糖原

一种多糖

糖原

糖原((C₆H₁₀O₅)n，Glycogen)也被叫做动物淀粉，是由许多葡萄糖缩合成的支链多糖，是人和动物体内葡萄糖的一种储存形式。[1][5]糖原在化学组成上与淀粉很相似，是由α-1,4糖苷键和α-1,6糖糖苷键连接的葡聚糖，可以彻底水解成D-葡萄糖，因其分子量在100万~1000万，故糖原是具有高度分支不均一的分子。[1][6]糖原是密度为1.629g/cm³的白色粉末，不溶于乙醇，但可以溶于热水中并与碘反应呈现出棕红色。[2][3]糖原主要分布在动物的肝脏（肝糖原）和骨骼肌（肌糖原）中，在一些低等植物、真菌、酵母和细菌中，也存在糖原类似物。[7]当血液中的葡萄糖含量较高时，多余的葡萄糖结合成糖原贮存于肝内；而当血液中的葡萄糖含量降低时，糖原就分解成葡萄糖进人血液，以保持血糖水平，供给机体能量。[5]糖原还可以作为新陈代谢的能源，人体可以通过摄入糖原来改善人心脏和血液循环的能力，并对肝脏起着保护作用。[1]

糖原((C₆H₁₀O₅)n，Glycogen)也被叫做动物淀粉，是由许多葡萄糖缩合成的支链多糖，是人和动物体内葡萄糖的一种储存形式。[2][6]糖原在化学组成上与淀粉很相似，是由α-1,4糖苷键和α-1,6糖糖苷gān键连接的葡聚糖，可以彻底水解成D-葡萄糖，因其分子量在100万~1000万，故糖原是具有高度分支不均一的分子。[2][7]糖原是密度为1.629g/cm³的白色粉末，不溶于乙醇，但可以溶于热水中并与碘反应呈现出棕红色。[3][4]

糖原主要分布在动物的肝脏（肝糖原）和骨骼肌（肌糖原）中，在一些低等植物、真菌、酵母和细菌中，也存在糖原类似物。[8]当血液中的葡萄糖含量较高时，多余的葡萄糖结合成糖原贮存于肝内；而当血液中的葡萄糖含量降低时，糖原就分解成葡萄糖进人血液，以保持血糖水平，供给机体能量。[6]糖原还可以作为新陈代谢的能源，人体可以通过摄入糖原来改善人心脏和血液循环的能力，并对肝脏起着保护作用。[2]

历史来源

法国生理学家克劳德·伯纳德在1849年发现肝脏中存在糖原，在1855年发表了肝脏可以从其内部产生出糖这一事实，并在1857年巴黎生物协会通报了从组织中分离了糖原的情况以及分理处级次组织的化学和物理性质，这是生物学史上一个伟大的发现，在克劳德·伯纳德在肝脏中发现糖原不久后，桑松也在肌肉中发现了肌糖原。[5][9]

分布

人体大量的糖原储存于肝脏和骨骼肌中，其中肝脏储存的糖原大约100g（占肝脏重量的6％至8％），维持人体血糖稳定；骨骼肌中约有400g（约占骨骼肌重量的1％至2％），主要为肌肉运动供能。[10][11]某些植物真菌、细菌和甜玉米也含有糖原。[12]

分子结构

糖原是由多个葡萄糖结合形成较多分支的大分子多糖，直链主要通过α-1，4糖苷键结合，而支链通过α-1，6糖苷键来结合，每个分支含有12~8个糖的残基，主链上每隔三个葡萄糖单位就有一个分支，分支上还会产生分支，也是每隔三个葡萄糖单位，最外围的分支约含6-7个葡萄糖单位。[13][14]一个糖原分子只有一个还原端，但是有多个非还原端，糖原的合成和水解都是从非还原端开始的。[15]

糖原的结构
糖原的结构

调节人的血糖平衡

肝糖原主要存在人体的肝脏中，在维持血糖平衡中起着直接且很重要的作用，空腹时，肝脏主要通过糖异生和肝糖原的分解来维持机体正常的血糖水平；在餐后，肝脏还可以通过促进肝糖原的合成、抑制肝糖原的降解和糖异生来降低血糖的浓度。肝糖原的代谢紊乱如糖异生作用增强、肝糖原过度降解、糖酵解减少会促进肝脏生成的肝糖增多，从而导致高血糖。[11][16]

