Hfst 21, glycogeen metabolisme
Inleiding
Glucose, kan niet opgeslagen worden doordat het dan de osmotische balans in de cel zou verstoren.
De oplossing hiervoor is om het nonosmotically op te slaan in vorm van een polymeer: glycogeen.
Glycogeen, is een readily mobilized opslagvorm van glucose. De meeste glucose residuen zijn middels
een α-1,4-glycosidic binding verbonden en elke 12 residuen wordt er een α-1,6-glycosidic binding
gecreëerd om vertakkingen te maken. Glycogeen is niet zo gereduceerd als vetzuren is daardoor ook
niet zo energierijk als vetzuren. Toch wordt niet al het glucose als vet opgeslagen, omdat de
gecontroleerde release van glucose vanuit glycogeen de bloedglucosespiegel op pijl houdt tussen
maaltijden door en glucose vanuit glycogeen een goede bron is voor plotselinge inspannende
activiteit. Daarnaast kan glucose van glycogeen in afwezigheid van zuurstof vrijgemaakt worden en
dat kan niet bij vetzuren. Dit is belangrijk voor anaerobe activiteit.
Zetmeel, bacteriën, archaea en eukaryoten slaan glucose op als glycogeen, maar planten als zetmeel.
Glycogeenopslag, de lever en skeletspieren zijn de belangrijkste organen voor glycogeenopslag in de
mens. De concentratie glycogeen in de lever is hoger dan die in de spieren (10% vs 2%) maar over het
algemeen bezitten de spieren meer glycogeen doordat zij in veel grotere massa aanwezig zijn. In de
lever speelt deze opslag een rol om de bloedsuikerspiegel constant te houden en in de spieren wordt
het juist opgeslagen om aan de eigen energiebehoeften te voldoen.
Glycogeen granulen, glycogeen wordt in de vorm van
granulen in het cytoplasma opgeslagen.
Glycogeen degradatie, bestaat uit 3 stappen: (1) loskomen
van glucose 1-fosfaat van glycogeen, (2) remodeling van het
glycogeen substraat om verdere afbraak mogelijk te maken
en (3) de omzetting van glucose 1-fosfaat tot glucose 6-
fosfaat voor verder metabolisme.
Glucose 6-fosfaat, dat afkomstig is
van glycogeen heeft 3 mogelijke fates: (1) intreden van de
glycolyse pathway, (2) omzetting tot vrij glucose om het
bloed in te gaan of (3) het kan door de pentose fosfaat
pathway verwerkt worden om NADPH en ribose
afgeleiden op te leveren.
Glycogeen synthese, vindt plaats wanneer er veel glucose
aanwezig is. Voor de synthese is een geactiveerde vorm
van glucose nodig: uridine diphosphate glucose (UDP-glucose). Dit wordt
gevormd door de reactie van UTP en glucose 1-fosfaat. Net als bij
glycogeen afbraak moet het molecuul hervormd worden voor verdere
synthese.
Regulatie, de regulatie van glycogeen afbraak en synthese wordt
gefaciliteerd door het feit dat alle enzymen die betrokken zijn bij
glycogeen metabolisme en zijn regulatie geassocieerd zijn met het glycogeen deeltje. Meerdere
enzymen die betrokken zijn bij glycogeen metabolisme worden allosterisch gereguleerd door
signalen die de energie behoeften van de cel aangeven. Zo wordt enzym activiteit aangepast om te
,voldoen aan de behoeften van de cel. Daarnaast kan er ook regulatie door hormonen plaatsvinden
en dit past glycogeen metabolisme aan op de behoeften van het gehele organisme.
E-module
AK lecture, er is een filmpje van AK lectures te vinden over ‘Introduction to glycogen’.
Vragen, hieronder volgen een paar vragen uit de e-module:
21.1 glycogeen afbraak heeft interplay van meerdere
enzymen nodig
Enzymen, efficiënte afbraak van glycogeen tot glucose 6-fosfaat heeft 4 enzym activiteiten nodig: 1
voor afbraak van glycogeen, 2 voor het remodelleren van glycogeen en 1 om het product van de
afbraak in toepasbare vorm voor verder metabolisme om te zetten.
