Aus den Laboratoires de chimie inorganique et organique de l'universit6 in Genf.

Die Konstitution des Glykogens* Von

KURT H. MEYER~ P. BEItNFELD und P. G~RTLER.

Mit 4 Textabbildungen.

(Eingegangen am 18. Juni 1947.)

Unter der Bezeichnung , ,Glykogen" seien im folgenden diejenigen hochpolymeren, aus Glukoseresten zusammengesetzten Polysaccharide verstanden, die sich im Zellplasma vieler Tiere und m~ncher Pflanzen (z. B. Hefe) verteil t oder auch als amorphe Schollen vorfinden und die mit Jod eine rotbraune oder rote l~arbreaktion zeigen. Dagegen seien :m Gegensatz zu mehreren ~merikanischen Autoren nicht die- jenigen Kohlehydrate inbegriffen, die ebenfalls rote Jodreakt ion geben, die abet den Inhal t yon St~rkekSrnern bilden, z. B. der KSrner der , ,Waxy-Mais" oder des Klebreises, und die in den K6rnern zu kristallinen Sphttriten zusamnlengefiigt sind.

Wit wissen heute, dal~ das Glykogen hochpolymer ist und kom- pakte Molekiile bildet. Dies geht insbesondere aus dem viskosimetri- schen Verhalten hervor, wie STAUDI~GE~ 1 gezeigt hat. Das Glykogen kann also, trotzdeln es bei der enzymatisehen Hydrolyse viel Maltose

"liefert, nicht aus langen Ket ten yon in :¢ 1,4 glukosidischer Bindung (Maltosebindung) verbundenen Glukoseresten bestehen, wie die Amy- lose, sondern mu[~ eine verzweigte Struktur haben.

CH,.,OH CH~OH CH~OH CH~OH

s / . U . . . . ° \ i t

- o - ' \o - _.,/l_om\O. /Lo- H OH H OH H OH H OH

Amylose .

Dies wird auch durch die chemischen Befunde erh£rtet : Glykogen hat einen hohen Prozentsatz endstiindiger Glukosereste, .die bei der hydrolytischen Spaltung des methylierten Glykogens 2.3.4.6-Trimethyl- glukose liefern (HAWORT~2). Ferner wird Glykogen yon fl-Amylase

* Herrn Prof. HEUBNER zum 70. Geburtstag gewidmet. 1 STAUDI~TGEB, ~-1. : Naturw. 25, 673 (1937). - - STAUDINGt~R, H . u . E. Hus~:-

.~IAN.~: Ber. dtsch, chem. G'es. 70, 1451 (1937). Ann. Chem. 530, 1 (1937). - - i HAWOItTH, W . N, , U. L. HIRST u. W. A. [SHERWOOD: J. chem. Soc., Lond. 1937, 577.

Die Konstitution des Glykogens. 323

nieht vollst~ndig zu Maltose abgebaut ; es hinterbleiben 50--600 einer hochpolymeren Substanz, , ,Grenzdextrin". Nun bau t fl-Amylase die Amyloseket ten nach 0HLSSOZ~ a vom nicht glukosidisehen Ende an ab; Phosphors/~urereste bilden ein unfibersteigliches Hindernis (HANES4), ebenso andere Bindungen als ~ 1,4 glukosidische. Da Glykogen prak- tisch keinen chemisch gebundenen Phosphor enth~tlt 5, kommen als

I 12- - ] s / ~ 0 ~ . . . . / 0 - ] , \ H , - - 0 \ Glukosereste 2 0 ~ / ~ H ,

\ i , \ - -

' ! o (~ H/'--O',, . Z _ O _ / / ]-] 0~, ,__/~ ", f f \ \ j

m

H/l~O\ / - -0 , __0 /~ H O \ - / ~ " - / /

6

O H/i__o. \ I , ~ I____ H ' ,~ J

/ - - ~ \ ~ / \ \ t~T-T t'l "/'-' \ \ NO " . - - /

HO~\ / / ,, / H 0 ~ / H

ergibt 2.3.4.6-Tetra- methylglukose ergeben 2.3.6-Trimethylglukose

Abb. I. Formel des Glykogens nach STAUDINGER,

12--18 Glukosereste ~'O~(~/iI-I \ _ / o ~

~o~\~

12--18 ~ ! Glukoserestc ~ U - - ' \ H

crgibt 2.3.4.6-Tetra- methylglukose

Hindernis nut Zweigstellen in Betracht, in denen andere Bindungen a|s ~¢ 1- -4 Bindungen vorliegen.

