Гликоген – синтез и распад

Сегодня разберёмся с темой, которая будет на экзамене по биохимии. 
Мы едим не постоянно. Между приёмами пищи проходит 4–6 часов, а мозг требует глюкозу каждую минуту. Кроме того, при физической нагрузке мышцам нужно быстрое топливо. Откуда брать? Из запасов! Решение: запасать глюкозу про запас в виде гликогена.

Гликоген — это разветвлённый полимер глюкозы. Его можно представить как ёлку: ствол — линейные цепи, а ветки — точки ветвления. Такая структура позволяет быстро отламывать глюкозу с концов веток, когда нужна энергия.

Где хранится?

• Печень: около 100 г гликогена. Её запасы идут на поддержание уровня глюкозы в крови (для мозга и эритроцитов).
• Мышцы: около 300–400 г гликогена. Мышцы используют его только для себя (у них нет нужного фермента, чтобы отдавать глюкозу в кровь).

Распад гликогена (гликогенолиз)

• Где происходит? В цитозоле клеток печени и мышц.
• Когда запускается? Когда нужна энергия: гипогликемия, физическая нагрузка, стресс, голодание.

Ферменты гликогенолиза:

Важно! Глюкозо-6-фосфатазы нет в мышцах! Поэтому мышцы не могут отдать глюкозу в кровь — они используют глюкозо-6-фосфат сами в гликолизе.

Как работает гликогенфосфорилаза

Это ключевой фермент распада. Его работа начинается с конца:

1. Фермент "откусывает" глюкозу с нередуцирующего конца (где есть свободная OH-группа у 4-го углерода).
2. Он использует неорганический фосфат (Pi), а не воду, поэтому продукт — глюкозо-1-фосфат, а не свободная глюкоза.
3. Реакция энергетически выгодна (не требует АТФ) и обратима (но в клетке сдвинута в сторону распада).

Когда фосфорилаза доходит до точки ветвления (α-1,6-связь), она останавливается. Дальше вступает фермент ветвления (двухфункциональный):

• Гликантрансфераза переносит три остатка глюкозы с короткой ветки на другую ветку.
• Амило-1,6-глюкозидаза отщепляет один остаток глюкозы в точке ветвления (образуется свободная глюкоза — небольшое количество).

Синтез гликогена (гликогенез)

• Где происходит? В тех же тканях (печень, мышцы).
• Когда запускается? После еды, при высоком уровне инсулина, при избытке глюкозы.

Ферменты синтеза:

Важно! Гликогенсинтаза — самый регулируемый фермент синтеза. Она работает только на уже существующей "затравке" (праймере) — коротком фрагменте гликогена, пришитом к белку гликогенину.

Регуляция: как клетка понимает, когда запасать, а когда тратить

Это самая важная часть для экзамена. Регуляция работает координированно: когда включается распад, выключается синтез, и наоборот.

Гормональная регуляция (на уровне печени и мышц)

Важно! Глюкагон действует только на печень (в мышцах нет рецепторов). Адреналин действует и на печень (через β₂-рецепторы), и на мышцы (через β₂).

Ковалентная модификация (фосфорилирование) — центральный механизм

Ключевые ферменты — гликогенфосфорилаза и гликогенсинтаза — регулируются фосфорилированием. Но эффект противоположный!

Запомните! Фосфорилирование включает распад и выключает синтез.

Как это работает:

Глюкагон и адреналин → ↑ цАМФ → активация протеинкиназы А (ПКА) → ПКА фосфорилирует:

• Фосфорилазу b → фосфорилаза a (распад включён)
• Гликогенсинтазу a → гликогенсинтаза b (синтез выключен)

Инсулин → активация протеинфосфатазы 1 (PP1) → дефосфорилирование:

• Фосфорилаза a → фосфорилаза b (распад выключен)
• Гликогенсинтаза b → гликогенсинтаза a (синтез включён)

Аллостерическая регуляция (быстрая, без фосфорилирования)

Важно! В мышцах при сокращении растёт Ca²⁺, который активирует киназу фосфорилазы (фосфорилирует фосфорилазу) — распад включается без участия адреналина. Это позволяет мышце быстро получить глюкозу при движении.

Клинический кейс. Феномен Сомоджи (рикошетная гипергликемия)

У пациента с диабетом передозировка инсулина → ночная гипогликемия → организм выбрасывает глюкагон, адреналин, кортизол → утром высокий сахар. Лечение: снизить дозу на ночь.

Резюме: 

1. Гликоген — это мобильный резерв глюкозы в печени (на поддержание сахара крови) и мышцах (на собственную энергию).
2. Распад (гликогенолиз). Ключевой фермент — гликогенфосфорилаза (отщепляет глюкозо-1-фосфат). В печени есть глюкозо-6-фосфатаза → свободная глюкоза в кровь. В мышцах её нет → глюкоза идёт в гликолиз.
3. Синтез (гликогенез). Ключевой фермент — гликогенсинтаза (использует UDP-глюкозу).
4. Регуляция координирована и противоположна: Фосфорилирование (глюкагон, адреналин, ПКА) → активация фосфорилазы + инактивация синтазы (распад включён).
   Дефосфорилирование (инсулин, протеинфосфатаза 1) → инактивация фосфорилазы + активация синтазы (синтез включён).
5. Аллостерическая регуляция: глюкозо-6-фосфат ингибирует распад и активирует синтез; АМФ и Ca²⁺ активируют распад в мышцах.
6. Гликогенозы — болезни накопления гликогена с гипогликемией, гепатомегалией, мышечной слабостью. Знать про I (Гирке), III (Кори), V (МакАрдля).

Заключение

Синтез и распад гликогена — это пример того, как клетка быстро переключается между двумя противоположными процессами под действием гормонов и метаболических сигналов. Этот механизм позволяет нам бегать, думать и не «умирать» между завтраком и обедом. Понимание его регуляции — ключ к пониманию диабета, гипогликемии и гликогенозов.

Подробнее про обмен углеводов можно найти в нашем курсе по биохимии 

Читайте также про гормоны-регуляторы глюкозы в крови