Гликоген — структура, синтез и роля в енергийната обмяна

Гликогенът (често наричан животинско нишесте, въпреки че това наименование е неточно) е полизахарид, който е основната форма за съхранение на глюкоза в животинските клетки.

Гликогенът се намира под формата на гранули в цитозола в много видове клетки и играе важна роля в цикъла на глюкозата. Гликогенът представлява енергиен резерв, който може да бъде бързо мобилизиран, за да се отговори на внезапната нужда от глюкоза, но който е по-малко компактен от енергийните резерви на триглицеридите. Само гликогенът, съхраняван в черния дроб, може да бъде достъпен за други органи.

Структура

Гликогенът е високомолекулен, силно разклонен полифермент, изградени от остатъци на глюкоза, свързани основно с връзки α(1→4), с разклонения на всеки ~8–12 остатъка чрез връзки α(1→6). Тази силна разклоненост увеличава броя на „незаместваемите“ (nonreducing) краища, от които могат да действат ензимите за синтез и разграждане, което ускорява метаболитните реакции. Молекулната маса може да достигне десетки милиони далтона, а структурата формира характерни цитоплазмени гранули, видими при електронна микроскопия.

Синтез (гликогеногенеза)

• Начало: Синтезът започва с протеинов праймер, наречен гликогенин, върху който се прикрепят първите остатъци глюкоза.
• Източник на мономер: Активната форма е UDP-глюкоза, донорът на глюкозни остатъци.
• Ензими: Основният синтетичен ензим е гликоген синтаза, който удължава α(1→4) веригата. Ензимът за разклоняване (гликоген бранчинг ензим, 4,6-трансфераза) създава α(1→6) връзки и формира клонове.
• Регулация: Гликоген синтазата се регулира чрез ковалентна фосфорилация (фосфорилирана форма е по-малко активна) и чрез алостерични ефекти (напр. активира се от глюкозо-6-фосфат).

Разграждане (гликогенолиза)

• Основна стъпка: Гликоген фосфорилаза отнема глюкозни остатъци от крайни α(1→4) връзки, освобождавайки глюкоза-1-фосфат, който се превръща в глюкоза-6-фосфат.
• Дегранулиране: Когато фосфорилазата достигне ~4 остатъка преди разклонение, действа дебранчинг ензим (с две активности: 4-α-D-глюканотрансфераза и α(1→6)-глюкозидаза), който прехвърля три остатъка и хидролизира α(1→6) връзката, освобождавайки свободна глюкоза.
• Различие между тъкани: В черния дроб глюкоза-6-фосфат може да се преобразува в свободна глюкоза чрез глюкоза-6-фосфатаза и да се освободи в кръвта; в мускулните клетки липсва този ензим и гликогенът се използва локално за гликолиза.

Регулация на гликогенния метаболизъм

Регулацията включва както хормонални, така и алостерични механизми:

• Хормонална регулация: Инсулин стимулира синтеза на гликоген чрез активиране на протеин фосфатази (дезактивиране на протеин киназите) и така активира гликоген синтазата. Глюкагон (в черния дроб) и адреналин (в черния дроб и мускулите) активират каскада с участието на cAMP и PKA, довеждайки до фосфорилиране и активация на гликоген фосфорилазата (чрез фосфорилазния киназ) и едновременно инхибиране на гликоген синтазата.
• Алостерична регулация: В мускула AMP активира гликоген фосфорилазата, докато ATP и глюкоза-6-фосфат инхибират. Глюкоза-6-фосфат активира гликоген синтазата.

Роля и разпределение в организма

• Черен дроб: Служи за поддържане на нивото на кръвна глюкоза между храненията. В черния дроб обемът на гликогена при възрастен човек е порядък 80–120 g (зависи от храненето и размера на човека).
• Склетни мускули: Гликогенът е енергиен източник за мускулната работа, особено при интензивно съкращение. Общото количество в мускулите може да надвишава това в черния дроб (на система), но е локално достъпно и не може да поддържа системната глюкоза поради липсата на глюкоза-6-фосфатаза.
• Клетъчно поведение: Гликогенът е хидратиран — приблизително 3–4 g вода за 1 g гликоген, което го прави по-малко компактен от мазнините.
• Физиология на упражненията: При интензивни упражнения мускулният гликоген се изчерпва; след тренировка се наблюдава „суперкомпенсация“ при прием на въглехидрати (карбовлак), което е основата на стратегии за подобряване на издръжливостта.

Клинично значение

• Гликогенни депа и заболявания (гликогенни складиращи болести): Дефицит на ключови ензими води до различни синдроми:
  • Болест на von Gierke (GSD I): дефицит на глюкоза-6-фосфатаза — тежка хипогликемия и натрупване на гликоген в черния дроб.
  • Болест на Pompe (GSD II): дефект в лизозомната α-глюкозидаза — натрупване в лизозомите, миопатия и кардиомиопатия.
  • Болест на Cori (GSD III): дефект в дебранчинг ензим — натрупвания на аномален гликоген.
  • Болест на McArdle (GSD V): дефицит на мускулна гликоген фосфорилаза — мускулна слабост и интолеранс към упражнения.
• Нарушения на регулацията: Хормонални и метаболитни нарушения (напр. диабет) променят синтеза и разграждането на гликоген, влияят на хомеостазата на глюкозата и могат да допринесат за метаболитни усложнения.
• Патологии, свързани с аномален гликоген: При някои неврологични заболявания (напр. Лафора) се наблюдава натрупване на неправилно разклонен гликоген (Лафора тела) с неврологична девитализация.

Изследване и клинично измерване

Гликогенът се измерва чрез биопсични методи (биопсия на мускул или черен дроб), с помощта на магнитен резонанс (13C/1H MRS) за неинвазивна оценка, както и с ензимни и химични анализи в лабораторни условия. Оценката на гликогенните депа е важна в спортната наука, метаболитните изследвания и при диагностиката на гликоген складиращи болести.

Сравнение с растителните полизахариди

Гликоген е аналогичен на растителния полизахарид амилапектин (съставен от α(1→4) и α(1→6) връзки), но при гликогена разклонеността е по-голяма, което позволява по-бързо мобилизиране на глюкоза.

В заключение, гликогенът е критичен метаболитен резерв с добре организирана структура и сложна регулация, който осигурява бърз достъп до енергия при нужда и играе централна роля в поддържането на глюкозната хомеостаза и физическата активност.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява гликогенът?

В: Къде се намира гликогенът?

В: Каква роля играе гликогенът в глюкозния цикъл?

Въпрос: Какъв е компактният характер на гликогена в сравнение с енергийните резерви на триглицеридите?

В: Може ли целият гликоген, складиран в тялото, да бъде достъпен за други органи?

В: Каква е функцията на гликогена, съхраняван в черния дроб?

В: Защо гликогенът е важен за животинските клетки?

Търсене по буква