Гликоген: строение и функции в организме¶

Гликоген — это разветвлённый полисахарид, образованный остатками α-D-глюкозы, который служит основным запасным углеводом животных, грибов и некоторых бактерий. В организме человека и позвоночных животных гликоген выполняет функцию резервного источника глюкозы, обеспечивая быструю мобилизацию энергии в периоды между приёмами пищи и при интенсивной мышечной работе. По своей химической природе гликоген является аналогом растительного крахмала, однако отличается большей степенью разветвлённости и лучшей растворимостью в воде.

¶Химическое строение

Молекула гликогена представляет собой полимер, в котором мономерные звенья глюкозы соединены α-1,4-гликозидными связями в линейных участках. В точках ветвления, которые возникают каждые 8–12 остатков, появляются дополнительные α-1,6-гликозидные связи. Такая структура придаёт молекуле компактность и высокую гидрофильность.

Молекулярная масса гликогена варьирует в широких пределах — от 10⁶ до 10⁸ дальтон, что соответствует нескольким десяткам тысяч остатков глюкозы. В клетке гликоген не находится в свободном виде, а образует гранулы диаметром 15–40 нм, ассоциированные с ферментами синтеза и распада. В центре гранулы располагается белок гликогенин, который служит затравкой для построения новой молекулы.

Ветвление выполняет важную функциональную роль: оно увеличивает число невосстанавливающих концов, с которых ферменты могут одновременно отщеплять остатки глюкозы, что ускоряет мобилизацию запасов.

¶Биосинтез и распад

¶Синтез (гликогеногенез)

Синтез гликогена происходит в цитоплазме клеток и требует затрат энергии. Процесс включает несколько этапов:

1. Глюкоза-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат под действием фосфоглюкомутазы.
2. Глюкозо-1-фосфат реагирует с УТФ, образуя УДФ-глюкозу — активированную форму глюкозы.
3. Фермент гликогенсинтаза переносит глюкозный остаток с УДФ-глюкозы на невосстанавливающий конец растущей цепи, формируя α-1,4-связи.
4. Фермент ветвления (амило-1,4→1,6-трансгликозилаза) переносит фрагмент цепи длиной около 7 остатков на соседнюю цепь, создавая α-1,6-связь.

Регуляция гликогеногенеза осуществляется гормонально: инсулин активирует ферменты синтеза, тогда как глюкагон и адреналин подавляют их.

¶Распад (гликогенолиз)

Распад гликогена происходит путём фосфоролиза, а не гидролиза. Ключевой фермент — гликогенфосфорилаза — последовательно отщепляет остатки глюкозо-1-фосфата от невосстанавливающих концов. При приближении к точке ветвления (остаётся 4 остатка) в работу включается деветвящий фермент, который переносит три остатка на соседнюю цепь и гидролизует α-1,6-связь, освобождая свободную глюкозу. Глюкозо-1-фосфат затем изомеризуется в глюкозо-6-фосфат, который в печени может гидролизоваться до свободной глюкозы ферментом глюкозо-6-фосфатазой.

¶Физиологическая роль

¶Гликоген печени

Печень содержит наибольшую концентрацию гликогена (до 5–8 % от массы органа). Основная функция печёночного гликогена — поддержание стабильного уровня глюкозы в крови. В промежутках между приёмами пищи, особенно ночью, печень расщепляет гликоген и выбрасывает глюкозу в кровоток, обеспечивая энергией мозг, эритроциты и другие глюкозозависимые ткани. Общий запас гликогена в печени взрослого человека составляет около 100–120 граммов.

¶Гликоген мышц

В скелетных мышцах концентрация гликогена ниже (1–2 % от массы), но общий объём запаса больше — примерно 250–400 граммов, поскольку мышцы составляют значительную часть массы тела. Мышечный гликоген не участвует в поддержании гликемии, так как в мышцах отсутствует глюкозо-6-фосфатаза. Он служит исключительно локальным топливом для мышечного сокращения. При интенсивной физической нагрузке гликоген быстро расщепляется, обеспечивая глюкозу для анаэробного гликолиза.

¶Гликоген других тканей

Небольшие количества гликогена обнаруживаются в почках, сердце, мозге (в астроцитах), а также в жировой ткани и лейкоцитах. В этих органах он выполняет локальные защитные и энергетические функции.

¶Нарушения обмена гликогена

Наследственные дефекты ферментов метаболизма гликогена приводят к группе заболеваний, известных как гликогенозы. Наиболее известные типы:

• Болезнь Гирке (тип I) — дефицит глюкозо-6-фосфатазы в печени; проявляется тяжёлой гипогликемией, гепатомегалией, задержкой роста.
• Болезнь Помпе (тип II) — дефицит лизосомальной α-1,4-глюкозидазы; поражает сердце и скелетные мышцы.
• Болезнь Кори (тип III) — дефицит деветвящего фермента; сопровождается умеренной гипогликемией и миопатией.
• Болезнь Мак-Ардля (тип V) — дефицит мышечной гликогенфосфорилазы; проявляется непереносимостью физических нагрузок и мышечными судорогами.

¶Значение в спорте и питании

Способность мышц накапливать гликоген ограничена, однако поддаётся тренировке. Углеводная загрузка («карбогидратная загрузка») перед длительными соревнованиями позволяет увеличить запасы гликогена в мышцах на 50–100 %. После интенсивных нагрузок скорость ресинтеза гликогена максимальна в первые 30–60 минут, что обосновывает приём углеводов сразу после тренировки. Низкоуглеводные диеты, напротив, приводят к истощению запасов гликогена, что сопровождается быстрой утомляемостью и снижением работоспособности.

¶Источники

• Березов Т. Т., Коровкин Б. Ф. «Биологическая химия». — М.: Медицина, 1998.
• Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. «Биохимия человека». — М.: Мир, 2004.
• Северин Е. С. (ред.) «Биохимия». — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2015.
• Berg J. M., Tymoczko J. L., Stryer L. «Biochemistry». — New York: W. H. Freeman, 2012.