生物化学（下）：26 糖原的分解和生物

第十单元第十单元 糖代谢糖代谢l第第22章章糖酵解作用糖酵解作用l第第23章章柠檬酸循环柠檬酸循环l第第25章章戊糖磷酸途径和糖的其他代谢途径戊糖磷酸途径和糖的其他代谢途径l第第26章章糖原的分解代谢和生物合成糖原的分解代谢和生物合成l第第27章章光合作用光合作用第第26章章糖原的分解和生物合糖原的分解和生物合成成l一、糖原的生物学意义一、糖原的生物学意义l二、糖原的降解二、糖原的降解(glycogenbreakdown)l三、糖原的生物合成三、糖原的生物合成l四、糖原代谢的调控四、糖原代谢的调控一一、糖原的生物学意义糖原的生物学意义l糖原的生物学意义就在于它是贮存能量的、容易动员糖原的生物学意义就在于它是贮存能量的、容易动员的多糖。但机体细胞能量充足时，细胞即合成糖原将能量的多糖。但机体细胞能量充足时，细胞即合成糖原将能量进行贮存；当能量供应不足时，贮存的糖原即降解为葡萄进行贮存；当能量供应不足时，贮存的糖原即降解为葡萄糖从而提供糖从而提供ATP。糖原的存在保证了机体最需要能量供应。糖原的存在保证了机体最需要能量供应的脑和肌肉紧张活动时对能量的需要；同时也保证不间断的脑和肌肉紧张活动时对能量的需要；同时也保证不间断的供给维持恒定水平的血糖。的供给维持恒定水平的血糖。l糖原降解成为葡萄糖糖原降解成为葡萄糖-1-磷酸，或再转变成葡萄糖磷酸，或再转变成葡萄糖-6-磷磷酸都不消耗酸都不消耗ATP。二二、糖原的降解糖原的降解(glycogen breakdown)(glycogen breakdown)l糖原以颗粒状存在于细胞溶胶中，这些颗粒中不只糖原以颗粒状存在于细胞溶胶中，这些颗粒中不只含有糖原，还含有催化糖原合成和降解的酶以及调节蛋含有糖原，还含有催化糖原合成和降解的酶以及调节蛋白（白（regulatoryproteins）l机体机体贮存糖原的器官主要是肝脏和肌肉贮存糖原的器官主要是肝脏和肌肉。饥饿时首。饥饿时首先动用的是肝糖原，肌肉内糖原的动员不如肝脏迅速。先动用的是肝糖原，肌肉内糖原的动员不如肝脏迅速。肌肉的的糖原主要提供肌肉运动时的需要，而肝脏中的肌肉的的糖原主要提供肌肉运动时的需要，而肝脏中的糖原在维持血糖水平的稳定中起着重要的作用。糖原在维持血糖水平的稳定中起着重要的作用。糖原降解过程糖原降解过程4l糖原作为贮存能源在供能前必须先降解为葡萄糖分子，糖原作为贮存能源在供能前必须先降解为葡萄糖分子，从大分子糖原上按照顺序一个个的移去葡萄糖残基。从大分子糖原上按照顺序一个个的移去葡萄糖残基。l糖原的降解需要糖原的降解需要4种酶的作用：种酶的作用：(一一)糖原磷酸化酶（糖原磷酸化酶（glycogenphosphorylase）(二二)糖原脱支酶糖原脱支酶(glycogendebranchingenzyme)(三三)磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶(phosphoglucomutase)(四四)葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶（磷酸酶（glucose-6-phosphatase）(一一)糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶l1、磷酸化酶催化糖原非还原端磷酸解、磷酸化酶催化糖原非还原端磷酸解l2、磷酸化酶催化糖原、磷酸化酶催化糖原1-4糖苷键磷酸解糖苷键磷酸解l3、磷酸化酶的分子结构、磷酸化酶的分子结构l4、磷酸化酶催化的反应机制、磷酸化酶催化的反应机制l5、磷酸吡哆醛是磷酸化酶的必需辅助因子、磷酸吡哆醛是磷酸化酶的必需辅助因子1、磷酸化酶、磷酸化酶催化糖原非还原端磷酸解催化糖原非还原端磷酸解 2、磷酸化酶催化糖原、磷酸化酶催化糖原1-4糖苷键磷酸解糖苷键磷酸解实际上磷酸化酶的作用只到离糖原的实际上磷酸化酶的作用只到离糖原的分支点前分支点前4个个葡葡萄糖残基处即不能再继续进行催化，糖原的继续分解还需萄糖残基处即不能再继续进行催化，糖原的继续分解还需其他酶的参与。