Glycogeen phosphorylase, is het belangrijkste enzym in de degradatie en klieft het substraat door
een orthophosphate (Pi) toe te voegen. Dit levert glucose 1-fosfaat:
Phosphorylase katalyseert de sequentiële verwijdering van glucosyl residuen van het niet-reducerend
einde van het glycogeen molecuul. Hierbij wordt de α-1,4-glycosidic binding verbroken:
Deze reactie is in vitro reversibel en de waarde van ∆𝐺 𝑜′ is zo klein omdat een glycosidic binding
vervangen wordt voor een phosphoryl ester binding. Deze binding bevatten bijna eenzelfde transfer
,potentiaal. Desondanks vindt phosphorolysis in vivo ver in de richting van glycogeen afbraak plaats.
Dat komt doordat de [Pi]/[glucose 1-fosfaat] ratio meestal groter dan 100 is, waardoor
phosphorolysis gefavoured wordt.
Phosphorolysis, klieving van een binding door toevoeging van orthophosphate wordt “ genoemd.
Phosphoglucomutase, glucose 1-fosfaat kan meteen omgezet worden tot glucose 6-fosfaat door
phosphoglucomutase. Dit is een belangrijke metabole intermediate.
De phosphorolytische klieving van glycogeen is energetisch gunstig doordat de vrijgekomen suiker al
gefosforileerd is. Daarbij zorgt dit ervoor dat het suiker niet uit de cel ontsnapt.
Hydrolyse, een hydrolytische klieving van glycogeen zou glucose opleveren wat vervolgens ten koste
van ATP gefosforileerd zou moeten worden om de glycolyse pathway in te gaan.
Structuur phosphorylase, zoals hierboven te
lezen is, is het belangrijk dat glycogeen middels
phosphorolysis en niet middels hydrolysis
gekliefd wordt. Water moet dan ook uit de
active site van phosphorylase gehouden
worden. Het enzym bestaat uit twee identieke
subunits die compact opgevouwen zijn tot een
amino-terminaal domein die een glycogeen-
binding site bevat en een carboxyl-terminaal
domein. De katalytische site van elke subunit
ligt in een diepe spleet die uit residuen van
beide domeinen bestaat.
Mechanisme phosphorylase, zowel het
glycogeen substraat en het glucose 1-fosfaat
product hebben een α configuratie aan C1. Dit
stelt voor dat er een even aantal stappen plaatsvindt. Er wordt daarom gedacht dat er een
carbonium ion intermediate gevormd wordt van het glucose residu. Verder heeft het enzym co-
enzym pyridoxal phosphate (PLP) nodig om katalyse uit te voeren. De aldehyde groep van dit co-
enzym vormt een Schiff base linkage met een specifieke lysine zijketen van het enzym. Het
reagerende orthophosphate neemt een positie aan tussen fosfaatgroep van PLP en het glycogeen
substraat. In onderstaande afbeelding is dit weergegeven, waarbij Pi rood is, glycogeen zwart is en
PLP blauw is. De fosfaatgroep van PLP dient eerst als proton donor en vervolgens acceptor (general
acid-base catalyst). Orthophosphate doneert een proton aan het C4 zuurstof atoom en ontvangt
tegelijkertijd een proton van PLP. Het carbonium ion intermediate dat in deze stap gevormd wordt,
wordt vervolgens aangevallen door Pi om α-glucose 1-fosfaat te vormen. Hierbij wordt een proton
afgestaan aan PLP.
PLP, pyridoxal phosphate is een afgeleide van pyridoxine (vitamine B6). De rol van PLP is cruciaal in
phosphorylase, aangezien er geen water aanwezig is in de active site.
, Binding & katalyse site, liggen 30 Å uit elkaar maar zijn verbonden middels een nauwe spleet die 4
tot 5 glucose units toelaat. Deze scheiding maakt het mogelijk dat het enzym veel residuen kan
phosphorolyze zonder steeds te hoeven dissociëren en reassociëren na elke katalyse cyclus.
Processive enzym, enzymen die meerdere reacties kunnen katalyseren zonder te hoeven dissociëren
en reassociëren worden processive genoemd (eigenschap van enzymen die grote polymeren
synthetiseren en afbreken).
Probleem α-1,6-glycosidic, de α-1,6-glycoside bindingen kunnen
niet door phosphorylase gekliefd worden en phosphorylase stop
dan ook met het klieven van α-1,4 bindingen wanneer het een
terminaal residu tegenkomt dat 4 residuen van het vertakkingspunt
ligt. Om afbraak van glycogeen toch door te laten gaan zijn 2
moleculen van belang: transferase en α-1,6-glucosidase.
