2012-11-糖原的分解和生物合成-1

第26章糖原的分解和生物合成GlycogenBreakdown&BiosynthesisofGlycogen1、糖原的生物學(xué)意義2、糖原的降解3、糖原的生物合成4、糖原代謝的調(diào)控1.糖原的生物學(xué)意義糖原－動(dòng)物體內(nèi)肝臟和肌肉中葡萄糖貯存方式.肝糖原的作用主要是迅速補(bǔ)充血糖；肌糖原主要是供給肌肉收縮時(shí)能量。淀粉－植物體內(nèi)葡萄糖貯存方式.為何不是葡萄糖，而是以糖原形式貯存？為何是糖原，而不是脂類？（1）產(chǎn)生高滲性,導(dǎo)致尿量顯著增多，可致機(jī)體脫水，甚至發(fā)生高滲性非酮癥糖尿病性昏迷，危及生命。（2）隨著大量液體排出，體內(nèi)電解質(zhì)也隨之排出，引起水、電解質(zhì)紊亂，極易并發(fā)各種急性病癥。（3）血糖增高，不斷刺激胰島β-細(xì)胞分泌胰島素，而且長(zhǎng)期的刺激可使β-細(xì)胞功能衰竭，而加重糖尿病病情。（4）長(zhǎng)期高血糖使臟器/組織病變,常見如:毛細(xì)血管管壁增厚，管腔變細(xì)，紅細(xì)胞不易通過，組織細(xì)胞缺氧；腎小球硬化,腎乳頭壞死；神經(jīng)細(xì)胞變性，神經(jīng)纖維發(fā)生節(jié)段性脫髓鞘病變；心、腦、下肢等多處動(dòng)脈硬化等。

1.1高血糖對(duì)人體的主要危害1.2糖原比脂類更適為中轉(zhuǎn)性貯存物質(zhì)高效能:G是機(jī)體主要能源物質(zhì)；糖原分解直接產(chǎn)生G-1-P無需進(jìn)行生物轉(zhuǎn)化即可分解代謝被迅速動(dòng)用:多分支,迅速分解釋放G能靈敏地維持血糖水平（動(dòng)物不能將脂肪酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟乔绑w）1.3糖原的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)樹枝狀的多聚葡萄糖分子量100～1000萬含有多個(gè)非還原性末端（合成與分解均由此端開始延伸或降解）直鏈內(nèi)葡萄糖單位以α1，4-糖苷鍵（占總糖苷鍵93%）連接；支鏈之間以α1，6-糖苷鍵（7％）連接成分支。肝糖原普通

顯微觀察肝糖原顆粒電子顯微照片糖原結(jié)構(gòu)示意糖原由聚糖鏈和生糖原蛋白兩種成分組成.生糖原蛋白(糖原引物蛋白)聚糖鏈糖鏈非還原端還原端-具有C1游離半縮醛羥基非還原端-具有游離C6羥基16:

支鏈點(diǎn)糖基連接14:

直鏈中糖基連接糖原中的化學(xué)鍵非還原端二級(jí)結(jié)構(gòu)：-螺旋2糖原的降解①糖原磷酸化酶(輔酶PLP) 直鏈糖基降解②糖原脫支酶（糖基轉(zhuǎn)移酶）去分支糖基③磷酸葡萄糖變位酶G-1-P→G-6-P④葡萄糖-6-磷酸酶 G-6-P→G2.1參與糖原降解的酶類酶名稱酶催化反應(yīng)骨骼肌細(xì)胞缺乏此酶（G與G-P細(xì)胞通透性不同!）糖原磷酸化酶（磷酸吡多醛）糖原降解概覽糖原核心糖原核心糖原核心糖原核心糖原脫支酶(寡糖基轉(zhuǎn)移)糖原脫支酶(糖苷鍵水解)磷酸解水解..糖原磷酸化酶（磷酸吡多醛）磷酸基團(tuán)進(jìn)攻非還原端的1,4糖苷鍵的富電子O,導(dǎo)致糖苷鍵斷裂,釋放一個(gè)1-磷酸-葡萄糖(G-1-P)和減少一個(gè)糖基的糖原.2.2糖原的磷酸解反應(yīng)O糖原(G)n+PiG-1-P+糖原(G)n-1

