Input über Biochemie
Glycogenolyse und Stärkeabbau
Viel Spaß beim weiter mitlernen!
LG Renate
Biochemie und Pathobiochemie: Glycogenolyse und Stärkeabbau
Allgemeines
Die Stärke der Pflanzen (Amylose und Amylopectin) und das tierische
Glycogen stellen die kompakte Speicherform der Glucose dar. Sie bestehen
aus langen Ketten von 1,4-α-verbundenen Glucosemolekülen, die sich über
zusätzliche 1,6-α-gebundene Glucose-Moleküle verzweigen.
In Leber und Muskel gebildetes Glycogen dient im Körper als schnell verfügbarer Energie- bzw. Glucosespeicher.
Glycogen und Stärke aus der Nahrung werden im Verdauungstrakt von
Amylasen, Glucosidasen und Isomaltasen zerlegt und dienen als exogene
Kohlenhydratquelle.
Abbau von Kettenverzweigungen
| ⇓ |
Substrat |
( ⇑ ) |
Co. |
Enzym |
EC |
EG |
Erkr. |
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α-Glucantransferase
(debranching enzyme)
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2.4.1.25 |
Tr |
GSD3 (Forbe, Cori) |
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[1,4-α-D-Glycosyl]n mit einem 1,6-gebundenen Glucosemolekül |
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H2O
α-D-Glucose
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Amylo-1,6-Glucosidase
(debranching enzyme)
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3.2.1.33 |
Hyd |
GSD3 (Forbe, Cori) |
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[1,4-α-D-Glycosyl]n mit einer Verzweigung weniger |
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Zuerst wird die Amylose-Kette durch die α-Glucantransferase vom
1,6-gebundenen Glucose-Molekül (der Verzweigungsstelle) auf eine andere
(bereits gekürzte) Amylose-Kette übertragen, also von einer 1,4- zu
einer 1,4-Bindung. Das nun freistehende 1,6-gebundene Glucose-Molekül
kann dann im 2. Schritt von der Amylo-1,6-Glucosidase abgespalten
werden.
Freisetzung von Glucosemolekülen aus der (unverzweigten) Glycogenkette
Die Freisetzung von Glucose-1-phosphat statt Glucose hat den Vorteil,
dass die Glucose nicht erst wieder zum Glucose-6-phosphat mit ATP
phosphoryliert werden muss, damit sie weiter verstoffwechselt werden
kann. So kann ATP eingespart werden.
Glucoseabspaltung vom nicht-reduzierenden Kettenende her
Sukkzessive Abspaltung terminaler 1,4-gebundener α-
D-Glucose-Reste vom nicht-reduzierenden Ende her.
| ⇓ |
Substrat |
⇑ |
Co. |
Enzym |
EC |
EG |
Erkr. |
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Glycogen, Dextrin |
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H2O
Glycogen/Dextrin
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Glucan-1,4-α-Glucosidase |
3.2.1.3 |
Hyd |
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 β-D-Glucose
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Aldose-1-Epimerase |
5.1.3.3 |
Iso |
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 α-D-Glucose
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Oligosaccharid
H2O
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Lysosomale α-Glucosidase
(saure Maltase)
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3.2.1.20 |
Hyd |
(GSD2) Pompe) |
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Intestinale Maltase-Glucoamylase |
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Oligosaccharide, intestinal auch Polysaccharide |
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1,4-α-Spaltung von Stärke und Glycogen zu Dextrin durch Amylase im Verdauungstrakt
| ⇓ |
Subst. |
( ⇑ ) |
Co. |
Enzym |
EC |
EG |
Erkr. |
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[1,4-α-D-Glycosyl]n (Amylose) |
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H2O
[1,4-α-D-Glycosyl]n
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3.2.1.1 |
Hyd |
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Mono-, Di-, Oligosaccharide, Dextrin |
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1,6-α-Spaltung von 1,6-α-Bindungen im Verdauungstrakt
| ⇓ |
Subst. |
( ⇑ ) |
Co. |
Enzym |
EC |
EG |
Erkr. |
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Isomaltose (oder Dextrin) |
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H2O
α-D-Glucose (oder Dextrin)
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Isomaltase |
3.2.1.10 |
Hyd |
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α-D-Glucose |
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Eigenschaften von Glycogen und Stärke
Pflanzliche Stärke setzt sich aus Amylose und Amylopectin zusammen.
Amylose besteht aus Ketten von 250-300 Glucosemolekülen, die (wie
Maltose auch) 1,4-α-glycosidisch verbunden sind. Amylopectin enthält
zusätzlich noch an etwa jeder 25. Glucose eine 1,6-α-gebundene Glucose,
wo sich dann die Kette verzweigt. Tierisches Glycogen entspricht
weitgehend dem Amylopectin, ist allerdings noch stärker verzweigt (alle
6-10 Glucosereste). Durch die Verzweigungen entstehen große
Makromoleküle.
Im tierischen Organismus findet der Auf- und Abbau von Glycogen vorwiegend in der Leber und im Muskel statt.
Abbau der Verzweigungen beim Glycogenabbau in Leber und Muskel
Die Entfernung der Verzweigungen (Tab. 1) erfolgt, wenn durch die
benachbarte Glycogenolyse die Verzweigungsstelle für die
debranching-Enzyme zugänglich geworden ist. Dann kann die
α-Glucantransferase angreifen und die 1,6-gebundene Kette bis auf das
1,6-gebundene Glucosemolekül 1,4-glycosidisch auf die andere Kette
übertragen. Das einzelne 1,6-gebundene Glucosemolekül kann nach der
Exponierung der 1,6-Bindung nun durch die Amylo-1,6-Glucosidase
abgespalten werden.
