Glykogen stellt für unseren Organismus die Speicherform der Glucose dar, die schnell mobilisiert werden kann. Wie ist Glykogen aufgebaut? Welche Organe speichern Glykogen, synthetisieren es oder sind für seinen Abbau zuständig? Wie wird der Glykogenstoffwechsel reguliert? Alle vorklinisch relevanten Fragen zur Glykogensynthese und Glykogenolyse werden in diesem Artikel verständlich aufbereitet dargestellt. So sind Sie optimal vorbereitet auf biochemische Fragen zum Glykogenstoffwechsel im Physikum.
Tipp: Keine Lust zu lesen? Dann starten Sie doch einfach kostenlos unseren Online-Biochemie-Kurs.

das ist eine darstellung des glykogenaufbaus

Bild: “Regulation des Glykogenmetabolismus (Glykogensynthese)” von Yikrazuul. Lizenz: CC BY-SA 3.0


Glykogen: Speicherform der Glucose

Bedeutung und Lokalisation des Glykogens

Die wichtigsten Nahrungsbestandteile des Menschen sind Kohlenhydrate. Kohlenhydrate sind Brennstoffe, Synthesevorstufen von Lipiden, Aminosäuren und Energiespeicher in Form des Glykogens.

Das Glykogen des menschlichen und tierischen Organismus ist mit der Stärke bei Pflanzen vergleichbar. Durch eine besondere chemische Struktur ist ein rascher Auf- und Abbau möglich, sodass der Körper schnell auf einen möglichen Glucosemangel reagieren kann.

Glykogen wird in den Zellen in Form zytosolischer Granula gespeichert. Diese Glykogengranula enthalten sowohl die Enzyme für den Aufbau als auch den Abbau. Glykogen ist in allen Körperzellen vorhanden – außer in Erythrozyten. Die Mengen für den Eigenbedarf in jeder Zelle sind minimal.

In bedeutender Menge wird Glykogen nur in zwei Organen gespeichert: In der Leber (ca. 150 g) und der Skelettmuskulatur (ca. 300 g).

Funktion der Glykogenspeicher

Die Funktion der Glykogenspeicher der beiden Speicherorte Leber und Skelettmuskulatur ist verschieden:

  • Das Leberglykogen dient der Aufrechterhaltung der Blutglucosekonzentration. Es ist also für den gesamten Organismus zuständig, besonders für das Gehirn und die Erythrozyten.
  • Das Glykogen der Skelettmuskulatur wird ausschließlich für den Muskeleigenbedarf verwendet.

Struktur des Glykogens

Glykogen besteht aus Glucoseeinheiten, welche alpha-1-4 O-glykosidisch und an Verzweigungsstellen alpha-1-4 O-glykosidisch verknüpft sind.

das ist die strukturformel von glykogen

Diese Verknüpfungen führen zu einer baumartigen Struktur mit bis zu 50.000 Glucosemonomeren, welche mit dem Elektronenmikroskop im Zytosol als Körner sichtbar werden. Glykogen bietet eine Energiespeicherung ohne osmotische Nebeneffekte, da es durch seine sehr geringe Größe osmotisch nur minimal aktiv ist. Freie Glucose könnte sich nicht speichern lassen aufgrund der hohen osmotischen Aktivität.

Merke: Freie Glucose würde jede Zelle aufgrund osmotischer Aktivität zum Platzen bringen.

Ein weiterer Vorteil ist die weite Verzweigung des Glykogens. Die so entstehenden zahlreichen endständigen Moleküle sorgen für eine rasche Mobilisation und Konstanthaltung des Glucosespiegels im Blut.

Glykogensynthese

Eine Glykogensynthese besteht meistens nicht aus einer Neubildung des Glykogens sondern einem Anbau an bestehende Glykogenmoleküle. Jedes dieser Moleküle besitzt im Kern Glykogenin, welches ein Glykoprotein ist und bei einem vollständigen Glykogenabbau als Rest zurückbleibt.

Abbildung 3 liefert eine Übersicht zu den wichtigsten Reaktionen der Glykogensynthese.

