Glycogen ist ein hochgradig verzweigtes Glucose-Polymer, das als primäre kurzfristige Energiereserve in Tieren dient. Es wird hauptsächlich in der Leber und der Skelettmuskulatur gespeichert, wo es schnell mobilisiert werden kann, um den Blutzuckerspiegel aufrechtzuerhalten oder die Muskelkontraktion zu unterstützen.
Glycogenstruktur
Glycogen ist ein Homopolymer aus Glucose, das durch alpha-1,4-glycosidische Bindungen mit alpha-1,6-glycosidischen Bindungen an Verzweigungspunkten alle 8 bis 14 Reste verknüpft ist. Der hohe Verzweigungsgrad bietet mehrere nicht-reduzierende Enden für eine schnelle Glucosefreisetzung. Das Glycogen-Partikel ist um ein Kernprotein namens Glycogenin organisiert, das die Glycogensynthese initiiert.
Glycogenese
Glycogenese ist der Prozess der Glycogensynthese. Sie beginnt mit der Umwandlung von Glucose-6-phosphat zu Glucose-1-phosphat durch Phosphoglucomutase. Glucose-1-phosphat reagiert dann mit UTP zu UDP-Glucose, katalysiert durch UDP-Glucose-Pyrophosphorylase. UDP-Glucose dient als aktivierter Glucosespender.
Die Glycogensynthase fügt Glucose-Einheiten von UDP-Glucose an das nicht-reduzierende Ende einer wachsenden Glycogenkette an und bildet alpha-1,4-Bindungen. Wenn die Kette etwa 11 Reste erreicht, überträgt das Verzweigungsenzym einen Abschnitt von 6 bis 8 Glucose-Einheiten an eine innere Position und schafft so einen alpha-1,6-Verzweigungspunkt. Dieser Zyklus aus Verlängerung und Verzweigung baut die charakteristische baumartige Glycogenstruktur auf.
Glycogenolyse
Glycogenolyse ist der Abbau von Glycogen zur Freisetzung von Glucose. Die Glycogenphosphorylase spaltet alpha-1,4-Bindungen unter Verwendung von anorganischem Phosphat und produziert Glucose-1-phosphat. Dies ist das geschwindigkeitsbestimmende Enzym der Glycogenolyse und liegt in aktiven und inaktiven Formen vor. Das Entzweigungsenzym hat zwei Aktivitäten: Es überträgt eine Trisaccharid-Einheit von einem Zweig auf ein benachbartes nicht-reduzierendes Ende und spaltet die alpha-1,6-Bindung, um freie Glucose freizusetzen. Die kombinierte Wirkung von Glycogenphosphorylase und Entzweigungsenzym ergibt etwa 90 % Glucose-1-phosphat und 10 % freie Glucose.
Glucose-1-phosphat wird durch Phosphoglucomutase in Glucose-6-phosphat umgewandelt. In der Leber wandelt Glucose-6-phosphatase Glucose-6-phosphat in freie Glucose um, die in den Blutkreislauf abgegeben wird. Der Muskel besitzt keine Glucose-6-phosphatase, daher tritt glycogenabgeleitetes Glucose-6-phosphat direkt in die Glykolyse ein.
Hormonelle Regulation
Der Glycogenstoffwechsel wird durch Hormone, die auf den Blutzuckerspiegel reagieren, streng reguliert. Insulin stimuliert die Glycogenese durch Aktivierung der Glycogensynthase mittels Dephosphorylierung und Hemmung der Glycogenphosphorylase. Glucagon (in der Leber) und Adrenalin (in Muskel und Leber) stimulieren die Glycogenolyse durch Aktivierung der Glycogenphosphorylase über eine cAMP-abhängige Phosphorylierungskaskade und versorgen so Gewebe mit Glucose sowie Substrat für die Gluconeogenese.
Glycogenspeicherkrankheiten
Defekte in Enzymen des Glycogenstoffwechsels verursachen Glycogenspeicherkrankheiten. Die Von-Gierke-Krankheit resultiert aus einem Glucose-6-phosphatase-Mangel und verursacht schwere Hypoglykämie und Glycogenakkumulation in der Leber. Die McArdle-Krankheit betrifft einen Mangel der Muskel-Glycogenphosphorylase, was zu Belastungsintoleranz und Muskelkrämpfen führt. Die Pompe-Krankheit wird durch einen lysosomalen Alpha-1,4-Glucosidase-Mangel verursacht, der bei Säuglingen zu einer tödlichen Kardiomyopathie führt.
