GLYCOGEEN: STRUCTUUR, SYNTHESE, AFBRAAK, FUNCTIES - BIOLOGIE - 2026

Het glycogeen is de koolhydraatopslag van de meeste zoogdieren. Koolhydraten worden gewoonlijk suikers genoemd en deze worden geclassificeerd volgens het aantal residuen veroorzaakt door hydrolyse (monosacchariden, disacchariden, oligosacchariden en polysacchariden).

Monosacchariden zijn de eenvoudigste koolhydraten die worden ingedeeld op basis van het aantal koolstofatomen in hun structuur. Er zijn dan de triosen (3C), tetrosa's (4C), pentosen (5C), hexosen (6C), heptosa's (7C) en octosa's (8C).

Chemische structuur van glycogeen met glycosidebindingen (Bron: Glykogen.svg: NEUROtiker-afgeleid werk: Marek M via Wikimedia Commons)

Afhankelijk van de aanwezigheid van de aldehydegroep of de ketongroep worden deze monosachariden ook geclassificeerd als respectievelijk aldosen of ketosen.

Disachariden geven door hydrolyse aanleiding tot twee eenvoudige monosachariden, terwijl oligosachariden 2 tot 10 monosachariden produceren en polysachariden meer dan 10 monosachariden.

Glycogeen is, vanuit biochemisch oogpunt, een polysaccharide dat is samengesteld uit vertakte ketens van een zeskoolstofaldose, dat wil zeggen een hexose die bekend staat als glucose. Glycogeen kan grafisch worden weergegeven als een glucoseboom. Dit wordt ook wel dierlijk zetmeel genoemd.

Glucose wordt in planten opgeslagen als zetmeel en bij dieren als glycogeen, dat voornamelijk in de lever en het spierweefsel wordt opgeslagen.

In de lever kan glycogeen 10% van zijn massa en 1% van zijn spiermassa uitmaken. Zoals bij een man van 70 kg de lever ongeveer 1800 g weegt en de spieren ongeveer 35 kg, is de totale hoeveelheid spierglycogeen veel hoger dan de lever.

Structuur

Het molecuulgewicht van glycogeen kan 108 g / mol bereiken, wat overeenkomt met 6 x 105 glucosemoleculen. Glycogeen bestaat uit meerdere vertakte ketens van α-D-glucose. Glucose (C6H12O6) is een aldohexose die kan worden weergegeven in lineaire of cyclische vorm.

Glycogeen heeft een sterk vertakte en compacte structuur met ketens van 12 tot 14 glucoseresiduen in de vorm van α-D-glucose die zijn verbonden met α- (1 → 4) glucosidebindingen. De takken van de keten worden gevormd door α- (1 → 6) glucosidebindingen.

Glycogeen levert, net als zetmeel in de voeding, de meeste koolhydraten die het lichaam nodig heeft. In de darm worden deze polysacchariden door hydrolyse afgebroken en vervolgens voornamelijk als glucose in de bloedbaan opgenomen.

Drie enzymen: ß-amylase, α-amylase en amyl-α- (1 → 6) -glucosidase zijn verantwoordelijk voor de intestinale afbraak van zowel glycogeen als zetmeel.

Α-Amylase hydrolyseert willekeurig de α- (1 → 4) bindingen van de zijketens van zowel glycogeen als zetmeel, en wordt daarom endoglycosidase genoemd. Ss-amylase is een exoglycosidase die ß-maltose-dimeren afgeeft door α- (1 → 4) glycosidebindingen van de uiteinden van de buitenste ketens te verbreken zonder de takken te bereiken.

Aangezien noch ß-amylase noch α-amylase de vertakkingspunten afbreken, is het eindproduct van hun werking een sterk vertakte structuur van ongeveer 35 tot 40 glucoseresiduen, grensdextrine genaamd.

De limiet dextrine wordt uiteindelijk gehydrolyseerd op de vertakkingspunten die α- (1 → 6) bindingen hebben door middel van amyl-α- (1 → 6) -glucosidase, ook wel bekend als een "debranching" enzym. De ketens die vrijkomen door deze onttakking worden vervolgens afgebroken door ß-amylase en α-amylase.

Omdat het ingenomen glycogeen als glucose binnenkomt, moet het glycogeen dat in de weefsels wordt aangetroffen door het lichaam uit glucose worden gesynthetiseerd.

Synthese

Glycogeensynthese wordt glycogenese genoemd en vindt voornamelijk plaats in spieren en lever. De glucose die via de voeding het lichaam binnenkomt, komt in de bloedbaan terecht en van daaruit in de cellen, waar het onmiddellijk wordt gefosforyleerd door de werking van het enzym glucokinase.

Glucokinase fosforyleert glucose op koolstof 6. ATP levert de fosfor en energie voor deze reactie. Hierdoor wordt glucose 6-fosfaat gevormd en komt er een ADP vrij. Vervolgens wordt glucose-6-fosfaat omgezet in glucose-1-fosfaat door de werking van een fosfoglucomutase dat fosfor van positie 6 naar positie 1 verplaatst.