Schritt 1 der Glykogensynthese

Der erste Schritt entspricht der ersten Reaktion der Glykolyse. Glucose wird zu Glucose-6-phosphat phosphoryliert. In der Skelettmuskulatur wird diese Reaktion katalysiert durch die Hexokinase. In der Leber ist die Glucokinase aktiv.

das ist der ablauf der hexokinase

Schritt 2 der Glykogensynthese

Es folgt eine Isomerisierung zu Glucose-1-phosphat durch die Phosphoglucomutase.

Schritt 3 der Glykogensynthese

Um eine O-glykosidische Verbindung zur Synthese von Glykogen zu erzeugen, ist ein hohes Maß an Energie notwendig. Aus diesem Grund  wird Glucose-1-phosphat zunächst durch eine Reaktion mit UTP (Uridintriphosphat) aktiviert. Dabei entsteht UDP-Glucose und Pyrophosphat, welches direkt im Anschluss von der Pyrophosphatase zu zwei Phosphaten hydrolytisch gespalten wird.

Schritt 4 der Glykogensynthese

Jetzt kann die Glucose auf die OH-Gruppe des C4 eines nicht reduzierenden Endes des Glykogens übertragen werden. Bei dieser durch die Glykogensynthase katalysierten Reaktion wird UDP frei, welches durch eine Phosphorylierungsreaktion ATP-abhängig zu UTP regeneriert werden kann.

Neusynthese eines Glykogenmoleküls

Neue Glucosemoleküle können nur an ein bestehendes Glykogenmolekül anknüpfen, wenn die unverzweigte Kette eines bestehenden Glykogenmoleküls mindestens vier Glucoseeinheiten lang ist. Für die Neubildung ist ein Primer (Startermolekül) essentiell. Als Primer arbeitet in diesem Fall das Protein Glykogenin mit seiner Aktivität als Glykosyltransferase.

Die Glykosyltransferase verknüpft einen Tyrosylrest des Proteins mit der UDP-Glucose – UDP wird abgespalten und Glucosemoleküle angehängt. Wenn acht Glucoseeinheiten am Tyrosylrest des Glykogenins hängen, kann die Glykogensynthase diese verlängern.

Einbau von Verzweigungsstellen im Glykogen

Für die Verzweigungsstellen gibt es ein eigenes Enzym, welches bei seiner Arbeit einem ganz bestimmten Muster folgt: Das Verzweigungsenzym = branching enzyme.

Die Amylo-1,4 – 1,6-Transglucosylase (Branching-Enzym) bindet zur Synthese einer alpha-1-6 Verzweigungsstelle an eine lineare alpha-1-4 Kette an, welche mindestens aus elf Glucosemonomeren besteht. Hiervon werden sieben Glucosemonomere als Kette abgelöst und auf die OH-Gruppe des C6 eines Glucoserests übertragen. Somit befinden sich zwischen zwei Verzweigungsstellen mindestens vier Glucosemonomere.

Merke: Durch den hohen Verzweigungsgrad des Glykogens existiert eine Vielzahl von nicht reduzierenden Enden, an denen ein Auf- und ein Abbau des Glykogens stattfinden kann. So ist es möglich, schnell auf den Glykogenspeicher zuzugreifen, um den Blutglucosespiegel bei Bedarf zu senken oder zu erhöhen.

Der Glykogenabbau: Glykogenolyse

Die Glykogenolyse erfolgt über einen anderen Weg als der Glykogenaufbau. Es wird direkt eine energiereiche Verbindung geliefert: Glucose-1-Phosphat. Sie läuft folgendermaßen ab:

  • An den freien nicht reduzierenden Enden des Glykogens spaltet die Glykogen-Phosphorylase Glucose-1-phosphat phosphorolytisch von Glykogen ab. Hierzu wird freies anorganisches Phosphat benötigt. Glucose-1-phosphat kann zu Glucose-6-phosphat isomerisieren und wird der Glykolyse zugeführt.
  • Die Leber besitzt die Glucose-6-phosphatase, wodurch sie befähigt ist, Glucose-6-phosphat zu Glucose umzuwandeln, welche zum Erhalt des Blutglucosespiegels verwendet wird. Die Skelettmuskeln besitzen dieses Enzym nicht und können aus diesem Grund keine Glucose an das Blut abgeben.
  • Die Glykogen-Phosphorylase ist Pyridoxalphosphat (PALP)–abhängig und kann ausschließlich alpha-1-4 O-glykosidisch-verknüpfte Glucosemonomere spalten. Sie beendet den phosphorolytischen Spaltungsprozess vier Glucosemonomere vor einer alpha-1-6 Verzweigungsstelle.

