糖原是由葡萄糖组成的高度分支的聚合物，是动物体内碳水化合物的主要储存形式之一，也存在于许多微生物中。糖原的合成与分解使细胞能够缓冲葡萄糖供应和能量需求的变化。在哺乳动物中，糖原主要储存于肝脏和骨骼肌，两处的糖原具有不同的生理作用。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
分子结构
糖原主要由通过糖苷键连接的 α-D-葡萄糖残基组成。每条链中，相邻残基通过 α(1→4) 键连接；α(1→6) 键则形成分支点。大约每隔 8–12 个残基就有一个分支，使糖原形成紧凑的结构，并具有众多非还原端，即大多数合成与降解反应发生的链末端。(ncbi.nlm.nih.gov)
糖原与淀粉中的支链组分——支链淀粉相似，但通常链更短，分支也更频繁。这些差异使糖原更容易被代谢酶作用，而不至于堆积形成淀粉所特有的半结晶结构。糖原颗粒还含有参与其合成、降解和调控的相关蛋白质。通常称为 β 颗粒的较小颗粒可聚集成较大的 α 颗粒，这种现象在肝脏中尤为常见。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
众多链末端使多种酶能够同时发挥作用，从而迅速储存或动用葡萄糖残基。因此，糖原并非仅仅是惰性的储存物：其结构有助于决定所储存的碳水化合物能被多高效地利用。(ncbi.nlm.nih.gov)
分布与生理功能
肝脏与骨骼肌
肝糖原有助于维持血糖稳态，尤其是在两餐之间和禁食早期。骨骼肌糖原则主要为肌肉收缩提供能量。按单位组织计算，肝脏的糖原浓度较高；但由于骨骼肌的总质量更大，其糖原储备总量通常更多。(ncbi.nlm.nih.gov)
这种功能差异部分取决于葡萄糖-6-磷酸酶。肝细胞能够将糖原分解产生的葡萄糖-6-磷酸转化为游离葡萄糖，并释放到血液中。骨骼肌缺乏完成这一过程所需的葡萄糖-6-磷酸酶活性，而是在局部利用葡萄糖-6-磷酸，尤其是通过糖酵解生成三磷酸腺苷（ATP）。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
其他组织与生物
心脏、肾脏和大脑中也有少量糖原储备。脑内糖原主要集中在星形胶质细胞中；星形胶质细胞是一类神经胶质细胞，其中的糖原有助于缓冲局部代谢的变化。脑内糖原的分布和调控方式与储量大得多的肝糖原和肌糖原有所不同。(ncbi.nlm.nih.gov)
糖原代谢并不限于动物。许多细菌也以糖原作为碳水化合物储备。两者之间一个重要的生化差异是：细菌合成糖原时通常以 ADP-葡萄糖作为活化的葡萄糖供体，而哺乳动物则使用 UDP-葡萄糖。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
合成
糖原合成涉及一系列相互协调的反应：
- 葡萄糖经磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸。
- 磷酸葡萄糖变位酶将葡萄糖-6-磷酸转化为葡萄糖-1-磷酸。
- UDP-葡萄糖焦磷酸化酶生成 UDP-葡萄糖，后者是活化的葡萄糖供体。
- 糖原合酶将 UDP-葡萄糖中的葡萄糖残基转移到已有的糖链上，形成 α(1→4) 键。
- 分支酶转移一段糖链，形成 α(1→6) 分支点。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
在通常的起始途径中，糖原蛋白将葡萄糖残基连接到自身上，构建一段可供糖原合酶延长的短引物。因此，糖原合成并不只是反复添加游离葡萄糖，而是需要活化底物、糖链延长和分支形成等过程。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
然而，糖原蛋白并非在所有情况下都不可或缺。对糖原蛋白缺失小鼠的实验表明，糖原仍然能够形成，包括肝脏中的 α 颗粒。这些发现说明，糖原蛋白已获证实的引物形成作用，并不等同于它是所有糖原合成过程的绝对必要条件。(sciencedirect.com)
分解
糖原分解主要通过糖原磷酸化酶与糖原脱支酶的协同作用进行。磷酸化酶利用无机磷酸，将残基从以 α(1→4) 键连接的糖链上移除，生成葡萄糖-1-磷酸。该酶无法越过分支点，因此需要脱支酶发挥作用；α(1→6) 键断裂时会释放游离葡萄糖。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
葡萄糖-1-磷酸随后转化为葡萄糖-6-磷酸，使糖原分解与其他代谢途径相衔接。由于大多数残基在释放时已经带有磷酸基团，它们进入糖酵解时可绕过游离葡萄糖所需的、消耗 ATP 的磷酸化步骤。这对肌肉能量代谢尤为重要。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
