生物化學(xué) 第13章 糖原代謝和糖異生作用課件

第十三章

糖原代謝和糖異生作用第十三章1

貯存糖原的動用(主要發(fā)生在肝臟中)可以為腦和紅細(xì)胞提供對葡萄糖部分需要。當(dāng)進(jìn)食之后葡萄糖很豐富時(shí)，葡萄糖便會很快地以糖原的形式貯存起來。然而，肝臟貯存糖原的能力僅能滿足腦每日對葡萄糖的一半的需要。在禁食的條件下，機(jī)體所需的大部分葡萄糖則通過葡萄糖的異生作用從非糖前體(例如氨基酸)提供。因此，葡萄糖的合成、貯存、動用以及通過糖酵解或磷酸戊糖途徑的分解代謝都是受到有效的調(diào)節(jié)，以滿足于機(jī)體對能量的短期和長期需要。

2第一節(jié)糖原的降解肌糖原:180-300g肌肉收縮的應(yīng)急能源肝糖原:70-100g血糖種類第一節(jié)糖原的降解肌糖原:180-300g肌肉收縮3

糖原是一種無還原性的多糖。糖原合成或分解時(shí)，其葡萄糖殘基的添加或去除，均在其非還原端進(jìn)行。糖原的合成與分解代謝主要發(fā)生在肝、腎和肌肉組織細(xì)胞的胞液中。

糖原是一種無還原性的多糖。4

糖原(glycogen)是由α-D-葡萄糖聚合而成的﹑有分支的大分子物質(zhì)。糖原以球形的糖原粒的形式出現(xiàn)在肌肉和肝臟細(xì)胞內(nèi)，分別占肌肉和肝臟重量的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調(diào)節(jié)這些反應(yīng)的蛋白質(zhì)。糖原分子只有一個(gè)還原性末端，而在每個(gè)分支上都有一個(gè)非還原性末端。糖原的降解與合成都有序地發(fā)生在非還原性末端，因此，糖原的高度分支的結(jié)構(gòu)極大地增大糖原降解與合成的作用點(diǎn)，有利于提高糖原降解與合成的速度。

糖原(glycogen)是由α-D-葡萄糖聚5磷酸解：由糖原磷酸化酶催化對α-1,4-糖苷鍵磷酸解，生成G-1-P。糖原磷酸化酶*糖原降解反應(yīng)過程：(G)n+Pi(G)n-1+G-1-P（一）糖原磷酸化酶催化糖原降解。磷酸解：由糖原磷酸化酶催化對α-1,4-糖苷鍵磷酸解，生成G6糖原磷酸化酶催化的糖原降解反應(yīng)糖原磷酸化酶催化的糖原降解反應(yīng)7

糖原磷酸解反應(yīng)的△G0′＝﹢3.1kJ·mol-l,但由于細(xì)胞內(nèi)的[Pi]與[葡萄糖-1-磷酸]的比值接近100，因而體內(nèi)實(shí)際的△G′大約接近﹣6.0kJ·mol-1。糖原的磷酸解反應(yīng)在細(xì)胞內(nèi)是一種能量上有利的反應(yīng)。

如果糖原的降解是水解而不是磷酸解，則產(chǎn)物是葡萄糖。

在肌肉中，葡萄糖進(jìn)入糖酵解途徑之前需要以消耗ATP為代價(jià)的磷酸化反應(yīng)。因此，糖原的磷酸解反應(yīng)的意義是顯而易見的。

糖原磷酸解反應(yīng)的△G0′＝﹢3.1kJ·m8如果當(dāng)釋放貯存葡萄糖的酶缺失時(shí)，則不能為糖酵解提供葡萄糖以維持機(jī)體對ATP的需要。例如麥卡德爾氏癥(AcArdle'sdisease)是由肌肉磷酸化酶缺乏所引起的糖原積累疾病，由于不能為糖酵解提供葡萄糖，因此當(dāng)運(yùn)動時(shí)會導(dǎo)致痛性肌肉痙攣。如果當(dāng)釋放貯存葡萄糖的酶缺失時(shí)，則不能為糖酵解提供葡萄糖以維9二糖原磷酸化酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制

糖原磷酸化酶是由兩個(gè)相同的亞基構(gòu)成的二聚體，每個(gè)亞基都有一個(gè)大的N-端結(jié)構(gòu)域(484個(gè)殘基)和一個(gè)小的C-端結(jié)構(gòu)域。N-端域包含磷酸化部位、別構(gòu)效應(yīng)物部位、糖原結(jié)合部位(也叫糖原貯存部位)以及二聚體亞基間的相互作用部位，每個(gè)亞基的塔式(tower)螺旋以反平行的交互方式相互作用。催化部位位于亞基的中間。二糖原磷酸化酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制10兔肌糖原磷酸化酶的模式圖兔肌糖原磷酸化酶的模式圖11糖原磷酸化酶不能催化分支點(diǎn)附近的(4～5糖殘基)的α-1,4-糖苷鍵的裂解，也不能催化分支點(diǎn)的α-1,6-糖苷鍵的裂解。糖原磷酸化酶不能催化分支點(diǎn)附近的(4～5糖殘基)的α-1,412三.糖原脫支酶

糖原脫支酶（glycogendebranchingenzyme）（也叫α-1,4-糖基轉(zhuǎn)移酶）能從糖原的極限分支點(diǎn)上催化轉(zhuǎn)移α-1,4-糖苷鍵連結(jié)的三糖單位到另一個(gè)分支的非還原性末端，產(chǎn)生可被糖原磷酸化酶作用的較長的糖鏈。

分支點(diǎn)上以α-1,6-糖苷鍵同主鏈連結(jié)的一個(gè)糖殘基可被同一脫支酶水解(非磷酸解)，產(chǎn)生葡萄糖和已脫支的糖鏈。糖原大約10%的糖殘基(即在分支點(diǎn)上的殘基)因此而轉(zhuǎn)變成葡萄糖而不是葡萄糖-1-磷酸。

三.糖原脫支酶13脫支：由α-1,6-葡萄糖苷酶催化。將α-1,6-糖苷鍵水解，生成一分子自由葡萄糖。

α-1,6-葡萄糖苷酶轉(zhuǎn)寡糖鏈：當(dāng)糖原被水解到離分支點(diǎn)四個(gè)葡萄糖殘基時(shí)，由葡聚糖轉(zhuǎn)移酶催化，將分支鏈上的三個(gè)葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移到直鏈的非還原端，使分支點(diǎn)暴露。(G)n+H2O(G)n-1+G脫支酶含有分開的轉(zhuǎn)移酶活性和α-1,6-糖苷酶兩個(gè)酶活性部位。兩個(gè)獨(dú)立的催化活性在同一個(gè)酶中存在無疑會改進(jìn)脫支反應(yīng)的效率。脫支：由α-1,6-葡萄糖苷酶催化。將α-1,6-糖苷鍵水解14糖原脫支酶作用機(jī)制糖原脫支酶作用機(jī)制15

