Гликоген представляет собой высокомолекулярный полисахарид, состоящий из остатков глюкозы, соединённых α-1,4-гликозидными связями с α-1,6-ветвлениями через каждые 8–12 остатков глюкозы. Он выполняет роль депо энергии, обеспечивая быстрый источник глюкозы в условиях повышенной энергетической потребности организма. Основные места депонирования гликогена — печень (10–12% массы органа) и скелетные мышцы (1–2% массы), что отражает его функциональные различия: печень регулирует гликемию, мышцы — локальное снабжение энергией.
Процесс биосинтеза гликогена состоит из нескольких этапов:
Инициация Синтез начинается с молекулы гликогенинa, которая автогликозилируется, создавая первичный олигомер из 8–10 остатков глюкозы. Гликогенин служит ядром для дальнейшего наращивания полисахаридной цепи.
Элонгация цепи Основной фермент — гликогенсинтетаза, катализирующая перенос глюкозного остатка с UDP-глюкозы на непредельный конец цепи α-1,4-связями. UDP-глюкоза формируется из глюкозо-1-фосфата и UTP.
Формирование ветвлений Фермент ветвления (amylo-α(1→4)→α(1→6)-трансглюкозилаза) переносит блоки из 6–7 остатков глюкозы на α-1,6-связь, создавая разветвлённую структуру, увеличивающую растворимость и доступность гликогена для ферментов расщепления.
Регуляция синтеза гликогена осуществляется через гормональный контроль:
Процесс мобилизации гликогена также многоступенчатый и направлен на быстрый выпуск глюкозы:
Отщепление глюкозных остатков Гликогенфосфорилаза катализирует фосфоролитическое расщепление α-1,4-связей, освобождая глюкозо-1-фосфат. Фермент активируется адреналином и глюкагоном и ингибируется инсулином.
Разветвления Дебранчинг-фермент переносит блоки из 3 остатков на соседнюю α-1,4-цепь и гидролизует α-1,6-связи, обеспечивая полное расщепление молекулы гликогена.
Конверсия глюкозо-1-фосфата Фосфоглюкомутаза превращает глюкозо-1-фосфат в глюкозо-6-фосфат. В печени глюкозо-6-фосфат гидролизуется глюкозо-6-фосфатазой до свободной глюкозы, которая поступает в кровь. В мышцах глюкозо-6-фосфат используется в гликолизе.
Регуляция гликогенолиза тесно связана с энергетическим состоянием клетки:
Гликоген является центральным звеном углеводного обмена, интегрируясь с гликолизом, пентозофосфатным путем и синтезом глюкозы (глюконеогенезом). Разветвлённая структура позволяет одновременную мобилизацию множества молекул глюкозы, что критично при интенсивной мышечной работе или гипогликемии.
Аллостерическая регуляция и гормональные сигналы обеспечивают точный баланс между синтезом и расщеплением гликогена, предотвращая бесконтрольное накопление или истощение энергетических запасов.
Нарушения обмена гликогена приводят к гликогенозам — наследственным заболеваниям, характеризующимся дефектами ферментов синтеза или распада гликогена. В печени это вызывает гипогликемию, в мышцах — слабость и усталость. Существуют и приобретённые состояния, связанные с инсулинорезистентностью и сахарным диабетом, при которых нарушается баланс гликогенового обмена, усиливая метаболический дисбаланс.