1. Хімічна будова
Глікоген(також відомий як "тваринний крохмаль", незважаючи на неточність цієї назви) - полісахарид, гомополімери - глюкози, основна форма її зберігання в клітинах тварин, більшості грибів, багатьох бактерій і архей. У людському організмі головними місцями накопичення глікогену є печінка та скелетні м'язи.
Здатність печінки підвищувати концентрацію глюкози в крові та наявність у ній крохмалеподібної речовини, яка була названа глікогеном, була відкрита 1875 р. Клодом Бернаром [1] [2] .
1. Хімічна будова
Глікоген є гомополімером α-глюкози, залишки якої з'єднані між собою (α1 → 4) - глікозидними зв'язками. Кожні 8-10 мономерних залишків відбувається розгалуження, бічні гілки приєднані (α1→6)-зв'язками. Таким чином молекула глікогену значно компактніша і розгалужена ніж крохмалю [3] . Ступінь полімеризації близький до такого в амілопектину [4] .
Всі розгалуження глікогену мають нередукуючи кінці, тому якщо кількість гілок дорівнює n, то в молекулі буде n-1 нередукуючих кінців і всього одне редукуюче. Коли відбувається гідроліз глікогену з метою використання його як джерела енергії, залишки глюкози по одному відщеплюються від нередукючих кінців. Їх велика кількість дозволяє суттєво прискорити процес [3] .
Найбільш стабільною конформацією гілок з (α1 → 4)-зв'язками є щільна спіраль із шістьма залишками глюкози на оборот (площина кожної молекули повернута на 60 ? щодо попередньої) [5] .
Для виконання своєї біологічної функції: забезпечення максимально компактного зберігання глюкози і одночасно можливості його швидкої мобілізації, глікоген повинен мати оптимізовану будову за декількома параметрами: 1) кількістюярусів (рівнів) розгалуження; 2) кількістю гілок у кожному ярусі; 3) кількістю залишків глюкози в кожній гілки. Для молекули глікогену з постійним числом мономерних ланок кількість зовнішніх гілок, з яких може мобілізуватись глюкоза до точки розгалуження, падає із зростанням середньої довжини кожної гілки. Щільність зовнішніх гілок стерично обмежена, тому максимальний розмір молекули глікогену зменшується зі збільшенням кількості гілок на одному рівні. Зрілі молекули глікогену різного походження мають у середньому 12 ярусів розгалуження, кожному з яких розміщується загалом по дві гілки, кожна у тому числі містить близько 13 залишків глюкози. Математичний аналіз показав, що така будова дуже близька до оптимальної для мобілізації максимальної кількості глюкози за мінімальний час [6].
2. Поширення та значення
Глікоген є формою запасання глюкози у тварин [3] [4] , грибів [7] , деяких бактерій (зокрема ціанобактерій [8] ) та АРЕХ [9] . У мікроорганізмів глікоген більш менш рівномірно розкиданий по цитоплазмі клітини у вигляді гранул діаметром 20-100 нм, їх зазвичай можна побачити тільки через електронний мікроскоп. Якщо клітина містить багато глікогену, вона стає червоно-коричневою при зафарбовуванні розчином йоду [10] . У хребетних тварин найбільші кількості глікогену запасаються печінкою, де він може становити 7-10% від загальної маси [11] (100 -120 г у дорослої людини) та скелетними м'язами (1-2% від загальної маси) [11] . Невеликі кількості глікогену знаходяться у нирках, і ще менше – у певних гліальних клітинах мозку та білих кров'яних тільцях.
Запасання глюкози над вільної формі, саме у вигляді полісахаридів диктується двома причинами. По-перше, якби, наприклад, у гепатоцитах уся масаглюкози, що входить до складу глікогену, перебувала у вільному стані, її концентрація досягла б 0,4 nbsp; моль/л. А це, в свою чергу, призвело б до значного підвищення осмотичного тиску цитозолю, надлишкового надходження води в клітину та її розрив [12] . По-друге, така висока концентрація глюкози унеможливила б її активний транспорт з оточення клітини, у разі гепатоциту з крові, де рівень глюкози становить лише 5 ммоль/л [3] . Зберігання ж глюкози у формі глікогену дозволяє скоротити її концентрацію у клітині до 0,01 мкмоль/л [12] .
