Гликоген - Glycogen

Схематическое двумерное поперечное сечение гликогена: ядра белка гликогенин окружен ветвями глюкоза единицы. Вся глобулярная гранула может содержать около 30 000 единиц глюкозы.[1]
Вид на атомный структура одной разветвленной нити глюкоза единиц в гликогене молекула.
Гликоген (черные гранулы) в сперматозоидах плоского червя; просвечивающая электронная микроскопия, масштаб: 0,3 мкм

Гликоген многоотраслевой полисахарид из глюкоза который служит формой хранения энергии в животные,[2] грибы и бактерии.[3] Структура полисахарида представляет собой основную форму хранения глюкозы в организме.

Гликоген действует как одна из двух форм запаса энергии: гликоген - кратковременный, а другая - кратковременная. триглицерид магазины в жировая ткань (т.е. телесный жир) для длительного хранения. В люди, гликоген производится и хранится в основном в клетках печень и скелетная мышца.[4][5] В печени гликоген может составлять 5–6% от сырой массы органа, а печень взрослого человека весом 1,5 кг может хранить примерно 100–120 граммов гликогена.[4][6] В скелетных мышцах гликоген содержится в низком концентрация (1-2% от мышечной массы), а скелетная мышца взрослого человека весом 70 кг хранит примерно 400 граммов гликогена.[4] Количество гликогена, хранящегося в организме, особенно в мышцах и печени, в основном зависит от физических тренировок, базальная скорость метаболизма, и привычки в еде. Небольшие количества гликогена также обнаруживаются в других тканях и клетках, включая почки, красные кровяные клетки,[7][8][9] белые кровяные клетки,[10] и глиальный ячейки в мозг.[11] Во время беременности матка также накапливает гликоген для питания эмбриона.[12]

Примерно 4 грамма глюкозы содержится в кровь людей во все времена;[4] у голодающих, глюкоза в крови поддерживается постоянным на этом уровне за счет запасов гликогена в печени и скелетных мышцах.[4] Запасы гликогена в скелетных мышцах служат формой хранения энергии для самих мышц;[4] однако распад мышечного гликогена препятствует поглощению мышечной глюкозы из крови, тем самым увеличивая количество глюкозы в крови, доступной для использования в других тканях.[4] Запасы гликогена в печени служат хранилищем глюкозы для использования во всем организме, особенно в Центральная нервная система.[4] В человеческий мозг потребляет около 60% глюкозы в крови у голодных и малоподвижных людей.[4]

Гликоген - аналог крахмал, глюкоза полимер который функционирует как накопитель энергии в растения. Он имеет структуру, аналогичную амилопектин (компонент крахмала), но более разветвленный и компактный, чем крахмал. Оба белые порошки в сухом состоянии. Гликоген находится в виде гранул в цитозоль / цитоплазма во многих ячейка типы и играет важную роль в цикл глюкозы. Гликоген образует энергия резерв, который можно быстро мобилизовать для удовлетворения внезапной потребности в глюкозе, но менее компактный, чем запасы энергии триглицериды (липиды). Как таковой, он также является резервом хранения у многих паразитических простейших.[13][14][15]

Структура

1,4-α-гликозидные связи в олигомере гликогена
1,4-α-гликозидные и 1,6-гликозидные связи в олигомере гликогена

Гликоген - разветвленный биополимер состоящий из линейных цепочек глюкоза остатки со средней длиной цепи примерно 8–12 единиц глюкозы и 2000–60 000 остатков на одну молекулу гликогена[16][17]

Единицы глюкозы связаны между собой линейно посредством α (1 → 4) гликозидные связи от одной глюкозы к другой. Разветвления связаны с цепями, от которых они ответвляются, посредством α (1 → 6) гликозидных связей между первой глюкозой новой ветви и глюкозой в цепи ствола.[18]

Из-за способа синтеза гликогена каждая гранула гликогена имеет в своей основе гликогенин белок.[19]

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.миллимоли (18 мг) калия на грамм гликогена.[5]

Глюкоза - это осмотическая молекула, которая может оказывать сильное влияние на осмотическое давление в высоких концентрациях, что может приводить к повреждению или гибели клеток, если они хранятся в клетке без модификации.[3] Гликоген - это неосмотическая молекула, поэтому его можно использовать в качестве раствора для хранения глюкозы в клетке без нарушения осмотического давления.[3]

