Гликоген -Glycogen
Гликоген — это многоразветвленный полисахарид глюкозы , который служит формой хранения энергии у животных , грибов и бактерий. Это основная форма хранения глюкозы в организме человека.
Гликоген функционирует как одна из двух форм энергетических резервов: гликоген предназначен для кратковременного хранения, а другая форма представляет собой триглицеридные запасы в жировой ткани (т. е. телесном жире) для длительного хранения. У людей гликоген вырабатывается и хранится в основном в клетках печени и скелетных мышц . В печени гликоген может составлять 5–6% свежего веса органа: печень взрослого человека весом 1,5 кг может хранить примерно 100–120 граммов гликогена. В скелетных мышцах гликоген содержится в низкой концентрации (1–2% мышечной массы): в скелетных мышцах взрослого человека массой 70 кг запасается примерно 400 г гликогена. Небольшие количества гликогена также обнаружены в других тканях и клетках, включая почки , эритроциты , лейкоциты и глиальные клетки головного мозга . Матка также хранит гликоген во время беременности, чтобы питать эмбрион.
Количество гликогена, хранящегося в организме, в основном зависит от физической подготовки, скорости основного обмена и пищевых привычек (в частности, от окислительных волокон 1-го типа). Различные уровни мышечного гликогена в состоянии покоя достигаются за счет изменения количества частиц гликогена, а не увеличения размера существующих частиц, хотя большинство частиц гликогена в состоянии покоя меньше своего теоретического максимума. В крови человека постоянно находится около 4 граммов глюкозы ; у людей натощак уровень глюкозы в крови поддерживается постоянным на этом уровне за счет запасов гликогена в печени и скелетных мышцах. Запасы гликогена в скелетных мышцах служат формой хранения энергии для самих мышц; однако расщепление мышечного гликогена препятствует поглощению мышечной глюкозы из крови, тем самым увеличивая количество глюкозы в крови, доступной для использования в других тканях. Запасы гликогена в печени служат запасом глюкозы для использования во всем организме, особенно в центральной нервной системе . Человеческий мозг потребляет примерно 60% глюкозы в крови у людей, ведущих малоподвижный образ жизни натощак.
Гликоген является аналогом крахмала , полимером глюкозы , который функционирует в качестве накопителя энергии в растениях . Он имеет структуру, похожую на амилопектин (компонент крахмала), но более разветвленный и компактный, 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 можно быстро мобилизовать для удовлетворения внезапно возникшей потребности в глюкозе, но он менее компактен, чем энергетический запас триглицеридов ( липидов ) . Как таковой он также встречается в качестве резерва для хранения у многих паразитических простейших.
Состав
Гликоген представляет собой разветвленный биополимер , состоящий из линейных цепей остатков глюкозы со средней длиной цепи примерно 8–12 звеньев глюкозы и 2000–60 000 остатков на одну молекулу гликогена.
Подобно амилопектину, звенья глюкозы 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 в стволовой цепи.
Каждый гликоген, по сути, представляет собой шар из глюкозных деревьев с примерно 12 слоями, в центре которого находится белок гликогенин , с тремя типами цепей глюкозы: A, B и C. К гликогенину прикреплена только одна C-цепь. Эта С-цепь образуется в результате самоглюкозилирования гликогенина с образованием короткой цепи праймера. Из С-цепи отрастают В-цепи, а от В-цепей разветвляются В- и А-цепи. В-цепи имеют в среднем 2 точки разветвления, тогда как А-цепи являются концевыми, то есть неразветвленными. В среднем каждая цепь имеет длину 12, строго ограниченную между 11 и 15. Все А-цепи достигают сферической поверхности гликогена.
Гликоген в мышцах, печени и жировых клетках хранится в гидратированной форме, состоящей из трех или четырех частей воды на часть гликогена, связанного с 0,45 миллимолями (18 мг) калия на грамм гликогена.
Глюкоза является осмотической молекулой и может оказывать сильное влияние на осмотическое давление в высоких концентрациях, что может привести к повреждению или гибели клетки, если она хранится в клетке без модификации. Гликоген является неосмотической молекулой, поэтому его можно использовать в качестве раствора для хранения глюкозы в клетке без нарушения осмотического давления.