溶酶体内还存在另一条途径，由酸性 α-葡萄糖苷酶降解糖原。这条途径在生化机制上不同于细胞质内由磷酸化酶介导的分解过程。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
调控
糖原代谢同时受激素信号和细胞内部状态的调节。胰岛素促进糖原储存，增强糖原合酶活性并抑制糖原分解。胰高血糖素刺激肝脏中的糖原分解，而肾上腺素则可刺激肝脏和骨骼肌中的糖原分解。(ncbi.nlm.nih.gov)
调控机制包括酶的可逆磷酸化以及变构效应；后者是指代谢物与酶结合后改变其活性。葡萄糖-6-磷酸可激活糖原合酶，而 AMP 可激活肌肉中的糖原磷酸化酶。这些机制使糖原合成与分解的平衡能够随底物供应情况和细胞能量需求而调整。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
糖原代谢障碍
糖原合成、降解或相关葡萄糖处理过程中的遗传性缺陷可导致糖原贮积病。这些疾病的后果取决于受影响的酶和组织；这一名称并不意味着每一种此类疾病都会造成糖原过度积累。(pubmed.ncbi.nlm.nih.gov)
代表性例子包括：
- **Ⅰ型，又称冯·吉尔克病：**葡萄糖-6-磷酸酶系统的缺陷阻碍游离葡萄糖的生成，导致空腹低血糖以及糖原和脂肪积累，尤以肝脏和肾脏为甚。(medlineplus.gov)
- **Ⅱ型，又称庞贝病：**溶酶体酸性 α-葡萄糖苷酶缺乏，使糖原在溶酶体内积累。(ptacts.uspto.gov)
- **Ⅴ型，又称麦卡德尔病：**肌肉糖原磷酸化酶缺乏，妨碍肌糖原的利用，常引起运动不耐受、肌肉疼痛和痉挛。(medlineplus.gov)
疾病也可能涉及糖原结构的异常，而不仅仅是数量的变化。结构异常的葡萄糖聚合物可能溶解性变差并形成沉积，这凸显了适当的分支程度和分子结构的重要性。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
历史
1857 年 3 月，克洛德·贝尔纳报告从肝组织中分离出糖原。他的研究证实，肝脏中存在一种能够生成葡萄糖的储备物质，推动了人们对动物碳水化合物代谢认识的转变。(pmc.ncbi.nlm.nih.gov)
20 世纪，卡尔·科里和格蒂·科里阐明了糖原代谢的主要步骤，包括葡萄糖-1-磷酸的生成和糖原的酶促转化。他们因发现糖原催化转化的过程，共同分享了 1947 年诺贝尔生理学或医学奖的部分奖项。(nobelprize.org)
参考来源
- Glycogen metabolism and structure: A reviewpubmed.ncbi.nlm.nih.gov
- Glycogen metabolism in humanspmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Biochemistry, Glycogenncbi.nlm.nih.gov
- Glycogen and its metabolism: some new developments and old themespmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Carbohydrate Metabolismpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Brain glycogen structure and its associated proteins: past, present and futurepmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Glycogen storage disease type I: MedlinePlus Geneticsmedlineplus.gov
- Glycogen storage disease type IIptacts.uspto.gov
- Glycogen storage disease type V: MedlinePlus Geneticsmedlineplus.gov
- Claude Bernard’s route to the isolation of glycogen: the journey that changed scientific views on the physiological role of the liver and animal metabolismpmc.ncbi.nlm.nih.gov
- Gerty Cori – Factsnobelprize.org