Glükogeen on a-glükoosi makromolekul (molekulmass umbes 400 miljonit daltonit), milles on peamiselt α-1,4 glükosiidsidemeid ja tagajärgi suhtega 1:10, mis on tingitud α-1,6 glükosiidsidemetest.
Glükogeen moodustab varumaterjali ning seda lagundatakse ja taastatakse pidevalt; kogu keharakkude massis on umbes 100 g glükogeeni: suurem osa sellest on maksas, kus see on liikuv ja mida saab seetõttu kasutada teiste organite reservina (glükogeen lihastes ei ole liikuv).
Ensüümid, mis katalüüsivad glükogeeni lagunemist ja sünteesi, on kõik tsütoplasmas, seetõttu on vaja reguleerimissüsteemi, mis muudab ühe tee passiivseks, kui teine on aktiivne: glükoosi olemasolul muundatakse viimane glükogeeniks (anabolism). reserv, vastupidi, kui glükoosi jaoks on vaja c ", siis glükogeen laguneb (katabolism).
Ensüüm, mis on peamiselt seotud glükogeeni lagundamisega, on glükogeeni fosforülaas; see ensüüm on võimeline lõhustama glükosiidset a-1,4 sidet, kasutades lüütilise ainena anorgaanilist ortofosfaati: lõhustamine toimub fosforolüütilisel viisil ja saadakse glükoos-1-fosfaat.
Viie või kuue ühiku kaugusel hargnemiskohast ei ole glükogeenfosforülaasi ensüüm enam võimeline toimima, seetõttu eraldub see glükogeenist ja asendatakse deramifitseeriva ensüümiga. transferaas: selle ensüümi katalüütilises kohas on c "" histidiin, mis võimaldab viia kolm sahhariidiühikut lähimasse glükosiidiahelasse (histidiin ründab glükoosimolekuli esimest süsinikku). Äsja mainitud ensüüm on glükosüültransferaas; selle ensüümi toime lõppedes jääb külgahelasse ainult üks glükoosiühik, mille esimene süsinik on seotud põhiahela glükoosi kuuenda süsinikuga. Kõrvalahela viimane glükoosiühik vabaneb "ensüüm α-1,6 glükosidaas (see ensüüm moodustab deramifitseeriva ensüümi teise osa); arvestades, et glükogeeni oksad on vahekorras 1:10, saame makromolekuli täielikul lagunemisel umbes 90% glükoos-1-fosfaati ja umbes 10% glükoos.
Eespool nimetatud ensüümide toime võimaldab kõrvaldada glükogeeni molekulist kõrvalahela; nende ensüümide aktiivsust saab korrata kuni ahela täieliku lagunemiseni.
Mõelgem hepatotsüütidele; glükoos (omastatakse toiduga), kui see siseneb rakku, muundatakse see glükoos-6-fosfaadiks ja aktiveeritakse. Glükoos-6-fosfaat, toimel fosfoglukomutaas, muundatakse glükoos-1-fosfaadiks: viimane ei ole biosünteesi vahetu eelkäija; biosünteesis kasutatakse suhkrute aktiveeritud vormi, mida esindab difosfaadiga seotud suhkur: tavaliselt uridüüldifosfaat (UDP). Glükoos-1-fosfaat on muundatakse seejärel UDP-glükoosiks, see metaboliit selle toimel glükogeeni süntaas mis suudab siduda UDP-glükoosi kasvava glükogeeni mitteredutseeriva otsaga: saadakse glükosiidühiku pikenenud glükogeen ja UDP.
Glükogeeni lagunemine toimub selle toimel glükogeeni fosforülaas mis vabastab glükoosimolekuli ja muudab selle glükoos-1-fosfaadiks. Seejärel muundab fosfoglukomutaas glükoos-1-fosfaadi glükoos-6-fosfaadiks.
Glükogeeni sünteesitakse ennekõike maksas ja lihastes: organismis on 1–1,2 hektogrammi glükogeeni jaotunud kogu lihasmassi ulatuses.
Müotsüütide glükogeen kujutab endast energiavarusid ainult selle raku jaoks, samas kui maksas sisalduv glükogeen on reserv ka teistele kudedele, st seda saab glükoosina saata teistesse rakkudesse.
Glükoos-6-fosfaat, mis saadakse lihastes glükogeeni lagunemisel, saadetakse seejärel energiavajaduse korral glükolüüsile; maksas muundatakse glükoos-6-fosfaat selle toimel glükoosiks glükoos-6-fosfaatfosfataas (hepatotsüütide iseloomulik ensüüm) ja see kantakse vereringesse.
Glükogeeni süntaas ja glükogeenfosforülaas töötavad mõlemad glükogeeni mitteredutseerivatel ühikutel, seega peab olema hormonaalne signaal, mis käsib ühe raja aktiveerimist ja teise blokeerimist (või vastupidi).
Laboratooriumis oli võimalik glükogeeni ahelat pikendada, kasutades ära glükogeeni fosforülaasi ja kasutades glükoos-1-fosfaati väga kõrge kontsentratsiooniga.
