糖原代謝及其調(diào)控實用教案

1、1G15.15Structure of Glycogen Phosphorylasemonomer (842 AA)dimer別構(gòu)劑別構(gòu)劑結(jié)合點結(jié)合點與另一亞基的別與另一亞基的別構(gòu)部位接觸構(gòu)部位接觸(jich)糖原糖原(tn yun)顆顆粒結(jié)合位粒結(jié)合位點點催化催化部位部位輔基磷酸吡哆醛輔基磷酸吡哆醛(PLP)共價共價結(jié)合于結(jié)合于Lys680，其磷?；淞柞；詮V義酸以廣義酸-堿催化堿催化(cu hu)方式促進方式促進Pi攻擊攻擊 (14)糖糖苷鍵苷鍵 (cf. Fig. 13-5)PLP磷酸化位點：磷酸化位點：高活性高活性a型型 磷酸化磷酸化低活性低活性b型型 去磷酸化去磷酸化自學(xué)自學(xué)第1

2、頁/共26頁第一頁，共26頁。2- G6P去路去路(ql) 肝、腎細胞中水解成肝、腎細胞中水解成Glc 腦、肌細胞中直接進入酵解腦、肌細胞中直接進入酵解 (without G6Pase) - 糖原顆粒不會被完全分解，糖原顆粒不會被完全分解， 一般是分支減少一般是分支減少/分子變小分子變小 糖原糖原(tn yun)脫分支脫分支G1Pphospho-glucomutaseactivity 1= 糖基糖基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶activity 2= ( 16)糖苷糖苷酶酶15-4G6P- Product of glycogen degradation = G1P (85%) & free Glc (1

3、5%)- Debranching enzyme = bifunctional enzyme (as PFK-2)磷酸磷酸(ln sun)葡糖葡糖變位酶變位酶脫脫支支酶酶第2頁/共26頁第二頁，共26頁。315-5 磷酸磷酸(ln sun)葡糖變位酶作用葡糖變位酶作用機制機制- 該酶需以活性位點的該酶需以活性位點的Ser 殘基已被磷酸化的形式殘基已被磷酸化的形式(xngsh) 參與反應(yīng)參與反應(yīng)- 先由酶將其磷?；D(zhuǎn)移先由酶將其磷酰基轉(zhuǎn)移(zhuny) 給給G1P而生成而生成G-1,6-BP- 再由再由G-1,6-BP將其將其C1位位 磷?；D(zhuǎn)移給酶并釋出磷酰基轉(zhuǎn)移給酶并釋出 G6P(cf. ph

4、osphoglycerate mutase with His in Glycolosis )自學(xué)自學(xué)(cf. Fig. 13-7)第3頁/共26頁第三頁，共26頁。415-6 肝糖元降解肝糖元降解(jin ji)可以可以補充血糖補充血糖內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔G6P酶僅存在于肝臟和腎臟，為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜酶僅存在于肝臟和腎臟，為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的整合蛋白上的整合蛋白(可能可能(knng)有九個跨膜有九個跨膜螺旋區(qū)段螺旋區(qū)段)，活性點位于腔內(nèi)側(cè)，活性點位于腔內(nèi)側(cè)(why?)毛毛細細血血管管(mo x xu un)Glc質(zhì)膜載體質(zhì)膜載體T1/G6P酶酶的任一遺傳的任一遺傳缺失均將導(dǎo)致糖原代缺失均將導(dǎo)致糖原代謝紊亂并最終

5、引發(fā)謝紊亂并最終引發(fā)Ia型糖原貯積病型糖原貯積病自學(xué)自學(xué)第4頁/共26頁第四頁，共26頁。5- High Pi in cell favors glycogen breakdown & prevents from glycogen synthesis in vivo.- Needs another way to activate Glc for transferring to glycogen chain.H13.4磷酸磷酸(ln sun)葡糖變位酶葡糖變位酶UDP-Glc焦磷酸化酶焦磷酸化酶2. 糖原(tn yun)合成糖原糖原(tn yun)合酶合酶糖原代謝中糖原代謝中Glc激活激活

