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1、第26章 糖原的分解和生物合成,(Catabolism and biosynthesis of glycogen),一、糖原的生物学意义 二、糖原的降解 三、糖原的生物合成 四、糖原代谢的调控,人对食物中淀粉或糖原的消化吸收,人从食物中摄入大量的淀粉（starch）和少量的糖原。唾液和胰液中含有淀粉酶，可以降解摄入的淀粉或糖原，并在脱支酶和麦芽糖酶的参与下，将这些多糖分子彻底降解成葡萄糖，葡萄糖被小肠吸收。 淀粉酶只存在于植物和微生物中。 淀粉酶是内切酶，淀粉酶是外切酶。,和淀粉酶对糖原或淀粉的水解,还原端,一、糖原的生物学意义,糖原是贮存能量的、容易动员的多糖。当机体细胞中能量充足时，细胞即
2、将葡萄糖合成糖原将能量贮存起来；当能量供应不足时，贮存的糖原即降解为葡萄糖，通过呼吸途径产生ATP。因此糖原是生物体所需能量的贮存库。,二、糖原的降解,糖原以颗粒状存在于细胞溶胶中，其颗粒直径大小不等，约为1040nm。每个糖原颗粒含有的葡萄糖分子可高达12万。颗粒中还含有催化糖原合成和降解的酶以及调节蛋白。 机体贮存糖原的器官主要是肝脏和肌肉，在需要时肝脏中的糖原可以降解成葡萄糖，进入血液，运送到全身各处；肌肉中的糖原主要提供肌肉运动的需要。脑在正常情况下只利用葡萄糖作为能源，每天的需要量约为120g。脑中只有少量的糖原，脑所需的葡萄糖要从血糖源源不断地供应。,糖原的降解过程,细胞中催化糖原
3、降解的是磷酸化酶，它催化糖原发生磷酸解反应，从糖原的非还原端逐个磷酸解下葡萄糖-1-磷酸，葡萄糖-1-磷酸再经磷酸葡萄糖变位酶催化产生葡萄糖-6-磷酸。糖原经磷酸化酶单独作用的最终产物是许多葡萄糖-1-磷酸和极限糊精。但磷酸化酶不能水解（16）糖苷键，而糖原脱支酶可以水解（16）糖苷键，磷酸化酶和糖原脱支酶共同作用，可以使糖原完全降解。,糖原的磷酸解作用,键断裂 的位置,糖原磷酸化酶,磷酸化酶（phosphorylase）由两个相同亚基组成，每个亚基的Ser14是磷酸化位点，被磷酸化酶激酶催化磷酸化后激活，此时称为磷酸化酶a；磷酸化酶a被磷酸酶催化脱磷酸后失去活性，此时称为磷酸化酶b。磷酸化酶
4、的催化作用需要磷酸吡哆醛作为辅基。,糖原脱支酶,糖原脱支酶在同一肽链上有两种酶活性，属于双功能酶。它能将极限分支4个葡萄糖残基中的3个转移到另一个分支的非还原性末端上，然后再水解下最后一个分支的葡萄糖，这一步水解的是（16）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,活化的磷酸葡萄糖变位酶的丝氨酸残基上带有一个磷酸基团，在催化反应时，这个磷酸基团转移到葡萄糖-1-磷酸的6位羟基上，形成葡萄糖-1,6-二磷酸中间体，然后1位的磷酸再转移到酶的丝氨酸上，酶恢复原状，葡萄糖-1,6-二磷酸转变成了葡萄糖-6-磷酸。,葡萄糖-6-磷酸酶,葡萄糖-6-磷酸酶位于肝、肾及肠细胞的光滑内质网
5、的膜上，活性部位朝向内侧。此酶能将进入内质网的葡萄糖-6-磷酸水解成葡萄糖和无机磷酸，葡萄糖通过葡萄糖运载蛋白运出肝细胞进入血液。,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UDPG的结构,早先认为糖原合成是糖原降解的逆反应，后来发现糖原合成与糖原降解的反应步骤完全不同，合成糖原的前体是UDP葡萄糖（UDPG），它是葡萄糖的活化形式。,UDPG 的空间充填模型,葡萄糖,形成UDPG,形成UDPG反应的能量变化,葡萄糖-1-磷酸与UTP反应生成UDPG和焦磷酸的反应的自由能变化G接近于零，本属可逆反应，但实际上焦磷酸的随后水解释放出大量的能量，使得反应的总G =