Transferase, verplaatst een blok van 3 glucosyl residuen van een
outer branch naar een andere. Hierdoor wordt enkel glucose
residu, dat middels een α-1,6-glycosidic binding verbonden is,
blootgesteld.
α-1,6-glucosidase, ook wel bekend als het debranching enzym,
hydrolyseert de α-1,6 binding:
Hexokinase, bij actie van α-1,6-glucosidase komt glucose vrij. Dit wordt vervolgens gefosforileerd
door het glycolytische enzym hexokinase.
Bifunctioneel enzym, in eukaryoten zijn transferase en α-1,6-glucosidase in dezelfde
polypeptideketen aanwezig.
Phosphoglucomutase, zet glucose 1-fosfaat (G 1-P) om in glucose 6-fosfaat (G 6-P). Dit enzym komt
ook voor in galactose metabolisme. Het enzym bevat een gefosforileerd serine residu en wisselt een
phosphoryl groep uit met zijn substraat. Dat is het mechanisme van actieve mutases. In dit geval
wordt de phosphoryl groep afgedragen aan de C6 hydroxyl groep van G 1-P om glucose-1,6-bifosfaat
te vormen. De C1 phosphoryl groep van dit intermediate wordt vervolgens aan hetzelfde serine
residu teruggegeven. Dit levert G 6-P en regeneratie van het enzym op.
Phosphoglycerate mutase, is een glycolytische enzym dat op dezelfde wijze tewerk gaat.
Lever, heeft als van zijn belangrijke functies dat die de glucosespiegel constant houdt en dus glucose
afgeeft aan het bloed tussen maaltijden door en tijden spieractiviteit. Vrijgelaten glucose wordt met
name door de hersenen, rode bloedcellen en skeletspieren opgenomen.
Glucose 6-phosphatase, dit enzym van de lever maakt het mogelijk dat glucose het orgaan kan
verlaten, want G 6-P kan niet over het membraan getransporteerd worden. Dit enzym klieft G 6-P tot
glucose en orthophosphate. Dit is hetzelfde enzym dat glucose vrijlaat na gluconeogenese. Het is
Inleiding
Glucose, kan niet opgeslagen worden doordat het dan de osmotische balans in de cel zou verstoren.
De oplossing hiervoor is om het nonosmotically op te slaan in vorm van een polymeer: glycogeen.
Glycogeen, is een readily mobilized opslagvorm van glucose. De meeste glucose residuen zijn middels
een α-1,4-glycosidic binding verbonden en elke 12 residuen wordt er een α-1,6-glycosidic binding
gecreëerd om vertakkingen te maken. Glycogeen is niet zo gereduceerd als vetzuren is daardoor ook
niet zo energierijk als vetzuren. Toch wordt niet al het glucose als vet opgeslagen, omdat de
gecontroleerde release van glucose vanuit glycogeen de bloedglucosespiegel op pijl houdt tussen
maaltijden door en glucose vanuit glycogeen een goede bron is voor plotselinge inspannende
activiteit. Daarnaast kan glucose van glycogeen in afwezigheid van zuurstof vrijgemaakt worden en
dat kan niet bij vetzuren. Dit is belangrijk voor anaerobe activiteit.
Zetmeel, bacteriën, archaea en eukaryoten slaan glucose op als glycogeen, maar planten als zetmeel.
Glycogeenopslag, de lever en skeletspieren zijn de belangrijkste organen voor glycogeenopslag in de
mens. De concentratie glycogeen in de lever is hoger dan die in de spieren (10% vs 2%) maar over het
algemeen bezitten de spieren meer glycogeen doordat zij in veel grotere massa aanwezig zijn. In de
lever speelt deze opslag een rol om de bloedsuikerspiegel constant te houden en in de spieren wordt
het juist opgeslagen om aan de eigen energiebehoeften te voldoen.
Glycogeen granulen, glycogeen wordt in de vorm van
granulen in het cytoplasma opgeslagen.
Glycogeen degradatie, bestaat uit 3 stappen: (1) loskomen
van glucose 1-fosfaat van glycogeen, (2) remodeling van het
glycogeen substraat om verdere afbraak mogelijk te maken
en (3) de omzetting van glucose 1-fosfaat tot glucose 6-
fosfaat voor verder metabolisme.
