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1、生物化学第26章糖原的分解和生物合成Stillwatersrundeep.流静水深流静水深,人静心深人静心深Wherethereislife,thereishope。有生命必有希望。有生命必有希望人对食物中淀粉或糖原的消化吸收 人人从从食食物物中中摄摄入入大大量量的的淀淀粉粉（starch）和和少少量量的的糖糖原原。唾唾液液和和胰胰液液中中含含有有淀淀粉粉酶酶，可可以以降降解解摄摄入入的的淀淀粉粉或或糖糖原原，并并在在脱脱支支酶酶和和麦麦芽芽糖糖酶酶的的参参与与下下，将将这这些些多多糖糖分分子子彻彻底底降降解解成成葡葡萄萄糖糖，葡葡萄萄糖糖被被小肠吸收。小肠吸收。 淀粉酶只存在于植物和微生物中
2、。淀粉酶只存在于植物和微生物中。 淀粉酶是内切酶，淀粉酶是内切酶，淀粉酶是外切酶。淀粉酶是外切酶。 和淀粉酶对糖原或淀粉的水解还原端还原端一、糖原的生物学意义 糖糖原原是是贮贮存存能能量量的的、容容易易动动员员的的多多糖糖。当当机机体体细细胞胞中中能能量量充充足足时时，细细胞胞即即将将葡葡萄萄糖糖合合成成糖糖原原将将能能量量贮贮存存起起来来；当当能能量量供供应应不不足足时时，贮贮存存的的糖糖原原即即降降解解为为葡葡萄萄糖糖，通通过过呼呼吸吸途途径径产产生生ATP。因此糖原是生物体所需能量的贮存库。因此糖原是生物体所需能量的贮存库。 二、糖原的降解 糖糖原原以以颗颗粒粒状状存存在在于于细细胞胞溶
3、溶胶胶中中，其其颗颗粒粒直直径径大大小小不不等等，约约为为1040nm。每每个个糖糖原原颗颗粒粒含含有有的的葡葡萄萄糖糖分分子子可可高高达达12万万。颗颗粒粒中中还还含含有有催催化化糖糖原原合合成成和降解的酶以及调节蛋白。和降解的酶以及调节蛋白。 机机体体贮贮存存糖糖原原的的器器官官主主要要是是肝肝脏脏和和肌肌肉肉，在在需需要要时时肝肝脏脏中中的的糖糖原原可可以以降降解解成成葡葡萄萄糖糖，进进入入血血液液，运运送送到到全全身身各各处处；肌肌肉肉中中的的糖糖原原主主要要提提供供肌肌肉肉运运动动的的需需要要。脑脑在在正正常常情情况况下下只只利利用用葡葡萄萄糖糖作作为为能能源源，每每天天的的需需要要
4、量量约约为为120g。脑脑中中只只有有少少量量的的糖糖原原，脑脑所需的葡萄糖要从血糖源源不断地供应。所需的葡萄糖要从血糖源源不断地供应。 糖原的降解过程 细细胞胞中中催催化化糖糖原原降降解解的的是是磷磷酸酸化化酶酶，它它催催化化糖糖原原发发生生磷磷酸酸解解反反应应，从从糖糖原原的的非非还还原原端端逐逐个个磷磷酸酸解解下下葡葡萄萄糖糖-1-磷磷酸酸，葡葡萄萄糖糖-1-磷磷酸酸再再经经磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖变变位位酶酶催催化化产产生生葡葡萄萄糖糖-6-磷磷酸酸。糖糖原原经经磷磷酸酸化化酶酶单单独独作作用用的的最最终终产产物物是是许许多多葡葡萄萄糖糖-1-磷磷酸酸和和极极限限糊糊精精。但但磷磷酸酸化化
5、酶酶不不能能水水解解（16）糖糖苷苷键键，而而糖糖原原脱脱支支酶酶可可以以水水解解（16）糖糖苷苷键键，磷磷酸酸化化酶酶和和糖糖原原脱脱支支酶酶共共同作用，可以使糖原完全降解。同作用，可以使糖原完全降解。 糖原的磷酸解作用键断裂键断裂的位置的位置糖原磷酸化酶 磷磷酸酸化化酶酶（phosphorylase）由由两两个个相相同同亚亚基基组组成成，每每个个亚亚基基的的Ser14是是磷磷酸酸化化位位点点，被被磷磷酸酸化化酶酶激激酶酶催催化化磷磷酸酸化化后后激激活活，此此时时称称为为磷磷酸酸化化酶酶a；磷磷酸酸化化酶酶a被被磷磷酸酸酶酶催催化化脱脱磷磷酸酸后后失失去去活活性性，此此时时称称为为磷磷酸酸化
