Glykogen ist eine leicht mobilisierbare Speicherform von Glukose. Es ist ein sehr großes, verzweigtes Polymer aus Glukoseresten (Abbildung 21.1), das aufgespalten werden kann, um Glukosemoleküle zu erhalten, wenn Energie benötigt wird. Die meisten Glukosereste in Glykogen sind durch α-1,4-glykosidische Bindungen verbunden. Verzweigungen an etwa jedem zehnten Rest werden durch α-1,6-glykosidische Bindungen gebildet. Erinnern Sie sich daran, dass α-glykosidische Bindungen offene helikale Polymere bilden, während β-Bindungen fast gerade Stränge erzeugen, die strukturelle Fibrillen bilden, wie in Cellulose (Abschnitt 11.2.3).
Abbildung 21.1
Glykogenstruktur. In dieser Struktur zweier äußerer Verzweigungen eines Glykogenmoleküls sind die Reste an den nicht reduzierenden Enden rot und die Reste, die eine Verzweigung beginnen, grün dargestellt. Der Rest des Glykogenmoleküls ist durch R dargestellt.
Glykogen ist nicht so reduziert wie Fettsäuren und daher nicht so energiereich. Warum speichern Tiere überhaupt Energie als Glykogen? Warum wird nicht der gesamte überschüssige Brennstoff in Fettsäuren umgewandelt? Glykogen ist aus mehreren Gründen eine wichtige Brennstoffreserve. Der kontrollierte Abbau von Glykogen und die Freisetzung von Glukose erhöhen die Menge an Glukose, die zwischen den Mahlzeiten verfügbar ist. Daher dient Glykogen als Puffer zur Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels. Die Rolle von Glykogen bei der Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels ist besonders wichtig, da Glukose praktisch der einzige Brennstoff ist, den das Gehirn verwendet, außer bei längerem Hungern. Außerdem wird die Glukose aus Glykogen leicht mobilisiert und ist daher eine gute Energiequelle für plötzliche, anstrengende Aktivitäten. Im Gegensatz zu Fettsäuren kann die freigesetzte Glukose auch in Abwesenheit von Sauerstoff Energie liefern und ist somit eine gute Energiequelle für anaerobe Aktivitäten.
Die beiden Hauptorte der Glykogenspeicherung sind die Leber und die Skelettmuskulatur. Die Konzentration von Glykogen ist in der Leber höher als im Muskel (10 % gegenüber 2 % des Gewichts), aber insgesamt wird mehr Glykogen im Skelettmuskel gespeichert, weil dieser eine viel größere Masse hat. Glykogen liegt im Zytosol in Form von Granula mit einem Durchmesser von 10 bis 40 nm vor (Abbildung 21.2). In der Leber werden Glykogensynthese und -abbau reguliert, um den Blutzuckerspiegel so aufrechtzuerhalten, wie es für den Bedarf des gesamten Organismus erforderlich ist. Im Gegensatz dazu werden diese Prozesse im Muskel reguliert, um den Energiebedarf des Muskels selbst zu decken.
Abbildung 21.2
Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Leberzelle. Die dichten Partikel im Zytoplasma sind Glykogengranula.
21.0.1. Ein Überblick über den Glykogenstoffwechsel:
Glykogenabbau und -synthese sind relativ einfache biochemische Prozesse. Der Glykogenabbau besteht aus drei Schritten: (1) die Freisetzung von Glukose-1-Phosphat aus Glykogen, (2) der Umbau des Glykogensubstrats, um einen weiteren Abbau zu ermöglichen, und (3) die Umwandlung von Glukose-1-Phosphat in Glukose-6-Phosphat für den weiteren Stoffwechsel. Das aus dem Abbau von Glykogen stammende Glukose-6-Phosphat hat drei Schicksale (Abbildung 21.3): (1) Es ist das Ausgangssubstrat für die Glykolyse, (2) es kann durch den Pentosephosphatweg verarbeitet werden, um NADPH und Ribosederivate zu erhalten, und (3) es kann in freie Glukose umgewandelt werden, die in den Blutkreislauf abgegeben wird. Diese Umwandlung findet hauptsächlich in der Leber und in geringerem Ausmaß im Darm und in den Nieren statt.
Abbildung 21.3
Schicksale von Glucose-6-Phosphat. Aus Glykogen gewonnenes Glukose-6-Phosphat kann (1) als Brennstoff für den anaeroben oder aeroben Stoffwechsel, z. B. im Muskel, verwendet werden; (2) in der Leber in freie Glukose umgewandelt und anschließend ins Blut abgegeben werden; (mehr…)
Die Glykogensynthese erfordert eine aktivierte Form der Glukose, die Uridindiphosphat-Glukose (UDP-Glukose), die durch die Reaktion von UTP und Glukose-1-Phosphat gebildet wird. UDP-Glukose wird an das nicht-reduzierende Ende von Glykogenmolekülen angehängt. Wie beim Glykogenabbau muss das Glykogenmolekül für die weitere Synthese umgebaut werden.
Die Regulation dieser Prozesse ist recht komplex. Mehrere Enzyme, die am Glykogenstoffwechsel beteiligt sind, reagieren allosterisch auf Stoffwechselprodukte, die den Energiebedarf der Zelle signalisieren. Diese allosterischen Reaktionen ermöglichen die Anpassung der Enzymaktivität an die Bedürfnisse der Zelle, in der die Enzyme exprimiert werden. Der Glykogen-Stoffwechsel wird auch durch hormonell stimulierte Kaskaden reguliert, die zur reversiblen Phosphorylierung von Enzymen führen, wodurch sich ihre kinetischen Eigenschaften verändern. Die Regulation durch Hormone ermöglicht es, den Glykogenstoffwechsel an die Bedürfnisse des gesamten Organismus anzupassen. Durch diese beiden Mechanismen ist der Glykogenabbau mit der Glykogensynthese integriert. Wir werden zunächst den Stoffwechsel, dann die Enzymregulation und schließlich die aufwendige Integration der Steuerungsmechanismen untersuchen.
Abbildung
Signalkaskaden führen zur Mobilisierung von Glykogen zur Herstellung von Glukose, einer Energiequelle für Läufer.