گلیکوژنز و گلیکوژنولیز چیست؟ — به زبان ساده

گلیکوژنز فرایند بیولوژیکی تشکیل «گلیکوژن» (Glycogen) از گلوکز است، گلوکز ساده‌ترین قند درون بدن انسان به شمار می‌آید. بدن گلیکوژن را از طریق فرآیند «گلیکوژنز» (Glycogenesis) ایجاد می‌کند تا مولکول‌های گلوکز را برای استفاده بعدی در زمانی که قند در دسترس بدن نیست، ذخیره کنند. گلیکوژن مانند لیپیدها یا چربی‌ها نیست که برای تامین انرژی بدن به صورت طولانی مدت ذخیره می‌شوند. هنگامی که غلظت گلوکز خون کاهش یابد، ذخایر گلیکوژن بدن (اغلب در بین دریافت وعده‌های غذایی که قند خون کاهش می‌یابد)، مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این حالت سلول‌های بدن با مصرف ذخایر گلیکوژن خود آن‌ها را به گلوکز تبدیل می‌کنند. این کار طی روندی معکوس فرایند گلیکوژنز انجام می‌شود که این فرآیند «گلیکوژنولیز» (Glycogenolysis) نامیده می‌شود.

فرآیند گلیکوژنز

برای شروع فرایند گلیکوژنز، سلول باید مقدار زیادی گلوکز داشته باشد. گلوکز مولکول اولیه این فرایند به شمار می‌آید و از طریق فرآیند گلیکوژنز به شکل ساختارهای پیچیده‌تر در می‌آید. با تغییراتی که در مولکول گلوکز انجام می‌شود، این مولکول قابلیت ذخیره در زنجیره‌های طویل را به دست می‌آورد.

فیلم آموزش بیوشیمی عمومی – جامع و به زبان ساده در فرادرس

کلیک کنید

این فرآیند زمانی شروع می‌شود که سلول سیگنالی را از بدن دریافت کند تا وارد فرایند گلیکوژنز شود. این سیگنال‌ها می‌توانند از مسیرهای مختلفی به سلول ارسال شوند که در بخش بعدی مورد بحث قرار می‌گیرند. هنگامی که گلوکز وارد فرآیند گلیکوژنز می‌شود، باید توسط تعدادی از آنزیم‌ها مطابق تصویر ۲ مورد کاتالیز قرار گیرد.

مراحل فرایند گلیکوژنز

اولین مرحله در فرایند سنتز گلیکوژن، تعامل مولکول گلوکز با آنزیم «گلوکوکیناز» (Glucokinase) است. آنزیم گلوکوکیناز در طی یک واکنش فسفوریلاسیون یک گروه فسفات را به گلوکز اضافه می‌کند. در مرحله بعدی گلیکوژنز، گروه فسفات دیگری با استفاده از آنزیم «فسفوگلوکوموتاز»(Phosphoglucomutase) به طرف دیگر مولکول گلوگوز منتقل می‌شود. آنزیم سوم در سنتز گلیکوژن، «گلوکز پیرو فسفوریلاز» (Glucose Pyrophosphorylase) نام دارد، این آنزیم، مولکول حاصل از دو واکنش قبل را به «گلوکز اوراسیل دی‌فسفات» تبدیل می‌کند. این شکل از گلوکز دارای دو گروه فسفات و همچنین یک نوکلئوتید اوراسیل است. این گروه‌های اضافه شده به مولکول گلوکز در مرحله بعدی کمک می‌کنند تا بتوانند زنجیره‌ای از مولکول‌ها گلوکز ایجاد کنند.

