十三章 糖原代谢和糖异生作用

第十三章 糖原代谢和糖异生作用,糖原以及淀粉是葡萄糖的贮存形式。在动物体内，葡萄糖的稳定供应对于脑和红细胞等组织或细胞来说是必需的，因为这些组织或细胞所需的能量几乎完全依赖于葡萄糖的氧化。贮存糖原的降解（主要发生在肝脏中）可以为组织或细胞提供对葡萄糖部分需要。当葡萄糖很丰富时，葡萄糖便会很快地以糖原的形式贮存起来。然而，肝脏贮存糖原的能力仅能满足脑对葡萄糖需要的一半。机体所需的大部分葡萄糖则通过葡萄糖的异生作用从非糖前体提供。葡萄糖的合成，贮存以及通过糖酵解或磷酸戊糖途径的分解代谢都是受到有效的调节，以满足于机体对能量的短期和长期的需要。,131出了葡萄糖的代谢利用。由葡萄糖经己糖激酶催化或者经糖原降解或糖异生作用产生的葡萄糖6磷酸是一个关键的分支点，它有几种可能的去向：可被利用合成糖原，也可以经酵解作用产生ATP和进一步经柠檬酸循环氧化所需的丙酮酸； 它可以进入磷酸戊糖途径产生NADH和5磷酸核糖； 在肝脏中，葡萄糖6磷酸可以转变成葡萄糖，后者经血液输送到其他组织。,第一节 糖原的降解,糖原是由D葡萄糖聚合而成的、有分支的大分子物质。葡萄糖与葡萄糖以1,4-糖苷键连结形成线性聚合物，并在分支点上以-1,6-糖苷键形成分支(图13-2)。支链糖链一般含有814个以1,4-糖苷键聚合的残基。糖原分子只有一个还原性末端，因此，糖原的高度分支的结构极大地增多糖原降解与合成的作用点，有利于提高糖原降解与合成的速度。,一、糖原磷酸化酶催化糖原的降解,糖原磷酸化酶催化糖原磷酸解产生葡萄糖1磷酸和缩短一个糖残基的糖原（图133）。这一反应是从糖原的非还原性末端开始，可以连续进行，直到离分支点约45个残基处。如果当释放贮存葡萄糖的酶缺失时，则不能为糖酵解提供葡萄糖以维持机体对ATP的需要。,二、糖原磷酸化酶的结构和作用机制,糖原磷酸化酶是由两个相同的亚基构成的二聚体，每个亚基由842个氨基酸残基组成。糖原磷酸化酶高解析度的X射线结构分析表明，每个亚基都有一个大的N端结构域（484个残基）和一个小的C端结构域（图134）。N端域包含磷酸化部位、别构效应物部位、糖原结合部位（也叫糖原贮存部位）以及二聚体亚基间的相互作用部位，每个亚基的塔式螺旋以反平行的交互方式相互作用。催化部位位于亚基的中间。,三、糖原脱支酶,糖原脱支酶不能催化分支点附近的（45糖残基）的1,4糖苷键的裂解，也不能催化分支点的1,6糖苷键的裂解。糖原脱支酶也叫1,4糖基转移酶，这个酶能从糖原的极限分支点上催化转移1,4糖苷键连接的三糖单位到另一个分支的非还原性末端（图136）。这一反应重新形成了1,4糖苷键连接的、可被糖原磷酸化酶作用的较长的糖链。分支点上以1,6糖苷键同主链连结的一个糖残基可被同一脱支酶水解（非磷酸解），产生葡萄糖和己脱支的糖链。糖原大约10的糖残基（即在分支点上的残基）因此而转变成葡萄糖而不是葡萄糖1磷酸。脱支酶含有分开的转移酶活性和1,6糖苷酶两个酶活性部位。两个独立的催化活性在同一酶中存在改进脱支反应的效率。,四、磷酸葡萄糖变为酶,糖原降解产生的葡萄糖1磷酸必须转变成葡萄糖6磷酸才能进入糖酵解或磷酸戊糖途径。磷酸葡萄糖变位酶催化这一反应。