Функции
Печень
Когда пища, содержащая углеводы или белок, съедается и переваривается , уровень глюкозы в крови повышается, и поджелудочная железа выделяет инсулин . Глюкоза крови из воротной вены поступает в клетки печени ( гепатоциты ). Инсулин действует на гепатоциты, стимулируя действие ряда ферментов , включая гликогенсинтазу . Молекулы глюкозы присоединяются к цепям гликогена до тех пор, пока и инсулин, и глюкоза остаются в изобилии. В этом постпрандиальном или «насыщенном» состоянии печень поглощает из крови больше глюкозы, чем выделяет.
После переваривания пищи и снижения уровня глюкозы снижается секреция инсулина и прекращается синтез гликогена. Когда это необходимо 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 остальной частью тела в качестве топлива.
Глюкагон , другой гормон, вырабатываемый поджелудочной железой, во многих отношениях служит контрсигналом для инсулина. В ответ на снижение уровня инсулина ниже нормы (когда уровень глюкозы в крови начинает падать ниже нормы) глюкагон секретируется в возрастающих количествах и стимулирует как гликогенолиз (расщепление гликогена), так и глюконеогенез (производство глюкозы из других источников). .
мышцы
Гликоген мышечных клеток , по-видимому, функционирует как непосредственный резервный источник доступной глюкозы для мышечных клеток. Другие ячейки, содержащие небольшие количества, также используют его локально. Поскольку в мышечных клетках отсутствует глюкозо-6-фосфатаза , необходимая для прохождения глюкозы в кровь, хранящийся в них гликоген доступен исключительно для внутреннего использования и не передается другим клеткам. Это контрастирует с клетками печени, которые при необходимости легко расщепляют накопленный гликоген на глюкозу и отправляют ее через кровоток в качестве топлива для других органов.
Кажущаяся оптимальность
В 1999 г. Meléndez et al показали, что структура гликогена оптимальна при определенной модели метаболических ограничений. В частности, структура гликогена является оптимальной конструкцией, которая максимизирует фитнес-функцию, основанную на максимизации трех величин: количества единиц глюкозы на поверхности цепи, доступных для ферментативного расщепления, количества мест связывания, к которым могут прикрепляться расщепляющие ферменты, общее количество сохраненных единиц глюкозы; и минимизировать одно качество: общий объем.
Если каждая цепь имеет 0 или 1 точку ветвления, мы получим по существу длинную цепь, а не сферу, и она будет занимать слишком большой объем, имея лишь несколько концевых звеньев глюкозы для деградации. Если бы каждая цепь имела 3 точки разветвления, гликоген восполнялся бы слишком быстро. Точка баланса 2.
С этой ветвью номер 2 длина цепи должна быть не менее 4. Согласно модели Мелендеса и др., функция приспособленности достигает максимума при 13, а затем медленно снижается.
Эмпирически количество ветвей равно 2, а длина цепи колеблется от 11 до 15 для большинства организмов, от позвоночных до бактерий и грибов. Единственным существенным исключением являются устрицы с длиной цепи гликогена от 2 до 30, в среднем 7.
История
Гликоген был открыт Клодом Бернаром . Его эксперименты показали, что печень содержит вещество, которое может привести к уменьшению сахара под действием «фермента» в печени. К 1857 году он описал выделение вещества, которое он назвал « la matière гликогеном », или «сахарообразующим веществом». Вскоре после открытия гликогена в печени А. Сансон обнаружил, что мышечная ткань также содержит гликоген. Эмпирическая формула гликогена ( C
6ЧАС
10О
5) n был основан Кекуле в 1858 году.
