Metabolismus glykogenu

Struktura glykogenu

Glykogen je rozvětvený homopolymer molekul glukózy. Většina glukózových zbytků je vázána pomocí α 1→4 vazeb. Každý dvanáctý glukózový zbytek je připojen k dalšímu zbytku pomocí α 1→6 vazby – vzniká místo rozvětvení molekuly glykogenu. Tyto větve jsou prodlouženy dalšími glukózovými zbytky spojenými α 1→4 vazbami. Vytvářejí se tak nerozpustné molekuly glykogenu připomínající svou strukturou větve stromu. Veškeré reakce při metabolismu glykogenu probíhají pouze na neredukujících koncích jeho molekuly – ty mohou být zkracovány či prodlužovány.

Funkce glykogenu

Glykogen slouží u živočichů jako zásobárna sacharidů, ze které se mohou štěpením uvolňovat estery glukózy. Bohatě hydratovaná glykogenová granula se nacházejí v cytoplazmě všech buněk. Lidské tělo může skladovat přibližně 450 g glykogenu. Z tohoto množství se 80–100 g nalézá v játrech – tzv. jaterní glykogen, který se využívá pro udržování stálé hladiny glukózy v krvi (glykémie). Dalších 300 g je ve svalových buňkách – tzv. svalový glykogen. Ten slouží spíš jako interní svalová energetická zásoba při konání svalové práce. Svalové buňky neobsahují glukóza-6-fosfatázu, a proto svaly nemohou uvolňovat čistou glukózu do krevního oběhu. Zbytek (cca 50 g glykogenu) připadá na ostatní buňky lidského těla.

Glykogen jako zásobárna energie

Jak již bylo uvedeno výše, glykogen není hlavní energetickou zásobou organismu (jaterní glykogen se vyčerpá během 12–24 hodin hladovění). Jde totiž o polární, bohatě hydratovanou molekulu a vázaná voda jen „zabírá místo” a nepřináší energetický zisk. Zásoba energie v tukové tkáni je mnohem úspornější – není totiž hydratovaná (TAG mají hydrofobní charakter) a současně jsou mastné kyseliny tvořeny redukovanějším uhlíkatým skeletem −CH₂ – proti sacharidům −CH(OH)−. Jejich oxidací se uvolní větší množství energie. Glykogen nicméně představuje zásobárnu glukózy, což je důležité například pro buňky na glukóze závislé (např. mozek, erytrocyty).

Histochemický průkaz

V histochemii se jeho přítomnost dokazuje tzv. PAS-reakcí (oxidace sousedních dvou hydroxylových skupin kyselinou jodistou a následná reakce takto vzniklých aldehydových skupin se Schiffovým činidlem).

Glykogeneze (syntéza glykogenu)

Schéma glykogeneze

Proces syntézy glykogenu probíhá v cytozolu. Intenzivní je hlavně v játrech a kosterní svalovině. Syntéza glykogenu vychází z molekul glukózy a vyžaduje navíc tzv. primer – tj. molekulu, která obsahuje řetězec několika glukóz spojených glykosidovými vazbami (nejčastěji jím je zbytek glykogenu přítomný v buňce, případně protein glykogenin).

Průběh

1. Fosforylace glukózy na Glc-6-P

• v játrech katalyzuje tuto reakci glukokináza,
• ve svalech hexokináza.

2. Přeměna Glc-6-P na Glc-1-P

• pomocí fosfoglukomutasy

3. Glc-1-P reaguje s UTP

• za katalýzy UDP-glukózapyrofosforylázou,

vzniká UDP-Glc, neboli aktivovaná forma glukózy (UDP se váže na C1).

Tvorba glykosidových vazeb mezi molekulami glukózy je endergonický proces, a proto se vyžadují energeticky bohaté substráty. Přenos glukózových zbytků z UDP-Glc je přímý (ΔG < 0).

4. UDP-Glc se svým C1 připojuje na C4 neredukujícího konce glykogenu

• za katalýzy enzymem glykogensyntázou, a zároveň uvolní UDP.

Vzniká tedy α 1→4 vazba O-glykosidová vazba.

5. Jakmile dosáhne rostoucí řetězec určité délky (> 11 glukózových zbytků), dojde k větvení molekuly.

Z řetězce se pomocí tzv. větvícího enzymu (branching enzyme, amylo-(1,4-1,6)-transglykosyláza) odstraní oligosacharidový štěp složený ze 6–7 glukózových zbytků, který se následně připojí na −OH skupinu umístěnou na C6 molekuly glukózy lokalizované uvnitř řetězce glykogenu – vzniká α 1→6 vazba. Tyto větve mohou být nově prodlužovány pomocí akce glykogensyntázy (viz výše).

Regulace syntézy glykogenu

Syntéza glykogenu probíhá v době, kdy má organismus dostatečný přísun energetických substrátů z potravy, tj. může tvořit energetické zásoby na horší časy. Hlavním regulačním enzymem je glykogensyntáza. Její aktivita se reguluje pomocí fosforylace – pokud je enzym fosforylován, inaktivuje se, defosforylace naopak vede k aktivaci enzymu. Fosforylaci ovlivňuje poměr inzulin / glukagon (např. skrze intracelulární koncentraci cAMP). Zvýšení poměru aktivuje syntézu glykogenu (inzulin je anabolický hormon). Snížení poměru či katecholaminy ji naopak inhibují.