在磷酸葡萄糖变位酶的催化下，涉及磷酸基从活性酶转移到葡萄糖1磷酸、葡萄糖1,6二磷酸中间物的形成。然后酶从该中间物上把C1位的磷酸基转移到酶分子上，并释放出葡萄糖6磷酸（图137）。磷酸葡萄糖变位酶催化的反应与磷酸甘油酸变位酶非常相似，只是磷酸基与两种酶的连接的残基不同。在肌肉组织中，糖原经糖原磷酸化酶和磷酸葡萄糖变位酶产生的葡萄糖6磷酸可以沿着糖酵解途径继续进行代谢，产生肌肉收缩所需要的能量。在肝脏中，生成的葡萄糖6磷酸除可以进入糖酵解和磷酸戊糖途径外，另一个重要的去向是在肝脏葡萄糖6磷酸酶催化下生成葡萄糖：,第三节 糖原代谢的调节,一、糖原磷酸化酶和糖原合酶的别构效应糖原磷酸化酶可被AMP别构激活，而ATP和葡萄糖以及咖啡碱则能抑制该酶的活性。糖原合酶的活性则可被葡萄糖6磷酸促进。这两种酶的活性以及糖原代谢的方向取决于肌肉或者肝脏细胞的能量状况。当ATP和葡萄糖6磷酸很丰富时，糖原的合成被激活，而糖原的降解则被抑制。当细胞能量水平降低时，糖原的合成停止，糖原的分解代谢受到刺激。,糖原磷酸化酶以两种构象状态存在，即有活性的R态和低活性（或无活性）的T态（图1311）。因此，AMP能启动向R态构象转变，而ATP、葡萄糖6磷酸等则有利于向低活性的T态转变。在别构效应存在下，糖原磷酸化酶的X射线晶体结构研究表明，虽然该酶亚基的核心结构在T态和R态中都是相同的，但T态和R态的亚基间的界面则发生了重大的变化。这种在亚基界面发生的构象变化与活性部位的结构变化相联系，这对催化作用很重要。,二、糖原磷酸化酶和糖原合酶的共价修饰调节,酶原磷酸化存在两种形式，即低活性的磷酸化酶b和有活性的磷酸化酶a。糖原磷酸化酶的共价修饰部位是每个亚基第14位Ser残基。在Ser 14被磷酸化酶激酶催化而磷酸化时，糖原磷酸化酶由低活性的b形式转变成有活性的a形式。人肌肉糖原合酶是一种同源4聚体蛋白，每个亚基由737个氨基酸残基组成。像糖原磷酸化酶一样，也存在两种酶促转换形式，即去磷酸化的、有活性的b形式和磷酸化的、低活性的a形式。这种转换刚好与糖原磷酸化酶相反。糖原合酶活性的共价修饰转换涉及到转换酶与糖原磷酸化酶基本相同。,三、糖原磷酸化酶和糖原合酶的酶促级联调节,糖原磷酸化酶和糖原合酶的b形式和a形式的酶促相互转换是一种激素控制的过程。相互转换的酶促系统比单纯的别构系统对更多的效应物作出反应。如果转换酶本身受到别构控制，那么某种转换酶的别构效应物的浓度发生小的变化（例如接受来自激素的刺激），也许会引起被修饰酶活性的极大改变。糖原磷酸化酶b对别构效应是敏感的，但它的a形式对效应物的敏感性则低很多，或者说是不敏感的（图PPT13-11.ppt）。在细胞处在静息状态时，ATP和葡萄糖6磷酸的浓度高到足以抑制糖原磷酸化酶b的活性，因而糖原磷酸化酶的活性主要由a形式存在的份数决定的。磷酸化的a形式的稳态份数取决于磷酸化酶激酶、依赖于cAMP的蛋白激酶（cAPK）和磷蛋白磷酸酶1的相对活性。,在生理条件下，糖原磷酸化酶b主要以T态存在；相反，它的a形式基本上以R态存在，除非有高浓度的葡萄糖存在。在通常的生理条件下，糖原磷酸化酶的酶促活性基本上是由它的磷酸化和去磷酸化的速度决定。