Синтез и распад гликогена

Гликоген является основной формой хранения глюкозы у животных, представляя собой крупный разветвленный полимер, который содержится преимущественно в печени и скелетных мышцах. Его синтез (гликогенез) запасает глюкозу, когда ее поступление обильно, а его распад (гликогенолиз) высвобождает единицы глюкозы при повышении потребности. Оба процесса катализируются отдельными ферментами и регулируются реципрокно, так что клетка запасает или мобилизует глюкозу в соответствии с условиями, не выполняя оба действия одновременно.

Definition

Метаболизм гликогена — это скоординированный набор реакций, которые строят гликоген из глюкозо-1-фосфата с помощью гликогенсинтазы и фермента ветвления (гликогенез) и расщепляют его до глюкозо-1-фосфата с помощью гликогенфосфорилазы и деветвящего фермента (гликогенолиз) под реципрокным гормональным и аллостерическим контролем.

Scope

Эта тема охватывает ферментативные пути синтеза и деградации гликогена, структуру частицы гликогена, а также гормональный и аллостерический контроль, который переключает между запасанием и мобилизацией. В ней противопоставляются различные роли гликогена печени и мышц, а также рассматривается биохимия обмена гликогена, а не клиническое ведение гликогенозов.

Core questions

• Как строится и удлиняется разветвленный полимер гликогена?
• Как глюкоза высвобождается из гликогена по мере необходимости?
• Как предотвращается одновременное протекание синтеза и распада?
• Почему гликоген печени и мышц выполняет разные функции?

Key concepts

• Гликогенсинтаза
• Гликогенфосфорилаза
• Ферменты ветвления и деветвления
• Гликогениновый праймер
• Реципрокный фосфорилирующий контроль
• Гормональная регуляция инсулином и глюкагоном/адреналином
• Роли гликогена печени и мышц

Mechanisms

Синтез гликогена начинается на белке гликогенине, после чего гликогенсинтаза добавляет единицы глюкозы из УДФ-глюкозы для образования линейных цепей, а фермент ветвления вводит точки ветвления, которые делают молекулу компактной и быстро мобилизуемой. Распад гликогена происходит с помощью гликогенфосфорилазы, которая отщепляет единицы глюкозы в виде глюкозо-1-фосфата, при этом деветвящий фермент обрабатывает точки ветвления. Синтаза и фосфорилаза реципрокно регулируются ковалентным фосфорилированием и аллостерическими эффекторами, так что гормонально-зависимый каскад фосфорилирования одновременно активирует один фермент и инактивирует другой. Инсулин способствует синтезу, тогда как глюкагон (в печени) и адреналин (в мышцах) способствуют распаду; гликоген печени служит для поддержания уровня глюкозы в крови, в то время как мышечный гликоген обеспечивает собственные сократительные потребности мышц.

Clinical relevance

Наследственные дефекты ферментов метаболизма гликогена приводят к гликогенозам — группе расстройств, которые иллюстрируют последствия нарушенного синтеза или распада. Знание нормального обмена гликогена лежит в основе понимания этих состояний, а также использования топлива при физических нагрузках и голодании. Данная статья носит образовательный характер и не является основанием для диагностики или лечения.

History

Метаболизм гликогена был фундаментальной темой биохимии двадцатого века. Карл и Герти Кори охарактеризовали распад гликогена и фермент фосфорилазу, а работа Эрла Сазерленда по гормональной активации фосфорилазы привела к открытию циклического АМФ и сигнальной системы вторичных посредников. Более поздние работы прояснили роль гликогенина как праймера синтеза и уточнили регуляторную модель реципрокного контроля ферментов.

Key figures

• Carl Cori
• Gerty Cori
• Earl Sutherland
• Peter Roach

Seminal works

• roach-2012
• shulman-1992

Frequently asked questions

Почему гликоген разветвлен, а не представляет собой прямую цепь?

Ветвление делает молекулу более компактной и создает множество нередуцирующих концов, так что глюкоза может быть добавлена или удалена быстро во многих точках одновременно, обеспечивая быстрое запасание и мобилизацию.

Чем гликоген печени отличается от мышечного гликогена по функции?

Гликоген печени расщепляется для высвобождения глюкозы в кровь и поддержания уровня глюкозы в крови для всего организма, тогда как мышечный гликоген используется локально для обеспечения собственного сокращения мышц.