磷酸解與水解的區(qū)別、磷酸解的優(yōu)越性？P178磷酸解是正磷酸作為一個(gè)基團(tuán)加到游離出來的葡萄糖分子半縮醛羥基(C1)上磷酸解在體外是可逆反應(yīng),但是在細(xì)胞內(nèi),因[Pi]/[G-1-P]比值遠(yuǎn)大于100,所以,反應(yīng)趨向于發(fā)生磷酸解.磷酸解產(chǎn)物已經(jīng)磷酸化,不用再消耗ATP產(chǎn)生磷酸葡萄糖,為糖酵解提供方便.2.2.1化學(xué)反應(yīng)式

PLP通過氫鍵結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)無機(jī)磷酸基團(tuán)HPO42-(紅色示),該磷酸基團(tuán)貢獻(xiàn)其H+給-1,4糖苷鍵上的富電子O,導(dǎo)致電子云轉(zhuǎn)移,糖苷鍵破裂,產(chǎn)生葡萄糖正碳離子過渡態(tài),然后接受磷酸基團(tuán)的轉(zhuǎn)移形成磷酸酯鍵,生成G-1-P產(chǎn)物.2.2.2糖原磷酸解的反應(yīng)機(jī)制正碳離子中間體酶酶酶

磷酸吡哆醛(V-B6,PLP)與糖原磷酸酶中的Lys殘基,通過希夫堿形式而連接，可以傳遞溶液中Pi基團(tuán).

磷酸吡哆醛的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與酶的希夫堿連接傳遞游離Pi，是Pi的載體酶PLP2.2.3糖原磷酸化酶的分子結(jié)構(gòu)糖原磷酸化酶:調(diào)節(jié)糖原分解的關(guān)鍵酶（共價(jià)修飾+別構(gòu)調(diào)節(jié)）同二聚體:含兩個(gè)相同的亞基各亞基上有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域a和b兩種形式N-端結(jié)構(gòu)域C-端結(jié)構(gòu)域界面亞結(jié)構(gòu)域Ser14P位點(diǎn)別構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)二聚體接觸部位糖原結(jié)合亞結(jié)構(gòu)域a:Ser14-P化,高活性

b:Ser14-去P,低活性

PLP結(jié)合部位;磷酸解催化中心(疏水)P179P179磷酸化酶:各個(gè)亞基(黃,白)均具有磷酸解活性。680Lys結(jié)合PLP輔基,再與568Lys共同作用,結(jié)合Pi,發(fā)揮Pi載體作用.催化中心糖原～糖原結(jié)合中心P位點(diǎn)、別構(gòu)中心P位點(diǎn)、別構(gòu)中心C-端結(jié)構(gòu)域N-端結(jié)構(gòu)域N-端結(jié)構(gòu)域C-端結(jié)構(gòu)域腎上腺素＋受體腺苷環(huán)化酶腺苷環(huán)化酶ATPcAMP蛋白激酶A蛋白激酶A糖原磷酸化酶激酶糖原磷酸化酶b糖原磷酸化酶激酶糖原磷酸化酶a2.2.4糖原磷酸化酶的調(diào)節(jié)糖原分解激素（胰高血糖素，腎上腺素）作用于細(xì)胞膜受體后，促進(jìn)cAMP產(chǎn)生，引起信號(hào)傳導(dǎo)通路酶的逐級(jí)磷酸化，最終使糖原磷酸化酶發(fā)生磷酸化，催化糖原磷酸解發(fā)生。

高活性無活性PP1：磷蛋白磷酸酶1PPPPPP1P187激素的級(jí)聯(lián)放大作用：信號(hào)分子（激素）結(jié)合于特異性膜受體后，通過激酶級(jí)聯(lián)事件，即：一系列蛋白質(zhì)（酶）的逐級(jí)磷酸化，籍此使信號(hào)逐級(jí)傳送和放大。腎上腺素級(jí)聯(lián)系統(tǒng)對(duì)糖原分解的調(diào)節(jié)：信號(hào)分子（激素）G蛋白偶聯(lián)受體－G蛋白－腺苷環(huán)化酶－蛋白激酶A－糖原磷酸化酶激酶－糖原磷酸化酶糖原降解關(guān)鍵酶酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)共價(jià)修飾調(diào)節(jié)：生物體的一些酶（尤其是一些限速酶），在細(xì)胞內(nèi)其它酶的作用下，其結(jié)構(gòu)中某些特殊基團(tuán)發(fā)生可逆的共價(jià)鍵生成或斷裂（例如磷酸化或去磷酸化作用），從而引起酶活性的激活或抑制，快速改變?cè)撁富钚裕{(diào)節(jié)某一代謝途徑路，稱為共價(jià)修飾調(diào)節(jié)。最常見的共價(jià)修飾是磷酸化修飾。通過蛋白激酶(PK）的催化，被修飾酶分子中絲氨酸或酪氨酸側(cè)鏈上的羥基進(jìn)行磷酸化，也可通過各種磷酸酶（如：磷蛋白磷酸酶PP1）將此類磷酸基團(tuán)去除，從而形成可逆的共價(jià)修飾。磷酸化修飾是體內(nèi)重要的快速調(diào)節(jié)酶活性的方式之一。不同的酶催化下級(jí)酶的磷酸化與去磷酸化的反應(yīng)PP1酶

