza k štiepeniu ako v pečeni, tak aj v svaloch.
Fosforolytické štiepenie
Od neredukujúcich koncov sa postupne odštepujú glukóza-1-fosfáty vďaka glykogénfosforyláze (katalyzuje fosforolýzu, kofaktorom je pyridoxalfosfát). Zanikajú α-1,4-glykosidové väzby a lineárne reťazce sa skracujú až do dĺžky takzvaných limitných dextrínov. Väčšinou sa jedná o 4 glukózové jednotky pred α-1,6-glykosidovou väzbou (t.j. miestom vetvenia).
Reakcia sa zapisuje nasledovne: (Glc)n + Pi → (Glc)n-1 + Glc-1-P
Fosfát nepochádza z ATP! Ide o obyčajný, anorganický fosfát. Keby sa pri štiepení míňala energia z ATP, stratil by sa význam glykogénu ako energetickej zásoby.
Odvetvovanie
Akonáhle sa dĺžka reťazca skráti tak, že hovoríme o limitnom dextríne, prichádza na rad odvetvovanie. Zabezpečené je odvetvovacím enzýmom. Ten má na starosti dva kroky.
Ako prvá sa využíva transferázová aktivita. 6→4 transferáza presunie všetky glukózy na reťazci viazanom α-1,6-glykosidovou väzbou na koniec (neredukujúci) iného reťazca. Jediná molekula glukózy, ktorá zostane rozvetvená, je práve tá, ktorá vytvára α-1,6-glykosidovú väzbu.
Vtedy sa k slovu dostáva glukosidázová aktivita. Glukóza viazaná α-1,6-glykosidovou väzbou sa hydrolyticky odštepuje. Pozor! Doteraz pri odbúravaní prebiehala fosforolýza a vznikala glukóza-1-fosfát. V tomto poslednom kroku prebieha hydrolýza a vzniká voľná glukóza.
Produkty glykogenolýzy a ich využitie
Z glykogénu vzniká počas odbúravania najmä glykóza-1-fosfát, vedľajším produktom je voľná glukóza.
Glukóza-1-fosfát sa izomerizuje pomocou mutázy na glukóza-6-fosfát. Ten sa v svalovej bunke zapojí do glykolýzy, aby sme získali energiu. Všimnite si, že okrem zisku energie z tejto dráhy sme znížili aj spotrebu ATP. Preskočili sme vlastne prvú reakciu.
Glykogén v pečeni je dôležitý pre udržanie glykémie. To znamená, že po odbúraní glykogénu sa musí glukóza dostať do krvi. Vo forme glukóza-6-fosfátu je toto nemožné, nedokáže prestúpiť cez cytoplazmatickú membránu. Najprv sa musí zbaviť fosfátovej skupiny. Až voľná glukóza dokáže bunku opustiť. Preto je prítomný enzým glukóza-6-fosfatáza. Jeho účinkom vznikajúca glukóza sa transportuje do krvi.
Tento enzým sa nachádza iba v pečeni (a obličkách), nie svaloch! Čo z toho vyplýva? Množstvo glukózy v krvi môže byť regulované len štiepením glykogénu v pečeni. V iných bunkách vzniká glukóza-6-fosfát, ktorý sa metabolizuje iba v rámci danej bunky.
Regulácia metabolizmu glykogénu
Syntéza a odbúravanie glykogénu sú deje, ktoré nemôžu prebiehať súčasne, musia byť regulované. Pozorujeme allosterickú reguláciu, aj vplyv hormónov.
Kým allosterická regulácia zabezpečuje potreby daného tkaniva, hormóny informujú o potrebách celého organizmu.
V pečeni prebieha syntéza po dostatočnom príjme sacharidov v potrave, štiepenie naopak pri hladovaní. V svaloch sa glykogén buduje v kľude, zatiaľ čo pri práci sa odbúrava.
Rýchlosť syntézy určuje glykogénsyntáza, pri glykogenolýze enzým glykogénfosforyláza. Práve tieto dva enzýmy sú regulované a reakcie, ktoré katalyzujú, tak prebiehajú najpomalšie (a určujú teda rýchlosť celej dráhy). Môžu byť v defosforylovanej, alebo fosforylovanej forme – podľa toho sú buď aktívne, alebo nie.
Allosterická regulácia
Allosterické efektory sú látky, ktorých (ne)prítomnosť ovplyvní priebeh reakcií. Informujú o energetických potrebách na úrovni bunky.
Ako už bolo uvedené vyššie, syntézu glykogénu stimuluje glukóza-6-fosfát, zatiaľ čo odbúravanie inhibuje. Toto platí pre bunky pečene aj svalu.
Glykogenolýza v pečeni je okrem toho inhibovaná aj voľnou glukózou a ATP (keď máme dosť energie aj substrátu, nebudeme produkovať ďalšie, ale uchováme ich do zásoby).
