GLIKOGEN: STRUKTUR, SINTESIS, DEGRADASI, FUNGSI - BIOLOGI - 2025

The glikogen adalah penyimpanan karbohidrat dari kebanyakan mamalia. Karbohidrat biasanya disebut gula dan ini diklasifikasikan menurut jumlah residu yang disebabkan oleh hidrolisis (monosakarida, disakarida, oligosakarida dan polisakarida).

Monosakarida adalah karbohidrat paling sederhana yang diklasifikasikan menurut jumlah karbon yang terkandung dalam strukturnya. Kemudian ada triosa (3C), tetrosas (4C), pentosa (5C), heksosa (6C), heptosa (7C) dan oktosa (8C).

Struktur kimia glikogen yang menunjukkan ikatan glikosidik (Sumber: Glykogen.svg: Karya turunan NEUROtiker: Marek M via Wikimedia Commons)

Bergantung pada keberadaan gugus aldehida atau gugus keton, monosakarida ini juga masing-masing diklasifikasikan sebagai aldosis atau ketosis.

Disakarida menghasilkan, dengan hidrolisis, dua monosakarida sederhana, sedangkan oligosakarida menghasilkan 2 sampai 10 unit monosakarida dan polisakarida menghasilkan lebih dari 10 monosakarida.

Glikogen, dari sudut pandang biokimia, adalah polisakarida yang tersusun dari rantai bercabang dari aldosa enam karbon, yaitu heksosa yang dikenal sebagai glukosa. Glikogen dapat direpresentasikan secara grafis sebagai pohon glukosa. Ini juga disebut pati hewani.

Glukosa pada tumbuhan disimpan sebagai pati dan pada hewan sebagai glikogen, yang disimpan terutama di hati dan jaringan otot.

Di hati, glikogen dapat membentuk 10% dari massa dan 1% dari massa ototnya. Seperti pada pria 70 kg, hati memiliki berat sekitar 1800 g dan otot sekitar 35 kg, jumlah total glikogen otot jauh lebih tinggi daripada hati.

Struktur

Berat molekul glikogen bisa mencapai 108 g / mol, yang setara dengan 6 × 105 molekul glukosa. Glikogen terdiri dari beberapa rantai bercabang α-D-glukosa. Glukosa (C6H12O6) adalah aldoheksosa yang dapat direpresentasikan dalam bentuk linier atau siklik.

Glikogen memiliki struktur yang sangat bercabang dan kompak dengan rantai 12 sampai 14 residu glukosa dalam bentuk α-D-glukosa yang dihubungkan dengan ikatan glukosidik α- (1 → 4). Cabang rantai dibentuk oleh ikatan α- (1 → 6) glukosidik.

Glikogen, seperti pati dalam makanan, menyediakan sebagian besar karbohidrat yang dibutuhkan tubuh. Di usus polisakarida ini dipecah oleh hidrolisis dan kemudian diserap ke dalam aliran darah terutama sebagai glukosa.

Tiga enzim: ß-amilase, α-amilase dan amil-α- (1 → 6) -glucosidase bertanggung jawab atas degradasi glikogen dan pati di usus.

Α-Amilase secara acak menghidrolisis ikatan α- (1 → 4) dari rantai samping glikogen dan pati, dan oleh karena itu disebut endoglikosidase. Ss-amilase adalah eksoglikosidase yang melepaskan dimer ß-maltosa dengan memutus ikatan glikosidik α- (1 → 4) dari ujung rantai terluar tanpa mencapai cabang.

Karena baik ß-amilase maupun α-amilase tidak menurunkan titik cabang, produk akhir dari aksinya adalah struktur bercabang tinggi dari sekitar 35 sampai 40 residu glukosa yang disebut dekstrin perbatasan.

Batas dekstrin akhirnya terhidrolisis pada titik cabang yang memiliki ikatan α- (1 → 6) dengan menggunakan amyl-α- (1 → 6) -glucosidase, juga dikenal sebagai enzim “debranching”. Rantai yang dilepaskan oleh pemotongan cabang ini kemudian didegradasi oleh ß-amilase dan α-amilase.