Rakkudes katalüüsib glükogeenfosforülaas ainult lagunemisreaktsiooni, kuna metaboliitide kontsentratsioonid on sellised, mis nihutavad järgmise reaktsiooni tasakaalu paremale (st glükogeeni lagunemise suunas):
Vaatame glükogeeni fosforülaasi toimemehhanismi: atsetaalhapnik (mis toimib sillana glükoosiühikute vahel) seondub fosforüüli vesinikuga: reaktsiooni vaheühend moodustub karbokatsiooniga (glükoosil, mis on kõik " jäsemed), millega fosforüül (Pi) seondub väga kiiresti.
Glükogeenfosforülaas vajab kofaktorit, milleks on püridoksaalfosfaat (see molekul on ka transaminaaside kofaktor): sellel on osaliselt protoneeritud fosforüül (püridoksaalfosfaati ümbritseb hüdrofoobne keskkond, mis õigustab sellega seotud prootonite olemasolu). Fosforüül (Pi) on võimeline kandma prootoni glükogeeni, sest see fosforüül omandab seejärel prootoni püridoksaalfosfaadi osaliselt protoneeritud fosforüülist. Tõenäosus, et füsioloogilise pH juures kaotab fosforüül prootoni ja jääb täielikult deprotoneerituks, on väga väike.
Vaatame nüüd, kuidas fosfoglukomutaas toimib. See ensüüm esitab katalüütilises kohas fosforüülitud seriini jäägi; seriin annab fosforüüli glükoos-1-fosfaadiks (kuues positsioon): glükoos 1,6-bisfosfaat moodustub lühikeseks ajaks, seejärel seriin fosforüülitakse ümber, võttes fosforüüli esimeses asendis. Fosfoglükomutaas võib toimida mõlemas suunas, st muuta glükoos-1-fosfaat glükoos-6-fosfaadiks või vastupidi; kui toodetakse glükoos-6-fosfaati, võib selle saata otse glükolüüsi, lihastesse või muundada maksas glükoosiks.
Ensüüm uridüülfosfoglükotransferaas (või UDP glükoosipürofosforülaas) katalüüsib glükoosi 1-fosfaadi ülekandereaktsiooni UTP-le, seondudes fosforüüliga a.
Äsja kirjeldatud ensüüm on pürofosforülaas: see nimi tuleneb asjaolust, et äsjakirjeldatule vastupidine reaktsioon on pürofosforüülimine.
Kirjeldatud viisil saadud UDP glükoos on võimeline pikendama glükogeeni ahelat monosahhariidühiku võrra.
Reaktsiooni on võimalik arendada UDP glükoosi moodustumise suunas, kõrvaldades produkti, mis on pürofosfaat; ensüüm pürofosfataas muudab pürofosfaadi kaheks ortofosfaadi molekuliks (anhüdriidi hüdrolüüs) ja hoiab seda tehes pürofosfaadi kontsentratsiooni nii madalal, et muuta UDP glükoosi moodustumise protsess termodünaamiliselt soodsamaks.
Nagu mainitud, suudab UDP glükoos tänu glükogeenisüntaasi toimele pikendada glükogeeni ahelat.
Tagajärjed (vahekorras 1:10) on tingitud asjaolust, et kui glükogeeni ahel koosneb 20–25 ühikust, sekkub hargnev ensüüm (mille katalüütilises kohas on „histidiin”), mis on võimeline üle kandma mitmeid 7–8 glükosiidühikut 5-6 ühikust allavoolu: seega tekib uus hargnemine.
Närvilise päritolu tõttu või kui füüsilise koormuse tõttu on energiat vaja, eritub adrenaliin neerupealistest.
Adrenaliini (ja noradrenaliini) sihtrakud on maksa, lihaste ja rasvkoe rakud (viimases toimub triglütseriidide lagunemine ja rasvhapete ringlus: järelikult tekib glükoos mitokondrite 6 -fosfaadis. saadetakse glükolüüsile, samas kui adipotsüütides muundatakse glükoos-6-fosfaat glükoos-6-fosfaatfosfaasi ensüümi toimel glükoosiks ja eksporditakse kudedesse).
Vaatame, nüüd adrenaliini toimimisviisid. Adrenaliin seondub rakumembraanile (müotsüütidele ja hepatotsüütidele) paigutatud retseptoriga ja see määrab signaali translatsiooni väljastpoolt raku sisse. Aktiveeritakse proteiinkinaas, mis toimib samaaegselt glükogeeni sünteesi ja lagunemist reguleerivatele süsteemidele:
Glükogeeni süntaas eksisteerib kahel kujul: defosforüülitud (aktiivne) vorm ja fosforüülitud (mitteaktiivne) vorm; proteiinkinaas fosforüülib glükogeeni süntaasi ja blokeerib selle toimet.
Glükogeeni fosforülaas võib esineda kahel kujul: aktiivne vorm, milles on fosforüülitud seriin, ja mitteaktiivne vorm, milles seriin on defosforüülitud. Ensüüm võib aktiveerida glükogeeni fosforülaasi glükogeeni fosforülaasi kinaas. Glükogeeni fosforülaasi kinaas on aktiivne, kui see on fosforüülitud, ja mitteaktiivne, kui see on defosforüülitud; proteiinkinaasil on substraadina glükogeenfosforülaasi kinaas, see tähendab, et see on võimeline viimast fosforüülima (ja seega aktiveerima), mis omakorda aktiveerib glükogeeni fosforülaasi.
Kui adrenaliinisignaal on möödas, peab ka selle mõju rakule lõppema: fosfataasi ensüümid sekkuvad seejärel valguliikidesse.
