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Glykogensynthese

Version vom 6. September 2013, 03:18 Uhr von Alexander Körbel (Diskussion | Beiträge)

Synonyme: Glykogenese, Glykogenaufbau
Englisch: glycogenesis

1 Definition

Die Glykogensynthese ist ein im Cytosol ablaufener biochemischer Prozess, bei dem die Glukose, welche aus den aufgenommenen Nahrungskohlenhydraten zunächst im Dünndarm resorbiert, und dann überwiegend von den Hepatozyten (=Leberzellen) und Myozyten (Muskelzellen; insbesondere Skelettmuskulatur) während der Resorptionsphase in Form von Glykogen - einem hochverzweigten Homoglykan der Glukose - gespeichert werden.

Die Aufnahme der Glukose, und die damit einher gehende Bildung des Glykogens, welche in den beiden Hauptorganen der Glykogensynthese (Leber und Skelettmuskulatur) durch zum Teil unterschiedliche Hormone stimuliert wird, ist ein wichtiger Mechanismus der Regulierung des Blutglucosegehalts.

Der umgekehrte Vorgang wird als Glykogenolyse bezeichnet.

2 Ablauf

2.1 Voraussetzungen

Der Aufbau von Glykogen ist eine indirekte Folge einer erhöhten Blut-Glukose-Konzentration, beispielsweise nach der Aufnahme von Glukose aus den Kohlenhydraten der Nahrung. So dient beispielsweise ein aus α-D-Glukose-Einheiten bestehendes, verzweigtes Homopolymer (die Stärke; auch Amylum genannt) als wichtigste Kohlenhydratquelle des Menschen.

Die glykosidischen Bindungen dieses Makromoleküls werden im Rahmen der Verdauung gespalten, sodass die Glukose durch die Enterozyten (über SGLT-1 - SGLT = sodium dependend glucose transporter - also natriumabhängige Glucose-Transportproteine) resorbiert und über basolaterale GLUT-2-Transporter in den Blutkreislauf weitergereicht werden kann. Der gestiegene Glukosespiegel im Blut führt zu einer höheren Aktivität der GLUT-2-Transporter der β-Zellen des endokrinen Pankreas, sodass der Einstrom von Glucose in diese β-Zellen ansteigt. Als Konsequenz dieser damit angestoßenen Kaskade, an deren Ende die die Ausschüttung von Insulin steht, erhöht sich zunächst die Insulin-Konzentration im Blut, wodurch die Glykogensynthese, und die damit einhergehende Senkung des Blutglukosespiegels, stimuliert wird.


2.2 Phosphorylierung

Zunächst wird die Glukose, die von den Zellen über GLUT-2 (z.B. in Hepatozyten, Nieren und β-Zellen des Pankreas) oder GLUT-4-Transporter (Skelettmuskel, Fettgewebe) via erleichterter Diffusion aufgenommen wurde, phosphoryliert. Die Isoenzyme Glukokinase (vor allem in der Leber) und Hexokinase (insbesondere im Skelettmuskel) übertragen eine Phosphatgruppe von ATP auf das C6-Atom der Glukose, sodass diese in Glukose-6-Phosphat umgewandelt, und ADP frei wird. Glukose-6-Phosphat kann die Zelle nun nicht mehr verlassen, und dient als Ausgangspunkt für die weiteren Schritte der Glykogensynthese. Dieser Schritt ist irreversibel.

2.3 Phosphoglucomutase

Die Phosphoglucomutase wandelt Glucose-6-Phosphat über Glukose-1,6-Phosphat als Zwischenprodukt in Glukose-1-Phosphat um. Hierbei handelt es sich um einen reversiblen Schritt. Diese Phosphatgruppenübertragung vom C6- auf das C1-Atom der Glukose ist die Voraussetzung für die nachfolgenden Reaktionen, durch die eine 1,4-glykosidische Bindunggeknüpft werden soll.

2.4 UMP-Übertragung

Glukose-1-Phosphat ist in der Folge Substrat der UTP-Glucose-1-Phosphat-Uridyl-Transferase oder alternativ auch UDP-Glukose-Pyrophosphorylase, ein Enzym aus der Klasse der Transferasen, welches UTP unter Übertragung von UMP auf den Phosphatrest von Glukose-1-Phosphat, sowie Abspaltung von Pyrophosphat, aufspaltet. Die Tatsache dass dieser Schritt irreversibel ist, ist dem Umstand geschuldet, dass eine Pyrophosphatase das entstehende Pyrophosphat in einer exergonen Reaktion hydrolytisch spaltet. Dadurch wird das Pyrophosphat - also ein Produkt der von der UDP-Glukose-Pyrophosphorylase katalysierten Reaktion - dem chemischen Gleichgewicht entzogen, wodurch die Triebkraft für diesen Schritt erhöht wird.

