Гликоген: запасающая форма глюкозы в организме животных

Введение

Глюкозный полимер, используемый в качестве хранилища энергии у животных.

Гликоген – это разветвлённый полисахарид глюкозы, служащий формой запаса энергии у животных, грибов и бактерий. Это основная форма хранения глюкозы в организме человека. Гликоген выполняет функцию одного из трёх регулярно используемых видов энергетических резервов: креатинфосфат – для очень краткосрочного, гликоген – для краткосрочного, а триглицериды, запасаемые в жировой ткани (то есть, жире тела) – для долгосрочного хранения. Белок, расщеплённый на аминокислоты, редко используется в качестве основного источника энергии, за исключением периодов голодания и гликолитического кризиса (см. биоэнергетические системы). У человека гликоген синтезируется и запасается преимущественно в клетках печени и скелетных мышц. В скелетных мышцах гликоген содержится в низкой концентрации (1–2% от массы мышц): скелетные мышцы взрослого человека весом 70 кг содержат примерно 400 граммов гликогена. Также гликоген накапливается в белых кровяных клетках и глиальных клетках мозга. Матка также запасает гликоген во время беременности для питания эмбриона. Количество гликогена, запасаемого в организме, в основном зависит от окислительных волокон I типа, физической подготовки, базовой скорости метаболизма и пищевых привычек. Различные уровни гликогена в мышцах в состоянии покоя достигаются за счёт изменения количества частиц гликогена, а не увеличения размера существующих частиц.

Приблизительно 4 грамма глюкозы постоянно присутствуют в крови человека.

Структура

Гликоген представляет собой разветвленный биополимер, состоящий из линейных цепей остатков глюкозы со средней длиной цепи приблизительно 8–12 единиц глюкозы и 2000–60000 остатков на одну молекулу гликогена. Как и амилопектин, единицы глюкозы линейно связаны α(1→4)-гликозидными связями от одной глюкозы к другой. Ветви связаны с цепями, от которых они отходят, α(1→6)-гликозидными связями между первой глюкозой новой ветви и глюкозой на основной цепи. Каждый гликоген по сути представляет собой шар из глюкозных деревьев, состоящий примерно из 12 слоев, центрированных на белке гликогенине, с тремя видами цепей глюкозы: A, B и C. Существует только одна C-цепь, прикрепленная к гликогенину. Эта C-цепь образуется путем самоглюкозилирования гликогенина, формируя короткую праймерную цепь. От C-цепи растут B-цепи, а от B-цепей ответвляются B- и A-цепи. B-цепи имеют в среднем 2 точки ветвления, в то время как A-цепи являются терминальными, то есть неразветвленными. В среднем, каждая цепь имеет длину 12, строго ограниченную диапазоном от 11 до 15. Все A-цепи достигают сферической поверхности гликогена. Гликоген в мышечных, печеночных и жировых клетках хранится в гидратированном виде, состоящем из трех или четырех частей воды на часть гликогена, связанного с 0,45 миллимоля (18 мг) калия на грамм гликогена. Глюкоза является осмотической молекулой и может оказывать глубокое влияние на осмотическое давление в высоких концентрациях, что потенциально может привести к повреждению клеток или их гибели при хранении в клетке без модификации. Другие клетки, содержащие небольшие количества, также используют ее локально. Поскольку мышечным клеткам не хватает глюкозо-6-фосфатазы, необходимой для транспорта глюкозы в кровь, гликоген, который они хранят, доступен исключительно для внутреннего использования и не передается другим клеткам. Это контрастирует с клетками печени, которые по требованию легко расщепляют свой запас гликогена на глюкозу и отправляют ее через кровоток в качестве топлива для других органов. Скелетная мышца нуждается в АТФ (обеспечивает энергию) для сокращения и расслабления мышц, в соответствии с теорией скользящих нитей. Скелетная мышца преимущественно полагается на гликогенолиз в течение первых нескольких минут перехода от состояния покоя к активности, а также во время высокоинтенсивной аэробной активности и всей анаэробной активности. Во время анаэробной активности, такой как поднятие тяжестей и изометрические упражнения, фосфагенная система (АТФ-Кр) и мышечный гликоген являются единственными субстратами, поскольку они не требуют кислорода и кровотока. Уровень интенсивности упражнений определяет, какое количество каждого субстрата (топлива) используется для синтеза АТФ. Мышечный гликоген может обеспечить гораздо более высокую скорость поступления субстрата для синтеза АТФ, чем глюкоза крови. Во время упражнений максимальной интенсивности мышечный гликоген может обеспечить 40 ммоль глюкозы/кг влажного веса/минуту, в то время как глюкоза крови может обеспечить 4–5 ммоль. Эта зависимость от мышечного гликогена необходима не только для обеспечения мышц достаточным количеством АТФ во время интенсивных упражнений, но и для поддержания гомеостаза глюкозы в крови (то есть, предотвращения гипогликемии, когда мышцам требуется извлекать из крови гораздо больше глюкозы, чем может обеспечить печень). Однако исследования, проведенные Besford et al., с использованием рентгеноструктурного анализа малых углов в сочетании с моделями теории ветвления, показали, что гликоген является случайно гиперразветвленной полимерной наночастицей. Гликоген не имеет фрактальной структуры. Это было впоследствии подтверждено другими исследователями, 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 более высокую плотность на периферии).