运动能源作用

肌糖原在人体骨骼肌中的含量为1%~2%，是运动的主要能源物质。肌糖原的利用与运动负荷持续的时间呈正比，在最开始运动的时候，由于肌肉收缩的刺激，肾上腺素释放和局部氧贮备下降，肌糖原分解比较迅速；随后循环系统对运动负荷逐渐适应，酶活性增强，糖原分解迅速，肌糖原大幅度下降；在运动持续时间增加，糖原相对减少，肌肉补偿的措施是提高血糖吸收和脂肪利用。[17]

其他作用

糖原不仅能发挥动物储存的功能，同时还具有解酒保肝、抗疲劳、抗肿瘤等生物活性。[18]糖原物质含量还与变温动物在越冬、繁殖等重要的生命活动有一定的关系。[19]在海洋双壳贝类中，有些种类的糖原储存于特定囊泡细胞中，其含量的变化与配子发育、生长、繁殖、抗逆、风味等密切相关。[20]糖原是大多数水产贝类体内最直接有效的储能物质，在其生理代谢方面发挥着重要的能力。[18]

在鉴别淋巴系统细胞的增生和红细胞系统的增生性质上，经常要做糖原染色加以确诊，常见的染色方法PAS法（高碘酸-雪芙染色法），会将组织中的糖原染为紫红色。[21][22]

理化性质

糖原外观为白色无定形粉末，分子量在100万~400万之间，[23]密度为1.629g/cm3，熔点为148~149℃，折射率为1.687，不溶于冷水，溶于热水成为胶体溶液呈现出乳色。[3][4][24]糖原溶于水后遇碘呈棕色至紫色，无还原性，在稀酸或者淀粉酶的作用下水解成麦芽糖、异麦芽糖和葡萄糖。[24]

糖原合成

糖原的合成是指单糖（主要是葡萄糖）合成糖原的过程，这个过程主要在肝脏、肌肉等组织的细胞质中进行。肝糖原可以用任何单糖为原料来合成，而肌糖原只能以葡萄糖作为原料。[13]该过程是耗能过程，每增加一个葡萄糖单位，就会消耗2分子的ATP（三磷酸腺苷）。糖原的合成过程可分为5个阶段，如下所示。[25]

葡萄糖磷酸化

在糖原合成的时候，进入肝脏或者肌肉中的葡萄糖首先在己糖激酶（肝内为葡萄糖激酶)的作用下生成6-磷酸葡萄糖，反应机理如下图所示。[25]

1-磷酸葡萄糖的生成

6-磷酸葡萄糖在磷酸葡萄糖变位酶的作用下，使磷酸基团从6位点转变到1位点，生成1-磷酸葡萄糖，反应机理如下图所示。[25]

尿甘二磷酸葡萄糖(UDPG)的生成

1-磷酸葡萄糖与三磷酸尿苷(UTP)在UDPG焦磷酸化酶的作用下生成UDPG和焦磷酸。UDPG是是糖原合成的底物，葡萄糖残基的供体，被称为活性葡萄糖。[25]此反应是在UDPG焦磷酸化酶的催化下进行，反应是可逆的，但由于细胞内焦磷酸化酶分布广，活性比较强，很容易将焦磷酸分解为2分子磷酸，使反应主要向右进行。这一过程消耗的UTP可以由ATP和UDP通过转磷酸基团生成，所以这个过程会消耗能量，葡萄糖每增加一分子，就会消耗2分子的ATP，反应机理如下图所示。[7]

糖原的生成

在细胞里游离的葡萄糖不能作为UDPG的受体，即糖原合成酶催化的糖原反应不能从头合成，糖原合成开始的小糖原分子被叫做糖原引物，在糖原合成酶的作用下，UDPG的葡萄糖基转移到糖原引物上，并用α-1，4糖苷键来连接一个葡萄糖单位，这样在糖原合成酶的作用下UDPG不断的添加一个单位的葡萄糖，使糖链延长形成糖原，反应机理如下图所示。[25]

