GLICOGEN: ESTRUCTURA, SÍNTESI, DEGRADACIÓ, FUNCIONS - BIOLOGIA - 2025

El glucogen és el carbohidrat d'emmagatzematge de la major part dels mamífers. Els carbohidrats són comunament anomenats sucres i aquests es classifiquen d'acord a el nombre de residus originats per hidròlisi (monosacàrids, disacàrids, oligosacàrids i polisacàrids).

Els monosacàrids són els carbohidrats més simples que es classifiquen d'acord a el nombre de carbonis continguts en la seva estructura. Hi llavors les trioses (3C), tetroses (4C), pentoses (5C), hexoses (6C), heptosas (7C) i octosas (8C).

Estructura química de l'glucogen mostrant els enllaços glicosídics (Font: Glykogen.svg: NEUROtiker derivative work: Marek M via Wikimedia Commons)

Segons la presència de el grup aldehid o de el grup cetona, aquests monosacàrids es classifiquen també en aldoses o cetoses respectivament.

Els disacàrids donen origen, per hidròlisi, a dos monosacàrids simples, mentre que els oligosacàrids produeixen de 2 a 10 unitats de monosacàrids i els polisacàrids produeixen més de 10 monosacàrids.

El glucogen és, des del punt de vista bioquímic, un polisacàrid compost per cadenes ramificades d'una aldosa de sis carbonis, és a dir, una hexosa coneguda com glucosa. Gràficament pot representar-se a l'glucogen com un arbre de glucosa. Aquest també és anomenat el midó animal.

La glucosa en les plantes s'emmagatzema com midó i en els animals com glucogen, que s'emmagatzema primordialment en el fetge i en el teixit muscular.

En el fetge, el glucogen pot arribar a constituir el 10% de la seva massa i l'1% de la massa muscular. Com en un home de 70Kg el fetge pesa uns 1800 gi els músculs uns 35 kg, la quantitat total de glucogen muscular és molt més gran que l'hepàtica.

estructura

El pes molecular de l'glucogen pot arribar a 108 g / mol, que equivalen a 6 × 105 molècules de glucosa. El glucogen està format per múltiples cadenes ramificades de α-D-glucosa. La glucosa (C6H12O6) és una aldohexosa que pot representar-se en forma lineal o cíclica.

El glucogen posseeix una estructura molt ramificada i compacta amb cadenes de 12 a 14 residus de glucosa en forma de α-D-glucosa que s'enllacen amb enllaços α- (1 → 4) glucosídics. Les ramificacions de la cadena es formen mitjançant enllaços α- (1 → 6) glucosídics.

El glucogen, a l'igual que el midó que s'ingereix en la dieta, aporta la major part dels carbohidrats que el cos necessita. A l'intestí aquests polisacàrids són degradats per hidròlisi i després absorbits cap al torrent circulatori principalment com glucosa.

Tres enzims: la ß-amilasa, la α-amilasa i la amil-α- (1 → 6) -glucosidasa són responsables de la degradació intestinal tant de l'glucogen com de l'midó.

La α-amilasa hidrolitza a l'atzar els enllaços α- (1 → 4) de les cadenes laterals tant de l'glucogen com de l'midó, i per això rep el nom de endoglicosidasa. La ß-amilasa és una exoglicosidasa que va alliberant dímers de ß-maltosa trencant enllaços α- (1 → 4) glicosídics des dels extrems de les cadenes més externes sense arribar a les ramificacions.

En vista que ni la ß-amilasa ni la α-amilasa degraden els punts de ramificació, el producte final de la seva acció és una estructura altament ramificada d'uns 35 a 40 residus de glucosa que s'anomena dextrina límit.

La dextrina límit finalment és hidrolitzada en els punts de ramificació que posseeixen enllaços α- (1 → 6) per mitjà de la amil-α- (1 → 6) -glucosidasa, coneguda també com enzim "desramificadora". Les cadenes alliberades per aquesta desramificación són després degradades per la ß-amilasa i la α-amilasa.

Com el glucogen ingerit ingressa com glucosa, el que es troba en els teixits ha de ser sintetitzat per l'organisme a partir de glucosa.

síntesi

La síntesi de glicogen rep el nom de Glucogénesis i té lloc sobretot en el múscul i el fetge. La glucosa que entra a l'organisme amb la dieta passa a el torrent circulatori i d'allà a l'interior de les cèl·lules, on immediatament és fosforilada per acció d'un enzim anomenat glucoquinasa.

La glucoquinasa fosforila a la glucosa en el carboni 6. L'ATP proporciona el fòsfor i l'energia per a aquesta reacció. Com a resultat, es forma la glucosa 6-fosfat i s'allibera un ADP. Després, la glucosa 6-fosfat es converteix en glucosa 1-fosfat per l'acció d'una fosfoglucomutasa que muda el fòsfor de la posició 6 a la posició 1.

