گلیکوژن چیست؟ | ساختار، عملکرد، متابولیسم و اختلالات

گلیکوژن چیست؟

گلیکوژن در قارچ ها و باکتری ها

تاریخچه کشف گلیکوژن

اگر می‌خواهید بدانید گلیکوژن چیست و چه نقشی حیاتی در بدن دارد، می‌توانید آموزش رایگان زیر را درباره گلیکوژن مشاهده کنید. در این آموزش، با ساختار گلیکوژن، نحوه ذخیره و آزادسازی انرژی، عملکرد آن در کبد و عضلات و اهمیت زیستی‌اش به زبانی ساده و علمی آشنا می‌شوید. این فیلم آموزشی برای دانش‌آموزان، دانشجویان و علاقه‌مندان به زیست‌شناسی بسیار کاربردی است.

ساختار گلیکوژن چگونه است؟

فیلم آموزش ساختار ماکرومولکول‌های زیستی در فرادرس

کلیک کنید

گلیکوژن در کجا ذخیره می شود؟

تفاوت گلیکوژن با گلوکز چیست؟

کار گلیکوژن چیست؟

• برای مطالعه مطلب گلیکوژنز و گلیکوژنولیز چیست؟ — به زبان ساده + اینجا کلیک کنید.

فیلم آموزش بیوانرژتیک فعالیت‌ ورزشی در فرادرس

کلیک کنید

گلیکوژن در کبد

پس از هضم غذا و شروع به افت سطح گلوکز خون، ترشح انسولین کاهش می‌یابد و سنتز گلیکوژن، متوقف خواهد شد. در صورت نیاز به انرژی، گلیکوژن، تجزیه و دوباره به گلوکز تبدیل می‌شود. گلیکوژن فسفوریلاز، آنزیم اصلی در مسیر تجزیه گلیکوژن است. طی ۸ تا ۱۲ ساعت بعدی، گلوکز حاصل از گلیکوژنِ کبد منبع اصلی گلوکز خون است که توسط سایر اعضای بدن به عنوان سوخت استفاده می‌شود.

گلیکوژن در ماهیچه

گلیکوژنِ سلول عضلانی به عنوان منبع ذخیره فوری گلوکز برای این سلول‌ها عمل می‌کند. سلول‌های دیگر که حاوی گلیکوژنِ کمتری هستند، به صورت محلی از آن استفاده می‌کنند. از آنجا که سلول‌های عضلانی فاقد گلوکز- 6- فسفاتاز هستند که برای انتقال گلوکز به خون لازم است، گلیکوژنِ موجود در آن‌ها فقط برای مصارف داخلی موجود است و با سلول‌های دیگر به اشتراک گذاشته نمی‌شود، برخلاف سلول‌های کبدی که در صورت نیاز، گلیکوژنِ ذخیره شده خود را به گلوکز تجزیه می‌کنند و از طریق جریان خون به عنوان سوخت برای سایر اندام‌ها می‌فرستند.

متابولیسم گلیکوژن

متابولیسم به معنای سوخت و ساز است. گلیکوژن، در بدن طی فرایندی به نام گلیکونئوژنز ساخته و طی فرایندی به نام گلیکوژنولیز تجزیه می‌شود. در ادامه این دو مکانیسم توضیح داده شده‌اند.

سنتز گلیکوژن

سنتز گلیکوژن، برخلاف تجزیه، درون‌زا است یعنی برای انجام شدن به ورودی انرژی نیاز دارد. انرژی برای سنتز گلیکوژن از یوریدین تری فسفات (UTP) تأمین می‌شود که در واکنش کاتالیز شده توسط UTP - گلوکز- 1- فسفات یوریلیل ترانسفراز با گلوکز- 1- فسفات واکنش داده و UDP- گلوکز را تشکیل می‌دهد. گلیکوژن، از مونومرهای UDP- گلوکز در ابتدا توسط پروتئین گلیکوژنین که دارای دو لنگر تیروزین برای کاهش انتهای گلیکوژن است، سنتز می‌شود زیرا گلیکوژنین یک همودیمر (تشکیل شده از دو واحد یکسان) است.

