La glucosa en los animales no solo es la unidad básica de monosacáridos y disacáridos, sino que a veces decenas de miles de glucosas se agrupan en enormes polisacáridos. El glucógeno fue aislado por primera vez del hígado por el fisiólogo francés Claude Bernard en 1857. Es un polisacárido que se encuentra en los animales y es similar a la amilopectina, pero tiene más ramificaciones y una estructura más compleja, por lo que también se le llama almidón animal. El peso molecular del glucógeno aislado de diferentes tejidos de varios organismos varía ampliamente. Incluso en un individuo, la dispersión del peso molecular del glucógeno puede ser 1000 veces mayor o más, ya que el gránulo de glucógeno siempre está en un ciclo de degradación y reposición.
Modelo de Whelan: estructura 3D del gránulo de glucógeno
Las cadenas rectas, las ramificaciones y las hélices hacia la izquierda del glucógeno representan su estructura primaria. La glucosa es la unidad básica del gránulo de glucógeno, formando cadenas rectas a través de enlaces glucosídicos 1,4 y ramificaciones a través de enlaces glucosídicos 1,6. El razonamiento matemático a continuación revela que estas ramificaciones no son aleatorias, sino que siguen ciertas reglas.
La partícula β representa la estructura secundaria 3D del glucógeno que se describe en detalle por el modelo de Whelan. La partícula β de glucógeno es esférica en este modelo. En su centro hay una proteína llamada glucogenina que está unida mediante cadenas de glucosa. Hay cadenas B con dos puntos de ramificación dentro de la esfera, y cada cadena está compuesta por 13 residuos de glucosa. Las ramificaciones se conectan entre sí y se expanden hacia afuera para formar 12 capas concéntricas (la primera capa rodea la proteína central, la segunda capa rodea dos cadenas de glucosa que se ramifican de la proteína, la tercera capa rodea cuatro cadenas de glucosa que se ramifican de dos cadenas en la segunda capa, y así sucesivamente). Las cadenas A no ramificadas y algunas proteínas para el metabolismo del glucógeno están en su superficie. Una partícula β completa tiene un diámetro de aproximadamente 44 nanómetros, contiene 55,000 residuos de glucosa y tiene un peso molecular de aproximadamente 10 millones de daltons. Sin embargo, las partículas β completas son raras, ya que algunas capas externas están involucradas en la degradación.
El glucógeno en forma de brócoli, o partícula α, es la estructura terciaria. Las partículas α de glucógeno son abundantes en el hígado y se han encontrado escasamente en las células nerviosas y otros tejidos. En el hígado, 20-40 partículas β se agrupan para formar una partícula α con un diámetro de aproximadamente 200 nanómetros. Actualmente se desconoce cómo se agrupan, pero se especula que las proteínas en la superficie pueden hacer que se peguen entre sí. En otros tejidos, también hay algunos gránulos de glucógeno que consisten en solo unas pocas partículas β.
¿Cómo evolucionó la estructura del glucógeno para satisfacer la rápida movilización de glucosa?
Los gránulos de glucógeno descritos por el modelo de Whelan tienen algunas propiedades interesantes. 1. Todas las cadenas B están dentro de la bola, y todas las cadenas A están en la capa más externa. 2. El radio de la siguiente capa es 1,9 nm mayor que el de la anterior. 3. Cada vez que se agrega una capa, el número de cadenas se duplica. 4. El número de cadenas más externas (cadenas A) es igual a la mitad del total de cadenas, o igual a la suma de todas las cadenas internas (cadenas B). 5. En las cadenas A, solo una porción se descompone por fosforilasa porque los cuatro residuos de glucosa cerca de los puntos de ramificación no pueden ser degradados debido al espacio confinado. Por lo tanto, la proporción de glucosa involucrada en la fosforólisis cada vez es 50%x9/13≈34,6%
El valor de la longitud de la cadena (13), el grado de ramificación (2) y el número máximo de capas (12) no son empíricos, y se pueden deducir mediante análisis matemático. Cuando toman estos valores, el volumen más pequeño puede almacenar la mayor cantidad de glucosa sin ser demasiado denso para que las enzimas funcionen. Esto hace que el glucógeno almacene y libere glucosa lo más rápido posible.
A continuación, expliquemos cómo se calcularon estos valores.
La distancia entre las capas es de aproximadamente 1,9 nm. Área de superficie de la bola: S=4π x (1.9n)². El número total de cadenas: T=1+2+·······+2ⁿ⁻¹=2ⁿ. El crecimiento exponencial es mucho más rápido que el cuadrado, por lo que cuando n es grande, la densidad de la cadena de glucosa en la superficie será demasiado grande para que las enzimas trabajen. Este número es 12 en biología.
Si el grado de ramificación es igual a 1, su estructura es similar a una cadena recta lineal y no puede formar una bola. Si es igual a 3 o más, se requieren menos capas para lograr la máxima densidad. El radio del gránulo de glucógeno y la cantidad total de glucosa es menor que el valor real. Así que el 2 es el valor más adecuado.
La fosforilasa y las enzimas desramificadoras juegan un papel importante en la glucogenólisis. Primero, la fosforilasa ataca el enlace glucosídico 1,4 para liberar glucosa 1-fosfato en el extremo no reductor. Libera glucosa una por una a lo largo de la cadena hasta que llega al punto de ramificación (los 4 residuos de glucosa cerca del punto de ramificación no pueden ser degradados). En este momento, se necesita la enzima desramificadora para destruir el enlace glucosídico 1,6, pero este proceso es muy lento, por lo que es la enzima limitante de la velocidad.
Ahora supongamos que dos gránulos de glucógeno tienen el mismo número de residuos de glucosa y el grado de ramificación es 2, pero sus longitudes de cadena son diferentes. Si la cadena es corta, el glucógeno tiene más extremos no reductores que pueden ser atacados por la fosforilasa, y el glucógeno es más denso. Sin embargo, al descomponer cadenas cortas, es más probable que la enzima se encuentre con puntos de ramificación que solo pueden ser descompuestos por la enzima desramificadora. Las cadenas demasiado cortas pueden ralentizar severamente la liberación de glucosa del glucógeno. La condición es opuesta si la cadena es larga. Hay muy pocos extremos reductores que pueden ser atacados por la fosforilasa, y la densidad del glucógeno es baja. La ventaja es que no es fácil encontrar puntos de ramificación. Por lo tanto, tanto las cadenas largas como las cortas tienen desventajas, y solo las cadenas de longitud media son las más adecuadas. Este valor es 13 en el modelo de Whelan, que es muy consistente con la longitud real de 9-14.
Debemos admirar que la delicada estructura del glucógeno parece haber sido diseñada, y la selección natural puede ser el diseñador detrás de escena. Solo aquellas estructuras que cumplen con la mejor optimización pueden almacenar y liberar energía en el menor tiempo posible. Una pequeña desviación reducirá la eficiencia y será eliminada durante la evolución.