糖原代谢和糖异生作用

1、1,Chapter11 糖原代谢和 糖异生作用,葡萄糖在体内的代谢利用,2,本章主要介绍： 1、糖原的降解与合成； 2、糖原代谢的交互调节； 3、葡萄糖的异生作用； 4、糖异生与糖酵解的交互调节。,3,Section 1 糖原的降解 糖原(glycogen)是由-D-葡萄糖聚合而成的有,分支的大分子物质。糖原以球形的糖原粒的形式出现在肌肉和肝脏细胞内。,糖原众多的分支的意义是什么？,4,一、糖原磷酸化酶催化糖原的降解 糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)催化糖原从非还原性末端磷酸解产生葡萄糖-1-磷酸和缩短一个糖残基的糖原。在细胞内糖原的磷酸解反应是一种能量上有利的反应

2、。,5,二、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。,6,三、糖原脱支酶 糖原脱支酶 (也叫-1,4-糖基转移酶)从糖原的极限分支点上催化转移-1,4-糖苷键连结的三糖单位到另一个分支的非还原性末端，产生可被糖原磷酸化酶作用的较长糖链。 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个酶中存在无疑会改进脱支反应的效率。,？,7,四、磷酸葡萄糖变位酶,在磷酸葡萄糖变位酶的催化下，磷酸基从酶的活性部位转移到葡萄糖-1-磷酸上，形成葡萄糖-1,6-二磷酸中间

3、物。然后酶从该中间物上把C-1位的磷酸基转移到酶分子上，并释放出葡萄糖-6-磷酸。,8,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(glucose-6-phosphatase)催化下生成葡萄糖： 葡萄糖-6-磷酸 H2O 葡萄糖 Pi 生成的葡萄糖离开肝脏，经循环着的血液运送到其他组织，肌肉和其他组织不含葡萄糖-6-磷酸酶,因而能保有葡萄糖-6-磷酸。 (试比较肝糖原和肌糖原降解产生的葡萄糖单位的代谢

4、去向.),9,Section 2 糖原的合成 由葡萄糖合成糖原涉及己糖激酶或葡萄糖激酶、磷酸葡萄糖变位酶、尿苷二磷酸-葡萄糖焦磷酸化酶和糖原合酶。 一、UDP-葡萄糖是糖基转移的活泼形式 肝脏和骨骼肌是糖原合成的主要部位。葡萄糖进入肝脏或肌肉组织后，首先经己糖激酶或葡萄糖激酶催化，转变成葡萄糖-6-磷酸。但葡萄糖-6-磷酸不能直接用作糖原合成的糖基供体。在磷酸葡萄糖变位酶催化的反应中，葡萄糖-6-磷酸转变成葡萄糖-1-磷酸。,10,1957年，阿根廷生物化学家L.Leloir发现，葡萄糖-1-磷酸在尿苷二磷酸-葡萄糖焦磷酸化酶(UDP-glucose pyrophosohorylase)的催化

5、下与尿苷三磷酸(UTP)结合形成尿苷二磷酸-葡萄糖(UDP-葡萄糖或UDP-G) ，UDP-葡萄糖是糖原合成时糖基的供体形式：,11,葡萄糖-1-磷酸UTP UDP-葡萄糖PPi Go 0 PPiH2O 2Pi Go -29.7kJmol-1 总反应： 葡萄糖-1-磷酸UTP H2O UDP-葡萄糖2Pi Go29.7kJmol-1 总反应自由能变化表明，反应有利于UDP-葡萄糖的生成。,12,UDP-葡萄糖（或ADP-葡萄糖）等（即NDP-葡萄糖）这类糖核苷酸(sugar nucleotides)是双糖、糖原、淀粉、纤维素和更复杂的细胞内多糖合成时的糖基的直接供体形式。在生物合成反应中，虽然

6、这类糖核苷酸不涉及到核苷酸本身基团的转移，但提供许多与酶非共价相互作用的基团。这些相互作用可以为酶的催化反应提供能量(结合能)；而且象磷酸基那样，核苷酸基是一种非常好的离去基团，激活核苷酸基连结的糖碳，以利于促进亲核攻击。,13,14,二、糖原合酶催化糖原合成 UDP-葡萄糖生成具备了糖原合成的条件。在糖原合酶(glycogen synthase)催化下， UDP-葡萄糖的糖基被转移到小分子糖原(引物)的非还原性末端C-4OH上，形成-1,4-糖苷键： UDP-葡萄糖糖原(n个葡萄糖残基) UDP糖原(n1个葡萄糖基),15,该反应的Go是13.4kJmol-1，这表明UDP-葡萄糖的形成和糖

