Glycogeen is een gemakkelijk te mobiliseren opslagvorm van glucose. Het is een zeer groot, vertakt polymeer van glucoseresiduen (figuur 21.1) dat kan worden afgebroken om glucosemoleculen te produceren wanneer energie nodig is. De meeste glucoseresiduen in glycogeen zijn verbonden door α-1,4-glycosidebindingen. Vertakkingen op ongeveer elk tiende residu worden gecreëerd door α-1,6-glycosidebindingen. Onthoud dat α-glycosidebindingen open spiraalvormige polymeren vormen, terwijl β-bindingen bijna rechte strengen produceren die structurele fibrillen vormen, zoals in cellulose (Paragraaf 11.2.3).
Figuur 21.1
Glycogeen Structuur. In deze structuur van twee buitenste takken van een glycogeen molecuul, zijn de residuen aan de niet-reducerende uiteinden in rood weergegeven en residu dat een tak begint is in groen weergegeven. De rest van het glycogeen molecuul wordt weergegeven door R.
Glycogeen is niet zo gereduceerd als vetzuren dat zijn en dus niet zo energierijk. Waarom slaan dieren energie op als glycogeen? Waarom niet alle overtollige brandstof omzetten in vetzuren? Glycogeen is om verschillende redenen een belangrijke brandstofreserve. De gecontroleerde afbraak van glycogeen en het vrijkomen van glucose verhoogt de hoeveelheid glucose die beschikbaar is tussen maaltijden. Glycogeen dient dus als buffer om het bloedglucosegehalte op peil te houden. De rol van glycogeen bij het handhaven van de bloedglucosespiegel is vooral belangrijk omdat glucose vrijwel de enige brandstof is die door de hersenen wordt gebruikt, behalve tijdens langdurige verhongering. Bovendien wordt de glucose uit glycogeen gemakkelijk gemobiliseerd en is daarom een goede bron van energie voor plotselinge, inspannende activiteit. In tegenstelling tot vetzuren kan de vrijgekomen glucose energie leveren in afwezigheid van zuurstof en dus energie leveren voor anaërobe activiteit.
De twee belangrijkste opslagplaatsen van glycogeen zijn de lever en de skeletspieren. De concentratie glycogeen is hoger in de lever dan in de spieren (10% tegen 2% van het gewicht), maar over het geheel genomen wordt meer glycogeen opgeslagen in de skeletspieren, omdat die veel zwaarder zijn. Glycogeen is aanwezig in het cytosol in de vorm van korrels met een diameter van 10 tot 40 nm (figuur 21.2). In de lever worden de synthese en de afbraak van glycogeen gereguleerd om het bloedglucosegehalte op het peil te houden dat nodig is voor de behoeften van het organisme in zijn geheel. In de spieren daarentegen worden deze processen gereguleerd om aan de energiebehoefte van de spier zelf te voldoen.
Figuur 21.2
Elektronenmicrografie van een levercel. De dichte deeltjes in het cytoplasma zijn glycogeenkorrels.
21.0.1. Een overzicht van het glycogeenmetabolisme:
Glycogeenafbraak en -synthese zijn betrekkelijk eenvoudige biochemische processen. Glycogeen degradatie bestaat uit drie stappen: (1) het vrijkomen van glucose-1-fosfaat uit glycogeen, (2) de remodellering van het glycogeensubstraat om verdere afbraak mogelijk te maken, en (3) de omzetting van glucose-1-fosfaat in glucose-6-fosfaat voor verder metabolisme. Het glucose-6-fosfaat dat ontstaat bij de afbraak van glycogeen heeft drie bestemmingen (figuur 21.3): (1) het is het initiële substraat voor glycolyse, (2) het kan worden verwerkt door de pentosefosfaatroute om NADPH en ribosederivaten te produceren, en (3) het kan worden omgezet in vrije glucose om in de bloedbaan te worden afgegeven. Deze omzetting vindt hoofdzakelijk plaats in de lever en in mindere mate in de darmen en de nieren.
Figuur 21.3
Fasen van glucose-6-fosfaat. Glucose-6-fosfaat afkomstig van glycogeen kan (1) worden gebruikt als brandstof voor anaërobe of aërobe stofwisseling zoals in bijvoorbeeld spieren; (2) worden omgezet in vrije glucose in de lever en vervolgens worden afgegeven aan het bloed; (meer…)
Glycogeensynthese vereist een geactiveerde vorm van glucose, uridinedifosfaatglucose (UDP-glucose), dat wordt gevormd door de reactie van UTP en glucose-1-fosfaat. UDP-glucose wordt toegevoegd aan het niet-reducerende uiteinde van glycogeenmoleculen. Net als bij de afbraak van glycogeen moet het glycogeen molecuul opnieuw worden gemodelleerd voor verdere synthese.
De regulering van deze processen is vrij complex. Verscheidene enzymen die bij het glycogeenmetabolisme betrokken zijn, reageren allosterisch op metabolieten die de energiebehoeften van de cel aangeven. Deze allosterische reacties maken het mogelijk de activiteit van de enzymen aan te passen aan de behoeften van de cel waarin de enzymen tot expressie komen. Het glycogeenmetabolisme wordt ook gereguleerd door hormonaal gestimuleerde cascades die leiden tot de omkeerbare fosforylering van enzymen, waardoor hun kinetische eigenschappen veranderen. Door de regulering door hormonen kan het glycogeenmetabolisme zich aanpassen aan de behoeften van het hele organisme. Door deze beide mechanismen wordt de afbraak van glycogeen geïntegreerd met de synthese van glycogeen. We zullen eerst het metabolisme onderzoeken, gevolgd door de enzymregulatie en vervolgens de uitgebreide integratie van controlemechanismen.
Figuur
Signaalcascades leiden tot de mobilisatie van glycogeen om glucose te produceren, een energiebron voor hardlopers.