پس از افزودن حدود هشت مولکول گلوکز به یک باقی‌مانده تیروزین، آنزیم گلیکوژن سنتاز به تدریج با استفاده از UDP- گلوکز، به انتهای احیای زنجیره گلیکوژن، با پیوند (α (۱→۴، گلوکز اضافه زنجیره گلیکوژن را طویل می‌کند.

آنزیم منشعب کننده گلیکوژن، انتقال قطعه‌ای از شش یا هفت باقی‌مانده گلوکز را به انتهای غیر احیای گلیکوژن و روی گروه هیدروکسیل متصل به کربن شماره ۶، کاتالیز می‌کند. آنزیم شاخه‌ ساز می‌تواند فقط بر روی شاخه‌ای که حداقل 11 باقی مانده دارد عمل کند و آنزیم ممکن است برای ادامه کار خود، به همان زنجیره گلوکز یا زنجیره‌های گلوکز مجاور منتقل شود.

تجزیه گلیکوژن

گلیکوژن، توسط آنزیم گلیکوژن فسفریلاز از انتهای غیر احیای زنجیره، شکافته می‌شود و مونومرهای گلوکز - 1- فسفات تولید می‌کند:

در داخل بدن، فسفرولیز در جهت تجزیه گلیکوژن پیش می‌رود چون به طور معمول، نسبت فسفات و گلوکز- 1- فسفات بیشتر از 100 است. سپس گلوکز- ۱- فسفات توسط آنزیم فسفو گلوکوموتاز به گلوکز 6 فسفات (G6P) تبدیل می‌شود. برای از بین بردن شاخه‌های (α (۱→۶ در گلیکوژنِ منشعب و تغییر شکل زنجیره به یک پلیمر خطی، یک آنزیم ویژه لازم است. مونومرهای G6P تولید شده دارای سه سرنوشت احتمالی هستند:

• G6P می‌تواند در مسیر گلیکولیز ادامه یابد و به عنوان سوخت استفاده شود.
• G6P می‌تواند از طریق آنزیم گلوکز-6-فسفات دهیدروژناز به مسیر پنتوز فسفات وارد شود و NADPH و 5 قند کربن تولید کند.
• در کبد و کلیه، G6P می‌تواند توسط آنزیم گلوکز 6- فسفاتاز دی فسفریله و دوباره به گلوکز تبدیل شود. این آخرین مرحله در مسیر گلوکونئوژنز است.

فیلم آموزش متابولیسم و نقش آن در بدن در فرادرس

کلیک کنید

ترشح گلیکوژن

گلیکوژن در شرایط مختلفی با تولید هورمون گلوکاگون، توسط کبد آزاد می‌شود از جمله:

• در پاسخ به موقعیت‌های استرس زا
• هنگام بیدار شدن (این روند به عنوان پدیده سپیده دم شناخته می‌شود)
• در پاسخ به پایین بودن قند خون
• برای کمک به هضم غذا

اختلال در متابولیسم گلیکوژن

تقریباً ۲ الی ۳ کودک در هر صد هزار تولد (1 در ۴۳ هزار) به نوعی از بیماری‌های ذخیره گلیکوژن مبتلا هستند. در ایالات متحده تخمین زده می‌شود که این موارد یک مورد در هر ۲۰ هزار تا ۲۵ هزار تولد باشد. میزان بروز این بیماری در هلند، 1 در هر ۴۰ هزار تولد است. شیوع اختلال در متابولیسم گلیکوژن در مکزیک حدود ۶ مورد از هر هزار نوزاد پسر را نشان می‌دهد.

بیماری پمپ

سه نوع بیماری پمپ وجود دارند که به ترتیب نام‌ برده شدیدتر می‌شوند:

• فرم بزرگسالان
• فرم جوانی
• فرم کودکی

نوع کودک در صورت عدم درمان منجر به مرگ در سن یک تا دو سالگی خواهد شد.

