Glucose là nhiên liệu chủ yếu của hầu hết các cơ thể sống và đóng vai trò trung tâm trong chuyển hóa
Trang 1Lời mở đầu 1
NỘI DUNG 2
1 Cấu tạo của glycogen 2
2 Cơ chế hình thành 2
2.1 Trường hợp có chuỗi glucan sẵn 4
2.2 Trường hợp không có chuỗi glucan sẵn 6
3 Cơ chế hoạt động của glycogen (thoái hóa glycogen) 8
3.1 Thủy phân mạch thẳng của phân tử glycogen 9
3.2 Thủy phân mạch nhánh của phân tử glycogen 11
4 Vai trò và ý nghĩa sinh học của glycogen 12
4.1 Glycogen là nguồn năng lượng quan trọng của cơ thể 13
4.2 Tác dụng ổn định đường huyết 13
4.3 Bệnh dự trữ glycogen (Glycogen Storage Disease = GSD) 14
KẾT LUẬN 19
TÀI LIỆU THAM KHẢO 20
Trang 2L i m đ u ời mở đầu ở đầu ầu
Glucose là nhiên liệu chủ yếu của hầu hết các cơ thể sống và đóng vai trò trung tâm trong chuyển hóa Sự oxy hóa hoàn toàn glucose thành CO2 và H2O theo phản ứng C6H12O6 + 6O2 ® 6CO2 + 6H2O giải phóng một năng lượng tự do Glucose không chỉ là một nhiên liệu tuyệt vời mà còn là tiền chất quan trọng, có khả năng tạo nên một lượng lớn các chất chuyển hóa trung gian, các chất cần thiết cho các phản ứng tổng hợp Từ glucose có thể tổng hợp được một số amin, nucleotid, coenzyme, acid béo và nhiều chất chuyển hóa trung gian cần thiết cho sự phát triển của cơ thể Glucose có thể có hàng trăm hoặc hàng ngàn cách biến hóa khác nhau Ở cơ thể bậc cao hoặc động vật, glucose có 3
số phận chủ yếu như sau: có thể được dự trữ dưới dạng polysaccarid hoặc saccarose, được oxy hóa để tạo thành hợp chất ba cacbon ( pyruvat) theo con đường đường phân hoặc oxy hóa để tạo thành các pentose theo con đường pentose phosphat
Cũng giống như tất cả các con đường chuyển hóa, chuyển hóa glucid cũng được cơ thể điều hòa một cách chặt chẽ Để biết được sự điều hòa nó diễn ra như thế nào, ảnh
hưởng của cơ thể khi có hay không có cơ chế này nhóm chúng tôi đã chọn đề tài “ Cơ
chế hình thành và hoạt động của glycogen Vai trò và ý nghĩa sinh học”
Trang 3NỘI DUNG
1 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 D 1-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 4 và α-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh D 1-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 6 glucoside, nhưng nó khác tinh bột ở chỗ là sự rẽ nhánh rậm rạp hơn, cứ cách 8-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 10 phân tử glucose có một liên kết nhánhα-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh D 1-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 6 Glycogen có nhiều ở gan ( chiếm 5-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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 )
Quá trình tổng hợp glycogen bắt đầu từ G6P là sản phẩm do phản ứng phosphoryl hóaglucose xúc tác bởi hexokinase (ở gan) và glucose kinase (ở cơ):
Trang 4Hình 2.1 Phosphoryl hóa glucose
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
Trang 52.1 Trường hợp có chuỗi glucan sẵn
Enzym glycogen synthase xúc tiến việc chuyển gốc glycosyl từ UDPG tới gắn vào đầu không khử (C-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 4) của một phân tử glycogen có n gốc glucose có sẵn (hình 8.24) để tạo thêm một liên kết mới (α -D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 1→4) glucosid, nghĩa là tạo thành glycogen có n+1 gốc glucose
Trang 6Hình 2.4 Tổng hợp mạc thẳng của glycogen
Khi tạo thêm ít nhất 6 phân tử glucose thì enzym gắn nhánh amylose (1→4-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 1→6)-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh transglycosylase hay glycosyl (4→6)-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh tranferase có tác dụng vừa cắt đứt liên kết (α-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 1→4)-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh glycosid của đoạn glycogen mới tạo ra, vừa chuyển đến gắn vào OH của C-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 6 của gốc glucose trên cùng một chuỗi hay chuỗi khác tạo ra một điểm nhánh mới (α-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 1→6) trong quá trình sinh tổng hợp glycogen (hình 2.5)
Hình 2.5 Sự tạo thành một điểm nhánh (α-1→6) trong quá trình tổng hợpα-1→6) trong quá trình tổng hợp
glycogen bởi enzym gắn nhánh
Trang 7Sau 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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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
2.2 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):
-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh Giai đoạn 1: Một gốc glucose từ UDPG gắn vào gốc Tyr194 của glycogenin nhờ xúc tác của protein-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh tyrosine-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh glycosyl transferase
-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh Giai đoạn 2: Tạo phức hợp của glycogenin đã gắn glucose với glycogen synthase theo tỉ lệ 1:1
-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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
-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh Giai đoạn 4: Glycogen synthase tách dần khỏi glycogenin
-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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
