GLYCOGEN: CẤU TRÚC, TỔNG HỢP, SUY THOÁI, CHỨC NĂNG - SINH HỌC - 2025

Các glycogen là lưu trữ carbohydrate của hầu hết các động vật có vú. Carbohydrate thường được gọi là đường và chúng được phân loại theo số lượng cặn gây ra bởi quá trình thủy phân (monosaccharid, disaccharid, oligosaccharid và polysaccharid).

Monosaccharide là carbohydrate đơn giản nhất được phân loại theo số lượng carbon có trong cấu trúc của chúng. Sau đó là các trioses (3C), tetrosas (4C), pentoses (5C), hexoses (6C), heptosas (7C) và octosas (8C).

Cấu trúc hóa học của glycogen thể hiện các liên kết glycosidic (Nguồn: Glykogen.svg: Công trình dẫn xuất NEUROtiker: Marek M qua Wikimedia Commons)

Tùy thuộc vào sự có mặt của nhóm aldehyde hoặc nhóm xeton, các monosaccharide này cũng được phân loại tương ứng là aldoses hoặc ketoses.

Disaccharide tạo ra hai monosaccharide đơn giản, trong khi oligosaccharide tạo ra từ 2 đến 10 đơn vị monosaccharide và polysaccharide tạo ra hơn 10 monosaccharide.

Glycogen, theo quan điểm sinh hóa, là một polysaccharide bao gồm các chuỗi phân nhánh của một aldose sáu carbon, tức là một hexose được gọi là glucose. Glycogen có thể được biểu diễn bằng đồ thị như một cây glucose. Đây còn được gọi là tinh bột động vật.

Glucose ở thực vật được lưu trữ dưới dạng tinh bột và ở động vật là glycogen, được dự trữ chủ yếu ở gan và mô cơ.

Trong gan, glycogen có thể chiếm 10% khối lượng và 1% khối lượng cơ. Như ở một người đàn ông 70 kg, gan nặng khoảng 1800 g và cơ bắp khoảng 35 kg, tổng lượng glycogen trong cơ cao hơn nhiều so với gan.

Kết cấu

Trọng lượng phân tử của glycogen có thể đạt tới 108 g / mol, tương đương với 6 × 105 phân tử glucose. Glycogen được tạo thành từ các chuỗi α-D-glucose nhiều nhánh. Glucose (C6H12O6) là một aldohexose có thể được biểu diễn ở dạng mạch thẳng hoặc mạch vòng.

Glycogen có cấu trúc phân nhánh cao và nhỏ gọn với các chuỗi từ 12 đến 14 gốc glucose ở dạng α-D-glucose được liên kết với các liên kết glucosidic α- (1 → 4). Các nhánh của chuỗi được hình thành bởi các liên kết glucosidic α- (1 → 6).

Glycogen, giống như tinh bột trong chế độ ăn uống, cung cấp hầu hết các loại carbohydrate mà cơ thể cần. Trong ruột, các polysaccharid này được phân hủy bằng cách thủy phân và sau đó được hấp thụ vào máu chủ yếu dưới dạng glucose.

Ba enzym: ß-amylase, α-amylase và amyl-α- (1 → 6) -glucosidase chịu trách nhiệm cho sự phân hủy đường ruột của cả glycogen và tinh bột.

Α-Amylase thủy phân ngẫu nhiên các liên kết α- (1 → 4) của chuỗi bên của cả glycogen và tinh bột, do đó được gọi là endoglycosidase. Ss-amylase là một exoglycosidase giải phóng chất dimer ß-maltose bằng cách phá vỡ các liên kết glycosidic α- (1 → 4) từ các đầu của chuỗi ngoài cùng mà không đến các nhánh.

Vì cả ß-amylase và α-amylase đều không làm suy giảm các điểm nhánh, sản phẩm cuối cùng của hoạt động của chúng là một cấu trúc phân nhánh cao với khoảng 35 đến 40 gốc glucose được gọi là border dextrin.

