Общая информация
Гликоген участвует в поддержании гомеостаза глюкозы и регулируется в первую очередь инсулином, глюкагоном, а также молекулами в их нижестоящих сигнальных путях. Инсулин способствует синтезу гликогена, а глюкагон его расщеплению.
Гликоген содержит незначительное количество фосфата и глюкозамина. Источник и функция фосфата и глюкозамина в человеческом гликогене неизвестны.
В линейных цепях остатки глюкозы связаны α-1,4-гликозидными связями, а α-1,6-гликозидные связи создают точки ветвления. Ветви в пределах нормального гликогена распределены через равные интервалы, благодаря чему молекула имеет сферическую форму.
Частица гликогена состоит из 55 000 остатков глюкозы. В скелетных мышцах частицы гликогена имеют размер 10–44 нм в диаметре, а в печени — примерно 110–290 нм. Гликоген можно идентифицировать с помощью электронной микроскопии внутри клеток [3]
Химическая формула |
C24H42O21 |
Биологическая роль
Метаболизм гликогена важен для многих физиологических процессов в организме человека. Запасы гликогена используются в качестве топлива во время периодов голодания или работы мышц.
Как синтез, так и расщепление гликогена являются сложными процессами, требующими координированного действия ряда ферментов. Врожденный дефицит этих ферментов обычно приводит к гипогликемии натощак, непереносимости физической нагрузки или тому и другому.
Некоторые нарушения метаболизма гликогена оказывают существенное влияние на нервную систему. Врожденный дефицит фермента ветвления гликогена (полиглюкозановая болезнь) имеет разрушительные неврологические последствия, включая когнитивные нарушения и аксональную невропатию.
Мутации в гене глюкозо-6-фосфатазы приводят к дисфункции проксимальных канальцев и почечной недостаточности. Мутации в переносчике глюкозы GLUT2 также вызывают проксимальную канальцевую нефропатию.
Врожденный дефицит фермента ветвления гликогена (GSD тип IV) может редко вызывать протеинурию, инсультоподобные эпизоды и гипогидроз, что позволяет предположить диагноз болезни Фабри.
Гликоген является жизненно важной молекулой для здоровья сердечно-сосудистой системы
Метаболизм гликогена может быть нарушен у пациентов с диабетом из-за инактивирующих мутаций в гене глюкокиназы, что подчеркивает роль фосфорилирования глюкозы в патогенезе сахарного диабета. У пациентов с дефицитом глюкокиназы нарушено восполнение гликогена в печени после еды.
Регуляция
Гликоген это важное соединение для поддержания гомеостаза глюкозы, синтез и расщепление которого происходит в зависимости от потребностей организма.
Как было сказано выше, двумя основными пептидными гормонами, участвующими в его регуляции, являются инсулин и глюкагон, которые способствуют анаболизму и катаболизму. Понимание эффекта этих двух гормонов важно в контексте метаболизма гликогена.
Инсулин сигнализирует о высокоэнергетическом состоянии. Таким образом, его последующее действие включают синтез липидов и синтез гликогена.
Глюкагон сигнализирует о низком энергетическом состоянии, следовательно, его последующие эффект обратный действию инсулина. То есть, повышенное высвобождение глюкагона приведет к последующему эффекту повышенного липолиза и расщепления гликогена для удовлетворения энергетических потребностей организма.
В частности, последующие эффекты инсулина и глюкагона изменяют активность нескольких ферментов, противоположно участвующих в метаболизме гликогена посредством дефосфорилирования и фосфорилирования соответственно.
Инсулин связан с активацией протеинфосфатазы 1 (PP1) и протеинкиназы B (PKB). Глюкагон связан с цАМФ-опосредованным путем, который активирует протеинкиназу А (PKА).
Синтез гликогена или гликогенез требует ряда химических реакций, включающих поступление глюкозы в клетку через переносчики, фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата, изомеризацию до глюкозо-1-фосфата и образование уридин-5'-дифосфат-глюкозы, которая является прямым донором глюкозы для синтез гликогена.
Расщепление гликогена или гликогенолиз в первую очередь требует гликогенфосфорилазы и фермента деветвления. Гликогенфосфорилаза включает поступление фосфата (Pi) и PLP (пиридоксальфосфата), кофактора, полученного из витамина B6. [4]
Метаболизм
Гликоген хранится преимущественно в печени и скелетных мышцах. Депо гликогена в печени и скелетных мышцах выполняют частично разные функции и по-разному регулируются.
Гликоген печени поставляет глюкозу преимущественно в кровоток во время периодов голодания, тогда как гликоген, хранящийся в скелетных мышцах, поставляет глюкозу мышечным волокнам во время мышечного сокращения.
Следовательно, содержание гликогена в печени снижается во время голодания, а содержание гликогена в мышцах уменьшается после тренировки в работающих мышцах. Во время коротких периодов голодания значительного снижения содержания мышечного гликогена не происходит.