7、原合成的总反应： 葡萄糖-1-磷酸UTP 糖原 (n个葡萄糖残基) 糖原(n1个葡萄糖基)UDPPi 在能量上是一个非常有利的过程。这一有利过程的产生是以消耗UTP为代价，而UTP的消耗在能量上相当于ATP的消耗。,16,糖原的合成需要引物，那么新的糖原分子的合成是如何起始呢？糖原蛋白(glycogenin)是一种较小的蛋白质(分子量为37kD)，可以作为一种引物与第一个葡萄糖基连接。在酪氨酸葡萄糖基转移酶(tyrosine glucosyltransferase) 催化下，把一个葡萄糖基结合到糖原蛋白194位Tyr残基的OH上。然后，在UDP-葡萄糖继续提供糖基的条件下，糖原蛋白自身催化连续

8、添加7个或更多的糖基，使糖链延伸，形成糖原引物(图)。糖原合酶只能从这一个点上开始糖原的合成(延长)。糖原粒分析提示，每个糖原粒仅与一分子的糖原蛋白和一分子的糖原合酶结合在一起。,在tyrosine glucosyltransferase活性催化下，把一个葡萄糖基结合到糖原蛋白194位Tyr残基的OH上。在UDP-葡萄糖继续提供糖基的条件下，糖原蛋白自身催化连续添加7个或更多的糖基，使糖链延伸，形成糖原引物。糖原合酶只能从这一个点上开始糖原的合成(延长),17,三、糖原分支的产生 糖原合酶只能催化-1,4-糖苷键的生成，形成线性的糖链。产生分支、形成糖原则需要另外一种叫做淀粉-(1,41,6)

9、-转葡萄糖基酶(amylo-(1,41,6)-transglycosylase)，即分支酶(branching enzyme)。这个酶催化从糖链的非还原性末端转移7个残基至同一糖链或另一糖原链的糖残基的C-6位上，形成一个-1,6-糖苷键:,18,Section 3 糖原代谢的调节 如果糖原的合成和降解同时发生，其结果只是导致UTP的浪费。因此，糖原代谢必须根据细胞的需要而加以控制。糖原代谢的控制受糖原磷酸化酶和糖原合酶的交互调节(reciprocal regulation)。因此，糖原磷酸化酶的激活与糖原合酶的抑制是紧密相连的，反之亦然。糖原代谢的调节涉及代谢途径调节酶的别构控制和共价修饰控

10、制。,19,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。AMP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态转换。,一、糖原磷酸化酶和糖原合酶的别构调节,20,二、糖原磷酸化酶和糖原合酶的共价修饰调节 糖原磷酸化酶存在两种形式，即低活性的磷酸化酶b,和有活性的磷酸化酶a, 相应的“转换酶”能将低活性的b形式转变成有活性的a形式。这种转换涉及到磷酸化的共价修饰机制.,21,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Ser14被磷酸化酶激酶（一种转换酶）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。糖原磷酸化

11、酶活性的变化是由于Ser14残基的磷酸化引起该酶的三级和四级结构发生了变化。这种构象变化与AMP的结合所引起的别构变化很相似，因而使该酶的TR平衡向有利于R态方向移动。当在另一种转换酶磷蛋白磷酸酶的作用下，糖原磷酸化酶a去磷酸化，复又转变成低活性的b形式（图）。糖原磷酸化酶的共价修饰受肾上腺素和胰高血糖素级联控制（图）。,22,23,Section 4 糖的异生作用 由非糖物质经酶促转变成葡萄糖的过程称为葡萄糖的异生作用(gluconeogenesis)，简称糖异生作用。 一、葡萄糖异生作用的前体 丙酮酸或乳酸都含有葡萄糖尚未利用的大量的能量。丙酮酸和乳酸是动物体内的糖异生作用的前体。,24,

12、丙酮酸必须转变成草酰乙酸才能进入到糖异生作用的反应顺序中，而草酰乙酸是柠檬酸循环的中间物。因此，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。,25,二、动物的肝脏和肾是糖异生作用的主要场所 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%，在肝脏和肾中产生的葡萄糖会释放到血液中，可以被脑、心脏、肌肉以及红细胞吸收，以满足这些组织或细胞的代谢需要。这些组织产生的丙酮酸或乳酸亦可返回到肝脏和肾中，用作糖异生作用的底物。,26,三、葡萄糖异生作 用的途径 糖异生作用的大多数反应是