只有酶的T态经受磷酸化和去磷酸化的变化，效应物的结合只影响磷酸化和去磷酸化的速度。,（一）依赖于cAMP的蛋白激酶系统,糖原磷酸化酶和糖原合酶的磷酸化反应受到酶促级联调节。级联调节的最初反应是：激素刺激腺苷环化酶的活性，催化ATP转变成3 , 5 环腺苷酸环腺苷酸（cAMP）。 cAMP是真核生物细胞普遍存在的一种细胞内信号分子，控制着许多代谢过程。由于它把激素（第一信使）带来的信息传递到细胞内，故把这种信号分子称为第二信使。激素对腺苷酸环化酶的刺激受到一种跨膜的信号系统的影响。该信号系统由三种膜结合蛋白激素的受体、鸟苷酸结合蛋白（或GTP结合蛋白或G蛋白）和腺苷酸环化酶组成。激素的受体决定激素作用的组织专一性。激素首先同跨膜的受体外表面结合，引起受体外表面结合，引起受体的构象发生变化。受体构象变化刺激G蛋白。激活后的腺苷酸环化酶催化ATP转变成cAMP（图PPT13-12.ppt）。,由于G蛋白具有缓慢水解GTP的酶活性，最后导致GTP水解，生成GDP，从而使G与腺苷酸环化酶分离，并与亚基重新结合成无活性的G 。（图13-13）。只要激素继续与受体结合，这个过程就会不断地循环发生，因而导致cAMP浓度的升高。激素的信息也因此通过这一级联而被放大。cAMP是依赖于 的蛋白激酶(cAPK)的一种必需的激活剂。cAPK通常是无活性的，因为它的两个催化亚基（C）与一对调节亚基（R）紧密结合，封闭了酶的活性。,cAPK是一种能使细胞内许多蛋白质（包括磷酸化酶激酶和糖原合酶）的Ser或Thr残基磷酸化的酶。这些蛋白质都含有一致的激酶识别顺序Arg-Arg-X-Ser/Thr-Y，这里Ser/Thr是磷酸化部位，X是侧链较小的氨基酸残基，Y是侧链较大的疏水性氨基酸残基。cAPK的C亚基由350个氨基酸残基组成。X射线衍射分析表明，像其他激酶一样，呈一个双耳垂形状。它的两个耳垂之间的裂缝是ATP和一个由20个氨基酸残基构成的抑制肽结合的部位（图PPT13-14.ppt）。在这个抑制肽中有一段与激酶识别的一致顺序相似，只是由Ala替代了Ser/Thr，因而这个裂缝含有激酶的催化部位。蛋白激酶是一个大家族，在许多激素、生长因子、神经递质和毒素影响靶细胞功能的信号途径中起着关键的作用。激活后的蛋白激酶催化磷酸化酶激酶和糖原合酶磷酸化。,磷酸化酶激酶是由、和四个不同的亚基构成的一种相对分子质量约为1300103的蛋白质。亚基含有催化部位，其他三个亚基具有调节的功能。磷酸化酶激酶可被它的和亚基磷酸化和Ca2+极大地激活。磷酸化酶激酶的亚基由386个氨基酸残基组成，约有36的顺序与cAPK相同，并有相似的结构。亚基不被磷酸化，因为其他激酶被磷酸化的残基（Ser、Thr或Tyr）在该酶的亚基中被Glu取代。Glu残基的负电荷模仿磷酸基与活性部位附近的Arg相互作用。但是亚基的催化活性因为它的羧基端的片段作为一种假底物结合在它的活性部位而被抑制，几乎和抑制肽一样封闭cAPK的活性部位（图PPT13-14.ppt）。,Ca2+离子结合到磷酸化酶激酶的亚基可激活该酶的活性。因此，这个酶也称为钙调蛋白。Ca2+离子结合诱导CaM的构象发生变化，为假底物暴露出一个疏水结合部位。