Запаси глікогену у людей значно менші, ніж запаси жирів. Останні мають ряд переваг: по-перше, вони дають можливість отримати більш ніж удвічі більше енергії, ніж така ж маса вуглеводів, по-друге, це гідрофобні молекули і, на відміну від вуглеводів, не потребують гідратації, що дозволяє скоротити масу енергетичних запасів. Однак глікоген є швидким джерелом енергії, крім того, в організмі тварин відсутні метаболічні шляхи перетворення жирних кислот на глюкозу, а значить вони не можуть використовуватися мозком і в анаеробному метаболізмі м'язів [12] .
У гепатоцитах глікоген зберігається як великих цитоплазматичних гранул. Елементарна так звана β-частка, що є однією молекулою гілкогену, має діаметр близько 21 нм і включає 55 000 залишків глюкози і має 2000 нередукуючих кінців. 20-40 таких часток разом утворюють α-розетки, які можна бачити під мікроскопом у тканинах тварин, яких добре годують. Однак вони зникають після 24-годинного голодування. Глікоген гранули - це складні агрегати, до складу яких, крім самого глікогену, входять ферменти, що синтезують і розщеплюють його, а також регуляторні молекули [12] .
Глікоген у м'язах служитьджерелом швидкої енергії як за аеробною, так і за анаеробного метаболізму. Його запаси можуть бути вичерпані за одну годину інтенсивного фізичного навантаження. Регулярне тренування дозволяє збільшити запаси глікогену в м'язах, внаслідок чого вони можуть працювати довше без втоми [13] . У печінці глікоген є резервом глюкози для інших органів, на той випадок, якщо її надходження з їжею обмежене. Особливо важливий такий запас для нейронів, які не можуть використовувати як енергетичний субстрат жирні кислоти. Печінковий запас глікогену під час голодування вичерпується за 12-24 години [12] .
Глікоген також міститься в секреті залоз матки, що виділяється у її порожнину у постовуляційний період менструального циклу після запліднення. Тут полісахарид використовують як джерело живлення для ембріона до його імплатнтації [13] .
Глікоген також надходить в організм з їжею і розщеплюється в тонкому кишечнику гідролітичних ферментів [12].
3. Метаболізм глікогену
3.1. Розщеплення глікогену
Розщеплення глікогену відбувається двома основними шляхами: при травленні він гідролізується до глюкози, яка може всмоктуватись клітинами епітелію тонкого кишечника. Внутрішньоклітинне розщеплення запасів глікогену (глікогеноліз) йде шляхом фосфоролізу, продуктом якого є глюкозо-1-фосфат, цей шлях дозволяє зберегти частину енергії глікозидних зв'язків шляхом формування фосфатного ефіру [14] . Таким чином, для включення утвореної глюкози в гліколіз або пентозофосфатний шлях не потрібно витрачати АТФ. Крім того утворення глюкозо-1-фосфату є вигідним для м'язів, оскільки для цієї сполуки немає переносників у плазмалеммі, і вона не може "втікати" з клітини [15] .
3.1.1. Гідроліз глікогену під час травлення
У людини перетравлення глікогену (як і крохмалю) починається в ротовій порожнині, де на нього діє α-амілаза слини. Цей фермент гідролізує внутрішньомолекулярні (α1 → 4)-зв'язки та розщеплює полісахариди до олігосахаридів. У шлунку амілаза слини інактивується через високу кислотність середовища. Шлунковий сік не містить ферментів для травлення вуглеводів. У дванадцятипалій кишці на (α1 → 4)-зв'язку глікогену діє панкреатична α-амілаза, а на (α1 → 6)-зв'язку – спеціальний дерозгалужуючий фермент аміло-1,6-глікозидазу. Так завершується гідроліз глікогену до мальтози, яка під впливом пристінкового ферменту тонкого кишечника мальтази (α-глюкозидази) перетворюється на глюкозу та всмоктується [16] .
3.1.2. Глікогеноліз
Внутрішньоклітинний глікоген м'язів та печінки розщеплюється у процесі глікогенолізу, в якому беруть участь три ферменти: глікогенфосфорилаза, глікогендерозгалужуючий фермент та фосфоглюкомутази. Перший з них каталізує реакцію, в якій неорганічний фосфат атакує глікозидний (α1 → 4)-зв'язок між двома останніми залишками глюкози з нередукуючого кінця, внаслідок чого відбувається відщеплення останнього залишку у вигляді глюкозо-1-фосфату. Кофактором у цій реакції виступає піридоксальфосфат [14] .
