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第十三章糖原代谢和糖异生作用贮存糖原的动用(主要发生在肝脏中)可以为脑和红细胞提供对葡萄糖部分需要。当进食之后葡萄糖很丰富时，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每日对葡萄糖的一半的需要。在禁食的条件下，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(例如氨基酸)提供。因此，葡萄糖的合成、贮存、动用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需要。第一节糖原的降解肌糖原:180-300g肌肉收缩的应急能源肝糖原:70-100g血糖种类糖原是一种无还原性的多糖。糖原合成或分解时，其葡萄糖残基的添加或去除，均在其非还原端进行。糖原的合成与分解代谢主要发生在肝、肾和肌肉组织细胞的胞液中。糖原(glycogen)是由α-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，分别占肌肉和肝脏重量的1%～2%和10%左右。糖原粒中也含有催化糖原合成和降解的酶以及一些调节这些反应的蛋白质。糖原分子只有一个还原性末端，而在每个分支上都有一个非还原性末端。糖原的降解与合成都有序地发生在非还原性末端，因此，糖原的高度分支的结构极大地增大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。磷酸解：由糖原磷酸化酶催化对α-1,4-糖苷键磷酸解，生成G-1-P。糖原磷酸化酶*糖原降解反应过程：(G)n+Pi(G)n-1+G-1-P（一）糖原磷酸化酶催化糖原降解。糖原磷酸化酶催化的糖原降解反应糖原磷酸解反应的△G0′＝﹢3.1kJ·mol-l,但由于细胞内的[Pi]与[葡萄糖-1-磷酸]的比值接近100，因而体内实际的△G′大约接近﹣6.0kJ·mol-1。糖原的磷酸解反应在细胞内是一种能量上有利的反应。如果糖原的降解是水解而不是磷酸解，则产物是葡萄糖。在肌肉中，葡萄糖进入糖酵解途径之前需要以消耗ATP为代价的磷酸化反应。因此，糖原的磷酸解反应的意义是显而易见的。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。例如麦卡德尔氏症(AcArdle'sdisease)是由肌肉磷酸化酶缺乏所引起的糖原积累疾病，由于不能为糖酵解提供葡萄糖，因此当运动时会导致痛性肌肉痉挛。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。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(tower)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。兔肌糖原磷酸化酶的模式图糖原磷酸化酶不能催化分支点附近的(4～5糖残基)的α-1,4-糖苷键的裂解，也不能催化分支点的α-1,6-糖苷键的裂解。三.糖原脱支酶糖原脱支酶（glycogendebranchingenzyme）（也叫α-1,4-糖基转移酶）能从糖原的极限分支点上催化转移α-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的糖链。分支点上以α-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)，产生葡萄糖和已脱支的糖链。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：由α-1,6-葡萄糖苷酶催化。将α-1,6-糖苷键水解，生成一分子自由葡萄糖。α-1,6-葡萄糖苷酶转寡糖链：当糖原被水解到离分支点四个葡萄糖残基时，由葡聚糖转移酶催化，将分支链上的三个葡萄糖残基转移到直链的非还原端，使分支点暴露。(G)n+H2O(G)n-1+G脱支酶含有分开的转移酶活性和α-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。糖原脱支酶作用机制在肌肉组织中，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。磷酸葡萄糖变位酶葡萄糖-6-磷酸酶G-1-PG-6-P脱磷酸：由葡萄糖-6-磷酸酶催化，生成自由葡萄糖，该酶只存在于肝及肾中。G-6-P+H2OG+Pi生成的葡萄糖－6－磷酸进入糖酵解比葡萄糖进入糖酵解节省能量四磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶作用机制磷酸葡萄糖变位酶的作用机制第二节糖原的合成在生理条件下，糖原的磷酸解是一个高度放能的反应，而其逆反应如果没有自由能的输入则在热力学上是不利的。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。在磷酸葡萄糖异构酶催化的反应中，葡萄糖-6-磷酸转变成葡萄糖-1-磷酸。1957年，阿根廷的生物化学家L.Leloir发现,葡萄糖-1-磷酸在尿苷二磷酸焦磷酸化酶(UDP-glucosepyrophosohorylase)的催化下与尿苷三磷酸(UTP)结合形成的尿苷二磷酸-葡萄糖(UDP-葡萄糖或UDP-G)是糖原合成时的糖基体的供体形式：葡萄糖-1-磷酸＋UTP←→UDP-葡萄糖＋PPi△Go'≈0PPi＋H2O→2Pi△Go'＝-29.7kJ·mol-1总反应：葡萄糖-1-磷酸＋UTP＋H2O→UDP-葡萄糖＋2Pi△Go'＝-29.7kJ·mol-1总反应自由能变化表明，反应有利于UDP-葡萄糖的生成。