Glykogenstoffwechsel

Glykogen ist die Speicherform der Glucose. Fast alle Zellen können Glykogen speichern. Die größten und damit wichtigsten Speicherorte sind die Leber und die Muskulatur.

Glykogen besteht aus langen, verzweigten Ketten aus Glucosemolekülen, die meist α-1,4-glykosidisch, aber auch α-1,6-glykosidisch verknüpft sind und daher Verzweigungen enthalten.

Die Synthese von Glykogen erfolgt meist durch Verlängerung der vorhandenen Glykogenketten bzw. die Einführung von Verzweigungen. Ausgangsverbindung für die Glykogensynthese ist Glucose-6-phosphat, das aus Glucose gebildet wird. Dieses wird nach einer Isomerisierung zu UDP-Glucose aktiviert. Die UDP-Glucose ist der Donator für die Glucosereste, die von der Glykogensynthase auf ein nicht reduzierendes Ende eines bereits bestehenden Glykogenmoleküls übertragen werden. Durch Übertragung eines Kettenabschnitts auf dieselbe oder eine benachbarte Kette durch das Branching-Enzym wird die Verzweigung generiert. Bei der Synthese neuer Partikel wird das erste Glucosemolekül an einen Tyrosinrest des Glykoproteins Glykogenin gebunden, das stets den Kern eines Glykogenpartikels bildet.

Der Abbau des Glykogens (Glykogenolyse) erfolgt ausschließlich durch Abspaltung der endständigen Glucosebausteine. Dabei entsteht hauptsächlich Glucose-1-phosphat, das zu Glucose-6-phosphat isomerisiert wird. An den Verzweigungsstellen ist das bifunktionelle Debranching-Enzym aktiv, das ein Trisaccharid auf die bestehende Hauptkette überträgt und anschließend den α-1,6-glykosidisch gebundenen Glucoserest der Seitenkette abspaltet. In der Leber wird Glucose-6-phosphat von der Glucose-6-phosphatase zu freier Glucose dephosphoryliert, die ins Blut abgegeben werden kann. Dem Muskel fehlt dieses Enzym, sodass Glucose-6-phosphat direkt in die Glykolyse eintritt.

Die Regulation des Glykogenstoffwechsels erfolgt hauptsächlich durch die Wirkung der Hormone Glucagon, Adrenalin und Insulin auf die kovalente Modifikation einer Kaskade von interkonvertierbaren Enzymen. Glucagon und Adrenalin, die bei Energiebedarf freigesetzt werden, aktivieren die Proteinkinase A über cAMP allosterisch. Diese aktiviert die Phosphorylasekinase und diese wiederum die Glykogenphosphorylase durch kovalente Modifikation, sodass die Glykogenolyse stimuliert wird. Insulin, das bei einem hohen Blutzuckerspiegel ausgeschüttet wird, führt über die Aktivierung u.a. der Proteinphosphatase I zu einer Aktivierung der Glykogensynthase, sodass die Glykogensynthese gesteigert wird.

Die allosterische Regulation der Enzymaktivität erfolgt beispielsweise durch AMP und Calcium, als Aktivatoren des Glykogenabbaus im Skelettmuskel. In der Leber fördern Glucose-6-phosphat und freie Glucose die Glykogensynthese bzw. hemmen den Glykogenabbau.