Abbau der Verzweigungsstellen in der Glykogenolyse

Das Debranching-Enzym (4-alpha-Glucanotransferase) ist ein bifunktionales Enzym, welches für den Abbau dieser Verzweigungsstellen verantwortlich ist. Es besitzt folgende Funktionen:

  • Transferaseaktivität: Trennung von 3 der 4 restlichen Glucosemonomeren vor einer Verzweigung und Übertragung dieser an ein freies nicht reduzierendes Ende des Glykogens.
  • Glucosidaseaktivität: Durch Hydrolyse wird die alpha-1-6 Verzweigungsstelle gespalten, wodurch Glucose entsteht.
das ist eine darstellung der struktur von glykogen

Bild: “Struktur von Glykogen. Angriffspunkte einiger Enzyme für Auf- bzw. Abbau markiert.” von Ga.rp~commonswiki. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Regulation des Glykogenstoffwechsels

Der Glykogenstoffwechsel wird von zwei Enzymen reguliert: der Glykogen-Phosphorylase und der Glykogen-Synthase. Die Koordination ist vor allem abhängig von hormonvermittelten und teils auch allosterischen regulatorischen Effekten.

Die allosterische Regulation ist eine Form der Regulation der Enzymaktivität, die bei bestimmten Enzymen vorkommt (allosterische Enzyme), die fast immer aus mehreren Untereinheiten zusammengesetzt sind. Diese können in mehr als einer stabilen Konformation der Gesamtstruktur vorliegen.

Eine negative Rückkopplung führt zu einer Inhibierung der Aktivität oder der Synthese eines oder mehrerer Enzyme einer Reaktionskette durch das Endprodukt. Die Inhibierung von Enzymsynthesen wird Enzymexpression genannt. Bei der Inhibierung der Enzymaktivität spricht man von einem allosterischen Effekt.

Regulation des Glykogenabbaus

Zwei Isoformen der Glykogen-Phosphorylase existieren in der Leber und der Skelettmuskulatur: Da der Glykogenstoffwechsel unterschiedlich in diesen beiden Teilen des Körpers abläuft, werden Muskeln und Leber separat reguliert.

Regulation des Glykogenabbaus im Skelettmuskel und allen Nicht-Leber-Zellen

Zwei Formen der Glykogenphosporylase existieren im Skelettmuskel: Die Phosphorylase a (aktive Form) und die Phosphorylase b (inaktive Form). Die Umwandlung von der inaktiven in die aktive Form wird von der Phosphorylase-Kinase katalysiert. Dieses Enzym wird von Hormonsignalen gesteuert. Die Phosphorylase-Kinase wird durch das Enzym Proteinkinase A (PK A) durch eine Phosphorylierung reguliert.

Einen weiteren aktivierenden Effekt im Skelettmuskel haben Calciumionen. Bei einer arbeitenden Muskulatur werden Calciumionen aus dem sarkoplasmatischen Retikulum ausgeschüttet, somit steigt die intrazelluläre Calciumkonzentration an. Die eigentliche Aktivierung der Glykogenphosphorylase erfolgt durch einen Calcium-Calmodulin-Komplex.

Die Phosphorylase b unterliegt zusätzlich allosterischen Einflüssen. Das inaktive Enzym kann partiell aktiv werden, AMP kann die Phosphorylase b aktivieren. Bereits bevor die Phosphorylase-Kinase bei einem Energiebedarf der Zelle (hormonell gesteuert) aktiv wird, hemmen ATP und Glucose-6-Phosphat die Aktivierung der Phosphorylase b, der inaktive Zustand wird also begünstigt. Dieser Mechanismus beugt dem unnötigen Glykogenabbau des Muskels bei einem bereits gedeckten Energiebedarf vor.