在肌肉組織中，糖原經(jīng)糖原磷酸化酶和磷酸葡萄糖變位酶產(chǎn)生的葡萄糖-6-磷酸可以沿著糖酵解途徑繼續(xù)進(jìn)行代謝，產(chǎn)生肌肉收縮所需要的能量。在肝臟中，生成的葡萄糖-6-磷酸除可以進(jìn)入糖酵解和磷酸戊糖途徑外，另一個(gè)重要的去向是在肝臟葡萄糖-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

生成的葡萄糖離開肝臟，經(jīng)循環(huán)著的血液運(yùn)送到其他組織，肌肉和其他組織不含葡萄糖-6-磷酸酶,因而能保有葡萄糖-6-磷酸。在肌肉組織中，糖原經(jīng)糖原磷酸化酶和磷酸葡萄糖16生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件17磷酸葡萄糖變位酶葡萄糖-6-磷酸酶G-1-PG-6-P脫磷酸：由葡萄糖-6-磷酸酶催化，生成自由葡萄糖，該酶只存在于肝及腎中。G-6-P+H2OG+Pi生成的葡萄糖－6－磷酸進(jìn)入糖酵解比葡萄糖進(jìn)入糖酵解節(jié)省能量四磷酸葡萄糖變位酶磷酸葡萄糖變位酶葡萄糖-6-磷酸酶G-1-P18磷酸葡萄糖變位酶作用機(jī)制磷酸葡萄糖變位酶的作用機(jī)制磷酸葡萄糖變位酶作用機(jī)制磷酸葡萄糖變位酶的作用機(jī)制19第二節(jié)糖原的合成

在生理?xiàng)l件下，糖原的磷酸解是一個(gè)高度放能的反應(yīng)，而其逆反應(yīng)如果沒有自由能的輸入則在熱力學(xué)上是不利的。一．UDP-葡萄糖是糖基轉(zhuǎn)移的活潑形式

肝臟和骨骼肌是糖原合成的主要部位。葡萄糖進(jìn)入肝臟或肌肉組織后，首先經(jīng)己糖激酶或葡萄糖激酶催化，轉(zhuǎn)變成葡萄糖-6-磷酸。但葡萄糖-6-磷酸不能直接用作糖原合成的糖基供體。在磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)中，葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖-1-磷酸。第二節(jié)糖原的合成20

1957年，阿根廷的生物化學(xué)家L.Leloir發(fā)現(xiàn),葡萄糖-1-磷酸在尿苷二磷酸焦磷酸化酶(UDP-glucosepyrophosohorylase)的催化下與尿苷三磷酸(UTP)結(jié)合形成的尿苷二磷酸-葡萄糖(UDP-葡萄糖或UDP-G)

是糖原合成時(shí)的糖基體的供體形式：

葡萄糖-1-磷酸＋UTP←→UDP-葡萄糖＋PPi△Go'≈0PPi＋H2O→2Pi△Go'＝-29.7kJ·mol-1總反應(yīng)：葡萄糖-1-磷酸＋UTP＋H2O→UDP-葡萄糖＋2Pi△Go'＝-29.7kJ·mol-11957年，阿根廷的生物化學(xué)家L.Leloir發(fā)現(xiàn),21總反應(yīng)自由能變化表明，反應(yīng)有利于UDP-葡萄糖的生成。在許多生物合成反應(yīng)中，由于核苷三磷酸裂解，產(chǎn)生了無機(jī)焦磷酸(PPi),后者被焦磷酸酶水解，釋放出的大量的自由能推動本是可逆的反應(yīng)變成不可逆，而有利于合成反應(yīng)。這在生物化學(xué)上是一個(gè)具普遍性的原理。

UDP-葡萄糖等這類糖核苷酸(sugarnucleotides)是雙糖、糖原、淀粉、纖維素和更復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)多糖合成時(shí)的糖基的直接供體形式。總反應(yīng)自由能變化表明，反應(yīng)有利于UDP-葡萄糖的生成22生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件23

在生物合成反應(yīng)中，雖然這類糖核苷酸不涉及到核苷酸本身基團(tuán)的轉(zhuǎn)移，但提供許多與酶非共價(jià)相互作用的基團(tuán)。這些相互作用可以為酶的催化反應(yīng)提供能量(結(jié)合能)；而且象磷酸基那樣，核苷酸基是一種非常好的離去基團(tuán)，激活核苷酸基連結(jié)的糖碳，以利于促進(jìn)親核攻擊。

在生物合成反應(yīng)中，雖然這類糖核苷酸不涉及到核24二糖原合酶催化糖原合成

UDP-葡萄糖的生成具備了將糖基轉(zhuǎn)移用于糖原合成的條件。在糖原合酶(glycogensynthase)的催化下，UDP-葡萄糖的糖基被轉(zhuǎn)移到分子較小的糖原(作為引物)的非還原性末端C-4–OH上，形成α-1,4-糖苷鍵：

UDP-葡萄糖＋糖原(n個(gè)葡萄糖殘基)→UDP＋糖原(n＋1個(gè)葡萄糖基)二糖原合酶催化糖原合成25

該反應(yīng)的△Go'是–13.4kJ·mol-1，這表明UDP-葡萄糖的形成和糖原合成的總反應(yīng)：

葡萄糖-1-磷酸＋UTP＋糖原(n個(gè)葡萄糖殘基)→糖原(n＋1個(gè)葡萄糖基)＋UDP＋Pi

在能量上是一個(gè)非常有利的過程。這一有利過程的產(chǎn)生是以消耗UTP為代價(jià)，而UTP的消耗在能量上相當(dāng)于ATP的消耗。該反應(yīng)的△Go'是–13.4kJ·mol-1，這表明26二糖原合成酶催化糖原合成

UDP-葡萄糖的生成具備了將糖基轉(zhuǎn)移用于糖原合成的條件。在糖原合酶(glycogensynthase)的催化下，UDP-葡萄糖的糖基被轉(zhuǎn)移到分子較小的糖原(作為引物)的非還原性末端C-4–OH上，形成α-1,4-糖苷鍵：

UDP-葡萄糖＋糖原(n個(gè)葡萄糖殘基)→UDP＋糖原(n＋1個(gè)葡萄糖基)二糖原合成酶催化糖原合成27生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件28

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？有一種叫做糖原蛋白(glycogenin)的較小的蛋白質(zhì)(分子量為37kD)可以作為一種引物與第一個(gè)葡萄糖基連接。

在酪氨酸葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(tyrosine

glucosyltransferase)催化下，把一個(gè)葡萄糖基結(jié)合到糖原蛋白194位Tyr殘基的﹣OH上。然后，在UDP-葡萄糖繼續(xù)提供糖基的條件下，糖原蛋白自身催化再連續(xù)添加7個(gè)糖基，使糖鏈延伸，形成糖原引物。

糖原的合成需要引物，那么新的糖原分子的合成是29糖原合酶只能從這一個(gè)點(diǎn)上開始糖原的合成(延長)。糖原粒分析提示，每個(gè)糖原粒僅與一分子的糖原蛋白和一分子的糖原合成酶結(jié)合在一起。糖原合酶只能從這一個(gè)點(diǎn)上開始糖原的合成(延長)。糖原粒分析提30三.糖原分支的產(chǎn)生

