Joanna Olczyk
Ewelina Słyk
Sylwia Smaga
GLIKOGEN - SYNTEZA, ROZKŁAD, ZNACZENIE I ZWIĄZANE Z NIM PRZEMIANY W ORGANIZMIE
Glikogen to zapasowy polisacharyd zwierzęcy. Jest rozgałęzionym polimerem glukozydowym o zmiennej masie cząsteczkowej (2-30 milionów) i sferycznym kształcie cząsteczki. Jednostki glukozydowe połączone są wiązaniem α-1,4 w obrębie łańcucha, zaś w miejscach rozgałęzień występują wiązania α-1,6, które stanowią nieco mniej niż 10% wszystkich wiązań glukozydowych w cząsteczce glikogenu. Struktura glikogenu jest zmienna i wykazuje duże zróżnicowanie, od form regularnie rozgałęzionych do form nieregularnych. Największą gęstość cząsteczka glikogenu wykazuje na powierzchni, gdyż zewnętrzne odgałęzienia zawierają ok. 7-10 jednostek glukozowych, natomiast wewnętrzne odcinki pomiędzy łańcuchami mają po 4 jednostki glukozowe.
SYNTEZA GLIKOGENU
Synteza glikogenu w rozumieniu przedłużania łańcuchów - dobudowywania cząsteczek glukozy do cząsteczki istniejącego glikogenu - odbywa się w reakcji katalizowanej przez syntazę glikogenową. Przemiana rozpoczyna się od glukozo-6-fosforanu (G6P). Tu następuje szereg reakcji takich jak izomeryzacja, przemiana w reakcji katalizowanej przez swoistą urydylotransferazę, które kończy powstanie UDPG (urydynodifosfoglukoza). Jest to bezpośredni prekursor w syntezie glikogenu. Tylko glukoza związana w ten sposób jest substratem dla syntazy glikogenowej. Działanie syntazy wydłuża jedynie łańcuchy zewnętrzne. Rozgałęzienia tworzone są pod wpływem odrębnego enzymu (amylo(1,4-1,6)-transglukozylazy). Owy enzym działa w ten sposób, że gdy zewnętrzny łańcuch osiągnie 7-21 jednostek glukozowych - odcina on i przenosi kilkuglukozydowy fragment na łańcuch macierzysty bądź na sąsiedni, wytwarzając boczne odgałęzienie przez wiązanie 1,6-glukozydowe. Reakcja jest nieodwracalna. Oba łańcuchy (skrócony i nowo utworzony) mogą się dalej wydłużać pod działaniem syntazy.
Glikogen syntetyzowany jest wielu tkankach, jednak znaczące ilości tego wielocukru gromadzone są jedynie w wątrobie i mięśniach. Zawartość glikogenu wątrobowego w organizmie człowieka jest zmienna i waha się między 60 - 150g. Najniższe jego wartości obserwuje się na czczo lub po okresie przegłodzenia. Natomiast po posiłku, w skład którego wchodzą węglowodany, zasoby glikogenu w wątrobie ulegają zwiększeniu. Na syntezę glikogenu wątrobowego zużywane jest około 10% glukozy zawartej w pożywieniu. Przy niedostatecznym spożyciu pokarmu, glikogen wątrobowy stanowi podstawowe źródło zapasów glukozy dla systemu nerwowego oraz krwinek czerwonych, które nie potrafią korzystać z innych źródeł energii. W normalnych warunkach mózg dorosłego człowieka zużywa ok. 140g glukozy na dobę, a czerwone krwinki ok. 40g/ dobę. Zawartość glikogenu w mięśniach waha w granicach 1-1,5 % masy wilgotnej tkanki, co w przypadku ciała przeciętnego człowieka wynosi ok. 200 - 300 g.
