攝入的糖類除滿足供能外，大部分轉(zhuǎn)變成脂肪（甘油三酯）儲(chǔ)存于脂肪組織，還有一小部分用于合成糖原。糖原是葡萄糖的多聚體，是動(dòng)物體內(nèi)糖的儲(chǔ)存形式。糖原分子呈多分支狀，其葡萄糖單位主要以α-1，4-糖苷鍵連接，只有分支點(diǎn)形成α-1，6-糖苷鍵。糖原具有一個(gè)還原性末端和多個(gè)非還原性末端。在糖原的合成與分解過程中，葡萄糖單位的增減均發(fā)生在非還原性末端。
糖原作為葡萄糖儲(chǔ)備的意義在于，當(dāng)機(jī)體需要葡萄糖時(shí)可以迅速動(dòng)用糖原以供急需，而動(dòng)用脂肪的速度則較慢。糖原主要儲(chǔ)存于肝和骨骼肌，但肝糖原和肌糖原的生理意義不同。肝糖原是血糖的重要來源，這對(duì)于一些依賴葡萄糖供能的組織（如腦、紅細(xì)胞等）尤為重要。而肌糖原則主要為肌收縮提供急需的能量。
一、糖原合成是將葡萄糖連接成多聚體
糖原合成是指由葡萄糖生成糖原的過程，主要發(fā)生在肝和骨骼肌。糖原合成時(shí)，葡萄糖先活化，再連接形成直鏈和支鏈。
（一）葡萄糖活化為尿苷二磷酸葡萄糖
糖原合成起始于糖酵解的中間產(chǎn)物葡糖-6-磷酸。首先，葡糖-6-磷酸變構(gòu)生成葡糖-1-磷酸。后者再與尿苷三磷酸（UTP）反應(yīng)生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）和焦磷酸。此反應(yīng)可逆，由UDPG焦磷酸化酶（UDPG）催化。但由于焦磷酸在體內(nèi)迅速被焦磷酸酶水解，故實(shí)際上反應(yīng)向生成UDPG的方向進(jìn)行。體內(nèi)許多合成代謝反應(yīng)都伴有副產(chǎn)物焦磷酸生成，因此焦磷酸水解有利于合成代謝的進(jìn)行。UDPG可看作“活性葡萄糖”，在體內(nèi)充當(dāng)葡萄糖供體。
（二）糖原合成的起始需要引物
如果細(xì)胞內(nèi)糖原已耗盡而需要重新合成時(shí)，不能以游離葡萄糖作為起始分子來接受UDPG的葡萄糖基，只能以糖原蛋白作為最初的葡萄糖基受體而起始糖原的合成。糖原蛋白是一種蛋白酪氨酸-葡糖基轉(zhuǎn)移酶，可對(duì)自身進(jìn)行糖基化修飾，將UDPG分子的葡萄糖基連接到自身的酪氨酸殘基上。隨后，糖原蛋白繼續(xù)催化糖鏈初步延伸，由第一個(gè)結(jié)合到糖原蛋白上的葡萄糖分子接受下一個(gè)UDPG的葡萄糖基，形成第一個(gè)α-1，4-糖苷鍵。這樣的延伸反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，直至形成與糖原蛋白相連接的八糖單位，即成為糖原合成的初始引物。
(三)UDPG中的葡萄糖基連接形成直鏈和支鏈
在糖原引物基礎(chǔ)上的糖鏈進(jìn)一步延伸則由糖原合酶所催化。在糖原合酶作用下，UDPG的葡萄糖基轉(zhuǎn)移到糖原引物的非還原性末端，形成α-1，4-糖苷鍵，此反應(yīng)不可逆。糖原合酶是糖原合成過程中的關(guān)鍵酶，它只能使糖鏈不斷延長(zhǎng)，但不能形成分支。
當(dāng)糖鏈長(zhǎng)度達(dá)到至少11個(gè)葡萄糖基時(shí)，分支酶從該糖鏈的非還原末端將約6-7個(gè)葡萄糖基轉(zhuǎn)移到鄰近的糖鏈上，以α-1，6-糖苷鍵相接，從而形成分支。分支的形成不僅可增加糖原的水溶性，更重要的是可增加非還原性末端的數(shù)量，以便磷酸化酶迅速分解糖原。
(四) 糖原合成是耗能過程
葡萄糖單位活化時(shí)，生成葡糖-6-磷酸需消耗1個(gè)ATP，焦磷酸水解成2分子磷酸時(shí)又損失1個(gè)高能磷酸鍵，共消耗2個(gè)ATP。糖原合酶催化反應(yīng)時(shí)，生成的UDP必須利用ATP重新生成UTP，即ATP的高能磷酸鍵轉(zhuǎn)移給了UTP，故并無高能磷酸鍵的損失。綜上，糖原分子每延長(zhǎng)1個(gè)葡萄糖基，需消耗2個(gè)ATP。