糖原合酶只能催化α-1,4-糖苷鍵的生成，形成線性的糖鏈。產(chǎn)生分支、形成糖原則需要另外一種叫做淀粉-(1,4→1,6)-轉(zhuǎn)葡萄糖基酶(amylo-(1,4→1,6)-transglycosylase)即分支酶(branchingenzyme)。

這個(gè)酶催化從糖鏈的非還原性末端轉(zhuǎn)移7個(gè)殘基至同一糖鏈或另一糖鏈的糖殘基的C-6位上，形成一個(gè)α-1,6-糖苷鍵。三.糖原分支的產(chǎn)生31生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件32

第三節(jié)

糖原代謝的調(diào)節(jié)

葡萄糖是腦的主要代謝燃料，循環(huán)著的血液中的葡萄糖必須維持在大約5mmol·L-1的濃度。糖原降解產(chǎn)生的葡萄糖也是肌肉收縮的主要能量來源。糖原代謝的控制受糖原磷酸化酶和糖原合酶的交互調(diào)節(jié)。

糖原磷酸化酶的激活與糖原合酶的抑制是緊密相連的，反之亦然。糖原代謝的調(diào)節(jié)涉及代謝途徑調(diào)節(jié)酶的別構(gòu)控制和共價(jià)修飾控制。

第三節(jié)糖原代謝的調(diào)節(jié)33一.糖原磷酸化酶和糖原合酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)

糖原磷酸化酶可被AMP別構(gòu)激活，而ATP和葡萄糖-6-磷酸則能抑制該酶的活性。糖原合酶的活性則可被ATP和葡萄糖-6-磷酸促進(jìn)。這兩種酶的活性以及糖原代謝的方向取決于肌肉或者肝臟細(xì)胞的能量狀況。

一.糖原磷酸化酶和糖原合酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)34當(dāng)ATP和葡萄糖-6-磷酸很豐富時(shí)，糖原的合成被激活，而糖原的降解則被抑制。

當(dāng)細(xì)胞能量水平降低時(shí)(即高[AMP]和低[ATP]以及低[葡萄糖-6-磷酸])，糖原的合成停止，糖原的分解代謝受到刺激。當(dāng)ATP和葡萄糖-6-磷酸很豐富時(shí)，糖原的合成被激活35

糖原磷酸化酶以兩種構(gòu)象狀態(tài)存在：有活性的R態(tài)無活性的T態(tài)AMP能啟動T態(tài)→R態(tài)

ATP、葡萄糖-6-磷酸的作用相反啟動T態(tài)←R態(tài)

糖原磷酸化酶以兩種構(gòu)象狀態(tài)存在：36二.糖原磷酸化和糖原合酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)

糖原磷酸化酶存在兩種形式，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證實(shí)這種轉(zhuǎn)換涉及到磷酸化的共價(jià)修飾機(jī)制。二.糖原磷酸化和糖原合酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)37

糖原磷酸化酶的共價(jià)修飾部位是每個(gè)亞基第14位Ser殘基。在Ser14被磷酸化酶激酶(一種轉(zhuǎn)換酶)催化而磷酸化時(shí)，糖原磷酸化酶由低活性的b形式轉(zhuǎn)變成有活性的a形式。糖原磷酸化酶的活性變化是由于Ser14殘基的磷酸化引起該酶的三級和四級結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。這種構(gòu)象變化與AMP的結(jié)合所引起的別構(gòu)變化很相似，因而使該酶的T←→R平衡向有利于R態(tài)方向移動。糖原磷酸化酶的共價(jià)修飾部位是每個(gè)亞基第14位S38糖原磷酸化酶磷酸化←→糖原磷酸化酶脫磷酸化

a型←→b型

R態(tài)←→T態(tài)高活性←→無活性糖原磷酸化酶磷酸化←→糖原磷酸化酶脫磷酸化39糖原合酶人的肌肉糖原合酶是一種同源四聚體蛋白，每個(gè)亞基由737個(gè)氨基酸殘基組成。象糖原磷酸化酶一樣，也存在兩種酶促轉(zhuǎn)換形式，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)。這種轉(zhuǎn)換剛好與糖原磷酸化酶相反。糖原合成酶活性的共價(jià)修飾轉(zhuǎn)換所涉及到的轉(zhuǎn)換酶與糖原磷酸化酶相同。糖原合酶40胰高血糖素和腎上腺素：提高血糖。通過激活環(huán)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，成為有活性態(tài)，降解糖原生成葡萄糖。

激素對糖代謝的調(diào)節(jié)：胰高血糖素和腎上腺素：提高血糖。激素對糖代謝的調(diào)節(jié)：41胰島素：降低血糖。通過激活另一類型的蛋白激酶，導(dǎo)致磷蛋白磷酸酶結(jié)合的G亞基上的部位Ⅰ磷酸化，結(jié)果是磷蛋白磷酸酶活化，該酶的作用是將帶有磷酸基團(tuán)的酶分子去磷酸化。糖原合成酶去磷酸化后成為有活性的酶，促進(jìn)糖原合成。葡萄糖合成糖原，血液中的葡萄糖減少胰島素：降低血糖。42糖原磷酸化酶b向糖原磷酸化酶a的轉(zhuǎn)化由磷酸化酶激酶催化的。糖原磷酸化酶b向糖原磷酸化酶a的轉(zhuǎn)化由磷酸化酶激酶催化的。43第四節(jié)葡萄糖的異生作用

糖異生(gluconeogenesis)：由非糖物質(zhì)酶促轉(zhuǎn)變成葡萄糖的過程稱之為葡萄糖的異生作用。一.葡萄糖異生作用的前體

丙酮酸或乳酸都含有葡萄糖尚未利用的大量的能量。丙酮酸和乳酸是動物體內(nèi)的糖異生作用的前體。

第四節(jié)葡萄糖的異生作用44丙酮酸必須轉(zhuǎn)變成草酰乙酸才能進(jìn)入到糖異生作用的反應(yīng)順序中，而草酰乙酸是檸檬酸循環(huán)的中間物。因此，檸檬酸循環(huán)的所有中間物都是糖異生作用的前體。絕大多數(shù)氨基酸的碳骨架都可以轉(zhuǎn)變成丙酮酸或者檸檬酸循環(huán)的中間物，因而它們也是重要的生糖前體。

丙酮酸必須轉(zhuǎn)變成草酰乙酸才能進(jìn)入到糖異生作用的反應(yīng)順45生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件46二.動物的肝臟和腎是糖異生作用的主要場所

糖異生作用的主要部位是肝臟和腎，這兩個(gè)器官分別占糖異生作用活性的90%和10%，在肝臟和腎中產(chǎn)生的葡萄糖會釋放到血液中，可以被腦、心臟、肌肉以及紅細(xì)胞吸收，以滿足這些組織細(xì)胞的代謝需要。這些組織產(chǎn)生的丙酮酸和乳酸亦可返回到肝臟和腎中，用作糖異生作用的底物。二.動物的肝臟和腎是糖異生作用的主要場所47三.葡萄糖異生作用的途徑