Функции

Печень

Как блюдо, содержащее углеводы или белок съеден и переварен, глюкоза в крови уровни повышаются, и поджелудочная железа секреты инсулин. Глюкоза крови из воротная вена попадает в клетки печени (гепатоциты ). Инсулин действует на гепатоциты, стимулируя действие нескольких ферменты, в том числе гликогенсинтаза. Молекулы глюкозы добавляются к цепочкам гликогена до тех пор, пока инсулин и глюкоза остаются в изобилии. В этом постпрандиальный в состоянии «сытости» печень забирает из крови больше глюкозы, чем выделяет.

После того, как еда переваривается и уровень глюкозы начинает падать, секреция инсулина снижается, и синтез гликогена прекращается. Когда это нужно для энергия гликоген расщепляется и снова превращается в глюкозу. Гликогенфосфорилаза является основным ферментом распада гликогена. В течение следующих 8–12 часов глюкоза, полученная из гликогена печени, является основным источником глюкозы в крови, используемой остальным телом в качестве топлива.

Глюкагон, еще один гормон, вырабатываемый поджелудочной железой, во многих отношениях служит контрсигналом для инсулина. В ответ на то, что уровень инсулина ниже нормы (когда уровень глюкозы в крови начинает опускаться ниже нормального диапазона), глюкагон секретируется в увеличивающихся количествах и стимулирует оба гликогенолиз (распад гликогена) и глюконеогенез (производство глюкозы из других источников).

Мышцы

Мышечная клетка гликоген действует как непосредственный резервный источник доступной глюкозы для мышечных клеток. Другие ячейки, содержащие небольшие количества, также используют его локально. Поскольку мышечным клеткам не хватает глюкозо-6-фосфатаза, который необходим для передачи глюкозы в кровь, гликоген, который они хранят, 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.[20]

История

Гликоген был открыт Клод Бернар. Его эксперименты показали, что в печени содержится вещество, которое может приводить к снижению уровня сахара за счет действия «фермента» в печени. К 1857 году он описал выделение вещества, которое он назвал "la matière glycogène", или" сахарообразующее вещество ". Вскоре после открытия гликогена в печени А. Сансон обнаружил, что мышечная ткань также содержит гликоген. Эмпирическая формула гликогена (C
6ЧАС
10О
5)п был создан Кекуле в 1858 г.[21]

Метаболизм

Синтез

Основная статья: Гликогенез

Синтез гликогена, в отличие от его распада, эндергонический - это требует затрат энергии. Энергия для синтеза гликогена поступает из уридинтрифосфат (UTP), который реагирует с глюкозо-1-фосфат, формируя UDP-глюкоза, в реакции, катализируемой UTP - глюкозо-1-фосфатуридилилтрансфераза. Гликоген синтезируется из мономеров UDP-глюкоза изначально белком гликогенин, который имеет два тирозин якоря для восстанавливающего конца гликогена, поскольку гликогенин является гомодимером. После добавления примерно восьми молекул глюкозы к остатку тирозина фермент гликогенсинтаза прогрессивно удлиняет цепь гликогена, используя UDP-глюкозу, добавляя α (1 → 4) -связанную глюкозу к восстанавливающему концу цепи гликогена.[22]

В фермент разветвления гликогена катализирует перенос концевого фрагмента из шести или семи остатков глюкозы с невосстанавливающего конца на C-6 гидроксильную группу остатка глюкозы глубже внутрь молекулы гликогена. Фермент разветвления может действовать только на ответвление, имеющее по крайней мере 11 остатков, и фермент может переноситься на ту же самую цепь глюкозы или соседние цепи глюкозы.

Сломать

Основная статья: Гликогенолиз

Гликоген отщепляется от невосстанавливающих концов цепи ферментом гликогенфосфорилаза для производства мономеров фосфата глюкозы-1:

Действие гликогенфосфорилазы на гликоген

In vivo фосфолиз протекает в направлении распада гликогена, поскольку соотношение фосфата и глюкозо-1-фосфата обычно больше 100.[23] Затем фосфат глюкозы-1 превращается в глюкозо-6-фосфат (G6P) от фосфоглюкомутаза. Специальный расщепляющий фермент необходим для удаления α (1-6) разветвлений в разветвленном гликогене и преобразования цепи в линейный полимер. Произведенные мономеры G6P имеют три возможных судьбы:

Клиническая значимость

Нарушения обмена гликогена

Наиболее частое заболевание, при котором гликоген метаболизм становится ненормальным сахарный диабет, в котором из-за аномального количества инсулина гликоген в печени может ненормально накапливаться или истощаться. Восстановление нормального метаболизма глюкозы обычно также нормализует метаболизм гликогена.

