גליקוגן - חומר תשמורת לאנרגיה ביוכימיה

פולי-גלוקוז (הרבה מולקולות של גלוקוז), משמש כמאגר פחמן ואנרגיה. גליקוגן הוא המאגר הקל ביותר לגישה, מהיר ביותר מבחינת ניצול ושחזור.

היתרון של פולימר כחומר תשמורת הוא שגליקוגן אינו מוסיף ללחץ האוסמוטי כפולימר. לא כמו חומצת שומן גלוקוז יכול לספק אנרגיה גם בהעדר חמצן ולכן מספק אנרגיה לפעילות אנארובית, גלוקוז היא מולקולת הדלק היחידה הנצרכת ע"י המוח (חוץ מבתנאי רעב). הגליקוגן איננו ליניארי. בנוסף לשרשרת ליניארית יש ענפים- יוצר אריזה צפופה יותר. פירוק הגליקוגן הוא מהקצוות ובשל הענפים יש יותר קצוות- פירוק מהיר יותר!

בשרשרת הליניארית הגלוקוז מחובר בקשר (4-1)α, הענפים מחוברים לשרשרת בקשרי (6-1)α. הקשרים בענף עצמו הם (4-1)α.

גליקוגן נמצא בריכוז הגבוה ביותר בכבד. תפקיד הכבד לשמור על רמת גלוקוז קבועה בדם. הכבד מאכסן גלוקוז בצורת גליקוגן. כמות הגליקוגן מגיעה עד 10%.

גליקוגן נמצא אף בחיידקים. גם בשרירים נמצאת כמות ניכרת של גליקוגן % 3-2. בגלל שמסת השרירים גדולה ממסת הכבד, סה"כ הגליקוגן נמצא בכמות רבה יותר בשרירים.

הגליקוגן מתפרק ע"י פוספורוליזה ומקבלים גלוקוז 1-פוספט, הדבר חוסך אנרגיה (כשגלוקוז נכנס למעגל הגליקוליזה הוא עובר פוספורילציה- תהליך הדורש אנרגיה). גלוקוז 1-פוספט הופך לגלוקוז 6-פוספט ואז נכנס למסלול הגליקוליזה. תוצר פירוק הגליקוגן יכול להיכנס למסלול גליקוליזה במסלול אנאירובי עד לפירובט וקבלת אנרגיה בניגוד לחומרי תשמורת אחרים. לעבודה אנאירובית אנו משתמשים רק בגליקוגן.

התפקיד העיקרי של הכבד הוא להעביר גלוקוז לשאר התאים דרך מחזור הדם, כך שגלוקוז 6-פוספט הופך בכבד לגלוקוז.

פוספורליזה: מזורזת ע"י האנזים גליקוגן פוספורילאז. גליקוגן פוספורילאז לוקח גליקוגן כסובסטרט וע"י פוספורוליזה מזרז יצירת גלוקוז 1-פוספט. מזרז את ההסרה של שיירי גליקוזיד מהצד הלא מחוזר של גליקוגן. הקשר בין C1 והחמצן הגליקוזידי מפורק ע"י אורתופוספט Pi ומתקבלת קונפיגורציה α בפחמן C1. ההתפרקות הפרוטיאוליטית של גליקוגן עדיפה מבחינה אנרגטית כיוון שהסוכר המשתחרר מזורחן. יתרון נוסף הוא שגלוקוז 1-פוספט לא יכול לעבור בדיפוזיה אל מחוץ לתא, בעוד שגלוקוז כן.