因此，当结合Ca2+时，CaM从亚基的催化部位抽出这个假底物，从而使激酶激活。磷酸化酶激酶的和亚基的磷酸化能使该酶在很低的Ca2+浓度下被激活。通过磷酸化酶的作用，糖原磷酸化酶b向糖原磷酸化酶a的转变增高了糖原降解的速度。CaM是一种普遍存在的、自由流动的真核生物蛋白，参与众多的细胞调节过程。这种高度保守的蛋白质由148个氨基酸残基组成。,X射线结构分析表明，该蛋白质的外形呈哑铃状（图PPT13-15.ppt），两个结构上相似的球状域由7轮螺旋连接。每个球状域含有两个高亲和力的Ca2+结合部位。每个结合部位的Ca2+由来自肽主链和侧链的以及蛋白质结合的一个水分子的氧八面协调。每个Ca2+结合部位由螺旋环螺旋基元形成，形成就像握成拳头的手张开大拇指和食指那样（图PPT13-15.ppt）。由于参与基元组成的螺旋是E和F，故把Ca2+结合部位的结构称为EF手形结构（EFhand）。Ca2+同CaM任何一个域结合都会诱导被结合的域的构象发生变化，结果导致被掩盖的、富含Met的小片段暴露出来，这个小片段本身又对磷酸化酶激酶亚基的CaM-结构域（它含有该激酶的底物）以及许多其他Ca2+调节的蛋白质的CaM结合域有高亲和力。,（二）磷蛋白磷酸酶1系统,磷蛋白磷酸酶1能催化糖原磷酸化酶a、磷酸化酶激酶的和亚基以及糖原代谢所涉及的其他蛋白质的去磷酸化反应。磷蛋白磷酸酶1的活性控制在肌肉和肝脏中是不同的。在肌肉中，磷蛋白磷酸酶1只是在它的G亚基同糖原结合时才有活性。磷蛋白磷酸酶1的活性以及它对G亚基的亲和力受到G亚基的两个（分离）部位的磷酸化控制（图PPT13-16.ppt）。部位1可被胰岛素促进的蛋白激酶（一种cAPK和磷酸化酶激酶的亚基的同系物）磷酸化而被激活磷蛋白磷酸酶1；当部位2被cAPK催化而磷酸化时（部位1亦可被磷酸化），引起磷蛋白磷酸酶1与G亚基相分离进入细胞质。分离后的酶不能使糖原代谢相关的酶去磷酸化。,在胞液中，磷蛋白磷酸酶1也可因本身同一种叫做磷蛋白磷酸酶抑制剂1的蛋白结合而受到抑制。该抑制剂提供了共修饰的又一个例子。它可被cAPK激活，也可被磷蛋白磷酸酶1去活性（图1317）。cAMP浓度控制酶的磷酸化形式的份数，它不久增高酶磷酸化的速度，而且也减少酶去磷酸化的速度。在糖原磷酸化酶的情况下，cAMP浓度的增高不仅增大这个酶被激活的速度，而且减少了它失去活性的速度。在肝脏中，磷蛋白磷酸酶1的活性受到它与糖原磷酸化酶a结合的控制。糖原磷酸化酶a的R态和T态都能强烈地同这个磷酸化酶1结合，但只有T态中地Ser14磷酸基是易受水解的。而在R态，Ser14磷酸基是被掩盖的。因此，当糖原磷酸化酶a处在它的有活性的R态时，它有效地避开了磷蛋白磷酸酶1。,在糖原磷酸化酶a转变成T态时，磷蛋白磷酸酶1即可水解重新暴露出的Ser14磷酸基，从而使糖原磷酸化酶由a形式转变成b形式，b形式对磷蛋白磷酸酶1只有低的亲和力。因此，糖原磷酸化酶a去磷酸化的一个效应是解除磷蛋白磷酸酶1的抑制作用。由于肝细胞所含的糖原磷酸化酶10倍于磷蛋白磷酸酶1，因此，这个磷酸酶只有在90以上的糖原磷酸化酶处在b形式时才会释放出来。只有在那时磷蛋白磷酸酶1才能使它的其他靶蛋白（包括糖原合酶）去磷酸化。