В гипогликемия вызванный чрезмерным инсулином, уровни гликогена в печени высоки, но высокие уровни инсулина предотвращают гликогенолиз необходимо для поддержания нормального уровня сахара в крови. Глюкагон является распространенным лечением этого типа гипогликемии.

Различный врожденные нарушения обмена веществ вызваны дефицитом ферментов, необходимых для синтеза или распада гликогена. Все вместе они называются болезни накопления гликогена.

Истощение гликогена и упражнения на выносливость

Смотрите также: Утомление центральной нервной системы

Спортсмены на длинные дистанции, такие как марафон бегуны лыжники, и велосипедисты, часто испытывают истощение гликогена, когда почти все запасы гликогена у спортсмена истощаются после длительных периодов нагрузки без достаточного потребления углеводов. Это явление упоминается как "ударяясь о стену ".

Истощение запасов гликогена можно предотвратить тремя способами:

  • Во-первых, во время упражнений углеводы с максимально возможной скоростью превращения в глюкозу крови (высокая Гликемический индекс ) глотаются постоянно. Наилучший возможный результат этой стратегии - замена примерно 35% глюкозы, потребляемой при ЧСС выше примерно 80% от максимальной.
  • Во-вторых, за счет адаптации к тренировкам на выносливость и специализированных режимов (например, голодание, тренировки на выносливость низкой интенсивности) организм может формировать тип I мышцы волокна для повышения эффективности использования топлива и увеличения рабочей нагрузки для увеличения процента жирных кислот, используемых в качестве топлива,[24][25] щадящее использование углеводов из всех источников.
  • В-третьих, потребляя большое количество углеводов после истощения запасов гликогена в результате упражнений или диеты, организм может увеличить емкость внутримышечных запасов гликогена.[26][27][28][29] Этот процесс известен как углеводная загрузка. В общем, гликемический индекс источника углеводов не имеет значения, так как мышечная чувствительность к инсулину увеличивается в результате временного истощения гликогена.[30][31]

Испытывая долг гликогена, спортсмены часто испытывают крайние усталость до такой степени, что двигаться трудно. В качестве справки[согласно кому? ] самые лучшие профессиональные велосипедисты мира[пример необходим ] обычно будет[когда? ] закончить 4–5час этап гонки прямо на пределе истощения гликогена с использованием первых трех стратегий.[нужна цитата ]