بیماری مک آردل

این بیماری می‌تواند کشنده باشد. اکثر بیماران سطح بالایی از کراتین کینز را در خون نشان می‌دهند. روش ترجیحی تشخیص GSD نوع V، تجزیه و تحلیل ژنتیکی است. هیچ درمانی برای این بیماری وجود ندارد اما یک مطالعه نشان داده است که مصرف ساکارز قبل از ورزش می‌تواند ظرفیت عضلات را افزایش دهد و ورزش هوازی متوسط ​نیز به بهبود عملکرد عضلات و افزایش عمر بیماران کمک می‌کند.

بیماری هرس

کمبود گلیکوژن فسفریلاز کبدی یا بیماری GSD نوع VI، در اثر کمبود فعالیت ایزوفرم کبدی گلیکوژن فسفوریلاز (رمزگذاری شده توسط PYGL) ایجاد می‌شود. «بیماری هرس» (Hers’ Disease) همچنین شامل افرادی با جهش در ژن‌های دیگری است که بر عملکرد PYGL تأثیر می‌گذارند. علائم این بیماران در مقایسه با GSD نوع V بسیار متفاوت هستند. بیماران مبتلا به GSD نوع VI، سطح کراتین کیناز و اسید اوریک طبیعی دارند. این بیماری اغلب از اوایل کودکی شروع می‌شود و به طور قابل توجهی خوش‌خیم است.

مبتلایان به طور معمول با تاخیر رشد و هپاتومگالی روبرو می‌شوند. از آنجا که گلیکوژنولیز کبد مختل شده است، افت قند خون کتوتیک و همچنین چربی خون شایع هستند. اغلب این شرایط با افزایش سن بهبود می‌یابند و درمان غیر ضروری است. افرادی با GSD نوع IX فنوتیپ بسیار مشابهی با GSD نوع VI از خود نشان می‌دهند. GSD نوع IX به دلیل کمبود ایزوفرم کبدی گلیکوژن فسفوریلاز ایجاد می‌شود.

بیماری آندرسن

«بیماری آندرسن» (Andersen Disease) یا GSD نوع چهارم، در اثر جهش در ژن GBE1 ایجاد می‌شود که آنزیم منشعب‌کننده گلیکوژن را کد می‌کند و بر روی عضلات و کبد تأثیر می‌گذارد. علائم می توانند از همان اوایل جنینی (هیدروپس داخل رحمی) شروع شوند و به دلیل هیپوتونی و کاردیومیوپاتی شدید، مرگ پری‌ناتال رخ دهد. در غیر این صورت علائم در چند ماهگی بروز می‌کنند و نارسایی در رشد، هپاتوسپلنومگالی و سیروز کبدی پیشرونده معمولا منجر به مرگ بیمار تا 5 سالگی خواهند شد.

هیچ درمانی برای GSD نوع IV وجود ندارد و مراقبت‌های پزشکی بر حفظ نوروموگلایسمی متمرکز هستند. تغذیه مناسب می‌تواند به بهبود عملکرد کبد و عضله کمک کند و همچنین نتایج طولانی مدت را برای این بیماران به همراه داشته باشد. برای کسانی که بیماری کبدی دارند، ممکن است پیوند کبد ضرورت یابد.

بیماری لافورا

اختلالات متابولیسم گلیکوژن همیشه با اختلال عملکرد کبد یا عضله ارتباط داشتند زیرا اکثر ذخایر گلیکوژن در بدن انسان در این بافت‌ها یافت می‌شوند. با این حال، در اکثر سلول‌ها مقادیر قابل توجهی گلیکوژن وجود دارد و برخی از مطالعات اخیر بر اهمیت گلیکوژن در مغز متمرکز شده‌اند. بیماری «لافورا» (Lafora)، نوعی از بیماری ژنتیکی اتوزومال مغلوبِ صرع است. شاخصه اصلی این بیماری، وجود اجسام انسدادی (اجسام لافورا) در اکثر اندام‌ها از جمله مغز است.