葡萄糖是糖原磷酸化酶a的一种别构抑制剂。因此，当葡萄糖浓度很高时，糖原磷酸化酶a转变成它的T态，从而导致它去磷酸化和糖原合酶的去磷酸化。所以葡萄糖被认为是肝脏糖原代谢的重要的调节因素。,（三）糖原合酶的共价修饰,除激活糖原磷酸化酶外，磷酸化酶激酶也能使糖原合酶磷酸化失去活性（图PPT13-17.ppt）。已知有其他6种蛋白激酶（包括cAPK）至少使人肌糖原合酶通过它的9个Ser残基中的一个或几个磷酸化而部分失活。糖原合成与降解之间的平衡以及这两个相反过程进行的速度取决于糖原合酶和磷酸化酶的相对活性。在很大程度上，这两种酶的磷酸化和去磷酸化的速度控制着糖原的合成与降解。,第四节 葡萄糖的异生作用,一、葡萄糖异生作用的前体丙酮酸和乳酸是动物体内的糖异生作用的前体；柠檬酸循环的所有中间物都是糖异生作用的前体；绝大多数氨基酸的碳骨架都可以转变成丙酮酸或者柠檬酸循环的中间物，因而它们也是重要的生糖前体。虽然，脂肪降解产生的甘油可以转变成糖，但是，由于大多数脂肪酸在降解中只产生乙酰CoA，而动物不含有将乙酰CoA净转变成葡萄糖的途径，因此，脂肪酸不能作为糖异生作用的底物。在所有氨基酸中，只有Leu和Lys的碳骨架纯粹转变成乙酰CoA，因而，这两种氨基酸也不能用来合成葡萄糖。,非糖物质酶促转变成葡萄糖的过程称之为葡萄糖的异生作用，简称糖异生作用。,二、动物的肝脏和肾是糖异生作用的主要场所,虽然，哺乳动物的脑和肌肉组织是消耗葡萄糖的主要场所，但是在这些组织中却不能将糖异生作用的前体转变成葡萄糖。糖异生作用的主要部位是肝脏和肾，这两个器官分别占糖异生作用活性的90和10。,三、葡萄糖异生作用的途径,糖异生作用的大多数反应是糖酵解的逆反应（图PPT13-19.ppt）。糖酵解途径中的己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应释放出大量的自由能，其逆反应被认为是不可能发生的。因此，在糖异生作用中，必须克服这种能量上的不利反应。糖异生反应利用了不同的反应顺序或酶，把能量上的不利反应变成了能量上的有利的反应。,（一）丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸,由于丙酮酸在丙酮酸激酶催化下，直接转变成磷酸烯醇式丙酮酸是一个需能的过程，因此，这一转变过程在糖异生中是通过一个独特的迂回路线实现的。涉及到两种酶：丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶。丙酮酸羧化酶催化ATP推动的丙酮酸羧化成草酰乙酸的反应。,1、丙酮酸羧化酶需要生物素作为辐基（图PPT13-20.ppt） 丙酮酸羧化酶催化丙酮酸羧化生成草酰乙酸的反应是分两步进行的（图PPT13-21.ppt）。2、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶相对分子量约为74103的单体酶，该酶催化GTP推动脱羧和磷酸化反应，从而生成磷酸烯醇式丙酮酸。使丙酮酸羧化成草酰乙酸的CO2则在该反应中消去。因此，草酰乙酸被视为丙酮酸