La glucosa 1-fosfat queda activada per a la síntesi de glucogen, que implica la participació d'un conjunt de tres enzims: la UDP-glucosa pirofosforilasa, la glicogen sintetasa i la amilo- (1,4 → 1,6) -glicosiltransferasa.

La glucosa-1-fosfat, juntament amb la uridina trifosfat (UTP, un nucleósido de trifosfat d'uridina) i per acció de la UDP-Glucosa-pirofosforilasa, forma el complex uridina difosfat-glucosa (UDP Glc). En el procés s'hidrolitza un ion pirofosfat.

Després, l'enzim glicogen sintetasa forma un enllaç glucosídic entre el C1 de l'complex UDP Glc i el C4 d'un residu terminal de glucosa de l'glucogen, i s'allibera l'UDP de l'complex activat de glucosa. Perquè aquesta reacció passi hi ha d'haver una molècula preexistent de glucogen anomenada "glucogen primordial".

El glucogen primordial es sintetitza sobre una proteïna cebadora, la glucogenina, que té 37 kDa i que es glicosila en un residu de tirosina mitjançant el complex UDP Glc. A partir d'allí es van enllaçant residus de α-D-Glucosa amb enllaços 1 → 4 i es forma una petita cadena sobre la qual actua la glicogen sintetasa.

Una vegada que la cadena inicial enllaça com a mínim 11 residus de glucosa, l'enzim ramificante o amilo- (1,4 → 1,6) -glicosiltransferasa transfereix un tros de cadena de 6 o 7 residus de glucosa a la cadena adjacent a posició 1 → 6, amb la qual cosa s'estableix un punt de ramificació. La molècula de glicogen així construïda va creixent per addicions d'unitats de glucosa amb enllaços glicosídics 1 → 4 i més ramificacions.

degradació

La degradació de l'glucogen rep el nom de glicogenòlisi, i no és equivalent a la via inversa de la seva síntesi. La velocitat d'aquesta ruta està limitada per la velocitat de la reacció catalitzada per la glicogen fosforilasa.

La glicogen fosforilasa s'encarrega de l'escissió (fosforólisis) dels enllaços 1 → 4 de les cadenes de glucogen, alliberant glucosa 1-fosfat. L'acció enzimàtica s'inicia en els extrems de les cadenes més externes i es remouen seqüencialment fins que queden 4 residus de glucosa a cada costat de les ramificacions.

Després, un altre enzim, la α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glucans transferasa, deixa exposat el punt de ramificació a l'transferir una unitat de trisacárido d'una branca a una altra. Això permet que la amilo- (1 → 6) -glucosidasa (enzim desramificant) hidrolice l'enllaç 1 → 6 quedant remoguda la branca que patirà l'acció de la fosforilasa. L'acció combinada d'aquests enzims acaba escindint completament a l'glucogen.

Com la reacció inicial de la fosfomutasa és reversible, es pot formar glucosa 6-fosfat a partir dels residus de glucosa 1-fosfat escindits de l'glucogen. En el fetge i en el ronyó, però no en el múscul, hi ha un enzim, la glucosa-6-fosfatasa, capaç de desfosforilar a la glucosa 6-fosfat i convertir-la en glucosa lliure.

La glucosa defosforilada pot difondre a la sang, i és així com la glicogenòlisi hepàtica es reflecteix en un augment dels valors de glucosa sanguínia (glicèmia).

Regulació de la síntesi i la degradació

De la síntesi

Aquest procés s'exerceix sobre dos enzims fonamentals: la glucogen sintetasa i la glicogen fosforilasa, de tal manera que quan una d'elles està activa l'altra està en el seu estat inactiu. Aquesta regulació evita que reaccions oposades de síntesi i degradació ocorrin simultàniament.

La forma activa i la forma inactiva de les dues enzims és molt diferent, i la interconversió de les formes actives i inactives de la fosforilasa i de la glicogen sintetasa està sotmesa a un estricte control hormonal.

L'adrenalina és una hormona que s'allibera des de la medul·la suprarenal, i el glucagó és una altra que es produeix a la part endocrina de l'pàncrees. El pàncrees endocrí produeix insulina i glucagó. Les cèl·lules α dels illots de Langerhans són les que sintetitzen el glucagó.

Adrenalina i glucagó són dues hormones que s'alliberen quan es necessita energia en resposta a la disminució dels nivells de glucosa en sang. Aquestes hormones estimulen l'activació de la glucogen fosforilasa i inhibeixen a la glucogen sintetasa, estimulant així la glicogenòlisi i inhibint la Glucogénesis.

Mentre que l'adrenalina exerceix la seva acció sobre el múscul i el fetge, el glucagó només actua sobre el fetge. Aquestes hormones s'uneixen a receptors membranals específics en la cèl·lula blanc, el que activa a l'adenilat ciclasa.

L'activació de l'adenilat ciclasa inicia una cascada enzimàtica que, d'una banda, activa a una proteinquinasa dependent d'AMPc que inactiva a la glicogen sintetasa i activa a la glucogen fosforilasa per fosforilació (directament i indirectament, respectivament).

