การสังเคราะห์และการสลายไกลโคเจน

ไกลโคเจนเป็นรูปแบบหลักของการเก็บสะสมกลูโคสในสัตว์ เป็นพอลิเมอร์ขนาดใหญ่ที่มีกิ่งก้านสาขา ซึ่งส่วนใหญ่พบในตับและกล้ามเนื้อโครงร่าง การสังเคราะห์ (glycogenesis) จะเก็บสะสมกลูโคสเมื่อมีปริมาณมาก และการสลาย (glycogenolysis) จะปล่อยหน่วยกลูโคสเมื่อความต้องการเพิ่มขึ้น กระบวนการทั้งสองถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์ที่แยกกัน และถูกควบคุมแบบผกผันกัน เพื่อให้เซลล์เก็บสะสมหรือระดมกลูโคสตามที่สภาพการณ์กำหนด โดยไม่ทำทั้งสองอย่างพร้อมกัน

Definition

เมแทบอลิซึมของไกลโคเจนคือชุดปฏิกิริยาที่ประสานกันซึ่งสร้างไกลโคเจนจากกลูโคส-1-ฟอสเฟตผ่านไกลโคเจนซินเทสและเอนไซม์สร้างกิ่ง (glycogenesis) และสลายไกลโคเจนเป็นกลูโคส-1-ฟอสเฟตผ่านไกลโคเจนฟอสฟอริเลสและเอนไซม์สลายกิ่ง (glycogenolysis) ภายใต้การควบคุมแบบผกผันด้วยฮอร์โมนและแบบอัลโลสเตอริก

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเส้นทางเอนไซม์ของการสังเคราะห์และการสลายไกลโคเจน โครงสร้างของอนุภาคไกลโคเจน และการควบคุมด้วยฮอร์โมนและแบบอัลโลสเตอริกที่สลับไปมาระหว่างการเก็บสะสมและการระดมพล นอกจากนี้ยังเปรียบเทียบบทบาทที่แตกต่างกันของไกลโคเจนในตับและกล้ามเนื้อ และกล่าวถึงชีวเคมีของการหมุนเวียนไกลโคเจนมากกว่าการจัดการทางคลินิกของความผิดปกติในการเก็บสะสมไกลโคเจน

Core questions

• พอลิเมอร์ไกลโคเจนที่มีกิ่งก้านสาขาถูกสร้างและขยายได้อย่างไร?
• กลูโคสถูกปล่อยออกจากไกลโคเจนตามความต้องการได้อย่างไร?
• การสังเคราะห์และการสลายถูกป้องกันไม่ให้เกิดขึ้นพร้อมกันได้อย่างไร?
• เหตุใดไกลโคเจนในตับและกล้ามเนื้อจึงมีวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน?

Key concepts

• ไกลโคเจนซินเทส
• ไกลโคเจนฟอสฟอริเลส
• เอนไซม์สร้างกิ่งและเอนไซม์สลายกิ่ง
• ไพรเมอร์ไกลโคเจนิน
• การควบคุมการเติมฟอสเฟตแบบผกผัน
• การควบคุมด้วยฮอร์โมนโดยอินซูลินและกลูคากอน/อะดรีนาลีน
• บทบาทของไกลโคเจนในตับเทียบกับกล้ามเนื้อ