Glucose-1-fosfaat blijft geactiveerd voor de synthese van glycogeen, waarbij een reeks van drie andere enzymen betrokken zijn: UDP-glucose pyrofosforylase, glycogeen synthetase en amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransferase.

Glucose-1-fosfaat vormt samen met uridinetrifosfaat (UTP, een nucleoside van uridinetrifosfaat) en door werking van UDP-glucose-pyrofosforylase het uridinedifosfaat-glucose-complex (UDP Glc). Daarbij wordt een pyrofosfaationen gehydrolyseerd.

Het enzym glycogeensynthetase vormt dan een glycosidebinding tussen C1 van het UDP Glc-complex en C4 van een terminale glucoseresidu van glycogeen, en het UDP wordt vrijgegeven uit het geactiveerde glucosecomplex. Om deze reactie te laten plaatsvinden, moet er een reeds bestaand glycogeenmolecuul zijn dat "primordiaal glycogeen" wordt genoemd.

Primordiaal glycogeen wordt gesynthetiseerd op een primereiwit, glycogenine, dat 37 kDa is en dat door het UDP Glc-complex tot een tyrosineresidu wordt geglycosyleerd. Van daaruit worden α-D-glucose-residuen verbonden met 1 → 4 bindingen en wordt een kleine keten gevormd waarop glycogeensynthetase inwerkt.

Zodra de initiële keten ten minste 11 glucoseresiduen verbindt, draagt ​​het vertakkende enzym of amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransferase een stuk van de keten van 6 of 7 glucoseresiduen over naar de aangrenzende keten op positie 1 → 6, waardoor een vertakkingspunt wordt vastgesteld. Het aldus geconstrueerde glycogeenmolecuul groeit door toevoeging van glucose-eenheden met 1 → 4 glycosidebindingen en meer vertakkingen.

Degradatie

De afbraak van glycogeen wordt glycogenolyse genoemd en is niet gelijk aan de omgekeerde route van de synthese. De snelheid van deze route wordt beperkt door de snelheid van de door glycogeenfosforylase gekatalyseerde reactie.

Glycogeenfosforylase is verantwoordelijk voor de splitsing (fosforolyse) van de 1 → 4 bindingen van de glycogeenketens, waarbij glucose-1-fosfaat vrijkomt. De enzymatische werking begint aan de uiteinden van de buitenste ketens en ze worden achtereenvolgens verwijderd totdat er 4 glucoseresten achterblijven aan elke kant van de takken.

Dan legt een ander enzym, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glucaan transferase, het vertakkingspunt bloot door een trisaccharide-eenheid van de ene tak naar de andere over te brengen. Hierdoor kan amyl- (1 → 6) -glucosidase (devertakkingsenzym) de 1 → 6-binding hydrolyseren en de tak verwijderen die de werking van fosforylase zal ondergaan. De gecombineerde werking van deze enzymen zorgt ervoor dat glycogeen volledig wordt gesplitst.

Aangezien de initiële fosfomutasereactie omkeerbaar is, kan glucose-6-fosfaat worden gevormd uit de gesplitste glucose-1-fosfaatresiduen van glycogeen. In lever en nieren, maar niet in spieren, is er een enzym, glucose-6-fosfatase, dat glucose-6-fosfaat kan defosforyleren en omzetten in vrije glucose.

Gedefosforyleerde glucose kan in het bloed diffunderen, en dit is hoe hepatische glycogenolyse wordt weerspiegeld in een verhoging van de bloedglucosewaarden (glycemie).

Regulatie van synthese en afbraak

Van synthese

Dit proces wordt uitgeoefend op twee fundamentele enzymen: glycogeensynthetase en glycogeenfosforylase, zodanig dat wanneer een van hen actief is, de ander in zijn inactieve toestand is. Deze regeling voorkomt dat tegengestelde reacties van synthese en afbraak gelijktijdig optreden.

De actieve vorm en de inactieve vorm van beide enzymen is heel verschillend, en de onderlinge omzetting van de actieve en inactieve vormen van fosforylase en glycogeensynthetase wordt strikt hormonaal gecontroleerd.

Epinefrine is een hormoon dat vrijkomt uit het bijniermerg en glucagon is een ander hormoon dat wordt geproduceerd in het endocriene deel van de pancreas. De endocriene alvleesklier produceert insuline en glucagon. De α-cellen van de eilandjes van Langerhans zijn degenen die glucagon synthetiseren.

Adrenaline en glucagon zijn twee hormonen die vrijkomen wanneer energie nodig is als reactie op verlaagde bloedglucosespiegels. Deze hormonen stimuleren de activering van glycogeenfosforylase en remmen glycogeensynthetase, waardoor glycogenolyse en glycogenese worden geremd.

Terwijl adrenaline zijn werking uitoefent op de spier en de lever, werkt glucagon alleen in op de lever. Deze hormonen binden zich aan specifieke membraanreceptoren op de doelcel, die adenylaatcyclase activeert.