Giới hạn dextrin cuối cùng bị thủy phân tại các điểm nhánh có liên kết α- (1 → 6) nhờ amyl-α- (1 → 6) -glucosidase, còn được gọi là enzym “khử nhánh”. Sau đó, các chuỗi được giải phóng bởi quá trình phân nhánh này sẽ bị phân hủy bởi ß-amylase và α-amylase.

Khi glycogen ăn vào chuyển thành glucose, glycogen được tìm thấy trong các mô phải được cơ thể tổng hợp từ glucose.

Tổng hợp

Quá trình tổng hợp glycogen được gọi là glycogenesis và diễn ra chủ yếu ở cơ và gan. Glucose đi vào cơ thể bằng chế độ ăn uống sẽ đi vào máu và từ đó đi vào các tế bào, nơi nó ngay lập tức được phosphoryl hóa bởi tác động của một enzym gọi là glucokinase.

Glucokinase phosphoryl hóa glucose ở carbon 6. ATP cung cấp phốt pho và năng lượng cho phản ứng này. Kết quả là, glucose 6-phosphate được hình thành và một ADP được giải phóng. Sau đó, glucose 6-phosphate được chuyển thành glucose 1-phosphate nhờ hoạt động của một men phosphoglucomutase di chuyển phosphor từ vị trí 6 sang vị trí 1.

Glucose 1-phosphate vẫn được kích hoạt để tổng hợp glycogen, bao gồm sự tham gia của một bộ ba enzyme khác: UDP-glucose pyrophosphorylase, glycogen synthetase và amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransferase.

Glucose-1-phosphate, cùng với uridine triphosphate (UTP, một nucleoside của uridine triphosphate) và do tác dụng của UDP-Glucose-pyrophosphorylase, tạo thành phức hợp uridine diphosphate-glucose (UDP Glc). Trong quá trình này, một ion pyrophosphat bị thủy phân.

Sau đó, enzym glycogen synthetase tạo thành liên kết glycosidic giữa C1 của phức hợp UDP Glc và C4 của phần dư glucose ở đầu tận cùng của glycogen, và UDP được giải phóng khỏi phức hợp glucose được hoạt hóa. Để phản ứng này xảy ra phải có một phân tử glycogen tồn tại từ trước gọi là "glycogen nguyên thủy".

Glycogen nguyên thủy được tổng hợp trên một protein mồi, glycogenin, 37 kDa và được glycosyl hóa thành phần dư tyrosine bởi phức hợp UDP Glc. Từ đó, các gốc α-D-Glucose được liên kết với 1 → 4 liên kết và một chuỗi nhỏ được hình thành để glycogen synthetase hoạt động.

Khi chuỗi ban đầu liên kết ít nhất 11 gốc glucose, enzyme phân nhánh hoặc amyl- (1,4 → 1,6) -glycosyltransferase sẽ chuyển một đoạn chuỗi gồm 6 hoặc 7 gốc glucose đến chuỗi liền kề ở vị trí 1 → 6, do đó thiết lập một điểm nhánh. Do đó, phân tử glycogen được cấu tạo phát triển bằng cách bổ sung các đơn vị glucose có 1 → 4 liên kết glycosidic và nhiều nhánh hơn.

suy thoái

Sự phân hủy glycogen được gọi là glycogenolysis, và nó không tương đương với con đường tổng hợp ngược lại của nó. Tốc độ của con đường này bị giới hạn bởi tốc độ của phản ứng có xúc tác glycogen phosphorylase.

Glycogen phosphorylase chịu trách nhiệm cho sự phân cắt (phosphorolysis) liên kết 1 → 4 của chuỗi glycogen, giải phóng glucose 1-phosphate. Hoạt động của enzym bắt đầu từ đầu của các chuỗi ngoài cùng và chúng được loại bỏ tuần tự cho đến khi 4 gốc glucose vẫn còn ở mỗi bên của các nhánh.

