Glikojen

Glikojenin şematik iki boyutlu kesit görünümü: Glikojenin çekirdek proteini glikoz birimlerinin dalları ile çevrilidir. Tüm küresel granül yaklaşık 30.000 glikoz birimi içerebilir.

Bir glikojen molekülündeki tek bir dallanmış glikoz biriminin atomik yapısının görünümü. ⓘ

Bir yassı solucanın spermatozoasındaki glikojen (siyah granüller); geçirimli elektron mikroskobu, ölçek: 0,3 μm ⓘ

Glikojen, hayvanlarda, mantarlarda ve bakterilerde bir enerji depolama biçimi olarak hizmet eden çok dallı bir glikoz polisakkaritidir. Polisakkarit yapı, vücuttaki glikozun ana depolama biçimini temsil eder. ⓘ

Glikojen, enerji rezervlerinin iki formundan biri olarak işlev görür; glikojen kısa süreli, diğer form ise uzun süreli depolama için yağ dokusunda (yani vücut yağında) trigliserit depolarıdır. İnsanlarda glikojen öncelikle karaciğer ve iskelet kası hücrelerinde üretilir ve depolanır. Karaciğerde glikojen, organın taze ağırlığının %5-6'sını oluşturabilir ve 1,5 kg ağırlığındaki bir yetişkinin karaciğeri yaklaşık 100-120 gram glikojen depolayabilir. İskelet kasında glikojen düşük konsantrasyonda bulunur (kas kütlesinin %1-2'si) ve 70 kg ağırlığındaki bir yetişkinin iskelet kası kabaca 400 gram glikojen depolar. ⓘ

Vücutta, özellikle de kaslarda ve karaciğerde depolanan glikojen miktarı büyük ölçüde fiziksel antrenmana, bazal metabolizma hızına ve beslenme alışkanlıklarına (özellikle oksidatif tip 1 lifler) bağlıdır. Dinlenme halindeki kas glikojeninin farklı seviyelerine, mevcut partiküllerin boyutunu artırmak yerine glikojen partiküllerinin sayısını değiştirerek ulaşılır, ancak dinlenme halindeki glikojen partiküllerinin çoğu teorik maksimum değerlerinden daha küçüktür. Böbrekler, kırmızı kan hücreleri, beyaz kan hücreleri ve beyindeki glial hücreler de dahil olmak üzere diğer doku ve hücrelerde de az miktarda glikojen bulunur. Rahim de hamilelik sırasında embriyoyu beslemek için glikojen depolar. ⓘ

İnsanların kanında her zaman yaklaşık 4 gram glikoz bulunur; açlık çeken bireylerde kan glikozu, karaciğer ve iskelet kaslarındaki glikojen depoları pahasına bu seviyede sabit tutulur. İskelet kasındaki glikojen depoları kasın kendisi için bir tür enerji depolama işlevi görür; ancak kas glikojeninin parçalanması kandan kas glikozu alımını engeller ve böylece diğer dokularda kullanılabilecek kan glikozu miktarını artırır. Karaciğer glikojen depoları, başta merkezi sinir sistemi olmak üzere tüm vücutta kullanılmak üzere bir glikoz deposu görevi görür. İnsan beyni, aç ve hareketsiz bireylerde kan glikozunun yaklaşık %60'ını tüketir. ⓘ

Glikojen, bitkilerde enerji deposu olarak işlev gören bir glikoz polimeri olan nişastanın analoğudur. Amilopektine (nişastanın bir bileşeni) benzer bir yapıya sahiptir, ancak nişastadan daha yoğun dallanmış ve kompakttır. Her ikisi de kuru halde beyaz tozlardır. Glikojen birçok hücre tipinde sitozol/sitoplazmada granüller şeklinde bulunur ve glikoz döngüsünde önemli bir rol oynar. Glikojen, ani bir glikoz ihtiyacını karşılamak için hızla harekete geçirilebilen, ancak trigliseritlerin (lipidler) enerji rezervlerinden daha az kompakt olan bir enerji rezervi oluşturur. Bu nedenle birçok parazitik protozoada da depo rezervi olarak bulunur. ⓘ

Glikojen, karbonhidratların polisakkaritler grubundan doğal organik bileşiktir. ⓘ

Her glikojen molekülü, birbirine bağlı yüzlerce glikoz molekülünden oluşan karmaşık bir yapıdadır. Glikojen, bir nevi glikoz külçesidir.Enzimler tarafından çok hızlı yapılıp parçalanan glikojen, bakteriler, mantarlar ve birçok hayvanda enerji depolanmasını sağlar. Omurgalılarda insülin hormonu karaciğerde ve kaslarda glikojen oluşumunu hızlandırır, glükagon ve adrenalin (epinefrin) hormonlarıysa, glikojenin yıkımına ve glikoz açığa çıkmasına neden olur. Kaslarda glikojenin sindirimi ile oluşan glukoz, fosfat içeren formdadır. ⓘ