糖異生作用的大多數(shù)反應(yīng)是糖酵解的逆反應(yīng)。但是，糖酵解途徑中的己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反應(yīng)釋放出大量的自由能，其逆反應(yīng)是不可能發(fā)生的。因此，在糖異生作用中，必須克服這種能量上的不利反應(yīng)。實(shí)際上，在糖異生作用中，利用了不同的反應(yīng)順序或酶，把能量上的不利反應(yīng)變成了能量上的有利的反應(yīng)。

三.葡萄糖異生作用的途徑48（一）丙酮酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸

在丙酮酸激酶催化下，由丙酮酸直接轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸是一個(gè)需能的過程，因此，這一轉(zhuǎn)變過程在糖異生中是通過一個(gè)獨(dú)特的迂回路線實(shí)現(xiàn)的。（一）丙酮酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸491丙酮酸羧化酶(pyruvatecarboxylase)催化ATP推動的丙酮酸羧化成草酰乙酸的反應(yīng)：丙酮酸＋HCO3－＋ATP→草酰乙酸＋ADP＋Pi＋H＋

2磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvatecarboxykinase,PEPCK)利用GTP作為磷酸基的供體，將草酰乙酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)：

草酰乙酸＋GTP→磷酸烯醇式丙酮酸＋GDP＋CO2丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵯┐际奖岬倪^程涉及到兩種酶：1丙酮酸羧化酶(pyruvatecarboxyla50丙酮酸激酶糖異生和糖酵解途徑的比較磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）丙酮酸羧化酶丙酮酸激酶糖異生和糖酵解途徑的比較磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（P51

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是一種分子量約為74kD的單體酶，該酶催化GTP推動的脫羧和磷酸化反應(yīng)，從而生成磷酸烯醇式丙酮酸。

草酰乙酸被視為丙酮酸的一種活潑形式，CO2和生物素促進(jìn)依賴于ATP的活化反應(yīng)。由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化丙酮酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸的總反應(yīng)是：丙酮酸＋ATP＋GTP＋H2O→磷酸烯醇式丙酮酸＋ADP＋GDP＋Pi△G0'＝﹢0.8kJ·mol-1

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這一迂回反應(yīng)途徑在熱力學(xué)上是可行的，因?yàn)樗摹鱃0’只有﹢0.8kJ·mol-1，與丙酮酸激酶催化的逆反應(yīng)△G0’＝﹢31kJ·mol-1相比，所輸入的自由能要少得多。ATP和GTP降解產(chǎn)生的能量輸入到了磷酸烯醇式丙酮酸分子中(需要輸入61kJ·mol-1)。這一迂回反應(yīng)途徑在熱力學(xué)上是可行的，因?yàn)樗摹鱃053（二）葡萄糖異生作用的代謝物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

丙酮酸羧化酶只在線粒體基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)，而磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在肝臟細(xì)胞內(nèi)的定位隨生物種類的不同而不同。例如在兔子中，該酶存在于線粒體；在大鼠中，該酶存在于胞液中；而在人體以及許多其他哺乳動物中，該酶在這兩個(gè)細(xì)胞分隔間中差不多等量存在。

（二）葡萄糖異生作用的代謝物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)54

草酰乙酸從線粒體進(jìn)入胞液有三種選擇的路線。

路線的選擇取決于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的定位和糖異生作用起始物(丙酮酸或乳酸)的性質(zhì)。

1草酰乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵯┐际奖幔邕^線粒體內(nèi)膜。2

草酰乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘於彼?，跨過線粒體內(nèi)膜。

3草酰乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘O果酸，跨過線粒體內(nèi)膜。草酰乙酸從線粒體進(jìn)入胞液有三種選擇的路線。55生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件56（三）葡萄糖異生作用需要果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶

在糖異生作用中，由磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變成果糖-1,6-二磷酸的反應(yīng)是由糖酵解中的相關(guān)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應(yīng)在糖異生反應(yīng)方向上是吸能的，因而必須借助于不同酶的催化才能克服這種能量上不利的反應(yīng)。

（三）葡萄糖異生作用需要果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-57在糖異生作用中，果糖-1,6-二磷酸轉(zhuǎn)變成果糖-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△G0'＝-16.3kJ/mol

該水解反應(yīng)的放能性質(zhì)，使得反應(yīng)容易進(jìn)行。反應(yīng)中生成的果糖-6-磷酸經(jīng)磷酸葡萄糖異構(gòu)酶的作用轉(zhuǎn)變成葡萄糖-6-磷酸。在糖異生作用中，果糖-1,6-二磷酸轉(zhuǎn)變成果糖-6-磷酸是由58

由于己糖激酶催化反應(yīng)的不可逆性，因此，在糖異生作用中，葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖是由葡萄糖-6-磷酸酶催化的：

葡萄糖-6-磷酸＋H2O→葡萄糖＋Pi△G0'＝-13.8kJ/mol

葡萄糖-6-磷酸酶存在于肝和腎細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，但是，肌肉和腦缺乏這種酶。因此，肌肉和腦是不能進(jìn)行糖異生作用的。由于己糖激酶催化反應(yīng)的不可逆性，因此，在糖異生作用中59四.糖異生作用的能量消耗

綜觀由丙酮酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖的全過程，可以看出，總共要消耗6個(gè)高能磷酸基，并用去兩分子的NADH：

2丙酮酸＋4ATP＋2GTP＋2NADH＋2H＋＋4H2O→葡萄糖＋2NAD＋＋4ADP＋2GDP＋6Pi

△G0'≈-37.7kJ·mol-1

四.糖異生作用的能量消耗60

但是，葡萄糖經(jīng)糖酵解反應(yīng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸只凈產(chǎn)生2分子的ATP，因此，由丙酮酸經(jīng)糖異生作用合成葡萄糖是一種代價(jià)很高的過程。

這種高昂的代價(jià)是將能量上不利的過程即糖酵解的逆反應(yīng)(△G0’＝﹢83.6kJ·mol-1)轉(zhuǎn)變成能量上有利的過程即糖異生反應(yīng)(△G0’＝-37.7kJ·mol-1）所必需的。

這種高昂的代價(jià)對于維持血糖的基本平衡以及為腦和肌肉活動提供必需的燃料分子是一條重要的途徑。也為這兩個(gè)相反代謝途徑的獨(dú)立調(diào)節(jié)提供了必要的保證。但是，葡萄糖經(jīng)糖酵解反應(yīng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸只凈產(chǎn)生2分子61五.Cori循環(huán)

肝臟為肌肉輸出葡萄糖，而肌肉收縮產(chǎn)生乳酸，乳酸又可在肝臟中轉(zhuǎn)變成新的葡萄糖。這一過程稱之為Cori（可立氏）循環(huán)。當(dāng)肌肉激烈運(yùn)動時(shí)，由于氧供應(yīng)不足，糖酵解產(chǎn)生的NADH不能經(jīng)細(xì)胞有氧呼吸使其轉(zhuǎn)變成NAD＋。因此，大量產(chǎn)生的NADH在乳酸脫氫酶的催化下，使丙酮酸還原成乳酸。NAD＋的生成可以促進(jìn)糖酵解的繼續(xù)進(jìn)行。乳酸可以從肌肉轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟。在肝臟型乳酸脫氫酶同工酶的催化下，使丙酮酸重新生成。

