《生物化學(xué)》26 糖原的分解和生物

1、第十單元 糖代謝第22章糖酵解作用第23章檸檬酸循環(huán) 第25章戊糖磷酸途徑和糖的其他代謝途徑第26章糖原的分解代謝和生物合成第27章光合作用第26章 糖原的分解和生物合成一、糖原的生物學(xué)意義二、糖原的降解(glycogen breakdown) 三、糖原的生物合成四、糖原代謝的調(diào)控一、糖原的生物學(xué)意義 糖原的生物學(xué)意義就在于它是貯存能量的、容易動員的多糖。但機(jī)體細(xì)胞能量充足時，細(xì)胞即合成糖原將能量進(jìn)行貯存；當(dāng)能量供應(yīng)不足時，貯存的糖原即降解為葡萄糖從而提供ATP。糖原的存在保證了機(jī)體最需要能量供應(yīng)的腦和肌肉緊張活動時對能量的需要；同時也保證不間斷的供給維持恒定水平的血糖。 糖原降解成為葡萄糖-

2、1-磷酸，或再轉(zhuǎn)變成葡萄糖-6-磷酸都不消耗ATP。二、糖原的降解(glycogen breakdown) 糖原以顆粒狀存在于細(xì)胞溶膠中，這些顆粒中不只含有糖原，還含有催化糖原合成和降解的酶以及調(diào)節(jié)蛋白（regulatory proteins） 機(jī)體貯存糖原的器官主要是肝臟和肌肉。饑餓時首先動用的是肝糖原，肌肉內(nèi)糖原的動員不如肝臟迅速。肌肉的的糖原主要提供肌肉運(yùn)動時的需要，而肝臟中的糖原在維持血糖水平的穩(wěn)定中起著重要的作用。糖原降解過程4 糖原作為貯存能源在供能前必須先降解為葡萄糖分子，從大分子糖原上按照順序一個個的移去葡萄糖殘基。糖原的降解需要4種酶的作用： (一)糖原磷酸化酶（glycog

3、en phosphorylase） (二)糖原脫支酶(glycogen debranching enzyme) (三)磷酸葡萄糖變位酶(phosphoglucomutase) (四)葡萄糖-6-磷酸酶（glucose-6-phosphatase）(一)糖原磷酸化酶1、磷酸化酶催化糖原非還原端磷酸解2、磷酸化酶催化糖原1- 4糖苷鍵磷酸解3、磷酸化酶的分子結(jié)構(gòu)4、磷酸化酶催化的反應(yīng)機(jī)制5、磷酸吡哆醛是磷酸化酶的必需輔助因子1、磷酸化酶 催化糖原非還原端磷酸解 2、磷酸化酶催化糖原1- 4糖苷鍵磷酸解 實際上磷酸化酶的作用只到離糖原的分支點(diǎn)前4個葡萄糖殘基處即不能再繼續(xù)進(jìn)行催化，糖原的繼續(xù)分解還需

4、其他酶的參與。糖原的降解采用磷酸解而不是水解具有重要生物學(xué)意義： （1）磷酸解使降解下的葡萄糖分子帶上磷酸基團(tuán)，使其易于進(jìn)入糖酵解等葡萄糖的降解途徑. （2）磷酸解作用對肌肉細(xì)胞還有另外的優(yōu)越性，生理條件下，磷酸解生成的葡萄糖-1-磷酸以解離形式存在，而不擴(kuò)散到細(xì)胞外。3、磷酸化酶的分子結(jié)構(gòu)有兩種磷酸化酶分別稱為磷酸化酶a和磷酸化酶b，二者都是由兩個相同亞基構(gòu)成的二聚體，實際上磷酸化酶a和磷酸化酶b是一種酶 的兩種不同存在形式，可以互相轉(zhuǎn)變。磷酸化酶是一個重要的調(diào)節(jié)酶，其催化活性需要吡哆醛磷酸作為輔酶，AMP是磷酸化酶的一個別構(gòu)活化劑。 腎上腺素腺苷酸環(huán)化酶膜受體通過腺苷酸環(huán)化酶作用途徑蛋白激