SYNTEZA GLIKOGENU A SPORT
Zasoby tego składnika w mięśniach, podobnie jak w wątrobie są zmienne. W organizmie sportowca, przy odpowiednim treningu i żywieniu jego zapasy mogą wzrosnąć do 3% masy mięśni i osiągnąć wartość powyżej 500g. Ponieważ glikogen mięśniowy jest tylko i wyłącznie źródłem energii dla komórek mięśniowych, wielkość jego zasobów ma szczególne znaczenie podczas wykonywania długich lub intensywnych wysiłków fizycznych. W czasie trwania treningu, zapasy zgromadzonych węglowodanów w mięśniach ulegają zmniejszeniu, co w rezultacie prowadzi do spadku efektywności pracy. Przed przystąpieniem do kolejnego treningu zawodnik powinien uzupełnić powstałe braki glikogenu mięśniowego, którego pełna resynteza następuje niekiedy dopiero po upływie 48 godzin.
Po zakończeniu ciężkiego treningu, glukoza bardzo szybko wnika do komórek mięśniowych. W normalnych warunkach ze 100g spożytej glukozy, jedynie 20% wędruje do komórek mięśniowych, natomiast po wytężonej pracy fizycznej mięśnie przechwytują aż 60% tego składnika. Co ciekawe, transport glukozy do komórek mięśniowych w okresie powysiłkowym przebiega przy minimalnej ilości insuliny - może mieć to szczególne znaczenie w przypadku niektórych zawodników, którzy muszą pozostawać na diecie wysokowęglowodanowej i jednocześnie kontrolować masę tłuszczową ciała. Wiadomo przecież, iż insulina, której wydzielanie wzmagane jest po spożyciu produktów węglowodanowych, uruchamia reakcje sprzyjające przyrostowi tkanki tłuszczowej.
Z uwagi na to, że proces glikogenezy przebiega najintensywniej w pierwszych godzinach po zakończeniu wysiłku, należy zadbać, aby w posiłkach potreningowych znalazła się wystarczająca ilość odpowiednich jakościowo węglowodanów.
ROZKŁAD GLOKOGENU
Rozkład glikogenu czy to w mięśniach, czy w wątrobie, zwany jest glikogenolizą. Odbywa się on podczas dwóch, a właściwe trzech mechanizmów. Są to:
a) fosforoliza wiązań α-1,4,
b) hydroliza wiązań α-1,6,
c) lizosomalna hydroliza wiązań α-1,4.
Ponieważ podczas rozkładu glikogenu są używane inne enzymy niż podczas jego syntezy, nie można go nazwać jej odwróceniem. Ponadto w każdym z wyżej wymienionych mechanizmów istotną rolę odgrywa inny enzym, i tak:
a) fosforoliza wiązań α-1,4 katalizowana jest przez fosforylazę glikogenową
b) hydroliza wiązań α-1,4 katalizowana jest przez dekstryno-1,6-glikozydazę
c) lizosomalna hydroliza wiązań α-1,4 katalizowana jest przez α-1,4-glukozydazę (kwaśną maltazę).
Fosforolityczny rozkład wiązań α-1,4, podczas którego wykorzystuje się nieorganiczny fosforan (Pi), polega na odłączaniu następujących po sobie reszt glukozy w zewnętrznych łańcuchach, w postaci glukozo-1-fosforanu (G1P) od strony końca nieredukującego. W wyniku tego procesu następuje skracanie łańcucha glikogenu i zbliżenie końca nieredukującego do czterech reszt glukozowych od miejsca rozgałęzienia łańcucha. Cząsteczka glikogenu pozbawiona łańcuchów zewnętrznych określana jest mianem dekstryny granicznej. Dalsza fosforoliza możliwa jest po przebudowie dekstryny granicznej przez enzym odgałęziający i hydrolizę wiązań α-1,6.
Wyżej wymieniony enzym powoduje rozkład rozgałęzień łańcucha. Dzięki swojej podwójnej aktywności katalitycznej odłącza od skróconej gałązki glikogenu jednostkę trisacharydową i przenosi ją na koniec nieredukujący innego łańcucha. W ten sposób jedno wiązanie α-1,4 jest rozkładane, a drugie wytwarzane. Ostatnia reszta glukozy związana w miejscu rozgałęzienia jest uwalniana hydrolitycznie - następuje odłączenie wolnej glukozy. Dzięki temu znika przeszkoda ograniczająca fosforolizę.