El múscul esquelètic posseeix un altre mecanisme d'activació de la glicogen fosforilasa a través del calci, que s'allibera com a conseqüència de la despolarització de la membrana muscular a l'inici de la contracció.

De la degradació

Les cascades enzimàtiques anteriorment descrites acaben augmentant els nivells de glucosa i quan aquests arriben cert nivell, s'activa la Glucogénesis i s'inhibeix la glicogenòlisi, inhibint-també la ulterior alliberament d'adrenalina i glucagó.

La Glucogénesis s'activa per mitjà de l'activació de la fosforilasa fosfatasa, un enzim que regula la síntesi de glucogen per diversos mecanismes, que impliquen la inactivació de la fosforilasa quinasa i de la fosforilasa α, que és un inhibidor de la glicogen sintetasa.

La insulina promou l'ingrés de la glucosa a l'interior de les cèl·lules musculars, augmentant els nivells de glucosa 6-fosfat, que estimula la desfosforilació i activació de la glicogen sintetasa. Així s'inicia la síntesi i s'inhibeix la degradació de l'glucogen.

funcions

El glucogen muscular constitueix una reserva energètica per al múscul que, a l'igual que els greixos de reserva, li permeten a l'múscul complir les seves funcions. Sent una font de glucosa, el glucogen muscular s'utilitza durant l'exercici. Aquestes reserves augmenten amb l'entrenament físic.

En el fetge, el glucogen també constitueix una font important de reserva tant per a les funcions de l'òrgan com per l'aportació de glucosa a la resta de el cos.

Aquesta funció de l'glucogen hepàtic es deu a el fet que el fetge conté glucosa 6-fosfatasa, un enzim capaç d'eliminar el grup fosfat de la glucosa 6-fosfat i convertir-la en glucosa lliure. La glucosa lliure, a diferència de la glucosa fosforilada, pot difondre a través de la membrana dels hepatòcits (les cèl·lules de fetge).

És així com el fetge pot aportar glucosa a la circulació i mantenir els nivells de glucosa estables, encara en condicions de dejuni prolongat.

Aquesta funció és de gran importància, ja que el cervell es nodreix gairebé exclusivament de la glucosa sanguínia, de manera que les hipoglucèmies severes (molt baixes concentracions de glucosa en sang) poden produir pèrdua de coneixement.

malalties relacionades

Les malalties relacionades amb el glucogen reben el nom genèric de "malalties per emmagatzematge de glicogen".

Aquestes malalties constitueixen un grup de patologies hereditàries caracteritzades pel dipòsit en els teixits de quantitats o tipus anormals de glucogen.

La major part de les malalties d'emmagatzematge de glicogen es produeixen per un dèficit de naturalesa genètica de qualsevol dels enzims involucrats en el metabolisme de l'glucogen.

Es classifiquen en vuit tipus, la majoria dels quals tenen noms propis i cadascuna d'elles es produeix per un dèficit enzimàtic diferent. Algunes són mortals en etapes molt primerenques de la vida, mentre que altres s'acompanyen de debilitat muscular i dèficit durant l'exercici.

exemples destacats

Algunes de les malalties relacionades amb el glucogen més destacades són les següents:

- La malaltia de Von Gierke o malaltia per emmagatzematge de glicogen de tipus I, es produeix per un dèficit de glucosa 6-fosfatasa en fetge i el ronyó.

Està caracteritzada pel creixement anormal el fetge (hepatomegàlia) a causa de l'acumulació exagerada de glucogen i hipoglucèmia, ja que el fetge es fa incapaç d'aportar glucosa a la circulació. Els pacients amb aquesta condició presenten alteracions de creixement.

- La malaltia de Pompe o de tipus II, es deu a un dèficit de la α- (1 → 4) -glucano 6-glicosiltransferas en el fetge, el cor i els músculs esquelètics. Aquesta malaltia, a l'igual que la d'Andersen o de Tipus IV, és letal abans dels dos anys de vida.

- La malaltia de McArdle o de Tipus V, presenta un dèficit de fosforilasa muscular i s'acompanya de debilitat muscular, disminució de la tolerància a l'exercici, acumulació anormal de glucogen muscular i absència de lactat durant l'exercici.

referències

1. Bhattacharya, K. (2015). Investigation and management of the Hepatic glycogen storage diseases. Translational Pediatrics, 4 (3), 240-248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Glycogen Storage Disease Type III. Gene Reviews, 1-16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Textbook of Medical Physiology (11th ed.). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Bioquímica (3th ed.). San Francisco, Califòrnia: Pearson.
5. McKiernan, P. (2017). Pathobiology of the Hepatic Glycogen Storage Diseases. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper 's Illustrated Bioquímica (28th ed.). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Lehninger Principis de Bioquímica. Edicions Omega (5th ed.).
8. Rawn, JD (1998). Bioquímica. Burlington, Massachusetts: Neil Patterson Publishers.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Myopathies Related to Glycogen Metabolism Disorders. Neurotherapeutics.