13、糖酵解的逆反应。但是，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是不可逆的。因此，在糖异生作用中，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。,27,1、丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸 在丙酮酸激酶催化下，由丙酮酸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。它涉及到两种酶： 丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase)催化丙酮酸羧化成草酰乙酸的反应： 丙酮酸HCO3ATP 草酰乙酸ADPPiH 丙酮酸羧化酶需要生物素作为辅基： 丙酮酸羧化酶是由4个相同的亚基构成的一种寡聚体蛋白，每个

14、亚基共价结合一个生物素(biotin)。,28,29,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。ATP与HCO3作用先形成“高能”的羧基磷酸中间物，使HCO3活化，很容易受到生物素的攻击，形成与酶结合的活泼的羧基-生物素。,30,草酰乙酸是糖异生作用和柠檬酸循环的中间物。当柠檬酸循环的底物乙酰CoA积累时，它别构激活丙酮酸羧化酶，从而增高草酰乙酸的浓度。当柠檬酸循环的活性降低时，草酰乙酸便进入到糖异生作用的途径中。,31,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(PEPCK)催化草酰乙酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)： 草酰乙酸GTP 磷酸烯醇式丙酮酸GDPCO2 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶是一

15、种分子量约为74kD的单体酶，值得注意的是，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的一种活泼形式，CO2和生物素促进依赖于ATP的活化反应。,32,由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸的总反应是： 丙酮酸ATPGTPH2O 磷酸烯醇式丙酮酸ADPGDPPi Go0.8 kJmol-1 这一迂回反应途径在热力学上是可行的，因为它的Go只有0.8 kJmol-1，与丙酮酸激酶催化的逆反应Go31 kJmol-1相比，所输入的自由能要少得多。ATP和GTP降解产生的能量输入到了磷酸烯醇式丙酮酸分子中（需要输入61 kJmol-1）

16、。,33,2、葡萄糖异生作用的代谢物跨膜转运 丙酮酸羧化酶只在线粒体基质中发现，而磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在肝脏细胞内的定位随生物种类的不同而不同。 丙酮酸可通过线粒体内膜上的特殊载体将丙酮酸转运到线粒体中，但丙酮酸在线粒体内羧化成草酰乙酸后却没有相应的转运载体把草酰乙酸从基质中转移到胞液中去。因此草酰乙酸必须转变成在内膜存在相应载体的其他代谢物，才能进入到胞液中并重新生成草酰乙酸。草酰乙酸从线粒体进入胞液有三种选择的路线。路线的选择取决于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的定位和糖异生作用起始物(丙酮酸或乳酸)的性质。,34,3、葡萄糖异生作用需要果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶 在糖异生作用中

17、，由磷酸烯醇式丙酮酸转变成果糖-1,6-二磷酸的反应是由糖酵解中的相关酶逆向催化的。但是，磷酸果糖激酶和己糖激酶催化的糖酵解反应在糖异生反应方向上是吸能的，因而必须借助于不同酶的催化才能克服这种能量上不利的反应。,35,在糖异生作用中，果糖-1,6-二磷酸转变成果糖-6-磷酸是由果糖-1,6-二磷酸酶催化的： 果糖-1,6-二磷酸H2O 果糖-6-磷酸Pi Go16.3 kJ/mol 反应中生成的果糖-6-磷酸经磷酸葡萄糖异构酶的作用转变成葡萄糖-6-磷酸。,36,由于己糖激酶催化反应的不可逆性，因此，在糖异生作用中，葡萄糖-6-磷酸转变成葡萄糖是由葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-ph

18、osphatase)催化的： 葡萄糖-6-磷酸H2O 葡萄糖Pi Go13.8 kJ/mol 葡萄糖-6-磷酸酶存在于肝和肾细胞的内质网膜上，但是，肌肉和脑缺乏这种酶。因此，肌肉和脑是不能进行糖异生作用的。,37,四.糖异生作用的能量消 耗 综观由丙酮酸转变成葡萄糖的全过程，可以看出，总共要消耗6个高能磷酸基，并用去两分子的NADH： 2丙酮酸4ATP2GTP 2NADH2H4H2O 葡萄糖2NAD4ADP 2GDP6Pi Go37.7 kJmol-1,38,但是，葡萄糖经糖酵解反应转变成丙酮酸只净产生2分子的ATP，因此，由丙酮酸经糖异生作用合成葡萄糖是一种代价很高的过程，这是将能量上不利的

