糖原代谢和糖异生

1、糖原代谢和糖异生n概述概述n糖原降解糖原降解n糖原合成糖原合成n糖原代谢调控糖原代谢调控n糖异生糖异生n葡糖醛酸途径葡糖醛酸途径15.1 15.1 概述概述糖原和淀粉都是由葡萄糖分子聚合而成的高聚物，统称糖原和淀粉都是由葡萄糖分子聚合而成的高聚物，统称为葡聚糖。糖原是动物细胞中葡萄糖的贮存形式，淀粉为葡聚糖。糖原是动物细胞中葡萄糖的贮存形式，淀粉是植物体内贮存的多聚葡萄糖。是植物体内贮存的多聚葡萄糖。糖原是动物细胞贮存能量、容易动员的多糖。当机体细糖原是动物细胞贮存能量、容易动员的多糖。当机体细胞能量充足时，细胞即合成糖原将能量贮存起来；当能胞能量充足时，细胞即合成糖原将能量贮存起来；当能量供

2、应不足时，贮存的糖原即降解为葡萄糖，为机体提量供应不足时，贮存的糖原即降解为葡萄糖，为机体提供能量。因此，糖原是生物体（动物体）所需能量的贮供能量。因此，糖原是生物体（动物体）所需能量的贮存库。存库。糖原是葡萄糖的一种高效能的贮存形式，糖原降解的产糖原是葡萄糖的一种高效能的贮存形式，糖原降解的产物是葡萄糖物是葡萄糖-1-1-磷酸。进入糖酵解可以获得比葡萄糖更多磷酸。进入糖酵解可以获得比葡萄糖更多的能量。的能量。机体贮存糖原的组织是肝脏和肌肉。机体贮存糖原的组织是肝脏和肌肉。糖原的结构特点糖原的结构特点n葡萄糖单元以葡萄糖单元以-1,4-1,4-糖苷键形成长链。糖苷键形成长链。n约约1010个葡

3、萄糖单元处形成一个分支，分支处葡萄糖个葡萄糖单元处形成一个分支，分支处葡萄糖以以-1,6-1,6-糖苷键连接。糖苷键连接。n每个分支都终止于一个非还原端。分支增多，非还每个分支都终止于一个非还原端。分支增多，非还原端增多，有利于其被酶分解，溶解度也大大提高。原端增多，有利于其被酶分解，溶解度也大大提高。细胞核：细胞核：DNADNA复制；复制； tRNAtRNA，mRNAmRNA核仁：核仁：rRNArRNA合成合成内质网：脂合成，指内质网：脂合成，指导合成产物的去向导合成产物的去向 核糖体：核糖体：蛋白质合成蛋白质合成微粒体：氨基酸氧化，微粒体：氨基酸氧化，胆固醇降解，乙醛酸胆固醇降解，乙醛酸循

4、环等循环等质膜：转运系统质膜：转运系统高尔基体：蛋白和膜的成分高尔基体：蛋白和膜的成分的加工的加工叶绿体：光合作用叶绿体：光合作用线粒体：柠檬酸循环，线粒体：柠檬酸循环，脂肪酸氧化，电子传脂肪酸氧化，电子传递、氧化磷酸化，递、氧化磷酸化， 氨基酸分解，糖异生氨基酸分解，糖异生糖原颗粒糖原颗粒糖原糖原合成和降解合成和降解细胞质细胞质糖酵解，糖酵解，糖异糖异生生，戊糖磷酸途径，脂，戊糖磷酸途径，脂肪酸合成，核苷酸合成肪酸合成，核苷酸合成液泡液泡贮存水贮存水溶酶体溶酶体水解酶的降解水解酶的降解糖原颗粒糖原颗粒糖糖原合成和降解原合成和降解葡萄糖代谢概观葡萄糖代谢概观关键分支点：关键分支点：葡萄糖葡萄糖

5、-6-6-磷酸磷酸15.2 15.2 糖原降解糖原降解n糖原完全降解并转化为葡糖糖原完全降解并转化为葡糖-6-6-磷酸需要磷酸需要3 3个酶：糖原磷个酶：糖原磷酸化酶、磷酸葡糖变位酶和糖原去分支酶。酸化酶、磷酸葡糖变位酶和糖原去分支酶。1.1.糖原磷酸化酶从糖原的非还原端连续地进行磷酸解糖原磷酸化酶从糖原的非还原端连续地进行磷酸解糖原糖原(n(n个个Glc)Glc)PiPi葡糖葡糖-1-1-磷酸磷酸糖原糖原(n(n1 1个个Glc)Glc) 2.2.葡糖葡糖-1-1-磷酸在磷酸葡糖变位酶的作用下转换为葡糖磷酸在磷酸葡糖变位酶的作用下转换为葡糖- -6-6-磷酸磷酸3. 3. 糖原降解至距糖原降