分支的形成

糖原合成酶只能使糖链延长，但不能形成分支。当糖链延长到一定程度，大于n个葡萄糖残基时，分支酶会发生作用，将长约6个葡萄糖残基的寡糖链转移到另一段糖链上，将α-1，4糖苷链变成α-1，6糖苷链，从而形成糖原分子的分支。在糖原合成酶和分支酶的交替作用下，糖原分子变长、分支变多，分子变大反应，机理如下图所示。[13][7]

糖原分解

在体内，肝糖原能直接分解补充血糖，而肌糖原不能直接分解补充血糖，糖原的分解和和合成是由不同的酶催化的两个方向相反却又互相保持联系的反应途径。整个过程不消耗能量，糖原的分解主要分为3个阶段，如下所示。[25]

糖原分解为1-磷酸葡萄糖

该反应所需要的酶为糖原磷酸化酶，在它的催化下糖原的非还原端分解出1个葡萄糖基，再转化成1-磷酸葡萄糖。糖原磷酸化酶是这个反应的调节酶，只能水解α-1，4糖苷键，而不能水解α-1，6糖苷键。当糖链上的葡萄糖基被逐个磷酸化后离开，在分支点处剩下4个葡萄糖基时，脱支酶会将末端的3个葡萄糖基共同转移到邻近糖链的末端上，用α-1，4糖苷键连接，而剩下的由α-1，6糖苷键连接的一个分支葡萄糖基再脱支酶的作用下水解，生成游离的葡糖糖，机理如下图所示。[7]

1-磷酸葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖

这个反应所需要的酶为磷酸葡萄糖变位酶，在它的作用下，磷酸基发生转移，该反应为可逆反应，机理如下图所示。[7]

6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖

该反应所需要的酶为葡萄糖-6-磷酸酶，在水的参与下脱去磷酸而生成葡萄糖，此步反应酶仅存在于肝中，而肌肉是不存在的，所以只有肝糖原才能被分解并直接用于补充血糖，而肌糖原却不能，机理如下图所示。[7]

6-磷酸葡萄糖变为葡萄糖
6-磷酸葡萄糖变为葡萄糖

代谢调节

糖原的合成与分解并不是通过一个途径的可逆反应来实现的，而是由两条差异巨大的途径构成，这两条途径的生理调节是依靠胰岛素和胰高血糖素饰演的，在维持血糖浓度的恒定具有很大的作用，胰岛素通过调节机体的血糖平衡从而对糖原的分解产生抑制作用，而胰高血糖素则通过提高血糖水平来促进糖原的合成。[7]糖原合成酶和糖原磷酸化酶分别是糖原合成与分解代谢中的限速酶，这两种酶都存在有活性和无活性两种形式。[7]糖原合酶和糖原磷酸酶活性均有共价修饰和别构调节两种快速调节方法，但共价修饰调节为主要的调节方式。[7]

共价修饰

糖原合酶和糖原磷酸化酶的共价修饰均会受到激素的调节。例如，饥饿时，血糖含量下降，可使胰高血糖素和肾上腺素分泌增加，激活腺苷酸环化酶（ adenylate cyclase，AC)，使ATP转变为cAMP， cAMP再激活蛋白激酶A。蛋白激酶A既催化有活性的糖原合酶a磷酸化后转变为无活性的糖原合酶b，使糖原合成减少，又通过磷酸化反应将磷酸化酶b激酶激活，进而变成有活性的磷酸化酶a酶，加强糖原的分解，增加血糖浓度，最终使血糖值保持在恒定水平。另外，蛋白激酶A还催化磷蛋白磷酸酶抑制剂(胞内的一种蛋白质）磷酸化后转变为其活性形式，活性形式的抑制剂与磷蛋白磷酸酶结合后，可抑制酶活性，这与糖原合酶及糖原磷酸化酶的调节相协调，机理如下图所示。[7]