Regulation des Glykogenabbaus in der Leber

Hepatisch existieren ebenfalls Phosphorylase a und Phosphorylase b, die durch die Phosphorylase-Kinase umgewandelt werden. ATP und AMP sind in der Leber jedoch nicht von Bedeutung, da die Leber Glykogen nicht für den Eigenbedarf abbaut. Die Leber nutzt stattdessen für die Deckung ihres eigenen Energiebedarfs Fettsäuren.

Regulation der Glykogensynthese

Die Regulation der Glykogensynthese läuft in der Leber und der Skelettmuskulatur gleich ab. Die Glykogensynthase existiert in einer aktiven dephosphorylierten Form, der Glykogen-Synthase a. Die inaktive phosphorylierte Form stellt die Glykogen-Synthase b dar. Die Umwandlung in die jeweiligen Formen erfolgt ohne die Zwischenschaltung einer weiteren Kinase durch die Proteinkinase A.

Einer allosterischen Regulation unterworfen ist auch hier die Glykogen-Synthase b. Sie wird durch hohe Konzentrationen von Glucose-6-Phosphat aktiviert.

Merke: Lassen Sie sich nicht verwirren: Die Glykogen-Phosphorylase ist in phosphorylierter Form aktiv – die Glykogen-Synthase in dephosphorylierter Form.

Hormonelle Regulation des Glykogenstoffwechsels

Die hormonelle Regulation zielt darauf ab, dass die Synthese und der Abbau des Glykogens nicht zeitgleich ablaufen. Drei Hormone spielen hier eine wichtige Rolle: Glucagon, Adrenalin und Insulin. Glucagon und Adrenalin sind für einen erhöhten Glykogenabbau zuständig, während Insulin eine verstärkte Glykogensynthese bewirkt.

Bei einer Aktivierung des Insulinrezeptors wird die Phosphodiesterase aktiviert, was zu einem verringerten cAMP-Spiegel führt, womit die Proteinkinase (PKA) inaktiviert wird. Eine inaktive PKA führt einer verringerten Phosphorylierung der Phosphorylase-Kinase, womit die Glykogenphosphorylase weniger durch eine Phosphorylierung aktiviert wird. Damit findet ein verminderter Abbau des Glykogens statt.

Zudem wird die Proteinkinase-B aktiviert, die dadurch verstärkt die Glykogen-Synthase-Kinase-3 (GSK3) phosphoryliert und damit inaktiviert. Hierdurch phosphoryliert die GSK3 die Glykogensynthase in geringerem Maße, sodass diese aktiver wird, was den Glykogenaufbau verstärkt.

Die Phosphoprotein-Phosphatase-1 (PP1) katalysiert die entscheidende Dephosphorylierung der Glykogensynthase, welche für die Glykogensynthese verantwortlich ist. Sie kann durch den Downstream-Mechanismus von Adrenalin und Glukagon (cAMP – PKA) inaktiviert werden, sodass Adrenalin und Glukagon zur Deaktivierung der Glykogensynthese beitragen.

Merke: Adrenalin und Glukagon wirken antagonistisch zu den genannten Signalkaskaden, welche durch Insulin aktiviert bzw. deaktiviert werden.

Die folgenden Abbildungen verdeutlichen Ihnen die einzelnen Mechanismen im Überblick:

das ist eine darstellung des glykogenaufbaus

Bild: “Regulation des Glykogenmetabolismus (Glykogensynthese)” von Yikrazuul. Lizenz: CC BY-SA 3.0

das ist eine darstellung des glykogenabbaus

Bild: “Regulation des Glykogenmetabolismus (Glykogenolyse)” von Yikrazuul. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Glykogenstoffwechsel und Blutglucosespiegel

Das Blut enthält nur sehr geringe Mengen Glucose. Der Normalwert der Glucose im Blut beträgt 80 – 120 mg/100ml Blut. Das entspricht ca. 1g/l Blut, also enthält das Blut bezogen auf das Gesamtvolumen nur 5g Glucose.

Die Leber ist fähig, die aktuelle Blutglucosekonzentration zu registrieren und den Glykogenstoffwechsel entsprechend anzupassen. Ist der Blutglucosespiegel zu niedrig, wird Glucose freigesetzt. Bei hohen Blutglucosespiegeln wird mehr Glykogen synthetisiert. Glucose bewirkt durch eine Insulinsekretion eine Aktivierung der Glykogen-Synthase und eine Deaktivierung der Glykogen-Phosporylase.