یک آنزیم ویژه به نام گلیکوژنین (Glycogenin) در این مرحله از فرایند گلیکوژنز نقش اصلی را بر عهده دارد. گلوکز اوراسیل دی‌فسفات با اتصال به مولکول گلیکوژنین می‌تواند زنجیره‌های کوتاهی ایجاد کند. پس از این که حدود 8 عدد از این مولکول‌ها در کنار هم قرار گرفتند و زنجیره ۸ تایی را تشکیل دادند، آنزیم‌های بیشتری وارد واکنش می‌شوند تا زمانی که این فرایند به پایان برسد. آنزیم گلیکوژن سنتاز (Glycogen Synthase) به طول زنجیره می‌افزاید، در حالی که آنزیم شاخه‌ساز گلیکوژن (Glycogen Branching Enzyme) به ایجاد شاخه‌هایی در زنجیره گلوکوز کمک می‌کند. در نهایت این فرایند منجر به تشکیل یک ماکرومولکول فشرده‌تر و در نتیجه ذخیره انرژی کارآمد‌تر می‌شود.

برای مطالعه دقیق‌تر در مورد ساختار و عملکرد گلیکوژن و اختلالات مرتبط با متابولیسم آن می‌توانید مطلب زیر را مطالعه کنید.

• برای مطالعه مطلب «گلیکوژن چیست ؟ | ساختار، عملکرد، متابولیسم و اختلالات» + اینجا کلیک کنید.

عملکرد گلیکوژنز

از گلیکوژنز برای ایجاد گلیکوژن از گلوکز استفاده می‌شود و به این ترتیب، گلیگوژنز، انرژی مولکول‌‌های گلوکز را در قالب پیوند‌هایی برای نیاز‌های مختلف سلولی ذخیره می‌کند. گلوکز خود به دلایل زیادی نمی‌تواند در بدن ذخیره شود، اولین و مهم‌ترین دلیل، این است که آنزیم‌های موجود در سلول‌ها مستعد استفاده سریع از گلوکز هستند و با ورود گلوکز به سلول، به سرعت تجزیه شده و از انرژی گلوکز استفاده می‌شود. از این رو، برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی در مواقع عدم دریافت مواد غذایی، ارگانیسم‌ها باید منبع ذخیره انرژی پشتیبان داشته باشند.

وقتی سلول‌ها تمام گلوکز خود را تخلیه کرده و از بدن گلوکز بیشتری دریافت نمی‌کنند، می‌توانند برای تامین انرژی مورد نیاز خود، به ذخایر گلیکوژن سلول مراجعه کنند. به عنوان مثال، سلول‌های عضلانی معمولاً از گلیکوژنز برای تأمین انرژی هنگام ورزش استفاده می‌کنند، زیرا غلظت گلوکز خون در طول فعالیت‌های سنگین ورزشی کافی نیست. ایده «بارگیری کربوهیدرات» (carbo-loading) (خوردن کربوهیدرات و قند قبل از ورزش و مسابقات ورزشی) براساس این اصل است که با مصرف زیاد کربوهیدرات و مواد قندی، سلول‌ها تحت عمل گلیکوژنز قرار می‌گیرند و تا حد ممکن گلیکوژن را ذخیره می‌کنند. بنابراین، هنگامی‌ که سلول‌های بدن افراد ورزشکار در طول تمرین به انرژی نیاز داشته باشد، گلیکوژن به میزان کافی وجود دارد و از طریق گلیکوژنولیز به راحتی در دسترس سلول‌ها قرار می‌گیرد.

عملکرد دوم گلیکوژنز در بدن، حفظ و مدیریت آب است. یک مولکول گلوکز، در واقع یک مولکول قند قطبی به شمار می‌آید که کاملاً فشرده نشده است. فرآیند گلیکوژنز مولکول‌هایی تولید می‌کند که قطبی و فشرده‌تر از گلوکز هستند. این بدان معنی است که یک سلول می‌تواند بسیاری از مولکول‌های گلوکز را در یک مولکول گلیکوژن واحد ذخیره کند و تعادل آب را کمتر بهم بزند.

هر مولکول نمک و قند درون سیتوپلاسم مقدار زیادی از آب را برای احاطه دور مولکول خود و معلق ماندن درون سلول مصرف می‌کند. اگر سلول‌ها بخواهند میزان زیادی از مولکول‌های گلوکز را ذخیره کنند، ممکن است به میزان بیشتری از حجم سلول‌ها احتیاج داشته باشند و به این ترتیب تعادل کلی سلول و تعادل میزان آب در سلول‌ها بهم می‌ریزد. تشکیل گلیکوژن از گلوکزهای اضافی، موجب کاهش این امر می‌شود و با انجام گلیکوژنز علاوه بر این، میزان ذخایر آب درون سلولی نیز افزایش می‌یابد.

