糖原（glycogen）是以D-葡萄糖为基本单位聚合而成的多分支多糖，其结构与支链淀粉相似。在糖原分子中，相邻的葡萄糖残基之间以α-1，4-糖苷键（占糖基连接键的93%）相连形成7～12个葡萄糖单位构成的直链，两直链间又以α-1，6-糖苷键（占7%）相连而形成分支。整个糖原分子呈树枝状，其相对分子质量在100万～1000万。每个糖原分子只有一个末端葡萄糖残基保留有半缩醛羟基而具有还原性，称为还原性末端；其他的末端葡萄糖残基都没有半缩醛羟基，因而不具有还原性，故称为非还原性末端。糖原在体内的合成与分解反应均从非还原端开始。

人体摄入的糖类大部分转变成脂肪（三酰甘油）贮存于脂肪组织内，只有小部分以糖原形式贮存，主要存在于肝脏和肌肉中。肌糖原主要供肌收缩的急需，肝糖原用于维持血糖相对恒定。

葡萄糖（还有少量果糖和半乳糖）在肝脏、肌肉等组织中可以合成糖原。由葡萄糖合成糖原的过程称为糖原合成（glycogenesis）。糖原合成具有贮存葡萄糖和调节血糖浓度的作用。反应过程如下：

葡萄糖被肝细胞或肌肉细胞摄取后，首先在己糖激酶（肝内为葡糖激酶）的催化下磷酸化生成6-磷酸葡萄糖。此步反应与糖酵解的起始反应相同。

6-磷酸葡萄糖在葡萄糖磷酸变位酶催化下，磷酸基从C6位移至C1位而转变为1-磷酸葡萄糖，该反应可逆。磷酸基从6位移至1位为葡萄糖分子间形成α-1，4-糖苷键作准备。

由二磷酸尿苷葡萄糖焦磷酸化酶（UDPG焦磷酸化酶）催化1-磷酸葡萄糖与UTP反应生成UDPG和焦磷酸。

由于焦磷酸迅速被水解为2分子无机磷酸（Pi），使反应向合成糖原方向进行。UDPG可看作体内的“活性葡萄糖”，在体内充当葡萄糖基供体。

UDPG的葡萄糖基不能直接与游离葡萄糖相连，而只能与糖原引物（primer）相连。糖原引物是细胞内原有的较小糖原分子。在糖原合酶（glycogen synthase）催化下，糖原引物非还原性末端与UDPG反应，UDPG上的葡萄糖基C1与糖原分子非还原末端C4形成α-1，4-糖苷链，使糖原增加1个葡萄糖单位，UDPG是活性葡萄糖基的供体，合成过程需要消耗UTP，故糖原合成是耗能过程，糖原合酶只能生成α-1，4-糖苷键。糖原合酶是糖原合成的关键酶。

上述反应反复进行，可使糖原的糖链不断延长。

糖原合酶的作用只能使糖链不断延长，而不能形成新分支。当糖链长度达到12～18个葡萄糖基时，分支酶（branching enzyme）将6～7个葡萄糖基组成的一段糖链转移到邻近的糖链上，以α-1，6-糖苷键相连而形成新分支（图4-7）。新的分支点与邻近的分支点的距离至少有4个葡萄糖基。分支的不断形成不仅可增加糖原的水溶性，更重要的是可增加非还原端的数目，有利于糖原的合成及分解代谢。分支酶的作用见图4-7。

从葡萄糖合成糖原是耗能的过程。葡萄糖磷酸化时消耗1分子ATP，UDPG的生成再消耗1分子UTP（UDP+ATP→UTP+ADP）。因此，糖原合成时每增加1个葡萄糖基需消耗2分子ATP。

糖原分解（glycogenolysis）是指糖原分解为葡萄糖的过程。其反应步骤如下：

糖原在磷酸化酶（phosphorylase）催化下，由无机磷酸提供磷酸基团生成1-磷酸葡萄糖，该反应不消耗ATP。磷酸化酶是糖原分解过程的关键酶，其辅酶是磷酸吡哆醛。

磷酸葡萄糖变位酶（phosphoglucose mutase）催化1-磷酸葡萄糖C1位的磷酸基团转移到C6位，生成6-磷酸葡萄糖。

在肝和肾细胞的葡萄糖-6-磷酸酶（glucose-6-phosphatase）催化下，6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖，所以肝糖原可直接分解为葡萄糖。由于肌肉中缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，故肌糖原不能完全直接分解为葡萄糖。