Glycogen is a branched biopolymer consisting of linear chains of glucose residues with an average chain length of approximately 8–12 glucose units and 2,000 60,000 residues per one molecule of glycogen. Like amylopectin, glucose units are linked together linearly by α(1→4) glycosidic bonds from one glucose to the next. Branches are linked to the chains from which they are branching off by α(1→6) glycosidic bonds between the first glucose of the new branch and a glucose on the stem chain. Each glycogen is essentially a ball of glucose trees, with around 12 layers, centered on a glycogenin protein, with three kinds of glucose chains: A, B, and C. There is only one C chain, attached to the glycogenin. This C chain is formed by the self glucosylation of the glycogenin, forming a short primer chain. From the C chain grows out B chains, and from B chains branch out B and A chains. The B chains have on average 2 branch points, while the A chains are terminal, thus unbranched. On average, each chain has length 12, tightly constrained to be between 11 and 15. All A chains reach the spherical surface of the glycogen. Glycogen in muscle, liver, and fat cells is stored in a hydrated form, composed of three or four parts of water per part of glycogen associated with 0.45 millimoles (18 mg) of potassium per gram of glycogen. Glucose is an osmotic molecule, and can have profound effects on osmotic pressure in high concentrations possibly leading to cell damage or death if stored in the cell without being modified. Other cells that contain small amounts use it locally as well. As muscle cells lack glucose 6 phosphatase, which is required to pass glucose into the blood, the glycogen they store is available solely for internal use and is not shared with other cells. This is in contrast to liver cells, which, on demand, readily do break down their stored glycogen into glucose and send it through the blood stream as fuel for other organs. Skeletal muscle needs ATP (provides energy) for muscle contraction and relaxation, in what is known as the sliding filament theory. Skeletal muscle relies predominantly on glycogenolysis for the first few minutes as it transitions from rest to activity, as well as throughout high intensity aerobic activity and all anaerobic activity. During anaerobic activity, such as weightlifting and isometric exercise, the phosphagen system (ATP PCr) and muscle glycogen are the only substrates used as they do not require oxygen nor blood flow. The level of exercise intensity determines how much of which substrate (fuel) is used for ATP synthesis also. Muscle glycogen can supply a much higher rate of substrate for ATP synthesis than blood glucose. During maximum intensity exercise, muscle glycogen can supply 40 mmol glucose/kg wet weight/minute, whereas blood glucose can supply 4 5 mmol. This reliance on muscle glycogen is not only to provide the muscle with enough ATP during high intensity exercise, but also to maintain blood glucose homeostasis (that is, to not become hypoglycaemic by the muscles needing to extract far more glucose from the blood than the liver can provide). However, research by Besford et al used small angle X ray scattering experiments accompanied by branching theory models to show that glycogen is a randomly hyperbranched polymer nanoparticle. Glycogen is not fractal in nature. This has been subsequently verified by others who have performed Monte Carlo simulations of glycogen particle growth, and shown that the molecular density reaches a maximum near the centre of the nanoparticle structure, not at the periphery (contradicting a fractal structure that would have greater density at the periphery).

История

Гликоген был открыт Клодом Бернардом. Его эксперименты показали, что печень содержит вещество, которое под действием "фермента" в печени может образовывать восстанавливающие сахара. К 1857 году он описал выделение вещества, которое назвал "la matière glycogène", или "вещество, образующее сахар". Вскоре после открытия гликогена в печени, А. Сансон обнаружил, что мышечная ткань также содержит гликоген. Эмпирическая формула гликогена (C₆H₁₀O₅)n была установлена Кекуле в 1858 году.

Синтез

Синтез гликогена, в отличие от его распада, является эндергоническим – он требует затрат энергии. Энергия для синтеза гликогена обеспечивается трифосфатом уридина (UTP), 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 добавления примерно восьми молекул глюкозы к тирозиновому остатку, фермент гликогенсинтаза прогрессивно удлиняет цепь гликогена, используя УДФ-глюкозу и присоединяя глюкозу, связанную α(1→4)-гликозидной связью, к невосстанавливающему концу цепи гликогена. Фермент ветвления гликогена катализирует перенос концевого фрагмента из шести или семи остатков глюкозы с невосстанавливающего конца на гидроксильную группу C6 остатка глюкозы, расположенного глубже внутри молекулы гликогена. Фермент ветвления может действовать только на ветвь, содержащую не менее 11 остатков, и может переносить фрагмент на ту же цепь глюкозы или на соседнюю цепь глюкозы.

Расстройства метаболизма гликогена

Наиболее распространенным заболеванием, при котором нарушается метаболизм гликогена, является диабет, при котором из-за аномального количества инсулина в печени может происходить аномальное накопление или истощение гликогена. Восстановление нормального метаболизма глюкозы обычно нормализует и метаболизм гликогена. При гипогликемии, вызванной избытком инсулина, уровень гликогена в печени повышен, но высокий уровень инсулина препятствует гликогенолизу, необходимому для поддержания нормального уровня глюкозы в крови. Глюкагон является распространенным средством лечения этого типа гипогликемии. Различные врожденные нарушения углеводного обмена вызываются дефицитом ферментов или транспортных белков, необходимых для синтеза или расщепления гликогена. Все они в совокупности называются гликогенозами.