五.Cori循環(huán)62丙酮酸即可在肝臟中經(jīng)糖異生作用轉(zhuǎn)變成葡萄糖。肝臟具有高比值的[NAD＋]/[NADH](約700)，很容易產(chǎn)生超過它自身所利用的葡萄糖。激烈運(yùn)動的肌肉進(jìn)入無氧狀態(tài)，并顯示出低比值的[NAD＋]/[NADH]，這有利于將丙酮酸還原為乳酸。丙酮酸即可在肝臟中經(jīng)糖異生作用轉(zhuǎn)變成葡萄糖。肝臟具有高比值的63生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件64第五節(jié)糖異生的調(diào)節(jié)

糖異生和糖酵解是兩個(gè)相反的代謝途徑，在體內(nèi)是不會同時(shí)發(fā)生的。這兩個(gè)相反的途徑通過交互調(diào)節(jié)的方式滿足生物的需要。比較糖異生和糖酵解的反應(yīng)順序，可以看出存在三個(gè)底物循環(huán)，

1葡萄糖和葡萄糖-6-磷酸;2果糖-6-磷酸和果糖-1,6-二磷酸;3磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸的相互轉(zhuǎn)變。

這三個(gè)底物循環(huán)部位構(gòu)成了糖酵解和糖異生反應(yīng)代謝流向的重要控制點(diǎn)。第五節(jié)糖異生的調(diào)節(jié)65

一.乙酰CoA是糖異生作用的重要促進(jìn)劑

丙酮酸羧化酶是糖異生反應(yīng)順序的第一個(gè)控制酶。該酶是由4個(gè)相同的亞基構(gòu)成的一種寡聚體蛋白，每個(gè)亞基(約120kD)共價(jià)結(jié)合一個(gè)生物素(biotin)。

草酰乙酸是糖異生作用和檸檬酸循環(huán)的中間物。當(dāng)檸檬酸循環(huán)的底物乙酰CoA積累時(shí)，它別構(gòu)激活丙酮酸羧化酶，從而增高草酰乙酸的濃度。當(dāng)檸檬酸循環(huán)的活性降低時(shí)，草酰乙酸便進(jìn)入到糖異生作用的途徑中。

66乙酰CoA丙酮酸羧化酶激活丙酮酸草酰乙酸檸檬酸循環(huán)活性降低葡萄糖糖異生乙酰CoA是丙酮酸羧化酶的重要的激活劑，也是丙酮酸激酶和丙酮酸脫氫酶的重要抑制劑。丙酮酸激酶丙酮酸脫氫酶抑制乙酰CoA丙酮酸羧化酶激活丙酮酸草酰乙酸檸檬酸循環(huán)葡萄糖糖異67

當(dāng)細(xì)胞能量需要被滿足時(shí)，氧化磷酸化速度降低，NADH積累，造成對檸檬酸循環(huán)的抑制，致使乙酰CoA積累。乙酰CoA濃度的升高,抑制丙酮酸激酶和丙酮酸脫氫酶的活性，抑制糖酵解的活性和丙酮酸的繼續(xù)產(chǎn)生，減少乙酰CoA由丙酮酸的產(chǎn)生，同時(shí)刺激丙酮酸羧化酶的活性。這就允許過量的丙酮酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸，有利于糖異生作用。

當(dāng)細(xì)胞能量需要被滿足時(shí)，氧化磷酸化速度降低，NA68當(dāng)乙酰CoA水平降低時(shí)，丙酮酸激酶和丙酮酸脫氫酶的活性升高，由糖酵解產(chǎn)生的、進(jìn)入檸檬酸循環(huán)的代謝物流量隨之增高，提供細(xì)胞所需的能量。由此可見,丙酮酸的細(xì)胞內(nèi)去向強(qiáng)烈地取決于乙酰CoA水平。

當(dāng)乙酰CoA水平降低時(shí)，丙酮酸激酶和丙酮酸脫氫酶的活69

二.AMP和檸檬酸是糖異生作用的重要效應(yīng)物

果糖-1,6-二磷酸酶受到AMP的抑制，但卻可被檸檬酸激活。這兩種效應(yīng)物施加給糖酵解的影響剛好與它們對糖異生作用造成的效應(yīng)相反。當(dāng)細(xì)胞需要能量時(shí)，其信號是AMP水平的升高，AMP激活磷酸果糖激酶，同時(shí)抑制果糖-1,6-二磷酸酶的活性。其結(jié)果是糖酵解被促進(jìn)，糖異生作用被抑制。

二.AMP和檸檬酸是糖異生作用的重要效應(yīng)物70當(dāng)細(xì)胞的檸檬酸濃度升高時(shí)，意味著細(xì)胞含有豐富的能量(ATP)，表明細(xì)胞用于檸檬酸循環(huán)的前體物豐富，丙酮酸可用于糖的合成。因此，檸檬酸水平的升高就對磷酸果糖激酶造成抑制，降低糖酵解的活性。同時(shí)激活果糖-1,6-二磷酸酶而有利于糖異生作用。當(dāng)細(xì)胞的檸檬酸濃度升高時(shí)，意味著細(xì)胞含有豐富的能量(ATP)71三.果糖-2,6-二磷酸對糖異生作用的調(diào)節(jié)

果糖-1,6-二磷酸酶和磷酸果糖激酶的活性也受到另外一種重要的效應(yīng)物果糖-2,6-二磷酸的調(diào)節(jié)。細(xì)胞內(nèi)的果糖-2,6-二磷酸的濃度取決于它合成和降解之間的平衡。

磷酸果糖激酶-2(PFK-2)催化果糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成果糖-2,6-二磷酸。果糖-2,6-二磷酸酶(FBPase-2)催化果糖-2,6-二磷酸水解生成果糖-6-磷酸。

因此，這兩種酶的相對活性決定了細(xì)胞內(nèi)果糖-2,6-二磷酸的水平。

三.果糖-2,6-二磷酸對糖異生作用的調(diào)節(jié)72

磷酸果糖激酶-2和果糖-2,6-二磷酸酶是位于同一酶蛋白的兩種不同的活性，即該酶是一種雙功能酶。這個(gè)酶本身受到效應(yīng)物的別構(gòu)調(diào)節(jié)以及共價(jià)修飾調(diào)節(jié)。果糖-6-磷酸可以別構(gòu)激活磷酸果糖激酶-2的活性，同時(shí)抑制果糖-2,6-二磷酸酶的活性。當(dāng)這個(gè)雙功能酶被磷酸化時(shí)，抑制磷酸果糖激酶-2的活性，同時(shí)也使果糖-2,6-二磷酸酶激活。當(dāng)去磷酸化時(shí)，兩種酶活性則發(fā)生相反的變化。蛋白質(zhì)的磷酸化和去磷酸化受到依賴于cAMP的蛋白激酶和磷蛋白磷酸酶的控制，因此，