Führt man Glucose intravenös zu, nehme innerhalb weniger Minuten die enzymatische Aktivität der Glykogen-Phosphorylase ab und die der Glykogensynthase zu.

Merke: Die Muskeln und andere Gewebe besitzen diese speziellen Regulationsmechanismen nicht. Der „Verschwendung“ von Glykogen bei Hungerzuständen wird vorgebeugt, indem der Glykogenabbau über Adrenalin gesteuert wird.

Klinik-Exkurs: Glykogenspeicherkrankheiten

Unter Glykogenosen versteht man pathologische Ablagerungen von Glykogen in Organen und im Muskelgewebe. Verantwortlich dafür sind Enzymdefekte des Glykogenstoffwechsels. Am häufigsten ist der autosomal-rezessiv vererbte Defekt der Glucose-6-Phosphorylase: Das Glykogen wird zwar noch aufgebaut, kann die Zelle aber nie mehr verlassen.

Die Leber speichert mehr und mehr Glykogen, die Folge davon ist eine Hepatomegalie (bis zu 10 kg). Weiterhin kann der Glucosespiegel des Blutes nicht mehr aufrechterhalten werden. Es kommt zu schweren Hypoglykämien zwischen den Mahlzeiten.

Es konnten bis jetzt elf Glykogenose-Typen mit weiteren Unterformen erfasst werden. Zu den typischen Symptomen und Komplikationen gehören neben der Hepatomegalie: Hypoglykämie, Nephromegalie, Leberzirrhose und Muskelschwäche.

Das sind die häufigsten Glykogenoseformen:

  • Von-Gierke-Krankheit (Typ I)
  • Pompe-Krankheit (Typ II)
  • Cori-Forbes-Krankheit (Typ III)

Therapeutisch zielt man vor allem auf eine Konstanthaltung des Blutglucosespiegels ab, um die schweren Hypoglykämien (besonders nachts) zu vermeiden.

Beliebte Prüfungsfragen zum Glykogenstoffwechsel

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Welche Aussage zum Glykogenstoffwechsel trifft nicht zu?

  1. Die Glykogen-Phosphorylase ist Pyridoxalphosphat (PALP)–abhängig.
  2. Das Debranching-Enzym (4-alpha-Glucanotransferase) ist ein bifunktionales Enzym.
  3. Das Leberglykogen dient der Aufrechterhaltung der Blutglucosekonzentration.
  4. Der Glykogenstoffwechsel wird von zwei Enzymen reguliert: der Glykogen-Phosphorylase und der Glykogen-Synthase.
  5. Die Amylo-1,4 – 1,6-Transglucosylase (Branching-Enzym) bindet zur Synthese einer alpha-1-6 Verzweigungsstelle an eine lineare alpha-1-4 Kette an, welche mindestens aus fünf Glucosemonomeren besteht.

2. Welche Aussage zu Glykogen trifft nicht zu?

  1. Glykogen wird in der Form zytosolischer Granula gespeichert.
  2. Die molekulare Struktur des Glykogens macht einen raschen Auf- und Abbau möglich.
  3. Glykogen wird vor allem in der Leber und den glatten Muskelzellen gespeichert.
  4. Glykogen besitzt eine sehr niedere osmotische Aktivität.
  5. Glykogen stellt das humane Äquivalent zur Stärke in pflanzlichen Organismen dar.

Quellen

Dettmer et al.: Kurzlehrbuch Biochemie. Elsevier Verlag. München 2013.

Horn et al.: Biochemie des Menschen. Thieme Verlag. Stuttgart 2012.

Rassow et al.: Duale Reihe Biochemie. Thieme Verlag. Stuttgart 2012.

Stoffwechselregulation via spektrum.de

Lösungen zu den Prüfungsfragen: 1E, 2C



So bekommen Sie bessere Noten im Medizinstudium!

Verbessern Sie Ihre Prüfungsergebnisse! Lernen Sie mit dem kostenlosen Lerncoaching für Mediziner:

Effektive Lerntechniken

Individuelle Hilfestellungen

Anwendungsbeispiele für den Alltag

        EBOOK ANFORDERN        
Nein, danke!

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind markiert *