P酶

PKA修飾前后的酶活性不同酶的別構(gòu)調(diào)節(jié):激活或抑制酶的別構(gòu)調(diào)節(jié):酶分子中存在活性中心（催化亞基）和別構(gòu)中心（調(diào)節(jié)亞基）,當(dāng)調(diào)節(jié)物分子結(jié)合于別構(gòu)中心時(shí),引起酶的構(gòu)象發(fā)生改變,從而導(dǎo)致酶的活性相應(yīng)改變.這種酶活調(diào)節(jié)方式稱為酶的別構(gòu)調(diào)節(jié).與別構(gòu)中心特異性結(jié)合引起酶構(gòu)象改變和酶活性改變的調(diào)節(jié)物質(zhì)稱為別構(gòu)效應(yīng)物；具有別構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制的酶成為別構(gòu)酶.別構(gòu)調(diào)節(jié)與共價(jià)修飾調(diào)節(jié)均屬于酶的快速調(diào)節(jié)。酶的別構(gòu)抑制:酶分子與其底物有較高親和性,與效應(yīng)物結(jié)合后,引起酶構(gòu)象發(fā)生改變,失去與底物的親和力,導(dǎo)致酶活性降低或喪失.酶的別構(gòu)激活:

酶分子與底物親和力低,與效應(yīng)物結(jié)合后,引起酶構(gòu)象發(fā)生改變,導(dǎo)致酶對(duì)底物的親和力大大提高,增加酶催化活性.別構(gòu)激活別構(gòu)抑制別構(gòu)抑制劑別構(gòu)激活劑激素激活的蛋白激酶A使磷酸化酶激酶的－亞基發(fā)生P化，同時(shí)，Ca＋＋結(jié)合于其δ亞基，雙重作用，使得磷酸化酶激酶具有完全的催化活性，促使糖原磷酸化酶b發(fā)生P化，成為有活性的糖原磷酸化酶a，

促進(jìn)糖原分解。糖原磷酸化酶激酶與糖原磷酸化酶的激活胰高血糖素?zé)o活磷酸化酶激酶高活磷酸化酶激酶活性磷酸化酶a

無活磷酸化酶b部分活化部分活化共價(jià)修飾別構(gòu)激活P188磷酸化酶a:有-P,更趨于R狀態(tài),高活性磷酸化酶b:無-P,更趨于T狀態(tài),無活性糖原磷酸化酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)與構(gòu)象改變R:松弛狀態(tài)T:緊張狀態(tài)R態(tài)與T態(tài)的平衡酶a酶b活性中心P187-8當(dāng)細(xì)胞能荷低時(shí)，AMP濃度升高，結(jié)合于磷酸化酶b的AMP結(jié)合位點(diǎn)，導(dǎo)致酶構(gòu)象由無活性的T狀態(tài)改變?yōu)楦呋钚缘腞狀態(tài)，促進(jìn)糖原磷酸解發(fā)生，增加血糖供應(yīng)，促進(jìn)糖酵解和氧化產(chǎn)能；ATP則相反。

糖原磷酸化酶b的別構(gòu)調(diào)節(jié)I——活性——失活核苷酸結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)機(jī)體營(yíng)養(yǎng)充沛，代謝正常，細(xì)胞中葡萄糖濃度高時(shí)，葡萄糖結(jié)合于磷酸化酶a的G結(jié)合位點(diǎn)，導(dǎo)致其構(gòu)象從有活性的R狀態(tài)改變?yōu)闊o活性的T狀態(tài)，因而，阻斷糖原的分解。