Glucose 6-fosfaat, dat afkomstig is
van glycogeen heeft 3 mogelijke fates: (1) intreden van de
glycolyse pathway, (2) omzetting tot vrij glucose om het
bloed in te gaan of (3) het kan door de pentose fosfaat
pathway verwerkt worden om NADPH en ribose
afgeleiden op te leveren.
Glycogeen synthese, vindt plaats wanneer er veel glucose
aanwezig is. Voor de synthese is een geactiveerde vorm
van glucose nodig: uridine diphosphate glucose (UDP-glucose). Dit wordt
gevormd door de reactie van UTP en glucose 1-fosfaat. Net als bij
glycogeen afbraak moet het molecuul hervormd worden voor verdere
synthese.
Regulatie, de regulatie van glycogeen afbraak en synthese wordt
gefaciliteerd door het feit dat alle enzymen die betrokken zijn bij
glycogeen metabolisme en zijn regulatie geassocieerd zijn met het glycogeen deeltje. Meerdere
enzymen die betrokken zijn bij glycogeen metabolisme worden allosterisch gereguleerd door
signalen die de energie behoeften van de cel aangeven. Zo wordt enzym activiteit aangepast om te
,voldoen aan de behoeften van de cel. Daarnaast kan er ook regulatie door hormonen plaatsvinden
en dit past glycogeen metabolisme aan op de behoeften van het gehele organisme.
E-module
AK lecture, er is een filmpje van AK lectures te vinden over ‘Introduction to glycogen’.
Vragen, hieronder volgen een paar vragen uit de e-module:
21.1 glycogeen afbraak heeft interplay van meerdere
enzymen nodig
Enzymen, efficiënte afbraak van glycogeen tot glucose 6-fosfaat heeft 4 enzym activiteiten nodig: 1
voor afbraak van glycogeen, 2 voor het remodelleren van glycogeen en 1 om het product van de
afbraak in toepasbare vorm voor verder metabolisme om te zetten.
Glycogeen phosphorylase, is het belangrijkste enzym in de degradatie en klieft het substraat door
een orthophosphate (Pi) toe te voegen. Dit levert glucose 1-fosfaat:
Phosphorylase katalyseert de sequentiële verwijdering van glucosyl residuen van het niet-reducerend
einde van het glycogeen molecuul. Hierbij wordt de α-1,4-glycosidic binding verbroken:
Deze reactie is in vitro reversibel en de waarde van ∆𝐺 𝑜′ is zo klein omdat een glycosidic binding
vervangen wordt voor een phosphoryl ester binding. Deze binding bevatten bijna eenzelfde transfer
,potentiaal. Desondanks vindt phosphorolysis in vivo ver in de richting van glycogeen afbraak plaats.
Dat komt doordat de [Pi]/[glucose 1-fosfaat] ratio meestal groter dan 100 is, waardoor
phosphorolysis gefavoured wordt.
Phosphorolysis, klieving van een binding door toevoeging van orthophosphate wordt “ genoemd.
Phosphoglucomutase, glucose 1-fosfaat kan meteen omgezet worden tot glucose 6-fosfaat door
phosphoglucomutase. Dit is een belangrijke metabole intermediate.
De phosphorolytische klieving van glycogeen is energetisch gunstig doordat de vrijgekomen suiker al
gefosforileerd is. Daarbij zorgt dit ervoor dat het suiker niet uit de cel ontsnapt.
Hydrolyse, een hydrolytische klieving van glycogeen zou glucose opleveren wat vervolgens ten koste
van ATP gefosforileerd zou moeten worden om de glycolyse pathway in te gaan.
Structuur phosphorylase, zoals hierboven te
lezen is, is het belangrijk dat glycogeen middels
phosphorolysis en niet middels hydrolysis
gekliefd wordt. Water moet dan ook uit de
active site van phosphorylase gehouden
worden. Het enzym bestaat uit twee identieke
subunits die compact opgevouwen zijn tot een
amino-terminaal domein die een glycogeen-
binding site bevat en een carboxyl-terminaal
domein. De katalytische site van elke subunit
ligt in een diepe spleet die uit residuen van
beide domeinen bestaat.