Hayvanlardaki glikozun fazlasının depo şeklidir. Suda çok az çözünür ve iyotla kahverengi - kırmızı rengi alır. Glikojen genellikle karaciğer ve kas hücrelerinde depolanır. Bakteriler ve mantarlarda da glikoz glikojen şeklinde depo edilmektedir.Bu depolanma işlemine granülsüz edoplazmik retikulum organeli yardımcı olur. ⓘ

Yapısı

Glikojen oligomerindeki 1,4-α-glikozidik bağlar ⓘ

Glikojen oligomerinde 1,4-α-glikozidik ve 1,6-glikozidik bağlantılar ⓘ

Glikojen, ortalama zincir uzunluğu yaklaşık 8-12 glikoz birimi olan ve bir glikojen molekülü başına 2.000-60.000 kalıntı içeren doğrusal glikoz kalıntı zincirlerinden oluşan dallanmış bir biyopolimerdir. ⓘ

Amilopektin gibi, glukoz birimleri bir glukozdan diğerine α(1→4) glikozidik bağlarla doğrusal olarak birbirine bağlanır. Dallar, yeni dalın ilk glikozu ile kök zincirdeki bir glikoz arasında α(1→6) glikozidik bağ ile dallandıkları zincirlere bağlanır. ⓘ

Her bir glikojen, esasen üç çeşit glikoz zincirine sahip bir glikojenin proteini merkezli, yaklaşık 12 katmanlı bir glikoz ağaçları topudur: A, B ve C. Glikojene bağlı sadece bir tane C zinciri vardır. Bu C zinciri, glikojenin kendi kendine glikozilasyonuyla oluşur ve kısa bir primer zincir oluşturur. C-zincirinden B-zincirleri, B-zincirlerinden de B- ve A-zincirleri çıkar. B zincirleri ortalama 2 dallanma noktasına sahipken, A zincirleri terminaldir, dolayısıyla dallanmamıştır. Ortalama olarak her bir zincirin uzunluğu 12 olup, 11 ile 15 arasında olacak şekilde sıkı bir şekilde sınırlandırılmıştır. Tüm A zincirleri glikojenin küresel yüzeyine ulaşır. ⓘ

Kas, karaciğer ve yağ hücrelerindeki glikojen, gram glikojen başına 0,45 milimol (18 mg) potasyum ile ilişkili glikojen parçası başına üç veya dört parça sudan oluşan hidratlı bir formda depolanır. ⓘ

Glikoz ozmotik bir moleküldür ve yüksek konsantrasyonlarda ozmotik basınç üzerinde derin etkilere sahip olabilir, muhtemelen değiştirilmeden hücrede depolanırsa hücre hasarına veya ölümüne yol açabilir. Glikojen ozmotik olmayan bir moleküldür, bu nedenle ozmotik basıncı bozmadan hücrede glikoz depolamak için bir çözüm olarak kullanılabilir. ⓘ

Fonksiyonları

Karaciğer

Karbonhidrat veya protein içeren bir yemek yenilip sindirildikçe kan glikoz seviyeleri yükselir ve pankreas insülin salgılar. Portal venden gelen kan glikozu karaciğer hücrelerine (hepatositler) girer. İnsülin, glikojen sentaz da dahil olmak üzere çeşitli enzimlerin etkisini uyarmak için hepatositlere etki eder. Hem insülin hem de glikoz bol miktarda kaldığı sürece glikojen zincirlerine glikoz molekülleri eklenir. Bu postprandiyal veya "beslenmiş" durumda, karaciğer kandan saldığından daha fazla glikoz alır. ⓘ

Yemek sindirildikten ve glikoz seviyeleri düşmeye başladıktan sonra insülin salgılanması azalır ve glikojen sentezi durur. Enerji için ihtiyaç duyulduğunda, glikojen parçalanır ve tekrar glikoza dönüştürülür. Glikojen fosforilaz, glikojen yıkımının birincil enzimidir. Sonraki 8-12 saat boyunca, karaciğer glikojeninden elde edilen glikoz, vücudun geri kalanı tarafından yakıt olarak kullanılan birincil kan glikoz kaynağıdır. ⓘ

Pankreas tarafından üretilen bir başka hormon olan glukagon, birçok açıdan insüline karşı bir sinyal görevi görür. İnsülin seviyelerinin normalin altına düşmesine yanıt olarak (kan glikoz seviyeleri normal aralığın altına düşmeye başladığında), glukagon artan miktarlarda salgılanır ve hem glikojenolizi (glikojenin parçalanması) hem de glukoneogenezi (diğer kaynaklardan glikoz üretimi) uyarır. ⓘ

