Glycogen debranching enzyme activity in the muscles of meat producing animals

Muscle glycogen exists in two forms: low molecular weight pro-glycogen and high molecular weight macro-glycogen. The degradation of glycogen to glucose 1 phosphate and free glucose is catalysed by glycogen phosphorylase together with glycogen debranching enzyme (GDE). The process in which glycogen is broken down via anaerobic pathways to lactate, results in the acidification of the muscles and has a great influence on meat quality. Thus, the overall aim of this thesis was to characterise the post mortem action of GDE in muscles of meat production animals (pigs, cattle and chickens). Interest was focused on the differences in GDE activity between fast twitch glycolytic muscles and slow twitch oxidative muscles. The effects of pH, temperature, RN genotype (PRKAG3 gene), and of time post mortem on GDE activity were also investigated. This thesis showed that there are differences in GDE activity between animal species and between different muscles of an animal. It was shown that in pigs and cattle, higher GDE activity and phosphorylase activity exists in the fast twitch glycolytic muscles than in slow twitch oxidative muscles of the same animal. Thus, the high activity of these enzymes enables a faster rate of glycogenolysis in glycolytic M. longissimus dorsi compared to oxidative M. masseter. In chicken muscles, the GDE activity was low compared to pig or cattle muscles. Furthermore, the GDE activity in the glycolytic M. pectoralis superficialis was lower than in more oxidative M. quadriceps femoris despite the high phosphorylase activity in the former. The relative ratios between phosphorylase and GDE activity were higher in fast twitch glycolytic muscles than in slow twitch oxidative muscles of all studied animals. This suggests that the relatively low GDE activity compared to the phosphorylase activity in fast twitch glycolytic muscles may be a protection mechanism in living muscle against a very fast pH decrease. Chilling significantly decreased GDE activity and below 15 C porcine GDE was almost inactive. The effect of pH on GDE activity was only minor at the range normally found in post mortem muscles (pH 7.4 to 5.0). The GDE activity remained level for several hours after slaughter. During the first hours post mortem, GDE activity was similar in RN- carrier pigs and in wild type pigs. However, the GDE activity declined faster in M. longissimus dorsi from wild type pigs than in the RN carrier pigs, the difference between genotypes was significant after 24 h post mortem. Pro-glycogen and macro-glycogen contents were higher, pH decrease was faster and ultimate pH was lower in RN- carrier pigs than in wild type pigs. In the RN- carriers, the prolonged high GDE activity level may enable an extended pH decrease and lower ultimate pH in their muscles. In conclusion, GDE is not the main factor determining the rate or the extent of post mortem glycogenolysis, but under certain conditions, such as in very fast chilling, the inhibition of GDE activity in meat may reduce the rate of pH decrease and result in higher ultimate pH. The rate and extent of pH decrease affects several meat quality traits.

Teurastuksen jälkeen lihakset tuottavat energiaa pääasiassa anaerobisella glykolyysillä eli pilkkomalla glykogeenia useiden välivaiheiden kautta laktaatiksi. Laktaatin kertymiseen johtavan reaktiosarjan seurauksena solun pH-arvo laskee. Sekä pH-arvon laskunopeudella että saavutettavalla loppu-pH-arvolla on suuri vaikutus lihan laatuun. Lihakset voidaan ryhmitellä pääasiallisen solutyyppinsä mukaan hitaasti supistuviin oksidatiivisiin lihaksiin, jotka pyrkivät ylläpitämään toimintaansa aerobisesti, ja nopeasti supistuviin glykolyyttisiin lihaksiin, joiden energiantuotannossa anaerobisella glykolyysillä on suuri merkitys. Glykogeenin pilkkomiseen tarvitaan kahden entsyymin, glykogeenifosforylaasin ja glykogeenidebranching-entsyymin (GDE), yhteistoimintaa. Fosforylaasin tiedetään toimivan erittäin nopeasti, mutta GDEn toimintaa ei ole lihantuotantoeläimillä juurikaan tutkittu. Väitöstyön tavoitteena oli saada tietoa GDE aktiivisuudesta sian, naudan ja broilerin lihaksissa. Työssä verrattiin näiden eläinten nopeasti supistuvia glykolyyttisiä lihaksia hitaasti supistuviin oksidatiivisiin lihaksiin. Työssä tutkittiin myös pH-arvon, lämpötilan ja teurastuksesta kuluneen ajan vaikutuksia GDE aktiivisuuteen. Väitöstyön tulokset osoittivat sekä eläinlajien että eri lihasten välillä olevan eroja GDE aktiivisuudessa. Nopeasti supistuvissa glykolyyttisissä lihaksissa korkea GDE aktiivisuus yhdessä korkean fosforylaasin aktiivisuuden kanssa mahdollistaa nopean glykogeenin pilkkoutumisen energiaksi ja sitä seuraavan pH-arvon laskun. Tulosten perusteella GDE vaikuttaa vain vähän normaalin lihan teurastuksen jälkeisen glykolyysin nopeuteen tai laajuuteen. Kuitenkin jotkin olosuhteet, kuten hyvin nopea jäähdytys, saattavat johtaa GDEn inaktivoitumiseen ja siten hidastaa normaalia lihan pH-arvon laskua. Väitöstyössä havaittiin, että GDEn ja fosforylaasin aktiivisuudet olivat korkeampia sian kuin naudan lihaksissa. Näissä eläimissä entsyymiaktiivisuudet olivat korkeammat nopeasti supistuvissa glykolyyttisissä kuin hitaasti supistuvissa oksidatiivisissa lihaksissa. Broilerin lihaksissa GDE aktiivisuus oli alhainen huolimatta korkeasta fosforylaasiaktiivisuudesta. Toisin kuin siassa ja naudassa broilerin nopeasti supistuvan glykolyyttisen rintalihaksen GDE aktiivisuus oli alhaisempi kuin oksidatiivisemman nelipäisen reisilihaksen. Laskennallinen fosforylaasiaktiivisuuden suhde GDE aktiivisuuteen oli korkeampi nopeasti supistuvissa glykolyyttisissä lihaksissa kuin hitaasti supistuvissa oksidatiivisissa lihaksissa. Siten GDE saattaa hidastaa glykolyysia nopeasti supistuvissa lihaksissa, riippuen kuitenkin niiden glykogeenipitoisuudesta. Lihasten GDE aktiivisuus oli korkein heti tainnutuksen jälkeen esiintyvissä lämpötiloissa (39 °C ja 42 °C). GDE aktiivisuus laski lämpötilan laskiessa, ja se oli käytännössä inaktiivinen lämpötilan ollessa alle 15 °C. Sen sijaan pH-arvolla oli vain vähäinen vaikutus GDE aktiivisuuteen pH-välillä 7,4 - 5,0. Ulkofileen GDE aktiivi¬suus pysyi korkeana useita tunteja tainnutuksen jälkeen. Juuri GDEn lämpötilariippuvuus saattaa selittää nopean jäähdytyksen PSE (pale, soft, exudative) lihaisuutta ehkäisevän, eli lihan laatua parantavan vaikutuksen.