Гликоген — это многоразветвленный полисахарид глюкозы , который служит формой хранения энергии у животных , [ 2] грибов и бактерий. [3] Это основная форма хранения глюкозы в организме человека.
Гликоген функционирует как одна из трех регулярно используемых форм энергетических резервов, креатинфосфат для очень краткосрочного хранения, гликоген для краткосрочного хранения и запасы триглицеридов в жировой ткани (т.е. жир тела) для долгосрочного хранения. Белок, расщепленный на аминокислоты, редко используется в качестве основного источника энергии, за исключением голодания и гликолитического кризиса (см. биоэнергетические системы ) .
У людей гликоген вырабатывается и хранится в основном в клетках печени и скелетных мышц . [4] [5] В печени гликоген может составлять 5–6% от сырого веса органа: печень взрослого человека весом 1,5 кг может хранить примерно 100–120 граммов гликогена. [4] [6] В скелетных мышцах гликоген содержится в низкой концентрации (1–2% от мышечной массы): скелетная мышца взрослого человека весом 70 кг хранит примерно 400 граммов гликогена. [4] Небольшие количества гликогена также содержатся в других тканях и клетках, включая почки , эритроциты , [7] [8] [9] лейкоциты , [10] и глиальные клетки в мозге . [11] Матка также хранит гликоген во время беременности для питания эмбриона. [12]
Количество гликогена, хранящегося в организме, в основном зависит от окислительных волокон типа 1 , [13] [14] физической подготовки, основного обмена веществ и привычек питания. [15] Различные уровни гликогена в покоящихся мышцах достигаются путем изменения количества частиц гликогена, а не путем увеличения размера существующих частиц [14], хотя большинство частиц гликогена в состоянии покоя меньше своего теоретического максимума. [16]
В крови человека постоянно присутствует около 4 граммов глюкозы ; [4] у голодающих людей уровень глюкозы в крови поддерживается на этом уровне за счет запасов гликогена, в основном из печени (гликоген в скелетных мышцах в основном используется как непосредственный источник энергии для этой мышцы, а не используется для поддержания физиологического уровня глюкозы в крови). [4] Запасы гликогена в скелетных мышцах служат формой хранения энергии для самой мышцы; [4] однако, распад мышечного гликогена препятствует усвоению мышечной глюкозы из крови, тем самым увеличивая количество глюкозы в крови, доступной для использования в других тканях. [4] Запасы гликогена в печени служат хранилищем глюкозы для использования во всем организме, особенно в центральной нервной системе . [4] Человеческий мозг потребляет около 60% глюкозы в крови у голодающих, малоподвижных людей. [4]
Гликоген — аналог крахмала , полимера глюкозы , который выполняет функцию хранилища энергии в растениях . Он имеет структуру, похожую на амилопектин (компонент крахмала), но более разветвлен и компактен, чем крахмал. Оба представляют собой белые порошки в сухом состоянии. Гликоген находится в форме гранул в цитозоле /цитоплазме во многих типах клеток и играет важную роль в цикле глюкозы . Гликоген образует энергетический резерв, который может быть быстро мобилизован для удовлетворения внезапной потребности в глюкозе, но он менее компактен, чем энергетические резервы триглицеридов ( липидов ). Таким образом, он также находится в качестве резерва хранения у многих паразитических простейших. [17] [18] [19]
Гликоген — разветвленный биополимер, состоящий из линейных цепей остатков глюкозы со средней длиной цепи приблизительно 8–12 единиц глюкозы и 2000–60 000 остатков на одну молекулу гликогена. [20] [21]
Подобно амилопектину, глюкозные единицы связаны между собой линейно α(1→4) гликозидными связями от одной глюкозы к другой. Ветви связаны с цепями, от которых они ответвляются, α(1→6) гликозидными связями между первой глюкозой новой ветви и глюкозой на стволовой цепи. [22]
Каждый гликоген по сути представляет собой шар из глюкозных деревьев, примерно с 12 слоями, в центре которого находится белок гликогенин , с тремя видами цепей глюкозы: A, B и C. Существует только одна C-цепь, прикрепленная к гликогенину. Эта C-цепь образуется путем самоглюкозилирования гликогенина, образуя короткую праймерную цепь. Из C-цепи вырастают B-цепи, а из B-цепей разветвляются B- и A-цепи. B-цепи имеют в среднем 2 точки разветвления, в то время как A-цепи являются конечными, таким образом, неразветвленными. В среднем каждая цепь имеет длину 12, жестко ограниченную между 11 и 15. Все A-цепи достигают сферической поверхности гликогена. [23] [24]
Гликоген в мышцах, печени и жировых клетках хранится в гидратированной форме, состоящей из трех или четырех частей воды на часть гликогена, связанных с 0,45 миллимолями (18 мг) калия на грамм гликогена. [5]
Глюкоза — это осмотическая молекула, и может оказывать сильное воздействие на осмотическое давление в высоких концентрациях, что может привести к повреждению или смерти клетки, если она хранится в клетке без изменений. [3] Гликоген — это неосмотическая молекула, поэтому ее можно использовать в качестве решения для хранения глюкозы в клетке, не нарушая осмотическое давление. [3]
Когда пища, содержащая углеводы или белки, съедается и переваривается , уровень глюкозы в крови повышается, и поджелудочная железа секретирует инсулин . Глюкоза крови из воротной вены поступает в клетки печени ( гепатоциты ). Инсулин действует на гепатоциты, стимулируя действие нескольких ферментов , включая гликогенсинтазу . Молекулы глюкозы добавляются к цепям гликогена до тех пор, пока и инсулин, и глюкоза остаются в изобилии. В этом постпрандиальном или «сытом» состоянии печень забирает больше глюкозы из крови, чем выделяет.