כשגליקוגן פוספורילאז מגיע לפיצול הפולימר לענפים הוא נתקע- הוא יודע להתעסק רק עם החלק הליניארי. הוא יכול לפרק עד 4 מונומרים עד לפיצול ואז נכנסים אנזימים אחרים לפעולה. גליקוגן טרנספראז לוקח 3 מונומרים מהענף ומעביר אותם לקצה החלק הליניארי. השייר שנשאר נפתח ע"י אנזים בשם 6-1α גלוקוזידאז ומקבלים גלוקוז נקי (הידרוליזה). לאחר החיתוך מקבלים פולימר ליניארי שניתן לפירוק ע"י גליקוגן פוספורילאז עד הענף הבא- מנגנון התיישרות הפולימר. גלוקוז 1-פוספט הופך לגלוקוז 6-פוספט. הפוספט שנמצא במקום 6 אינו הפוספט שהיה במקום 1. הפוספט שבמקום 6 הוא הפוספט שבאתר הפעיל של האנזים. לאחר מכן האנזים לוקח את הפוספט שבמקום 1. הפוספט שבמקום 6 הוא פוספט ממקום 1 של גלוקוז 1-פוספט אחר. תהליך זה מזורז ע"י האנזים פוספוגליקומוטאז.

בתאי כבד הורדת פוספט מגלוקוז 6-פוספט ע"י גלוקוז 6-פוספטאז מתרחשת בתוך לומן (חלל פנימי) של הרטיקולום האנדופלסמטי. גלוקוז 6-פוספט מועבר לתוך ה-ER, מיד גלוקוז 6-פוספטאז הופל אותו לגלוקוז ואל הציטופלסמה מועברים גלוקוז ופוספט. ריאקציה זו מתרחשת רק בכבד ולא בשרירים ובמוח. מנגנון גליקוגן פוספורילאז : אנזים גדול דימר המורכב מ-2 תת יחידות זהות בעל מסה DK97 ולכל אחת אתר פעיל. זהו חלבון גדול מכיוון שהסובסטרט שלו גדול. בתוך האתר הפעיל של כל תת יחידה נמצא קופקטור פירידוקסאל פוספט (PLP). הוא מאפשר קטליזת ריאקציית פוספורוליזה ומונע הידרוליזה ע"י כך שהוא משמש בתור מקבל ומוסר פרוטון וכך מונע כניסת מים לאתר הפעיל ולאפשר לפוספט להשתתף בריאקציה. אתר קשירה נמצא במרחק A30 מאתר קטליטי ,הם מחוברים ע"י תעלה צרה שמסוגלת להכיל 4-5 יחידות גלוקוז, הפרדה גדולה זו בין האתרים מאפשרת לאנזים לבצע פוספורילציה בשיירים רבים ללא עזיבה של סובסטרט וקישור מחדש אחרי תהליך קטליטי אחד, אנזים כזה נקרא processive. אנזים זה עשיר במנגנוני בקרה. 2 מנגנוני בקרה: בקרה אלוסטרית וקוולנטית- זרחון של האנזים ב-2 מקומות, בכל תת יחידה. קיימים גם אפקטורים אלוסטריים. הזרחון נמצא בבקרה הורמונלית והם קובעים את זרחון האנזים. יש הבדל בבקרה בין שרירים וכבד. הבדלים אלו נקבעים ע"י הספציפיות של כל אחד מהם. תפקודים של שרירים וכבד קובעים את הבקרה האלוסטרית בכל רקמה. יש שיירי Ser בכל תת יחידה שעוברים זרחון. זרחון בנק' אחת גורם לשינוי קונפורמציית החלבון. זמינות האתר הפעיל משתנה בעת הזרחון. פוספורילאז a- מצב מזורחן של האנזים, האתר הפעיל פתוח והאנזים פעיל- מצב R. פוספורילאז b- מצב לא מזורחן, האתר הפעיל סגור והאנזים לא פעיל- מצב T.פוספורילאז קינאז מזרחן את פוספורילאז b. 2 צורות האנזים יכולות להיות במצב הפעיל R או במצב הלא פעיל T, ההבדל הוא שבמצב מזורחן השוו"מ   מוסט לכיוון R ובמצב לא מזורחן מוסט למצב T. בנוסף למודיפיקציה קוולנטית, בשריר  (פוספולירז b רגיש לשינוי בין מצב T ל- R) בקרה אלוסטרית מתרחשת ע"י חומרים המעורבים במטבוליזם אנרגטי. ריכוז גבוה של ATP וגלוקוז 6-פוספט מייצבים את המצב הלא פעיל T. AMP שמופיע במצבים אנרגטיים לא טובים מייצב את המצב הפעיל R. בשריר: ATP הוא מבקר אלוסטרי שלילי של פוספורילאז b אשר פעיל רק בריכוזים גבוהים של AMP.

