گلیکوژن چیست؟ – ساختار، سنتز و تجزیه آن

یکی از شکل هایی که گلوکز در بدن موجودات ذخیره می شود، گلیکوژن می باشد. به عبارتی این ترکیب، ساختاری پلی ساکاریدی از گلوکز می باشد که وقتی بدن به تولید انرژی نیاز داشته باشد، به اجزای سازنده خود یعنی گلوکز تجزیه و شکسته می شود. یکی از دلایل مهمی که گلوکز به شکل گلیکوژن در بدن ذخیره سازی می شود، امکان شکسته شدن آن به شکل بی هوازی و بدون نیاز به حضور اکسیژن می باشد. برای شناخت بهتر این ترکیب و نقشی که در بدن دارد، همان طور که در کتاب علوم پایه های هفتم و هشتم تا حدی آشنا شدیم، این مقاله نشریه جهان شیمی فیزیک را نیز مطالعه می کنیم.

فهرست مطالب :

۱- گلیکوژن چیست؟

۲- تاریخچه

۳- ساختار گلیکوژن

۴- محل ذخیره و نگهداری

۵- سنتز و تولید

۶- تجزیه و شکسته شدن

۷- مواقع ترشح گلیکوژن و تفاوت آن با گلوکز

۸- عملکرد گلیکوژن

۹- گلیکوژن و ورزش

۱۰- اختلالات مربوط به متابولیسم

۱۱- غذاهای حاوی گلیکوژن

۱- گلیکوژن چیست؟

کربوهیدرات بدن به شکل یک ترکیب پلیمری از گلوکز یعنی گلیکوژن ذخیره و نگهداری می شود. کبد و ماهیچه قسمت هایی از بدن هستند که محل نگهداری این ترکیب پلی ساکاریدی می باشند. گلیکوژنی که در ماهیچه سنتز و ذخیره می شود برای تأمین انرژی مورد نیاز ماهیچه می باشد ولی این ترکیب در کبد، انرژی مورد نیاز برای کل بدن را می تواند تأمین کند. کلیه ها و روده ها نیز می توانند به میزان خیلی کم، ذخیره گلیکوژن را انجام دهند.

در صورت نیاز بدن به انرژی، گلیکوژن توسط آنزیم ها تجزیه و تبدیل به گلوکز می شود. اما وقتی بدن نیاز به انرژی نداشته باشد، کربوهیدراتی که از طریق غذاهای مختلف مانند برنج، جو، گندم، پاستا، سیب زمینی و … وارد بدن می شوند، با تشکیل زنجیره های ۸ تا ۱۲ تایی گلوکز، تبدیل به این ترکیب پلی ساکاریدی می شوند.

نکته :

گلوکز به شکل این ترکیب پلیمری، در قارچ ها و باکتری ها نیز ذخیره می شود.

۲- تاریخچه :

«کلود برنارد» کسی بود که برای اولین بار ترکیبی که در کبد، کاهش قند را با عمل تخمیر انجام می داد را کشف و آن را قندساز نامید و این اتفاق در سال ۱۸۵۷ رخ داد. ذخیره گلیکوژن در ماهیچه نیز توسط A. Sanson کشف و فرمول مولکولی آن در سال ۱۸۵۸ و توسط «ککوله» کشف شد.

۳- ساختار گلیکوژن :

زنجیره های خطی ۸ تا ۱۲ واحدی گلوکز، اجزای تشکیل دهنده گلیکوژن بوده و در مجموع تعداد کل گلوکزها در یکی از این مولکول های پلی ساکاریدی، ۲۰۰۰ تا ۶۰۰۰۰ می باشد. پیوندهای گلیکوزیدی α ۱و۴، اتصال دهنده واحدهای گلوکز به شکل خطی و پیوندهای گلیکوزیدی α ۱و۶، اتصال دهنده شاخه ها در این ماکرومولکول می باشند.

۴- محل ذخیره و نگهداری :

کبد، ماهیچه و سلول های چربی، همان طور که در بالا نیز اشاره شد، محل ذخیره این پلی ساکارید می باشند. سنتز و ذخیره این ترکیب در ابتدا در ماهیچه های اسکلت و کبد خواهد بود. درصد این ترکیب در کبد یک فرد بزرگسال به اندازه ۵ تا ۶ درصد وزن کل کبد و در ماهیچه ها به اندازه ۱ تا ۲ درصد وزن آن خواهد بود. اما در کل میزان این مولکول در هر قسمت بدن به عادت های غذایی فرد و مقدار سوخت و ساز بدن او بستگی دارد. یکی از اندام های دیگر، تولید کننده گلیکوژن در بدن، رحم مادر در دوران بارداری و برای تغذیه جنین می باشد.