6、方式不同：方式不同： - 降解降解時磷酸解成時磷酸解成G1P - 合成合成時核苷酰化成時核苷?；蒛DP-GlcLuis Leloir1906-1987 1970 NP in Chem.UDP-Glc much better leaving group第5頁/共26頁第五頁，共26頁。6- 核苷二磷酸糖在寡糖和多糖核苷二磷酸糖在寡糖和多糖 的生物合成的生物合成(hchng)中作為中作為糖基供體糖基供體 - UDP-Glc for glycogen synthesis in animals - ADP-Glc for starch synthesis in plants and glycogen

7、 synthesis in bacteria= O on the sugar phosphate attacking nucleophilicly P of NTP and displacing PPi, which hydrolysis pulling the reaction forward and irreversibly15-7 核苷二磷酸糖核苷二磷酸糖/糖核苷酸的形成糖核苷酸的形成(xngchng)核苷二磷酸糖核苷二磷酸糖焦磷酸化酶焦磷酸化酶(無機無機(wj)焦焦磷酸酶磷酸酶Go = -2027 kJ/molGo 0 kJ/mol自學(xué)自學(xué)第6頁/共26頁第六頁，共26頁。715-8

8、Glycogen synthesis= glycogen chain elongated by glycogen synthasetransferring the Glc residue from UDP-Glc to the nonreducing end of a glycogen branch to make a new ( 14) linkagedirectly adding to a chain like this, or needing a primer with at least 8/6 Glc residues糖原合酶不能從頭開始而將兩個游離糖原合酶不能從頭開始而將兩個游離(y

9、ul)的的UDP-Glc直接連接起來直接連接起來Go = -13.4 kJ/mol第7頁/共26頁第七頁，共26頁。815-9 Branch synthesis in glycogen糖原糖原(tn yun)分支酶分支酶糖原分支酶從一段至少有糖原分支酶從一段至少有11 Glc殘基的分支殘基的分支上轉(zhuǎn)移上轉(zhuǎn)移67個殘基給該分支或鄰近個殘基給該分支或鄰近(ln jn)分分支還原端某個殘基的支還原端某個殘基的C6上以形成新的分支上以形成新的分支斷裂斷裂(dun li)(14)鍵鍵形成形成( 16)鍵鍵 糖原分支的生物學(xué)意義糖原分支的生物學(xué)意義 - 增加糖原的可溶性增加糖原的可溶性 - 增加非還原端數(shù)

10、量增加非還原端數(shù)量=第8頁/共26頁第八頁，共26頁。9- 除了活化底物除了活化底物(d w)是是ADP-Glc之之 外，合成機制與糖原的類似外，合成機制與糖原的類似20-16(3rd)ADP-Glc焦磷酸化酶焦磷酸化酶 Starch synthesis淀粉淀粉(dinfn)合酶合酶自學(xué)自學(xué)(zxu)第9頁/共26頁第九頁，共26頁。10 由糖原生成由糖原生成(起始起始(q sh)蛋白開始的糖原顆粒形成蛋白開始的糖原顆粒形成20-14= 引發(fā)引發(fā)(yn f)蛋白蛋白+葡糖基葡糖基轉(zhuǎn)移酶轉(zhuǎn)移酶葡糖葡糖(p tn)基基轉(zhuǎn)移活性轉(zhuǎn)移活性轉(zhuǎn)移酶與糖轉(zhuǎn)移酶與糖原合酶結(jié)合原合酶結(jié)合糖原合酶活性糖原合酶活性

