Glycogen là gì? Cấu tạo, cơ chế hình thành và cơ chế hoạt động của Glycogen

Theo Wikipedia định nghĩa: Glycogen là một đại phân tử polysaccharide đa nhánh của glucose có vai trò làm chất dự trữ năng lượng trong cơ thể động vật và nấm. Cùng Tri Thức Cộng Đồng tìm hiểu Glycogen là gì? Cấu trúc, cơ chế hình thành và cơ chế hoạt động của Glycogen.

1. Glycogen là gì?

Theo Wikipedia: Glycogen là gì? “Glycogen là một đại phân tử polysaccharide đa nhánh của glucose có vai trò làm chất dự trữ năng lượng trong cơ thể động vật và nấm.”

2. Cấu tạo của glycogen

Glycogen là chất dự trữ glucid của  động vật, có thể coi glycogen như là “tinh bột” của động vật, vì nó cũng gồm 2 liên kết α -D 1-4 và α-D 1-6  glucoside, nhưng nó khác tinh bột ở chỗ là sự rẽ nhánh rậm rạp hơn, cứ cách 8-10 phân tử glucose có một liên kết nhánh α-D 1-6. Glycogen có nhiều ở gan ( chiếm 5-7% khối lượng của gan) ở cơ nó chiếm 2% khối lượng của cơ, do khối lượng cơ là lớn nên glycogen có ở cơ là chính.

Hàm lượng này có thể biến động phụ thuộc vào dinh dưỡng và trạng thái sinh lý (đói, no, lao động, ngủ, thức…)

3. Cơ chế hình thành

Tổng hợp glycogen xảy ra ở mọi tổ chức nhưng mạnh nhất là ở gan và cơ xương. Ở gan, glycogen đóng vai trò dự trữ glucose và sẵn sàng cung cấp glucose cho các tổ chức khác sử dụng, đồng thời nó đảm bảo mức đường huyết hằng định trong máu kể cả thời điểm xa bữa ăn. Còn ở cơ, glycogen được dùng để thoái hóa thành glucose theo con đường Đường phân, cung cấp năng lượng ATP cho sự co cơ.

Quá trình tổng hợp glycogen bắt đầu từ G6P là sản phẩm do phản ứng phosphoryl hóa glucose xúc tác bởi hexokinase (ở gan) và glucose kinase (ở cơ):

D-glucose + ATP → D-glucose-6-phosphat +ADP

Tuy nhiên, phần lớn G6P lại là sản phẩm của con đường tân tạo glucose; glucose trong thức ăn được hấp thu vào máu, biến đổi thành lactat rồi được gan thu nhận và biến đổi thành G6P. Từ G6P, nó được đồng phân hóa thuận nghịch thành G1P nhờ phosphoglucomutase:

Glucose-6-phosphat ↔ Glucose-1-phosphat

Tiếp theo là phản ứng then chốt nhất trong quá trình tổng hợp glycogen: Phản ứng tạo UDP-glucose (UDPG) xúc tác bởi UDPG pyrophosphorylase:

Glucose-1-phosphat + UTP → UDP-glucose + Ppi

Phản ứng xảy ra theo chiều tạo UDPG vì pyrophossphat bị thủy phân rất nhanh thành ortophosphat nhờ có pyrophosphat vô cơ.

UDPG chính là chất trung gian để biến đổi galactose thành glucose. Nó chính là “chất cho” gốc glucose trong quá trình tổng hợp glycogen dưới tác dụng của glycogen synthase. Có thể có hai trường hợp xảy ra:

3.1 Trường hợp có chuỗi glucan sẵn

Enzym glycogen synthase xúc tiến việc chuyển gốc glycosyl từ UDPG tới gắn vào đầu không khử (C-4) của một phân tử glycogen có n gốc glucose có sẵn (hình 8.24) để tạo thêm một liên kết mới (α -1→4) glucosid, nghĩa là tạo thành glycogen có n+1 gốc glucose.

Khi tạo thêm ít nhất 6 phân tử glucose thì enzym gắn nhánh amylose (1→4-1→6)- transglycosylase hay glycosyl (4→6)- tranferase có tác dụng vừa cắt đứt liên kết (α-1→4)- glycosid của đoạn glycogen mới tạo ra, vừa chuyển đến gắn vào OH của C-6 của gốc glucose trên cùng một chuỗi hay chuỗi khác tạo ra một điểm nhánh mới (α-1→6) trong quá trình sinh tổng hợp glycogen.

Sau đó mạch nhánh mới tạo thành lại được kéo dài ra nhờ tác dụng của enzym glycogen synthase dẫn đến tạo các liên kết mới (α-1→4) glycosid. Quá trình trên được lặp lại làm cho số lượng mạch nhánh tăng dần lên cho đến khi đạt được một phân tử glycogen có cấu trúc phù hợp với nhu cầu của tế bào.