کلیه، روده، گلبول های سفید و گلبول های قرمز خون از بخش های دیگر بدن هستند که به میزان خیلی کم دارای ذخیره این ماده می باشند. مقدار گلیکوژن موجود در خون انسان، در حدود ۴ گرم می باشد.

نکته :

گلیکوژنی که در کبد وجود دارد می تواند انرژی مصرفی بدن، به خصوص سیستم عصبی را تأمین کند. فردی که روزه می گیرد، بیشترین مقدار مصرفی گلوکز را (۶۰ درصد) در مغز خود دارد.

۵- سنتز و تولید :

یوریدین تری فسفات (UTP) ترکیبی است که وظیفه تأمین انرژی که برای سنتز گلیکوژن مورد نیاز است، را بر عهده دارد. گلوکز-۱- فسفات توسط آنزیم پیروفسفریلاز به UDP – گلوکز تبدیل می شود. این مونومرها (UDP – گلوکز) تشکیل دهنده گلیکوژن می باشند. گلیکوژنین که پروتئینی متشکل از دو واحد یکسان بوده و یک همودیمر می باشد و دارای دو تیروزین می باشد، این سنتز را انجام می دهد. وقتی ۸ مولکول گلوکز به تیروزین اضافه شد، اضافه واحد گلوکز به انتهای زنجیره این ماکرومولکول، توسط آنزیم گلیکوژن سنتتاز و با پیوند α ۱و۴ انجام می شود.

در اینجا از UDP – گلوکز استفاده می شود. شاخه ها نیز به انتهای غیر احیای گلیکوژن با پیوند α ۱و۶ و توسط آنزیم شاخه ساز اضافه می شود. این آنزیم به نام ترانس گوکوزیداز می باشد.

توجه :

در صورت نبود گلیکوژن، گلیکوژنین پروتئینی است که از طریق پیوند گلیکوزیدی با گلوکز، گلیکوزیله می شود.

۶- تجزیه و شکسته شدن :

این فرآیند شامل سه مرحله می باشد. در مرحله اول، رها شدن گلوکز ۱- فسفات اتفاق می افتد که توسط آنزیم گلیکوژن فسفریلاز و از انتهای غیراحیای زنجیره انجام می شود. در مرحله دوم بخش سوبسترای این ماکرومولکول، برای شکستن بیشتر، تغییر شکل می دهد. در مرحله سوم آنزیم فسفوگلوکوموتاز می تواند گلوکز-۱- فسفات را به گلوکز -۶- فسفات تبدیل کند. شاخه های موجود نیز توسط آنزیم ویژه ای از بین رفته و ماکرومولکول را به شکل خطی تبدیل می کند. این آنزیم های ویژه، ترانسفراز و ۶- گلوکزیداز می باشد.

گلوکز-۶ فسفات تولید شده می تواند دارای سه سرنوشت زیر باشد. به عنوان مثال می تواند یک سوبسترا برای گلیکولیز جدید باشد، و یا می تواند به NADH و مشتقات ریبوز (قند ۵ کربنه) تبدیل شود و یا این که به یک گلوکز آزاد (در کبد و کلیه) تبدیل شود. این عمل توسط آنزیم گلوکز-۶- فسفاتاز و با دی فسفریله شدن انجام می شود.

۷- مواقع ترشح گلیکوژن و تفاوت آن با گلوکز :

در مواقعی مانند کم بودن قند خون، هنگام هضم غذا برای کمک به آن، لحظه بیدار شدن از خواب و در هنگام قرار گرفتن در موقعیت های استرس زا، این پلی ساکارید ترشح می شود. گلوکز به عنوان یک قند مونوساکاریدی و اسمتیک، با تأثیر بر فشار اسمزی در غلظت های بالا و ذخیره نشدن در سلول، باعث صدمه زدن به سلول می شود. اما گلیکوژن به عنوان یک پلی ساکارید، بدون تأثیر بر فشار اسمزی، می تواند در سلول، ذخیره گلوکز را انجام دهد.