11、合酶與分合酶與分支酶活性支酶活性Glycogen core葡糖基延長活性葡糖基延長活性自學(xué)自學(xué)第10頁/共26頁第十頁，共26頁。1115-11在葡糖基轉(zhuǎn)移酶活性作用在葡糖基轉(zhuǎn)移酶活性作用(zuyng)下，下，Tyr194-OH親核攻擊親核攻擊UDP-Glc的的C1而而生成糖基化的生成糖基化的Tyr (非還原非還原末端末端)非還原末端非還原末端Glc的的C4-OH對對另一另一UDP-Glc親核攻擊以形親核攻擊以形成成(14)糖苷鍵糖苷鍵達到達到8個殘基后由糖原合酶個殘基后由糖原合酶繼續(xù)延長及分支繼續(xù)延長及分支 糖原生成糖原生成(起始起始(q sh)蛋白反蛋白反應(yīng)機制應(yīng)機制-自學(xué)自學(xué)(zxu)第

12、11頁/共26頁第十一頁，共26頁。1215-10 Muscle glycogenin (dimer)UDP-Glc, bound to Mn2+ through its phosphatesTyr194Asp162本單體本單體Asp162先親核攻擊先親核攻擊(gngj)形成過形成過渡態(tài)中間物渡態(tài)中間物另一單體另一單體Tyr194再親再親核攻擊核攻擊(gngj)完成反完成反應(yīng)應(yīng)用作用作e對受體以穩(wěn)定對受體以穩(wěn)定(wndng)離去基團離去基團UDP自學(xué)自學(xué)第12頁/共26頁第十二頁，共26頁。13小結(jié)：糖原小結(jié)：糖原(tn yun)代謝代謝 糖原糖原(tn yun)以顆粒形式儲存于肌肉和肝臟，顆

13、粒中還含有以顆粒形式儲存于肌肉和肝臟，顆粒中還含有 糖原糖原(tn yun)代謝及調(diào)節(jié)的各種酶代謝及調(diào)節(jié)的各種酶 糖原磷酸化酶催化糖原鏈非還原端殘基磷酸解斷裂糖原磷酸化酶催化糖原鏈非還原端殘基磷酸解斷裂 ( 14)鍵而生成鍵而生成G1P，去分支，去分支(fnzh)酶將分支酶將分支(fnzh)轉(zhuǎn)移到主鏈轉(zhuǎn)移到主鏈 并以游離并以游離Glc形式釋出形式釋出( 16)分支分支(fnzh)點殘基點殘基 磷酸葡糖變位酶磷酸葡糖變位酶催化催化G1P和和G6P相互轉(zhuǎn)化，后者在相互轉(zhuǎn)化，后者在 肌細胞肌細胞中可直接進入酵解，或在中可直接進入酵解，或在肝臟肝臟中被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的中被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的 G6P酶水解成酶水解成Glc

14、后釋出以補充血糖后釋出以補充血糖 在在糖原合酶糖原合酶催化下，催化下，UDP-Glc將糖基轉(zhuǎn)移到糖原鏈非將糖基轉(zhuǎn)移到糖原鏈非 還原端上，還原端上，分支酶分支酶則可在分支點處形成則可在分支點處形成( 16)連接連接 新糖原合成起始于新糖原合成起始于UDP-Glc的葡糖基與的葡糖基與糖原生成起始糖原生成起始 蛋白蛋白的的Tyr殘基間糖苷鍵的自我催化形成，隨后連續(xù)殘基間糖苷鍵的自我催化形成，隨后連續(xù) 添加添加7 Glc殘基形成引物，后者再由糖原合酶催化延長殘基形成引物，后者再由糖原合酶催化延長LW-2第13頁/共26頁第十三頁，共26頁。1415-13 酶活性具有多種調(diào)節(jié)方式酶活性具有多種調(diào)節(jié)方式(

15、fngsh) - 增減酶分子數(shù)量增減酶分子數(shù)量 - 改變酶分子活力改變酶分子活力3. 糖原降解與合成(hchng)的協(xié)同調(diào)節(jié) (eg. Hexokinase IV)第14頁/共26頁第十四頁，共26頁。1515-14 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)(酶酶)的磷酸化與去磷酸化的磷酸化與去磷酸化- 對已有酶分子進行共價修飾對已有酶分子進行共價修飾(xish) 的調(diào)節(jié)作用通常要快得多的調(diào)節(jié)作用通常要快得多- 其他共價其他共價(n ji)修飾如修飾如腺苷?；⑾佘挣；?甲基化、糖基化和酯化等甲基化、糖基化和酯化等- 蛋白激酶通常與相應(yīng)的磷酸蛋白激酶通常與相應(yīng)的磷酸 蛋白磷酸酶配套作用蛋白磷酸酶配套作用(zuyng)(

