Glikogen: struktur, fungsi, metabolisme dan gangguan penyakit

Glikogen adalah polimer yang sangat bercabang dari sekitar 30.000 residu glukosa dan memiliki berat molekul antara 10^6 dan 10^7 dalton (sekitar 4. 8 juta). Sebagian besar unit glikogen dihubungkan oleh alpha-1, 4 ikatan glikosidik, sekitar 1 dalam 12 residu Glc juga menghasilkan -1, 6 ikatan glikosidik dengan glikogen kedua yang menghasilkan penciptaan cabang.

Glikogen hanya memiliki satu ujung pereduksi dan sejumlah besar ujung tidak-pereduksi dengan gugus hidroksil bebas pada karbon 4. Butiran glikogen mengandung glikogen dan enzim sintesis glikogen (glikogenesis) dan degradasi (glikogenolisis). Enzim bersarang di antara cabang luar molekul glikogen dan bekerja pada ujung yang tidak mereduksi.

Glikogen adalah polisakarida yang merupakan bentuk penyimpanan utama glukosa (glikogen) dalam sel hewan dan manusia. Glikogen ditemukan dalam bentuk butiran di sitosol dalam banyak jenis sel. Hepatosit (sel hati) memiliki konsentrasi tertinggi – hingga 8% dari berat segar dalam keadaan cukup makan, atau 100 hingga 120 g pada orang dewasa – memberikan hati yang khas, ‘rasa bertepung’. Dalam otot, glikogen ditemukan dalam konsentrasi yang jauh lebih rendah (1% dari massa otot), tetapi jumlah totalnya melebihi yang ada di hati. Sejumlah kecil glikogen ditemukan di ginjal, dan bahkan jumlah yang lebih kecil di sel glial tertentu di otak dan sel darah putih.

Struktur Glikogen

Glikogen adalah polimer glukosa bercabang. Residu glukosa dihubungkan secara linier dengan ikatan glikosidik α-1,4, dan kira-kira setiap sepuluh residu rantai residu glukosa bercabang melalui ikatan glikosidik α-1,6. Ikatan α-glikosidik menimbulkan struktur polimer heliks. Glikogen dihidrasi dengan tiga hingga empat bagian air dan membentuk butiran di sitoplasma yang berdiameter 10-40nm. Protein glikogenin, yang terlibat dalam sintesis glikogen, terletak pada inti setiap granula glikogen. Glikogen adalah analog pati, yang merupakan bentuk utama penyimpanan glukosa di sebagian besar tanaman, tetapi pati memiliki cabang lebih sedikit dan kurang kompak dari glikogen.

Struktur glikogen
Gambar ini menunjukkan struktur glikogen. Lingkaran hijau mewakili hubungan α-1,6 pada titik cabang, dan lingkaran merah mewakili ujung rantai yang non reduksi.

Fungsi Glikogen

Pada hewan dan manusia, glikogen ditemukan terutama di sel otot dan hati. Glikogen disintesis dari glukosa ketika kadar glukosa darah tinggi, dan berfungsi sebagai sumber glukosa siap untuk jaringan di seluruh tubuh ketika kadar glukosa darah menurun.

Sel hati

Glikogen merupakan 6-10% dari berat hati. Ketika makanan dicerna, kadar glukosa darah naik, dan insulin yang dilepaskan dari pankreas meningkatkan penyerapan glukosa ke dalam sel-sel hati. Insulin juga mengaktifkan enzim yang terlibat dalam sintesis glikogen, seperti glikogen sintase. Saat kadar glukosa dan insulin cukup tinggi, rantai glikogen memanjang dengan penambahan molekul glukosa, suatu proses yang disebut glikoneogenesis. Ketika kadar glukosa dan insulin menurun, sintesis glikogen berhenti. Ketika kadar glukosa darah turun di bawah tingkat tertentu, glukagon dilepaskan dari sinyal pankreas ke sel-sel hati untuk memecah glikogen. Glikogen dipecah melalui glikogenolisis menjadi glukosa-1-fosfat, yang diubah menjadi glukosa dan dilepaskan ke dalam aliran darah. Dengan demikian, glikogen berfungsi sebagai penyangga utama kadar glukosa darah dengan menyimpan glukosa ketika kadar tinggi dan melepaskan glukosa ketika kadar rendah. Kerusakan glikogen di hati sangat penting untuk memasok glukosa untuk memenuhi kebutuhan energi tubuh. Selain glukagon, kortisol, epinefrin, dan norepinefrin juga merangsang pemecahan glikogen.

