课件：糖原代谢及其调控.ppt

1,LW-1,代谢调节原则：糖原代谢,- 糖原是动物和细菌内糖的贮存形式 以颗粒状存在于胞质中(55k Glc & 2k非还原端) 含有合成、降解酶和调节蛋白 - 糖原贮备的生物学意义：可迅速动用以供急需 (尤其是大脑和红细胞等),- 主要贮存器官：肝脏和肌肉 肝糖原(10% DM) 血糖的主要来源 肌糖原(12% DM) 肌肉剧烈收缩时供能,(0.01 M Glycogen 0.4M Glc),2,15-3,- Ionized G1P cant diffuse out of cell - Glc is phosphorylated: no ATP needs to be consumed to permit entry into glycolysis,= removal of a terminal Glc residue from the nonreducing end of a glycogen by glycogen phosphorylase,1. 糖原分解,游离异头C (还原端),- 该过程可重复进 行至离某个分支 点相隔 4 Glc - 支链淀粉亦可在 淀粉磷酸化酶的 作用下以类似的 方式降解,磷酸解使糖苷键的部分能量被保存在形成的磷酸酯键中,糖原磷酸化酶 断裂(14),3,G15.15,Structure of Glycogen Phosphorylase,monomer (842 AA),dimer,别构剂结合点,与另一亚基的别构部位接触,糖原颗粒结合位点,催化部位,辅基磷酸吡哆醛(PLP)共价结合于Lys680，其磷酰基以广义酸-碱催化方式促进Pi攻击 (14)糖苷键 (cf. Fig. 13-5),PLP,磷酸化位点： 高活性a型 磷酸化 低活性b型 去磷酸化,自学,4,15-4,- G6P去路 肝、肾细胞中水解成Glc 脑、肌细胞中直接进入酵解 (without G6Pase) - 糖原颗粒不会被完全分解， 一般是分支减少/分子变小, 糖原脱分支,G1P,phospho- glucomutase,activity 1 = 糖基转移酶,activity 2 = (16)糖苷酶,G6P,- Product of glycogen degradation = G1P (85%) & free Glc (15%) - Debranching enzyme = bifunctional enzyme (as PFK-2),磷酸葡糖变位酶,脱支酶,5,15-5, 磷酸葡糖变位酶作用机制,- 该酶需以活性位点的Ser 残基已被磷酸化的形式 参与反应,- 先由酶将其磷酰基转移 给G1P而生成G-1,6-BP,- 再由G-1,6-BP将其C1位 磷酰基转移给酶并释出 G6P,(cf. phosphoglycerate mutase with His in Glycolosis ),自学,(cf. Fig. 13-7),6,15-6, 肝糖元降解可以补充血糖,内质网腔,G6P酶仅存在于肝脏和肾脏，为内质网膜上的整合蛋白(可能有九个跨膜螺旋区段)，活性点位于腔内侧(why?),毛细血管,Glc质膜载体,T1/G6P酶的任一遗传缺失均将导致糖原代谢紊乱并最终引发Ia型糖原贮积病,自学,7,H13.4,- High Pi in cell favors glycogen breakdown & prevents from glycogen synthesis in vivo. - Needs another way to activate Glc for transferring to glycogen chain.,磷酸葡糖变位酶,UDP-Glc 焦磷酸化酶,2. 糖原合成,糖原合酶,糖原代谢中Glc激活方式不同： - 降解时磷酸解成G1P - 合成时核苷酰化成UDP-Glc,Luis Leloir 1906-1987 1970 NP in Chem.,UDP-Glc,much better leaving group,8,15-7,- 核苷二磷酸糖在寡糖和多糖 的生物合成中作为糖基供体 - UDP-Glc for glycogen synthesis in animals - ADP-Glc for starch synthesis in plants and glycogen synthesis in bacteria,= O on the sugar phosphate attacking nucleophilicly P of NTP and displacing PPi, which hydrolysis pulling the reaction forward and irreversibly, 核苷二磷酸糖/糖核苷酸的形成,核苷二磷酸糖焦磷酸化酶,(无机)焦磷酸酶,Go = -2027 kJ/mol,Go 0 kJ/mol,自学,9,15-8, Glycogen synthesis,= glycogen chain elongated by glycogen synthase,transferring the Glc residue from UDP-Glc to the nonreducing end of a glycogen branch to make a new (14) linkage,directly adding to a chain like this, or needing a primer with at least 8/6 Glc residues,糖原合酶不能从头开始而将两个游离的UDP-Glc直接连接起来,Go = -13.4 kJ/mol,10,15-9, Branch synthesis in glycogen,糖原分支酶,糖原分支酶从一段至少有11 Glc残基的分支上转移67个残基给该分支或邻近分支还原端某个残基的C6上以形成新的分支,断裂(14)键,形成(16)键,糖原分支的生物学意义 - 增加糖原的可溶性 - 增加非还原端数量,=,11,20-16(3rd),- 除了活化底物是ADP-Glc之 外，合成机制与糖原的类似,ADP-Glc 焦磷酸化酶, Starch synthesis,淀粉合酶,自学,12,20-14, 由糖原生成(起始)蛋白开始的糖原颗粒形成,= 引发蛋白+葡糖基转移酶,葡糖基转移活性,转移酶与糖原合酶结合,糖原合酶活性,合酶与分支酶活性,Glycogen core,葡糖基延长活性,自学,13,15-11,在葡糖基转移酶活性作用下，Tyr194-OH亲核攻击UDP-Glc的C1而生成糖基化的Tyr (非还原末端) 非还原末端Glc的C4-OH对另一UDP-Glc亲核攻击以形成(14)糖苷键 达到8个残基后由糖原合酶继续延长及分支, 糖原生成(起始)蛋白反应机制,-,-,-,自学,14,15-10, Muscle glycogenin (dimer),UDP-Glc, bound to Mn2+ through its phosphates,Tyr194,Asp162,本单体Asp162先亲核攻击形成过渡态中间物,另一单体Tyr194再亲核攻击完成反应,用作e对受体以稳定离去基团UDP,自学,2019/4/20,15,可编辑,16,LW-2,小结：糖原代谢, 糖原以颗粒形式储存于肌肉和肝脏，颗粒中还含有 糖原代谢及调节的各种酶, 糖原磷酸化酶催化糖原链非还原端残基磷酸解断裂 (14)键而生成G1P，去分支酶将分支转移到主链 并以游离Glc形式释出(16)分支点残基, 磷酸葡糖变位酶催化G1P和G6P相互转化，后者在 肌细胞中可直接进入酵解，或在肝脏中被内质网的 G6P酶水解成Glc后释出以补充血糖, 在糖原合酶催化下，UDP-Glc将糖基转移到糖原链非 还原端上，分支酶则可在分支点处形成(16)连接, 新糖原合成起始于UDP-Glc的葡糖基与糖原生成起始 蛋白的Tyr残基间糖苷键的自我催化形成，随后连续 添加7 Glc残基形成引物，后者再由糖原合酶催化延长,17,15-13, 酶活性具有多种调节方式 - 增减酶分子数量 - 改变酶分子活力,3. 糖原降解与合成的协同调节,(eg. Hexokinase IV),18,15-14, 蛋白质(酶)的磷酸化与去磷酸化,- 对已有酶分子进行共价修饰 的调节作用通常要快得多,- 其他共价修饰如腺苷酰化、 甲基化、糖基化和酯化等,- 蛋白激酶通常与相应的磷酸 蛋白磷酸酶配套作用(复原),- 和酶调节相似，共价修饰 也常常由某些细胞外信号所 触发，例如激素和生长因子,真核类1/2的蛋白质在某些条件下均可磷酸化,19,15-24, 糖原磷酸化酶的共价修饰,胰高血糖素,肾上腺素,- 在高活性的磷酸化酶 a中， 各亚基的特定Ser14残基 均被磷酸化 - 被磷酸化酶 a磷酸酶去磷 酸化后即转变为低活性的 磷酸化酶 b (失活)；后者 可经由磷酸化酶 b激酶的 磷酸化作用而被重新激活 - 糖原合酶的共价修饰与之 相似但活化形式相反，故 磷酸化时糖原分解加速而 糖原合成被抑制(合酶 a 低活性)，去磷酸化时则 分解被抑制而合成加速 (合酶 b高活性),(cf. p360),20,15-25, 肾上腺素和胰高血糖素作用的级联反应机制,- 两者分别结合于肌细胞和 肝细胞外表的特殊受体而 激活GTP结合蛋白Gs,级联放大反应,- 最终导致糖原降解进而 提供能量(肌肉)和升高 血糖(肝脏),肌细胞,肝细胞,no G6Pase,(cf. Fig. 13-18),21,15-26,肝糖原磷酸化酶 a 对Glc敏感：结合在其别构部位的Glc可诱发构象变化，使被磷酸化的Ser残基暴露于磷酸化酶 a 磷酸酶的作用下，后者可将高活性的磷酸化酶 a 转变成低活性的磷酸化酶 b 以适应高血糖, 肝糖原磷酸化酶的别构调节,血糖升高,(cf. Fig. 13-11),R state (Arg569),T state (Asp238),22,15-17, 己糖激酶 (葡糖激酶)的核隔离调节,4. 糖酵解与糖异生的协同调节,肝细胞,- 血糖升高时Glc即可经由GLUT2 快速进入肝细胞与F6P竞争解除 调节蛋白的抑制激活己糖激酶 加速G6P的生成促进糖原合成,- 血糖降至 5 mM时，Glc不足 以与F6P竞争后者触发调节蛋 白对己糖激酶的抑制肝细胞 不与其他器官竞争短缺的血糖,G1P,Glycogen,Hexokinase IV - Km high 10 mmol - with regulator protein - not inhibited by G6P,23,15-18a, 磷酸果糖激酶-1,PFK-1催化的反应是Glc进入酵解之关键(不可逆),同型四聚体 (E. coli),二聚体模型,催化位点,别构调节位点,ADP,F-1,6-BP,ADP,自学,24,15-18b/c, 磷酸果糖激酶-1的调节,- ATP/柠檬酸升高可别构 抑制PFK-1活性而降低该 酶对F6P的亲和性,- AMP/ADP升高则能解除 ATP对PFK-1的别构抑制,- F-2,6-BP是PFK-1最重要 的别构激活剂,(cf. p291),25,15-19, 丙酮酸激酶的调节,前馈激活,反馈抑制,蛋白激酶 A,蛋白磷酸酶,该机制仅作用于L-型同工酶,脊椎动物至少发现有三种同工酶，分别存在于肝脏(L)和肌肉(M)等肝外组织,-,低血糖,将Glc调剂给大脑等组织,26,15-22c,- F-2,6-BP为PFK-1和FBPase-1 的别构效应剂，可同时介导反向 调节以加速糖酵解而抑制糖异生,果糖二磷酸酶-1,磷酸果糖激酶-1, F-2,6-BP是糖酵解和 糖异生的高效调节剂,27,15-23,- F-2,6-BP仅为调节剂，浓度 取决于其形成和降解的速率,磷酸果糖激酶-2,果糖二磷酸酶-2,Bifunctional Enz,- PFK-2