肝醣磷酸化酶-課件

15.4動(dòng)物體內(nèi)肝醣的代謝p.633由肝醣磷酸化酶催化的反應(yīng)如下：在肝醣非還原端的兩個(gè)葡萄糖殘基之（α1→4）糖苷鍵鍵結(jié)被無(wú)機(jī)磷酸鹽（Pi）攻擊，而移除尾端的葡萄糖殘基形成α-D-葡萄糖1-磷酸（α-D-glucose1-phosphate）（圖15-25）。圖15–

24p.633圖15-24肝細(xì)胞中的肝醣顆粒。肝醣是碳水化合物的一種儲(chǔ)存形式，肝醣以一種電子聚集的顆粒出現(xiàn)，通常聚集成群或呈薔薇叢狀。在肝細(xì)胞中，肝醣與平滑內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的細(xì)管有非常密切的關(guān)係。許多粒線體亦在本顯微圖中出現(xiàn)。圖15–

25p.634p.634圖15-25利用肝醣磷酸化酶由肝醣鏈非還原端釋放出最末端的葡萄糖殘基。這個(gè)過程不斷重複進(jìn)行；酵素移除連續(xù)的葡萄糖殘基直到酵素抵達(dá)從分支點(diǎn)數(shù)來(lái)第四個(gè)葡萄糖單元為止（見圖15-26）。p.634肝醣磷酸化酶在肝醣支鏈非還原端重複地作用，直到反應(yīng)抵達(dá)離一個(gè)（α1→6）分支點(diǎn)有四個(gè)葡萄糖殘基時(shí)作用才停止。由肝醣磷酸化酶所做進(jìn)一步的分解只能發(fā)生在當(dāng)去分支酶（debranchingenzyme）作用後，去分支酶的正式名稱為寡（α1→6）變?yōu)椋é?→4）葡聚醣轉(zhuǎn)移酶〔oligo（α1→6）到（α1→4）glucantransferase〕，這個(gè)酵素可以催化兩個(gè)連續(xù)的反應(yīng)來(lái)轉(zhuǎn)移分支（圖15-26）。圖15–

26p.635p.635圖15-26肝醣分解靠近（α1→6）分支點(diǎn)。藉由肝醣磷酸化酶依序移去肝醣末端的葡萄糖殘基（參見圖15-25），在分支旁邊的葡萄糖殘基會(huì)被一個(gè)有兩種功能的去分支酶催化，進(jìn)行兩步驟的反應(yīng)而被移除。首先，此酶的轉(zhuǎn)移酶活性將三個(gè)葡萄糖殘基從分支轉(zhuǎn)移到鄰近非還原端的末端，形成新的（α1→4）鍵結(jié)。此時(shí)還剩一個(gè)葡萄糖殘基在分支點(diǎn)以（α1→6）鍵結(jié)，接著利用去分支酶的（α1→6）葡萄糖苷酶的活性釋放出游離的葡萄糖。在此圖，葡萄糖殘基是以簡(jiǎn)單的方式顯示，吡喃糖環(huán)上省略了─H、─OH、─CH2OH。p.634葡萄糖1-磷酸可進(jìn)行糖解作用，或在肝臟補(bǔ)給血液葡萄糖肝醣磷酸化酶反應(yīng)的終產(chǎn)物為葡萄糖1-磷酸，其可被磷酸葡萄糖變位酶（phosphoglucomutace）催化成葡萄糖6-磷酸，此可逆反應(yīng)如下：一開始在磷酸葡萄糖變位酶上的Ser殘基會(huì)被磷酸化，再將其磷醯基提供給受質(zhì)的C-6，接著再?gòu)氖苜|(zhì)的C-1得到一個(gè)磷醯基（圖15-27）。圖15–