6、化酶酶b。磷磷酸酸化化酶酶的的催催化化作作用用需需要要磷酸吡哆醛作为辅基。磷酸吡哆醛作为辅基。 糖原脱支酶 糖糖原原脱脱支支酶酶在在同同一一肽肽链链上上有有两两种种酶酶活活性性，属属于于双双功功能能酶酶。它它能能将将极极限限分分支支4个个葡葡萄萄糖糖残残基基中中的的3个个转转移移到到另另一一个个分分支支的的非非还还原原性性末末端端上上，然然后后再再水水解解下下最最后后一一个个分分支支的的葡葡萄萄糖糖，这这一一步步水水解解的的是是（16）糖苷键，产物是葡萄糖。）糖苷键，产物是葡萄糖。 脱支酶催化的反应磷酸葡萄糖变位酶 活活化化的的磷磷酸酸葡葡萄萄糖糖变变位位酶酶的的丝丝氨氨酸酸残残基基上上带带有
7、有一一个个磷磷酸酸基基团团，在在催催化化反反应应时时，这这个个磷磷酸酸基基团团转转移移到到葡葡萄萄糖糖-1-磷磷酸酸的的6位位羟羟基基上上，形形成成葡葡萄萄糖糖-1,6-二二磷磷酸酸中中间间体体，然然后后1位位的的磷磷酸酸再再转转移移到到酶酶的的丝丝氨氨酸酸上上，酶酶恢恢复复原原状状，葡葡萄萄糖糖-1,6-二二磷磷酸酸转转变变成了葡萄糖成了葡萄糖-6-磷酸。磷酸。 葡萄糖-6-磷酸酶 葡葡萄萄糖糖-6-磷磷酸酸酶酶位位于于肝肝、肾肾及及肠肠细细胞胞的的光光滑滑内内质质网网的的膜膜上上，活活性性部部位位朝朝向向内内侧侧。此此酶酶能能将将进进入入内内质质网网的的葡葡萄萄糖糖-6-磷磷酸酸水水解解成
8、成葡葡萄萄糖糖和和无无机机磷磷酸酸，葡葡萄萄糖糖通通过过葡葡萄萄糖糖运运载载蛋蛋白白运运出出肝肝细细胞胞进进入入血液。血液。 葡萄糖-6-磷酸酶的膜定位及其催化的反应三、糖原的生物合成糖原合成的前体糖原合成的前体UDPG的结构的结构 早早先先认认为为糖糖原原合合成成是是糖糖原原降降解解的的逆逆反反应应，后后来来发发现现糖糖原原合合成成与与糖糖原原降降解解的的反反应应步步骤骤完完全全不不同同，合合成成糖糖原原的的前前体体是是UDP葡葡萄萄糖糖（UDPG），它它是葡萄糖的活化形式。是葡萄糖的活化形式。 UDPG 的空间充填模型葡萄糖葡萄糖形成UDPG形成UDPG反应的能量变化 葡葡萄萄糖糖-1-磷
9、磷酸酸与与UTP反反应应生生成成UDPG和和焦焦磷磷酸酸的的反反应应的的自自由由能能变变化化G接接近近于于零零，本本属属可可逆逆反反应应，但但实实际际上上焦焦磷磷酸酸的的随随后后水水解解释释放放出出大大量量的的能能量量，使使得得反反应应的的总总G = 2531kJ/mol，致致使使该反应成为不可逆。该反应成为不可逆。 糖原合成糖原合酶糖原合酶糖原合成的引物 糖糖原原合合酶酶催催化化的的反反应应是是将将UDPG上上的的葡葡萄萄糖糖转转移移到到已已存存在在的的糖糖原原分分子子的的某某个个分分支支的的非非还还原原末末端端上上，这这个个已已经经存存在在的的糖糖原原分分子子可可以以称称为为“引引物物（p
10、rimer）”。最最初初起起引引物物作作用用的的是是一一种种分分子子量量为为37kD的的特特殊殊蛋蛋白白质质，这这种种蛋蛋白白质质叫叫“生生糖糖原原蛋蛋白白或或糖糖原原引引物物蛋蛋白白”。这这种种蛋蛋白白分分子子上上带带有有一一个个由由（14）糖糖苷苷键键连连接接的的寡寡聚聚葡葡萄萄糖糖分分子子，它它的的第第一一个个葡葡萄萄糖糖以以共共价价键键连连接接到到蛋蛋白质的特定酪氨酸残基上。白质的特定酪氨酸残基上。生糖原蛋白的自动催化作用 生生糖糖原原蛋蛋白白具具有有自自动动催催化化作作用用，可可催催化化大大约约8个个葡葡萄萄糖糖单单位位连连接接到到自自身身的的酪酪氨氨酸酸残残基基上上，其其寡寡糖糖链