تنظیم گلیکوژنز

فرایند گلیکوژنز در بدن توسط هورمون‌هایی تنظیم می‌شود. با ترشح هورمون انسولین فرایند گلیکوژنز فعال شده و گلوکز در سلول‌ها ذخیره می‌شود و حجم گلوکز خون کاهش می‌یابد، از سویی دیگر با ترشح هورمون اپی نفرین، از میزان انجام فرایند گلیکوژنز در سلول‌ها کاسته شده و گلوکز در خون برای مصرف سلول‌ها افزایش می‌یابد.

اپی نفرین

هورمون «اپی نفرین» (Epinephrine) که «آدرنالین» (Adrenaline) نیز نامیده می‌شود، هورمونی است که در پاسخ جنگ یا گریز و در شرایط استرس‌زا در بدن آزاد می‌شود. به عبارت دیگر، این ماده شیمیایی است که از طریق غدد فوق کلیوی در شرایط ترس و استرس درون خون ر‌ها می‌شود.

اپی نفرین با مختل کردن پروتئین‌های لازم برای فرآیند گلیکوژنز، این فرایند را به طور منفی تنظیم می‌کند، به عبارت دیگر انجام فرایند گلیکوژنز را کاهش می‌دهد. در طی یک واکنش جنگ یا گریز، بدن می‌خواهد تمام انرژی موجود را برای استفاده توسط سلول‌های بدن آماده کند. بنابراین، گلیکوژنز را متوقف می‌کند و به جای آن فرایند گلیکوژنولیز را فعال کرده و به این ترتیب تبدیل گلوکز به انرژی را آغاز می‌کند. در شرایط استرس‌زا سلول‌ها به ATP زیادی احتیاج دارند تا بر تهدید‌های موجود غلبه کنند.

انسولین

هنگامی‌ که بدن وعده غذایی زیادی دریافت می‌کند و سطح قند خون بالا می‌رود، لوزالمعده هورمون «انسولین» (Insulin) را آزاد می‌کند. انسولینی هورمونی است که به سلول‌ها این پیام را می‌دهد که گلوکز را جذب و ذخیره کنند. بنابراین عملکرد هورمون انسولین، انجام فرآیند گلیکوژنز را تحریک می‌کند و باعث می‌شود سلول‌ها گلیکوژن را ذخیره کرده و قند موجود در خون را کاهش دهند. مقدار زیادی گلیکوژن در کبد ذخیره می‌شود که کبد می‌تواند آن را به صورت گلوکز به جریان خون (بین وعده‌های غذایی) آزاد کند تا قند خون در حد قابل تحمل نگه داشته شود.

در صورتی که تمایل دارید کبد در کجای بدن قرار دارد و با آناتومی آن آشنا شوید، مطالعه مطلب «کبد کجاست؟ – هر آنچه باید بدانید به زبان ساده» از مجله فرادرس را به شما توصیه می‌کنیم.

گلیکوژنولیز چیست؟

«گلیکوژنولیز» (Glycogenolysis) فرایندی است که طی آن گلیکوژن به مولکول گلوکز تجزیه می‌شود، گلوکز قند ساده‌ای است که بدن برای تولید انرژی از آن استفاده می‌کند. گلیکوژن در اصل انرژی را به صورت زنجیره طولانی گلوکز ذخیره می‌کند و در صورت نیاز به تولید انرژی بیشتر، گلیکوژنولیز در سلول‌های ماهیچه‌ای و کبدی اتفاق می‌افتد. با توجه به توضیحاتی که در بالا مطرح شد، نقطه مقابل گلیکوژنولیز، گلیکوژنز است که طی آن گلیکوژن از مولکول‌های گلوکز تشکیل می‌شود.

