Гликоген представляет собой полисахарид, основной формой запасного углевода у животных и человека. Он состоит из множества остатков глюкозы, соединённых α-1,4-гликозидными связями в линейных цепях и α-1,6-гликозидными связями в точках ветвления. Высокая степень ветвления обеспечивает быстрый мобилизационный потенциал, позволяя ферментам быстро освобождать глюкозу при необходимости. Молекула гликогена имеет глобулярную, компактную форму, что увеличивает его растворимость и уменьшает осмотическое давление в клетке.
Масса отдельных молекул гликогена может достигать 106–107 дальтон, при этом одна молекула содержит тысячи глюкозных единиц. Ветвление осуществляется каждые 8–12 остатков глюкозы, создавая обширную сеть концов, доступных ферментам расщепления.
Гликоген сосредоточен преимущественно в печени и мышцах. В печени он выполняет функцию поддержания глюкозного гомеостаза, обеспечивая организм глюкозой в период голодания. В мышцах гликоген служит локальным источником энергии, необходимой для интенсивной мышечной работы, и не участвует напрямую в регуляции уровня глюкозы в крови.
В меньших количествах гликоген обнаруживается в нейронах, почках и клетках кишечника, где его роль связана с локальными энергетическими потребностями.
Метаболизм гликогена включает два ключевых процесса: синтез (гликогенез) и расщепление (гликогенолиз).
Гликогенез начинается с образования активной формы глюкозы — UDP-глюкозы. Фермент гликогенсинтаза катализирует присоединение глюкозных остатков к растущей цепи через α-1,4-связи. Ветвление осуществляется ферментом ветвящей ферментной трансгликозидазы, который переносит короткую цепь (обычно 6–7 остатков) на α-1,6-связь, создавая новую ветвь.
Гликогенолиз осуществляется с участием ферментов гликогенфосфорилазы и дебранчирующего фермента. Гликогенфосфорилаза удаляет остатки глюкозы с концов α-1,4-связей, высвобождая глюкозо-1-фосфат. Дебранчирующий фермент расщепляет α-1,6-связи, обеспечивая доступность глюкозы из ветвей. В печени глюкозо-6-фосфат превращается в свободную глюкозу ферментом глюкозо-6-фосфатазой, которая затем попадает в кровь. В мышцах этот путь ограничен, так как отсутствует глюкозо-6-фосфатаза, и энергия используется внутриклеточно.
Гликогенез и гликогенолиз регулируются гормональными и аллостерическими механизмами. Основные гормональные регуляторы — инсулин, стимулирующий синтез гликогена, и глюкагон и адреналин, активирующие распад. Аллостерическая регуляция осуществляется на уровне ключевых ферментов:
Регуляция обеспечивает скоростную адаптацию клеток к изменению энергетических потребностей.
Гликоген — белый порошок или бесцветные гранулы, легко растворимый в воде, но практически нерастворим в органических растворителях. Он обладает свойствами полисахарида с высокой молекулярной массой:
Гликоген используется в биотехнологии и медицинских исследованиях как модель полисахарида с высокой степенью ветвления. Его анализ помогает выявлять нарушения углеводного обмена, включая гликогенозы, связанные с дефектами ферментов гликогенолиза или гликогенеза.
Методы изучения включают рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, ядерный магнитный резонанс (ЯМР), позволяющие определить конформацию молекулы, распределение ветвей и динамику метаболизма.
Гликоген является ключевым компонентом энергетического обмена, обеспечивая быстрое и эффективное снабжение клеток глюкозой, и служит моделью для понимания механизма синтеза и расщепления полисахаридов у эукариот.