Glykogenolýza v svaloch je aktivovaná zvýšenou hladinou AMP, ktorý informuje o nedostatku energie v bunke.
Hormonálny vplyv
Na metabolizmus glykogénu vplývajú predovšetkým tri hormóny – inzulín, glukagón a adrenalín.
Inzulín sa uvoľňuje po jedle a podporuje vychytávanie glukózy z krvi (znižuje glykémiu). Glukóza prestupuje do buniek a vstupuje do dejov produkujúcich energiu. Dostatok glukózy aj energie vedie k jej ukladaniu a vzniká glykogén. Inzulín teda stimuluje syntézu a inhibuje odbúravanie.
Glukagón je antagonista inzulínu, takže má opačné (protikladné) účinky. Vylučuje sa vo vyššej miere pri hladovaní, keď máme málo glukózy, aj energie. Aby sme zabezpečili chod organizmu v tomto stave, je potrebné uvoľniť glukózu zo zásob. Glykogén sa bude štiepiť, zatiaľ čo syntéza je inhibovaná.
Adrenalín je stresový hormón. Organizmus je v stave boj, alebo útek. Obidve možnosti vyžadujú množstvo energie. V svaloch prebieha štiepenie glykogénu, aby sme glukózu mohli využiť ako zdroj energie. V pečeni prebieha štiepenie, aby sme zvýšili glykémiu – svaly vychytávajú glukózu aj z krvi, glykogén je až zásobný zdroj. Syntéza je inhibovaná.
Ochorenia
S glykogénom sa spája viacero vrodených porúch jeho metabolizmu, vo všeobecnosti označovaných ako glykogenózy. Poznáme 17 typov, z čoho iba dve sa spájajú so syntézou glykogénu. Zvyšné vznikajú na základe poruchy/deficitu enzýmov zodpovedných za odbúranie. Iba jeden typ nie je autozomálne recesívny.
Niektoré poruchy môžu ovplyvniť všetky orgány, iné iba špecifické tkanivo. V ďalšom texte sa niektorým z nich budeme v krátkosti venovať.
Von Gierkeho choroba
Ide o najbežnejšie ochorenie z radu glykogenóz (konkrétne sa jedná o typ Ia). Dôvodom je deficit glukóza-6-fosfatázy v pečeni, obličkách a tenkom čreve. Ako sme si povedali vyššie, tento enzým premieňa hlavný produkt štiepenia glykogénu, glukóza-6-fosfát, na glukózu. Tá sa následne uvoľňuje do krvi a zvyšuje glykémiu.
Vznikajúci glukóza-6-fosfát pri tejto chorobe nemôže byť na glukózu premenený. Hromadí sa a vstupuje do iných metabolických dráh – glykolýza, pentózová dráha, alebo aj syntéza glykogénu.
Dochádza tak k akumulácii glykogénu v pečeni a tá sa zväčšuje – nastáva hepatomegália. Vo zvýšenej miere sa produkuje pyruvát (konečný produkt glykolýzy, ktorá je v tomto stave zvýšená) a premieňa sa na laktát. Dôsledkom je laktacidóza. Navyše laktát „súťaží“ s urátom pri vylučovaní obličkami a vzniká hyperurikémia – zvýšená hladina urátov v krvi.
Stimulovaná je aj pentózová dráha, čím sa produkuje viac ribózy a nukleotidov. Puríny sa následne odbúravajú na kyselinu močovú.
Už pri krátkom hladovaní nastáva hypoglykémia. Do krvi sa neuvoľňuje glukóza z buniek. Dôsledkom nízkej hladiny je znížené vylučovanie inzulínu. Tým klesá aktivita enzýmu štiepiaceho lipidy a výsledkom je hyperlipidémia – zvýšená hladina lipidov v krvi.
Liečba je zameraná najmä na udržanie stabilnej hladiny glukózy v krvi. Počas dňa sa pacientom podávajú malé porcie jedla s vyšším zastúpením sacharidov a počas noci sa jedlo podáva neustále prostredníctvom sondy.
Pompeho choroba
Glykogenóza typu II, pomerne vzácne ochorenie. Vzniká, ak nie je prítomný enzým α-1,4-glukosidáza. Ten sa nachádza v lyzozómoch, kde sa neustále odbúrava malý podiel glykogénu.
Pri deficite sa v lyzozómoch všetkých tkanív glykogén hromadí. Najviac sú zasiahnuté svaly, vrátane srdca a dýchacích svalov. Strácajú svoju funkciu a poškodzujú sa, čo vedie k svalovej slabosti, srdečnej nedostatočnosti a podobne.
Zdroj:
prezentácia Glukoneogeneze, syntéza a odbourání glykogenu Ústavu biochémie Lekárskej fakulty Masarykovej univerzity (2017)
