Synteza i rozpad glikogenu

Glikogen jest rozgałęzionym polisacharydem zwierzęcym o masie cząsteczkowej wynoszącej w zależności od źródła (tkanki) i metody ekstraho¬wania od 1 do kilkudziesięciu milionów, co jest wynikiem agregacji właści¬wych cząsteczek o masie od ł do 4 min w większe molekuły. Głównymi spich¬rzami glikogenu są wątroba (5—7% mokrej masy) i mięśnie (około 1% mokrej masy). Tak więc u dorosłego człowieka o masie ciała 70 kg wątroba zawiera około 100 g glikogenu, mięśnie około 350 g. Rola tego wielocukru w tych dwóch narządach jest odmienna: w wątrobie glikogen jest źródłem glukozy oddawanej przez ten narząd do krwi, w mięśniach (a także w innych tkankach) odgrywa rolę miejscowego „paliwa”.
Synteza glikogenu rozpoczyna się od przekształcenia glukozo-6-fosforanu do glukozo-l-fosforanu pod wpływem fosfoglukomutazy. W dalszym ciągu pro¬ces ten biegnie przy udziale UTP, pirofosforylazy UDP-glukozowej i syntazy glikogenowej (UDP-glukozo-glikogeno-a-l,4-glukozylotransferazy) na szlpku opisanym przez Leloira i Cardiniego. W tej reakcji niezbędna jest obecność już istniejącej cząsteczki glikogenu lub jego „primera” (utworzonego na szkielecie białkowym). Zwykle po powstaniu łańcucha składającego się z 8—12 cząsteczek glukozy następuje pod wpływem enzymu rozgałęziającego (a- -1,4-glukan: a-l,4-glukan-6-glukozylotransferazy) przesunięcie wiązania glikozy- dowego z pozycji Ci-0-C4 w pozycję CJ-O-CJ, która staje się punktem odejścia łańcucha bocznego.
Glikogenoliza odbywa się przy udziale fosforylazy glikogenu i amylo-1,6- -glukozydazy (enzymu niszczącego rozgałęzienia). W wyniku działania fosforylazy katalizującej hydrolityczne rozszczepienie wiązania glikozydowego Ci-O-Ci następuje odłączenie glukozo-l-fosforanu, który przez fosfoglukomutazę zostaje przekształcony do glukozo-6-fosforanu, natomiast amylo-l,6-gluko- zydaza powoduje oddzielenie się wolnej cząsteczki glukozy (ryc. 22). W następstwie całkowitego rozpadu cząsteczki glikogenu uzyskuje się około 93% cząsteczek glukozo-l-fosforanu i 7% cząsteczek wolnej glukozy; ta ostatnia liczba odpowiada odsetkowi miejsc rozgałęzień w cząsteczce glikogenu.
Zawartość glikogenu w wątrobie i mięśniach zależy od aktywności 2 enzymów: syntazy i fosforylazy glikogenowej. Oba enzymy występują w postaci nieczynnej i aktywnej. Aktywacja syntazy glikogenowej wiąże się z hydrolitycznym odłączeniem cząsteczki fosforanu nieorganicznego (defosforylacją), katalizowanym przez swoistą fosfatazę syntazy. Natomiast przyłączenie cząsteczki fosforanu, czyli fosforylacja, powoduje unieczynnienie syntazy. Odwrotna zależność występuje w przypadku aktywacji i unieczynniania fosforylazy glikogenowej. Aktywacja tego enzymu jest następstwem reakcji fosforylujących: fosforylacji kinazy fosforylazy i fosforylacji fosforylazy nieaktywnej b, która wówczas przechodzi w fosfofosforylazę, czyli aktywną fosforylazę a. W mięśniach ta reakcja polega na połączeniu się 2 dimerów fosforylazy b w aktywny tetramer, zawierający 4 cząsteczki fosforanu pirydoksalu. Z kolei fosfataza fosforylazy, usuwając cząsteczkę niach powodując rozpad tetrameru na 2 dimery, z których każdy ma po 2 cząsteczki fosforanu pirydoksalu), wywołuje inaktywację fosforylazy. W wątrobie aktywna fosforylaza a hamuje fosfatazą syntazy, jest zatem silnym inhibitorem tego enzymu. Te zależności sprawiają, że nie może dojść równocześnie do zwiększenia aktywności obu głównych enzymów kontrolujących syntezą i rozpad glikogenu.
Syntaza i fosforylaza glikogenowa podlegają wpływom metabolitów, hormonów, a prawdopodobnie także wpływom nerwowym. Są one nieco inne w wą¬trobie i mięśniach. W wątrobie glukoza po związaniu się z fosforylazą a, co czyni tę ostatnią podatną na inaktywujące działanie fosfatazy, zwiększa syn¬tezę glikogenu, natomiast sam glikogen przeciwdziała temu procesowi przez hamowanie fosfatazy syntazy. Do hormonów wpływających na syntezę i rozpad glikogenu należą: insulina, glikokortykosteroidy, glukagon i katecholami- ny. Pierwsze dwa hormony powodują gromadzenie się glikogenu w wątrobie, pozostałe działają glikogenolitycznie. Wpływ insuliny tłumaczy się aktywacją fosfatazy fosforylazy (unieczynnieniem tej ostatniej) i wtórną aktywacją syntazy glikogenowej. W ostatnich latach wykazano jednak, że w wyniku interakcji tego hormonu z receptorem błonowym Zostaje uwolniony swoisty mediator peptydowy, który bezpośrednio stymuluje syntazę glikogenową (p. str. 207). Wydaje się, że w tym działaniu insuliny mniejsze znaczenie ma inny „przekaźnik” — cAMP, którego stężenie pod wpływem insuliny zmniejsza się. Wpływ glikokortykosteroidów na syntezę glikogenu jest złożony: z jednej strony hormony tej grupy zwiększając aktywność fosfatazy fosforylazy unieczynniają fosforylazę i powodują wzmożenie aktywności syntazy glikogenowej- z drugiej — głównie w późniejszej fazie działania — nasilają glukoneogenezę zwiększając podaż glukozo-1-fosforanu. Szczególne miejsce w regulacji prze¬mian glikogenu w wątrobie zajmują: glukagon i katecholaminy. W rezultacie ich interakcji ze swoistymi receptorami błonowymi hepatocytów dochodzi do aktywacji cyklazy adenylanowej i wzrostu stężenia cAMP, który aktywując kinazę białkową wyzwala łańcuch reakcji (duża kaskada) doprowadzających do rozpadu glikogenu i zahamowania jego syntezy.
