グリコーゲンは、ほとんどの哺乳類の炭水化物ストレージです。炭水化物は一般に糖と呼ばれ、加水分解によって引き起こされる残基の数（単糖、二糖、オリゴ糖、多糖）によって分類されます。
単糖類は、その構造に含まれる炭素の数によって分類される最も単純な炭水化物です。次に、トリオース（3C）、テトロサス（4C）、ペントース（5C）、ヘキソース（6C）、ヘプトサ（7C）、オクトサ（8C）があります。
グリコシド結合を示すグリコーゲンの化学構造（出典：Glykogen.svg：NEUROtiker派生物：Wikimedia Commons経由のMarek M）
アルデヒド基またはケトン基の存在に応じて、これらの単糖類は、それぞれアルドースまたはケトースとしても分類されます。
二糖類は、加水分解により2つの単純な単糖類を生成しますが、オリゴ糖類は2〜10個の単糖類単位を生成し、多糖類は10個を超える単糖類を生成します。
グリコーゲンは、生化学的な観点から、6炭素アルドースの分岐鎖で構成される多糖類、つまりグルコースとして知られるヘキソースです。グリコーゲンは、グルコースツリーとしてグラフィカルに表すことができます。これは動物性デンプンとも呼ばれます。
植物のグルコースはデンプンとして、動物のグリコーゲンとして保存されます。グリコーゲンは主に肝臓と筋肉組織に保存されます。
肝臓では、グリコーゲンはその質量の10％とその筋肉質量の1％を占めることができます。70 kgの男性の場合、肝臓の重量は約1800 g、筋肉の重量は約35 kgであるため、筋肉のグリコーゲンの総量は肝臓よりもはるかに多くなります。
構造
グリコーゲンの分子量は108 g / molに達することができ、これは6×105グルコース分子に相当します。グリコーゲンは、α-D-グルコースの複数の分岐鎖で構成されています。グルコース（C6H12O6）は、線形または環状の形で表すことができるアルドヘキソースです。
グリコーゲンは、高度に分岐したコンパクトな構造をしており、α-（1→4）グルコシド結合で結合されたα-D-グルコースの形で12から14のグルコース残基の鎖があります。鎖の枝は、α-（1→6）グルコシド結合によって形成されます。
グリコーゲンは、食事のデンプンと同様に、体が必要とする炭水化物のほとんどを提供します。腸内では、これらの多糖類は加水分解によって分解され、主にグルコースとして血流に吸収されます。
3つの酵素：β-アミラーゼ、α-アミラーゼおよびアミル-α-（1→6）-グルコシダーゼは、グリコーゲンとデンプンの両方の腸内分解に関与しています。
Α-アミラーゼは、グリコーゲンとデンプンの両方の側鎖のα-（1→4）結合をランダムに加水分解するため、エンドグリコシダーゼと呼ばれます。Ss-アミラーゼは、分岐に到達せずに最も外側の鎖の末端からα-（1→4）グリコシド結合を切断することにより、β-マルトースダイマーを放出するエキソグリコシダーゼです。
β-アミラーゼもα-アミラーゼも分岐点を分解しないので、それらの作用の最終生成物は、ボーダーラインデキストリンと呼ばれる約35から40のグルコース残基の高度に分岐した構造です。
限界デキストリンは、アミル-α-（1→6）-グルコシダーゼ（「分岐」酵素としても知られている）によって、α-（1→6）結合を持つ分岐点で最終的に加水分解されます。この枝切りによって放出された鎖は、その後、β-アミラーゼとα-アミラーゼによって分解されます。
摂取されたグリコーゲンはグルコースとして入るので、組織で見つかったグリコーゲンは体内でグルコースから合成されなければなりません。
合成
グリコーゲン合成は糖新生と呼ばれ、主に筋肉と肝臓で行われます。食事とともに体内に入ったグルコースは、血流に入り、そこから細胞に入り、そこでグルコキナーゼと呼ばれる酵素の作用によってすぐにリン酸化されます。
グルコキナーゼは炭素6でグルコースをリン酸化します。ATPはこの反応にリンとエネルギーを提供します。その結果、グルコース6-リン酸が形成され、ADPが放出されます。次に、リン酸を6位から1位に移動させるホスホグルコムターゼの作用により、グルコース6-リン酸がグルコース1-リン酸に変換されます。
グルコース1-リン酸はグリコーゲンの合成のために活性化されたままです。これには、UDP-グルコースピロホスホリラーゼ、グリコーゲンシンセターゼ、およびアミル-（1,4→1,6）-グリコシルトランスフェラーゼという3つの酵素のセットが関与します。