De activering van adenylaatcyclase brengt een enzymatische cascade op gang die enerzijds een cAMP-afhankelijke proteïnekinase activeert die glycogeensynthetase inactiveert en glycogeenfosforylase activeert door fosforylering (respectievelijk direct en indirect).

Skeletspier heeft een ander mechanisme van activering van glycogeenfosforylase door calcium, dat vrijkomt als gevolg van de depolarisatie van het spiermembraan bij het begin van contractie.

Van degradatie

De hierboven beschreven enzymatische cascades verhogen de glucosespiegels en wanneer deze een bepaald niveau bereiken, wordt de glycogenese geactiveerd en wordt de glycogenolyse geremd, waardoor ook de daaropvolgende afgifte van epinefrine en glucagon wordt geremd.

Glycogenese wordt geactiveerd door de activering van fosforylasefosfatase, een enzym dat de glycogeensynthese reguleert via verschillende mechanismen, waaronder de inactivering van fosforylasekinase en fosforylase α, een remmer van glycogeensynthetase.

Insuline bevordert de opname van glucose in spiercellen, waardoor de glucose-6-fosfaatspiegels toenemen, wat defosforylering en activering van glycogeensynthetase stimuleert. Zo begint de synthese en wordt de afbraak van glycogeen geremd.

Kenmerken

Spierglycogeen vormt een energiereserve voor de spier die, net als reservevetten, de spier in staat stelt zijn functies te vervullen. Omdat het een bron van glucose is, wordt spierglycogeen gebruikt tijdens het sporten. Deze reserves nemen toe met fysieke training.

In de lever is glycogeen ook een belangrijke reservebron, zowel voor orgaanfuncties als voor de levering van glucose aan de rest van het lichaam.

Deze functie van leverglycogeen is te wijten aan het feit dat de lever glucose-6-fosfatase bevat, een enzym dat in staat is om de fosfaatgroep uit glucose-6-fosfaat te verwijderen en om te zetten in vrije glucose. In tegenstelling tot gefosforyleerde glucose kan vrije glucose door het membraan van hepatocyten (levercellen) diffunderen.

Op deze manier kan de lever glucose aan de bloedsomloop leveren en stabiele glucosespiegels handhaven, zelfs bij langdurig vasten.

Deze functie is van groot belang, aangezien de hersenen bijna uitsluitend afhankelijk zijn van bloedglucose, waardoor ernstige hypoglykemie (zeer lage concentraties glucose in het bloed) bewustzijnsverlies kan veroorzaken.

Gerelateerde ziekten

Glycogeengerelateerde ziekten worden in het algemeen "glycogeenstapelingsziekten" genoemd.

Deze ziekten vormen een groep erfelijke pathologieën die worden gekenmerkt door de afzetting in de weefsels van abnormale hoeveelheden of soorten glycogeen.

De meeste glycogeenstapelingsziekten worden veroorzaakt door een genetisch tekort van een van de enzymen die betrokken zijn bij het glycogeenmetabolisme.

Ze worden ingedeeld in acht soorten, waarvan de meeste hun eigen naam hebben en elk wordt veroorzaakt door een ander enzymtekort. Sommige zijn al heel vroeg in hun leven fataal, terwijl andere worden geassocieerd met spierzwakte en tekorten tijdens inspanning.

Uitgelichte voorbeelden

Enkele van de meest prominente glycogeengerelateerde ziekten zijn de volgende:

- De ziekte van Von Gierke of type I glycogeenstapelingsziekte, wordt veroorzaakt door een tekort aan glucose-6-fosfatase in de lever en de nieren.

Het wordt gekenmerkt door de abnormale groei van de lever (hepatomegalie) als gevolg van de overdreven ophoping van glycogeen en hypoglykemie, aangezien de lever niet in staat is glucose aan de bloedsomloop te leveren. Patiënten met deze aandoening hebben groeistoornissen.

- De ziekte van Pompe of Type II wordt veroorzaakt door een tekort aan α- (1 → 4) -glucaan-6-glycosyltransferen in de lever, het hart en de skeletspieren. Deze ziekte is, net als die van Andersen of Type IV, dodelijk voor de leeftijd van twee jaar.

- De ziekte van McArdle of Type V vertoont een tekort aan spierfosforylase en gaat gepaard met spierzwakte, verminderde inspanningstolerantie, abnormale ophoping van spierglycogeen en gebrek aan lactaat tijdens inspanning.

Referenties

1. Bhattacharya, K. (2015). Onderzoek en beheer van de hepatische glycogeenstapelingsziekten. Translationele kindergeneeskunde, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Glycogeenstapelingsziekte type III. Gene Reviews, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Textbook of Medical Physiology (11e ed.). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemie (3e ed.). San Francisco, Californië: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Pathobiologie van de hepatische glycogeenstapelingsziekten. Huidige Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (28e ed.). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL en Cox, MM (2009). Lehninger Principles of Biochemistry. Omega Editions (5e ed.).
8. Rawn, JD (1998). Biochemie. Burlington, Massachusetts: uitgevers Neil Patterson.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Myopathieën gerelateerd aan glycogeenmetabolismestoornissen. Neurotherapeutica.