其他酶的参与。l糖原的降解采用磷酸解而不是水解具有重要生物学意义：糖原的降解采用磷酸解而不是水解具有重要生物学意义：（1）磷酸解使降解下的葡萄糖分子带上磷酸基团，使）磷酸解使降解下的葡萄糖分子带上磷酸基团，使其其易于进入糖酵解等葡萄糖的降解途径易于进入糖酵解等葡萄糖的降解途径.（2）磷酸解作用对肌肉细胞还有另外的优越性，生理）磷酸解作用对肌肉细胞还有另外的优越性，生理条件下，磷酸解生成的葡萄糖条件下，磷酸解生成的葡萄糖-1-磷酸以解离形式存在，磷酸以解离形式存在，而而不扩散到细胞外不扩散到细胞外。3、磷酸化酶的分子结构、磷酸化酶的分子结构l有两种磷酸化酶分别称为有两种磷酸化酶分别称为磷酸化酶磷酸化酶a和和磷酸化磷酸化酶酶b，二者都是由两个相同亚基构成的二聚体，二者都是由两个相同亚基构成的二聚体，实际上磷酸化酶实际上磷酸化酶a和磷酸化酶和磷酸化酶b是一种酶是一种酶的两的两种不同存在形式，可以互相转变。种不同存在形式，可以互相转变。l磷酸化酶是一个重要的调节酶，其催化活性需磷酸化酶是一个重要的调节酶，其催化活性需要要吡哆醛磷酸作为辅酶吡哆醛磷酸作为辅酶，AMP是磷酸化酶的是磷酸化酶的一个别构活化剂。一个别构活化剂。肾上腺素肾上腺素腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶膜受体通过腺苷酸环化酶作用途径膜受体通过腺苷酸环化酶作用途径蛋白激酶蛋白激酶（无活性）（无活性）蛋白激酶蛋白激酶（有活性）（有活性）磷酸化酶磷酸化酶a（有活性）（有活性）磷酸化酶磷酸化酶b（无活性）（无活性）糖原糖原葡萄糖葡萄糖-1-p葡萄糖葡萄糖见见P P572572图图17-1817-18磷酸化酶磷酸化酶激酶激酶（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶激酶激酶（有活性）（有活性）肾上腺素等肾上腺素等激素激素(第一信使）第一信使）与受体结合，与受体结合，激活并结合激活并结合G G蛋白，蛋白，再活化再活化腺苷酸环化酶，腺苷酸环化酶，后者催化后者催化cAMP cAMP(第二信使）生第二信使）生成；成；激活蛋白激活蛋白激酶，激酶，激活磷激活磷酸化酶激酶，酸化酶激酶，激活磷酸化酶，激活磷酸化酶，水解糖原生成水解糖原生成G-1-PG-1-P，转变成为葡萄糖。转变成为葡萄糖。ADP ATPADP ATP磷酸化酶分别称为磷酸化酶分别称为磷酸化酶磷酸化酶a a和磷酸和磷酸化酶化酶b b，二者都是，二者都是由两个相同亚基构由两个相同亚基构成的二聚体成的二聚体，实际，实际上磷酸化酶上磷酸化酶a a和磷和磷酸化酶酸化酶b b是一种酶是一种酶 的两种不同存在形的两种不同存在形式，可以互相转变。式，可以互相转变。磷酸化酶磷酸化酶4、磷酸化酶催化的反应机制、磷酸化酶催化的反应机制l有两种假设机制分别是：有两种假设机制分别是：（1）双取代机制（双取代机制（doubledisplacementmechanism）目前还不能确切的证明这一假设反应机制的正目前还不能确切的证明这一假设反应机制的正确性确性（2）氧翁离子机制氧翁离子机制X射线结构分析证明，射线结构分析证明，磷酸吡哆醛的磷酸基紧挨磷酸吡哆醛的磷酸基紧挨着磷酸化酶的活性部位，着磷酸化酶的活性部位，可能是在酶催化反应中作可能是在酶催化反应中作为酸为酸-碱催化剂起作用。碱催化剂起作用。