Saat glikogen yang tertelan masuk sebagai glukosa, yang ditemukan di jaringan harus disintesis oleh tubuh dari glukosa.

Perpaduan

Sintesis glikogen disebut glikogenesis dan terjadi terutama di otot dan hati. Glukosa yang masuk ke dalam tubuh melalui makanan masuk ke aliran darah dan dari sana ke dalam sel, di mana glukosa segera terfosforilasi oleh aksi enzim yang disebut glukokinase.

Glukokinase memfosforilasi glukosa pada karbon 6. ATP menyediakan fosfor dan energi untuk reaksi ini. Akibatnya, glukosa 6-fosfat terbentuk dan ADP dilepaskan. Kemudian glukosa 6-fosfat diubah menjadi glukosa 1-fosfat dengan aksi fosfoglukomutase yang memindahkan fosfor dari posisi 6 ke posisi 1.

Glukosa 1-fosfat tetap diaktifkan untuk sintesis glikogen, yang melibatkan partisipasi satu set tiga enzim lain: UDP-glukosa pirofosforilase, sintetase glikogen dan amil- (1,4 → 1,6) -glikosiltransferase.

Glukosa-1-fosfat, bersama-sama dengan uridin trifosfat (UTP, nukleosida uridin trifosfat) dan dengan aksi UDP-Glukosa-pirofosforilase, membentuk kompleks uridin difosfat-glukosa (UDP Glc). Dalam prosesnya, ion pirofosfat dihidrolisis.

Enzim glikogen sintetase kemudian membentuk ikatan glikosidik antara C1 kompleks UDP Glc dan C4 dari residu glukosa terminal glikogen, dan UDP dilepaskan dari kompleks glukosa yang diaktifkan. Agar reaksi ini terjadi, harus ada molekul glikogen yang sudah ada sebelumnya yang disebut "glikogen primordial".

Glikogen primordial disintesis pada protein primer, glikogenin, yaitu 37 kDa dan yang diglikosilasi menjadi residu tirosin oleh kompleks UDP Glc. Dari sana, residu α-D-Glukosa dihubungkan dengan ikatan 1 → 4 dan rantai kecil terbentuk di mana glikogen sintetase bekerja.

Setelah rantai awal menghubungkan setidaknya 11 residu glukosa, enzim percabangan atau amil- (1,4 → 1,6) -glikosiltransferase mentransfer sepotong rantai dari 6 atau 7 residu glukosa ke rantai yang berdekatan di posisi 1 → 6, sehingga membentuk titik cabang. Molekul glikogen yang dibangun tumbuh dengan penambahan unit glukosa dengan ikatan glikosidik 1 → 4 dan lebih banyak cabang.

Degradasi

Pemecahan glikogen disebut glikogenolisis, dan itu tidak setara dengan jalur balik sintesisnya. Kecepatan jalur ini dibatasi oleh laju reaksi katalis fosforilase glikogen.

Glikogen fosforilase bertanggung jawab untuk pembelahan (fosforolisis) ikatan 1 → 4 rantai glikogen, melepaskan glukosa 1-fosfat. Tindakan enzimatik dimulai di ujung rantai terluar dan mereka secara berurutan dihilangkan sampai 4 residu glukosa tetap berada di setiap sisi cabang.

Kemudian enzim lain, α- (1 → 4) → α- (1 → 4) glukan transferase, mengekspos titik cabang dengan mentransfer unit trisakarida dari satu cabang ke cabang lainnya. Hal ini memungkinkan amil- (1 → 6) -glucosidase (enzim penghilang cabang) untuk menghidrolisis ikatan 1 → 6, menghilangkan cabang yang akan menjalani aksi fosforilase. Tindakan gabungan dari enzim ini akhirnya benar-benar membelah glikogen.