糖原与合成与分解的共价修饰调节
糖原与合成与分解的共价修饰调节

别构调节

糖原代谢的别构调节包括AMP（腺嘌呤核糖核苷酸）、ATP和6-磷酸葡萄糖这些别构剂的调节。AMP是磷酸化酶 b的变构激活剂，使无活性的磷酸化酶b变为有活性的磷酸化酶a，加速糖原分解；而ATP是磷酸化酶a的变构抑制剂，抑制糖原分解；6-磷酸葡萄糖是糖原合酶b的变构激活剂，使无活性的糖原合酶b变为有活性的糖原合酶a，加速糖原合成。[26]

糖原累积病

当人体内参与糖原合成与分解过程中的酶生成障碍，则会引起一种先天性糖代谢异常疾病——糖原累积病（glycogen storage disease，GSD），这类疾病主要特征是肝脏、肌肉和肾脏等组织中糖原储存量增加，仅少数糖原储存量正常，但糖原分子结构异常。[27]一般在1岁以内出现，对于这个疾病的治疗主要是饮食治疗和对症治疗，使患儿度过婴儿期，因为4岁后机体逐步可以适应其他代谢途径，临床症状可减轻。[28]

糖尿病

糖原代谢异常可能出现糖尿病，糖尿病中的糖原主要存积在肝脏和肾脏，有时亦出现于心肌。在肝脏中糖原出现在肝细胞的胞核中，使胞核膨大，核中出现巨大的空泡，核染色质被推到核膜的内侧，在正常肝细胞的胞浆中，原来已有糖原存在；但在严重的糖尿病患者，胞浆内可出现许多细泡。[29]

糖原消耗过量

当身体进行超过承受能力的运动后，作为活动力的源泉的糖原消耗过量会导致人感到疲劳，肉体的和精神活动时其效率下降。运动后产生疲劳并不是病态，疲劳的产生部位，一般根据运动的性质而分，有局部肌肉和全身性疲劳、急性和慢性疲劳、精神和肉体疲劳。[30]

其他疾病

糖原可以调节血糖平衡，血糖浓度过低会导致的人体低血糖症的产生。[6][31]

蒽酮法

糖原一般采用蒽酮法进行检测。蒽ēn酮tóng可与游离糖或者多糖进行反应，反应后溶液呈蓝绿色，在620nm处有最大吸收值，测其光密度，可以确定糖原的含量。[32]蒽酮法是经典的测定糖原方法,操作简单，重复性好，但精确度不高。所测定的值是非蛋白糖的总和。[33]

邻甲苯胺比色法

糖原中葡萄糖在热醋酸中能与邻甲苯胺发生特异性反应形成葡萄糖胺和雪夫碱的绿色平衡混合物，其在630nm有最大吸收值，颜色深浅与糖原浓度呈正比 ，测其光密度，可以确定糖原的含量。[34][35]

碘盐显色法

糖原是由葡萄糖聚合而成的高分子，具有螺旋结构，通过分子间力吸附碘分子而显色，一般糖原水溶液有碘存在时呈现棕红色。[36]当糖原结构改变时，与碘呈色也会改变，正常结构的糖原在 460nm 处有特征性吸收，根据这两个特性可以确定糖原的结构是否正常。[37]

参考资料 37

  1. Glycogen — PubChem
  2. 参考 2
  3. 糖原 — CAS
  4. 参考 4
  5. 参考 5
  6. 参考 6
  7. 参考 7
  8. 参考 8
  9. Claude Bernard and the Discovery of Glycogen — National Library of Medicine
  10. 参考 10
  11. 参考 11
  12. 参考 12
  13. 参考 13
  14. 参考 14
  15. 参考 15
  16. 参考 16
  17. 参考 17
  18. 参考 18
  19. 参考 19
  20. 参考 20
  21. 参考 21
  22. 参考 22
  23. 参考 23
  24. 参考 24
  25. 参考 25
  26. 参考 26
  27. 参考 27
  28. 参考 28
  29. 参考 29
  30. 参考 30
  31. 参考 31
  32. 参考 32
  33. 参考 33
  34. 参考 34
  35. 参考 35
  36. 参考 36
  37. 参考 37
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