5 5、磷酸吡哆醛是磷酸化酶的必需辅助因子、磷酸吡哆醛是磷酸化酶的必需辅助因子(二二)糖原脱支酶糖原脱支酶磷酸化酶磷酸化酶催化磷酸解作用，使糖原分子从非还原性末催化磷酸解作用，使糖原分子从非还原性末端逐个移去葡萄糖残基直至邻近糖原分子端逐个移去葡萄糖残基直至邻近糖原分子（16）-糖苷糖苷键分支点前键分支点前4个葡萄糖残基处，最后形成一个具有许多短分个葡萄糖残基处，最后形成一个具有许多短分支链的多糖分子称为支链的多糖分子称为极限糊精极限糊精.极限糊精的短分支称为极限糊精的短分支称为极限极限分支分支。它的进一步分解需要糖原脱支酶和磷酸化酶的协同。它的进一步分解需要糖原脱支酶和磷酸化酶的协同作用。作用。糖原脱支酶糖原脱支酶的肽链上，实际具有两个起不同催化作用的的肽链上，实际具有两个起不同催化作用的活性部位：活性部位：（1）糖基转移酶）糖基转移酶-转移葡萄糖残基转移葡萄糖残基（2）糖原脱支酶）糖原脱支酶-分解葡萄糖分解葡萄糖（16）-糖苷键糖苷键-1-1，4-4-糖苷键糖苷键 糖原糖原 核心核心分支点前分支点前4 4个葡萄糖残基个葡萄糖残基-1-1，4-4-糖苷键糖苷键-1-1，6-6-糖苷键糖苷键磷酸化酶磷酸化酶脱支酶脱支酶脱支酶脱支酶 糖原糖原 核心核心 糖原糖原 核心核心 糖原糖原 核心核心糖原脱支酶糖原脱支酶功能一：功能一：转移葡萄糖残基转移葡萄糖残基糖原糖原脱支酶功能二：脱支酶功能二：分解葡萄糖分解葡萄糖（1616）-糖苷键糖苷键(三三)磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶l由磷酸化酶催化糖原磷酸解的结果，使糖原由磷酸化酶催化糖原磷酸解的结果，使糖原分子的葡萄糖残基形成分子的葡萄糖残基形成葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸。而葡萄糖。而葡萄糖-1-磷酸必须转变成磷酸必须转变成葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸才有可能进入代才有可能进入代谢主流，参加糖酵解或转变成游离葡萄糖。负责谢主流，参加糖酵解或转变成游离葡萄糖。负责磷酸基团转移的酶就是磷酸基团转移的酶就是磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄磷酸葡萄糖变位酶糖变位酶催化部位催化部位丝氨酸残基丝氨酸残基CH2OPOOO(四四)葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶磷酸酶l葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶是专门水解葡萄糖磷酸酶是专门水解葡萄糖-6-磷酸的酶。其催化磷酸的酶。其催化的反应如下：的反应如下：葡萄糖葡萄糖-6-磷酸磷酸+H2O葡萄糖葡萄糖+Pi该酶存在于肝细胞该酶存在于肝细胞，肾细胞及肠细胞光滑内质网膜的内，肾细胞及肠细胞光滑内质网膜的内腔面，脑细胞和肌肉细胞都无此酶。腔面，脑细胞和肌肉细胞都无此酶。游离的葡萄糖能够迅游离的葡萄糖能够迅速地扩散出肝细胞进入血液，维持血糖浓度的稳定速地扩散出肝细胞进入血液，维持血糖浓度的稳定。葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶磷酸酶三三、糖原的生物合成糖原的生物合成l(一一)糖原生物合成的研究经历了缓慢的历程糖原生物合成的研究经历了缓慢的历程l(二二)催化糖原合成的三种酶催化糖原合成的三种酶糖原的合成通过糖原的合成通过3个步骤，包括个步骤，包括3种酶的催化作用：种酶的催化作用：1、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶葡萄糖焦磷酸化酶2、糖原合酶、糖原合酶3、糖原分支酶、糖原分支酶1、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶葡萄糖焦磷酸化酶1、UDP-葡萄糖焦磷酸化酶葡萄糖焦磷酸化酶催化催化葡萄糖葡萄糖-1-磷酸磷酸与与UTP的反应。