糖異生作用和糖酵解作用之間的平衡是在激素的控制下。磷酸果糖激酶-2和果糖-2,6-二磷酸酶是位于同一酶蛋73生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件74四.葡萄糖-6-磷酸酶的控制與己糖激酶不同，葡萄糖-6-磷酸酶的活性僅受可利用的底物的濃度控制，而不象己糖激酶那樣受到別構(gòu)調(diào)節(jié)。

五.底物循環(huán)提供了代謝控制的機(jī)制

如果磷酸果糖激酶和果糖-1,6-二磷酸酶同時(shí)起作用，那么就構(gòu)成了底物循環(huán)。四.葡萄糖-6-磷酸酶的控制75在底物循環(huán)中，果糖-1,6-二磷酸和果糖-6-磷酸相互轉(zhuǎn)變，只有ATP的凈消耗：

果糖-6-磷酸＋ATP→果糖-1,6-二磷酸＋ADP果糖-1,6-二磷酸＋H2O→果糖-6-磷酸＋Pi凈反應(yīng)：ATP＋H2O→ADP＋Pi

由于這樣一種底物循環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)并沒有使細(xì)胞受益，所以這種循環(huán)曾經(jīng)稱為“無效循環(huán)”(futilecycle)。后來認(rèn)為底物循環(huán)為控制代謝物的濃度提供了一種重要的手段。在底物循環(huán)中，果糖-1,6-二磷酸和果糖-6-磷酸相互轉(zhuǎn)變，76

例如，果糖-2,6-二磷酸對磷酸果糖激酶和果糖-1,6-二磷酸酶的兩種相反的作用或是允許磷酸果糖激酶,或是允許果糖-1,6-二磷酸酶(但不是兩者同時(shí))在任何時(shí)間上運(yùn)轉(zhuǎn)，并阻止無效循環(huán)。如果處在禁食狀態(tài)，磷酸果糖激酶(因而糖酵解)是無活性的，因?yàn)楣?2,6-二磷酸的濃度很低。在肝臟中，糖異生作用運(yùn)行，為其他組織(特別是腦)提供葡萄糖。但在進(jìn)食時(shí)(特別是富含糖類食物時(shí))，30%以上的由磷酸果糖激酶催化形成的果糖-1,6-二磷酸被再循環(huán)生成果糖-6-磷酸，繼而轉(zhuǎn)變成葡萄糖，以糖原的形式貯存起來。底物循環(huán)僅在果糖-1,6-二磷酸處在相當(dāng)高的水平才出現(xiàn)，即底物循環(huán)阻止果糖-1,6-二磷酸過高的積累。例如，果糖-2,6-二磷酸對磷酸果糖激酶和果77結(jié)束了結(jié)束了結(jié)束了結(jié)束了78習(xí)題：1糖原的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？糖原磷酸化酶磷酸解糖原的什么鍵？糖原磷酸解的產(chǎn)物是什么？2肌肉糖原磷酸化酶先天性缺乏病人由于肌肉痙攣不能強(qiáng)烈運(yùn)動，稍作運(yùn)動肌肉細(xì)胞內(nèi)ADP和Pi濃度增加，在這些病人肌肉細(xì)胞內(nèi)乳酸不會積累請說明原因。3糖原合成的糖基供體是什么？它是如何形成的？4糖原合成主要需要哪兩種酶？5簡要說明糖原磷酸化酶和糖原合成酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)和共價(jià)調(diào)節(jié)。習(xí)題：796簡要說明胰高血糖素和胰島素的生理作用。7什么是糖異生？糖異生發(fā)生在細(xì)胞內(nèi)的什么部位？8糖異生的關(guān)鍵酶有哪幾種？分別催化什么反應(yīng)？調(diào)節(jié)糖異生的主要效應(yīng)物有哪些？9長期饑餓或激烈運(yùn)動葡萄糖異生作用的主要前體是什么？10檸檬酸循環(huán)過程中哪些產(chǎn)物是糖異生或者說是由丙酮酸合成葡萄糖所需要的物質(zhì)？6簡要說明胰高血糖素和胰島素的生理作用。80第十三章

糖原代謝和糖異生作用第十三章81

貯存糖原的動用(主要發(fā)生在肝臟中)可以為腦和紅細(xì)胞提供對葡萄糖部分需要。當(dāng)進(jìn)食之后葡萄糖很豐富時(shí)，葡萄糖便會很快地以糖原的形式貯存起來。然而，肝臟貯存糖原的能力僅能滿足腦每日對葡萄糖的一半的需要。在禁食的條件下，機(jī)體所需的大部分葡萄糖則通過葡萄糖的異生作用從非糖前體(例如氨基酸)提供。因此，葡萄糖的合成、貯存、動用以及通過糖酵解或磷酸戊糖途徑的分解代謝都是受到有效的調(diào)節(jié)，以滿足于機(jī)體對能量的短期和長期需要。

82第一節(jié)糖原的降解肌糖原:180-300g肌肉收縮的應(yīng)急能源肝糖原:70-100g血糖種類第一節(jié)糖原的降解肌糖原:180-300g肌肉收縮83

糖原是一種無還原性的多糖。糖原合成或分解時(shí)，其葡萄糖殘基的添加或去除，均在其非還原端進(jìn)行。糖原的合成與分解代謝主要發(fā)生在肝、腎和肌肉組織細(xì)胞的胞液中。

糖原是一種無還原性的多糖。84

糖原(glycogen)是由α-D-葡萄糖聚合而成的﹑有分支的大分子物質(zhì)。糖原以球形的糖原粒的形式出現(xiàn)在肌肉和肝臟細(xì)胞內(nèi)，分別占肌肉和肝臟重量的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調(diào)節(jié)這些反應(yīng)的蛋白質(zhì)。糖原分子只有一個(gè)還原性末端，而在每個(gè)分支上都有一個(gè)非還原性末端。糖原的降解與合成都有序地發(fā)生在非還原性末端，因此，糖原的高度分支的結(jié)構(gòu)極大地增大糖原降解與合成的作用點(diǎn)，有利于提高糖原降解與合成的速度。

糖原(glycogen)是由α-D-葡萄糖聚85磷酸解：由糖原磷酸化酶催化對α-1,4-糖苷鍵磷酸解，生成G-1-P。糖原磷酸化酶*糖原降解反應(yīng)過程：(G)n+Pi(G)n-1+G-1-P（一）糖原磷酸化酶催化糖原降解。磷酸解：由糖原磷酸化酶催化對α-1,4-糖苷鍵磷酸解，生成G86糖原磷酸化酶催化的糖原降解反應(yīng)糖原磷酸化酶催化的糖原降解反應(yīng)87

糖原磷酸解反應(yīng)的△G0′＝﹢3.1kJ·mol-l,但由于細(xì)胞內(nèi)的[Pi]與[葡萄糖-1-磷酸]的比值接近100，因而體內(nèi)實(shí)際的△G′大約接近﹣6.0kJ·mol-1。糖原的磷酸解反應(yīng)在細(xì)胞內(nèi)是一種能量上有利的反應(yīng)。