Эти два основных депо гликогена физиологически связаны друг с другом, так как гликоген печени доставляет глюкозу в кровоток во время физических упражнений, а лактат, образующийся в мышцах во время мышечных сокращений, превращается в глюкозу в печени, способствуя восполнению запасов гликогена в печени.
Во время физической нагрузки потребление глюкозы сокращающейся мышцей увеличивается, несмотря на низкую концентрацию инсулина.
Метаболизм гликогена в печени
У здоровых людей гликоген в печени восстанавливается преимущественно после приема пищи. Источником фрагментов глюкозы, формирующих частицу гликогена в печени, является либо пища (прямой путь синтеза гликогена), либо путь глюконеогенеза (непрямой путь синтеза гликогена), который производит глюкозо-6-фосфат из предшественников, таких как лактат и аланин. [5]
Среди пациентов с врожденным дефицитом глюкокиназы непрямой путь становится более важным, чем прямой путь синтеза гликогена после приема пищи, поскольку фосфорилирование глюкозы до глюкозо-6-фосфата в печени нарушается, что препятствует утилизации глюкозы, полученной из пищи. [6]
Роль других моносахаридов, таких как фруктоза и галактоза, как источников печеночного гликогена у человека неясна. По оценкам, пищевая галактоза вносит примерно 19% в синтез гликогена в печени у здоровых людей. [7]
Сообщается, что добавки с галактозой или фруктозой более эффективны, чем глюкоза, в восстановлении гликогена в печени после тренировки у тренированных субъектов. [8]
Метаболизм гликогена в скелетных мышцах
Глюкоза, высвобождаемая из гликогена, является основным источником энергии для сокращающихся мышц, а физические упражнения высокой интенсивности истощают запасы гликогена в активных скелетных мышцах.
Примечательно то, что регулярные тренировки влияют на способность мышечной ткани накапливать больше гликогена в период восстановления после физических нагрузок. Более подробно ниже.
Упражнения снижают количество гликогена в сокращающихся скелетных мышцах
Биопсия скелетных мышц, полученная от здоровых добровольцев, показывает, что содержание гликогена заметно снижается после циклических упражнений в работающих мышцах, в то время как уровень гликогена в неактивных мышцах остается неизменным [9] [10]
Способность скелетных мышц к выносливости к физическим нагрузкам связана с содержанием мышечного гликогена, а утомление развивается тогда, когда запасы гликогена в активных мышцах истощаются. [9]
Сообщалось, что введение фруктозы для сохранения мышечного гликогена аналогично глюкозе или плацебо [11], или лучше, чем глюкоза или плацебо. [12]
Повышенная концентрация свободных жирных кислот в плазме способствует запасанию гликогена в скелетных мышцах во время физической нагрузки [13]
Упражнения способствуют накоплению гликогена в ранее активных скелетных мышцах
Образцы биопсии скелетных мышц здоровых добровольцев демонстрируют, что в ранее тренированных мышцах содержание гликогена во время восстановления быстро увеличивается, достигая со временем более высокого уровня по сравнению с уровнем до тренировки [9] [10]
В последствии упражнения повышают способность скелетных мышц накапливать гликоген, увеличивая запасы гликогена в активных мышцах.
Кроме того, тренировки снижают утилизацию мышечного гликогена во время упражнений у здоровых людей, повышая способность скелетных мышц метаболизировать жир. [13]
Следовательно, содержание гликогена в мышцах выше у людей, тренированных на выносливость, по сравнению с нетренированными. [14]
Увеличение синтеза гликогена в ответ на предыдущую нагрузку требует интактного гликогенолиза. У лиц с болезнью Мак-Ардла гликогенолиз недостаточен в скелетных мышцах из-за врожденного дефицита гликогенфосфорилазы.
У этих людей наблюдается низкий базальный уровень активности гликогенсинтазы и пониженная активация гликогенсинтазы после физической нагрузки по сравнению с контрольной группой. [15]
В дополнение к упражнениям содержание гликогена в мышцах само по себе влияет на синтез гликогена у здоровых людей. Высокая концентрация гликогена подавляет синтез гликогена в скелетных мышцах. [16]
Эффективность фруктозы, галактозы и аминокислот для улучшения восстановления гликогена изучалась в ряде исследований. Сообщается, что скорость синтеза гликогена в тренированных мышцах в период восстановления выше при введении глюкозы по сравнению с фруктозой. Добавление фруктозы к глюкозе не улучшает восстановительную способность одной только глюкозы. [17]
Совместное употребление аминокислот и углеводов не увеличивает скорость синтеза гликогена в скелетных мышцах после тренировки по сравнению с тем же количеством углеводов у здоровых людей. [18] У тренированных субъектов добавление аминокислот к галактозе не улучшает восстановление мышечного гликогена. [19]