Kas

Kas hücresi glikojeni, kas hücreleri için mevcut glikozun acil yedek kaynağı olarak işlev görüyor gibi görünmektedir. Küçük miktarlarda içeren diğer hücreler de bunu yerel olarak kullanır. Kas hücreleri, glikozun kana geçmesi için gerekli olan glikoz-6-fosfatazdan yoksun olduğundan, depoladıkları glikojen yalnızca dahili kullanım için mevcuttur ve diğer hücrelerle paylaşılmaz. Bu durum, talep üzerine depoladıkları glikojeni kolayca glikoza dönüştüren ve diğer organlar için yakıt olarak kan dolaşımına gönderen karaciğer hücrelerinin tersidir. ⓘ

Görünürde optimalite

1999 yılında Meléndez ve arkadaşları, glikojen yapısının belirli bir metabolik kısıtlama modeli altında optimal olduğunu göstermiştir. Ayrıntılı olarak, glikojen yapısı, üç niceliğin maksimize edilmesine dayanan bir uygunluk fonksiyonunu maksimize eden optimal tasarımdır: zincirin yüzeyinde enzimik parçalanma için mevcut glikoz birimlerinin sayısı, parçalayıcı enzimlerin bağlanması için bağlanma bölgelerinin sayısı, depolanan toplam glikoz birimi sayısı; ve bir niteliğin en aza indirilmesi: toplam hacim. ⓘ

Eğer her bir zincirin 0 ya da 1 dallanma noktası varsa, aslında bir küre değil uzun bir zincir elde ederiz ve parçalanmak için sadece birkaç terminal glikoz birimi ile çok büyük bir hacim kaplar. Eğer her zincirin 3 dallanma noktası varsa, glikojen çok hızlı bir şekilde dolacaktır. Denge noktası 2'dir. ⓘ

Bu dal sayısı 2 olduğunda, zincir uzunluğunun en az 4 olması gerekir. Meléndez ve arkadaşları tarafından modellendiği gibi, uygunluk fonksiyonu 13'te maksimuma ulaşır, ardından yavaşça azalır. ⓘ

Ampirik olarak, omurgalılardan bakteri ve mantarlara kadar çoğu organizma için dal sayısı 2 ve zincir uzunluğu 11-15 arasında değişmektedir. Tek önemli istisna, glikojen zincir uzunluğu 2-30 arasında değişen ve ortalama 7 olan istiridyedir. ⓘ

Tarihçe

Glikojen Claude Bernard tarafından keşfedilmiştir. Deneyleri, karaciğerin, karaciğerdeki bir "fermantasyonun" etkisiyle indirgen şekere yol açabilecek bir madde içerdiğini gösterdi. 1857'de "la matière glycogène" ya da "şeker oluşturan madde" adını verdiği bir maddenin izolasyonunu tanımladı. Karaciğerdeki glikojenin keşfinden kısa bir süre sonra A. Sanson kas dokusunun da glikojen içerdiğini keşfetti. Glikojen için ampirik formül (C
₆H
₁₀O
₅)n 1858 yılında Kekulé tarafından kurulmuştur. ⓘ

Metabolizma

Sentez

Glikojen sentezi, yıkımından farklı olarak endergoniktir - enerji girişi gerektirir. Glikojen sentezi için enerji, UTP-glikoz-1-fosfat üridiltransferaz tarafından katalize edilen bir reaksiyonda glikoz-1-fosfat ile reaksiyona girerek UDP-glikoz oluşturan üridin trifosfattan (UTP) gelir. Glikojen, başlangıçta UDP-glikoz monomerlerinden, glikojenin indirgen ucu için iki tirozin çapasına sahip olan protein glikojenin tarafından sentezlenir, çünkü glikojenin bir homodimerdir. Bir tirozin kalıntısına yaklaşık sekiz glikoz molekülü eklendikten sonra, glikojen sentaz enzimi, glikojen zincirinin indirgeyici olmayan ucuna α(1→4)-bağlı glikoz ekleyerek UDP-glikoz kullanarak glikojen zincirini aşamalı olarak uzatır. ⓘ

Glikojen dallanma enzimi, altı veya yedi glikoz kalıntısından oluşan bir terminal parçasının indirgeyici olmayan bir uçtan glikojen molekülünün iç kısmına doğru daha derindeki bir glikoz kalıntısının C-6 hidroksil grubuna transferini katalize eder. Dallanma enzimi yalnızca en az 11 kalıntıya sahip bir dal üzerinde etkili olabilir ve enzim aynı glikoz zincirine veya bitişik glikoz zincirlerine transfer olabilir. ⓘ