גלוקוז 6-פוספט גם הוא מעכב. פוספורילאז b פעיל רק כאשר האנרגיה בתא מאוד נמוכה.  אדנילאטקינאז מזרז את הריאקציה:  ברגע שרמת ATP יורדת ורמת ADP עולה מתרחשת הריאקציה. במצב תקין היחסים ביניהם 100:10:1 כך ששינויים בריכוז AMP מאוד רגישים למצב האנרגטי של התא, מה שהופך אותו לאפקטור אלוסטרי יעיל מאוד.

בכבד (פוספורילאזA  רגיש לשינוי) פוספורילאז a פעיל באופן מלא ללא קשר לרמת ATP, AMP, וגלוקוז 6-פוספט. בכבד: שונה בשני גורמים- 1) AMP אינו משפעל את פוספורילאז b. 2) פוספורילאז a עובר למצב בלתי פעיל ע"י היקשרות גלוקוז ( מ-R ל-T). פוספורילאז קינאז מזרחן את האנזים,1200KD. הפעלת האנזים מתרחשת ע"י זרחונו בעזרת פרוטאין קינאז a PKA המופעל ע"י הורמון  אפינפרין המתחיל מעגל CAMP. פוספורילאז קינאז מורכב מ-4 תת יחידות α,β,γ,δ.  אתר קטליטי בתת-יחידה γ שאר היחידות לבקרה.זרחון בתת יחידה β גורם לשפעול חלקי של האנזים. שפעול חלקי נוסף מתרחש בעת עלייה בריכוז Ca+2 בתת יחידה δ שהיא בעצם החלבון קלמודולין המשופעל ע"י סידן בריכוז של 1μM (גירוי חשמלי גורם לעלייה בריכוז).

רק 2 הפעולות ביחד נותנות פוספורילאז קינאז פעיל. אין חשיבות לסדר השפעול. עלייה בריכוז יוני סידן תגרום ליותר פירוק של גליקוגן (האנזים פעיל יותר).אדנילאט ציקלאז מפעיל תהליך פוספורוליזה- עיכוב אדנילאט מעכב פירוק גליקוגן.

סינתזת גליקוגן: כמו בריאקציות אחרות הסובסטרט של גליקוגן סינתאז כבר משופעל. הסובסטרט הוא חיבור של UTP וגלוקוז 1-פוספט לקבלת גלוקוז-UDP ו-PPi. הגלוקוז מאוקטב ויכול לעבור לפולימר כמעט בלי שינוי ב- ΔG. הריאקציה הפיכה ומה שקובע את הכיווניות זה הידרוליזה של פירופוספט  ל-2 אורתופוספט ע"י פירופוספטאז ולכן התגובה הכללית . גליקוגן סינתאז מזרז את ריאקציית הפלמור  מ גלוקוז-UDP לגליקוגן יחידת הגלוקוז הפעילה מועברת לקב' הידרוקסיל של פחמן 4 בקצה של גליקוגן ונוצר קשר גליקוזידי  (4-1)α ,יכול להוסיף יחידות גלוקוז רק אם שרשרת הפוליסכריד מכילה יותר מ- 4 יחידות סוכר-יש לו פריימר . הפולימר הקצר הראשון מופיע כתוצאה מפעילות החלבון גליקוג'נין המייצר את הפריימר . זהו חלבון שיכול לקשור קוולנטית גלוקוז כמונומר לשייר ה- Tyr בקב' פנול הידרוקסיל ספציפית בכל תת יחידה. 2 תת היחידות של החלבון עוזרות לבנות את השרשרת ולאחר שהשרשרת מספיק ארוכה 2 תת היחידות מתפרקות. בכל חלקיק של גליקוגן, לא משנה כמה נקי הוא, אפשר למצוא חלבון וניתן לצבוע אותו בצורה ספציפית. חלבון זה הוא גליקוג'נין שמחובר באופן קוולנטי לגליקוגן. כאשר השרשרת הליניארית מספיק ארוכה מתחיל לעבוד Branching Enzyme גליקוגן טרנספראז- בונה ענפים.