После того, как еда переварена и уровень глюкозы начинает падать, секреция инсулина снижается, и синтез гликогена прекращается. Когда он необходим для получения энергии , гликоген расщепляется и снова превращается в глюкозу. Гликогенфосфорилаза является основным ферментом расщепления гликогена. В течение следующих 8–12 часов глюкоза, полученная из гликогена печени, является основным источником глюкозы в крови, используемой остальным организмом в качестве топлива.
Глюкагон , другой гормон, вырабатываемый поджелудочной железой, во многих отношениях служит контрсигналом инсулину. В ответ на уровень инсулина ниже нормы (когда уровень глюкозы в крови начинает падать ниже нормы), глюкагон секретируется в увеличенных количествах и стимулирует как гликогенолиз (распад гликогена), так и глюконеогенез (производство глюкозы из других источников).
Мышечный гликоген, по-видимому, функционирует как резерв быстро доступной фосфорилированной глюкозы в форме глюкозо-1-фосфата для мышечных клеток. Гликоген, содержащийся в клетках скелетных мышц, в основном находится в форме β-частиц. [25] Другие клетки, которые содержат небольшие количества, также используют его локально. Поскольку мышечные клетки не имеют глюкозо-6-фосфатазы , которая необходима для переноса глюкозы в кровь, гликоген, который они хранят, доступен исключительно для внутреннего использования и не делится с другими клетками. Это контрастирует с клетками печени, которые по требованию легко расщепляют свой запасенный гликоген на глюкозу и отправляют его через кровоток в качестве топлива для других органов. [26]
Скелетным мышцам необходим АТФ (обеспечивает энергию) для сокращения и расслабления мышц , что известно как теория скользящих нитей . Скелетные мышцы в основном полагаются на гликогенолиз в течение первых нескольких минут, когда они переходят от покоя к активности, а также на протяжении всей высокоинтенсивной аэробной активности и всей анаэробной активности. [27] Во время анаэробной активности, такой как поднятие тяжестей и изометрические упражнения , фосфагенная система (АТФ-ФКр) и мышечный гликоген являются единственными используемыми субстратами, поскольку им не нужен ни кислород, ни кровоток. [27]
Различные биоэнергетические системы производят АТФ с разной скоростью, причем АТФ производится из мышечного гликогена гораздо быстрее, чем окисление жирных кислот. [28] Уровень интенсивности упражнений также определяет, сколько субстрата (топлива) используется для синтеза АТФ. Мышечный гликоген может поставлять гораздо более высокую скорость субстрата для синтеза АТФ, чем глюкоза крови. Во время упражнений максимальной интенсивности мышечный гликоген может поставлять 40 ммоль глюкозы/кг сырого веса/минуту, [29] тогда как глюкоза крови может поставлять 4-5 ммоль. [30] [4] Благодаря высокой скорости поставки и быстрому синтезу АТФ, во время высокоинтенсивной аэробной активности (такой как быстрая ходьба, бег трусцой или бег), чем выше интенсивность упражнений, тем больше мышечная клетка производит АТФ из мышечного гликогена. [31] Эта зависимость от мышечного гликогена необходима не только для обеспечения мышц достаточным количеством АТФ во время высокоинтенсивных упражнений, но и для поддержания гомеостаза глюкозы в крови (то есть, чтобы не допустить гипогликемии из-за того, что мышцам нужно извлекать из крови гораздо больше глюкозы, чем может обеспечить печень). [30] Дефицит мышечного гликогена приводит к мышечной усталости , известной как «удар о стену» или «бонк» (см. ниже в разделе об истощении гликогена) .
