糖原代謝及其調控PPT課件

1、1G15.15Structure of Glycogen Phosphorylasemonomer (842 AA)dimer別構劑別構劑結合點結合點與另一亞基的與另一亞基的別構部位接觸別構部位接觸糖原顆粒糖原顆粒結合位點結合位點催化催化部位部位輔基磷酸吡哆醛輔基磷酸吡哆醛(PLP)共價結合于共價結合于Lys680，其，其磷酰基以廣義酸磷?；詮V義酸-堿催化堿催化方式方式促進促進Pi攻擊攻擊 (14)糖苷鍵糖苷鍵 (cf. Fig. 13-5)PLP磷酸化位點：磷酸化位點：高活性高活性a型型 磷酸化磷酸化低活性低活性b型型 去磷酸化去磷酸化自學自學第1頁/共26頁2- G6P去路去路 肝、腎肝

2、、腎細胞中水解成細胞中水解成Glc 腦、肌腦、肌細胞中直接進入酵解細胞中直接進入酵解 (without G6Pase) - 糖原顆粒不會被完全分解，糖原顆粒不會被完全分解， 一般是一般是分支減少分支減少/分子變小分子變小 糖糖原脫分支原脫分支G1Pphospho-glucomutaseactivity 1= 糖基糖基轉移酶轉移酶activity 2= ( 16)糖苷糖苷酶酶15-4G6P- Product of glycogen degradation = G1P (85%) & free Glc (15%)- Debranching enzyme = bifunctional enz

3、yme (as PFK-2)磷酸葡糖磷酸葡糖變位酶變位酶脫脫支支酶酶第2頁/共26頁315-5 磷酸葡糖變位酶作用機制磷酸葡糖變位酶作用機制- 該酶需以活性位點的該酶需以活性位點的Ser 殘基已被磷酸化殘基已被磷酸化的形式的形式 參與反應參與反應- 先由酶將其磷酰基轉移先由酶將其磷?；D移 給給G1P而生成而生成G-1,6-BP- 再由再由G-1,6-BP將其將其C1位位 磷?；D移給酶并釋出磷?；D移給酶并釋出 G6P(cf. phosphoglycerate mutase with His in Glycolosis )自學自學(cf. Fig. 13-7)第3頁/共26頁415-6 肝糖

4、元降解可以補充血糖肝糖元降解可以補充血糖內質網腔內質網腔G6P酶酶僅存在于肝臟和腎臟，為內質網僅存在于肝臟和腎臟，為內質網膜上的整合蛋白膜上的整合蛋白(可能有九個跨膜螺旋區(qū)可能有九個跨膜螺旋區(qū)段段)，活性點位于腔內側活性點位于腔內側(why?)毛毛細細血血管管Glc質膜載體質膜載體T1/G6P酶酶的任一遺傳的任一遺傳缺失均將導致糖原代缺失均將導致糖原代謝紊亂并最終引發(fā)謝紊亂并最終引發(fā)Ia型糖原貯積病型糖原貯積病自學自學第4頁/共26頁5- High Pi in cell favors glycogen breakdown & prevents from glycogen synthes

5、is in vivo.- Needs another way to activate Glc for transferring to glycogen chain.H13.4磷酸葡糖變位酶磷酸葡糖變位酶UDP-Glc焦磷酸化酶焦磷酸化酶2. 糖原合成糖原合成糖原糖原合酶合酶糖原代謝中糖原代謝中Glc激活激活方式不同：方式不同： - 降解降解時磷酸解成時磷酸解成G1P - 合成合成時核苷?；蓵r核苷酰化成UDP-GlcLuis Leloir1906-1987 1970 NP in Chem.UDP-Glc much better leaving group第5頁/共26頁6- 核苷二磷酸糖核苷二

6、磷酸糖在寡糖和多糖在寡糖和多糖 的生物合成中作為的生物合成中作為糖基供體糖基供體 - 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 irreversi