27p.635圖15-27磷酸葡萄糖變位酶的催化反應(yīng)。一開始，磷酸葡萄糖變位酶上的Ser殘基被磷酸化。在步驟①，酵素提供自己的磷醯基（綠色）給葡萄糖1-磷酸，產(chǎn)生葡萄糖1,6-二磷酸。在步驟②，葡萄糖1,6-二磷酸C-1上的磷醯基（紅色）會(huì)轉(zhuǎn)移回到酵素上，再次形成磷酸化的酵素和葡萄糖6-磷酸。p.635在骨骼肌，從肝醣分解而得到的葡萄糖6-磷酸可以進(jìn)行糖解作用，並且作為能量來(lái)源來(lái)支持肌肉收縮。在細(xì)胞質(zhì)形成的葡萄糖6-磷酸會(huì)藉由特殊的運(yùn)輸?shù)鞍祝═1）（圖15-28）運(yùn)送至內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)側(cè)，再被管腔內(nèi)表面的葡萄糖6-磷酸酶水解。圖15–

28p.635圖15-28藉由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的葡萄糖6-磷酸酶水解葡萄糖6-磷酸。葡萄糖6-磷酸酶的催化部位在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)管腔內(nèi)側(cè)。葡萄糖6-磷酸（G6P）運(yùn)輸?shù)鞍祝═1）會(huì)將受質(zhì)從細(xì)胞質(zhì)運(yùn)送到管腔內(nèi)，而產(chǎn)物葡萄糖和Pi會(huì)由特定的運(yùn)輸?shù)鞍祝═2和T3）送至細(xì)胞質(zhì)。最後葡萄糖再經(jīng)由細(xì)胞質(zhì)膜上的運(yùn)輸?shù)鞍祝℅LUT2）離開細(xì)胞。p.636BOX15-4Carl及GertyCori：肝醣代謝與疾病的開拓者p.636糖核苷酸UDP-葡萄糖供應(yīng)葡萄糖作為肝醣合成許多六碳醣的轉(zhuǎn)型或是聚合反應(yīng)都包含糖核苷酸（sugarnucleotides），此種化合物其糖的反構(gòu)碳藉由磷酸酯和核苷酸鍵結(jié)在一起而活化。糖核苷酸在參與生合成反應(yīng)之適合性源自於其具有幾個(gè)特徵：p.637形成糖核苷酸的反應(yīng)在新陳代謝上是不可逆的，提供了以它們?yōu)橹虚g物的合成路徑的不可逆性。雖然糖核苷酸的化學(xué)轉(zhuǎn)換不包含核苷酸本身的原子，核苷酸具有許多基團(tuán)可與酵素進(jìn)行非共價(jià)性交互作用。如同磷酸，核苷酸基團(tuán)（例如：UMP或AMP）是一個(gè)很好的離去基，藉由與糖基上的碳結(jié)合將其活化而利於親核性攻擊。細(xì)胞為了某些目的（例如：肝醣合成），可以藉由以核苷酸基團(tuán)「標(biāo)示」某些六碳醣而將其集合在某個(gè)儲(chǔ)存處，以利於區(qū)分用於其他用途的磷酸六碳醣（例如：糖解作用）。圖15–

29p.638圖15-29糖核苷酸形成。核苷三磷酸（NTP）和糖磷酸之間產(chǎn)生縮合反應(yīng)。糖磷酸帶負(fù)電荷的氧當(dāng)作親核基，攻擊核苷三磷酸的α

磷酸進(jìn)而取代焦磷酸。PPi

會(huì)被無(wú)機(jī)焦磷酸酶水解，使得反應(yīng)向前進(jìn)行。圖15–

30p.638p.638圖15-30肝醣合成。肝醣合成酶催化肝醣鏈的延長(zhǎng)。此酵素將UDP-葡萄糖上的葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移至肝醣支鏈上的非還原端（見圖7-14），而形成一個(gè)新的（α1→4）鍵結(jié)。圖15–

31p.639圖15-31肝醣分支的合成。肝醣合成時(shí)，肝醣分支酶〔也稱為澱粉（1→4）至（1→6）轉(zhuǎn)糖酶或糖基-（4→6）-轉(zhuǎn)移酶〕能產(chǎn)生新的分支點(diǎn)。p.639肝醣素提供肝醣合成時(shí)最初的糖基引子令人疑惑的蛋白肝醣素（glycogenin）（圖15-32）是新肝醣鏈合成所需的引子，在此引子上新鏈可以聚集，也是催化它們聚集的酵素。合成新肝醣分子的第一步是將UDP-葡萄糖上的葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移至肝醣素上的Tyr194

