Szlaki metabolizmu glikogenu
Glikogen jest cząsteczką o wysokiej masie cząsteczkowej (około 400 kDa) o budowie rozgałęzionego polimeru zbudowanego z monomerów glukozy. Monomery te są połączone przy pomocy wiązań α-1,4-glikozydowych. Jest łatwo dostępną formą glukozy, która dostarcza glukozę do krwioobiegu podczas długiego postu oraz do mięśni, podczas ich skurczów. Glikogen jest magazynowany w mięśniach szkieletowych oraz w wątrobie. W wątrobie stężenie tego polimeru jest wyższe niż w mięśniach, jednak ze względu na większą masę mięśniową w całym organizmie, sumarycznie znajduje się w nich więcej glikogenu. Pomimo tego, że glikogen jest pobudzany podczas długotrwałego postu zarówno w wątrobie i mięśniach, mięśnie szkieletowe nie zawierają enzymów pozwalających na transportowanie glukozy z powrotem do krwioobiegu.
Glikogen występuje w cytoplazmie komórkowej w postaci ziaren, które magazynują białka regulatorowe oraz enzymy, katalizujące procesy metaboliczne glikogenu. Procesy syntezy i degradacji glikogenu odpowiadają za regulowanie stężenia glukozy we krwi oraz stanowią magazyn glukozy dla intensywnej pracy mięśni. Metabolizm glikogenu jest również regulowany hormonalnie i zachodzi przy pomocy procesów metabolicznych, które mają ogólne znaczenie dla metabolizmu komórkowego. Enzymy zaangażowane w te procesy są regulowane przez odwracalną fosforylację, a wpływ konkretnych hormonów jest badany na poziomie molekularnym.
Synteza i degradacja glikogenu przebiegają innymi szlakami. Wskazują na to trzy różne typy dowodów, takie jak charakter termodynamiczny reakcji katalizowanej przez fosforylazę, który nie pozwala na zachodzenie tego procesu w fizjologicznych stężeniach. Po drugie działanie hormonów zwiększenie aktywności fosforylazy zawsze będą wywoływać rozkład glikogenu. Jako ostatni dowód przedstawia się przykład pacjentów z chorobą McArdle’a, opisaną w dalszej części pracy, u których jest zaburzona degradacja glikogenu w wyniku zaburzonej działalności fosforylazy, jednak synteza wciąż zachodzi w sposób prawidłowy. Odrębność tych dwóch szlaków metabolicznych pozwala na większą elastyczność tych procesów, zarówno pod względem potrzebnej energii jak i ich regulacji. Dzięki temu komórka uniezależnia się od prawa zachowania masy, a glikogen może być syntezowany, nawet jeśli w komórce będzie znajdowało się dużo pirogronianu.
Reszty glukozy w biosyntezie glikogenu biorą się z UDP-glukozy, która jest inaczej określana aktywną formą glukozy. Aktywacja ta polega na utworzeniu wiązania estrowego pomiędzy grupą hydroksylową przy pierwszym węglu w cząsteczce glukozy, a resztą difosforanową cząsteczki UDP. UDP-glukoza jest syntezowana z glukozo-1-fosforanu i UTP (urydynotrifosforanu) w wyniku reakcji katalizowanej przez pirofosforylazę UDP-glukozy. Reakcja ta jest łatwo odwracalna, jednak in vivo pirofosforan szybko ulega hydrolizie do ortofosforanu, dzięki obecności w tkankach pirofosfatazy. Hydroliza pirofosforanu, która jest praktycznie nieodwracalna jest czynnikiem napędzającym syntezę UDP-glukozy. Rozbudowa glikogenu jako polimeru polega na dołączaniu kolejnych reszt glukozylowych do reszt końcowych nieredukujących powstającej cząsteczki. Aktywowane jednostki glukozylowe są przenoszone z UDP-glukozy na grupy hydroksylowe przy C4 resztach końcowych i przyłączają się za pomocą wiązań α-1,4-glikozydowych. UDP jest tutaj zastępowany przez końcową grupę hydroksylową wzrastającego glikogenu, a sama reakcja jest katalizowana przez enzym syntazę glikogenową. Synteza glikogenu i jego prawidłowa funkcjonalna struktura opierają się na synergicznej działalności dwóch enzymów.
Syntaza glikogenowa dołącza reszty glukozylowe do łańcucha polisacharydowego, który zawiera już powstałe reszty cukrowe, wymaga ona zatem tzw. Inicjatora (ang. Primer). Funkcję tę pełni glikogenina, zawierająca reszty oligosacharydu złożonego z monomerów glukozy połączonych wiązaniami α-1,4-glikozydowymi. Do glikogeniny może zostać dodanych maksymalnie 7 reszty glukozylowe. Pierwszy węgiel tego łańcucha jest kowalencyjnie połączony z grupą hydroksylową pierścienia fenolowego konkretnej reszty tyrozyny w glikogeninie. Działanie glikogeniny opiera się na mechanizmie autokatalizy, w której przyłącza ona osiem jednostek glukozy. W tej reakcji donorem reszt glukozylowych jest również UDP-glukoza. Z powodu ścisłego sprzężenia jej aktywności z glikogeniną, syntaza pełni swoją funkcję katalityczną jedynie, gdy jest z nią związana. Prowadzi to do takich zależności jak związek ilości i wielkości ziaren glikogenu w komórce od ilości glikogeniny. Ponadto rozbudowywanie łańcucha glikogenu ustaje w momencie, kiedy syntaza traci kontakt z glikogeniną, która stanowi rdzeń tej cząsteczki. Jest to przykład bardzo prostego, ale skutecznego mechanizmu regulacji aktywności szlaków. Oprócz tego syntaza jest kontrolowana również poprzez mechanizm fosforylacji, aktywację allosteryczną, a także rozdzielenie lokalizacji subkomórkowej substratów.