5、酶（無活性）蛋白激酶（有活性）磷酸化酶a（有活性） 磷酸化酶b（無活性）糖原葡萄糖-1-p葡萄糖見P572圖17-18磷酸化酶激酶（無活性）磷酸化酶激酶（有活性） 腎上腺素等激素(第一信使）與受體結(jié)合，激活并結(jié)合G蛋白，再活化腺苷酸環(huán)化酶，后者催化cAMP (第二信使）生成；激活蛋白激酶，激活磷酸化酶激酶，激活磷酸化酶，水解糖原生成G-1-P，轉(zhuǎn)變成為葡萄糖。ADP ATP磷酸化酶分別稱為磷酸化酶a和磷酸化酶b，二者都是由兩個相同亞基構(gòu)成的二聚體，實際上磷酸化酶a和磷酸化酶b是一種酶 的兩種不同存在形式，可以互相轉(zhuǎn)變。磷酸化酶4、磷酸化酶催化的反應(yīng)機(jī)制有兩種假設(shè)機(jī)制分別是： （1）雙取代機(jī)制（

6、double displacement mechanism） 目前還不能確切的證明這一假設(shè)反應(yīng)機(jī)制的正確性 （2）氧翁離子機(jī)制 X射線結(jié)構(gòu)分析證明，磷酸吡哆醛的磷酸基緊挨著磷酸化酶的活性部位，可能是在酶催化反應(yīng)中作為酸-堿催化劑起作用。5、磷酸吡哆醛是磷酸化酶的必需輔助因子(二)糖原脫支酶 磷酸化酶催化磷酸解作用，使糖原分子從非還原性末端逐個移去葡萄糖殘基直至鄰近糖原分子（16）-糖苷鍵分支點(diǎn)前4個葡萄糖殘基處，最后形成一個具有許多短分支鏈的多糖分子稱為極限糊精.極限糊精的短分支稱為極限分支。它的進(jìn)一步分解需要糖原脫支酶和磷酸化酶的協(xié)同作用。 糖原脫支酶的肽鏈上，實際具有兩個起不同催化作用的活

7、性部位： （1）糖基轉(zhuǎn)移酶-轉(zhuǎn)移葡萄糖殘基 （2）糖原脫支酶-分解葡萄糖（16）-糖苷鍵-1，4-糖苷鍵 糖原 核心分支點(diǎn)前4個葡萄糖殘基-1，4-糖苷鍵-1，6-糖苷鍵磷酸化酶脫支酶脫支酶 糖原 核心 糖原 核心 糖原 核心糖原脫支酶功能一： 轉(zhuǎn)移葡萄糖殘基 糖原脫支酶功能二：分解葡萄糖（16）-糖苷鍵(三)磷酸葡萄糖變位酶 由磷酸化酶催化糖原磷酸解的結(jié)果，使糖原分子的葡萄糖殘基形成葡萄糖-1-磷酸。而葡萄糖-1-磷酸必須轉(zhuǎn)變成葡萄糖-6-磷酸才有可能進(jìn)入代謝主流，參加糖酵解或轉(zhuǎn)變成游離葡萄糖。負(fù)責(zé)磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移的酶就是磷酸葡萄糖變位酶磷酸葡萄糖變位酶催化部位絲氨酸殘基CH2OPOOO(四)

8、葡萄糖- 6- 磷酸酶葡萄糖-6-磷酸酶是專門水解葡萄糖-6-磷酸的酶。其催化的反應(yīng)如下： 葡萄糖-6-磷酸 + H2O 葡萄糖 + Pi 該酶存在于肝細(xì)胞，腎細(xì)胞及腸細(xì)胞光滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜的內(nèi)腔面，腦細(xì)胞和肌肉細(xì)胞都無此酶。游離的葡萄糖能夠迅速地擴(kuò)散出肝細(xì)胞進(jìn)入血液，維持血糖濃度的穩(wěn)定。葡萄糖-6-磷酸酶三、糖原的生物合成(一)糖原生物合成的研究經(jīng)歷了緩慢的歷程 (二)催化糖原合成的三種酶 糖原的合成通過3個步驟，包括3種酶的催化作用： 1、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶 2、糖原合酶 3、糖原分支酶1、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶1、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶催化葡萄糖-1-磷酸與UTP的反應(yīng)。在此反應(yīng)中，