二、糖原分解是從非還原性末端進(jìn)行磷酸解
糖原分解是指糖原分解為葡糖-1-磷酸而被機(jī)體利用的過程，它不是糖原合成的逆反應(yīng)。糖原首先解聚為葡萄糖單體，以葡糖-1-磷酸為主，也有少量游離葡萄糖。肝糖原和肌糖原的解聚過程一樣，釋出的主要產(chǎn)物葡糖-1-磷酸可轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸?6-磷酸，但肝和肌組織對(duì)葡糖-6-磷酸的后續(xù)利用則完全不同。
（一）糖原磷酸化酶分解α-1，4-糖苷鍵釋出葡糖-1-磷酸
糖原分解的第一步是從糖鏈的非還原性末端開始，由糖原磷酸化酶催化分解1個(gè)葡萄糖基，生成葡糖-1-磷酸。此反應(yīng)是磷酸解，自由能變動(dòng)較小，理論上雖為可逆反應(yīng)，但由于細(xì)胞內(nèi)無機(jī)磷酸鹽的濃度約為葡糖-1-磷酸的100多倍，所以實(shí)際上反應(yīng)只能向糖原分解方向進(jìn)行。糖原磷酸化酶是糖原分解過程中的關(guān)鍵酶，它只能作用于α-1，4-糖苷鍵，而對(duì)分支處的α-1，6-糖苷鍵無作用。
（二）脫支酶分解α-1，6-糖苷鍵釋出游離葡萄糖
當(dāng)α-1，4-糖苷鍵逐個(gè)分解，使糖鏈縮短至距分支點(diǎn)約4個(gè)葡萄糖基時(shí)，由于空間位阻，糖原磷酸化酶不能再發(fā)揮作用。這時(shí)由葡聚糖轉(zhuǎn)移酶催化，將3個(gè)葡萄糖基轉(zhuǎn)移到鄰近糖鏈的末端，仍以α-1，4-糖苷鍵連接。分支處僅剩下1個(gè)葡萄糖基以α-1，6-糖苷鍵連接，在α-1，6-葡糖苷酶作用下水解成游離葡萄糖。葡聚糖轉(zhuǎn)移酶和α-1，6-葡糖苷酶是同一酶的兩種活性，合稱脫支酶。除去分支后，糖原磷酸化酶即可繼續(xù)發(fā)揮作用。
（三）肝利用葡糖-6-磷酸生成葡萄糖而肌不能
肝糖原和肌糖原分解的起始階段一樣，主要釋出葡糖-1-磷酸，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸?6-磷酸，但葡糖-6-磷酸在肝和肌內(nèi)的代謝去向差異顯著。肝內(nèi)存在葡糖-6-磷酸酶，可將葡糖-6-磷酸水解成葡萄糖釋放入血，因此饑餓時(shí)肝糖原能夠補(bǔ)充血糖，維持血糖穩(wěn)定。而肌組織中缺乏此酶，葡糖-6-磷酸只能進(jìn)行糖酵解，故肌糖原不能分解成葡萄糖，只能為肌收縮提供能量。需要注意的是，從葡糖-6-磷酸進(jìn)入糖酵解直接繞過了葡萄糖磷酸化的起始步驟，因此肌糖原中的1分子葡萄糖基進(jìn)行無氧氧化凈產(chǎn)生3分子ATP。
三、糖原合成與分解的關(guān)鍵酶活性調(diào)節(jié)彼此相反
糖原合成與糖原分解是兩條代謝途徑，分別進(jìn)行調(diào)控，并且相互制約。當(dāng)糖原合成活躍時(shí)，糖原分解被抑制;反之亦然。這種合成與分解代謝通過兩條途徑進(jìn)行獨(dú)立的、反向的精細(xì)調(diào)節(jié)，是生物體內(nèi)存在的普遍規(guī)律。
糖原合酶與糖原磷酸化酶均作用于α-1，4-糖苷鍵，分別是糖原合成與分解途徑中的關(guān)鍵酶，它們的酶活性主要受磷酸化修飾和激素的調(diào)節(jié)，還可受別構(gòu)調(diào)節(jié)。肝和肌內(nèi)糖原代謝調(diào)節(jié)的特點(diǎn)有所不同，與各自的代謝功能相適應(yīng)。
（一）磷酸化修飾對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵酶進(jìn)行反向調(diào)節(jié)
糖原磷酸化酶與糖原合酶的活性均受磷酸化和去磷酸化的可逆調(diào)節(jié)，它們進(jìn)行修飾的方式相似，但效果相反。例如，同樣經(jīng)磷酸化修飾后，糖原磷酸化酶被激活而糖原合酶被抑制，此時(shí)只有糖原分解活躍，這樣就避免了分解與合成同時(shí)進(jìn)行而造成無效循環(huán)。
