[032] グリコーゲンの合成 glycogen synthesis (GB#101D02) | 基礎医学教育研究会(KIKKEN)Lab

●作る作業はチマチマしている

何万個もブドウ糖がつながっているのに，グリコーゲンを合成する作業はとても細かい。　ひとつ，またひとつとブドウ糖を地道に継げていくしかない。　タンパク質を作るときは一つ一つのアミノ酸の順番が大事だから，ひとつひとつ継げていく仕組みの精密さには驚嘆する。　　片や，グリコーゲンはどうせ同じブドウ糖だけの重合体（polymer）だから，一気にがさっと合体させればよいのに，と思うけれどそういうことはできない。　必要に応じて，ブドウ糖を継いだり，切り離したり調節をするので，ひとつひとつ継げるほうが都合がよいのかもしれない。　グリコーゲンには常にブドウ糖を付け離しする端っこがある。　しかもそれが同時に無数にあるという構造になっている。　

●継げるのにエネルギーがいる

ただ水の中にブドウ糖を混ぜても，グリコーゲンはできない。　グリコーゲンにブドウ糖を継げるとき，ショ糖を作るときと同じように，アミノ酸からタンパクを作るときと同じように，一口で言うと”脱水縮合”で継げる。　だからそれなりのエネルギーが必要だ。　細胞反応のエネルギー源と言えばＡＴＰ（アデノシン三リン酸）というヌクレオチドが主流だ。　だけど，グリコーゲンの合成で直接働くのはＵＴＰ（うりじん３りんさん，uridine triphosphate）という別のヌクレオチドだ。　別のと言ってもアデノシンのところがウリジンという塩基に替わっているだけで，リン酸が３つ繋がっていて，そこが高エネルギー源として働くことは同じだ。

●継がる向きは決まっている

グリコーゲンの基本形はブドウ糖の（規則に沿った位置番号で）１番と，隣りのブドウ糖の４番の炭素原子が，脱水縮合の結果，酸素原子で連結されたグルコシド結合（glycosidic bond）の繰り返しだ。　鎖を横に置くと，右に延しても左に延しても同じことのように見えるけれど，細胞の仕事の常として，働く酵素は頑固なので，延す向きは鎖の端の４番に新しいブドウ糖の１番を連結する一つしかない。　（途中で何度も枝分かれをするけれど，これは別の酵素が特別の方法で行う。）

●連結する前に必要なこと

細胞の外を流れているブドウ糖は細胞膜にある運び屋タンパク（glucose transporter）に捕まえられて細胞の中に取り込まれる。　細胞の中に入ると直ちにグルコキナーゼ（glucokinase）という酵素によって，６番の炭素にリン酸が連結されてグルコース６リン酸（Ｇ６Ｐ）にされてしまう。　運び屋タンパクはブドウ糖専用の回転ドアみたいなもので，裸のブドウ糖にとっては入り口でもあると同時に出口にもなる。　つまり，放っておくとせっかく取り込んだブドウ糖が外に逃げてしまう。　一方，細胞膜にはＧ６Ｐが通れる回転ドアはない。　ということで，リン酸をくっつけるのは，ＡＴＰを一個使ってしまうけれど，取り込んだブドウ糖が回転ドアを通れなくなくするための大事な手続きなのだ。　しかし，Ｇ６Ｐはそのままだと今度は解糖系につかまって解体されてエネルギーを抜かれてしまう。　グリコーゲンに連結するときには，このリン酸をすかさず１番に付け直してグルコース１リン酸（Ｇ１Ｐ）に変える。　この反応はグルコースホスホムターゼ（glucose phosphomutase）という酵素が進めるけれど，リン酸基を付け替えるだけなので差し引きのエネルギー消費はないという。　ここからグリコーゲンへの連結作業が始まる。

●一粒で二度おいしいＵＴＰ

グリコーゲンの合成にはＵＴＰという高エネルギー物質が働く。　ただし，それで直接一発で，ブドウ糖をグリコーゲンに連結するというわけではなくて，ちょっと込み入った仕掛けになっている。　

まず，ウリジン三リン酸は酵素によって二リン酸（ピロリン酸）を切り離されて，いったんウリジン１リン酸（ＵＭＰ）のカタチになったものがＧ１Ｐのリン酸基に連結される。　切り離されたピロリン酸がすぐに加水分解してエネルギーを提供することで，この反応を後押しするそうだ。　結果的にブドウ糖にウリジン二リン酸（ＵＤＰ）がくっついたカタチが出来上がり，これをＵＤＰグルコース（UDP-glucose）と呼ぶ。　
ＵＤＰグルコースになると，ようやく連結だ。　新たなグリコーゲンシンターゼ（glycogen synthase）という酵素に捕まって，作ったばかりのＵＤＰの部分がむしりとられて，裸になったブドウ糖がもともとあるグリコーゲンの端っこに一気に連結される。　ちぎれたピロリン酸もエネルギーを抜かれるから，ウリジン三リン酸（ＵＴＰ）はとことんエネルギーを吸い取られた感じにみえる。　だけど収支でみると，ブドウ糖一個を連結するのに，ＵＴＰがリン酸一個を失ってＵＤＰができる形でしかない。　

●枝分かれで効率を上げる

グリコーゲンは一本鎖でなくて，実際は８個から１２個くらいのブドウ糖がつながったところで二つに枝分かれしていて，それが何度も何度もくりかえされている。　枝分かれの仕組みは，単純にブドウ糖を連結するのとは違って，ここで説明すると長くなるので，別の機会にする。　しかし，枝分かれをしていることで，一本の鎖だとちまちました作業でも，無数の枝の端っこで各々同時進行で数多くのブドウ糖をグリコーゲンに連結できるという利点がある。　これは必要に応じてブドウ糖を切り出すときも同様だ。　グリコーゲンの合成の仕方と，分解の仕方はまったく異なっているけれど，分解するときもひとつひとつブドウ糖を切り出さなくてはならない。　そのときも枝がいくつもあれば一斉にそれぞれの枝の端っこから，大量のブドウ糖を切り出すことができる。

●グリコーゲンの始まりはブドウ糖じゃない

グリコーゲンは実は純粋なブドウ糖のかたまりとも言えないところがある。　グリコーゲンを新しく作るとき，最初はブドウ糖にブドウ糖を連結するのだろうか。　そうするとできるのは麦芽糖（マルトース，maltose）という二糖になる。　それにブドウ糖をひとつ連結出来たら，マルトリオースという三糖ができるけれど，このような裸のオリゴ糖をグリコーゲンの種にはできない仕組みだ。　グリコーゲンの始まりは糖ではなくて，グリコゲニン（glycogenin）というおかしな名前の特別のタンパク質なのだ。　グリコゲニンはブドウ糖が連結する部分を２つ，お互いに反対向きになるように持っている酵素で，グリコーゲンのプライマー（primer）として働き，自分自身に最初のＵＤＰグルコースと，続く３個から４個のＵＤＰグルコースを連結する。　グリコゲニンはグリコーゲンが成長しても，ずっと根本に付いたままになっているので，グリコーゲンはブドウ糖のただの重合体とはちょっと違うのだ。

メモ：
・グリコーゲンのグルコシド結合の加水分解の ΔG は -15.5 kJ/mol (-3.7 kcal/mol)
・ピロリン酸の加水分解の ΔG は -33.5 kJ/mol (-8.0 kcal/mol)
・グリコゲニンについてもっと知りたい （wikipedia）

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