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Glykogenstoffwechsel (Glykogen)

Abstract

Glykogen ist ein stark verzweigtes Polymer aus Glucosemolekülen, es dient als wichtigstes Speicherkohlenhydrat des menschlichen Organismus. Glykogen kommt zwar in allen Zellen vor (mit Ausnahme der Erythrozyten), die weitaus größten Glykogenspeicher befinden sich allerdings in der Leber und in der Skelettmuskulatur. Die Glykogenspeicher der Skelettmuskulatur dienen der Eigenversorgung des Muskels, während die Leber vor allem für die Aufrechterhaltung des Blutzuckers zuständig ist. Volle Glykogenspeicher können den Organismus etwa 12–48 Stunden ohne Nahrungszufuhr versorgen. Der Glykogenauf- und -abbau unterliegt einer strengen Regulation, die hauptsächlich durch die Hormone Insulin, Glucagon und Adrenalin vermittelt wird.

Allgemeines

  • Definition/Bedeutung: Glykogen ist das wichtigste Speicherkohlenhydrat im menschlichen Organismus
  • Vorkommen: Im Zytoplasma (genauer: Zytosol) aller Zellen, außer den Erythrozyten (größter Speicher ist die Skelettmuskulatur , darauf folgt die Leber )
  • Struktur: Stark verzweigtes Polymer aus Glucosemolekülen, die α-1,4-glykosidisch und α-1,6-glykosidisch miteinander verbunden sind

Die Glykogenspeicher im Skelettmuskel dienen der Eigenversorgung, während die Leber vor allem für die Aufrechterhaltung des Blutzuckerspiegels zuständig ist!

Glykogensynthese

  1. Aktivierung der Glucose zu Uridindiphosphat-Glucose (UDP-Glucose)
  2. Verlängerung unverzweigter Ketten
  3. Einfügen von Verzweigungsstellen
    • Branching-Enzyme : Spaltet α-1,4-glykosidische Verbindungen der unverzweigten Kette und überträgt eine kleine Kette aus 6-7 Glucoseeinheiten auf das C6-Atom eines anderen Glucosemoleküls in der Glykogenkette
  4. Neubildung eines Glykogenmoleküls
    • Glykogenin: Zytosolisches Protein aus zwei identischen Untereinheiten, das als Starter-Glykogen dient und eine Glykosyltransferase-Aktivität besitzt
      • Der erste Schritt der Glykogensynthese ist die Autoglykosylierung von Glykogenin: Jede der beiden Untereinheiten des Proteins katalysiert das Anhängen einer Kette aus acht Glucoseeinheiten an einen Tyrosylrest der jeweils anderen Untereinheit.
      • Substrat: UDP-Glucose (aktivierte Glucose)
      • Wenn die Oligosaccharidkette acht Moleküle lang ist, nimmt die Glykogensynthase ihre Arbeit auf und verlängert das Glykogenmolekül

Glykogenin wird nicht abgespalten – es ist im Innern eines jeden Glykogenmoleküls vorhanden!

Ablauf der Glykogensynthese ausgehend von Glucose: Glc → Glc-6-P → Glc-1-P → UDP-Glc → Glykogen

Glykogenabbau

Die Glykogenolyse erfolgt zum großen Teil nicht hydrolytisch, sondern phosphorolytisch. Das Produkt ist nicht freie Glucose, sondern Glucose-1-Phosphat. Lediglich an den Verzweigungsstellen erfolgt eine hydrolytische Spaltung, hier entsteht dann freie Glucose!

Glykogenosen
Bei Störungen des Glykogenabbaus kommt es zu einer Anhäufung von normal oder pathologisch strukturiertem Glykogen in den Zellen. Diese Glykogenspeicherkrankheiten bezeichnet man als Glykogenosen. Es sind 7 verschiedene Typen bekannt, die sich in ihren Ursachen unterscheiden. Betroffen sind vor allem Muskeln und Leber, die die größten Glykogenspeicher enthalten.

Regulation des Glykogenstoffwechsels

Der Glykogenstoffwechsel wird hauptsächlich hormonell reguliert. Er basiert auf der Phosphorylierung und Dephosphorylierung der Glykogenphosphorylase und der Glykogensynthase durch die cAMP-abhängige Proteinkinase A. Da das Glykogen in der Leber und der Skelettmuskulatur jeweils unterschiedliche Funktionen hat, erfolgt auch die Regulation unabhängig voneinander. So gibt es im Skelettmuskel zusätzlich eine allosterische Regulation über ATP, AMP und Calcium-Ionen.

Hormonelle Regulation

Die hormonelle Regulation findet in Leber und Skelettmuskulatur statt.

Der Effektor cAMP stimuliert den Glykogenabbau und verhindert die Glykogensynthese!

Das vermehrte Vorliegen von Phosphat in den Zellen ist ein Hungersignal: Alle Enzyme, die den Blutzuckerspiegel heben, sind in ihrer phosphorylierten Form aktiv!

Allosterische Regulation

Die allosterischen Regulationen finden nur im Skelettmuskel statt, nicht in der Leber. Sie sind schneller als die Phosphorylierungen durch die Proteinkinase A.

Wiederholungsfragen zum Kapitel Glykogenstoffwechsel

Allgemeines

Wo wird Glykogen in den Zellen gespeichert?

Wie ist Glykogen aufgebaut?

Glykogensynthese

Über welche Zwischenstufen wird Glucose umgewandelt, um schließlich in ein Glykogenmolekül eingebaut zu werden?

Um welchen Reaktionstyp handelt es sich bei der Umwandlung von Glucose-6-phosphat zu Glucose-1-phosphat?

Wie entsteht UDP-Glucose für die Glykogensynthese?

Was ist die Funktion der Glykogensynthase und welche Voraussetzung benötigt sie, um arbeiten zu können?

Welches Protein wird für die Neubildung von Glykogen benötigt und was ist seine Funktion?

Welches Molekül dient als Substrat für die Glykosyltransferasen?

Glykogenabbau

Mit welcher Reaktion beginnt üblicherweise der Glykogenabbau am endständigen (nicht-reduzierenden) Ende des Glykogenmoleküls?

Regulation des Glykogenstoffwechsels

Was bewirkt eine Phosphorylierung der Glykogenphosphorylase und durch welche Hormone wird die Phosphorylierung stimuliert?

Welches Enzym phosphoryliert die Glykogenphosphorylase und wie wird es aktiviert?

Was bewirkt die Phosphorylierung der Glykogensynthase?

Durch welche drei Mechanismen wird die Glykogensynthese bei verminderten cAMP-Mengen gesteigert?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.