Glykogenolýza (degradace glykogenu)

Schéma glykogenolýzy

Glykogen není nikdy úplně degradován, jeho degradace probíhá v cytosolu buněk. Děje se tak postupně formou tzv. fosforolytického štěpení (fosforolýza, navázání anorganického fosfátu), kdy se pomocí enzymu glykogenfosforylázy (zkráceně fosforyláza) z neredukujících konců uvolňují jednotlivé monomerní jednotky glukózy ve formě Glc-1-P – tzv. Coriho ester. Při štěpení molekuly glykogenu tedy rovnou vzniká fosforylovaná glukóza, a to bez spotřeby ATP:

N zbytků glukózy + HPO₄^2- → Glc-1-P + (N−1) zbytků glukózy

Bohatě rozvětvená molekula glykogenu má mnoho neredukujících konců, a proto se glykogen odbourává rychle. Na tomto místě je užitečné zmínit, že štěpení polysacharidů v trávicím traktu probíhá zcela odlišně. Polysacharidy jsou zde nejdříve štěpeny uvnitř svých řetězců za vzniku kratších poly- a oligosacharidů. Následně se uvolňuje volná (nikoli fosforylovaná) glukóza.

Průběh glykogenolýzy

1. Glykogenfosforyláza dovede štěpit pouze α-1→4 glykosidové vazby.

Začíná štěpit glykogen od neredukujícího konce a vznikají Glc-1-P.

2. Glc-1-P se přeměňuje na Glc-6-P

• činností fosfoglukomutázy.

3. Odbourávání glykogenu

• zastaví se u 4. glukózového zbytku před místem větvení, kde se vyskytuje α 1→6 vazba.

4. Tzv. odvětvovací enzym (glukanotransferáza, transglykosidáza)

oddělí od postranního řetězce štěp tvořený třemi glukózovými zbytky a přenese jej na konec lineárního (hlavního) řetězce. Tam ho napojí pomocí α 1→4 vazby.

5. V místě původního větvení zbývá již jen jeden zbytek vázaný α 1→6 vazbou

• je odštěpen pomocí enzymu amylo-α1→6-glukosidázy.

Výsledně se vytváří nerozvětvený řetězec s možností dalšího štěpení prostřednictvím glykogenfosforylázy.

6. Glc-6-P se přeměňuje na glukózu

• pomocí glukóza-6-fosfatázy (katalyzuje odštěpení fosfátu).

Tento enzym se vyskytuje v jaterních a ledvinných buňkách a v enterocytech, kde se váže na membrány hladkého endoplazmatického retikula.

7. Glc-6-P

• je do ER transportována pomocí enzymu translokázy.

Toto oddělení do ER slouží k tomu, aby vznikající glukóza nebyla ihned zpětně fosforylována na Glc-6-P.

8. Volná glukóza je následně vypuštěna do krve, kde může sloužit jako zdroj energie.

Regulace glykogenolýzy

Klesne-li koncentrace glukózy v krvi, dochází ke snížení poměru inzulin/glukagon v plazmě. Jaterní glykogen je za těchto podmínek odbouráván. Sníží-li se při hladovění nebo za stresových podmínek organismu obsah glykogenu v játrech, je glukóza syntetizována de novo reakcemi glukoneogeneze z necukerných zdrojů. Hlavním regulačním enzymem glykogenolýzy je glykogenfosforyláza, patřící mezi ty enzymy, jejichž aktivitu reguluje kovalentní modifikace molekuly. Přitom platí, že fosforyláza je aktivní fosforylovaná.

• Aktivovaná fosforyláza se označuje jako fosforyláza a .

• Neaktivní fosforylázu (nemá navázanou fosfátovou skupinu) nazýváme fosforyláza b.

Fosforylaci glykogenfosforylázy katalyzuje enzym fosforylázakináza, defosforylaci oproti tomu katalyzují proteinfosfatázy. Glykogenolýzu aktivují kontraregulační hormony – glukagon, katecholaminy a glukokortikoidy (např. kortizol), inzulin ji oproti tomu inhibuje.

Ve svalových buňkách se regulace glykogenolýzy spojuje i se změnou koncentrace Ca²⁺ iontů. Zvýšení jejich intracelulární koncentrace vyústí v aktivaci fosforylázykinázy a glykogenfosforylázy – aktivace glykogenolýzy. Prostředníky jejich účinku jsou jednak vazebná bílkovina kalmodulin, jednak kalmodulin-dependentní proteinkinázy.

Klinická korelace

Vrozené poruchy metabolismu glykogenu se nazývají glykogenózy. Dochází při nich ke hromadění glykogenu v buňkách (hlavně v jaterních a svalových), což může vyústit v pestré spektrum příznaků – např. zvětšení jater, hypoglykémie či zaostávání ve vývoji. Jejich incidence činí přibližně 1 : 10 000. Nejznámějším typem je typ I – tzv. von Gierkeho choroba, kdy je defektní glukóza-6-fosfatáza.

Shrnutí regulací metabolismu glykogenu

Z výše uvedeného jasně vyplývá, že regulace obou procesů, syntézy i degradace glykogenu, je protichůdná. Jednotlivé efekty shrnuje následující tabulka:

Regulační enzym	Aktivace	Inhibice
Glykogenfosforyláza (glykogenolýza)	Glukagon, adrenalin (fosforylace), snížení poměru ATP/AMP Ca2+ (ve svalu)	Zvýšení poměru ATP/AMP Inzulin
Glykogensyntáza (syntéza glykogenu)	Inzulin (indukce)	Glukagon, adrenalin (fosforylace)