عملکرد گلیکوژنولیز

فرایند گلیکوژنولیز، گلیکوژن را به گلوکز تجزیه می‌کند. به طور کلی، در طی روند گلیکوژنولیز یک مولکول «گلوکز -6- فسفات» تشکیل می‌شود و زنجیره باقی مانده گلیکوژن را با یک مولکول گلوکز کمتر باقی می‌گذارد. این فرآیند بار‌ها و بار‌ها تکرار می‌شود تا مولکول‌های گلوکز متعدد از زنجیره خارج شوند. مولکول‌های گلوکز از طریق واکنش‌های فسفوریلاز از مولکول گلیکوژن خارج می‌شوند که این واکنش موجب تجزیه یک پیوند مولکولی با اضافه کردن اسید فسفریک به آن انجام می‌شود.

ساختار گلیکوژن

این تصویر ساختار گلیکوژن را نشان می‌دهد. مرکز این ساختار محل قرارگیری پروتئین گلیکوژنین است، در حالی که شاخه‌های آن، زنجیره‌هایی از مولکول‌های گلوکز هستند. یک مولکول واحد گلیکوژن می‌تواند حاوی 30٫000 واحد گلوکز متصل به هم باشد.

فیلم آموزش بیوشیمی کربوهیدرات و لیپید در فرادرس

کلیک کنید

گلیکوژنولیز هنگامی ‌اتفاق می‌افتد که سطح آدنوزین تری فسفات (ATP)، واحد انرژی مورد استفاده در سلول‌ها، کم باشد (و گلوکز کمی در خون وجود داشته باشد). از آنجایی که گلیکوژنولیز راهی برای آزادسازی گلوکز است و گلوکز در تشکیل مولکول‌های ATP مورد استفاده قرار می‌گیرد، فرایند گلیکوژنولیز در صورت کم بودن انرژی و احتیاج سلول‌‌ها به ایجاد انرژی بیشتر در بدن انجام می‌گیرد. به همین ترتیب، هنگامی ‌که سطح ATP زیاد است، بر عکس روند قبل، گلیکوژنز اتفاق می‌افتد زیرا با این روش ذخیره انرژی در سلول انجام می‌شود.

گلیکوژن در ماهیچه‌ها و کبد ذخیره می‌شود. براساس یافته‌های پزشکی، تخمین زده می‌شود که گلیکوژن‌های ذخیره شده در کبد حدود 5 درصد از وزن کبد را تشکیل می‌دهند، در حالی که گلیکوژن‌های موجود در ماهیچه‌ها 1-2 درصد از وزن آن‌ها را می‌سازند. در میوسیت‌ها که سلول‌های ماهیچه‌ای هستند، گلوکز انرژی لازم برای حرکات عضلات را تأمین می‌کند. گلیکوژنولیز در سلول‌های کبدی یا هپاتوسیت‌ها کمی ‌متفاوت از سایر سلول‌های بدن انجام می‌شود. هنگامی ‌که گلیکوژنولیز در کبد رخ می‌دهد، گلوکز تولید شده به طور مستقیم توسط کبد استفاده نمی‌شود، در واقع این گلوکز از کبد خارج شده و وارد جریان خون می‌شود تا در سلول‌های دیگر نیز قابل استفاده باشد. گلیکوژن موجود در حیوانات مشابه نشاسته در گیا‌هان است. نشاسته نیز ترکیب بزرگی از زنجیره‌های گلوکز است که برای ذخیره انرژی در گیا‌هان مورد استفاده قرار می‌گیرد و در هنگام نیاز گیاه به انرژی می‌تواند تجزیه شود.

تنظیم کننده‌های گلیکوژنولیز

فرایند گلیکوژنولیز توسط هورمون‌ها در سلول‌های بدن فعال باقی می‌ماند و در سلول‌های ماهیچه‌ای نیز ممکن است سیگنال‌های عصبی در انجام گلیکوژنولیز نقش داشته باشند. میزان هورمون‌های گلوکاگون و انسولین در خون به ترتیب موجب افزایش و کاهش گلوکز خون می‌شوند که این امر در انجام و توقف فرایند گلیکوژنولیز تأثیر دارد. گلیکوژنولیز در واکنش‌های پاسخ جنگ و گریز در شرایط استرس‌زا و خطرناک نیز نقش دارد. در مواقع استرس یا هنگام مواجهه با تهدید، پاسخ جنگ یا گریز فعال می‌شود و هورمون اپی نفرین توسط غدد فوق کلیوی تولید می‌شود.