Karena reaksi awal fosfomutase bersifat reversibel, glukosa 6-fosfat dapat dibentuk dari sisa glukosa 1-fosfat glikogen yang terpecah. Di hati dan ginjal, tetapi tidak di otot, ada enzim, glukosa-6-fosfatase, yang mampu mendefosforilasi glukosa 6-fosfat dan mengubahnya menjadi glukosa bebas.

Glukosa yang terdefosforilasi dapat berdifusi ke dalam darah, dan ini adalah bagaimana glikogenolisis hati tercermin dalam peningkatan nilai glukosa darah (glikemia).

Regulasi sintesis dan degradasi

Sintesis

Proses ini dilakukan pada dua enzim dasar: glikogen sintetase dan glikogen fosforilase, sedemikian rupa sehingga ketika salah satu aktif, yang lain dalam keadaan tidak aktif. Regulasi ini mencegah reaksi berlawanan dari sintesis dan degradasi terjadi secara bersamaan.

Bentuk aktif dan bentuk tidak aktif dari kedua enzim sangat berbeda, dan interkonversi dari bentuk aktif dan tidak aktif dari fosforilase dan sintetase glikogen dikontrol secara hormonal.

Epinefrin adalah hormon yang dilepaskan dari medula adrenal, dan glukagon adalah hormon lain yang diproduksi di bagian endokrin pankreas. Pankreas endokrin menghasilkan insulin dan glukagon. Sel α dari pulau Langerhans adalah yang mensintesis glukagon.

Adrenalin dan glukagon adalah dua hormon yang dilepaskan saat energi dibutuhkan sebagai respons terhadap penurunan kadar glukosa darah. Hormon ini merangsang aktivasi glikogen fosforilase dan menghambat sintetase glikogen, sehingga merangsang glikogenolisis dan menghambat glikogenesis.

Sementara adrenalin bekerja pada otot dan hati, glukagon hanya bekerja pada hati. Hormon-hormon ini mengikat reseptor membran tertentu pada sel target, yang mengaktifkan adenylate cyclase.

Aktivasi adenylate cyclase memulai kaskade enzimatik yang, di satu sisi, mengaktifkan protein kinase yang bergantung pada cAMP yang menonaktifkan sintetase glikogen dan mengaktifkan glikogen fosforilase dengan fosforilasi (secara langsung dan tidak langsung, masing-masing).

Otot rangka memiliki mekanisme lain dari aktivasi glikogen fosforilase melalui kalsium, yang dilepaskan sebagai akibat depolarisasi membran otot pada awal kontraksi.

Degradasi

Kaskade enzimatis yang dijelaskan di atas akhirnya meningkatkan kadar glukosa dan ketika mencapai tingkat tertentu, glikogenesis diaktifkan dan glikogenolisis dihambat, juga menghambat pelepasan epinefrin dan glukagon selanjutnya.

Glikogenesis diaktivasi melalui aktivasi fosforilase fosfatase, enzim yang mengatur sintesis glikogen dengan berbagai mekanisme, yang melibatkan inaktivasi fosforilase kinase dan fosforilase α, yang merupakan penghambat sintetase glikogen.

Insulin mendorong masuknya glukosa ke dalam sel otot, meningkatkan kadar glukosa 6-fosfat, yang merangsang defosforilasi dan aktivasi sintetase glikogen. Dengan demikian sintesis dimulai dan degradasi glikogen dihambat.

fitur

Glikogen otot merupakan cadangan energi untuk otot yang, seperti lemak cadangan, memungkinkan otot untuk memenuhi fungsinya. Sebagai sumber glukosa, glikogen otot digunakan selama olahraga. Cadangan ini meningkat dengan pelatihan fisik.

Di hati, glikogen juga merupakan sumber cadangan penting baik untuk fungsi organ maupun untuk memasok glukosa ke seluruh tubuh.