如果糖原的降解是水解而不是磷酸解，則產(chǎn)物是葡萄糖。

在肌肉中，葡萄糖進(jìn)入糖酵解途徑之前需要以消耗ATP為代價(jià)的磷酸化反應(yīng)。因此，糖原的磷酸解反應(yīng)的意義是顯而易見的。

糖原磷酸解反應(yīng)的△G0′＝﹢3.1kJ·m88如果當(dāng)釋放貯存葡萄糖的酶缺失時(shí)，則不能為糖酵解提供葡萄糖以維持機(jī)體對ATP的需要。例如麥卡德爾氏癥(AcArdle'sdisease)是由肌肉磷酸化酶缺乏所引起的糖原積累疾病，由于不能為糖酵解提供葡萄糖，因此當(dāng)運(yùn)動時(shí)會導(dǎo)致痛性肌肉痙攣。如果當(dāng)釋放貯存葡萄糖的酶缺失時(shí)，則不能為糖酵解提供葡萄糖以維89二糖原磷酸化酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制

糖原磷酸化酶是由兩個(gè)相同的亞基構(gòu)成的二聚體，每個(gè)亞基都有一個(gè)大的N-端結(jié)構(gòu)域(484個(gè)殘基)和一個(gè)小的C-端結(jié)構(gòu)域。N-端域包含磷酸化部位、別構(gòu)效應(yīng)物部位、糖原結(jié)合部位(也叫糖原貯存部位)以及二聚體亞基間的相互作用部位，每個(gè)亞基的塔式(tower)螺旋以反平行的交互方式相互作用。催化部位位于亞基的中間。二糖原磷酸化酶的結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制90兔肌糖原磷酸化酶的模式圖兔肌糖原磷酸化酶的模式圖91糖原磷酸化酶不能催化分支點(diǎn)附近的(4～5糖殘基)的α-1,4-糖苷鍵的裂解，也不能催化分支點(diǎn)的α-1,6-糖苷鍵的裂解。糖原磷酸化酶不能催化分支點(diǎn)附近的(4～5糖殘基)的α-1,492三.糖原脫支酶

糖原脫支酶（glycogendebranchingenzyme）（也叫α-1,4-糖基轉(zhuǎn)移酶）能從糖原的極限分支點(diǎn)上催化轉(zhuǎn)移α-1,4-糖苷鍵連結(jié)的三糖單位到另一個(gè)分支的非還原性末端，產(chǎn)生可被糖原磷酸化酶作用的較長的糖鏈。

分支點(diǎn)上以α-1,6-糖苷鍵同主鏈連結(jié)的一個(gè)糖殘基可被同一脫支酶水解(非磷酸解)，產(chǎn)生葡萄糖和已脫支的糖鏈。糖原大約10%的糖殘基(即在分支點(diǎn)上的殘基)因此而轉(zhuǎn)變成葡萄糖而不是葡萄糖-1-磷酸。

三.糖原脫支酶93脫支：由α-1,6-葡萄糖苷酶催化。將α-1,6-糖苷鍵水解，生成一分子自由葡萄糖。

α-1,6-葡萄糖苷酶轉(zhuǎn)寡糖鏈：當(dāng)糖原被水解到離分支點(diǎn)四個(gè)葡萄糖殘基時(shí)，由葡聚糖轉(zhuǎn)移酶催化，將分支鏈上的三個(gè)葡萄糖殘基轉(zhuǎn)移到直鏈的非還原端，使分支點(diǎn)暴露。(G)n+H2O(G)n-1+G脫支酶含有分開的轉(zhuǎn)移酶活性和α-1,6-糖苷酶兩個(gè)酶活性部位。兩個(gè)獨(dú)立的催化活性在同一個(gè)酶中存在無疑會改進(jìn)脫支反應(yīng)的效率。脫支：由α-1,6-葡萄糖苷酶催化。將α-1,6-糖苷鍵水解94糖原脫支酶作用機(jī)制糖原脫支酶作用機(jī)制95

在肌肉組織中，糖原經(jīng)糖原磷酸化酶和磷酸葡萄糖變位酶產(chǎn)生的葡萄糖-6-磷酸可以沿著糖酵解途徑繼續(xù)進(jìn)行代謝，產(chǎn)生肌肉收縮所需要的能量。在肝臟中，生成的葡萄糖-6-磷酸除可以進(jìn)入糖酵解和磷酸戊糖途徑外，另一個(gè)重要的去向是在肝臟葡萄糖-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

生成的葡萄糖離開肝臟，經(jīng)循環(huán)著的血液運(yùn)送到其他組織，肌肉和其他組織不含葡萄糖-6-磷酸酶,因而能保有葡萄糖-6-磷酸。在肌肉組織中，糖原經(jīng)糖原磷酸化酶和磷酸葡萄糖96生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件97磷酸葡萄糖變位酶葡萄糖-6-磷酸酶G-1-PG-6-P脫磷酸：由葡萄糖-6-磷酸酶催化，生成自由葡萄糖，該酶只存在于肝及腎中。G-6-P+H2OG+Pi生成的葡萄糖－6－磷酸進(jìn)入糖酵解比葡萄糖進(jìn)入糖酵解節(jié)省能量四磷酸葡萄糖變位酶磷酸葡萄糖變位酶葡萄糖-6-磷酸酶G-1-P98磷酸葡萄糖變位酶作用機(jī)制磷酸葡萄糖變位酶的作用機(jī)制磷酸葡萄糖變位酶作用機(jī)制磷酸葡萄糖變位酶的作用機(jī)制99第二節(jié)糖原的合成

在生理?xiàng)l件下，糖原的磷酸解是一個(gè)高度放能的反應(yīng)，而其逆反應(yīng)如果沒有自由能的輸入則在熱力學(xué)上是不利的。一．UDP-葡萄糖是糖基轉(zhuǎn)移的活潑形式

肝臟和骨骼肌是糖原合成的主要部位。葡萄糖進(jìn)入肝臟或肌肉組織后，首先經(jīng)己糖激酶或葡萄糖激酶催化，轉(zhuǎn)變成葡萄糖-6-磷酸。但葡萄糖-6-磷酸不能直接用作糖原合成的糖基供體。在磷酸葡萄糖異構(gòu)酶催化的反應(yīng)中，葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖-1-磷酸。第二節(jié)糖原的合成100

1957年，阿根廷的生物化學(xué)家L.Leloir發(fā)現(xiàn),葡萄糖-1-磷酸在尿苷二磷酸焦磷酸化酶(UDP-glucosepyrophosohorylase)的催化下與尿苷三磷酸(UTP)結(jié)合形成的尿苷二磷酸-葡萄糖(UDP-葡萄糖或UDP-G)