6、解至距 -1,6 -1,6 -糖苷键的分支点还剩下糖苷键的分支点还剩下4 4个个葡萄糖残基的部位停止，剩下的底物（葡萄糖残基的部位停止，剩下的底物（极限糊精极限糊精），），再通过糖原去分支酶降解。再通过糖原去分支酶降解。 磷酸葡糖变位酶磷酸葡糖变位酶 去分支酶具有葡聚糖转移酶去分支酶具有葡聚糖转移酶和淀粉和淀粉-1,6-1,6-葡糖苷酶（脱支酶）葡糖苷酶（脱支酶）两种催化活性：两种催化活性： 葡聚糖转移酶催化支链上的葡聚糖转移酶催化支链上的3 3个葡萄糖残基转移到糖原分子个葡萄糖残基转移到糖原分子的一个游离的的一个游离的44端上，形成一端上，形成一个新的个新的 -1,4-1,4-糖苷键；糖苷键

7、； 淀粉淀粉-1,6-1,6-葡糖苷酶催化葡糖苷酶催化 - -1,6-1,6-糖苷键连接的葡萄糖残基糖苷键连接的葡萄糖残基水解，释放出水解，释放出1 1分子的葡萄糖。分子的葡萄糖。 糖原聚合物中的每个分支点糖原聚合物中的每个分支点都可释放出都可释放出1 1分子葡萄糖。分子葡萄糖。(淀粉-1,6-葡糖苷酶)n由糖原降解生成的葡萄糖残基由糖原降解生成的葡萄糖残基进入糖酵解生成丙酮酸将获得进入糖酵解生成丙酮酸将获得多少多少ATPATP？n大约大约9090的葡萄糖残基是以葡的葡萄糖残基是以葡萄糖萄糖-1-1-磷酸形式进入糖酵解磷酸形式进入糖酵解途径。途径。n另有另有1010葡萄糖残基要经己糖葡萄糖残基

8、要经己糖激酶催化生成葡萄糖激酶催化生成葡萄糖-6-6-磷酸磷酸进行糖酵解的。进行糖酵解的。个个15.3 15.3 糖原合成糖原合成n糖原的生物合成不是糖原降解的逆过程，而是通糖原的生物合成不是糖原降解的逆过程，而是通过另外一条途径。过另外一条途径。n糖原合成需要的能量是由尿嘧啶核苷三磷酸（糖原合成需要的能量是由尿嘧啶核苷三磷酸（UTPUTP）提供的。提供的。n糖原合成的底物是糖原合成的底物是UDP-UDP-葡糖。葡糖。UDP-葡糖葡糖dflsdfj将一个葡糖将一个葡糖-6-6-磷酸加到糖链上需要磷酸加到糖链上需要3 3步酶促反应：步酶促反应：1 1、葡糖磷酸变位酶将葡糖、葡糖磷酸变位酶将葡糖-

9、6-6-磷酸转换为葡糖磷酸转换为葡糖-1-1-磷酸磷酸; ; n2 2、葡糖、葡糖-1-1-磷酸在磷酸在UDP-UDP-葡糖焦磷酸化酶作用下被葡糖焦磷酸化酶作用下被UTPUTP活化，生成活化，生成UDP-UDP-葡糖和无机焦磷酸（葡糖和无机焦磷酸（PPPPi i）；）；3 3、在糖原合酶催化下、在糖原合酶催化下UDP-UDP-葡糖中的葡糖基通过葡糖中的葡糖基通过 - -（1414）糖苷键结合在已合成的糖原的非还原端。糖苷键结合在已合成的糖原的非还原端。 植物和某些细菌合成淀粉或糖原时，使用的底物是植物和某些细菌合成淀粉或糖原时，使用的底物是ADP-ADP-葡糖，而不是葡糖，而不是UDP-UDP

10、-葡糖。葡糖。 糖原合成还需要另一个（糖原合成还需要另一个（1,41,61,41,6）转葡糖苷酶（分）转葡糖苷酶（分支酶）催化糖原支链的形成。分支酶从非还原端将含至少支酶）催化糖原支链的形成。分支酶从非还原端将含至少6 6个葡糖残基的寡糖链转移到新的分支点，催化形成个葡糖残基的寡糖链转移到新的分支点，催化形成-1,6- -1,6- 糖苷键。糖苷键。同一分子同一分子不同分子不同分子糖原积累症糖原积累症由于缺乏糖原由于缺乏糖原代谢过程中的代谢过程中的某种酶而引起某种酶而引起的疾病，属于的疾病，属于先天性遗传缺先天性遗传缺陷症。陷症。糖原磷酸化酶（糖原磷酸化酶（glycogen phosphoryl