Parçalanma

Glikojen, glikoz-1 fosfat monomerleri üretmek için glikojen fosforilaz enzimi tarafından zincirin indirgeyici olmayan uçlarından ayrılır:

İn vivo ortamda fosforoliz glikojen parçalanması yönünde ilerler çünkü fosfat ve glikoz-1-fosfat oranı genellikle 100'den büyüktür. Glukoz-1 fosfat daha sonra fosfoglukomutaz tarafından glukoz 6 fosfata (G6P) dönüştürülür. dallanmış glikojendeki α(1-6) dallarını çıkarmak ve zinciri doğrusal bir polimere yeniden şekillendirmek için özel bir dal çözücü enzime ihtiyaç vardır. Üretilen G6P monomerlerinin üç olası kaderi vardır:

• G6P glikoliz yolunda devam edebilir ve yakıt olarak kullanılabilir.
• G6P, NADPH ve 5 karbonlu şeker üretmek için glukoz-6-fosfat dehidrojenaz enzimi aracılığıyla pentoz fosfat yoluna girebilir.
• Karaciğer ve böbrekte G6P, glukoz 6-fosfataz enzimi tarafından tekrar glukoza defosforile edilebilir. Bu, glukoneogenez yolundaki son adımdır. ⓘ

Klinik önemi

Glikojen metabolizması bozuklukları

Glikojen metabolizmasının anormalleştiği en yaygın hastalık diyabettir; bu hastalıkta anormal miktarda insülin nedeniyle karaciğer glikojeni anormal şekilde birikebilir veya tükenebilir. Normal glikoz metabolizmasının yeniden sağlanması genellikle glikojen metabolizmasını da normalleştirir. ⓘ

Aşırı insülinin neden olduğu hipoglisemide karaciğer glikojen seviyeleri yüksektir, ancak yüksek insülin seviyeleri normal kan şekeri seviyelerini korumak için gerekli olan glikojenolizi önler. Glukagon bu tip hipoglisemi için yaygın bir tedavidir. ⓘ

Doğuştan gelen çeşitli metabolizma hataları, glikojen sentezi veya yıkımı için gerekli enzimlerin eksikliklerinden kaynaklanır. Bunlar topluca glikojen depo hastalıkları olarak adlandırılır. ⓘ

Glikojen tükenmesi ve dayanıklılık egzersizi

Maraton koşucuları, kros kayakçıları ve bisikletçiler gibi uzun mesafe sporcuları, yeterli karbonhidrat tüketimi olmadan uzun süre efor sarf ettikten sonra sporcunun glikojen depolarının neredeyse tamamının tükendiği glikojen tükenmesini sıklıkla yaşarlar. Bu fenomen koşuda "duvara çarpma" ve bisiklette "bonking" olarak adlandırılır. ⓘ

Glikojen tükenmesi üç olası yolla önlenebilir:

• İlk olarak, egzersiz sırasında mümkün olan en yüksek kan glikozuna dönüşüm oranına sahip karbonhidratlar (yüksek glisemik indeks) sürekli olarak alınır. Bu stratejinin mümkün olan en iyi sonucu, maksimumun yaklaşık %80'inin üzerindeki kalp hızlarında tüketilen glikozun yaklaşık %35'ini yerine koymaktır.
• İkinci olarak, dayanıklılık antrenmanı adaptasyonları ve özel rejimler (örneğin açlık, düşük yoğunluklu dayanıklılık antrenmanı) yoluyla vücut, tüm kaynaklardan karbonhidrat kullanımını koruyarak yakıt olarak kullanılan yağ asitlerinin yüzdesini artırmak için hem yakıt kullanım verimliliğini hem de iş yükü kapasitesini geliştirmek üzere tip I kas liflerini şartlandırabilir.
• Üçüncü olarak, egzersiz veya diyet sonucunda glikojen depoları tükendikten sonra büyük miktarlarda karbonhidrat tüketerek, vücut kas içi glikojen depolarının depolama kapasitesini artırabilir. Bu süreç karbonhidrat yüklemesi olarak bilinir. Genel olarak, geçici glikojen tükenmesi sonucunda kas insülin duyarlılığı arttığı için karbonhidrat kaynağının glisemik indeksi önemli değildir. ⓘ

Sporcular yorucu egzersizin ardından hem karbonhidrat hem de kafein aldıklarında, glikojen depoları daha hızlı bir şekilde yenilenme eğilimindedir; ancak, glikojen yenilenmesi üzerinde klinik olarak anlamlı bir etkinin olduğu minimum kafein dozu belirlenmemiştir. ⓘ