Jako że ostateczna forma glikogenu posiada również dodatkowe łańcuchy rozgałęzione, wymagana jest obecność drugiego enzymu odpowiadającego za tworzenie tych wiązań. Te rozgałęzienia są istotne, gdyż zwiększają rozpuszczalność cząsteczki glikogenu, a także odpowiadają za powstawanie dużej liczby nieredukujących reszt końcowych, które są miejscem działania fosforylazy i syntazy glikogenowej. W efekcie przy pomocy rozgałęzień wzrasta nie tylko szybkość syntezy, ale także degradacji glikogenu. Rozgałęzienia te pojawiają się dopiero, gdy syntaza glikogenowa połączy już pewną ilość reszt glukozylowych w liniowy łańcuch przez wiązania α-1,4-glikozydowe. Same odgałęzienia tworzą się poprzez zerwania α-1,4-glikozydowego i utworzenie nowego wiązania α-1,6-glikozydowego. Jest to jednak dość trudna droga odwrócenia reakcji usuwania odgałęzienia. Odcinki łańcucha zbudowane zazwyczaj z siedmiu reszt glukozylowych, muszą zawierać nieredukujący koniec i pochodzić z łańcucha złożonego z co najmniej 11 reszt.
Procesy rozszczepiania glikogenu zostały wnikliwie opisane przez badaczy Carla i Coriego. Zachodzi on na zasadzie rozszczepiania polimeru przez ortofosforan (Pi), przy pomocy fosforylazy glikogenowej do nowego rodzaju ufosforylowanego cukru – glukozo-1-fosforanu. Enzym katalizuje usuwanie kolejnych reszt glukozylowych z końca z wolną grupą hydroksylową (koniec 4’). Ortofosforan rozrywa wiązania pomiędzy pierwszym węglem końcowej reszty, a czwartym węglem następnej reszty. Aby degradacja glikogenu zachodziła w sposób jak najbardziej wydajny potrzebne jest połączenie dwóch mechanizmów, zachodzącej w cytozolu glikogenolizy oraz zachodzącego w lizosomach procesu nazywanego czasem “autofagią glikogenu”. Reakcja katalizowana przez fosforylazę w warunkach hodowli komórkowych jest łatwo odwracalna, zdecydowanie bardziej niż w warunkach in vivo. Rozszczepienie glikogenu przy pomocy fosforolizy jest bardziej korzystne energetycznie niż gdyby następowałoby ono na zasadzie hydrolizy. Jest to spowodowane tym, że produkt rozszczepienia fosforylitycznego jest już ufosforylowany, więc nie ma potrzeby dodatkowej fosforylacji glukozy, aby ta mogła wejść w szlak glikolityczny. Ufosforylowany produkt jest również bardziej stabilny, gdyż, jako że występuje on w formie zjonizowanej, nie może opuszczać komórek mięśni na zasadzie dyfuzji, w przeciwieństwie do glukozy.
Drugim enzymem istotnym w procesie degradacji glikogenu jest tranferaza, która odpowiada za przenoszenie grupy trzech reszt glukozowych z jednego skrajnego odgałęzienia na drugie. W trakcie tego transferu zostaje zerwane wiązanie α-1,4-glikozydowe, a powstaje nowe tego samego typu wiązanie pomiędzy innymi resztami, a więc w innym miejscu. Przeniesienie tego wiązania odsłania resztę, która może być dostępna dla trzeciego enzymu – α-1,6-glukozydazy. Inna nazwa tego enzymu to enzym usuwający rozgałęzienia, który hydrolizuje wiązania 1,6 – glikozydowe. Wymienione enzymy przekształcają rozgąłęziony polimer glikogenu w strukturę liniową, która jest dalej podatna na rozszczepianie z użyciem fosforylazy. Istotna jest tutaj reszta, z której rozszczepienie sprawia, że wszystkie pozostałe reszty stają się podatne na działanie fosforylazy.
Drugi proces, który ma miejsce w lizosomach wymaga aktywności enzymu kwasowej α-glukozydazy (GAA), który jest syntezowany w retikulum endoplazmatycznym. Następnie jest transportowany do lizosomów, gdzie odpowiada za degradację lizosomalnego glikogenu przy pomocy mechanizmu autofagii (zwanego również glikofagią).
Mimo tego, że badania przeprowadzone na organizmie modelowym D. melanogaster sugerują, że te dwa procesy mogą się wzajemnie rekompensować, przypuszcza się, że oba procesy są wymagane, aby uzyskać maksymalną wydajność procesu degradacji glikogenu.
Tekst: fragment pracy licencjackiej pani Alicji Gągały pt.: „Mechanizm działania wybranych substancji w leczeniu chorób spichrzeniowych glikogenu”, napisanej pod kierunkiem Marty Migockiej-Patrzałek