グルコース-1-リン酸は、ウリジン三リン酸（UTP、ウリジン三リン酸のヌクレオシド）とともに、UDP-グルコース-ピロホスホリラーゼの作用により、ウリジン二リン酸-グルコース複合体（UDP Glc）を形成します。その過程でピロリン酸イオンが加水分解されます。
次に、酵素グリコーゲンシンテターゼは、UDP Glc複合体のC1とグリコーゲンの末端グルコース残基のC4との間にグリコシド結合を形成し、UDPは活性化されたグルコース複合体から放出されます。この反応が発生するには、「原始グリコーゲン」と呼ばれる既存のグリコーゲン分子が存在する必要があります。
始原グリコーゲンは、37 kDaのプライマータンパク質であるグリコゲニン上で合成され、UDP Glc複合体によってチロシン残基にグリコシル化されます。そこから、α-D-グルコース残基が1→4の結合でリンクされ、グリコーゲン合成酵素が作用する小さな鎖が形成されます。
最初の鎖が少なくとも11個のグルコース残基をリンクすると、分岐酵素またはアミル-（1,4→1,6）-グリコシルトランスフェラーゼは、6または7個のグルコース残基の鎖の一部を1位の隣接する鎖に転送します→6、それによって分岐点を確立します。このように構築されたグリコーゲン分子は、1→4のグリコシド結合とより多くの分岐を持つグルコース単位の追加によって成長します。
劣化
グリコーゲンの分解はグリコーゲン分解と呼ばれ、その合成の逆経路と同等ではありません。この経路の速度は、グリコーゲンホスホリラーゼが触媒する反応の速度によって制限されます。
グリコーゲンホスホリラーゼは、グリコーゲン鎖の1→4結合の切断（リン酸化）に関与し、グルコース1-リン酸を放出します。酵素作用は最も外側の鎖の末端で始まり、枝の両側に4つのグルコース残基が残るまで、それらは順次除去されます。
次に、別の酵素、α-（1→4）→α-（1→4）グルカントランスフェラーゼは、1つの分岐から別の分岐に三糖単位を転送することによって分岐点を露出させます。これにより、アミル-（1→6）-グルコシダーゼ（分岐酵素）が1→6結合を加水分解し、ホスホリラーゼの作用を受ける分岐を取り除きます。これらの酵素の複合作用により、グリコーゲンが完全に切断されます。
最初のホスホムターゼ反応は可逆的であるため、グリコーゲンの切断されたグルコース1-リン酸残基からグルコース6-リン酸を形成することができます。肝臓と腎臓には存在しますが、筋肉には存在しません。グルコース6-リン酸を脱リン酸化して遊離グルコースに変換できる酵素、グルコース-6-ホスファターゼがあります。
脱リン酸化されたグルコースは血液中に拡散する可能性があり、これが肝グリコーゲン分解が血糖値の増加に反映される方法です（血糖）。
合成と分解の調節
合成の
このプロセスは、2つの基本的な酵素であるグリコーゲンシンテターゼとグリコーゲンホスホリラーゼに作用し、一方がアクティブな場合、もう一方は非アクティブな状態になります。この調整により、合成と分解の反対の反応が同時に発生するのを防ぎます。
両方の酵素の活性型と不活性型は非常に異なり、ホスホリラーゼとグリコーゲンシンテターゼの活性型と不活性型の相互変換は、厳密にホルモン制御されています。
アドレナリンは副腎髄質から放出されるホルモンであり、グルカゴンは膵臓の内分泌部分で産生されるホルモンです。内分泌膵臓はインスリンとグルカゴンを産生します。ランゲルハンス島のα細胞は、グルカゴンを合成する細胞です。
アドレナリンとグルカゴンは、血糖値の低下に応じてエネルギーが必要なときに放出される2つのホルモンです。これらのホルモンは、グリコーゲンホスホリラーゼの活性化を刺激し、グリコーゲンシンセターゼを阻害し、それによりグリコーゲン分解を刺激し、糖生成を阻害します。
アドレナリンは筋肉と肝臓に作用しますが、グルカゴンは肝臓にのみ作用します。これらのホルモンは、標的細胞上の特定の膜受容体に結合し、アデニル酸シクラーゼを活性化します。
アデニル酸シクラーゼの活性化は、一方では、グリコーゲン合成酵素を不活性化し、リン酸化によってグリコーゲンホスホリラーゼを活性化する（それぞれ直接的および間接的に）cAMP依存性プロテインキナーゼを活性化する酵素カスケードを開始します。
骨格筋には、カルシウムを介したグリコーゲンホスホリラーゼの活性化の別のメカニズムがあり、収縮の開始時に筋肉膜の脱分極の結果として放出されます。
劣化の
前述の酵素カスケードは最終的にグルコースレベルを増加させ、これらが特定のレベルに達すると、糖生成が活性化され、グリコーゲン分解が阻害され、その後のエピネフリンとグルカゴンの放出も阻害されます。