11、aseglycogen phosphorylase）n由两个相同亚基构成的二聚体，每个亚基相对分子质由两个相同亚基构成的二聚体，每个亚基相对分子质量是量是97 KD97 KD。存在磷酸化的糖原磷酸化酶。存在磷酸化的糖原磷酸化酶a a和去磷酸化和去磷酸化的糖原磷酸化酶的糖原磷酸化酶b b两种形式。两种形式。n糖原磷酸化酶主要受到别构调节和共价调节两方面的糖原磷酸化酶主要受到别构调节和共价调节两方面的调控。调控。15.4 15.4 糖原代谢调控糖原代谢调控葡萄糖葡萄糖别构调节别构调节别构调节别构调节糖原磷酸化酶的别构调节和共价调节糖原磷酸化酶的别构调节和共价调节糖原合酶的共价调节糖原合酶的共价调节

12、糖原代谢的激素调控糖原代谢的激素调控激素对糖原磷酸化酶活性的调控激素对糖原磷酸化酶活性的调控( (胰高血糖素，肝脏胰高血糖素，肝脏) )( (肾上腺素，肌肉肾上腺素，肌肉) )Insulin( (胰岛素胰岛素) )激素对糖原合酶活性的调控激素对糖原合酶活性的调控( (胰岛素胰岛素) ) 15.5 15.5 糖异生糖异生 由非糖前体物质合成糖的过程称为糖异生，例如由由非糖前体物质合成糖的过程称为糖异生，例如由乳酸和丙氨酸从头合成葡萄糖乳酸和丙氨酸从头合成葡萄糖 。 糖异生和酵解两个过程中的多个中间代谢物和酶都是糖异生和酵解两个过程中的多个中间代谢物和酶都是相同的。相同的。 但糖酵解途径中由丙酮酸

13、激酶、磷酸果糖激酶但糖酵解途径中由丙酮酸激酶、磷酸果糖激酶I I和己和己糖激酶催化的三个高放能反应是不可逆的。糖激酶催化的三个高放能反应是不可逆的。糖异生反应糖异生反应旁路旁路I I：丙酮酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸：丙酮酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸（1 1）丙酮酸羧化生成草酰乙酸）丙酮酸羧化生成草酰乙酸 在丙酮酸羧化酶（生物素作为辅基）催化下，丙酮酸在丙酮酸羧化酶（生物素作为辅基）催化下，丙酮酸羧化生成草酰乙酸，反应消耗羧化生成草酰乙酸，反应消耗1 1分子的分子的ATPATP。 （2 2）草酰乙酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸）草酰乙酸转化为磷酸烯醇式丙酮酸 草酰乙酸经磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化生成磷酸烯醇

14、草酰乙酸经磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化生成磷酸烯醇式丙酮酸（式丙酮酸（PEPPEP）。）。 在体内该反应是不可逆的，但在体外，分离的磷酸烯醇在体内该反应是不可逆的，但在体外，分离的磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶却可以催化该反应的逆反应。式丙酮酸羧激酶却可以催化该反应的逆反应。 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase)(pyruvate carboxylase)，辅酶为生，辅酶为生物素（反应在线粒体）物素（反应在线粒体） 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（反应在胞液）磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（反应在胞液） 果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸经果糖二磷酸经果糖-1,6-1,6-二磷酸酶催化生成

15、果二磷酸酶催化生成果糖糖-6-6-磷酸。磷酸。旁路旁路IIII：果糖：果糖-1,6-1,6-二磷酸水解生成果糖二磷酸水解生成果糖-6-6-磷酸磷酸 G o = -16.3 kJ/mol旁路旁路IIIIII：葡糖：葡糖-6-6-磷酸水解生成葡萄糖磷酸水解生成葡萄糖 葡糖葡糖-6-6-磷酸在葡糖磷酸在葡糖-6-6-磷酸酶作用下水解为磷酸酶作用下水解为 葡萄糖葡萄糖和无机磷酸。和无机磷酸。 G o= -13.8 kJ/mol糖糖异异生生途途径径总总览览图图 葡糖葡糖-6-6-磷酸酶磷酸酶 糖糖异异生生与与糖糖酵酵解解过过程程能能量量变变化化 糖异生是个需能过程，由糖异生是个需能过程，由2 2分子丙酮

16、酸合成分子丙酮酸合成1 1分子葡萄分子葡萄糖需要糖需要4 4分子分子ATPATP和和2 2分子分子GTPGTP，同时还需要，同时还需要2 2分子分子NADHNADH。总反应方程式为：总反应方程式为：2 2 丙酮酸丙酮酸4 ATP4 ATP2 GTP2 GTP2 NADH2 NADH6 H6 H2 2OO 葡萄糖葡萄糖4 ADP4 ADP2 GDP2 GDP6 P6 Pi i2 NAD2 NAD+ + 2 H2 H+ + G G 0 0 = = -37.66 kJ/mol-37.66 kJ/mol 2. 2. 糖异生的前体物质及其进入糖异生的途径：糖异生的前体物质及其进入糖异生的途径：卡里循环（