Trang 8Hình 2.6 Tổng hợp glycogen bằng một chất mồi protein (α-1→6) trong quá trình tổng hợpGlycogenin)
Trang 93 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 tổchức 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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 6-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 4-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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 (tách gốc phosphat):
2 Phosphorylase + 4 ATP phosphorylase b kinase Phosphorylase a + 4 ADP
Phosphorylase
Phosphorylase a + 4 H2O Phosphatase 2 Phosphorylase b + 4Pi
Các enzyme xúc tác sự chuyển dạng phân tử của phosphorylase chịu ảnh hường củanhiều 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
Trang 10khác 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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 4-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh glucosidở 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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 4 glucosid khác Enzyme cắt nhánh còn có chức
năng thứ hai là thể hiện hoạt tính amylo 1-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 6 glucosidase, có tác dụng thủy phân liên kết α 1-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 6 glucosidcủa các nhánh chỉ còn lại một phân tử glucose, giải phóng phân tử glucose tựdo
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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 4 glucosid với sự tham gia của phosphat vô cơ (Pi) tạo thành α D-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh glucose-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 1-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh phosphat (G1P) và chuỗi mach thẳngcủa phân tử glycogen ngắn đi một phân tử glucose (hình 3.1)
Trang 11Hình 3.1 Thủy phân mạch nhánh của glycogen
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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 6) thì dừng lại (hình 3.2)
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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 4-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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)
Trang 12+ 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-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 6 glucosidase, thủy phân liên kết α 1-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 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%)
Trang 13Ở 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.
Hình 3.3 Hoạt tính amylo 1-6 glucosidase
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
4 Vai trò và ý nghĩa sinh học của glycogen
4.1 Glycogen là nguồn năng lượng quan trọng của cơ thể
Glycogen là nguồn năng lượng quan trọng của cơ thể và là nguồn năng lượng chính
cho các vận động Về mặt hóa học, glycogen chỉ đơn giản là một carbohydrate phức -D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh đặc
Trang 14biệt là một polysaccharide, đây là một chuổi polymer dài của các phân tử đường glucose
Về mặt sinh học, glycogen tạo thành một nguồn tích trữ năng lượng từ carbohydrate trong cơ thể Năng lượng này được sử dụng khi cơ thể đột ngột cần lượng đường glucose lớn, ví dụ điển hình là khi luyện tập với cường độ cao trong thời gian ngắn
Glycogen được tích trữ chủ yếu trong gan và trong các tế bào cơ xương Mặc dù phần trăm glycogen trong tế bào cơ (1-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 2%) ít hơn nhiều so với trong gan (8-D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh 10%), tổng lượng glycogen trong tế bào cơ lại lớn hơn nhiều do khối lượng cơ lớn trong cơ thể Vậy nguồn năng lượng tích trữ từ glycogen khác với nguồn năng lượng tích trữ từ
mỡ Thứ nhất, glycogen bản chất là carbohydrate chứa ít năng lượng hơn so với mỡ, nhưng luôn sẵn sàng để được sử dụng Thêm nữa, glycogen tích trữ chủ yếu ở gan và cơ, khác với mỡ được phân bố khắp cơ thể dưới dạng mỡ dưới da
Năng lượng từ glycogen sinh ra khi phân tách thành từng phân tử glucose riêng lẻ (với tác động của enzyme glycogen phosphorylase), đây là nguồn năng lượng chính cho
tế bào Trong gan, quá trình này được bắt đầu bởi glucagon, một hormone sản xuất bởi tuyến tụy Lượng glucagon liên quan trực tiếp với lượng đường / glucose trong máu
4.2 Tác dụng ổn định đường huyết
Khi đường huyết thấp -D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh khi đó bạn sẽ cảm thấy mệt mói, đuối sức -D 1-4 và α-D 1-6 glucoside, nhưng nó khác tinh nhiều glucagon ở gan và adrenalin ở cơ được tiết ra, hormone này khi đó lại lệnh cho gan phân rã glycogenthành đường glucose và chuyển vào máu để đưa đường huyết về mức bình thường Khi đường huyết cao, hormon insuline lại được tiết ra, nó lệnh cho gan tổng hợp glycogen từ glucose và tích trữ glycogen đưa đường huyết vè mức bình thường Khi đường huyết về mức bình thường, bạn bắt đầu cảm thấy cơ thể dồi dào năng lượng trở lại Như vậy ngoài việc cung cấp năng lượng, glycogen còn có tác dụng ổn định đường huyết
Trong cơ bắp sự phân rã glycogen được kích thích bởi vận động co giãn cơ, như diễn
ra trong khi luyện tập Các bài tập càng nặng, càng nhiều glycogen cơ thể phải chuyển thành glucose để cung cấp năng lượng Tuy nhiên vì gan chỉ có thể cất trữ được một