16、復(fù)原復(fù)原)- 和和酶酶調(diào)節(jié)相似，共價修飾調(diào)節(jié)相似，共價修飾 也常常由某些細胞外信號所也常常由某些細胞外信號所 觸發(fā)，例如激素和生長因子觸發(fā)，例如激素和生長因子真核類真核類1/2的蛋的蛋白質(zhì)在某些條件白質(zhì)在某些條件下均可磷酸化下均可磷酸化(去去)磷酸化磷酸化可能通過改可能通過改變酶活性位變酶活性位點的點的靜電特靜電特性性而引發(fā)相而引發(fā)相應(yīng)構(gòu)象變化應(yīng)構(gòu)象變化第15頁/共26頁第十五頁，共26頁。1615-24 糖原糖原(tn yun)磷酸化酶的共價修飾磷酸化酶的共價修飾 胰高血糖素胰高血糖素腎上腺素腎上腺素- 在高活性的磷酸化酶在高活性的磷酸化酶 a中，中， 各亞基的特定各亞基的特定Ser14殘基

17、殘基 均被磷酸化均被磷酸化- 被磷酸化酶被磷酸化酶 a磷酸酶去磷磷酸酶去磷 酸化后即轉(zhuǎn)變?yōu)榈突钚缘乃峄蠹崔D(zhuǎn)變?yōu)榈突钚缘?磷酸化酶磷酸化酶 b (失活失活)；后者；后者 可經(jīng)由磷酸化酶可經(jīng)由磷酸化酶 b激酶的激酶的 磷酸化作用而被重新激活磷酸化作用而被重新激活(j hu)- 糖原合酶的共價修飾與之糖原合酶的共價修飾與之 相似但活化形式相反，故相似但活化形式相反，故 磷酸化時糖原分解加速而磷酸化時糖原分解加速而 糖原合成被抑制糖原合成被抑制(合酶合酶 a 低活性低活性)，去磷酸化時則，去磷酸化時則 分解被抑制而合成加速分解被抑制而合成加速 (合酶合酶 b高活性高活性)(cf. p360)第16頁

18、/共26頁第十六頁，共26頁。1715-25 腎上腺素和胰高血糖素作用腎上腺素和胰高血糖素作用(zuyng)的級聯(lián)反應(yīng)機制的級聯(lián)反應(yīng)機制- 兩者分別結(jié)合于肌細胞和兩者分別結(jié)合于肌細胞和 肝細胞外表肝細胞外表(wibio)的特殊的特殊受體而受體而 激活激活GTP結(jié)合蛋白結(jié)合蛋白Gs級級聯(lián)聯(lián)放放大大(fngd)反反應(yīng)應(yīng)- 最終導(dǎo)致糖原降解進而最終導(dǎo)致糖原降解進而 提供能量提供能量(肌肉肌肉)和升高和升高 血糖血糖(肝臟肝臟)肌細胞肌細胞肝細胞肝細胞no G6Pase(cf. Fig. 13-18)第17頁/共26頁第十七頁，共26頁。18肝糖原肝糖原(tn yun)磷酸化酶磷酸化酶 a 對對Glc