Was nun die Konst i tut ion des Glykogens im einzelnen und die Anordnung der Zweige betrifft, so stehen einander 3 Struktur- vorsehli~ge gegeniiber.

1. Naeh einer yon SV•UmNGER aufgestellten, allerdings nicht a l s endgiiltig bezeichneten Formel besteht Glykogen aus einer Hauptke t te ,

8 OHLSSO~, E.: Z. physiol. Chem. 189, 17 (1930). - - 4 HA•Es, C. S.: New Phytologist 86, 538 (1937). - - ~ ME~:ER, K. H. u. R. J~A.~LOZ: Helvet. ehim. Acta 26, 1784 0943).

21"

324 KURT H. ]~EYER, P. BERNFELI) und P. GiiRTLFm:

de ren Glukoseres te an a l len H y d r o x y l g T u p p e n Zweige t ragen , d . h . a l le H y d r o x y l g r u p p e n dieser zen t ra len K e t t e s ind g lukos id i sch ver- sehlossen (s. Abb . 1).

2. N a c h HAWORTI~ e be s i t z t Glykogen .eine , , l a m i n a t e d s t ruc tu r e :" " I t s s t ruc tu re is r ep re sen t ed b y a chain of 12 g lucopyranose member s u n i t e d b y l a t e r a l l inkages to form a la.mina¢ed s t r u c t u r e . " Die sei t - l ichen B indungen s ind sehr wa.hrscheinlich ~ 1,6 B indungen .

0--0"0--0--0--0--0--0--0--0--0--0 0--0--0--0--0--0--~--0--0--0--0--0

O0--O--O--O--O.~--O0--O--O--O 0--0--0-0--0--0-~-0-0-0-0-0

~, USW.

fi-Amylasc

©

0--0--0--0--0--0--0

0--0~--0--0 - 0--0--0 0--0~--0 0--0--0--0

~ U S W . "

Abb. 2. Formel tles Glykogens ~lnd des Grenzdextrins naeh H.~WOR~rH. Die l%inge bedeuten Glukosereste, die Striehe bedellten ~ 1,4, die Pfeile a 1,6 Bindung.

3. N a c h KURT H. MEYEI¢ 7 h a t es eine ver~s te l te S t r u k t u r nach Abb . 3. ] )as G r e n z d e x t r i n wird dureh das Sehem~ der Abb . 4 wiedergegeben.

Zudschen den 3 S t ruk tu rvor sch l i igen lii{~t s ieh eine endgi i l t ige E n t s c h e i d u n g f~tllen, wenn m a n d ie ~ o r m e l n des Grenzdex t r ins , das aus Glykogen d u r c h A b b a u m i t /5-Amylase en t s t eh t , in B e t r a c h t z ieh t u n d sie an H a n d seiner E igensch~f ten pr i i f t .

ad 1. Von e inem G ykogen nach STAVDINGEI~ sol l te naeh f l -amyla- t i s ehem A b b a u der Se i t enke t t en nur die Z e n t r a l k e t t e m i t se i t l icheu , , S t u m m e l n " fibrig b l e iben ; da auf j eden Glukose res t der Z e n t r M k e t t e 3 se i t l iche K e t t e n m i t zusamlnen e twa 3ram 15 = 4 0 - - 5 0 Glukose- r es ten entfa l len , Sollten mindes t ens 90% durch /?-Amylase a b g e b a u t werden. Der A b b a u be t r~g t j edoeh nu t 47%. STAUDI~GEm S t r u k t u r - vorsehlag sche ide t also aus.

a d 2. ])as nach HAWORTI~I fo rmul ie r t e Glykogen sol l te eine ke t t en - fSrmige Verb indung geben, in der uul~er ~ 1,4 auch :¢ 1,6 B i n d u n g e n v o r k o m m e n (vgl. Abb. 2).

e I-IAWOlCT~ L W. N. : Prec. roy. Soc. Lend. A 186, 1 (1946). - - : MEYER, K. 1-[. : Naturw. 29, 287 (1941).