グリコーゲンは、ホスホリラーゼホスファターゼの活性化を通じて活性化されます。ホスホリラーゼホスファターゼは、グリコーゲン合成酵素の阻害剤であるホスホリラーゼキナーゼとホスホリラーゼαの不活性化を含む、さまざまなメカニズムによってグリコーゲン合成を調節します。
インスリンは、グルコースの筋細胞への進入を促進し、グルコース6-リン酸レベルを増加させ、グリコーゲン合成酵素の脱リン酸化と活性化を刺激します。したがって、合成が始まり、グリコーゲンの分解が阻害されます。
特徴
筋肉グリコーゲンは、筋肉のエネルギー予備を構成し、予備脂肪と同様に、筋肉がその機能を果たすことを可能にします。筋肉のグリコーゲンはグルコースの供給源であるため、運動中に使用されます。これらの予備力は、身体トレーニングによって増加します。
肝臓では、グリコーゲンはまた、臓器機能と体の他の部分にグルコースを供給するための重要な予備源です。
肝臓グリコーゲンのこの機能は、肝臓にグルコース6-ホスファターゼが含まれているという事実によるものです。これは、グルコース6-リン酸からリン酸基を除去し、それを遊離グルコースに変換できる酵素です。遊離グルコースは、リン酸化されたグルコースとは異なり、肝細胞（肝臓細胞）の膜を通って拡散できます。
これは、長期の絶食状態でも、肝臓が循環にブドウ糖を提供し、安定したブドウ糖レベルを維持できる方法です。
脳はほぼ完全に血糖に依存しているため、この機能は非常に重要です。そのため、重度の低血糖（血中のグルコース濃度が非常に低い）は、意識を失う可能性があります。
関連する病気
グリコーゲン関連疾患は総称して「グリコーゲン蓄積症」と呼ばれています。
これらの疾患は、異常な量または種類のグリコーゲンの組織内への沈着を特徴とする一群の遺伝性病理を構成する。
ほとんどのグリコーゲン貯蔵病は、グリコーゲン代謝に関与する酵素のいずれかの遺伝的欠損によって引き起こされます。
それらは8つのタイプに分類され、それらのほとんどは独自の名前を持ち、それらのそれぞれは異なる酵素欠乏によって引き起こされます。一部は生命の非常に早い段階で致命的ですが、その他は運動中の筋力低下と筋力低下に関連しています。
注目の例
最も顕著なグリコーゲン関連疾患のいくつかは次のとおりです。
-フォンギルケ病またはタイプIグリコーゲン蓄積症は、肝臓と腎臓のグルコース6-ホスファターゼの欠損によって引き起こされます。
これは、肝臓が循環にグルコースを供給できなくなるため、グリコーゲンの過剰な蓄積と低血糖症による肝臓の異常成長（肝腫大）を特徴とします。この状態の患者は成長障害を持っています。
-ポンペまたはタイプIIの疾患は、肝臓、心臓、および骨格筋におけるα-（1→4）-グルカン6-グリコシルトランススフィアの欠乏が原因です。この病気は、アンデルセンやIV型の病気と同様に、2歳になる前に致命的です。
-McArdleまたはV型の疾患は、筋肉ホスホリラーゼ欠乏症を示し、筋肉の衰弱、運動耐性の低下、筋肉グリコーゲンの異常蓄積、運動中の乳酸欠乏を伴います。
参考文献
- Bhattacharya、K.（2015）。肝グリコーゲン貯蔵病の調査と管理。トランスレーショナル小児科、4（3）、240–248。
- Dagli、A.、Sentner、C.、およびWeinstein、D.（2016）。グリコーゲン蓄積症III型。遺伝子レビュー、1-16。
- Guyton、A.&Hall、J.（2006）。医学生理学の教科書（第11版）。エルゼビア
- Mathews、C.、van Holde、K.&Ahern、K.（2000）。生化学（第3版）。カリフォルニア州サンフランシスコ：ピアソン。
- Mckiernan、P.（2017）。肝グリコーゲン貯蔵病の病理生物学。Curr Pathobiol担当者
- マレー、R。、ベンダー、D。、ボサム、K。、ケネリー、P。、ロッドウェル、V。、およびワイル、P。（2009）。Harper's Illustrated Biochemistry（28th ed。）McGraw-Hill Medical。
- Nelson、DL、&Cox、MM（2009）。レーニンガー生化学の原則。オメガエディション（第5版）。
- Rawn、JD（1998）。生化学。マサチューセッツ州バーリントン：Neil Patterson Publishers。
- タルノポルスキー、マサチューセッツ（2018）。グリコーゲン代謝障害に関連する筋症。神経治療学。