اجسام لافورا فرم غیر طبیعی گلیکوژن هستند که به عنوان سوخت قابل تجزیه نیستند. این اجسام، حاوی مقادیر زیادی پلی گلوکوزان هستند که تجمع آن‌ها باعث آسیب و مرگ سلول‌ها می‌شود. تجمع این اجسام در مغز عامل اکثر علائم مانند تشنج، آتاکسی، میوکلونوس و پیشرفت تدریجی زوال عقل شدید است. بیماران معمولاً تا 30 سالگی می‌میرند و در حال حاضر درمانی برای آن وجود ندارد. لافورا حدود 10 برابر بیشتر از گلیکوژن، حاوی فسفات است. در غیاب لافورین، گلیکوژن بیش از حد فسفریله و باعث شکل‌گیری اجسام لافورا می‌‌شود.

درمان بیماری ذخیره گلیکوژن

درمان به نوع بیماری ذخیره گلیکوژن بستگی دارد. GSD I به طور معمول با وعده‌های غذایی كوچک حاوی كربوهیدرات و نشاسته ذرت، تحت عنوان درمان نشاسته ذرت اصلاح شده، برای جلوگیری از افت قند خون درمان می‌شود. در حالی كه سایر درمان‌ها، ممكن است شامل آلوپورینول و عامل تحریک كلنی گرانولوسیت انسانی باشند. استفاده از گلوکاگون نیز یک روش درمانی متداول برای این نوع کاهش قند خون است.

گلیکوژن و رژیم غذایی

میزان و کیفیت تغذیه و همچنین تحرک، بر تولید یا سوخت گلیکوژن تأثیر دارند. در رژیم‌های کم کربوهیدرات مانند اتکینز یا رژیم کتوژنیک، که در آن‌ها منابع اصلی سنتز گلوکز (کربوهیدرات) به طور ناگهانی محدود می‌شوند، ذخایر گلیکوژنِ بدن می‌توانند به شدت تخلیه شوند و در نهایت علائمی مانند خستگی و گیجی یا به اصطلاح آنفولانزای کتویی به وجود می‌آیند. پس از عادت بدن به رژیم غذایی جدید و تنظیم تولید هورمون‌ها و قند خون، بدن دوباره شروع به تجدید ذخایر گلیکوژنِ خود می‌کند و علائم کاهش می‌یابند.

کاهش وزن هم می‌تواند همین تأثیرات را در ذخیره گلیکوژن داشته باشد. در ابتدا ممکن است کاهش وزن سریع باشد، بعد از یک دوره زمانی، وزن ثابت بماند یا حتی بیشتر شود. این پدیده تا حدودی به دلیل ترکیب گلیکوژن با آب است. آب موجود در این مولکول سه تا چهار برابر وزن خود گلوکز است. به همین دلیل، وزن در ابتدای رژیم، به علت کاهش آب، به سرعت کم می‌شود. با گذشت زمان، ذخایر گلیکوژن تجدید خواهند شد و آب از دست رفته شروع به بازگشت می‌کند. وقتی این اتفاق افتاد، کاهش وزن ممکن است متوقف یا ثابت شود.

چه غذاهایی گلیکوژن دارند؟

سلول‌های عصبی و نورون‌ها، برای فعالیت صحیح خود به مقدار کافی گلوکز نیاز دارند. بدن بلافاصله از گلوکز مورد نیاز خود استفاده می‌کند و بقیه را به عنوان گلیکوژن در کبد و عضلات ذخیره می‌کند که هنگام پایین بودن قند از این ذخایر جهت عملکرد صحیح ارگان‌های مختلف خصوصا مغز استفاده می‌شود. از آنجا که گلیکوژن منبع سوخت بدن است، خوردن برخی مواد غذایی برای وجود سطح کافی از گلیکوژن ضرورت دارد.