的反应。在此反应中，葡萄糖在此反应中，葡萄糖-1-磷酸分子中的磷酸基团带负电荷的磷酸分子中的磷酸基团带负电荷的氧氧原子向原子向UTP的的-磷原子磷原子进攻，形成进攻，形成UDPG。GUDPHCH2HOOH葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸+UTPUDP-UDP-葡萄糖焦磷酸化酶葡萄糖焦磷酸化酶2、糖原合酶糖原合酶l糖原合酶糖原合酶催化的反应是将催化的反应是将UDPG上的葡萄糖分子转移上的葡萄糖分子转移到已经存在的、糖原分子的某个分支的非还原性末端上，到已经存在的、糖原分子的某个分支的非还原性末端上，其催化作用只有在其催化作用只有在糖原合酶糖原合酶与与生糖原蛋白生糖原蛋白紧紧结合在一起紧紧结合在一起时才发挥作用。时才发挥作用。l应注意的是，糖原合酶中应注意的是，糖原合酶中“合酶合酶”与与“合成酶合成酶”相区相区别，别，因为合酶在催化反应中没有因为合酶在催化反应中没有ATP直接参加反应，如若直接参加反应，如若ATP直接参加反应，则是合成酶。直接参加反应，则是合成酶。3、糖原分支酶糖原分支酶l糖原合酶糖原合酶只能催化只能催化（14）糖苷）糖苷键的形成，键的形成，生成的是直链结构，但是糖原分子带有以生成的是直链结构，但是糖原分子带有以（16）糖苷键相连的分支结构，分支的形成由）糖苷键相连的分支结构，分支的形成由另一个酶催化另一个酶催化淀粉淀粉1,41,6-转葡糖基酶，转葡糖基酶，即糖原分支酶。即糖原分支酶。糖糖原原的的合合成成小小结结糖原合酶糖原合酶四四、糖原代谢的调控糖原代谢的调控l(一一)糖原磷酸化酶的调控机制糖原磷酸化酶的调控机制(糖原分解糖原分解)l(二二)对糖原合酶的调控对糖原合酶的调控(糖原合成糖原合成)l(三三)肝脏中糖原代谢调控的特殊性肝脏中糖原代谢调控的特殊性l(四四)激素对糖原代谢的调节和激素效应的级联激素对糖原代谢的调节和激素效应的级联放大系统放大系统l(五五)G蛋白及其对激素信号的传递作用蛋白及其对激素信号的传递作用l(六六)糖原累积症糖原累积症(一一)糖原磷酸化酶的调控机制糖原磷酸化酶的调控机制l1、AMP对骨骼肌磷酸化酶的别构调节机制对骨骼肌磷酸化酶的别构调节机制l2、骨骼肌磷酸化酶激酶的控制作用、骨骼肌磷酸化酶激酶的控制作用l3、蛋白磷酸酶、蛋白磷酸酶-1的控制的控制l4、蛋白激酶、蛋白激酶A的调控作用的调控作用1、AMP对骨骼肌磷酸化酶的别构调节机制对骨骼肌磷酸化酶的别构调节机制 有活性的磷酸化酶有活性的磷酸化酶a和和无活性的磷酸化酶无活性的磷酸化酶b各自有各自有活化状态（活化状态（R状态）和钝化状态（状态）和钝化状态（T状态）两种形式。状态）两种形式。当当ATP和葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸的浓度很低，而磷酸的浓度很低，而AMP的的浓度很高时，浓度很高时，磷酸化酶磷酸化酶b由由T形式表现为形式表现为R形式即活形式即活化状态，进一步磷酸化则转变为化状态，进一步磷酸化则转变为磷酸化酶磷酸化酶a，则使，则使酶几乎完全处于活化的酶几乎完全处于活化的R状态。状态。