Когда спортсмены потребляют и углеводы, и кофеин после изнурительных упражнений их запасы гликогена, как правило, пополняются быстрее;[32][33] однако минимальная доза кофеина, при которой наблюдается клинически значимый влияние на восполнение запасов гликогена не установлено.[33]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ МакАрдл, Уильям Д .; Катч, Фрэнк И.; Катч, Виктор Л. (2006). Физиология упражнений: энергия, питание и работоспособность человека (6-е изд.). Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. п. 12. ISBN  978-0-7817-4990-9.
  2. ^ Садава, Дэвид Э .; Purves, Уильям К .; Хиллис, Дэвид М .; Orians, Gordon H .; Хеллер, Х. Крейг (2011). Жизнь (9-е, международное изд.). В. Х. Фриман. ISBN  9781429254311.
  3. ^ а б c Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Гатто Дж. Дж., Страйер Л. (8 апреля 2015 г.). Биохимия (Восьмое изд.). Нью-Йорк: У. Х. Фриман. ISBN  9781464126109. OCLC  913469736.
  4. ^ а б c d е ж г час я Вассерман Д.Х. (январь 2009 г.). «Четыре грамма глюкозы». Американский журнал физиологии. Эндокринология и метаболизм. 296 (1): E11–21. Дои:10.1152 / ajpendo.90563.2008. ЧВК  2636990. PMID  18840763. Четыре грамма глюкозы циркулируют в крови человека весом 70 кг. Эта глюкоза важна для нормального функционирования многих типов клеток. В соответствии с важностью этих 4 г глюкозы существует сложная система контроля для поддержания постоянного уровня глюкозы в крови. Наше внимание было сосредоточено на механизмах, с помощью которых регулируется поток глюкозы из печени в кровь и из крови в скелетные мышцы. ... Мозг потребляет около 60% глюкозы в крови человека, ведущего малоподвижный образ жизни и голодного. ... Количество глюкозы в крови сохраняется за счет резервуаров гликогена (рис. 2). У людей с постабсорбцией содержится около 100 г гликогена в печени и около 400 г гликогена в мышцах. Окисление углеводов работающей мышцей может возрасти примерно в 10 раз при выполнении упражнений, и все же через 1 час.часуровень глюкозы в крови поддерживается на уровне ~ 4 г.
  5. ^ а б Крейцман С.Н., Коксон А.Ю., Саз К.Ф. (1992). «Накопление гликогена: иллюзии легкой потери веса, чрезмерного восстановления веса и искажения оценок состава тела» (PDF). Американский журнал клинического питания. 56 (1, Прил.): 292с – 293с. Дои:10.1093 / ajcn / 56.1.292S. PMID  1615908.
  6. ^ Guyton, Arthur C .; Холл, Джон Эдвард (2011). Учебник медицинской физиологии Гайтона и Холла. Нью-Йорк, Нью-Йорк: Saunders / Elsevier. ISBN  978-5-98657-013-6.
  7. ^ Моисей С.В., Башан Н., Гутман А. (декабрь 1972 г.). «Метаболизм гликогена в нормальном эритроците». Кровь. 40 (6): 836–843. Дои:10.1182 / кровь.V40.6.836.836. PMID  5083874.
  8. ^ Ингерманн Р.Л., Virgin GL (1987). «Содержание гликогена и высвобождение глюкозы из красных кровяных телец sipunculan worm themiste dyscrita» (PDF). J Exp Biol. 129: 141–149.
  9. ^ Miwa I, Suzuki S (ноябрь 2002 г.). «Улучшенный количественный анализ гликогена в эритроцитах». Анналы клинической биохимии. 39 (Пт 6): 612–13. Дои:10.1258/000456302760413432. PMID  12564847.
  10. ^ Скотт, Р. Б. (июнь 1968 г.). «Роль гликогена в клетках крови». Медицинский журнал Новой Англии. 278 (26): 1436–1439. Дои:10.1056 / NEJM196806272782607. PMID  4875345.[требуется медицинская цитата ]
  11. ^ Oe Y, Baba O, Ashida H, Nakamura KC, Hirase H (июнь 2016 г.). «Распределение гликогена в головном мозге мышей, фиксированных с помощью микроволн, обнаруживает гетерогенные астроцитарные структуры». Глия. 64 (9): 1532–1545. Дои:10.1002 / glia.23020. ЧВК  5094520. PMID  27353480.
  12. ^ Кэмпбелл, Нил А .; Уильямсон, Брэд; Хейден, Робин Дж. (2006). Биология: изучение жизни. Бостон, Массачусетс: Пирсон Прентис Холл. ISBN  978-0-13-250882-7.
  13. ^ Райли, Дж. Ф. (март 1955 г.). «Исследования метаболизма простейших. 5: Метаболизм паразитических жгутиконосцев Trichomonas fetus». Биохимический журнал. 59 (3): 361–369. Дои:10.1042 / bj0590361. ЧВК  1216250. PMID  14363101.