Глікогенфосфорилаза послідовно відщеплює по одному мономеру від нередукуючого кінця доки не досягає місця віддаленого на чотири залишки від (α1 → 6)-зв'язку (точки розгалуження). Тут вступає в дію біфункціональний (у еукріот [17] ) дерозгалужуючий фермент. Спочатку він каталізує трансферазну реакцію, яка полягає у перенесенні блоку з трьох глюкозних залишків з гілки на найближчий нередукуючий кінець, до якого він прикріплюється (α1 → 4)-зв'язком. Після цього дерозгалужуючий фермент виявляє (α1 → 6)-глюкозидазну.активність, яка полягає у розщепленні (α1 → 6)-зв'язку та виділенні вільної глюкози [14] [15] .
Утворений глюкозо-1-фосфат перетворюється на фосфоглюкомутазу на глюкозо-6-фосфат, який у скелетних м'язах вступає в процес гліколізу. У печінці глюкозо-6-фосфат також може транспортуватися в ендоплазматичний ретикулум, там підлягати дії глюкозо-6-фосфатази (м'язи позбавлені цього ферменту), перетворюватися на глюкозу і виділятися на кров [14] [18] .
3.2. Біосинтез глікогену
Незначно біосинтез глікогену (глікогенез) відбувається майже у всіх тканинах організму, проте найбільше він виражений у печінці та м'язах. Цей процес починається з глюкозо-6-фосфату, утворюється з глюкози в гексокіназну або глюкокіназну реакцію. Частина глюкози, що надходить в організм з їжею, спочатку поглинається еритроцитами, які використовують її для одержання енергії у процесі молочнокислого бродіння. Утворений лактат у гепатоцитах перетворюється на глюкозо-6-фосфат у процесі глюконеогенезу [19] .
Метаболічні шляхи біосинтезу та розпаду певних сполук зазвичай відрізняються принаймні деякими з реакцій. Метаболізм глікогену був першим відкритим прикладом цього принципового принципу. 1957 Луїс Лелуар встановив, що в процесі глікогенезу використовується не глюкозо-1-фосфат, а урідіндифосфатглюкоза [20] .
Глюкозо-6-фосфат спочатку перетворюється на глюкозо-1-фосфат під впливом фосфоглюкомутази. Продукт цієї реакції стає субстратом для ферменту УДФ-глюкозофосфорилази, що каталізує реакцію:
Глюкозо-1-фосфат + УТФ → УДФ-глюкоза + ФФ н.
Оскільки пірофосфат одразу розщеплюється неорганічною пірофосфатазою, то рівновага реакції сильно зміщена у бік утворення УДФ-глюкози. Остання є субстратом для глікогенсинтази, щопереносить залишок глюкози на нередукуючий кінець молекули глікогену [21].
Утворення бічних гілок забезпечує гілкозил-(4 → 6)-трансглікозилазу (відгалужувальний фермент). Вона відщеплює від гілки, що містить більше 11 мономерних одиниць 6-7 останніх і переносить їх на C6 гідроксильну групу залишку глюкози у більш внутрішньому положенні на тій же іншій гілки. Таким чином відбувається розгалуження, необхідне для кращої розчинності глікогену, та доступу більшої кількості ферментів синтезу та розщеплення до нередукуючих кінців [22] .
Глікогенсинтаза може синтезувати глікоген тільки за умови наявності праймера - готового полімеру глюкози з менш ніж шістьма мономерними одиницями. Утворення молекул глікогенуde novoможливе лише завдяки білку глікогеніну, що виступає одночасно і "затравкою", на якій збираються нові гілки глікогену та ферментом, який каталізує початок утворення наших досліджень [22] .
Глікогенез та гілкогеноліз мають складну систему регулювання на кількох рівнях. Багато ферментів, що беруть участь у цих процесах є алостеричними і можуть змінювати свою активність пристосовуючись до потреб клітини. Кількість запасів глікогену також регулюється на гормональному рівні підтримки гомеостазу цілого організму [23] .