La glucosa en los animales no es solo la unidad básica de monosacáridos y disacáridos, sino que a veces decenas de miles de glucosas se agregan en polisacáridos enormes. El glucógeno fue aislado por primera vez del hígado por el fisiólogo francés Claude Bernard en 1857. Es un polisacárido encontrado en los animales y es similar al amilopectin, 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, ya que el gránulo de glucógeno está siempre en un ciclo de degradación y reposición.
Modelo Whelan: Estructura 3D del Gránulo de Glucógeno
Las cadenas rectas, las ramificaciones y las hélices zurdas 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. Estas cadenas de glucosa también tienen una hélice zurda similar al almidón.
La partícula β representa la estructura 3D secundaria del glucógeno que se describe en detalle en el modelo de Whelan. La partícula β de glucógeno es esférica en este modelo. En su centro hay una proteína llamada glucogenina donde se unen las 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 a ramificaciones y se expanden hacia afuera para formar 12 capas concéntricos (el primer nivel rodea la proteína central, el segundo nivel rodea dos cadenas de glucosa que se ramifican desde la proteína, el tercer nivel rodea cuatro cadenas de glucosa que se ramifican desde dos cadenas en el segundo nivel, 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 de glucógeno completas son raras, ya que algunos capas exteriores están involucrados en la degradación.
La partícula α de glucógeno, similar a un brócoli, es la estructura terciaria. Las partículas α de glucógeno son abundantes en el hígado y se han encontrado escasamente en células nerviosas y otros tejidos. En el hígado, 20-40 partículas β se agregan para formar una partícula α con un diámetro de aproximadamente 200 nanómetros. Cómo se agrupan actualmente es desconocido, pero se especula que las proteínas en la superficie pueden hacer que se adhieran entre sí. En otros tejidos, también hay algunos gránulos de glucógeno que consisten en solo unas pocas partículas β.
¿Cómo evoluciona la estructura del glucógeno para satisfacer la rápida movilización de glucosa?
Las gránulos de glucógeno descritas por el modelo de Whelan tienen algunas propiedades interesantes. 1. Todas las cadenas B están dentro de la esfera, y todas las cadenas A están en el nivel más externo. 2. El radio del siguiente capa es 1.9 nm mayor que el anterior. 3. Cada vez que se añade un 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 degradarse debido al espacio confinado. Por lo tanto, la proporción de glucosa involucrada en la fosforólisis cada vez es del 50% x 9/13 ≈ 34.6%
El valor del largo de la cadena (13), el grado de ramificación (2) y los capas máximos (12) no son empíricos, y pueden deducirse del 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. Estos valores crean una estructura que permite almacenar y liberar glucógeno lo más rápido posible.
A continuación, expliquemos cómo se calcularon estos valores.
La distancia entre los capas es de aproximadamente 1.9 nm. Área superficial de la esfera: 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 funcionen. Este número es 12 en biología.
Si el grado de ramificación es igual a 1, su estructura es similar a una cadena lineal recta y no puede formar una esfera. Si es igual a 3 o más, se requieren menos capas para alcanzar la máxima densidad. El radio del gránulo de glucógeno y la cantidad de glucosa total es menor que el valor real. Por lo tanto, el 2 es el valor más adecuado. El grado de ramificación y el número de capas se derivan con una longitud de cadena de 12. Cambiar a otros números no es más que cambiar el valor de 1.9 nm, lo que no afecta el razonamiento completo.
La fosforilasa y las enzimas desramificadoras juegan roles importantes 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 alcanza el punto de ramificación (los 4 residuos de glucosa cerca del punto de ramificación no pueden degradarse). En este momento, se necesita una 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.
Supongamos ahora 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, la enzima es más probable que encuentre puntos de ramificación que solo pueden ser descompuestos por la enzima desramificadora. 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 puedan 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, lo cual es muy consistente con la longitud real de 9-14.
Debemos admirar que la estructura delicada 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. Un ligero desvío reducirá la eficiencia y será eliminado durante la evolución.