羥基，此作用是由肝醣素本身的葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶（glucosyltransferase）活性所催化（圖15-33）。圖15–

32p.639p.639圖15-32肝醣素的結(jié)構(gòu)（PDB1D1LL2）。肌肉肝醣素（分子量37,000）在溶液中會(huì)形成雙體。人類的肝臟具有另一個(gè)同功型（isoform），稱為肝醣素-2。受質(zhì)UDP-葡萄糖（以紅色的球與棒結(jié)構(gòu)顯示）連接在靠近胺端的羅斯曼折疊區(qū)（Rossmanfold），距離Tyr194（藍(lán)綠色）有一段距離—於同單體中，UDP-葡萄糖距離此胺基酸15?，距離另一單體上的Tyr194

為12?。UDP-葡萄糖藉由本身的磷酸根與錳離子（綠色）結(jié)合，催化作用需要錳離子的參與。錳離子被認(rèn)為是作為電子對(duì)的接受者（路易士酸）來(lái)穩(wěn)定離去基UDP。產(chǎn)物的糖苷鍵之立體結(jié)構(gòu)與原來(lái)受質(zhì)UDP-葡萄糖上的葡萄糖C-1之構(gòu)形相同，顯示葡萄糖從UDP轉(zhuǎn)移到Tyr194

需要兩個(gè)步驟。第一步驟可能是葡萄糖的C-1受到Asp162（橘色）的親核性攻擊，而形成暫時(shí)的中間物，其構(gòu)形與原來(lái)相反。然後由Tyr194進(jìn)行第二次的親核性攻擊，因而又恢復(fù)到原來(lái)的構(gòu)形。圖15–

33p.640p.639機(jī)轉(zhuǎn)圖15-33肝醣素與肝醣顆粒的結(jié)構(gòu)。(a)肝醣素催化兩個(gè)不同的反應(yīng)。Tyr194的羥基首先攻擊UDP-葡萄糖糖基的C-1，導(dǎo)致Tyr殘基產(chǎn)生葡萄糖基化。另一個(gè)UDP-葡萄糖分子上的C-1接著被末端葡萄糖上的C-4羥基攻擊，此序列重複進(jìn)行以（α1→4）糖苷鍵連結(jié)而形成含有八個(gè)葡萄糖殘基的未成熟肝醣分子。(b)肝醣顆粒的結(jié)構(gòu)。以肝醣素分子為起始，肝醣鏈（12到14個(gè)殘基）層層延伸擴(kuò)展。每個(gè)內(nèi)部的糖鏈各具有兩個(gè)（α1→6）的分支。而最外層的糖鏈?zhǔn)遣环种У?。成熟的肝醣顆粒有12層糖鏈（此圖中只畫出5層），包含大約55,000個(gè)葡萄糖殘基，直徑約為21nm，分子量約為1x107?？偨Y(jié)15.4肝醣以大顆粒形式貯存於肌肉與肝臟中。在此顆粒中存在有代謝肝醣的酵素以及調(diào)節(jié)肝醣代謝的酵素。肝醣磷酸化酶催化肝醣鏈的非還原端進(jìn)行磷酸解的分解而產(chǎn)生葡萄糖1-磷酸。去支酶將分支轉(zhuǎn)移到主鏈上，並且釋出位於（α1→6）分支的殘基形成游離的葡萄糖。磷酸葡萄糖變位酶催化葡萄糖1-磷酸與葡萄糖6-磷酸的互換。葡萄糖6-磷酸可以進(jìn)入糖解作用，或者，在肝臟中可被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的葡萄糖6-磷酸酶轉(zhuǎn)化成游離的葡萄糖，然後釋放於血液中補(bǔ)給葡萄糖。p.640總結(jié)15.4(續(xù))糖核苷酸UDP-葡萄糖在肝醣合成酶的催化下將葡萄糖殘基提供給肝醣的非還原端。而分支酶可在肝醣鏈的分支點(diǎn)上形成（α1→6）的鍵結(jié)。新肝醣顆粒的生成起始於UDP-葡萄糖的葡萄糖與肝醣素的Tyr殘基間自身催化所形成的糖苷鍵，然後接上數(shù)個(gè)葡萄糖殘基形成一條引子，此引子可讓肝醣合成酶作用在其上。p.64015.4肝醣合成與分解的協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)p.641肝醣磷酸化酶受到異位調(diào)節(jié)及荷爾蒙的調(diào)節(jié)骨骼肌的肝醣磷酸化酶以兩種互相轉(zhuǎn)變的形式存在：肝醣磷酸化酶a（glycogenphosphorylasea），它具有催化的活性，以及肝醣磷酸化酶b（glycogenphosphorylaseb），它較缺乏活性（圖15-34）。提高的[cAMP]會(huì)驅(qū)使一酵素串聯(lián)（enzymecascade）的產(chǎn)生，意思是一催化劑會(huì)活化另一個(gè)催化劑，然後此活化的催化劑又去活化下一個(gè)催化劑。[cAMP]提高能活化cAMP-依賴性蛋白激酶，也稱為蛋白激酶A（PKA）。圖15–

