Гликоген

Гликоген представляет собой разветвленный полимер глюкозы, который используется организмом в качестве резерва энергии, что обеспечивает поставку глюкозы в кровоток во время периодов голодания, а также в мышечные клетки во время мышечного сокращения. Отсутствует в тканях растений.

В печени сосредоточен большой запас гликогена, однако наибольшее его количество находится в скелетной мышечной ткани. Гликоген также был идентифицирован в других тканях, таких как почки, сердце, мозг, жировая ткань и эритроциты, но его функция в этих тканях до конца не изучена. [1] [2]


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]

Источники и ссылки
  1. Roach PJ, Depaoli-Roach AA, Hurley TD, Tagliabracci VS. Glycogen and its metabolism: some new developments and old themes. Biochem J. 2012 Feb 01;441(3):763-87
  2. Jensen J, Rustad PI, Kolnes AJ, Lai YC. The role of skeletal muscle glycogen breakdown for regulation of insulin sensitivity by exercise. Front Physiol. 2011;2:112
  3. Chikwana V.M., Khanna M., Baskaran S. Structural basis for 2ʹ-phosphate incorporation into glycogen by glycogen synthase. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013;110(52):20976–20981
  4. Schneider G, Käck H, Lindqvist Y. The manifold of vitamin B6 dependent enzymes. Structure. 2000 Jan 15;8(1):R1-6
  5. Woerle H.J., Meyer C., Dostou J.M. Pathways for glucose disposal after meal ingestion in humans. Am. J. Physiol. Endocrinol. Metab. 2003;284(4):E716–E725
  6. Velho G., Petersen K.F., Perseghin G. Impaired hepatic glycogen synthesis in glucokinase-deficient (MODY-2) subjects. J. Clin. Invest. 1996;98(8):1755–1761
  7. Barosa C., Silva C., Fagulha A. Sources of hepatic glycogen synthesis following a milk-containing breakfast meal in healthy subjects. Metabolism. 2012;61(2):250–254
  8. Décombaz J., Jentjens R., Ith M. Fructose and galactose enhance postexercise human liver glycogen synthesis. Med. Sci. Sports Exerc. 2011;43(10):1964–1971
  9. Bergstrom J., Hultman E., Roch-Norlund A.E. Muscle glycogen synthetase in normal subjects. Basal values, effect of glycogen depletion by exercise and of a carbohydrate-rich diet following exercise. Scand. J. Clin. Lab. Invest. 1972;29(2):231–236
  10. Kochan R.G., Lamb D.R., Lutz S.A., Perrill C.V., Reimann E.M., Schlender K.K. Glycogen synthase activation in human skeletal muscle: effects of diet and exercise. Am. J. Physiol. 1979;236(6):E660–E666
  11. Koivisto V.A., Härkönen M., Karonen S.L. Glycogen depletion during prolonged exercise: influence of glucose, fructose, or placebo. J. Appl. Physiol.(1985) 1985;58(3):731–737
  12. Levine L., Evans W.J., Cadarette B.S., Fisher E.C., Bullen B.A. Fructose and glucose ingestion and muscle glycogen use during submaximal exercise. J. Appl. Physiol. Respir. Environ. Exerc. Physiol. 1983;55(6):1767–1771
  13. Vukovich M.D., Costill D.L., Hickey M.S., Trappe S.W., Cole K.J., Fink W.J. Effect of fat emulsion infusion and fat feeding on muscle glycogen utilization during cycle exercise. J. Appl. Physiol.(1985) 1993;75(4):1513–1518
  14. Ryan A.S., Katzel L.I., Prior S.J., McLenithan J.C., Goldberg A.P., Ortmeyer H.K. Aerobic exercise plus weight loss improves insulin sensitivity and increases skeletal muscle glycogen synthase activity in older men. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 2014;69(7):790–798
  15. Nielsen J.N., Wojtaszewski J.F., Haller R.G. Role of 5ʹAMP-activated protein kinase in glycogen synthase activity and glucose utilization: insights from patients with McArdle's disease. J. Physiol. 2002;541(Pt 3):979–989
  16. Munger R., Temler E., Jallut D., Haesler E., Felber J.P. Correlations of glycogen synthase and phosphorylase activities with glycogen concentration in human muscle biopsies. Evidence for a double-feedback mechanism regulating glycogen synthesis and breakdown. Metabolism. 1993;42(1):36–43
  17. Wallis G.A., Hulston C.J., Mann C.H., Roper H.P., Tipton K.D., Jeukendrup A.E. Postexercise muscle glycogen synthesis with combined glucose and fructose ingestion. Med. Sci. Sports Exerc. 2008;40(10):1789–1794
  18. Jentjens R.L., van Loon L.J., Mann C.H., Wagenmakers A.J., Jeukendrup A.E. Addition of protein and amino acids to carbohydrates does not enhance postexercise muscle glycogen synthesis. J. Appl. Physiol. (1985) 2001;91(2):839–846
  19. Detko E., O'Hara J.P., Thelwall P.E. Liver and muscle glycogen repletion using 13C magnetic resonance spectroscopy following ingestion of maltodextrin, galactose, protein and amino acids. Br. J. Nutr. 2013;110(5):848–855
Иван Власов
фитнес тренер cоздатель проекта

Фитнес, образ жизни, здоровье — три основных направления, которым посвящен данный интернет-ресурс. Я просто люблю то, чем занимаюсь. Именно поэтому я создал проект 2GYM. Подробнее