Fungsi glikogen hati ini disebabkan oleh fakta bahwa hati mengandung glukosa 6-fosfatase, sebuah enzim yang mampu menghilangkan gugus fosfat dari glukosa 6-fosfat dan mengubahnya menjadi glukosa bebas. Glukosa bebas, tidak seperti glukosa terfosforilasi, dapat berdifusi melalui membran hepatosit (sel hati).

Dengan cara inilah hati bisa memberikan glukosa ke sirkulasi dan menjaga kestabilan kadar glukosa, bahkan dalam kondisi puasa berkepanjangan.

Fungsi ini sangat penting, karena otak hampir sepenuhnya mengandalkan glukosa darah, sehingga hipoglikemia parah (konsentrasi glukosa dalam darah sangat rendah) dapat menyebabkan hilangnya kesadaran.

Penyakit terkait

Penyakit terkait glikogen secara umum disebut "penyakit penyimpanan glikogen".

Penyakit ini merupakan sekelompok patologi herediter yang ditandai dengan deposit di jaringan dalam jumlah atau jenis glikogen abnormal.

Kebanyakan penyakit penyimpanan glikogen disebabkan oleh defisit genetik dari salah satu enzim yang terlibat dalam metabolisme glikogen.

Mereka diklasifikasikan menjadi delapan jenis, sebagian besar memiliki nama sendiri dan masing-masing disebabkan oleh kekurangan enzim yang berbeda. Beberapa berakibat fatal di awal kehidupan, sementara yang lain dikaitkan dengan kelemahan dan defisit otot selama latihan.

Contoh unggulan

Beberapa penyakit terkait glikogen yang paling menonjol adalah sebagai berikut:

- Penyakit Von Gierke atau penyakit penyimpanan glikogen tipe I, disebabkan oleh defisit glukosa 6-fosfatase di hati dan ginjal.

Hal ini ditandai dengan pertumbuhan hati yang tidak normal (hepatomegali) karena akumulasi glikogen dan hipoglikemia yang berlebihan, karena hati tidak dapat mensuplai glukosa ke sirkulasi. Penderita kondisi ini mengalami gangguan pertumbuhan.

- Penyakit Pompe atau Tipe II disebabkan oleh defisiensi α- (1 → 4) -glucan 6-glikosiltransfer di hati, jantung, dan otot rangka. Penyakit ini, seperti yang dialami Andersen atau tipe IV, berakibat fatal sebelum berusia dua tahun.

- Penyakit McArdle atau tipe V menunjukkan defisiensi fosforilase otot dan disertai dengan kelemahan otot, penurunan toleransi olahraga, akumulasi glikogen otot yang abnormal, dan kurangnya laktat selama latihan.

Referensi

1. Bhattacharya, K. (2015). Investigasi dan manajemen penyakit penyimpanan glikogen hati. Translational Pediatrics, 4 (3), 240–248.
2. Dagli, A., Sentner, C., & Weinstein, D. (2016). Penyakit Penyimpanan Glikogen Tipe III. Ulasan Gen, 1–16.
3. Guyton, A., & Hall, J. (2006). Textbook of Medical Physiology (edisi ke-11). Elsevier Inc.
4. Mathews, C., van Holde, K., & Ahern, K. (2000). Biochemistry (edisi ke-3rd). San Francisco, California: Pearson.
5. Mckiernan, P. (2017). Patobiologi Penyakit Penyimpanan Glikogen Hati. Curr Pathobiol Rep.
6. Murray, R., Bender, D., Botham, K., Kennelly, P., Rodwell, V., & Weil, P. (2009). Harper's Illustrated Biochemistry (edisi ke-28). McGraw-Hill Medical.
7. Nelson, DL, & Cox, MM (2009). Prinsip Lehninger Biokimia. Omega Editions (edisi ke-5).
8. Rawn, JD (1998). Biokimia. Burlington, Massachusetts: Penerbit Neil Patterson.
9. Tarnopolsky, MA (2018). Miopati Terkait Gangguan Metabolisme Glikogen. Neurotherapeutics.