Mechanisms

การสังเคราะห์ไกลโคเจนเริ่มต้นที่โปรตีนไกลโคเจนิน หลังจากนั้นไกลโคเจนซินเทสจะเพิ่มหน่วยกลูโคสจาก UDP-กลูโคสเพื่อสร้างสายโซ่เชิงเส้น และเอนไซม์สร้างกิ่งจะสร้างจุดแตกกิ่งที่ทำให้โมเลกุลมีขนาดกะทัดรัดและสามารถระดมพลได้อย่างรวดเร็ว การสลายไกลโคเจนดำเนินไปโดยไกลโคเจนฟอสฟอริเลส ซึ่งจะแยกหน่วยกลูโคสเป็นกลูโคส-1-ฟอสเฟต โดยมีเอนไซม์สลายกิ่งจัดการกับจุดแตกกิ่ง ซินเทสและฟอสฟอริเลสถูกควบคุมแบบผกผันโดยการเติมฟอสเฟตแบบโควาเลนต์และโดยตัวกระตุ้นแบบอัลโลสเตอริก ดังนั้นการส่งสัญญาณแบบลูกโซ่ของการเติมฟอสเฟตที่ขับเคลื่อนด้วยฮอร์โมนจะกระตุ้นเอนไซม์หนึ่งและยับยั้งอีกเอนไซม์หนึ่งพร้อมกัน อินซูลินส่งเสริมการสังเคราะห์ ในขณะที่กลูคากอน (ในตับ) และอะดรีนาลีน (ในกล้ามเนื้อ) ส่งเสริมการสลาย ไกลโคเจนในตับทำหน้าที่รักษาระดับน้ำตาลในเลือด ในขณะที่ไกลโคเจนในกล้ามเนื้อจะตอบสนองความต้องการการหดตัวของกล้ามเนื้อเอง

Clinical relevance

ความบกพร่องทางพันธุกรรมในเอนไซม์ของเมแทบอลิซึมไกลโคเจนทำให้เกิดโรคการเก็บสะสมไกลโคเจน ซึ่งเป็นกลุ่มของความผิดปกติที่แสดงให้เห็นถึงผลกระทบของการสังเคราะห์หรือการสลายที่หยุดชะงัก ความรู้เกี่ยวกับการหมุนเวียนไกลโคเจนปกติเป็นพื้นฐานความเข้าใจในภาวะเหล่านี้และการใช้เชื้อเพลิงในการออกกำลังกายและการอดอาหาร ข้อมูลนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อการศึกษาและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

เมแทบอลิซึมของไกลโคเจนเป็นหัวข้อพื้นฐานของชีวเคมีในศตวรรษที่ 20 คาร์ลและเกอร์ตี คอรี ได้อธิบายการสลายไกลโคเจนและเอนไซม์ฟอสฟอริเลส และงานของเอิร์ล ซัทเธอร์แลนด์เกี่ยวกับการกระตุ้นฟอสฟอริเลสด้วยฮอร์โมนนำไปสู่การค้นพบ cyclic AMP และการส่งสัญญาณแบบ second-messenger งานวิจัยในภายหลังได้ชี้แจงบทบาทของไกลโคเจนินในฐานะไพรเมอร์สังเคราะห์ และปรับปรุงแบบจำลองการควบคุมเอนไซม์แบบผกผัน

Key figures

• Carl Cori
• Gerty Cori
• Earl Sutherland
• Peter Roach

Seminal works

• roach-2012
• shulman-1992

Frequently asked questions

เหตุใดไกลโคเจนจึงมีกิ่งก้านสาขาแทนที่จะเป็นสายโซ่ตรง?

การมีกิ่งก้านสาขาทำให้โมเลกุลมีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นและสร้างปลายที่ไม่ลดรูปจำนวนมาก ทำให้สามารถเพิ่มหรือนำกลูโคสออกได้อย่างรวดเร็วที่หลายจุดพร้อมกัน ซึ่งช่วยให้การเก็บสะสมและการระดมพลเป็นไปอย่างรวดเร็ว

ไกลโคเจนในตับแตกต่างจากไกลโคเจนในกล้ามเนื้อในด้านการทำงานอย่างไร?

ไกลโคเจนในตับถูกสลายเพื่อปล่อยกลูโคสเข้าสู่กระแสเลือดและรักษาระดับน้ำตาลในเลือดสำหรับร่างกายทั้งหมด ในขณะที่ไกลโคเจนในกล้ามเนื้อถูกใช้เฉพาะที่เพื่อเป็นเชื้อเพลิงสำหรับการหดตัวของกล้ามเนื้อเอง