7、bly15-7 核苷二磷酸糖核苷二磷酸糖/糖核苷酸的形成糖核苷酸的形成核苷二磷酸糖核苷二磷酸糖焦磷酸化酶焦磷酸化酶(無機無機)焦磷酸酶焦磷酸酶Go = -2027 kJ/molGo 0 kJ/mol自學自學第6頁/共26頁715-8 Glycogen synthesis= glycogen chain elongated by glycogen synthasetransferring the Glc residue from UDP-Glc to the nonreducing end of a glycogen branch to make a new ( 14) linkagedirec

8、tly adding to a chain like this, or needing a primer with at least 8/6 Glc residues糖原合酶糖原合酶不能從頭開始而將兩個游不能從頭開始而將兩個游離的離的UDP-Glc直接連接起來直接連接起來Go = -13.4 kJ/mol第7頁/共26頁815-9 Branch synthesis in glycogen糖原分支酶糖原分支酶糖原分支酶糖原分支酶從一段至少有從一段至少有11 Glc殘基的分殘基的分支上轉移支上轉移67個殘基給該分支或鄰近分支個殘基給該分支或鄰近分支還原端某個殘基的還原端某個殘基的C6上以形成新的分

9、支上以形成新的分支斷裂斷裂( 14)鍵鍵形成形成( 16)鍵鍵 糖原分支的生物學意義糖原分支的生物學意義 - 增加糖原的可溶性增加糖原的可溶性 - 增加非還原端數(shù)量增加非還原端數(shù)量=第8頁/共26頁9- 除了活化底物是除了活化底物是ADP-Glc之之 外，合成機制與糖原的類似外，合成機制與糖原的類似20-16(3rd)ADP-Glc焦磷酸化酶焦磷酸化酶 Starch synthesis淀粉合酶淀粉合酶自學自學第9頁/共26頁10 由由糖原生成糖原生成(起始起始)蛋白蛋白開始的糖原顆粒形成開始的糖原顆粒形成20-14= 引發(fā)蛋白引發(fā)蛋白+葡糖基轉移酶葡糖基轉移酶葡糖基轉移活性葡糖基轉移活性轉移酶

10、與糖轉移酶與糖原合酶結合原合酶結合糖原合酶活性糖原合酶活性合酶與分合酶與分支酶活性支酶活性Glycogen core葡糖基延長活性葡糖基延長活性自學自學第10頁/共26頁1115-11在葡糖基轉移酶活性作用在葡糖基轉移酶活性作用下，下，Tyr194-OH親核攻擊親核攻擊UDP-Glc的的C1而生成糖基而生成糖基化的化的Tyr (非還原末端非還原末端)非還原末端非還原末端Glc的的C4-OH對對另一另一UDP-Glc親核攻擊以親核攻擊以形成形成( 14)糖苷鍵糖苷鍵達到達到8個殘基后由糖原合酶個殘基后由糖原合酶繼續(xù)延長及分支繼續(xù)延長及分支 糖原生成糖原生成(起始起始)蛋白反應機制蛋白反應機制-自

11、學自學第11頁/共26頁1215-10 Muscle glycogenin (dimer)UDP-Glc, bound to Mn2+ through its phosphatesTyr194Asp162本單體本單體Asp162先先親核攻擊形成過親核攻擊形成過渡態(tài)中間物渡態(tài)中間物另一單體另一單體Tyr194再親再親核攻擊完成反應核攻擊完成反應用作用作e對受體以穩(wěn)對受體以穩(wěn)定離去基團定離去基團UDP自學自學第12頁/共26頁13小結：糖原代謝小結：糖原代謝 糖原以糖原以顆粒顆粒形式儲存于肌肉和肝臟，顆粒中還含有形式儲存于肌肉和肝臟，顆粒中還含有 糖原代謝及調節(jié)的各種酶糖原代謝及調節(jié)的各種酶 糖原