۸- عملکرد گلیکوژن :

این ماده در بدن به عنوان دو حالت ذخیره ای دارای عملکرد می باشد. در کبد به عنوان گلیکوژن و در بافت چربی به صورت تری گلیسیرید می باشد. در کبد، با مصرف کربوهیدرات و پروتئین ها و هضم آن ها، با افزایش قند خون، ترشح هورمون انسولین از پانکراس روی کبد اثر گذاشته و آنزیم های آن را فعال می کند. سنتز گلیکوژن نیز یکی از مواردی است که در نتیجه فعالیت یکی از این آنزیم ها، انجام می شود. با بالا بودن میزان انسولین و قند خون، افزودن گلوکز به زنجیره این پلی ساکارید ادامه می یابد. اما به محض پایین آمدن گلوکز خون و کاهش انسولین، دیگر گلیکوژن ساخته نمی شود.

حال زمانی که بدن نیاز به انرژی داشته باشد، تجزیه این مولکول به گلوکز، به اندازه ۸ تا ۱۲ ساعت بعد از تجزیه می تواند سوخت تمام اعضای بدن را تأمین کند. اما گلیکوژن موجود در سلول های عضلانی فقط برای استفاده خود آن ها می باشد. این به دلیل عدم وجود گلوکز-۶-فسفاتاز برای انتقال گلوکز به خون، در این سلول ها می باشد.

۹- گلیکوژن و ورزش :

گلیکوژن ترکیبی است که در هنگام فعالیت های شدید عضلانی به عنوان سوخت اصلی استفاده می شود. کم شدن تولید گلوکز و همچنین کاهش مقدار آن در خون، نتیجه استفاده گلیکوژن در ورزش های شدید می باشد. در این هنگام مقدار گلوکزی که به سیستم عصبی می رسد کاهش یافته و در نتیجه آن خستگی، بیش تمرینی، ریکاوری ضعیف و کم شدن فعالیت ورزشی از عواقب آن خواهد بود. اما هنگامی که ورزش های سبک انجام می دهید، چربی به عنوان سوخت مورد نیاز این ورزش خواهد بود. با افزایش شدت تمرین، گلیکوژن عضله منبع تولید گلوکز شده و با افزایش شدت ورزش به بیشتر از ۷۰ درصد،  کربوهیدرات منبع سوخت می باشد.

۱۰- اختلالات مربوط به متابولیسم :

اختلالات متابولیکی مربوط به ذخیره گلیکوژن، به دلیل کمبود آنزیم هایی است که در هنگام سنتز و یا تجزیه آن مورد نیاز می باشد. یکی از شایع ترین این بیماری ها، دیابت می باشد که مقدار گلیکوژن در کبد می توان کم یا زیاد شود. علت آن نیز غیر طبیعی شدن میزان انسولین می باشد. به طور میانگین در کشورهای مختلف از هر ۱۰۰ هزار کودک تازه متولد شده، ۲ یا ۳ نفر مبتلا به اختلالات مربوط به ذخیره این مولکول می باشند.

یکی از این بیماری های ارثی که تجمع بیش از حد گلیکوژن در سلول را سبب می شود، بیماری پمپ بوده که منجر به ضعف عضلانی  و حتی مرگ می شود. بیماری مک آردل (داشتن مقدار بالای کراتین کینز در خون)، بیماری هرس (تأخیر رشد و هپاتومگالی)، بیماری آندرسن و بیماری لافورا نمونه هایی از بیماری هایی هستند که در اثر این اختلالات رخ می دهد.

۱۱- غذاهای حاوی گلیکوژن :

همان طور که گفته شد، بعد از خوردن غذا و هضم آن و تبدیل آن به گلوکز، بدن از این ماده برای تأمین انرژی مورد نیاز خود استفاده می کند. اما مقدار اضافی آن به صورت گلیکوژن در کبد و ماهیچه ذخیره می شود. برای این که مقدار ذخیره کافی از این ماده در بدن را داشته باشیم باید رژیم غذایی مناسبی داشته باشیم.

میوه ها (سرشار از کربوهیدارت به شکل فروکتوز می باشند)، سبزیجات نشاسته دار (مولکول های پیچیده ای هستند با بزاق دهان تبدیل به کربوهیدرات ساده می شوند) و غذاهای سبوس دار ( کربوهیدرات هایی متشکل از قندهای ساده و نشاسته هستند) از غذاهایی هستند که تأمین کننده گلوکز بدن می باشند. از غذاهای سبوس دار می توان به نان گندم، ماکارونی، برنج و مواد دیگر اشاره کرد. اگر در کنار این مواد سبوس دار از غلاتی استفاده شود که دارای فیبر کافی هستند، می تواند به هضم این مواد و تبدیل آن ها به کربوهیدرات های ساده کمک کند.