1הענף נוצר ע"י שבירת קשר (1-4)α ויצירת קשר (1-6). α האנזים לוקח 7 מונומרים מהקצה, חותך אותם מהשרשרת ומעביר אותם לענף בקשר (6-1)α. החלק המועבר חייב לכלול את הקצה הלא מותמר וחייב להגיע משרשרת של לפחות 11 יחידות סוכר, ענף חדש שנוצר חייב להיות מרוחק בלפחות 4 יחידות מענף קיים.הסתעפות חשובה מאוד כיוון שיוצרת מס' רב של יחידות קצה שהם אתרי הפעילות של האנזימים של פירוק ויצירת גליקוגן וכך מגדיל את קצב סינתוז או פירוק הגליקוגן. גליקוגן סינתאז יכול להאריך כעת גם את הענף וגם את השרשרת.

בקרה של גליקוגן סינתאז : אנזים מפתח שנמצא תחת בקרה הורמונלית ואלוסטרית. גלוקוז הוא עובר זרחון בכמה מקומות, בעיקר זרחון מסיבי ב-C טרמינל וזרחון פחות מסיבי ב-N טרמינל, כך שיש שינוי רציני במטען החלבון.

גליקוגן סינתאז במצב המזורחן הופך ממצב a  ל-b שאינו פעיל בדר"כ! ,מצב B פעיל כאשר יש ריכוז גבוה של G-6-P אפקטור אלוסטרי חיובי של מצב b ,צורה a פעילה ללא תלול ב- G-6-P.ההורמון שמשפעל פירוק חייב לשתק סינתזה. זרחון גורם לפירוק להיות פעיל ולסנתוז להיות לא פעיל. הורדת זרחן מסיימת את פעילות והשפעת ההורמון- גליקוגן פוספורילאז וסינטאז הופכים ללא מזורחנים כתוצאה מפעילות פרוטאין פוספטאז 1 (PP1) קומפלקס בעל 3 יחידות :תת יחידה קטליטית PP1 37KD,תת יחידה רגולטורית RG1 (נקשרת לגליקוגן וכך מקרבת יחידה קטליטית לסובסטרטים שלה- אנזימי הגליקוגן) 123KD. ויחידת מעכב1 תת יחידה קטנה רגולטורית , כאשר היא במצב מזורחן היא מעכבת את PP1.

כאשר אין צורך בפירוק גליקוגן PP1 יעשה דפוספורילציה ויפסיק פירוק גליקוגן. PP1 גורם לדפוספורילציה של גליקוגן סינתאז ומשפעל אותו, כך שבעצם עיכוב הפירוק הוא מגביר סינתזה.PKA  אחראי על פוספורילציה של פוספורילאז קינאז וכך תורם לפירוק גליקוגן. בו זמנית הוא מעכב את PP1 ע"י פוספרילציה של RG1 מונע ממנו להקשר ליחידה קטליטית מה שמונע קישור הסובסטרט ליחידה הקטליטית,בנוסף פוספולירציה של מעכב1 חוסמת קטליזה ע"י PP1 .  גם אנזים זה נמצא תחת בקרה הורמונלית: ברגע שיש אפינפרין יש שפעול של PKA ומשאיר את הפוספורילאז לא פעיל והסינתאז פעיל. כשאין אפינפרין אין שפעול של PKA. קשירת אינסולין לרצפטור טירוזין קינאז  מובילה לשרשרת פוספולירציה של חלבונים שבעקבותיה משופעל אינסולין סנסטיב פרוטאין קינאז המזרחן תת יחידה RG1 של PP1  באתר שונה, בניגוד לאפינפרין הוא הופך את PP1 ליותר פעיל.