Như vậy, tác dụng sinh học của sự gắn nhánh là làm cho phân tử glycogen dễ tan hơn và số đầu không khử của nó tăng lên, do đó phản ứng được nhiều hơn với cả glycogen phosphorylase và glycogen synthase.

3.2 Trường hợp không có chuỗi glucan sẵn

Mở  đầu cho quá trình tổng hợp glycogen cần phải có một chất mồi protein gọi là glycogenin (M≈ 37284): chất này được tìm thấy ở đầu khử của các phân tử glycogen. Quá trình tổng hợp diễn biến theo 5 giai đoạn (hình 2.6):

– Giai đoạn 1: Một gốc glucose từ UDPG gắn vào gốc Tyr194 của glycogenin nhờ xúc tác của protein-tyrosine-glycosyl transferase.

– Giai đoạn 2: Tạo phức hợp của glycogenin đã gắn glucose với glycogen synthase theo tỉ lệ 1:1.

– Giai đoạn 3: Kéo dài chuỗi glucan cho tới khi tạo chuỗi gồm 7 gốc glucose hay nhiều hơn. Mỗi gốc glucose mới gắn vào đều đi từ UDPG và đó là những phản ứng tự xúc tác thông qua glycosyl transferase của glycogenin.

– Giai đoạn 4: Glycogen synthase tách dần khỏi glycogenin.

– Giai đoạn 5: Hoàn thành phân tử glycogen nhờ phối hợp tác dụng của glycogen synthase và enzym gắn nhánh (glycogen branching enzym). Cuối cùng, glycogenin vẫn gắn vào một đầu của phân tử glycogen đã được tạo thành.

3. Cơ chế hoạt động của glycogen (thoái hóa glycogen)

Quá trình này xảy ra chủ yếu ở các tế bào gan. Trong cơ thể người và động vật, glycogen là dạng dự trữ của mọi tế bào. Trong đó, gan rồi đến cơ có tỉ lệ glycogen trên tổ chức là cao hơn cả. Ở mô gan, sự thoái hóa glycogen, ngoài mục đích cung cấp glucose cho chính nó còn tạo ra một lượng lớn glucose tự do theo máu ngoại biên để cung cấp cho các mô khác. Vì vậy, ở các thời điểm xa bữa ăn (lúc đói), sự thoái hóa glycogen của gan có vai trò quan trọng trong sự điều hòa hàm lượng glucose trong máu.

Ở tổ chức cơ , khi tế bào hoạt động, sự tiêu hao năng lượng đòi hỏi phải được cung cấp một lượng lớn Glucose để thoái hóa. Ngoài nguồn glucose do máu mang đến, tế bào cơ phải thoái hóa rất mạnh glycogen dự trữ để tạo glucose- 6- phosphat cho quá trình đốt cháy.

Sự thoái hóa glycogen đến glucose trong các tế bào được thực hiện nhờ một hệ thống enzyme bao gồm: phosphorylase là enzyme thủy phân các liên kết α 1-4-glucosid với sự tham gia của một gốc phosphate, giải phóng các phân tử glucose 1 phosphat ở đầu tận cùng của mạch polysaccarid. Phosphorylase tồn tại dưới dạng 2 phân tử: dạng phosphorylase a hay phosphophosphorylase là dạng hoạt động, trong phân tử có gắn gốc phosphate và gốc serin của nó. Phosphorylase b là dạng không hoạt động (dephosphophosphorylase), trong phân tử không chứa gốc phosphate. Hai dạng này, tùy thuộc tình trạng chuyển hóa glycogen trong mô, có thể chuyển hóa qua lại nhờ hệ thống enzyme kinase (gắn gốc phosphat) hoặc phosphatase.

Các enzyme xúc tác sự chuyển dạng phân tử của phosphorylase chịu ảnh hường của nhiều yếu tố điều hòa như hormone, các sản phẩm tạo ra trong quá trình chuyển hóa của tế bào khi mô hoạt động… Vì vậy, ở mỗi mô các enzyme này có sự hoạt động đặc thù khác nhau, sự điều hòa hoạt động của chúng cũng theo những cơ chế khác nhau. Sự khác biệt này rõ rệt nhất ở hai mô gan và cơ.

Enzyme cắt nhánh (debranching enzyme) là một enzyme có hai chức năng, chức năng thứ nhất là chức năng chuyển nhánh (transferase), có tác dụng cắt liên kết α 1-4-glucosid ở sát gốc nhánh rồi chuyển một đoạn mạch thẳng đó đến gắn vào một đoạn mạch khác bằng cách tạo ra một liên kết α 1-4 glucosid khác. Enzyme cắt nhánh còn có chức năng thứ hai là thể hiện hoạt tính amylo 1-6 glucosidase, có tác dụng thủy phân liên kết α 1-6 glucosid của các nhánh chỉ còn lại một phân tử glucose, giải phóng phân tử glucose tự do.

