Glykogen – Aufbau und Abbau der Glukose-Speicherform

Was ist Glykogen?

Glykogen ist ein Biopolymer, das aus dem Einfachzucker Glukose aufgebaut ist. Glukose dient dem menschlichen und tierischen Organismus als Energiequelle. Die Glukose ist ein sechswertiger Alkohol, der in wässriger Lösung in die Pyranose-Form (Sechsring) übergeht. In der Biochemie unterscheidet man die D- und die L-Glukose, wobei nur die D-Glukose physiologisch nutzbar ist. Diese wird auch als Dextrose oder Traubenzucker bezeichnet. In der vernetzten Form des Glykogens wird Glukose im Körper gespeichert. Bei hohem Energiebedarf oder niedrigem Blutzuckerspiegel werden Enzyme aktiv, die das Glykogen abbauen. Auf diese Weise wird Glukose mobilisiert und den Körperzellen zur Verfügung gestellt.

Was ist die Biochemie von Glykogen?

Biochemisch gesehen ist das Glykogen ein Vielfachzucker. Mehrere Tausend D-Glukose-Moleküle sind über alpha-1,4-glykosidische und alpha-1,6-glykosidische Bindungen miteinander verknüpft. So entsteht ein mehrfach verzweigtes Polymer oder Polysaccharid. Es ähnelt in seiner Struktur dem Amylopektin, einem Bestandteil der pflanzlichen Stärke. Die alpha-1,6-glykosidischen Seitenverzweigungen treten beim Glykogen aber häufiger auf (etwa alle acht bis zwölf Glukose-Bausteine). Benötigt der Organismus Glukose, kann der Abbau durch den hohen Verzweigungsgrad des Moleküls an vielen verschiedenen Stellen im Glykogen erfolgen.

Wo findet sich Glykogen im Körper?

Nimmst du Kohlenhydrate im Überschuss mit der Nahrung auf, bauen Enzyme in den Zellen der Leber und der Muskulatur Glykogen auf. Dabei verteilt sich das Glykogen zu etwa einem Drittel auf die Leber und zu zwei Dritteln auf die Muskulatur. Der Speicher in der Leber dient der Aufrechterhaltung des Blutzuckers sowie der kontinuierlichen Versorgung von Nervenzellen und Erythrozyten (roten Blutkörperchen). Je nach Ernährungszustand macht der Glykogengehalt der Leber ein bis zehn Prozent des Lebergewichts aus. Das Glykogen der Skelettmuskulatur dient ausschliesslich den Muskelzellen zur Energiegewinnung. Sie nutzen die aus der Glykogenolyse (Glykogen-Abbau) gewonnenen Glukose-Bausteine, um über die Glykolyse (Glukose-Abbau) ATP (Adenosintriphosphat) zu generieren. ATP benötigt die Muskulatur für den Prozess der Muskelkontraktion.

Wie erfolgt die Regulation des Glykogen-Aufbaus und -Abbaus?

Eine Regulation des Glykogen-Aufbaus und -Abbaus findet hauptsächlich durch Hormone statt. Während die Glykogen-Synthese durch Insulin angeregt wird, sorgen Adrenalin oder Glukagon für die Aktivierung des Abbaus. Die Hormone binden an spezifische Rezeptoren der Zelle und lösen Signalkaskaden aus, die in der Aktivierung bestimmter Enzyme enden. Diese Enzyme phosphorylieren oder dephosphorylieren die Enzyme des Glykogen-Abbaus und -Aufbaus. Sie übertragen Phosphat-Reste oder spalten diese ab, wodurch die Enzyme von ihrer aktiven in ihre inaktive Form wechseln und umgekehrt.

Wie läuft die Synthese von Glykogen ab?

Die Synthese von Glykogen beginnt an einem zentralen Protein, das Glykogenin genannt wird. Das Glykogenin ist selbst ein Enzym, das die Übertragung von Glukosebausteinen katalysiert. Es hängt sich selbst Glucose-Moleküle an, die aus dem zellulären Pool stammen und in Form von Glukose-6-Phosphat vorkommen. Damit Glukose für die Polymerisation verwendet werden kann, muss zuvor eine Isomerisierung zu Glukose-1-Phosphat stattfinden. Dieser Schritt wird durch ein weiteres Enzym, die Phosphoglucomutase, katalysiert. Durch die Aktivierung von Glukose-1-Phosphat entsteht die UDP-Glukose, die an das wachsende Glykogenpolymer gekoppelt wird. Glykogenine generieren Glukose-Ketten mit fünf bis zehn Glukose-Bausteinen. Danach erfolgt die Verlängerung durch die Glykogen-Synthase, die das C4-Atom des letzten Glukose-Rings der Kette mit dem C1-Atom des neuen Glukose-Moleküls verknüpft, wodurch die alpha-1,4-glykosidische Bindung entsteht. Die Verzweigungsreaktionen übernimmt ein spezielles Verzweigungsenzym.

Welche Form nimmt Glykogen nach dem Abbau an?

Die Glykogenolyse erfolgt durch die Glykogen-Phosphorylase, ein Enzym, das einen Abkömmling des Vitamin B6 als Kofaktor benötigt. Es spaltet endständige Glukose-Reste von der Kette ab und katalysiert deren Phosphorylierung (Übertragung eines Phosphats), sodass Glukose-1-Phosphat entsteht. Nach der Isomerisierung zu Glukose-6-Phosphat stehen die Glukose-Bausteine der Zelle für weitere Prozesse (zum Beispiel für den Kohlenhydratabbau) zur Verfügung. Die Verzweigungen des Glykogens spaltet ein Debranching-Enzym. Aufgrund eines anderen Abbaumechanismus entsteht an diesen Punkten zunächst freie Glukose, die durch das Enzym Hexokinase in Glukose-6-Phosphat umgewandelt werden kann. Der Anteil beträgt aber nur etwa zehn Prozent.

Wie beeinflusst die Ernährung den Glykogen-Aufbau und -Abbau?

Die Glykogen-Speicher des Körpers (bei einem normalgewichtigen, untrainierten Menschen etwa 300 bis 400 Gramm) reichen für etwa 24 Stunden. Sie werden bei kurzfristigen Anstrengungen oder bei Hungerzuständen genutzt. Sind sie aufgebraucht, werden die Fettreserven zur Energieversorgung erschlossen. Reduzierst du deine Kohlenhydrataufnahme zum Beispiel durch eine Low-Carb-Diät, wirst du in den ersten Tagen eine Gewichtsreduktion feststellen. Der Gewichtsverlust ist das Resultat einer vermehrten Wasserausscheidung im Zuge des Glykogen-Abbaus. Möchtest du deine Glykogen-Speicher auffüllen, solltest du Kohlenhydrate in Form von Vielfachzuckern aus ballaststoff- und stärkereichen Nahrungsmitteln aufnehmen. Diese findest du beispielsweise in:

• Kartoffeln
• Hülsenfrüchten
• Reis
• Nudeln
• Brot

Frisches Obst und Gemüse ist die Grundlage einer gesunden Ernährung, da sie zusätzlich Vitamine und Mineralstoffe liefern. Nur ein geringer Teil (maximal ein Fünftel) der benötigten Kohlenhydrate sollten aus Industriezucker und Süsswaren stammen.