19、敏感：結(jié)合在敏感：結(jié)合在其別構(gòu)部位的其別構(gòu)部位的Glc可誘發(fā)構(gòu)象變化，使被磷酸化的可誘發(fā)構(gòu)象變化，使被磷酸化的Ser殘基暴露于磷酸化酶殘基暴露于磷酸化酶 a 磷酸酶的作用下，后者磷酸酶的作用下，后者可將高活性的磷酸化酶可將高活性的磷酸化酶 a 轉(zhuǎn)變成低活性的磷酸化酶轉(zhuǎn)變成低活性的磷酸化酶 b 以適應(yīng)高血糖以適應(yīng)高血糖15-26 肝糖原肝糖原(tn yun)磷酸化酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)磷酸化酶的別構(gòu)調(diào)節(jié) 血糖血糖(xutng)升高升高(cf. Fig. 13-11 for Myocyte)R state(Arg569)T state(Asp238)第18頁/共26頁第十八頁，共26頁。1915-17 己糖

20、激酶己糖激酶(jmi) (葡糖激酶葡糖激酶(jmi)的核隔離調(diào)節(jié)的核隔離調(diào)節(jié)4. 糖酵解與糖異生的協(xié)同(xitng)調(diào)節(jié) 肝細胞肝細胞- 血糖血糖升高時升高時Glc即可經(jīng)由即可經(jīng)由GLUT2 快速進入肝細胞快速進入肝細胞與與F6P競爭解除競爭解除(jich) 調(diào)節(jié)蛋白的抑制調(diào)節(jié)蛋白的抑制激活己糖激酶激活己糖激酶 加速加速G6P的生成的生成促進糖原合成促進糖原合成- 血糖血糖降至降至 5 mM時，時，Glc不足不足 以與以與F6P競爭競爭后者后者觸發(fā)觸發(fā)調(diào)節(jié)蛋調(diào)節(jié)蛋 白白對對己糖激酶己糖激酶的抑制的抑制肝細胞肝細胞 不與其他器官競爭短缺的血糖不與其他器官競爭短缺的血糖G1PGlycogen He

21、xokinase IV - Km high 10 mmol - with regulator protein - not inhibited by G6P第19頁/共26頁第十九頁，共26頁。20 磷酸磷酸(ln sun)果果糖激酶糖激酶-115-18aPFK-1催化的反應(yīng)是催化的反應(yīng)是Glc進進入入(jnr)酵解之關(guān)鍵酵解之關(guān)鍵(不可不可逆逆)同型四聚體同型四聚體(E. coli)二聚體模型二聚體模型(mxng)催化位點催化位點別構(gòu)調(diào)節(jié)位點別構(gòu)調(diào)節(jié)位點ADPF-1,6-BPADP自學(xué)自學(xué)第20頁/共26頁第二十頁，共26頁。2115-18b/c 磷酸果糖磷酸果糖(gutng)激激酶酶-1的調(diào)

22、節(jié)的調(diào)節(jié)- ATP/檸檬酸檸檬酸升高升高(shn o)可別構(gòu)可別構(gòu) 抑制抑制PFK-1活性而降低該活性而降低該 酶對酶對F6P的親和性的親和性- AMP/ADP升高升高(shn o)則能解除則能解除 ATP對對PFK-1的別構(gòu)抑制的別構(gòu)抑制- F-2,6-BP是是PFK-1最重要最重要 的別構(gòu)激活劑的別構(gòu)激活劑(cf. p291)第21頁/共26頁第二十一頁，共26頁。2215-19 丙酮酸激酶丙酮酸激酶(jmi)的的調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)前前饋饋激激活活(j hu)反反饋饋(fnku)抑抑制制蛋白激酶蛋白激酶 A蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶該機制僅作用該機制僅作用于于L-型同工酶型同工酶脊椎動物至少發(fā)現(xiàn)有三種同脊椎動物至少發(fā)現(xiàn)有三種同工酶，分別存在于肝臟工酶，分別存在于肝臟(L)和和肌肉肌肉(M)等肝外組織等肝外組織-低血糖低血糖將將Glc調(diào)劑給調(diào)劑給大腦等組織大腦等組織第22頁/共26頁第二十二頁，共26頁。2315-22c- F-2,6-BP為為PFK-1和和FBPase-1 的別構(gòu)效應(yīng)劑，可同時介導(dǎo)