当糖原分支上的糖链被磷酸化分解到剩下4个葡萄糖基时，由于位阻效应，磷酸化酶不能继续发挥其作用，这时由葡聚糖转移酶催化糖原分支上近末端侧的3个葡萄糖基转移到主链的非还原端，以α-1，4-糖苷键与糖原主链连接。磷酸化酶可继续发挥其催化作用。转移的结果，支链剩下的最后一个葡萄糖基与主链以α-1，6-糖苷键连接。

在α-1，6-葡萄糖苷酶作用下，将分支点处的α-1，6-糖苷键水解，生成游离的葡萄糖，糖原分子脱去分支（图4-8）。催化葡聚糖转移、连接及α-1，6-葡萄糖苷键水解过程是由同一种酶完成的，可见该酶同时具有葡聚糖转移酶及α-1，6-葡萄糖苷酶催化活性，所以合称脱支酶（debranching enzyme）。在磷酸化酶和脱支酶反复作用下，糖原可迅速地磷酸解和水解。通常所得产物1-磷酸葡萄糖与游离葡萄糖之比为12∶1。

糖原的合成与分解不是简单的可逆反应，而是通过两条途径分别进行的，这样有利于细胞对糖原的合成与分解过程进行精细的调节。糖原合成和糖原分解途径的关键酶分别是糖原合酶和磷酸化酶，这两种酶的快速调节有变构调节和共价修饰调节两种方式。

磷酸化酶的14位丝氨酸残基被磷酸化酶b激酶磷酸化后，活性很低的磷酸化酶（称为磷酸化酶b）就转变为活性很强的磷酸型磷酸化酶（称为磷酸化酶a）。而磷蛋白磷酸酶-1则可使磷酸化酶a去磷酸而失去活性。

磷酸化酶b激酶也通过磷酸化/去磷酸化调节活性。去磷酸的磷酸化酶b激酶没有活性；在依赖cAMP的蛋白激酶A（cAMP-dependent protein kinase，PKA）催化下可转变为磷酸型的活性磷酸化酶b激酶。由磷蛋白磷酸酶-1催化磷酸型的磷酸化酶b激酶去磷酸化。

糖原合酶分为a、b两种形式，糖原合酶a有活性，磷酸化变成糖原合酶b后即失去活性。催化糖原合酶磷酸化主要是PKA。

磷酸型的磷酸化酶、糖原合酶以及磷酸化酶b激酶的去磷酸均由磷蛋白磷酸酶-1催化。此外，细胞内有一种蛋白质，称为磷蛋白磷酸酶抑制剂，其分子内的苏氨酸残基可以被PKA磷酸化而激活，激活的磷蛋白磷酸酶抑制剂结合磷蛋白磷酸酶-1，抑制磷蛋白磷酸酶-1的活性。因此，PKA活性升高时，一方面可促进磷酸化酶b磷酸化生成磷酸化酶a，另一方面又可通过磷蛋白磷酸酶抑制物的激活而抑制磷蛋白磷酸酶-1对磷酸化酶a的去磷酸作用，保持磷酸化酶激活（图4-9）。

磷酸化酶和糖原合酶也受变构效应剂的变构调节。例如，AMP是磷酸化酶的变构激活剂，而6-磷酸葡萄糖和ATP则为磷酸化酶的变构抑制剂；6-磷酸葡萄糖是糖原合酶的变构激活剂。因此，在葡萄糖充足时，可促进糖原合成，抑制糖原分解。

糖原累积症（glycogen storage disease，GSD）是一种遗传性疾病，主要病因为先天性糖原代谢酶缺陷所造成的糖原合成或分解发生障碍，导致糖原在组织器官中堆积而致病。缺陷酶的种类不同，受累器官的不同，糖原的结构亦有差异，对健康或生命的影响程度也不同（表4-2）。受累的器官主要是肝脏，其次是肌肉。临床上以Ⅰ型GSD最为多见，即由于肝或肾中缺乏葡萄糖-6-磷酸酶，致使不能动用糖原维持血糖浓度，可导致低血糖、乳酸血症、酮症、高脂血症等。