Sel otot

Berbeda dengan sel-sel hati, glikogen hanya menyumbang 1-2% dari berat otot. Namun, mengingat massa otot yang lebih besar dalam tubuh, jumlah total glikogen yang disimpan dalam otot lebih besar daripada yang disimpan dalam hati. Otot juga berbeda dari hati karena glikogen dalam otot hanya menyediakan glukosa ke sel otot itu sendiri. Sel-sel otot tidak mengekspresikan enzim glukosa-6-fosfatase, yang diperlukan untuk melepaskan glukosa ke dalam aliran darah. Glukosa-1-fosfat yang dihasilkan dari pemecahan glikogen dalam serat otot diubah menjadi glukosa-6-fosfat dan memberikan energi pada otot selama latihan atau sebagai respons terhadap stres, seperti pada respons darurat.

Jaringan Lainnya

Selain hati dan otot, glikogen ditemukan dalam jumlah yang lebih kecil di jaringan lain, termasuk sel darah merah, sel darah putih, sel ginjal, dan beberapa sel glial. Selain itu, glikogen digunakan untuk menyimpan glukosa dalam rahim untuk memenuhi kebutuhan energetik embrio.

Jamur dan Bakteri

Mikroorganisme memiliki mekanisme untuk menyimpan energi untuk mengatasi jika sumber daya lingkungan terbatas, dan glikogen merupakan bentuk penyimpanan energi utama. Keterbatasan nutrisi (kadar karbon, fosfor, nitrogen, atau sulfur) yang rendah dapat merangsang pembentukan glikogen dalam ragi, sementara bakteri mensintesis glikogen sebagai respons terhadap sumber energi karbon yang tersedia dengan keterbatasan nutrisi lain. Pertumbuhan bakteri dan sporulasi ragi juga telah dikaitkan dengan akumulasi glikogen.

Metabolisme Glikogen

Homeostasis glikogen adalah proses yang sangat teratur yang memungkinkan tubuh untuk menyimpan atau melepaskan glukosa tergantung pada kebutuhan energinya. Langkah-langkah dasar dalam metabolisme glukosa adalah glikogenesis, atau sintesis glikogen, dan glikogenolisis, atau pemecahan glikogen.

Glikogenesis

Sintesis glikogen membutuhkan energi, yang dipasok oleh uridine triphosphate (UTP). Heksokinase atau glukokinase pertama glukosa bebas fosforilasi untuk membentuk glukosa-6-fosfat, yang diubah menjadi glukosa-1-fosfat oleh Fosfoglukomutase. UTP-glukosa-1-fosfat uridililtransferase kemudian mengkatalisis aktivasi glukosa, di mana UTP dan glukosa-1-fosfat bereaksi membentuk UDP-glukosa. Dalam sintesis glikogen de novo, protein glikogenin mengkatalisis perlekatan UDP-glukosa dengan dirinya sendiri. Glikogenin adalah homodimer yang mengandung residu tirosin di setiap subunit yang berfungsi sebagai jangkar atau titik perlekatan untuk glukosa. Molekul glukosa tambahan selanjutnya ditambahkan ke ujung reduksi molekul glukosa sebelumnya untuk membentuk rantai sekitar delapan molekul glukosa. Glikogen sintase kemudian memperluas rantai dengan menambahkan glukosa melalui ikatan glikosidik α-1,4.

Percabangan dikatalisis oleh amillo (1,4 hingga 1,6) -transglukosidase, juga disebut enzim percabangan glikogen. Enzim percabangan glikogen mentransfer fragmen enam hingga tujuh molekul glukosa dari ujung rantai ke C6 dari molekul glukosa yang terletak lebih jauh di dalam molekul glikogen, membentuk ikatan glikosidik α-1,6.

Glikogenolisis

Glukosa dihilangkan dari glikogen oleh glikogen fosforilase, yang secara fosforolitik menghilangkan satu molekul glukosa dari ujung non reduksi, menghasilkan glukosa-1-fosfat. Glukosa-1-fosfat yang dihasilkan oleh pemecahan glikogen dikonversi menjadi glukosa-6-fosfat, suatu proses yang membutuhkan enzim fosfoglukomutase. Fosfoglukomutase mentransfer gugus fosfat dari residu serin terfosforilasi dalam situs aktif ke C6 glukosa-1-fosfat, menghasilkan glukosa-1,6-bifosfat. Glukosa C1 fosfat kemudian dilekatkan ke serine situs aktif di dalam fosfoglukomutase, dan glukosa-6-fosfat dilepaskan.