Sau đó, một enzyme khác, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glucan transferase, bộc lộ điểm nhánh bằng cách chuyển một đơn vị trisaccharide từ nhánh này sang nhánh khác. Điều này cho phép amyl- (1 → 6) -glucosidase (enzyme khử nhánh) thủy phân liên kết 1 → 6, loại bỏ nhánh sẽ chịu tác động của phosphorylase. Hoạt động kết hợp của các enzym này sẽ phân cắt hoàn toàn glycogen.

Vì phản ứng phosphomutase ban đầu là thuận nghịch, nên glucose 6-phosphate có thể được hình thành từ các gốc glucose 1-phosphate bị phân cắt của glycogen. Trong gan và thận, nhưng không có trong cơ, có một enzym, glucose-6-phosphatase, có khả năng dephosphoryl hóa glucose 6-phosphate và chuyển nó thành glucose tự do.

Glucose đã được khử phosphoryl hóa có thể khuếch tán vào máu, và đây là cách sự phân giải đường phân ở gan được phản ánh trong việc tăng giá trị glucose trong máu (đường huyết).

Quy chế tổng hợp và suy thoái

Của tổng hợp

Quá trình này được thực hiện trên hai enzym cơ bản: glycogen synthetase và glycogen phosphorylase, theo cách mà khi một trong số chúng hoạt động thì enzym kia ở trạng thái không hoạt động. Quy định này ngăn chặn các phản ứng ngược lại của quá trình tổng hợp và phân hủy xảy ra đồng thời.

Dạng hoạt động và dạng không hoạt động của hai enzym rất khác nhau, và sự chuyển đổi lẫn nhau của dạng hoạt động và không hoạt động của phosphorylase và glycogen synthetase được kiểm soát chặt chẽ về mặt nội tiết tố.

Adrenaline là một hormone được tiết ra từ tủy thượng thận, và glucagon là một hormone khác được sản xuất trong phần nội tiết của tuyến tụy. Tuyến tụy nội tiết sản xuất insulin và glucagon. Tế bào α của đảo nhỏ Langerhans là tế bào tổng hợp glucagon.

Adrenaline và glucagon là hai hormone được giải phóng khi cần năng lượng để đáp ứng với việc giảm lượng glucose trong máu. Các hormone này kích thích sự hoạt hóa của glycogen phosphorylase và ức chế glycogen synthetase, do đó kích thích quá trình phân giải glycogenoge và ức chế glycogenesis.

Trong khi adrenaline hoạt động trên cơ và gan, glucagon chỉ hoạt động trên gan. Các hormone này liên kết với các thụ thể màng cụ thể trên tế bào đích, kích hoạt adenylate cyclase.

Việc kích hoạt adenylate cyclase bắt đầu một dòng enzym, một mặt, kích hoạt một protein kinase phụ thuộc cAMP làm bất hoạt glycogen synthetase và kích hoạt glycogen phosphorylase bằng cách phosphoryl hóa (tương ứng trực tiếp và gián tiếp).

Cơ xương có một cơ chế khác là kích hoạt glycogen phosphorylase thông qua canxi, được giải phóng do sự khử cực của màng cơ khi bắt đầu co.

Của sự suy thoái

Các dòng enzym được mô tả trước đây cuối cùng làm tăng mức độ glucose và khi chúng đạt đến một mức độ nhất định, quá trình tạo đường được kích hoạt và quá trình phân giải đường phân bị ức chế, cũng ức chế sự giải phóng tiếp theo của epinephrine và glucagon.

Glycogenesis được kích hoạt thông qua sự hoạt hóa của phosphorylase phosphatase, một loại enzyme điều chỉnh sự tổng hợp glycogen bằng nhiều cơ chế khác nhau, liên quan đến việc bất hoạt phosphorylase kinase và phosphorylase α, là chất ức chế glycogen synthetase.

Insulin thúc đẩy sự xâm nhập của glucose vào tế bào cơ, làm tăng nồng độ glucose 6-phosphate, kích thích quá trình dephosphoryl hóa và hoạt hóa glycogen synthetase. Do đó, quá trình tổng hợp bắt đầu và sự phân hủy glycogen bị ức chế.