12、磷酸化酶糖原磷酸化酶催化糖原鏈非還原端殘基磷酸解斷裂催化糖原鏈非還原端殘基磷酸解斷裂 ( 14)鍵而生成鍵而生成G1P，去分支酶去分支酶將分支轉移到主鏈將分支轉移到主鏈 并以游離并以游離Glc形式釋出形式釋出( 16)分支點殘基分支點殘基 磷酸葡糖變位酶磷酸葡糖變位酶催化催化G1P和和G6P相互轉化，后者在相互轉化，后者在 肌細胞肌細胞中可直接進入酵解，或在中可直接進入酵解，或在肝臟肝臟中被內質網的中被內質網的 G6P酶水解成酶水解成Glc后釋出以補充血糖后釋出以補充血糖 在在糖原合酶糖原合酶催化下，催化下，UDP-Glc將糖基轉移到糖原鏈非將糖基轉移到糖原鏈非 還原端上，還原端上，分支酶分支

13、酶則可在分支點處形成則可在分支點處形成( 16)連接連接 新糖原合成起始于新糖原合成起始于UDP-Glc的葡糖基與的葡糖基與糖原生成起始糖原生成起始 蛋白蛋白的的Tyr殘基間糖苷鍵的自我催化形成，隨后連續(xù)殘基間糖苷鍵的自我催化形成，隨后連續(xù) 添加添加7 Glc殘基形成引物，后者再由糖原合酶催化延長殘基形成引物，后者再由糖原合酶催化延長LW-2第13頁/共26頁1415-13 酶活性具有多種調節(jié)方式酶活性具有多種調節(jié)方式 - 增減酶分子數(shù)量增減酶分子數(shù)量 - 改變酶分子活力改變酶分子活力3. 糖原降解與合成的協(xié)同調節(jié)糖原降解與合成的協(xié)同調節(jié) (eg. Hexokinase IV)第14頁/共26

14、頁1515-14 蛋白質蛋白質(酶酶)的磷酸化與去磷酸化的磷酸化與去磷酸化- 對已有酶分子進行共價修飾對已有酶分子進行共價修飾 的調節(jié)作用通常要快得多的調節(jié)作用通常要快得多- 其他共價修飾如腺苷?；?、其他共價修飾如腺苷?；?、 甲基化、糖基化和酯化等甲基化、糖基化和酯化等- 蛋白激酶蛋白激酶通常與相應的通常與相應的磷酸磷酸 蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶配套作用配套作用(復原復原)- 和和酶酶調節(jié)相似，共價修飾調節(jié)相似，共價修飾 也常常由某些細胞外信號所也常常由某些細胞外信號所 觸發(fā)，例如激素和生長因子觸發(fā)，例如激素和生長因子真核類真核類1/2的蛋的蛋白質在某些條件白質在某些條件下均可磷酸化下均可磷酸化(

15、去去)磷酸化磷酸化可能通過改可能通過改變酶活性位變酶活性位點的點的靜電特靜電特性性而引發(fā)相而引發(fā)相應構象變化應構象變化第15頁/共26頁1615-24 糖原磷酸化酶的糖原磷酸化酶的共價修飾共價修飾 胰高血糖素胰高血糖素腎上腺素腎上腺素- 在高活性的在高活性的磷酸化酶磷酸化酶 a中，中， 各亞基的特定各亞基的特定Ser14殘基殘基 均被磷酸化均被磷酸化- 被被磷酸化酶磷酸化酶 a磷酸酶磷酸酶去磷去磷 酸化后即轉變?yōu)榈突钚缘乃峄蠹崔D變?yōu)榈突钚缘?磷酸化酶磷酸化酶 b (失活失活)；后者；后者 可經由可經由磷酸化酶磷酸化酶 b激酶激酶的的 磷酸化作用而被重新激活磷酸化作用而被重新激活- 糖原合酶糖

16、原合酶的共價修飾與之的共價修飾與之 相似但相似但活化形式相反活化形式相反，故，故 磷酸化時糖原分解加速而磷酸化時糖原分解加速而 糖原合成被抑制糖原合成被抑制(合酶合酶 a 低活性低活性)，去磷酸化時則，去磷酸化時則 分解被抑制而合成加速分解被抑制而合成加速 (合酶合酶 b高活性高活性)(cf. p360)第16頁/共26頁1715-25 腎上腺素腎上腺素和和胰高血糖素胰高血糖素作用的作用的級聯(lián)反應機制級聯(lián)反應機制- 兩者分別結合于兩者分別結合于肌細胞肌細胞和和 肝細胞肝細胞外表的特殊受體而外表的特殊受體而 激活激活GTP結合蛋白結合蛋白Gs 級級聯(lián)聯(lián)放放大大反反應應- 最終導致糖原降解進而最終