Die K(mstitution des Glykogens. 325

Die L6sungen soleher fadenf6rmig g e b a u t e n P o l y s a c e h a r i d e h a b e n verh~ltnism/~l~ig hohe Viskosit/~ten, was bei dem Grenzdex t r i n n i c h t de r F a l l is t . I h r e A z e t a t e geben be im E i n d a m p f e n ih re r Te t r ach lo r - i~thanl6sung feste, te ieh t d e h n b a r e l~ilme. Dies g i l t n ic l l t nur fiir d ie regelmfiBig g e b a u t e n Subs t anzen T r i a c e t y l a m y l o s e und Tr i ace ty l - cellulose, sondern auch fiir Tr iace ty l ] ichenin , das aus l a n g e n K e t t e n bes teh t s in denen a u g e r 75% e 1,4 aueh 25% ~ 1,3 B indungen

Abb . 3. S c h e m a der A n o r d n u n g der Glu- koseres te i m Glykogen . O Glukose res t ,

=4 a ldehyd i sches Ende ,

A

Abb. 4. S c h e m a der A n o r d n u n g der Glukoseres te im Grenzdex t r in .

v o r k o m m e n u n d das also einen ghnl ichen Bau h a t wie das nach ]-LXWORTI~ fo rnml ie r t e Grenzdex t r in .

W i r l inden nun, d a b aze ty l i e r t e s Grenzdex t r i n aus Glykogen ke ine f i lmb i ldenden E igenseha f t en ha t , ebensowenig wie Aze ty lg lykogen

se lbs t .

3 g Glykogen aus Rindsleber (Hoffmann-La Roche, Basel) wurden zur Ent- Iernung yon etwa 2% anhaftendem Eiweig in 60 ecru Wasser gel6st und mit 20 ecru CHC18 und 2 ecru Amylalkohol w/~hrend 24 Stunden gesehiittelt. Die Emulsion wurde 1 Stunde bei 3000 T. zentrifugiert. Die iiberstehende opali- sierende LSsung wurde abgehebert und noeh zweimal mit CI-IC13 und AmylMkohol behandelt. Die GlykogenlSsung wurde in der friiher beschriebende Weise mit fl-Amylase zumGrenzdextrin abgebaut 9. Das Grenzdextrin wurde mit Methanol ausgefgllt, das anhaftende Wasser dureh Wasehen mit Methanol, dieser mit ]d~ther und der.Ather mit troekenem Pyridin verdriingt; dann wurde mit Pyridin- Essigsgureanhydrid auf 100% w/ihrend 24 Stunden erwiirmt. Naeh dem Erkal~en wurde das Reaktionsgemisch zentrifugiert, wobei ein Bodensatz (Fraktion 1) anfiel. Die braungef/~rbte iiberstehende LSsung wurde abdekantiert und unter Kiihlung in Alkohol gegossen, wobei ein feinfloekiger Niedersehlag (Fraktion 2) entstand. Aus 2,1 eiweigfreiem Glykogen wurden erhalten:

Fraktion 1 :0 ,55 g beige gef/trbtes feines Pulver Fraktion 2 :1 ,1 g . . . . . . . .

Beide F r a k t i o n e n s ind 16slieh in Chloroform und Tet raehlor '~ than sowie in Benzy la lkoho l . D u t c h A b d a m p f e n ihrer L6sungen erh/~lt m a n eine br6e ld ige ~Iasse und ke inen F i lm. Das G r e n z d e x t r i n h a t also ebenso wie das Glykogen einen k o m p a k t e n , n ich t l angges t r eek ten

s MI~YER, KURT H. u. P. GORTLER: Helvet. ehim. Aeta 30, 751 (1947). - - 9 ~[EYER, ]~. H . u. I'~'[. FULD : Helvet. chim. Aeta 24, 375 (1941).

326 MEYER, BER~N'FELD lind Gi~'RTLER: Die Konstitution des Glykogens.

Bau. Hiermit s teht nun unser Strukturvorschlag Abb. 3 im Einklang.

Wir sind daher der Meinung, dab unser Vorschlag die wirldiche Konsti tut ion des Glykogens schematisch wiedergibt; Glykogen ist allerdings in Wirklichkeit ein Gemenge yon Molekiilen sehr verschie- denen Molekulargewichts (yon 1 bis mehreren Mil]ionen), bei denen auch Schwankungen im Verzweigungsgrad vorkommen diiHten.

Die Synthese des Glykogens aus Glukose-l-phosphat , 1/~gt sich ~erstehen, w e n n man annimmt , dab aul~er der bereits b e k a n n t e n q. 1,4 Phosphorylase noch eine ~ 1,6 Phosphorylasc mitwirkt, die Glu- kose aus Glukose-l-phosphat an -CH,,OH-Gruppen des wachsenden Glykogenmolekiils anlagert. Wenn hierbei durchschnittl ich 5--6real so viel c¢ 1,4 wie ~ 1,6 Bindungen geschlossen werden, so entstehen Molekfile nach unserem Schema.