Các giai đoạn thoái hóa:

Hai enzyme chính tham gia vào quá trình thoái hóa glycogen thành glucose là glycogen phosphorylase và phosphoglucomutase. Có thể chia thành 3 giai đoạn:

3.1 Thủy phân mạch thẳng của phân tử glycogen

Glycogen phosphorylase xúc tác phản ứng cắt gốc glucose tận cùng ở đầu không khử của mạch thẳng glycogen. Đó là phản ứng thủy phân liên kết α 1-4 glucosid với sự tham gia của phosphat vô cơ (Pi) tạo thành α D-glucose-1-phosphat (G1P) và chuỗi mach thẳng của phân tử glycogen ngắn đi một phân tử glucose.

Quá trình này được lặp lại nhiều lần, tách dần từng gốc glucose dưới dạng G1P cho tới khi mạch đang thoái hóa chỉ còn lại 4 đơn vị glucose tại một điểm nhánh (α 1-6) thì dừng lại.

Tiếp đó, enzyme cắt nhánh thể hiện hoạt tính chuyển nhánh sẽ cắt một đoạn 3 gốc glucose của đoạn còn lại, bằng cách thủy phân liên kết α 1-4 glucosid giữa gốc thứ nhất và thứ hai tính từ gốc nhánh, rồi chuyển đoạn có 3 gốc glucose đó đến gắn vào đầu một chuỗi thẳng khác bằng cách tạo một liên kết α 1-4-glucosid khác.

Nhánh glycogen mới này sẽ dài thêm 3 gốc glucose, tạo điều kiện cho phosphorylase tiếp tục tác dụng. Phần mạch nhánh còn lại chỉ còn một gốc glucose với liên kết α 1-6 glucosid. Như vậy, sản phẩm của quá trình thủy phân mạch thẳng của phân tử glycogen là các phân tử glucose 1 phosphat (G1P).

+ Phản ứng xúc tác của phosphorylase này không giống với phản ứng thủy phân liên kết glycosid bởi amylase trong ống tiêu hóa đối với glycogen hay tinh bột: Một số năng lượng của liên kết được giữ lại trong quá trình tạo este G1P.

+ Pirydoxal photphat là cofactor chủ yếu trong phản ứng xúc tác của glycogen phosphorylase, nhóm phosphat của nó đóng vai trò là một chất xúc tác acid kích thích Pi tấn công vào liên kết glycosid (khác với vai trò cofactor của pyridoxal phosphat trong chuyển hóa acid amin).

3.2 Thủy phân mạch nhánh của phân tử glycogen

Khi mạch nhánh chỉ còn lại một gốc glucose, enzyme cắt nhánh thể hiện hoạt tính amylo 1-6 glucosidase, thủy phân liên kết α 1-6 glucosid của gốc glucose còn lại ở nhánh để giải phóng ra glucose tự do.

Như vậy, dưới tác dụng của hệ thống enzyme thoái hóa glycogen nêu trên, phân tử glycogen sẽ chuyển hoàn toàn thành các phân tử glucose 1 phosphat (93%) và glucose tự do (khoảng 7%).

Ở các mô, G1P sẽ được đồng phân hóa nhờ enzyme phosphoglucomutase để tạo thành glucose 6 phosphat (G6P). Glucose tự do cũng được phosphoryl hóa với sự tham gia của 1 phân tử ATP và enzyme hexokinase để tạo G6P. G6P sẽ đi vào các con đường thoái hóa tiếp theo.

Riêng ở mô gan, chỉ một phần nhỏ G6P được tiếp tục thoái hóa để đáp ứng nhu cầu chuyển hóa của tế bào gan, còn lại phần lớn G6P sẽ bị thủy phân nhờ tác dụng của enzyme glucose 6 phosphatase để tạo thành glucose tự do, thấm qua màng tế bào, vào máu tuần hoàn. Enzyme glucose 6 phosphatase chỉ có trong mô gan vì vậy chỉ có gan mới có khả năng cung cấp lượng glucose nội sinh cho máu tuần hoàn. Cũng vì vậy, gan có vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa đường huyết.

Bạn đã hiểu “Glycogen là gì?” chưa? Đừng quên share bài viết nếu bạn thấy nó hữu ích nhé!

Nếu bạn cần vận dụng những kiến thức này vào trong bài luận văn của mình 1 cách hiệu quả nhất. Hãy liên hệ đến Tri Thức Cộng Đồng để được hỗ trợ viết luận văn từ đơn vị hàng đầu trong ngành!