• میوه‌ها: میوه‌های تازه پر از کربوهیدرات‌های ساده به شکل قند میوه یا فروکتوز هستند. این نوع کربوهیدرات‌ها در روده کوچک به سرعت و در یک مرحله هضم می‌شوند و ذخایر گلیکوژن را تقویت می‌کنند.
• سبزیجات نشاسته‌دار: نشاسته نوعی کربوهیدرات پیچیده است که تجزیه آن در دهان آغاز و در نهایت به صورت گلوکز جذب می‌شود. بزاق دهان، مولکول‌های نشاسته پیچیده را به مالتوز تبدیل می‌کند که یک کربوهیدرات ساده است. هنگامی که مالتوز به روده کوچک می‌رسد، به گلوکز تبدیل و وارد جریان خون می‌شود. برخی صیفی‌جات مانند سیب زمینی، کدو و سیب‌زمینی شیرین، غنی از نشاسته هستند. دستگاه گوارش نشاسته مورد نیاز را به سرعت به قند تبدیل و به عنوان گلیکوژن ذخیره می‌کند.
• غذاهای سبوس دار: یک برش نان گندم کامل، یک سوم فنجان ماکارونی با آرد گندم یا یک سوم فنجان برنج قهوه‌ای، هر کدام 15 گرم کربوهیدرات دارند که ترکیبی از قندهای ساده و نشاسته است. انتخاب غلات کامل به جای انواع سفید یا فرآوری شده، دریافت فیبر کافی در کنار کربوهیدرات را تضمین می‌کند که اهمیت فراوانی دارد چون برای هضم و تبدیل کربوهیدرات به قند ساده و ورود گلوکز به خون و ساخت گلیکوژن، ضروری است.

گلیکوژن در ورزش

اکثر ورزشکاران در هر دقیقه دو تا سه گرم کربوهیدرات می‌سوزانند. حتی در ورزش با شدت کم، در هر دقیقه یک تا دو گرم کربوهیدرات متابولیزه می‌شود که البته این میزان با تمرین قابل تنظیم است. ورزشکاران در صورت سوخت کامل 300 تا 500 گرم گلیکوژن در خود ذخیره می‌کنند و این با حدود 90 تا 120 دقیقه ورزش شدید برابر است. گلیکوژن به سرعت می‌سوزد اما ذخایر آن به کندی و معمولاً با سرعت دو تا پنج درصد در ساعت، پس از ورزش دوباره پر می شوند. بازیابی ذخایر خالی گلیکوژن ممکن است یک روز یا بیشتر طول بکشد. به سه دلیل، گلیکوژن برای ورزشکاران استقامتی اهمیت دارد:

فیلم آموزش بیوانرژتیک فعالیت‌ ورزشی

کلیک کنید

• منبع اصلی سوخت: در تمرینات و مسابقات پیشرفته، برای انجام حداکثر توانایی باید از گلیکوژن استفاده کرد. ذخیره کم گلیکوژن در ورزشکاران می‌تواند باعث خستگی و حتی پروتئین‌سوزی و کاهش عضلات شود. این یکی از دلایلی است که دسترسی کم به گلیکوژن، به مرور زمان باعث کاهش عملکرد و حتی سندرم تمرین بیش از حد می‌شود.
• بهبود آسیب‌های عضلانی: گلیکوژن به عضلات کمک می‌کند تا ترمیم شوند و پس از ورزشی با شدت زیاد، از سوخت و ساز پروتئین عضله برای تأمین انرژی جلوگیری می‌کند. با پر کردن مجدد ذخایر گلیکوژن می‌توان عضلات را حفظ و بهبودی را تسریع کرد. افزایش منابع گلیکوژن به آمادگی سریع‌تر بدن و عضلات هم کمک می‌کند.
• بهبود انجام تمرینات در حالت تخلیه گلیکوژن: تمرین در حالت تخلیه گلیکوژن می‌تواند کارایی انجام تمرینات هوازی را بهبود دهد. در حالی که بدن به طور کلی برای عملکرد در سطح بالا به گلیکوژن نیاز دارد اما می‌توان برای استفاده استراتژیک از ذخایر گلیکوژن آموزش دید. دویدن در حالت تخلیه ذخایر گلیکوژن، می‌تواند مارکرها را برای سازگاری با تمرینات تقویت کرده و چربی‌سوزی را افزایش دهد.
  برخی از ورزشکاران برای افزایش این اثر، از رژیم کم چربی (LCHF) و کم کربوهیدرات استفاده می‌کنند تا چربی‌ها با سرعت به نسبت بالایی بسوزند. با این حال، رژیم‌های غذایی LCHF پیچیده و بحث برانگیز هستند و باید فقط برای اهداف آموزشی و هنگام آمادگی برای مسابقات، با شدت کم و زیر نظر یک متخصص انجام شوند.