В 1999 году Мелендес и др. заявили, что структура гликогена является оптимальной в рамках определенной модели метаболических ограничений, где предполагалось, что структура является «фрактальной» по своей природе. [32] Однако исследование Бесфорда и др . [33] использовало эксперименты по малоугловому рассеянию рентгеновских лучей в сочетании с моделями теории ветвления, чтобы показать, что гликоген представляет собой случайно гиперразветвленную полимерную наночастицу. Гликоген не является фрактальным по своей природе. Это впоследствии было подтверждено другими, которые провели моделирование роста частиц гликогена методом Монте-Карло и показали, что молекулярная плотность достигает максимума вблизи центра структуры наночастицы, а не на периферии (что противоречит фрактальной структуре, которая имела бы большую плотность на периферии). [34]
Гликоген был открыт Клодом Бернаром . Его эксперименты показали, что печень содержит вещество, которое может вызывать восстановление сахара под действием «фермента» в печени. К 1857 году он описал выделение вещества, которое он назвал « la matièreglycogène », или «сахарообразующее вещество». Вскоре после открытия гликогена в печени М. А. Сансон обнаружил, что мышечная ткань также содержит гликоген. Эмпирическая формула гликогена ( C
6ЧАС
10О
5) n был создан Августом Кекуле в 1858 году. [35]
Сансон, М.А. «Заметки о физиологическом формировании успеха в животной экономике». Comptes rendus des seances de l'Academie des Sciences 44 (1857): 1323-5.
Синтез гликогена, в отличие от его распада, является эндергоническим — он требует ввода энергии. Энергия для синтеза гликогена поступает из уридинтрифосфата (УТФ), который реагирует с глюкозо-1-фосфатом , образуя УДФ-глюкозу , в реакции, катализируемой УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансферазой . Гликоген синтезируется из мономеров УДФ-глюкозы первоначально белком гликогенином , который имеет два тирозиновых якоря для восстанавливающего конца гликогена, поскольку гликогенин является гомодимером. После того, как около восьми молекул глюкозы были добавлены к остатку тирозина, фермент гликогенсинтаза постепенно удлиняет цепь гликогена, используя УДФ-глюкозу, добавляя α(1→4)-связанную глюкозу к невосстанавливающему концу цепи гликогена. [36]
Фермент ветвления гликогена катализирует перенос терминального фрагмента из шести или семи остатков глюкозы с невосстанавливающего конца на гидроксильную группу C-6 остатка глюкозы глубже вглубь молекулы гликогена. Фермент ветвления может действовать только на ветвь, имеющую не менее 11 остатков, и фермент может переноситься на ту же самую цепочку глюкозы или соседние цепочки глюкозы.
Гликоген отщепляется от невосстанавливающих концов цепи ферментом гликогенфосфорилазой с образованием мономеров глюкозо-1-фосфата:
In vivo фосфоролиз протекает в направлении распада гликогена, поскольку соотношение фосфата и глюкозо-1-фосфата обычно больше 100. [37] Затем глюкозо-1-фосфат преобразуется в глюкозо-6-фосфат (G6P) с помощью фосфоглюкомутазы . Необходим специальный дебранчинг-фермент для удаления α(1→6)-ветвей в разветвленном гликогене и переформирования цепи в линейный полимер. Образующиеся мономеры G6P имеют три возможных судьбы:
Наиболее распространенным заболеванием, при котором метаболизм гликогена становится ненормальным, является диабет , при котором из-за ненормального количества инсулина гликоген печени может ненормально накапливаться или истощаться. Восстановление нормального метаболизма глюкозы обычно нормализует и метаболизм гликогена.
При гипогликемии, вызванной избыточным инсулином, уровень гликогена в печени высок, но высокий уровень инсулина препятствует гликогенолизу, необходимому для поддержания нормального уровня сахара в крови. Глюкагон является распространенным средством лечения этого типа гипогликемии.
Различные врожденные ошибки метаболизма углеводов вызваны дефицитом ферментов или транспортных белков, необходимых для синтеза или распада гликогена. Их в совокупности называют болезнями накопления гликогена .
Спортсмены на длинные дистанции, такие как марафонцы , лыжники и велосипедисты , часто испытывают истощение гликогена, когда почти все запасы гликогена спортсмена истощаются после длительных периодов нагрузки без достаточного потребления углеводов. Это явление называется « удар в стену » в беге и «удар» в велоспорте.
Истощение гликогена можно предотвратить тремя возможными способами:
Когда спортсмены принимают и углеводы, и кофеин после изнуряющих упражнений, их запасы гликогена, как правило, пополняются быстрее; [45] [46] однако минимальная доза кофеина, при которой наблюдается клинически значимый эффект на восполнение запасов гликогена, не установлена. [46]
Наночастицы гликогена были исследованы как потенциальные системы доставки лекарств . [47]
Четыре грамма глюкозы циркулируют в крови человека весом 70 кг. Эта глюкоза имеет решающее значение для нормального функционирования многих типов клеток. В соответствии с важностью этих 4 г глюкозы, сложная система контроля поддерживает постоянный уровень глюкозы в крови. Мы сосредоточились на механизмах, с помощью которых регулируется поток глюкозы из печени в кровь и из крови в скелетные мышцы. ... Мозг потребляет ~60% глюкозы крови, используемой у малоподвижного, голодного человека. ... Количество глюкозы в крови сохраняется за счет резервуаров гликогена (рис. 2). У постабсорбтивных людей в печени содержится ~100 г гликогена, а в мышцах — ~400 г. Окисление углеводов работающими мышцами может увеличиться в ~10 раз при физических нагрузках, и все же через 1
ч
уровень глюкозы в крови сохраняется на уровне ~4 г.