11、链的的前前体体也也是是UDPG。生生糖糖原原蛋蛋白白实实际际上上形形成成了了糖糖原原的的核核心心。糖糖原原合合酶酶必必须须与与生生糖糖原原蛋蛋白白相相互互作作用用才才有有糖糖原原合合成成的的活活性性，糖糖原原合合酶酶一一旦旦与与生生糖糖原原蛋蛋白白脱脱离离，即不再行使糖原合成的功能。即不再行使糖原合成的功能。 形成糖原分支糖原分支酶糖原分支酶糖原合成的能量变化 在在糖糖原原上上每每加加上上一一个个葡葡萄萄糖糖残残基基，需需要要消消耗一个耗一个UTP。 糖糖原原分分支支反反应应不不需需要要提提供供能能量量，因因为为（14）糖糖苷苷键键水水解解释释放放出出的的能能量量比比形形成成（16）糖苷键所需
12、的能量大（约）糖苷键所需的能量大（约2倍）。倍）。 四、糖原代谢的调控 在在糖糖原原代代谢谢中中，糖糖原原磷磷酸酸化化酶酶和和糖糖原原合合酶酶的的活活性性受受到到严严格格的的调调控控。当当磷磷酸酸化化酶酶活活性性高高时时，糖糖原原合合酶酶几几乎乎没没有有活活性性，反反之之亦亦然然。这这两两种种酶酶都都受受到到效效应应物物的的别别构构调调控控，这这些些别别构构效效应应物物有有ATP、葡葡萄萄糖糖-6-磷磷酸酸、AMP等等。在在肌肌肉肉中中，糖糖原原磷磷酸酸化化酶酶受受AMP的的活活化化，受受ATP和和G6P及及葡葡萄萄糖糖的的抑抑制制；而糖原合酶却受而糖原合酶却受ATP和和G6P的活化。的活化。
13、 糖原磷酸化酶的调控机制 磷磷酸酸化化酶酶a是是经经磷磷酸酸化化修修饰饰的的活活性性状状态态酶酶，它它有有两两种种存存在在状状态态，即即活活化化的的R态态和和不不活活化化的的T态态，平平衡衡远远远远地地偏偏向向R态态；而而磷磷酸酸化化酶酶b是是脱脱磷磷酸酸的的非非活活性性状状态态，它它也也有有两两种种存存在在状状态态，即即活活化化的的R态态和和非非活活化化的的T态态，但但平平衡衡远远远远地地偏偏向向T态态。AMP能能使使T态态的的磷磷酸酸化化酶酶b转转变变成成R态态，从从而而活活性性提提高高，ATP使使R态态的的磷磷酸酸化酶化酶b转变为转变为T态，抑制酶活性。态，抑制酶活性。 磷酸化酶a和b活
14、性的调控糖原代谢酶的共价修饰调节磷蛋白磷酸酶1的作用及其抑制剂 磷磷蛋蛋白白磷磷酸酸酶酶1（phosphoprotein phospha-tase，PP1）可可以以水水解解磷磷酸酸化化酶酶a上上的的磷磷酸酸基基团团，使使之之转转变变成成磷磷酸酸化化酶酶b。PP1如如果果与与蛋蛋白白磷磷酸酸酶酶抑抑制制剂剂结结合合，其其活活性性就就受受到到抑抑制制。这这种种抑抑制制剂剂受受cAMP依依赖赖性性蛋蛋白白激激酶酶（蛋蛋白白激激酶酶A）催催化化的的磷酸化而激活，并由磷酸化而激活，并由PP1去磷酸化而失活。去磷酸化而失活。 糖原代谢酶的共价修饰调节PP1血糖对肝脏糖原代谢的调控 血血糖糖浓浓度度直直接接
15、控控制制肝肝脏脏中中糖糖原原代代谢谢相相关关酶酶的的活活性性，肝肝脏脏中中的的磷磷酸酸化化酶酶a是是葡葡萄萄糖糖浓浓度度的的感感受受器器。葡葡萄萄糖糖与与磷磷酸酸化化酶酶a结结合合后后，使使磷磷酸酸化化酶酶a从从活活化化状状态态（R型型）转转变变为为钝钝化化状状态态（T型型），将将酶酶分分子子第第14位位Ser上上的的磷磷酸酸基基团团暴暴露露给给PP1，PP1实实际际上上是是与与磷磷酸酸化化酶酶a紧紧密密结结合合在在一一起起的的。当当磷磷酸酸化化酶酶a的的磷磷酸酸基基团团被被水水解解而而变变成成磷磷酸酸化化酶酶b后后，PP1被被释释放放，游游离离态态的的PP1又又成成为为活活化化糖糖原原合合酶酶的的工工具具，它它将将无无活活性性的的糖糖原原合合酶酶b上上的的磷磷酸酸基团水解，使之成为有活性的糖原合酶基团水解，使之成为有活性的糖原合酶a。 肾上腺素或胰高血糖素对PP1活性的调控胰高血糖素胰高血糖素（肝脏中）（肝脏中）（肌肉中）（肌肉中）（无活性）（无活性）肾上腺素或胰高血糖素对磷酸化酶及糖原合酶活性的调控胰高血糖素胰高血糖素或或胰岛素对糖原代谢酶活性的调控几种糖原累积症见见 P194 表表26-1
