Glykogenolyse
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LoslegenSynonym: Glykogenabbau
Englisch: glycogenolysis
Definition
Unter der Glykogenolyse versteht man den enzymatischen Abbau von Glykogen zu Glukose-1-phosphat und in geringerem Anteil zu freier Glukose. Sie dient der kurzfristigen Bereitstellung von Glukose aus den körpereigenen Glykogenspeichern.
Der umgekehrte Prozess wird Glykogensynthese genannt.
Physiologie
Die Glykogenolyse dient dem temporären Ausgleich fehlender Nahrungsglukose, z. B. zwischen den Mahlzeiten oder bei körperlicher Belastung. Die wichtigsten Glykogenspeicher befinden sich in Leber und Skelettmuskulatur:
- Die Leber kann über die Glukose-6-Phosphatase freie Glukose ins Blut abgeben und so den Blutzucker für andere Organe stabilisieren.
- Der Muskel besitzt keine Glukose-6-Phosphatase. Er nutzt das gespeicherte Glykogen daher ausschließlich selbst zur Energiegewinnung über die Glykolyse.
Die Leberglykogenspeicher reichen im Nüchternzustand etwa für 12 bis 24 Stunden. Danach übernimmt die Glukoneogenese zunehmend die Glukosebereitstellung.[1]
Biochemie
Die Glykogenolyse vollzieht sich in mehreren Schritten.
Abbau der linearen Glykogenketten
Schlüsselenzym der Glykogenolyse ist die Glykogenphosphorylase. Sie spaltet die α-1,4-glykosidischen Bindungen am nicht-reduzierenden Ende der Glykogenketten unter Verwendung von anorganischem Phosphat (Phosphorolyse). Dabei entsteht Glukose-1-phosphat. Als Cofaktor dient Pyridoxalphosphat.
Die Glykogenphosphorylase kann das Glykogen nur bis zum vierten Glukosemolekül vor der nächsten Verzweigungsstelle abbauen.
Abbau der Verzweigungen
Der weitere Abbau erfolgt durch das bifunktionale Debranching-Enzym:
- Die 4-α-Glucanotransferase-Aktivität überträgt drei der vier verbleibenden Glukosemoleküle auf das Ende einer anderen Kette. Diese können anschließend wieder durch die Glykogenphosphorylase abgebaut werden.
- Die Amylo-α-1,6-Glucosidase-Aktivität spaltet das verbleibende, α-1,6-glykosidisch gebundene Glukosemolekül hydrolytisch ab. Dabei entsteht freie Glukose.
Aufgrund dieser Verzweigungsstruktur entstehen bei der Glykogenolyse etwa 90 % Glukose-1-phosphat und nur etwa 10 % freie Glukose.
Weiterverarbeitung
Glukose-1-phosphat wird durch die Phosphoglucomutase zu Glukose-6-phosphat isomerisiert. In der Leber und der Niere wird Glukose-6-phosphat im endoplasmatischen Retikulum durch die Glukose-6-Phosphatase zu freier Glukose dephosphoryliert und ins Blut abgegeben. Im Muskel wird Glukose-6-phosphat direkt in die Glykolyse eingeschleust.
Lysosomaler Glykogenabbau
Ein kleiner Teil des Glykogens wird in Lysosomen durch die saure α-Glukosidase abgebaut. Ein Defekt dieses Enzyms führt zum Morbus Pompe.[1]
Regulation
Die Glykogenolyse wird hormonell und allosterisch reguliert. Auslöser ist ein vermehrter Energiebedarf des Körpers. Dabei unterscheiden sich Leber und Muskel deutlich:
| Gewebe | Aktivierende Signale | Hemmende Signale |
|---|---|---|
| Leber | Glukagon und Adrenalin (β-Rezeptoren) über cAMP und Proteinkinase A; Adrenalin zusätzlich über α1-Rezeptoren und Ca2+ | Insulin, hohe Glukosekonzentration |
| Muskel | Adrenalin über cAMP und Proteinkinase A; Ca2+ bei Muskelkontraktion; AMP (allosterisch) | Insulin, ATP, Glukose-6-phosphat |
Die Proteinkinase A phosphoryliert und aktiviert die Phosphorylase-Kinase. Sie phosphoryliert wiederum die Glykogenphosphorylase und überführt sie in ihre aktive Form (Phosphorylase a). Insulin wirkt dem entgegen, indem es über die Proteinphosphatase 1 die Dephosphorylierung und damit Inaktivierung der Glykogenphosphorylase fördert. Glukagon wirkt nur an der Leber, da die Skelettmuskulatur keine Glukagonrezeptoren besitzt.
Klinik
Assoziierte Erkrankungen
Angeborene Defekte der an der Glykogenolyse beteiligten Enzyme führen zu Glykogenspeicherkrankheiten:
| Typ | Bezeichnung | Defektes Enzym | Leitbefunde |
|---|---|---|---|
| I | Morbus von Gierke | Glukose-6-Phosphatase | Nüchternhypoglykämie, Hepatomegalie, Laktatazidose |
| II | Morbus Pompe | saure α-Glukosidase (lysosomal) | Myopathie, Kardiomyopathie (infantile Form) |
| III | Morbus Cori | Debranching-Enzym | Hepatomegalie, Hypoglykämie, Myopathie |
| V | Morbus McArdle | Muskel-Glykogenphosphorylase | belastungsabhängige Muskelschmerzen, Rhabdomyolyse |
| VI | Morbus Hers | Leber-Glykogenphosphorylase | Hepatomegalie, milde Hypoglykämie |
Bei einem Phäochromozytom kann die vermehrte Katecholaminausschüttung zu einer gesteigerten Glykogenolyse und Hyperglykämie führen.
Therapie
Die Glykogenolyse ist die Grundlage der Glukagon-Gabe bei schwerer Hypoglykämie. Bei erschöpften Glykogenspeichern, z. B. bei Alkohol-induzierter Hypoglykämie oder Malnutrition, ist Glukagon unwirksam. In diesen Fällen ist die intravenöse Gabe von Glukose erforderlich.
Quelle
- ↑ 1,0 1,1 Adeva-Andany MM, González-Lucán M, Donapetry-García C, Fernández-Fernández C, Ameneiros-Rodríguez E. Glycogen metabolism in humans. BBA Clin. 2016;5:85-100.