17、導致糖原降解進而 提供能量提供能量(肌肉肌肉)和升高和升高 血糖血糖(肝臟肝臟)肌細胞肌細胞肝細胞肝細胞no G6Pase(cf. Fig. 13-18)第17頁/共26頁18肝肝糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶 a 對對Glc敏感：敏感：結合在其別構結合在其別構部位的部位的Glc可誘發(fā)構象變化，使被磷酸化的可誘發(fā)構象變化，使被磷酸化的Ser殘基殘基暴露于暴露于磷酸化酶磷酸化酶 a 磷酸酶磷酸酶的作用下，后者的作用下，后者可將高活性的磷酸化酶可將高活性的磷酸化酶 a 轉變成低活性的磷酸轉變成低活性的磷酸化酶化酶 b 以適應高血糖以適應高血糖15-26 肝肝糖原磷酸化酶的糖原磷酸化酶的別構調節(jié)別構調節(jié)

18、血糖血糖升高升高(cf. Fig. 13-11 for Myocyte)R state(Arg569)T state(Asp238)第18頁/共26頁1915-17 己糖激酶己糖激酶 (葡糖激酶葡糖激酶)的的核隔離調節(jié)核隔離調節(jié)4. 糖酵解與糖異生的協(xié)同調節(jié)糖酵解與糖異生的協(xié)同調節(jié) 肝細胞肝細胞- 血糖血糖升高時升高時Glc即可經由即可經由GLUT2 快速進入肝細胞快速進入肝細胞與與F6P競爭解除競爭解除 調節(jié)蛋白調節(jié)蛋白的抑制的抑制激活激活己糖激酶己糖激酶 加速加速G6P的生成的生成促進糖原合成促進糖原合成- 血糖血糖降至降至 5 mM時，時，Glc不足不足 以與以與F6P競爭競爭后者后者觸

19、發(fā)觸發(fā)調節(jié)蛋調節(jié)蛋 白白對對己糖激酶己糖激酶的抑制的抑制肝細胞肝細胞 不與其他器官競爭短缺的血糖不與其他器官競爭短缺的血糖G1PGlycogen Hexokinase IV - Km high 10 mmol - with regulator protein - not inhibited by G6P第19頁/共26頁20 磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-115-18aPFK-1催化的反應是催化的反應是Glc進入酵解之關鍵進入酵解之關鍵(不可逆不可逆)同型四聚體同型四聚體(E. coli)二聚體模型二聚體模型催化位點催化位點別構調節(jié)位點別構調節(jié)位點ADPF-1,6-BPADP自學自學第20頁/共2

20、6頁2115-18b/c 磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶-1的調節(jié)的調節(jié)- ATP/檸檬酸檸檬酸升高可別構升高可別構 抑制抑制PFK-1活性而降低該活性而降低該 酶對酶對F6P的親和性的親和性- AMP/ADP升高則能升高則能解除解除 ATP對對PFK-1的別構抑制的別構抑制- F-2,6-BP是是PFK-1最重要最重要 的別構激活劑的別構激活劑(cf. p291)第21頁/共26頁2215-19 丙酮酸激酶的調節(jié)丙酮酸激酶的調節(jié)前前饋饋激激活活反反饋饋抑抑制制蛋白激酶蛋白激酶 A蛋白磷酸酶蛋白磷酸酶該機制僅作用該機制僅作用于于L-型同工酶型同工酶脊椎動物至少發(fā)現(xiàn)有三種脊椎動物至少發(fā)現(xiàn)有三種同工酶，分別存在于肝臟同工酶，分別存在于肝臟(L)和肌肉和肌肉(M)等肝外組織等肝外組織-低血糖低血糖將將Glc調劑給調劑給大腦等組織大腦等組織第22頁/共26頁2315-22c- F-2,6-BP為為PFK-1