____ _
___/_ -> ___/_____ -> ________
α-Glucantransferase Amylo-1,6-Glucosidase
Abbau der 1,6-Verzweigungen im Verdauungstrakt
α-1,6-glykosidische Bindungen werden im Dünndarm von der Isomaltase hydrolytisch gespalten (Tab. 5).
Abbau der Homopolysaccharidketten - 3 Varianten
_ G1P _ Glc Bruchstücke
_____ ______ ____________ ____ _ _____ ___ _
____________ _____________ ______________
Phosphorylase Glucosidase α-Amylase
Aus der unverzweigten Glucose-Kette werden in Leber und Muskel
sukzessive einzelne Glucosemoleküle direkt als Glucose-1-phosphat
(ATP-Ersparnis!) von der Glycogen-Phosphorylase herausgeschnitten (Tab.
2) oder sie können durch die Glucosidase vom nicht-reduzierenden Ende
her als Glucosemoleküle abgespalten werden (Tab. 3).
Mit der Nahrung aufgenommene pflanzlichen Stärke und Glycogen werden
im Mund und Dünndarm durch α-Amylase (Tab. 4) und im Dünndarm durch
α-Glucosidasen (Maltase, Tab. 3) an der α-1,4-glykosidischen Bindung
hydrolytisch gespalten. Die α-Amylase hat ihr Aktivitätsmaximum im
alkalischen Milieu und ist besonders im Sekret von Speicheldrüsen und
Pankreas enthalten. Verbleibende α-1,6-glykosidische Bindungen werden
von der Isomaltase abgebaut (Tab. 5).
Glycogenhaushalt
Glycogen wird bezogen auf das Gewicht am stärksten in der
Leber
gespeichert. Glycogen stellt eine leicht verfügbare Glucosereserve dar.
Die Leber ist für die Kohlenhydrate und Aminosäuren aus dem
Verdauungstrakt, die über die Pfortader antransportiert werden, das
erste Auffangbecken. Da wir unregelmäßig essen, Organe wie das Gehirn
aber ständig Glucose brauchen wird der Blutglucosespiegel streng
kontrolliert. Die Leber ist hier das zentrale Regulationsorgan, in dem
sie Glucose als Glycogen speichert und sie bei Bedarf wieder freisetzt
und auch über die
Gluconeogenese neu bildet. Bezogen auf den Körpergesamtglycogengehalt findet sich das meiste Glycogen allerdings in der
Skelettmuskelmasse.
Der Skelettmuskel besitzt keine Glucose-6-Phosphatase-Aktivität und
nutzt seine Glycogenspeicher daher nur für den Eigenbedarf
(Glucose-6-phosphat kann die Zelle nicht verlassen).
Regulation
Das Schlüsselenzym der Glycogenolyse ist die
Glycogen-Phosphorylase.
Allosterisch aktiviert wird das Enzym durch AMP, welches Energiemangel
signalisiert. Allosterische Hemmer sind entsprechend ATP und
Glucose-6-phosphat.
Die Leber-Isoform des Enzyms kann auch durch Phosporylierung eines
Serin-Restes aktiviert werden. Die Phosphorylierung erfolgt durch die
Phosphorylase-Kinase, die ihrerseits durch Phosphorylierung oder Ca
2+-Calmodulin
aktiviert wird. Aktivierung heißt es kommt zu einer
Konformationsänderung des Enzyms. Die Glycogenolyse in der Leber wird
stimuliert durch Glucagon (aus den A-Zellen des Pankreas) und
Katecholamine (Adrenalin aus dem Nebennierenmark), die beide über
membranständige G-Protein-gekoppelte Rezeptoren die Adenylatcyclase
aktivieren (-> cAMP-Anstieg), sowie durch Glucokortikoide (aus der
Nebennierenrinde). Insulin (aus den B-Zellen des Pankreas) wirkt als
Gegenspieler und bremst den Glycogenabbau.
Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin
Eine Erhöhung der α-Amylase im Serum kann auf eine Pankreatitis oder Sialadenitis hinweisen.
Pharmakologie
Oral zugeführte
α-Glucosidase-Hemmer wie die
Acarbose
hemmen im Dünndarm die Spaltung von Stärke in Glucose. Beim Diabetes
mellitus Typ 2 können damit postprandiale Blutzuckerspitzen verhindert
werden. Gastrointestinale Nebenwirkungen kommen durch die bakterielle
Zersetzung der nicht resorbierten Kohlenhydrate im Dickdarm zustande.
Weblinks
| Allgemeine Hintergrundfarbe für Substrate |
Hintergrundfarbe Reaktionspfeile |
„Schlüsselenzyme“ |
|
| Energiereiche Phosphate Reduktionsäquivalente |
CO2 / HCO3− C1-Reste Stickstoff |
Abk.: Tr.: Transkriptionelle Regulation, Tl.: Regulation der
Translation, Lok.: Regulation über die Enzymlokalisation, Kov.:
Regulation durch kovalente Modifikation, All.: Allosterische Regulation,
Koop.: Kooperativer Effekt, Co.: Cofaktoren, EC: Enzymklassifikation,
EG: Enzymgruppe (Oxidoreductase, Transferase, Hydrolase, Lyase,
Isomerase, Ligase), Erkr.: Assoziierte Erkrankungen.
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