19、过程（即糖酵解的逆反应，Go83.6 kJmol-1）转变成能量上有利的过程（即糖异生反应，Go37.7 kJmol-1）所必需的。这种高昂的代价对于维持血糖的基本平衡以及为脑和肌肉活动提供必需的燃料分子是一条重要的途径。也为这两个相反代谢途径的独立调节提供了必要的保证。,39,五、Cori循环 当肌肉激烈运动时，由于氧供应不足，糖酵解产生的NADH不能经细胞有氧呼吸使其转变成NAD。因此，大量产生的NADH在乳酸脱氢酶的催化下，使丙酮酸还原成乳酸，同时生成NAD。NAD的生成可以促进糖酵解的继续进行。乳酸可以从肌肉转运到肝脏。在肝脏型乳酸脱氢酶同工酶的催化下，使丙酮酸重新生成。丙酮酸即可在肝

20、脏中经糖异生作用转变成葡萄糖。肝脏为肌肉输出葡萄糖，而肌肉收缩产生乳酸，乳酸又可在肝脏中转变成新的葡萄糖。这一过程称之为Cori循环。,肝脏具有高比值的NAD+/NADH (约700)，有利于乳酸氧化生成丙酮酸，从而有利于糖异生作用，很容易产生超过它自身所利用的葡萄糖,激烈运动的肌肉进入无氧状态，并显示出低比值的NAD+/NADH，这有利于将丙酮酸还原为乳酸。,40,Section 5 糖异生的调节 糖异生和糖酵解是两个相反的代谢途径，在体内是不会同时发生的。这两个相反的途径通过交互调节的方式满足生物的需要。比较糖异生和糖酵解的反应顺序，可以看出存在三个底物循环，即葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸、果

21、糖-6-磷酸和果糖-1,6-二磷酸、磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸的相互转变。这三个底物循环部位构成了糖酵解和糖异生反应代谢流向的重要控制点。,41,一、乙酰CoA是糖异生作用的重要促进剂 丙酮酸羧化酶是糖异生反应顺序的第一个控制酶。乙酰CoA是丙酮酸羧化酶的重要的激活剂，也是丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶的重要抑制剂（这个酶使糖酵解与柠檬酸循环相连接）。当细胞能量需要被满足时，氧化磷酸化速度降低，NADH积累，造成对柠檬酸循环的抑制，致使乙酰CoA积累。,当脂肪酸作为燃料分子被利用时，也产生大量的乙酰CoA。,42,乙酰CoA浓度的升高抑制丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶的活性，抑制糖酵解的活性和丙酮酸的继续产

22、生，减少乙酰CoA由丙酮酸生成，同时刺激丙酮酸羧化酶的活性。这就允许过量的丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸，有利于糖异生作用。当乙酰CoA水平降低时，丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶的活性升高，由糖酵解产生的、进入柠檬酸循环的代谢物流量随之增高，提供细胞所需的能量。由此可见，丙酮酸的细胞内去向强烈地取决于乙酰CoA水平。,43,二、AMP和柠檬酸是糖异生作用的重要效应物 果糖-1,6-二磷酸酶受到AMP的抑制，但却可被柠檬酸激活。这两种效应物施加给糖酵解的影响刚好与它们对糖异生作用造成的效应相反。当细胞需要能量时，其信号是AMP水平的升高，AMP激活磷酸果糖激酶，同时抑制果糖-1,6-二磷酸酶的活性。其结

23、果是糖酵解被促进，糖异生作用被抑制。当细胞的柠檬酸浓度升高时，意味着细胞含有丰富的能量(ATP)，表明细胞用于柠檬酸循环的前体物丰富，丙酮酸可用于糖的合成。因此，柠檬酸水平的升高就对磷酸果糖激酶造成抑制，降低糖酵解的活性，同时激活果糖-1,6-二磷酸酶而有利于糖异生作用。,44,三、果糖-2,6-二磷酸对糖异生作用的调节 果糖-1,6-二磷酸酶和磷酸果糖激酶的活性也受到另外一种重要的效应物果糖-2,6-二磷酸的调节。,45,细胞内的果糖-2,6-二磷酸的浓度取决于它合成和降解之间的平衡。磷酸果糖激酶-2(PFK-2)催化果糖-6-磷酸转变成果糖-2,6-二磷酸，果糖-2,6-二磷酸酶(FBPas