9、葡萄糖-1-磷酸分子中的磷酸基團(tuán)帶負(fù)電荷的氧原子向UTP的-磷原子進(jìn)攻，形成UDPG。GUDPHCH2HOOH葡萄糖-1-磷酸 + UTP UDP-葡萄糖焦磷酸化酶2、糖原合酶 糖原合酶催化的反應(yīng)是將UDPG上的葡萄糖分子轉(zhuǎn)移到已經(jīng)存在的、糖原分子的某個分支的非還原性末端上，其催化作用只有在糖原合酶與生糖原蛋白緊緊結(jié)合在一起時才發(fā)揮作用。 應(yīng)注意的是，糖原合酶中“合酶”與“合成酶”相區(qū)別，因為合酶在催化反應(yīng)中沒有ATP直接參加反應(yīng)，如若ATP直接參加反應(yīng)，則是合成酶。3、糖原分支酶 糖原合酶只能催化（14）糖苷 鍵的形成，生成的是直鏈結(jié)構(gòu)，但是糖原分子帶有以（16）糖苷鍵相連的分支結(jié)構(gòu)，分支的

10、形成由另一個酶催化 淀粉1,41,6-轉(zhuǎn)葡糖基酶，即糖原分支酶。糖原的合成小結(jié)糖原合酶四、糖原代謝的調(diào)控(一)糖原磷酸化酶的調(diào)控機(jī)制 (糖原分解)(二)對糖原合酶的調(diào)控 (糖原合成) (三)肝臟中糖原代謝調(diào)控的特殊性 (四)激素對糖原代謝的調(diào)節(jié)和激素效應(yīng)的級聯(lián)放大系統(tǒng) (五)G蛋白及其對激素信號的傳遞作用 (六)糖原累積癥(一)糖原磷酸化酶的調(diào)控機(jī)制 1、AMP對骨骼肌磷酸化酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制2、骨骼肌磷酸化酶激酶的控制作用3、蛋白磷酸酶-1的控制4、蛋白激酶A的調(diào)控作用1、AMP對骨骼肌磷酸化酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制 有活性的磷酸化酶a和無活性的磷酸化酶b各自有活化狀態(tài)（R狀態(tài)）和鈍化狀態(tài)（T狀態(tài)）兩

11、種形式。 當(dāng)ATP和葡萄糖-6-磷酸的濃度很低，而AMP的濃度很高時，磷酸化酶b由T形式表現(xiàn)為R 形式即活化狀態(tài)，進(jìn)一步磷酸化則轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄?a，則使酶幾乎完全處于活化的R狀態(tài)。2、骨骼肌磷酸化酶激酶的控制作用 使磷酸化酶b磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄竌的酶是磷酸化激酶，該酶受到雙重控制： 1、蛋白激酶A催化磷酸化酶激酶的磷酸化 2、Ca2+起激活劑的作用磷酸化酶b(無活性） 磷酸化酶a (有活性） 磷酸化酶激酶磷酸化3、蛋白磷酸酶-1的控制 蛋白磷酸酶-1又稱磷蛋白磷酸酶1，它的作用是從帶有磷酸基團(tuán)的酶分子上水解下磷酸基團(tuán)。它和由“激酶”催化的磷酸化作用正好相反。磷酸化的動態(tài)平衡正是由激酶和PP1

12、兩種酶的相互作用來維持。 該酶受蛋白磷酸酶抑制劑的抑制，也受與其結(jié)合的磷酸化酶a的控制。磷酸化酶b(無活性） 磷酸化酶a (有活性）蛋白磷酸酶-1去磷酸化4、蛋白激酶A的調(diào)控作用蛋白激酶A也稱為cAMP-依賴性蛋白激酶，是依賴cAMP活化的蛋白激酶，是一種關(guān)鍵的調(diào)節(jié)酶。它催化許多酶蛋白的磷酸化，其中包括磷酸化酶激酶和糖原合酶，而它的活性要絕對的需要cAMP。(二)對糖原合酶的調(diào)控 糖原合酶和磷酸化酶相似，在生理條件下也可以兩種互相轉(zhuǎn)化的形式出現(xiàn)，一種是磷酸化的形式，另一種是非磷酸化的形式。 糖原合酶在生理條件下幾乎是完全沒有活性的，糖原合酶的活性情況可以認(rèn)為主要隨未磷酸化的糖原合酶a所處的狀態(tài)而改變。(四)激素對糖原代謝的調(diào)節(jié)和激素效應(yīng)的級聯(lián)放大系統(tǒng)1、腎上腺素和胰高血糖素對糖原代謝的調(diào)