Mechanisme phosphorylase, zowel het
glycogeen substraat en het glucose 1-fosfaat
product hebben een α configuratie aan C1. Dit
stelt voor dat er een even aantal stappen plaatsvindt. Er wordt daarom gedacht dat er een
carbonium ion intermediate gevormd wordt van het glucose residu. Verder heeft het enzym co-
enzym pyridoxal phosphate (PLP) nodig om katalyse uit te voeren. De aldehyde groep van dit co-
enzym vormt een Schiff base linkage met een specifieke lysine zijketen van het enzym. Het
reagerende orthophosphate neemt een positie aan tussen fosfaatgroep van PLP en het glycogeen
substraat. In onderstaande afbeelding is dit weergegeven, waarbij Pi rood is, glycogeen zwart is en
PLP blauw is. De fosfaatgroep van PLP dient eerst als proton donor en vervolgens acceptor (general
acid-base catalyst). Orthophosphate doneert een proton aan het C4 zuurstof atoom en ontvangt
tegelijkertijd een proton van PLP. Het carbonium ion intermediate dat in deze stap gevormd wordt,
wordt vervolgens aangevallen door Pi om α-glucose 1-fosfaat te vormen. Hierbij wordt een proton
afgestaan aan PLP.
PLP, pyridoxal phosphate is een afgeleide van pyridoxine (vitamine B6). De rol van PLP is cruciaal in
phosphorylase, aangezien er geen water aanwezig is in de active site.
, Binding & katalyse site, liggen 30 Å uit elkaar maar zijn verbonden middels een nauwe spleet die 4
tot 5 glucose units toelaat. Deze scheiding maakt het mogelijk dat het enzym veel residuen kan
phosphorolyze zonder steeds te hoeven dissociëren en reassociëren na elke katalyse cyclus.
Processive enzym, enzymen die meerdere reacties kunnen katalyseren zonder te hoeven dissociëren
en reassociëren worden processive genoemd (eigenschap van enzymen die grote polymeren
synthetiseren en afbreken).
Probleem α-1,6-glycosidic, de α-1,6-glycoside bindingen kunnen
niet door phosphorylase gekliefd worden en phosphorylase stop
dan ook met het klieven van α-1,4 bindingen wanneer het een
terminaal residu tegenkomt dat 4 residuen van het vertakkingspunt
ligt. Om afbraak van glycogeen toch door te laten gaan zijn 2
moleculen van belang: transferase en α-1,6-glucosidase.
Transferase, verplaatst een blok van 3 glucosyl residuen van een
outer branch naar een andere. Hierdoor wordt enkel glucose
residu, dat middels een α-1,6-glycosidic binding verbonden is,
blootgesteld.
α-1,6-glucosidase, ook wel bekend als het debranching enzym,
hydrolyseert de α-1,6 binding:
Hexokinase, bij actie van α-1,6-glucosidase komt glucose vrij. Dit wordt vervolgens gefosforileerd
door het glycolytische enzym hexokinase.
Bifunctioneel enzym, in eukaryoten zijn transferase en α-1,6-glucosidase in dezelfde
polypeptideketen aanwezig.
Phosphoglucomutase, zet glucose 1-fosfaat (G 1-P) om in glucose 6-fosfaat (G 6-P). Dit enzym komt
ook voor in galactose metabolisme. Het enzym bevat een gefosforileerd serine residu en wisselt een
phosphoryl groep uit met zijn substraat. Dat is het mechanisme van actieve mutases. In dit geval
wordt de phosphoryl groep afgedragen aan de C6 hydroxyl groep van G 1-P om glucose-1,6-bifosfaat
te vormen. De C1 phosphoryl groep van dit intermediate wordt vervolgens aan hetzelfde serine
residu teruggegeven. Dit levert G 6-P en regeneratie van het enzym op.
Phosphoglycerate mutase, is een glycolytische enzym dat op dezelfde wijze tewerk gaat.
Lever, heeft als van zijn belangrijke functies dat die de glucosespiegel constant houdt en dus glucose
afgeeft aan het bloed tussen maaltijden door en tijden spieractiviteit. Vrijgelaten glucose wordt met
name door de hersenen, rode bloedcellen en skeletspieren opgenomen.
Glucose 6-phosphatase, dit enzym van de lever maakt het mogelijk dat glucose het orgaan kan
verlaten, want G 6-P kan niet over het membraan getransporteerd worden. Dit enzym klieft G 6-P tot
glucose en orthophosphate. Dit is hetzelfde enzym dat glucose vrijlaat na gluconeogenese. Het is