تخلیه و پایداری گلیکوژن هنگام ورزش

ورزشکاران مسافت‌های طولانی مانند دو و میدانی ماراتن، اسکی بازان و دوچرخه سواران به طور معمول دچار کاهش گلیکوژن می‌شوند، وقتی تقریباً تمام ذخایر گلیکوژنِ ورزشکار پس از مدت‌ها ورزش و بدون مصرف کربوهیدرات کافی تخلیه شود، این پدیده اصطلاحا «برخورد به دیوار» نام دارد. برای جلوگیری از این پدیده، با سه روش از تخلیه گلیکوژن، جلوگیری می‌شود:

• حین ورزش، کربوهیدرات‌هایی با بالاترین میزان ممکن تبدیل به گلوکز خون (شاخص گلیسمی بالا) به طور مداوم بلعیده می‌شوند. بهترین نتیجه ممکن در این استراتژی، جایگزین کردن حدود 35 درصد از گلوکز مصرف شده، در ضربان قلب بالاتر از حدود 80 درصد از حداکثر ضربان است.
• از طریق تمرین استقامتی و رژیم‌های تخصصی (به عنوان مثال روزه‌داری، تمرین استقامتی با شدت کم)، بدن می‌تواند فیبرهای عضلانی نوع I را برای بهبود بهره‌وری در مصرف سوخت و همچنین ظرفیت کاری برای افزایش درصد اسیدهای چرب مورد استفاده به عنوان سوخت، بهبود ببخشد تا در مصرف کربوهیدرات از همه منابع موجود، صرفه‌جویی شود و در صورت تخلیه کربوهیدرات بدن سوخت خود را به سرعت از چربی تأمین کند.
• با مصرف مقادیر زیادی کربوهیدرات پس از تخلیه ذخایر گلیکوژن، در نتیجه ورزش یا رژیم غذایی، بدن می‌تواند ظرفیت ذخیره‌سازی ذخایر گلیکوژنِ داخل عضلانی را افزایش دهد. این فرآیند به عنوان بارگذاری کربوهیدرات شناخته می‌شود. به طور کلی، شاخص گلیسمی منبع کربوهیدرات مهم نیست زیرا حساسیت به انسولین عضلانی در نتیجه کاهش موقتی گلیکوژن، افزایش می‌یابد.

هنگام کمبود گلیکوژن، ورزشکاران اغلب خستگی مفرط را تا حدی تجربه می‌کنند که بهبود آن دشوار است. بهترین دوچرخه سواران حرفه‌ای جهان به طور معمول یک مسابقه 4 تا 5 ساعته را درست در حد کاهش گلیکوژن، با استفاده از سه استراتژی اول به پایان می‌رسانند. اگر ورزشکاران هر دو کربوهیدرات و کافئین را به دنبال ورزش‌های قدرتی مصرف کنند، ذخایر گلیکوژنِ آن‌ها با سرعت بیشتری تجدید می‌شود.