Efektem działania obu mechanizmów jest rozpad glikogenu do glukozo-1-fosforanu i niewielkiej ilości wolnej glukozy (ok. 5%). Glukozo-1-fosforan pod wpływem enzymu poprzez produkt pośredni (glukozo-1,6-bis-fosforan) ulega konwersji do glukozo-6-fosforanu. Ten po odłączeniu fosforanu jest przekształcany do wolnej glukozy.
Jak wyżej wspomniano, drobna ilość glikogenu jest także, w wyniku hydrolizy wiązań α-1,4, rozkładana w lizosomach. Proces ten, pomimo niewielkiej wydajności, stanowi istotny czynnik wspomagający, o czym świadczyć może choroba Pompego wywoływana przez niedobór, katalizującej rozkład glikogenu, kwaśnej maltazy.
Glikogen zmagazynowany w wątrobie stanowi rezerwę glukozy przekazywaną do krwioobiegu i wykorzystywaną przez inne tkanki. Przemiana glikogenu w wątrobie jest precyzyjnie regulowana, przede wszystkim, przez czynniki zewnętrzne takie jak poziom glikemii, czy stężenie hormonów we krwi. Zapewnia to dostarczanie glukozy do tkanek, które ją zużywają i których metabolizm bezwzględnie zależy od jej dowozu z krwią (mózg, komórki krwi).
Z kolei w mięśniu glikogen jest wykorzystywany wyłącznie jako substrat energetyczny (głównie w niedotlenieniu). Metabolizm glikogenu w mięśniach w dużej mierze kontrolowany jest przez czynniki wewnętrzne, wewnątrzkomórkowe, związane ze skurczem mięśnia. Mięśnie w żadnych warunkach nie są w stanie uwolnić glukozy do krwioobiegu.
FORMY MOLEKULARNE SYNTAZY I FOSFORYLAZY GLIKOGENOWEJ
Synteza glikogenu jest funkcją aktywności syntazy glikogenowej, a jego rozpad jest regulowany przez aktywność fosforylazy. Aktywność enzymów, które wytwarzają i rozkładają wiązania α-1,6, nie stanowi czynnika ograniczającego przemiany. Zarówno syntaza, jak i fosforylaza występują w dwóch formach molekularnych, pozostających w stanie równowagi dynamicznej. Przejście jednej formy w drugą jest związane z fosforylacją lub defosforylacją, czemu towarzyszy radykalna zmiana aktywności. Tak też formy wysoce aktywne przyjęto określać jako „a”, formy mało aktywne jako „b”. Obie formy różnią się więc między sobą strukturą i aktywnością, a także wrażliwością na działanie efektorów.
Fosforylaza a jest formą ufosforylowaną. Fosforylaza b jest defosforylazą. Wspomniany wyżej stan równowagi dynamicznej między obiema formami fosforylazy jest utrzymywany i regulowany przez aktywność dwóch antagonistycznie działających enzymów. Forma b (ta mniej aktywna) przechodzi w formę a (tę bardziej aktywną) w reakcji katalizowanej przez swoistą kinazę fosforylazy b. Reakcja polega na fosforylacji białka enzymatycznego przy użyciu ATP według równania:
fosforylaza b + 4 ATP fosforylaza a + 4 ADP
Przejście formy a w formę b odbywa się w reakcji katalizowanej przez fosfatazę fosfobiałek i polega na hydrolitycznym odszczepieniu fosforanu według równania:
fosforylaza a + 4 H2O fosforylaza b + 4 H3PO4
W przypadku syntazy glikogenowej sytuacja jest odwrotna - formą nieaktywną, czyli syntazą b jest forma ufosforylowana, natomiast aktywną formą enzymu, czyli syntazą a jest defosfosyntaza. Równowaga między obiema formami jest utrzymywana także dzięki obecności antagonistycznie działających enzymów o charakterze kinazy i fosfatazy. W tym przypadku jednak fosforylacja enzymu prowadzi do wytworzenia formy nieaktywnej
syntaza a + ATP syntaza b + ADP
natomiast enzymem aktywującym jest fosfataza
syntaza b + H2O syntaza a + ADP.