磷酸化酶活性的別構(gòu)調(diào)節(jié)II

G結(jié)合位點(diǎn)——失活——活性2.3糖原分支處葡糖基的水解糖原脫支酶(糖苷鍵水解)糖原脫支酶：糖基轉(zhuǎn)移酶活性糖原脫支酶：a-1,6糖苷酶活性G-1-P～90％H2OPPPP正常生理糖原降解：P糖原磷酸化酶～10％G-1-P由磷酸葡萄糖變位酶催化，經(jīng)過G-1,6-2P中間產(chǎn)物生成G-6-P（此酶需少量G-1,6-2P發(fā)揮充分活性），即可進(jìn)入糖酵解。某些組織中G-6-P由葡萄糖-6-磷酸酶催化水解生成葡萄糖（肝、腎及腸細(xì)胞含此酶，腦、肌肉細(xì)胞中無此酶），進(jìn)入血液運(yùn)送全身。葡萄糖-6-磷酸酶存在光面內(nèi)質(zhì)網(wǎng),它的作用共需5種蛋白。2.4G-1-P的轉(zhuǎn)化磷酸葡萄糖

變位酶中的Ser殘基結(jié)合有磷酸基團(tuán)與底物中的磷酸基團(tuán)發(fā)生交換，而使得磷酸基發(fā)生了分子內(nèi)的轉(zhuǎn)移。磷酸葡萄糖變位酶催化機(jī)制與糖酵解中的哪步反應(yīng)機(jī)制相似？鈣結(jié)合穩(wěn)定蛋白G-6-P的水解與生物轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)細(xì)胞液細(xì)胞膜外血液循環(huán)葡萄糖-6-磷酸酶僅存在于肝、腎及腸細(xì)胞G體內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)形式局限于胞內(nèi)P1823糖原的生物合成糖原合成需要糖原引物：以細(xì)胞內(nèi)生糖原蛋白為核心，在其上含4個(gè)以上葡萄糖殘基作為糖原合成的引物。新的葡糖殘基以半縮醛羥基（C1－OH)與聚糖鏈非還原端末位糖殘基的C4-OH脫水縮合，形成新的－1，4糖苷鍵，逐步聚合加長(zhǎng)聚糖鏈。

細(xì)胞中糖原顆粒數(shù)目取決于糖原引物數(shù)目糖原合成時(shí)葡萄糖的供體是UDPG（高能活化態(tài)）3.1參與糖原合成的酶類①UDPG焦磷酸化酶

葡萄糖單位的活化

②糖原合酶（糖基聚合酶）聚糖直鏈的延長(zhǎng)③糖原分支酶寡糖鏈轉(zhuǎn)移

分支的形成酶名稱酶催化反應(yīng)P1833.2葡萄糖的活化反應(yīng)G-6-PPG-1-PPUDPG焦磷酸化酶UDPG化學(xué)結(jié)構(gòu)（高能化合物）葡萄糖尿苷二磷酸（活化共消耗2ATP）UDP-葡萄糖焦磷酸化酶（可逆）尿嘧啶核糖葡萄糖葡萄糖核糖尿嘧啶UDPG葡萄糖參與糖原合成的活化形式焦磷酸的迅速水解，使反應(yīng)在細(xì)胞內(nèi)不可逆。G-1-P糖原合酶：只能催化UDPG加在已有4個(gè)（或4個(gè)以上）糖基聚合的寡糖鏈非還原末端。生糖原蛋白：具有自動(dòng)催化作用，催化8個(gè)G單位－14成鍵聚合，形成糖原核心。細(xì)胞內(nèi)糖原顆粒數(shù)目取決于生糖原蛋白分子數(shù)目。糖原合酶必需與生糖原蛋白緊密結(jié)合才能有效發(fā)揮活性；一旦脫離生糖原蛋白，喪失催化糖單位聚合功能。3.3糖原合酶及其催化的反應(yīng)3.3.1生糖原蛋白生糖原蛋白是具有自我催化功能的酶，以同二聚體的形式存在，彼此催化另一亞基中的Tyr殘基中的羥基與G相連，UDPG作為G供體，聚合8個(gè)G后，由糖原合酶催化后續(xù)G單位聚合生糖原蛋白引物的形成脫水糖基加長(zhǎng)延伸糖原合酶合成方向U非還原末端3.3.2糖原合酶催化的反應(yīng)41糖原糖原GnGn＋1

還原端非還原端G-6-P＋ATP＋糖原Gn

＋H2O糖原Gn＋1

＋ADP＋2Pi總反應(yīng)：3.3.3