1、磷酸化的糖原磷酸化酶是活性形式 糖原磷酸化酶有磷酸化（a型，活性型）和去磷酸化（b型、無活性）兩種形式。當(dāng)它的第14位絲氨酸殘基被磷酸化時(shí)，原來活性很低的磷酸化酶b就轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚詮?qiáng)的磷酸化酶a。這種磷酸化過程由磷酸化酶b激酶催化;而去磷酸化過程則由磷蛋白磷酸酶-1催化。
2、去磷酸化的糖原合酶是活性形式 糖原合酶亦分為磷酸化（b型、無活性）和去磷酸化（a型，活性型）兩種形式。去磷酸化的糖原合酶a有活性，其去磷酸化反應(yīng)也由磷蛋白磷酸酶-1所催化。而磷酸化的糖原合酶b則失去活性，其磷酸化過程可由多種激酶所催化，如蛋白激酶A可將糖原合酶的多個(gè)絲氨酸殘基磷酸化，磷酸化酶b激酶、糖原合酶激酶等也可使糖原合酶發(fā)生不同位點(diǎn)的磷酸化修飾。
（二）激素反向調(diào)節(jié)糖原的合成與分解
糖原磷酸化酶與糖原合酶的磷酸化和去磷酸化修飾，歸根結(jié)底，是由激素所引發(fā)的一系列連鎖酶促反應(yīng)（稱為級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)）中的一環(huán)，這種激素調(diào)節(jié)作用具有快速放大效應(yīng)。肝糖原分解與合成的生理性調(diào)節(jié)主要靠胰高血糖素和胰島素，而肌糖原則主要靠腎上腺素和胰島素。
1.肝糖原分解主要受胰高血糖素調(diào)節(jié) 肝糖原的功能是短期饑餓時(shí)補(bǔ)充血糖，因此其分解主要受胰高血糖素調(diào)節(jié)。在肝內(nèi)，胰高血糖素通過一系列反應(yīng)促進(jìn)糖原分解:①活化腺苷酸環(huán)化酶，催化ATP生成cAMP。②當(dāng)cAMP存在時(shí)，蛋白激酶A被激活，但其活化時(shí)間較短。cAMP在體內(nèi)很快被磷酸二酯酶水解成AMP，蛋白激酶A隨即轉(zhuǎn)變?yōu)闊o活性形式。③活化的蛋白激酶A對(duì)磷酸化酶b激酶進(jìn)行磷酸化修飾，使之活化。磷酸化酶b激酶也有磷酸化（活性型）和去磷酸化（無活性）兩種形式。蛋白激酶A將其轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄幕钚孕问剑欢椎鞍琢姿崦?1使之去磷酸而失活。④在活化的磷酸化酶b激酶作用下，糖原磷酸化酶發(fā)生磷酸化修飾而激活，最終結(jié)果是促進(jìn)糖原分解。另一方面，由于蛋白激酶A也可磷酸化糖原合酶，將其失活，因此同時(shí)抑制了糖原合成。
2.肌糖原分解主要受腎上腺素調(diào)節(jié) 肌糖原不能補(bǔ)充血糖，而是為骨骼肌收縮緊急供能，最終分解生成乳酸。促進(jìn)肌糖原分解的主要激素不是胰高血糖素，而是腎上腺素。腎上腺素引起糖原分解的級(jí)聯(lián)反應(yīng)系統(tǒng)與胰高血糖素類似，同樣通過對(duì)糖原磷酸化酶和糖原合酶的磷酸化修飾，產(chǎn)生促進(jìn)糖原分解、抑制糖原合成的效果。
3.糖原合成主要受胰島素調(diào)節(jié) 飽食時(shí)胰島素分泌，促進(jìn)肝糖原和肌糖原合成。其作用機(jī)制較復(fù)雜，可部分解釋為激活磷蛋白磷酸酶-1而使糖原合酶脫去磷酸，或抑制糖原合酶激酶而阻止對(duì)糖原合酶的磷酸化。磷蛋白磷酸酶-1催化廣泛的去磷酸反應(yīng)，其底物不僅有糖原合酶，還有糖原磷酸化酶b激酶、糖原磷酸化酶等。脫去磷酸后，糖原合酶活化，糖原磷酸化酶b激酶和糖原磷酸化酶失活，從而控制糖原代謝僅向合成方向進(jìn)行。