Glikogen fosforilase tidak dapat membelah glukosa dari titik cabang; pemotongan cabang memerlukan amillo-1,6-glukosidase, 4-α-glukanotransferase, atau glycogen debranching enzyme (GDE), yang memiliki aktivitas glukotransferase dan glukosidase. Sekitar empat residu dari titik cabang, glikogen fosforilase tidak dapat menghilangkan residu glukosa. GDE memecah tiga residu akhir cabang dan menempelkannya ke C4 dari molekul glukosa di ujung cabang yang berbeda, lalu menghilangkan residu glukosa akhir yang terhubung dengan α-1,6-terkait dari titik cabang. GDE tidak menghilangkan glukosa yang terhubung dengan α-1,6 dari titik cabang secara fosforil, yang berarti bahwa glukosa bebas dilepaskan. Secara teori, glukosa bebas ini bisa dilepaskan dari otot ke dalam aliran darah tanpa aksi glukosa-6-fosfatase; Namun glukosa bebas ini dengan cepat terfosforilasi oleh heksokinase, mencegahnya memasuki aliran darah.

Glukosa-6-fosfat yang dihasilkan dari pemecahan glikogen dapat dikonversi menjadi glukosa oleh aksi glukosa-6-fosfatase dan dilepaskan ke dalam aliran darah. Ini terjadi di hati, usus, dan ginjal, tetapi tidak di otot, di mana enzim ini tidak ada. Dalam otot, glukosa-6-fosfat memasuki jalur glikolitik dan memberikan energi ke sel. Glukosa-6-fosfat juga dapat memasuki jalur pentosa fosfat, menghasilkan produksi NADPH dan lima gula karbon.

Olahraga dan Deplesi Glikogen

Dalam latihan daya tahan, atlet dapat menjalani penipisan glikogen, di mana sebagian besar glikogen tersebut terkuras dari otot. Ini dapat menyebabkan kelelahan parah dan sulit bergerak. Penipisan glikogen dapat dikurangi dengan terus mengonsumsi karbohidrat dengan indeks glikemik yang tinggi (tingkat konversi yang tinggi menjadi glukosa darah) selama latihan, yang akan menggantikan sebagian glukosa yang digunakan selama berolahraga. Regimen latihan khusus juga dapat digunakan yang mengkondisikan otot untuk menggunakan asam lemak sebagai sumber energi pada tingkat yang lebih besar, sehingga memecah glikogen lebih sedikit. Atlet juga dapat menggunakan pemuatan karbohidrat, konsumsi sejumlah besar karbohidrat, untuk meningkatkan kapasitas penyimpanan glikogen.

Contoh Penyakit Penyimpanan Glikogen

Ada dua kategori utama penyakit penyimpanan glikogen: yang dihasilkan dari homeostasis glikogen yang rusak di hati dan yang dihasilkan dari homeostasis glikogen yang rusak di otot. Penyakit akibat penyimpanan glikogen hati yang rusak umumnya menyebabkan hepatomegali (pembesaran hati), hipoglikemia, dan sirosis (jaringan parut hati). Penyakit yang dihasilkan dari penyimpanan glikogen otot yang rusak umumnya menyebabkan miopati dan gangguan metabolisme. Contoh penyakit penyimpanan glikogen termasuk Penyakit Pompe, Penyakit McArdle, dan Penyakit Andersen.

Penyakit Pompe

Penyakit Pompe disebabkan oleh mutasi pada gen GAA, yang mengkode asam lisosom α-glukosidase, juga disebut sebagai maltase asam, dan mempengaruhi otot rangka dan jantung. Maltase asam terlibat dalam pemecahan glikogen, dan mutasi yang menyebabkan penyakit menghasilkan penumpukan glikogen yang merusak dalam sel. Ada tiga jenis Penyakit Pompe: bentuk dewasa, bentuk remaja, dan bentuk kekanak-kanakan, yang semakin parah. Bentuk kekanak-kanakan menyebabkan kematian pada usia satu hingga dua tahun jika tidak diobati.

Penyakit McArdle

Penyakit McArdle disebabkan oleh mutasi pada gen PYGM, yang mengkode myophosphorylase, isoform glikogen fosforilase yang ada di otot. Gejala sering diamati pada anak-anak, tetapi penyakit ini mungkin tidak didiagnosis sampai dewasa. Gejalanya meliputi nyeri otot dan kelelahan, dan penyakit ini bisa mengancam jiwa jika tidak ditangani dengan benar.

Penyakit Andersen

Penyakit Andersen disebabkan oleh mutasi pada gen GBE1, yang mengkode enzim percabangan glikogen, dan mempengaruhi otot dan hati. Gejala biasanya diamati pada usia beberapa bulan, dan termasuk pertumbuhan terhambat, pembesaran hati, dan sirosis. Komplikasi penyakit ini bisa mengancam jiwa.

Related Posts