W mięśniach synteza glikogenu jest proporcjonalna do podaży glukozo-6- -fosforanu, którego wewnątrzkomórkowe stężenie zależy od szybkości transpor¬tu glukozy- z przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Podobnie jak w wątrobie, na-gromadzenie się w mięśniach glikogenu hamuje dalszą syntezę tego polisacha¬rydu. Rozpad glikogenu mięśniowego następuje głównie w czasie wysiłku. Obok czynników ogólnoustrojowych, jak katecholaminy, które inicjują dużą kaskadę, istotne znaczenie przypada czynnikom miejscowym, a- mianowicie aktywacji fosforylazy przez kalmodulinę aktywowaną z kolei przez jony wap¬nia uwalniane w czasie skurczu mięśnia (krótka kaskada) i przez AMP, którer go stężenie w mięśniach pracujących w stanie hipoksji się zwiększa.
W regulacji przemian glikogenu zwraca uwagę zróżnicowany i rozbudowa¬ny mechanizm kontrolujący rozpad tego wielocukru, mający istotne znaczenie fizjologiczne. W wątrobie zapobiega on nadmiernemu zmniejszeniu zapasów glikogenu, w mięśniach zapewnia właściwe wykorzystanie tego substratu, zwłaszcza w początkowej fazie intensywnego wysiłku.
fosforanu nieorganicznego (w mięśniach powodując rozpad tetrameru na 2 dimery, z których każdy ma po 2 cząsteczki fosforanu pirydoksalu), wywołuje inaktywację fosforylazy. W wątrobie aktywna fosforylaza a hamuje fosfatazą syntazy, jest zatem silnym inhibitorem tego enzymu. Te zależności sprawiają, że nie może dojść równocześnie do zwiększenia aktywności obu głównych enzymów kontrolujących syntezą i rozpad glikogenu.
Syntaza i fosforylaza glikogenowa podlegają wpływom metabolitów, hormonów, a prawdopodobnie także wpływom nerwowym. Są one nieco inne w wątrobie i mięśniach. W wątrobie glukoza po związaniu się z fosforylazą a, co czyni tę ostatnią podatną na inaktywujące działanie fosfatazy, zwiększa syn¬tezę glikogenu, natomiast sam glikogen przeciwdziała temu procesowi przez hamowanie fosfatazy syntazy. Do hormonów wpływających na syntezę i rozpad glikogenu należą: insulina, glikokortykosteroidy, glukagon i katecholaminy. Pierwsze dwa hormony powodują gromadzenie się glikogenu w wątrobie, pozostałe działają glikogenolitycznie. Wpływ insuliny tłumaczy się aktywacją fosfatazy fosforylazy (unieczynnieniem tej ostatniej) i wtórną aktywacją syntazy glikogenowej. W ostatnich latach wykazano jednak, że w wyniku interakcji tego hormonu z receptorem błonowym Zostaje uwolniony swoisty mediator peptydowy, który bezpośrednio stymuluje syntazę glikogenową (p. str. 207). Wydaje się, że w tym działaniu insuliny mniejsze znaczenie ma inny „przekaźnik” cAMP, którego stężenie pod wpływem insuliny zmniejsza się. Wpływ glikokortykosteroidów na syntezę glikogenu jest złożony: z jednej strony hormony tej grupy zwiększając aktywność fosfatazy fosforylazy nieuczynniającą fosforylazę i powodują wzmożenie aktywności syntazy glikogenowej- z drugiej — głównie w późniejszej fazie działania — nasilają glukoneogenezę zwiększając podaż glukozo-1-fosforanu. Szczególne miejsce w regulacji prze¬mian glikogenu w wątrobie zajmują: glukagon i katecholaminy. W rezultacie ich interakcji ze swoistymi receptorami błonowymi hepatocytów dochodzi do aktywacji cyklazyadenylanowej i wzrostu stężenia cAMP, który aktywując kinazę białkową wyzwala łańcuch reakcji (duża kaskada) doprowadzających do rozpadu glikogenu i zahamowania jego syntezy.
W mięśniach synteza glikogenu jest proporcjonalna do podaży glukozo-6- -fosforanu, którego wewnątrzkomórkowe stężenie zależy od szybkości transportu glukozy- z przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Podobnie jak w wątrobie, na-gromadzenie się w mięśniach glikogenu hamuje dalszą syntezę tego polisacharydu. Rozpad glikogenu mięśniowego następuje głównie w czasie wysiłku. Obok czynników ogólnoustrojowych, jak katecholaminy, które inicjują dużą kaskadę, istotne znaczenie przypada czynnikom miejscowym, a- mianowicie aktywacji fosforylazy przez kalmodulinę aktywowaną z kolei przez jony wapnia uwalniane w czasie skurczu mięśnia (krótka kaskada) i przez AMP, które go stężenie w mięśniach pracujących w stanie hipoksji się zwiększa.