磷蛋白磷酸酶-1的活性也受到精細(xì)的負(fù)調(diào)節(jié)，可被磷蛋白磷酸酶抑制劑所抑制。磷蛋白磷酸酶抑制劑是一種胞內(nèi)蛋白質(zhì)，其磷酸化形式為活性形式，磷酸化活化過程也由蛋白激酶A所催化。由此看出，蛋白激酶A可以從不同層次參與糖原代謝關(guān)鍵酶的化學(xué)修飾調(diào)節(jié):①直接調(diào)節(jié)酶:通過磷酸化糖原合酶、糖原磷酸化酶b激酶，直接阻止糖原合成、激活糖原分解;②間接調(diào)節(jié)抑制劑:通過磷酸化磷蛋白磷酸酶抑制劑，間接阻止糖原合酶、糖原磷酸化酶b激酶和糖原磷酸化酶的去磷酸化，以避免糖原合成被激活，同時(shí)避免糖原分解的活躍狀態(tài)被抑制。
（三）肝糖原和肌糖原分解受不同的別構(gòu)劑調(diào)節(jié)
糖原分解與合成的關(guān)鍵酶還受到別構(gòu)調(diào)節(jié)。葡糖-6-磷酸可別構(gòu)激活糖原合酶，促進(jìn)肝糖原和肌糖原合成。但肝和肌內(nèi)的糖原磷酸化酶則分別由不同的別構(gòu)劑調(diào)節(jié)，這是與肝糖原和肌糖原的功能相適應(yīng)的。
1.肝糖原磷酸化酶主要受葡萄糖別構(gòu)抑制 葡萄糖是肝糖原磷酸化酶最主要的別構(gòu)抑制劑，可避免在血糖充足時(shí)分解肝糖原。當(dāng)血糖升高時(shí)，葡萄糖進(jìn)入肝細(xì)胞，與糖原磷酸化酶a的別構(gòu)部位相結(jié)合，引起酶構(gòu)象改變而暴露出磷酸化的第14位絲氨酸，此時(shí)磷蛋白磷酸酶-1使之去磷酸化轉(zhuǎn)變成磷酸化酶b而失活，抑制肝糖原分解。
此外，果糖-1，6-二磷酸和果糖-1-磷酸也可別構(gòu)抑制肝糖原磷酸化酶，這就解釋了當(dāng)體內(nèi)缺乏果糖-1-磷酸醛縮酶或者果糖二磷酸酶-1時(shí)，即使肝糖原儲(chǔ)備豐富，仍會(huì)發(fā)生低血糖的原因。前者是產(chǎn)生過量的果糖-1-磷酸所致，后者則是由果糖-1，6-二磷酸堆積所致。
2.肌糖原分解主要受能量和Ca2+的別構(gòu)調(diào)節(jié) 骨骼肌內(nèi)糖原分解的別構(gòu)調(diào)節(jié)主要有兩種機(jī)制。一種調(diào)節(jié)機(jī)制取決于細(xì)胞內(nèi)的能量狀態(tài)，由AMP、ATP及葡糖-6-磷酸別構(gòu)調(diào)節(jié)糖原磷酸化酶。AMP使之激活;ATP、葡糖-6-磷酸則抑制其活性。當(dāng)肌收縮時(shí)，ATP被消耗，葡糖-6-磷酸水平亦低，而AMP濃度升高，可激活糖原磷酸化酶，加速糖原分解。當(dāng)靜息時(shí)，肌內(nèi)ATP和葡糖-6-磷酸水平升高，可抑制糖原磷酸化酶，有利于糖原合成。
另一種調(diào)節(jié)機(jī)制與肌收縮引起Ca2+，升高有關(guān)，由Ca2+別構(gòu)激活磷酸化酶b激酶。當(dāng)神經(jīng)沖動(dòng)引起肌收縮時(shí)，肌細(xì)胞中內(nèi)質(zhì)網(wǎng)儲(chǔ)存的Ca2+大量釋放入細(xì)胞質(zhì)，Ca2+與磷酸化酶b激酶的別構(gòu)部位（希臘字母亞基 ）結(jié)合而使之激活，進(jìn)而催化磷酸化酶b磷酸化，成為活化的磷酸化酶a，促進(jìn)肌糖原分解，為肌收縮供能。
四、糖原貯積癥由先天性酶缺陷所致
糖原貯積癥是一類遺傳性代謝病，病人某些組織器官中出現(xiàn)大量糖原堆積的現(xiàn)象，其病因是先天性缺乏糖原代謝的相關(guān)酶類。根據(jù)所缺陷的酶種類不同，受累的器官部位也不同，糖原的結(jié)構(gòu)亦有差異，對(duì)健康的危害程度也不同。例如，缺乏肝糖原磷酸化酶時(shí)，嬰兒仍可成長(zhǎng)，肝糖原沉積導(dǎo)致肝大，并無嚴(yán)重后果。若葡糖-6-磷酸酶缺乏，則不能通過肝糖原和非糖物質(zhì)補(bǔ)充血糖，后果嚴(yán)重。溶酶體的α-葡糖苷酶可分解α-1，4-糖苷鍵和α-1，6-糖苷鍵，缺乏此酶使所有組織受損，病人常因心肌受損而猝死。
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