34p.641圖15-34肌肉肝醣磷酸化酶由共價(jià)性修飾所調(diào)節(jié)。在較具活性狀態(tài)的酵素磷酸化酶上，其每個(gè)次單元的Ser14

殘基都會(huì)被磷酸化。磷酸化酶a會(huì)被磷酸化酶a磷酸酶（也是已知的磷蛋白磷酸酶1，PP1）催化而移除這些磷醯基，轉(zhuǎn)變成較不具活性的磷酸化酶b。磷酸化酶b能被磷酸化酶b激酶作用而再轉(zhuǎn)變回（再活化成）磷酸化酶a。（同時(shí)參閱圖6-36的肝醣磷酸化酶調(diào)控。）p.641PKA接著磷酸化並活化磷酸化酶b激酶（phosphorylasebkinase），其能催化肝醣磷酸化酶上的兩個(gè)相同次單元的Ser殘基磷酸化，而將之活化，因此促進(jìn)肝醣分解。當(dāng)肌肉回復(fù)到休息狀態(tài)時(shí)，第二個(gè)酵素磷酸化酶a磷酸酶（phosphorylaseaphosphatase），也稱為磷蛋白磷酸酶1（phosphoproteinphosphatase1；簡(jiǎn)稱PP1），此酵素會(huì)將磷酸化酶a上的磷醯基移除，而將之轉(zhuǎn)變成較不具活性的磷酸化酶b。圖15–

35p.642圖15-35腎上腺素與升糖素作用的串聯(lián)機(jī)制。藉由與特殊的表面受體結(jié)合，腎上腺素作用在肌原細(xì)胞（左邊)，或升糖素作用在肝細(xì)胞（右邊)，皆活化GTP-結(jié)合蛋白Gsα（見圖12-4）。活化的Gsα促使[cAMP]增加，進(jìn)而活化蛋白激酶A（PKA）。如此開始一連串磷酸化作用；PKA活化磷酸化酶b激酶，磷酸化酶b激酶接著活化肝醣磷酸化酶。這種串聯(lián)反應(yīng)將最初訊息極度放大；圖中粉紅色框格內(nèi)可能低估此串聯(lián)酶一步驟中分子數(shù)目實(shí)際的增加量。肝醣分解之後供應(yīng)葡萄糖，其在肌原細(xì)胞可提供ATP（經(jīng)由糖解作用）支持肌肉收縮，在肝細(xì)胞中葡萄糖會(huì)被釋放至血液中以彌補(bǔ)低血糖。圖15–