  14. ^ Бенчимол, Марлен; Элиас, Цезарь Антонио; де Соуза, Вандерли (декабрь 1982 г.). "Плод Tritrichomonas: Ультраструктурная локализация кальция в плазматической мембране и в гидрогеносомах ». Экспериментальная паразитология. 54 (3): 277–284. Дои:10.1016/0014-4894(82)90036-4. ISSN  0014-4894. PMID  7151939.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  15. ^ Mielewczik, Майкл; Мельхорн, Хайнц; аль-Курайши, Салех; Grabensteiner, E .; Гесс, М. (1 сентября 2008 г.). «Просвечивающая электронная микроскопия стадий histomonas meleagridis из клональных культур ». Паразитологические исследования. 103 (4): 745–750. Дои:10.1007 / s00436-008-1009-1. ISSN  0932-0113. PMID  18626664. S2CID  2331300.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  16. ^ Манеры, Дэвид Дж. (1991). «Последние достижения в нашем понимании структуры гликогена». Углеводные полимеры. 16 (1): 37–82. Дои:10.1016 / 0144-8617 (91) 90071-Дж. ISSN  0144-8617.
  17. ^ Роннер, Питер (2018). Основы биохимии Неттера. США: Эльзевьер. п. 254. ISBN  978-1-929007-63-9.
  18. ^ Берг, Тимочко и Страйер (2012). Биохимия (7-е, международное изд.). В. Х. Фриман. п.338. ISBN  978-1429203142.CS1 maint: использует параметр авторов (ссылка на сайт)
  19. ^ Берг; и другие. (2012). Биохимия (7-е, международное изд.). В. Х. Фриман. п. 650.
  20. ^ «Биосинтез гликогена; распад гликогена». oregonstate.edu. Получено 28 февраля 2018.
  21. ^ Янг, Ф. (22 июня 1957 г.). «Клод Бернар и открытие гликогена». Британский медицинский журнал. 1 (5033): 1431–1437. Дои:10.1136 / bmj.1.5033.1431. JSTOR  25382898. ЧВК  1973429. PMID  13436813.
  22. ^ Нельсон, Д. (2013). Принципы биохимии Ленингера (6-е изд.). W.H. Фримен и компания. п. 618.
  23. ^ Страйер, Л. (1988). Биохимия (3-е изд.). Фримен. п. 451.
  24. ^ «Методика тренировки выносливости. Часть 1». 30 октября 2009 г.
  25. ^ «Устойчивое состояние против темповых тренировок и похудания». 2 июня 2008 г.
  26. ^ Дженсен, Расмус; Эртенблад, Нильс; Стаушольм, Мария-Луиза Холлефер; Skjrbk, Mette Carina; Ларсен, Даниэль Нюквист; Хансен, Метте; Хольмберг, Ханс-Кристер; Пломгаард, Питер; Нильсен, Иоахим (2020). «Неоднородность использования гликогена в субклеточных мышцах во время упражнений влияет на выносливость у мужчин». Журнал физиологии. 598 (19): 4271–4292. Дои:10.1113 / JP280247. ISSN  1469-7793.
  27. ^ Макдональд, Лайл (25 июля 2012 г.). «Обзор исследования: углубленное изучение углеводов при циклической кетогенной диете». Получено 19 февраля 2017.
  28. ^ Макдональд, Лайл (1998). Кетогенная диета: полное руководство для диетолога и практикующего врача. Лайл Макдональд.
  29. ^ Костилл Д.Л., Бауэрс Р., Бранам Дж., Спаркс К. (декабрь 1971 г.). «Использование мышечного гликогена при длительных упражнениях в последовательные дни». J Appl Physiol. 31 (6): 834–838. Дои:10.1152 / jappl.1971.31.6.834. PMID  5123660.
  30. ^ Зорзано А., Балон Т.В., Гудман М.Н., Рудерман Н.Б. (декабрь 1986 г.). «Истощение гликогена и повышение чувствительности к инсулину и реакции мышц после тренировки». Am. J. Physiol. 251 (6, часть 1): E664 – E669. Дои:10.1152 / ajpendo.1986.251.6.E664. PMID  3538900.
  31. ^ Макдональд, Лайл (2003). Лучшая диета 2.0. Лайл Макдональд.
  32. ^ Pedersen, D.J .; Lessard, S.J .; Коффи, В.Г .; и другие. (Июль 2008 г.). «Высокий уровень ресинтеза гликогена в мышцах после изнурительных упражнений, когда углеводы сочетаются с кофеином». Журнал прикладной физиологии. 105 (1): 7–13. Дои:10.1152 / japplphysiol.01121.2007. PMID  18467543.
  33. ^ а б Beelen, M .; Burke, L.M .; Gibala, M.J .; ван Лун, L.J.C. (Декабрь 2010 г.). «Стратегии питания, способствующие восстановлению после упражнений». Международный журнал спортивного питания и метаболизма физических упражнений. 20 (6): 515–532. Дои:10.1123 / ijsnem.20.6.515. PMID  21116024. S2CID  13748227.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)

внешняя ссылка