在许多生物合成反应中，由于核苷三磷酸裂解，产生了无机焦磷酸(PPi),后者被焦磷酸酶水解，释放出的大量的自由能推动本是可逆的反应变成不可逆，而有利于合成反应。这在生物化学上是一个具普遍性的原理。UDP-葡萄糖等这类糖核苷酸(sugarnucleotides)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。二糖原合酶催化糖原合成UDP-葡萄糖的生成具备了将糖基转移用于糖原合成的条件。在糖原合酶(glycogensynthase)的催化下，UDP-葡萄糖的糖基被转移到分子较小的糖原(作为引物)的非还原性末端C-4–OH上，形成α-1,4-糖苷键：UDP-葡萄糖＋糖原(n个葡萄糖残基)→UDP＋糖原(n＋1个葡萄糖基)该反应的△Go'是–13.4kJ·mol-1，这表明UDP-葡萄糖的形成和糖原合成的总反应：葡萄糖-1-磷酸＋UTP＋糖原(n个葡萄糖残基)→糖原(n＋1个葡萄糖基)＋UDP＋Pi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。二糖原合成酶催化糖原合成UDP-葡萄糖的生成具备了将糖基转移用于糖原合成的条件。在糖原合酶(glycogensynthase)的催化下，UDP-葡萄糖的糖基被转移到分子较小的糖原(作为引物)的非还原性末端C-4–OH上，形成α-1,4-糖苷键：UDP-葡萄糖＋糖原(n个葡萄糖残基)→UDP＋糖原(n＋1个葡萄糖基)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？有一种叫做糖原蛋白(glycogenin)的较小的蛋白质(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(tyrosineglucosyltransferase)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，糖原蛋白自身催化再连续添加7个糖基，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)。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成酶结合在一起。三.糖原分支的产生糖原合酶只能催化α-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-(1,4→1,6)-转葡萄糖基酶(amylo-(1,4→1,6)-transglycosylase)即分支酶(branchingenzyme)。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链的糖残基的C-6位上，形成一个α-1,6-糖苷键。第三节糖原代谢的调节葡萄糖是脑的主要代谢燃料，循环着的血液中的葡萄糖必须维持在大约5mmol·L-1的浓度。糖原降解产生的葡萄糖也是肌肉收缩的主要能量来源。糖原代谢的控制受糖原磷酸化酶和糖原合酶的交互调节。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制。一.糖原磷酸化酶和糖原合酶的别构调节糖原磷酸化酶可被AMP别构激活，而ATP和葡萄糖-6-磷酸则能抑制该酶的活性。糖原合酶的活性则可被ATP和葡萄糖-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(即高[AMP]和低[ATP]以及低[葡萄糖-6-磷酸])，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：有活性的R态无活性的T态AMP能启动T态→R态ATP、葡萄糖-6-磷酸的作用相反启动T态←R态二.糖原磷酸化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。1959年，E.Krebs和E.Fischer证实这种转换涉及到磷酸化的共价修饰机制。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。糖原磷酸化酶的活性变化是由于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T←→R平衡向有利于R态方向移动。糖原磷酸化酶磷酸化←→糖原磷酸化酶脱磷酸化a型←→b型R态←→T态高活性←→无活性糖原合酶人的肌肉糖原合酶是一种同源四聚体蛋白，每个亚基由737个氨基酸残基组成。象糖原磷酸化酶一样，也存在两种酶促转换形式，即去磷酸化的、有活性的b形式(或Ⅰ形式)和磷酸化的、低活性的a形式(或D形式)。这种转换刚好与糖原磷酸化酶相反。糖原合成酶活性的共价修饰转换所涉及到的转换酶与糖原磷酸化酶相同。胰高血糖素和肾上腺素：提高血糖。通过激活环化酶催化ATP生成cAMP，激活蛋白激酶，蛋白激酶激活磷酸化酶激酶，磷酸化酶激酶使糖原磷酸化酶磷酸化，成为有活性态，降解糖原生成葡萄糖。激素对糖代谢的调节：胰岛素：降低血糖。通过激活另一类型的蛋白激酶，导致磷蛋白磷酸酶结合的G亚基上的部位Ⅰ磷酸化，结果是磷蛋白磷酸酶活化，该酶的作用是将带有磷酸基团的酶分子去磷酸化。糖原合成酶去磷酸化后成为有活性的酶，促进糖原合成。葡萄糖合成糖原，血液中的葡萄糖减少糖原磷酸化酶b向糖原磷酸化酶a的转化由磷酸化酶激酶催化的。第四节葡萄糖的异生作用糖异生(gluconeogenesis)：由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。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。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