36p.642圖15-36肝臟的肝醣磷酸化酶可以當(dāng)作葡萄糖感測(cè)器。葡萄糖結(jié)合到肝臟磷酸化酶a同功酶的異位部位，因此誘導(dǎo)構(gòu)形改變而暴露出磷酸化的Ser殘基，使得磷酸化酶a磷酸酶1（PP1）可以作用。此磷酸酶將磷酸化酶a轉(zhuǎn)變成磷酸化酶b，明確地降低磷酸化酶的活性，因此在因應(yīng)高血糖時(shí)會(huì)減緩肝醣的分解。胰島素也可以間接刺激PP1而減緩肝醣的分解。p.643肝醣合成酶也是由磷酸化與去磷酸化所調(diào)節(jié)如同肝醣磷酸化酶，肝醣合成酶有磷酸化與去磷酸化兩種構(gòu)形（圖15-37）。當(dāng)處?kù)痘罨瘧B(tài)時(shí)，肝醣合成酶a（glycogensynthasea）是未磷酸化的。最重要的調(diào)節(jié)激酶為肝醣合成酶激酶3（glycogensynthasekinase3，簡(jiǎn)稱GSK3），其會(huì)在肝醣合成酶羧端附近的三個(gè)絲胺酸殘基加上磷醯基，造成肝醣合成酶強(qiáng)烈失活。GSK3的作用具有等級(jí)制度之分；它不會(huì)磷酸化肝醣合成酶，直到另一個(gè)蛋白激酶酪蛋白激酶II（caseinkinaseII，簡(jiǎn)稱CKII）先磷酸化肝醣合成酶附近的殘基後，此反應(yīng)稱為引導(dǎo)（priming）（圖15-38a）。圖15–

37p.643p.643圖15-37肝醣合成酶激酶3對(duì)於肝醣合成酶活性的影響。肝醣合成酶a為活化態(tài)，其位於羧端附近的三個(gè)Ser殘基，會(huì)被肝醣合成酶激酶3（GSK3）所磷酸化。此使得肝醣合成酶轉(zhuǎn)變成失活態(tài)（b）。GSK3的作用需要酪蛋白激酶（CKII）先執(zhí)行磷酸化（引導(dǎo)）作用。胰島素藉由阻斷GSK3的活性而促使肝醣合成酶b活化（此作用的路徑見圖12-16），胰島素並活化磷蛋白磷酸酶（在肌肉是PP1，在肝臟則是其他的磷酸酶）。在肌肉中，腎上腺素活化蛋白激酶A，而蛋白激酶A磷酸化肝醣標(biāo)的蛋白GM上的某個(gè)部位，進(jìn)而造成PP1從肝醣解離出來(lái)（見圖15-40）。葡萄糖6-磷酸結(jié)合上肝醣合成酶並促進(jìn)其構(gòu)形成為PP1的較好受質(zhì)，所以傾向造成肝醣合成酶的去磷酸化。葡萄糖也可以促進(jìn)去磷酸化作用；當(dāng)葡萄糖結(jié)合到肝醣磷酸化酶a會(huì)造成其構(gòu)形改變，使得傾向於去磷酸化而變成肝醣磷酸化酶b，因此葡萄糖解除肝醣磷酸化酶a對(duì)PP1的抑制（見圖15-39）。圖15–

38(a)p.644圖15-38

GSK3磷酸化肝醣合成酶的引導(dǎo)反應(yīng)。(a)肝醣合成酶激酶3首先會(huì)利用三個(gè)帶正電的殘基（Arg96,Arg180,Lys205）與其受質(zhì)肝醣合成酶上+4位置的磷酸絲胺酸殘基交互作用（就定位而言，受質(zhì)上為被磷酸化的Ser或Thr殘基被指派為0。而在其胺端的殘基依序?yàn)椋?、－2，依此類推；羧端的殘基則依序－1、－2，依此類推）。這樣的結(jié)合作用使得酵素的活性部位對(duì)準(zhǔn)位置0的Ser殘基，將它磷酸化。如此一來(lái)創(chuàng)造出一個(gè)新的引導(dǎo)部位，酵素順著蛋白質(zhì)往下接著磷酸化位置－4的Ser殘基，然後是位置－8的Ser殘基。圖15–

38(b)p.644圖15-38

GSK3磷酸化肝醣合成酶的引導(dǎo)反應(yīng)。(b)GSK3在其近胺端處有一個(gè)Ser殘基可以被PKA或PKB磷酸化（見圖15-39）。這樣會(huì)在GSK3產(chǎn)生一個(gè)「假受質(zhì)」區(qū)域，假受質(zhì)摺疊進(jìn)入引導(dǎo)部位，使得其活性部位無(wú)法提供給其他受質(zhì)蛋白，進(jìn)而抑制GSK3直到其假受質(zhì)區(qū)域的引導(dǎo)磷醯基被PP1移除為止。GSK3的其他受質(zhì)蛋白在+4的位置也有一個(gè)引導(dǎo)部位，引導(dǎo)部位必須先被其他蛋白激酶磷酸化，之後GSK3才能作用在受質(zhì)。上。p.643肝醣合成酶激酶3媒介胰島素的一些作用胰島素促使細(xì)胞內(nèi)發(fā)生改變的方法之一是活化蛋白激酶（蛋白激酶B或稱PKB），PKB進(jìn)而造成GSK3磷酸化而失活（圖15-39）。圖15–