2.5 Glykogen-Synthese

Die UDP-Glukose, welche einen sogenannten nukleotidaktivierten Zucker darstellt, kann nun vom Schlüsselenzym der Glykogenese, der Glykogen-Synthase, als Substrat verwendet werden. Dieses Enzym überträgt die Glukose nun unter Ausbildung einer α-1,4-glykosidischen Verknüpfung an das nichtreduzierende Ende (also das freie C4-Atom) eines bereits bestehenden Glykogenmoleküls, welches dabei um einen Glukose-Baustein verlängert wird. Da die Verknüpfung zwischen dem C4-Atom des terminalen Glucosemoleküls des Glykogens und dem zunächst noch an UDP-gebundenen C1-Atom der UDP-Glukose liegt, geht die Verlängerung der Glykogenkette mit der Abspaltung von UDP einher. Pro Glukosemolekül, welches glykosidisch an das Glykogen geknüpft wird, wird also auch ein UDP frei.

Die Glykogen-Synthase ist in ihrem Handlungsspielraum jedoch insofern eingeschränkt, als dass sie einerseits ausschließlich in beschriebener Art und Weise α-1,4-glykosidisch die Glykogenkette verlängern und somit keine Verzweigungen, sondern ausschließlich eine lineare Glykogenkette synthetisieren kann, und andererseits dadurch dass sie eine bereits bestehende Akzeptorkette benötigt, auf die sie dann die Glukosylreste, welche von der UDP-Glukose stammen, übertragen kann. Die Glykogen-Synthase kann also nicht Glucosemonomere glukosylieren, sondern benötigt einen Startkomplex, bestehend aus mindestens vier Glucoseresten. Um diesen Unzulänglichkeiten des Enzyms beizukommen, sind noch zwei weitere Enzyme für die Glykogen-Synthese von Bedeutung.

2.6 Glykogenin

Glykogenin ist ein cytoplasmatisches Protein, welches sich insbesondere durch seine Fähigkeit zur Autoglukosylierung auszeichnet. Als das sogenannte Verankerungsprotein des Glykogens, ist es als Ursprungspunkt eines jeden Glykogenpolymers zu betrachten. Die Autoglukosylierung beschreibt in diesem Fall die Initiation der Synthese einer Glykogenkette, welche durch Übertragung eines wiederum von UDP-Glukose stammenden Glukosylrestes auf einen definierten Tyrosinrest (TYR-194) des Glykogenins, ermöglicht wird. Darüber hinaus ist das Enzym in der Lage diesen Ausgangskomplex um weitere Glucosebausteine zu verlängern bis etwa acht α-1,4-glykosidisch verknüpfte Glucose-Elemente einen Primer für die weitere Verlängerung der Kette durch die Glykogen-Synthase bilden.

2.7 Verzweigungsenzym

Eine der wichtigsten Eigenschaften des Glykogens ist sein hoher Verzweigungsgrad, da dadurch auch die Mobilisierbarkeit des Moleküls aufgrund der zahlreichen nichtreduzierenden Enden, welche ja als Ausgangspunkte sowohl für die Glykogensynthese, als auch für den Glykogenabbau dienen. Durch zahlreiche Verzweigungen, die durch α-1,6-glykosidische Bindungen, zwischen denen jeweils etwa 8-12 α-1,4-glykosidisch-verknüpfte Glukoseeinheiten liegen, erhält das Glykogen seine charakteristischen chemischen Eigenschaften (rascher Abbau, schneller Aufbau durch zahlreiche Verzweigungen und damit zahlreichen nichtreduzierenden Enden).

Zu diesem Zweck gibt es neben der für die Synthese linearer α-1,4-glykosidisch verknüpfter Glykogenketten, zuständigen Glykogen-Synthase ein sogenanntes Verzweigungsenzym, häufig auch mit der englischen Bezeichnung "branching enzyme" aufgeführt, welches die α-1,6-glykosidischen Verbindungen knüpft, und damit den Verzweigungsgrad des Moleküls erhöht. Der chemische Name dieses Enzyms lautet "α-1,4-α-1,6-Transglucosidase. Dieses Enzym katalysiert zunächst die Spaltung einer α-1,4-glykosidischen Bindung eines Glucoserestes, an dessen C1-Atom allerdings noch 6 weitere Glukosebausteine α-1,4-glykosidisch geknüpft sind, und daraufhin die Knüpfung einer α-1,6-glykosidischen Bindung dieser siebengliedrigen Glukosekette mit dem C6-Atom einer anderen Glucoseeinheit.

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Fachgebiete: Biochemie

Diese Seite wurde zuletzt am 8. März 2021 um 19:21 Uhr bearbeitet.

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