2、骨骼肌磷酸化酶激酶的控制作用骨骼肌磷酸化酶激酶的控制作用l使磷酸化酶使磷酸化酶b磷酸化转变为磷酸化酶磷酸化转变为磷酸化酶a的酶是的酶是磷酸化激酶，该酶受到双重控制：磷酸化激酶，该酶受到双重控制：1、蛋白激酶蛋白激酶A催化磷酸化酶激酶的磷酸化催化磷酸化酶激酶的磷酸化2、Ca2+起激活剂的作用起激活剂的作用磷酸化酶磷酸化酶b b(无活性）无活性）磷酸化酶磷酸化酶a a(有活性）有活性）磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶磷酸化磷酸化3、蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶-1的控制的控制l 蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶-1又称磷蛋白磷酸酶又称磷蛋白磷酸酶1，它的作用，它的作用是从带有磷酸基团的酶分子上水解下磷酸基团。是从带有磷酸基团的酶分子上水解下磷酸基团。它和由它和由“激酶激酶”催化的磷酸化作用正好相反。磷催化的磷酸化作用正好相反。磷酸化的动态平衡正是由激酶和酸化的动态平衡正是由激酶和PP1两种酶的相互两种酶的相互作用来维持。作用来维持。l该酶受蛋白磷酸酶抑制剂的抑制，也受与其结该酶受蛋白磷酸酶抑制剂的抑制，也受与其结合的磷酸化酶合的磷酸化酶a的控制。的控制。磷酸化酶磷酸化酶b(b(无活性）无活性）磷酸化酶磷酸化酶a(a(有活性）有活性）蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶-1去磷酸化去磷酸化4、蛋白激酶蛋白激酶A的调控作用的调控作用l蛋白激酶蛋白激酶A也称为也称为cAMP-依赖性蛋白激酶，是依依赖性蛋白激酶，是依赖赖cAMP活化的蛋白激酶，是一种关键的调节酶。活化的蛋白激酶，是一种关键的调节酶。它催化许多酶蛋白的它催化许多酶蛋白的磷酸化磷酸化，其中，其中包括磷酸化酶包括磷酸化酶激酶和糖原合酶激酶和糖原合酶，而它的活性要绝对的需要，而它的活性要绝对的需要cAMP。(二二)对糖原合酶的调控对糖原合酶的调控l糖原合酶糖原合酶和和磷酸化酶磷酸化酶相似，在生理条件下也可相似，在生理条件下也可以两种互相转化的形式出现，一种是磷酸化的形以两种互相转化的形式出现，一种是磷酸化的形式，另一种是非磷酸化的形式。式，另一种是非磷酸化的形式。l糖原合酶糖原合酶在生理条件下几乎是完全没有活性在生理条件下几乎是完全没有活性的，糖原合酶的活性情况可以认为主要随未磷酸的，糖原合酶的活性情况可以认为主要随未磷酸化的化的糖原合酶糖原合酶a所处的状态而改变。所处的状态而改变。(四四)激素对糖原代谢的调节和激素效激素对糖原代谢的调节和激素效应的级联放大系统应的级联放大系统l1、肾上腺素和胰高血糖素对糖原代谢的调控、肾上腺素和胰高血糖素对糖原代谢的调控（升高血糖）（升高血糖）肝脏中的糖原代谢主要受胰高血糖素的调控，作用于细胞表面，刺激肝脏中的糖原代谢主要受胰高血糖素的调控，作用于细胞表面，刺激腺苷酸环化酶活化。腺苷酸环化酶活化。肾上腺素肾上腺素膜受体膜受体G蛋白蛋白腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶ATPcAMPl2、胰岛素对糖原代谢的调控、胰岛素对糖原代谢的调控（降低血糖）（降低血糖）（1）胰岛素的作用）胰岛素的作用胰岛素的作用主要是刺激糖原合成。胰岛素的作用主要是刺激糖原合成。（2）胰岛素缺乏和糖尿病）胰岛素缺乏和糖尿病糖尿病的临床症状是血和尿中的葡萄糖含量超出正常范围，直接原糖尿病的临床症状是血和尿中的葡萄糖含量超出正常范围，直接原因是由于血中胰岛素的含量不足。因是由于血中胰岛素的含量不足。糖原合酶糖原合酶磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