39p.644p.644圖15-39由胰島素列的GSK3及肝醣合成酶的路徑。胰島素結(jié)合至其接受器後活化了其上的酪胺酸蛋白激酶，其會(huì)磷酸化胰島素接受器受質(zhì)-1（IRS-1），此蛋白上的磷酸酪胺酸接著會(huì)被磷脂醯肌醇3-激酶（PI-3K）結(jié)合，PI-3K會(huì)將細(xì)胞膜上的磷脂醯肌醇4,5-二磷酸（PIP2）轉(zhuǎn)變成磷脂醯肌醇3,4,5-三磷酸（PIP3）。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)激酶（PDK-1）結(jié)合上PIP3

之後會(huì)被活化，進(jìn)而活化第二個(gè)蛋白質(zhì)激酶（PKB），PKB會(huì)將肝醣合成酶激酶3（GSK3）的假受質(zhì)區(qū)域做磷酸化，如圖15-38b所示的機(jī)制使GSK失活。失活的GSK3使得磷蛋白磷酸酶1（PP1）將肝醣合成酶去磷酸化，將其轉(zhuǎn)變成具有活性的狀態(tài)。胰島素就是藉由這樣的方式來(lái)促進(jìn)肝醣合成（胰島素作用的更多細(xì)節(jié)可見圖12-16。）p.645磷蛋白磷酸酶1是肝醣代謝的核心PP1不會(huì)以游離形式存在於細(xì)胞質(zhì)，而會(huì)經(jīng)由與肝醣目標(biāo)蛋白（glycogen-targetingprotein）家族的一員而結(jié)合在其目標(biāo)蛋白上，肝醣目標(biāo)蛋白會(huì)結(jié)合上肝醣以及肝醣磷酸化酶、磷酸化酶激酶和肝醣合成酶等三種酶（圖15-40）。圖15–

40p.645p.645圖15-40肝醣目標(biāo)蛋白GM。肝醣目標(biāo)蛋白GM

是會(huì)將其他蛋白（包括PP1）結(jié)合至肝醣顆粒上的家族蛋白之一。GM

會(huì)因應(yīng)胰島素或腎上腺素之作用而在兩個(gè)不同的位置被磷酸化。①胰島素刺激GM

位置1的磷酸化會(huì)活化PP1，其會(huì)將磷酸化酶激酶、肝醣磷酸化酶和肝醣合成酶去磷酸化（未顯示）。②腎上腺素刺激GM

位置2的磷酸化會(huì)造成PP1從肝醣顆粒上解離出去，阻止其去接近肝醣磷酸化酶及肝醣合成酶。PKA也會(huì)磷酸化一個(gè)蛋白（抑制劑1），當(dāng)抑制劑1被磷酸化後會(huì)去抑制PP1。藉由這些方式，胰島素能抑制肝醣分解並刺激肝醣合成，而腎上腺素（或肝臟中的升糖素）則會(huì)有相反的影響。p.645異位及荷爾蒙訊息全面性共同調(diào)節(jié)醣類代謝在攝取富含高碳水化合物後，血液葡萄糖會(huì)升高進(jìn)而誘導(dǎo)胰島素釋放（圖15-41上方）。PKA參與升糖素的所有效用（圖15-41底部）。圖15–

41p.646圖15-41肝臟中碳水化合物代謝的調(diào)節(jié)。箭頭指出改變它們連結(jié)之間的因果關(guān)係?！鼳→↑B意指減少A會(huì)造成B的增加。粉紅色箭頭連結(jié)由於高血糖所造成的情況；藍(lán)色箭頭則連結(jié)低血糖所造成的情況。p.646對(duì)於我們討論代謝調(diào)節(jié)而言，骨骼肌的生理異於肝臟有三方面是重要的（圖15-42）：(1)肌肉使用自己