מעבר סיגנל מהורמון לפירוק גליקוגן: פעילות שרירים גורמת לשחרור של אפינפרין- גורם לפירוק גליקוגן בשריר, ברמה נמוכה בכבד. הכבד מגיב יותר לגלוקוגון שנאגר בקיבה ומשוחרר בתנאי רעב. 1.אפינפרין וגלוקגון נקשרים לרצפטורים 7TM ספציפים בממברנה החיצונית של תאי השריר או הכבד. אפינפרין נקשר ל-β אדרנג'יק רצפטור בשריר וגלוקוגון לגלוקוגון רצפטור בכבד.

הקישור משפעל את תת יחידה  α של חלבון Gs עקב שינוי מבני החל בממברנה ובחלבון בעקבות קשירת הורמון לרצפטור שלו. 2. GTP  נקשר לתת יחידה α  חלבון Gs  שבצורת αGTP משפעל אדנילאט ציקלאז- חלבון טרנסממברנלי המזרז יצירת שליח שניוני cAMP מ- ATP . 3. cAMP הוא קופקטור חיובי המשפעל  חלבון PKA ע"י קישור של cAMP ליחידות הרגולטוריות של החלבון  היחידות הרגולטוריות מתפרקות מהקטליטיות שעתה פעילות. 4. PKA מזרחן את תת יחידה β של  פוספורילאז קינאז ואת גליקוגן סינתאז. זרחון זה מפעיל את פוספורילאז ובאופן סימולטני מעביר את גליקוגן סינתאז לצורתו הלא פעילה.בכבד קצת יותר מסובך: אפינפרין יכול לגרום לפירוק גליקוגן בכבד אך בנוסף לכך הוא נקשר לרצפטור נוסף ל- ל-α אדרנג'יק רצפטור אשר משפעל פוספוליפאז C שמאתחל מעגל שונה שבמהלכו יש עלייה בריכוז אינוזידול 1,4,5 טריפוספט ושחרור של יוני סידן מה- ER מה שגורם לשפעול חלקי של פוספורילאז קינאז . קישור סימולטני של גלוקוגון ואפינפרין גורם לפירוק גליקוגן מקסימלי בכבד.

הפסקת הסיגנל:  1. פעילות GTPase  של חלבון G. 2. בנוסף התאים מכילים אנזימים פוספודיאסתראז שהופכים cAMP ל-ATP. 3.חלבון PKA מוסיף קב' פוספריל לתת יחידה α של פוספוליראז קינאז לאחר זרחון ראשון של β, הפוספורילציה גורמת לאנזים להיות סובסטרט יותר טוב לדהפוספורילציה ולהפיכתו למצב לא פעיל ע"י האנזים PP1 הנקשר חזק לפוספורילאז a אך הוא במצבו הפעיל רק לאחר היקשרות של גלוקוז אז הוא מסיר את קב' הפוספוריל והופך אותו למצב לא פעיל b בעל אפיניות נמוכה PP1 שמשתחרר ובעקבות כך יש שפעול של גליקוגן סינתאז - וכך רמת הגלוקוז בדם משפיעה על המטבוליזם של גליקוגן.אינסולין מגביר את סינתזת גליקוגן בעוד שגלוקגון ואפינפרין מזרזים את פירוקו.

שאלות: אם ניצלנו את כל הגליקוגן בשריר האם אפשר לסנתז גלוקוז דרך גלוקונאוגנזה? לא. צריך אנזים גלוקוז 6-פוספטאז שאיננו נמצא בשריר.