6、 2531kJ/mol，致使该反应成为不可逆。,糖原合成,糖原合酶,糖原合成的引物,糖原合酶催化的反应是将UDPG上的葡萄糖转移到已存在的糖原分子的某个分支的非还原末端上，这个已经存在的糖原分子可以称为“引物（primer）”。最初起引物作用的是一种分子量为37kD的特殊蛋白质，这种蛋白质叫“生糖原蛋白或糖原引物蛋白”。这种蛋白分子上带有一个由（14）糖苷键连接的寡聚葡萄糖分子，它的第一个葡萄糖以共价键连接到蛋白质的特定酪氨酸残基上。,生糖原蛋白的自动催化作用,生糖原蛋白具有自动催化作用，可催化大约8个葡萄糖单位连接到自身的酪氨酸残基上，其寡糖链的前体也是UDPG。生糖原蛋白实际上形成了糖原的
7、核心。糖原合酶必须与生糖原蛋白相互作用才有糖原合成的活性，糖原合酶一旦与生糖原蛋白脱离，即不再行使糖原合成的功能。,形成糖原分支,糖原分支酶,糖原合成的能量变化,在糖原上每加上一个葡萄糖残基，需要消耗一个UTP。 糖原分支反应不需要提供能量，因为（14）糖苷键水解释放出的能量比形成（16）糖苷键所需的能量大（约2倍）。,四、糖原代谢的调控,在糖原代谢中，糖原磷酸化酶和糖原合酶的活性受到严格的调控。当磷酸化酶活性高时，糖原合酶几乎没有活性，反之亦然。这两种酶都受到效应物的别构调控，这些别构效应物有ATP、葡萄糖-6-磷酸、AMP等。在肌肉中，糖原磷酸化酶受AMP的活化，受ATP和G6P及葡萄糖的
8、抑制；而糖原合酶却受ATP和G6P的活化。,糖原磷酸化酶的调控机制,磷酸化酶a是经磷酸化修饰的活性状态酶，它有两种存在状态，即活化的R态和不活化的T态，平衡远远地偏向R态；而磷酸化酶b是脱磷酸的非活性状态，它也有两种存在状态，即活化的R态和非活化的T态，但平衡远远地偏向T态。AMP能使T态的磷酸化酶b转变成R态，从而活性提高，ATP使R态的磷酸化酶b转变为T态，抑制酶活性。,磷酸化酶a和b活性的调控,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,磷蛋白磷酸酶1（phosphoprotein phospha-tase，PP1）可以水解磷酸化酶a上的磷酸基团，使之转变成磷酸化酶b。PP
9、1如果与蛋白磷酸酶抑制剂结合，其活性就受到抑制。这种抑制剂受cAMP依赖性蛋白激酶（蛋白激酶A）催化的磷酸化而激活，并由PP1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,血糖浓度直接控制肝脏中糖原代谢相关酶的活性，肝脏中的磷酸化酶a是葡萄糖浓度的感受器。葡萄糖与磷酸化酶a结合后，使磷酸化酶a从活化状态（R型）转变为钝化状态（T型），将酶分子第14位Ser上的磷酸基团暴露给PP1，PP1实际上是与磷酸化酶a紧密结合在一起的。当磷酸化酶a的磷酸基团被水解而变成磷酸化酶b后，PP1被释放，游离态的PP1又成为活化糖原合酶的工具，它将无活性的糖原合酶b上的磷酸基团水解，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,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,胰高血糖素或,胰岛素对糖原代谢酶活性的调控,几种糖原累积症,见 P194 表26-1,