Метаболизм
Синтез
Синтез гликогена, в отличие от его распада, является эндергоническим — он требует затрат энергии. Энергия для синтеза гликогена поступает от уридинтрифосфата (УТФ), который реагирует с глюкозо-1-фосфатом , образуя УДФ-глюкозу , в реакции, катализируемой УТФ — глюкозо-1-фосфатуридилилтрансферазой . Гликоген синтезируется из мономеров УДФ-глюкозы первоначально белком гликогенином , имеющим два тирозиновых якоря на восстанавливающем конце гликогена, поскольку гликогенин является гомодимером. После присоединения примерно восьми молекул глюкозы к остатку тирозина фермент гликогенсинтаза постепенно удлиняет цепь гликогена с использованием УДФ-глюкозы, добавляя α(1→4)-связанную глюкозу к невосстанавливающему концу цепи гликогена.
Фермент разветвления гликогена катализирует перенос концевого фрагмента из шести или семи остатков глюкозы с невосстанавливающего конца на гидроксильную группу С-6 остатка глюкозы глубже внутрь молекулы гликогена. Фермент ветвления может действовать только на ветвь, имеющую по крайней мере 11 остатков, и фермент может переносить на ту же цепь глюкозы или соседние цепи глюкозы.
Авария
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. Затем глюкозо-1-фосфат превращается в глюкозо-6-фосфат (Г6Ф) с помощью фосфоглюкомутазы . Для удаления α(1→6) разветвлений в разветвленном гликогене и преобразования цепи в линейный полимер необходим специальный деветвящий фермент . Произведенные мономеры G6P имеют три возможных судьбы:
- G6P может продолжать путь гликолиза и использоваться в качестве топлива.
- G6P может вступать в пентозофосфатный путь через фермент глюкозо-6-фосфатдегидрогеназу с образованием НАДФН и 5-углеродных сахаров.
- В печени и почках G6P может быть дефосфорилирован обратно в глюкозу с помощью фермента глюкозо-6-фосфатазы . Это последний этап пути глюконеогенеза .
Клиническая значимость
Нарушения метаболизма гликогена
Наиболее распространенным заболеванием, при котором метаболизм гликогена становится ненормальным, является диабет , при котором из-за аномального количества инсулина гликоген в печени может ненормально накапливаться или истощаться. Восстановление нормального метаболизма глюкозы обычно нормализует и обмен гликогена.
При гипогликемии , вызванной избытком инсулина, уровни гликогена в печени высоки, но высокие уровни инсулина предотвращают гликогенолиз, необходимый для поддержания нормального уровня сахара в крови. Глюкагон является распространенным средством лечения этого типа гипогликемии.
Различные врожденные нарушения метаболизма обусловлены недостатком ферментов, необходимых для синтеза или распада гликогена. Все вместе они называются болезнями накопления гликогена .
Истощение гликогена и упражнения на выносливость
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 « ударом о стену » при беге и «столкновением» при езде на велосипеде.
Истощение гликогена можно предотвратить тремя возможными способами:
- Во-первых, во время упражнений углеводы с максимально возможной скоростью преобразования в глюкозу крови (высокий гликемический индекс ) поступают в организм непрерывно. Наилучший возможный результат этой стратегии – восполнить около 35% потребляемой глюкозы при частоте сердечных сокращений выше примерно 80% от максимальной.
- Во-вторых, посредством адаптации тренировок на выносливость и специальных режимов (например, голодание, низкоинтенсивные тренировки на выносливость) организм может кондиционировать мышечные волокна типа I , чтобы улучшить как эффективность использования топлива, так и способность выдерживать нагрузку, чтобы увеличить процент жирных кислот, используемых в качестве топлива, экономя углеводы. использовать из всех источников.
- В-третьих, потребляя большое количество углеводов после истощения запасов гликогена в результате физических упражнений или диеты, организм может увеличить емкость внутримышечных запасов гликогена. Этот процесс известен как углеводная загрузка . В целом гликемический индекс источника углеводов не имеет значения, так как мышечная чувствительность к инсулину повышается в результате временного истощения запасов гликогена.
Когда после изнурительных упражнений спортсмены употребляют и углеводы, и кофеин , их запасы гликогена, как правило, пополняются быстрее; однако минимальная доза кофеина, при которой наблюдается клинически значимое влияние на восполнение запасов гликогена, не установлена.
Смотрите также
Рекомендации
Внешние ссылки
- «Болезнь накопления гликогена» . Болезни Макардла .
- Гликоген в предметных медицинских рубриках Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)