Đặc trưng

Glycogen trong cơ tạo thành năng lượng dự trữ cho cơ, giống như chất béo dự trữ, cho phép cơ hoàn thành các chức năng của nó. Là nguồn cung cấp glucose, glycogen trong cơ được sử dụng trong quá trình tập luyện. Những dự trữ này tăng lên khi rèn luyện thể chất.

Trong gan, glycogen cũng là nguồn dự trữ quan trọng cho các chức năng của cơ quan và cung cấp glucose cho phần còn lại của cơ thể.

Chức năng này của glycogen gan là do gan chứa glucose 6-phosphatase, một loại enzym có khả năng loại bỏ nhóm phosphate từ glucose 6-phosphate và chuyển nó thành glucose tự do. Glucose tự do, không giống như glucose được phosphoryl hóa, có thể khuếch tán qua màng tế bào gan (tế bào gan).

Đây là cách gan có thể cung cấp glucose cho hệ tuần hoàn và duy trì lượng glucose ổn định, ngay cả trong điều kiện nhịn ăn kéo dài.

Chức năng này rất quan trọng, vì não hầu như chỉ dựa vào glucose trong máu, do đó, hạ đường huyết nghiêm trọng (nồng độ glucose trong máu rất thấp) có thể gây mất ý thức.

Các bệnh liên quan

Các bệnh liên quan đến glycogen được gọi chung là "bệnh dự trữ glycogen."

Những bệnh này tạo thành một nhóm các bệnh lý di truyền được đặc trưng bởi sự lắng đọng trong mô của một lượng hoặc loại glycogen bất thường.

Hầu hết các bệnh về dự trữ glycogen là do sự thiếu hụt di truyền của bất kỳ enzym nào liên quan đến chuyển hóa glycogen.

Chúng được phân thành 8 loại, hầu hết đều có tên riêng và mỗi loại là do thiếu hụt enzym khác nhau. Một số tử vong rất sớm trong cuộc đời, trong khi những người khác có liên quan đến yếu cơ và thiếu hụt trong quá trình tập luyện.

Các ví dụ nổi bật

Một số bệnh liên quan đến glycogen nổi bật nhất là:

- Bệnh Von Gierke hoặc bệnh dự trữ glycogen loại I, là do sự thiếu hụt glucose 6-phosphatase trong gan và thận.

Nó được đặc trưng bởi sự phát triển bất thường của gan (gan to) do sự tích tụ quá mức của glycogen và hạ đường huyết, vì gan không thể cung cấp glucose cho tuần hoàn. Bệnh nhân mắc chứng này có rối loạn tăng trưởng.

- Bệnh Pompe hoặc loại II là do sự thiếu hụt các α- (1 → 4) -glucan 6-glycosyltranspheres trong gan, tim và cơ xương. Bệnh này, giống như bệnh Andersen hoặc loại IV, gây tử vong trước hai tuổi.

- Bệnh McArdle hoặc loại V biểu hiện sự thiếu hụt phosphorylase ở cơ và kèm theo yếu cơ, giảm khả năng chịu đựng khi tập luyện, tích tụ bất thường glycogen trong cơ và thiếu lactate trong khi tập luyện.

Người giới thiệu

1. Bhattacharya, K. (2015). Điều tra và quản lý các bệnh dự trữ glycogen ở gan. Nhi khoa Dịch, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Bệnh dự trữ glycogen Loại III. Đánh giá Gene, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Giáo trình Sinh lý Y học (xuất bản lần thứ 11). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Hóa sinh (xuất bản lần thứ 3). San Francisco, California: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Bệnh học của các bệnh dự trữ glycogen ở gan. Curr Pathobiol Đại diện.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Hóa sinh minh họa của Harper (ấn bản thứ 28). McGraw-Hill y tế.
7. Nelson, DL & Cox, MM (2009). Các nguyên tắc của Lehninger về Hóa sinh. Omega Editions (ấn bản thứ 5).
8. Rawn, JD (1998). Hóa sinh. Burlington, Massachusetts: Nhà xuất bản Neil Patterson.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Myopathies Liên quan đến Rối loạn Chuyển hóa Glycogen. Trị liệu thần kinh.