17、卡里循环（CoriCori循环）循环） 无氧条件下，肌肉中无氧条件下，肌肉中的葡萄糖经糖酵解转化的葡萄糖经糖酵解转化为乳酸，堆积的乳酸扩为乳酸，堆积的乳酸扩散到血液中，经血液转散到血液中，经血液转运到肝脏。运到肝脏。 在肝脏，乳酸重新氧在肝脏，乳酸重新氧化为丙酮酸，然后丙酮化为丙酮酸，然后丙酮酸经糖异生途径生成葡酸经糖异生途径生成葡萄糖，然后经血液转运萄糖，然后经血液转运回肌肉组织。回肌肉组织。葡萄糖丙氨酸循环葡萄糖丙氨酸循环葡萄糖丙氨酸循环：葡萄糖丙氨酸循环： 葡萄糖在肌肉组织中经糖酵解途径转化为丙酮酸，并葡萄糖在肌肉组织中经糖酵解途径转化为丙酮酸，并经转氨基作用转化为丙氨酸。经转氨基作用转

18、化为丙氨酸。 丙氨酸通过血液转运到肝脏，再经转氨基作用重新生丙氨酸通过血液转运到肝脏，再经转氨基作用重新生成丙酮酸作为糖异生底物。经糖异生途径合成的葡萄糖又成丙酮酸作为糖异生底物。经糖异生途径合成的葡萄糖又由血液转运回到肌肉。由血液转运回到肌肉。糖异生途径所需糖异生途径所需NADH+HNADH+H+ +的来源：的来源： 糖异生途径中，糖异生途径中，1,3-1,3-二磷酸甘油酸生成甘油醛二磷酸甘油酸生成甘油醛-3-3-磷酸时，需要磷酸时，需要NADH+HNADH+H+ +。 以乳酸为原料异生糖时，以乳酸为原料异生糖时， NADH+HNADH+H+ +由下述反应提供。由下述反应提供。 以氨基酸为原

19、料进行糖异生时，以氨基酸为原料进行糖异生时，NADH+HNADH+H+ +则由线粒体内则由线粒体内NADH+HNADH+H+ +提供，它们来自于脂肪酸的提供，它们来自于脂肪酸的-氧化或柠檬酸循氧化或柠檬酸循环，环，NADH+HNADH+H+ +转运则通过草酰乙酸与苹果酸相互转变而转运则通过草酰乙酸与苹果酸相互转变而转运。转运。3. 3. 糖异生的调控糖异生的调控磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶I I（PFKPFK-I-I）和果糖）和果糖-1,6-1,6-二磷酸酶的调节二磷酸酶的调节n果糖果糖-2,6-2,6-二磷酸可以激活二磷酸可以激活PFK-1PFK-1，加快糖酵解；而抑制，加快糖酵解；而抑制果糖果

20、糖-1,6-1,6-二磷酸酶（二磷酸酶（FBPase-1FBPase-1），进而抑制糖异生。），进而抑制糖异生。n当当ATPATP和柠檬酸水平高时，和柠檬酸水平高时，PFKPFK-I-I受抑制，降低糖酵解速受抑制，降低糖酵解速率率；柠檬酸增加果糖柠檬酸增加果糖-1,6-1,6-二磷酸酶活性，从而增加糖异二磷酸酶活性，从而增加糖异生速率。当生速率。当AMPAMP水平高时，水平高时，PFKPFK-I-I激活，激活，加快加快糖酵解，果糖酵解，果糖糖-1,6-1,6-二磷酸酶受抑制，糖异生关闭。二磷酸酶受抑制，糖异生关闭。n当饥饿时，由于血糖水平低，胰高血糖素释放，加速糖当饥饿时，由于血糖水平低，胰高血糖素释放，加速糖异生；当进食时，血糖水平较高，胰岛素释放，加速酵异生；当进食时，血糖水平较高，胰岛素释放，加速酵解，抑制糖异生。解，抑制糖异生。果糖果糖-2,6-2,6-二磷酸二磷酸果糖果糖-2,6-2,6-二磷酸的生成和调控作用二磷酸的生成和调控作用一方面，果糖一方面，果糖-2,6-2,6-二磷酸激活二磷酸激活PFKPFK1 1，有利于果糖，有利于果糖-1,6-1,6-二磷酸生成；二磷酸生成；另一方面，果糖另一方面，果糖-2,6-2,6-二磷酸抑制果糖二磷酸抑制果糖-1,6-1,6-二磷酸酶（二