اپی نفرین گلیکوژنولیز را تحریک می‌کند، زیرا بدن برای مبارزه یا فرار به انرژی بیشتری نیاز دارد. این هورمون همان طور که در بالا اشاره شد، همچنین گلیکوژنز را مهار می‌کند، زیرا در طی یک واکنش جنگ یا گریز، بدن به جای ذخیره گلیکوژن باید از انرژی حاصل از تجزیه آن استفاده کند. با اتمام شرایط استرس‌زا، گلیکوژنز در سلول‌ها آغاز می‌شود و گلوکزها برای ذخیره انرژی به گلیکوژن تبدیل می‌شوند.

آنزیم‌های موجود در گلیکوژنولیز

چندین آنزیم مختلف در گلیکوژنولیز نقش دارند. آنزیم‌ها پروتئین‌هایی هستند که به واکنش‌های شیمیایی کمک می‌کنند. یکی از این آنزیم‌ها که در گلیکوژنولیز نقش دارد، «گلیکوژن فسفوریلاز» (Glycogen Phosphorylase) است. آنزیم گلیکوژن فسفوریلاز اتصال و پیوند بین گلوکز و گلیکوژن را با جایگزین کردن یک گروه فسفوریل (PO₃^-2) می‌شکند.

فیلم آموزش آنزیم شناسی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در این مرحله، گلوکز که از گلیکوژن جدا شده، گلوکز -۱- فسفات نام دارد. آنزیم «فسفوگلوکوموتاز» (Phosphoglucomutase) آن را به گلوکز-6- فسفات تغییر می‌دهد، این شکلی از گلوکز است که سلول‌ها برای ساخت ATP از آن استفاده می‌کنند. «آنزیم شاخه شکن گلیکوژن» (Glycogen Debranching Enzyme)، تمام مولکول‌های گلوکز باقیمانده را به جز یکی از شاخه‌های گلیکوژن به شاخه دیگری منتقل می‌کند. در مرحله آخر، آنزیم «گلوکوزیداز» (ɑ [1→6] Glucosidase) آخرین مولکول گلوکز را حذف می‌کند که در این حالت تمام شاخه‌های مولکول‌های گلوکز از بین می‌روند.

تفاوت بین گلیکوژنز و گلیکوژنوز

همان طور که قبلاً گفته شد، گلیکوژنز برعکس گلیکوژنولیز است. در طی گلیکوژنز گلیکوژن از گلوکز تشکیل می‌شود، در حالی که اصطلاح دیگری به نام «گلیکوژنوز» (Glycogenosis) نیز وجود دارد که املایی بسیار مشابه با گلیکوژنز دارد، اما یک اصطلاح کاملاً متفاوت است. گلیکوژنوز که بیشتر به عنوان بیماری ذخیره‌سازی گلیکوژن (Glycogen Storage Disease) یا (GSD) شناخته می‌شود، یک اختلال ژنتیکی است که در آن نقصی در روند تشکیل گلیکوژن (گلیکوژنز) یا تجزیه گلیکوژن (گلیکوژنولیز) وجود دارد.

11 نوع مختلف GSD وجود دارد و تقریباً ۲٫۳ نفر در هر ۱۰۰٫۰۰۰ نفر در جهان با نوعی GSD متولد می‌شوند. بعضی از انواع این بیماری‌ها نسبتاً خفیف‌تر از سایرین هستند. GSD Type II یکی از انواع شدید این اختلال است و در طی دو سال اول تولد باعث مرگ کودک می‌شود. انواع دیگر این اختلال شامل عقب ماندگی رشد و یا عدم تحمل ورزش در افراد می‌شوند.