是糖原合成時(shí)的糖基體的供體形式：

葡萄糖-1-磷酸＋UTP←→UDP-葡萄糖＋PPi△Go'≈0PPi＋H2O→2Pi△Go'＝-29.7kJ·mol-1總反應(yīng)：葡萄糖-1-磷酸＋UTP＋H2O→UDP-葡萄糖＋2Pi△Go'＝-29.7kJ·mol-11957年，阿根廷的生物化學(xué)家L.Leloir發(fā)現(xiàn),101總反應(yīng)自由能變化表明，反應(yīng)有利于UDP-葡萄糖的生成。在許多生物合成反應(yīng)中，由于核苷三磷酸裂解，產(chǎn)生了無機(jī)焦磷酸(PPi),后者被焦磷酸酶水解，釋放出的大量的自由能推動本是可逆的反應(yīng)變成不可逆，而有利于合成反應(yīng)。這在生物化學(xué)上是一個(gè)具普遍性的原理。

UDP-葡萄糖等這類糖核苷酸(sugarnucleotides)是雙糖、糖原、淀粉、纖維素和更復(fù)雜的細(xì)胞內(nèi)多糖合成時(shí)的糖基的直接供體形式?？偡磻?yīng)自由能變化表明，反應(yīng)有利于UDP-葡萄糖的生成102生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件103

在生物合成反應(yīng)中，雖然這類糖核苷酸不涉及到核苷酸本身基團(tuán)的轉(zhuǎn)移，但提供許多與酶非共價(jià)相互作用的基團(tuán)。這些相互作用可以為酶的催化反應(yīng)提供能量(結(jié)合能)；而且象磷酸基那樣，核苷酸基是一種非常好的離去基團(tuán)，激活核苷酸基連結(jié)的糖碳，以利于促進(jìn)親核攻擊。

在生物合成反應(yīng)中，雖然這類糖核苷酸不涉及到核104二糖原合酶催化糖原合成

UDP-葡萄糖的生成具備了將糖基轉(zhuǎn)移用于糖原合成的條件。在糖原合酶(glycogensynthase)的催化下，UDP-葡萄糖的糖基被轉(zhuǎn)移到分子較小的糖原(作為引物)的非還原性末端C-4–OH上，形成α-1,4-糖苷鍵：

UDP-葡萄糖＋糖原(n個(gè)葡萄糖殘基)→UDP＋糖原(n＋1個(gè)葡萄糖基)二糖原合酶催化糖原合成105

該反應(yīng)的△Go'是–13.4kJ·mol-1，這表明UDP-葡萄糖的形成和糖原合成的總反應(yīng)：

葡萄糖-1-磷酸＋UTP＋糖原(n個(gè)葡萄糖殘基)→糖原(n＋1個(gè)葡萄糖基)＋UDP＋Pi

在能量上是一個(gè)非常有利的過程。這一有利過程的產(chǎn)生是以消耗UTP為代價(jià)，而UTP的消耗在能量上相當(dāng)于ATP的消耗。該反應(yīng)的△Go'是–13.4kJ·mol-1，這表明106二糖原合成酶催化糖原合成

UDP-葡萄糖的生成具備了將糖基轉(zhuǎn)移用于糖原合成的條件。在糖原合酶(glycogensynthase)的催化下，UDP-葡萄糖的糖基被轉(zhuǎn)移到分子較小的糖原(作為引物)的非還原性末端C-4–OH上，形成α-1,4-糖苷鍵：

UDP-葡萄糖＋糖原(n個(gè)葡萄糖殘基)→UDP＋糖原(n＋1個(gè)葡萄糖基)二糖原合成酶催化糖原合成107生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件108

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？有一種叫做糖原蛋白(glycogenin)的較小的蛋白質(zhì)(分子量為37kD)可以作為一種引物與第一個(gè)葡萄糖基連接。

在酪氨酸葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶(tyrosine

glucosyltransferase)催化下，把一個(gè)葡萄糖基結(jié)合到糖原蛋白194位Tyr殘基的﹣OH上。然后，在UDP-葡萄糖繼續(xù)提供糖基的條件下，糖原蛋白自身催化再連續(xù)添加7個(gè)糖基，使糖鏈延伸，形成糖原引物。

糖原的合成需要引物，那么新的糖原分子的合成是109糖原合酶只能從這一個(gè)點(diǎn)上開始糖原的合成(延長)。糖原粒分析提示，每個(gè)糖原粒僅與一分子的糖原蛋白和一分子的糖原合成酶結(jié)合在一起。糖原合酶只能從這一個(gè)點(diǎn)上開始糖原的合成(延長)。糖原粒分析提110三.糖原分支的產(chǎn)生

糖原合酶只能催化α-1,4-糖苷鍵的生成，形成線性的糖鏈。產(chǎn)生分支、形成糖原則需要另外一種叫做淀粉-(1,4→1,6)-轉(zhuǎn)葡萄糖基酶(amylo-(1,4→1,6)-transglycosylase)即分支酶(branchingenzyme)。

這個(gè)酶催化從糖鏈的非還原性末端轉(zhuǎn)移7個(gè)殘基至同一糖鏈或另一糖鏈的糖殘基的C-6位上，形成一個(gè)α-1,6-糖苷鍵。三.糖原分支的產(chǎn)生111生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件112

第三節(jié)

糖原代謝的調(diào)節(jié)

葡萄糖是腦的主要代謝燃料，循環(huán)著的血液中的葡萄糖必須維持在大約5mmol·L-1的濃度。糖原降解產(chǎn)生的葡萄糖也是肌肉收縮的主要能量來源。糖原代謝的控制受糖原磷酸化酶和糖原合酶的交互調(diào)節(jié)。

糖原磷酸化酶的激活與糖原合酶的抑制是緊密相連的，反之亦然。糖原代謝的調(diào)節(jié)涉及代謝途徑調(diào)節(jié)酶的別構(gòu)控制和共價(jià)修飾控制。

第三節(jié)糖原代謝的調(diào)節(jié)113一.糖原磷酸化酶和糖原合酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)

糖原磷酸化酶可被AMP別構(gòu)激活，而ATP和葡萄糖-6-磷酸則能抑制該酶的活性。糖原合酶的活性則可被ATP和葡萄糖-6-磷酸促進(jìn)。這兩種酶的活性以及糖原代謝的方向取決于肌肉或者肝臟細(xì)胞的能量狀況。

一.糖原磷酸化酶和糖原合酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)114當(dāng)ATP和葡萄糖-6-磷酸很豐富時(shí)，糖原的合成被激活，而糖原的降解則被抑制。

當(dāng)細(xì)胞能量水平降低時(shí)(即高[AMP]和低[ATP]以及低[葡萄糖-6-磷酸])，糖原的合成停止，糖原的分解代謝受到刺激。當(dāng)ATP和葡萄糖-6-磷酸很豐富時(shí)，糖原的合成被激活115

糖原磷酸化酶以兩種構(gòu)象狀態(tài)存在：有活性的R態(tài)無活性的T態(tài)AMP能啟動T態(tài)→R態(tài)

ATP、葡萄糖-6-磷酸的作用相反啟動T態(tài)←R態(tài)

糖原磷酸化酶以兩種構(gòu)象狀態(tài)存在：116二.糖原磷酸化和糖原合酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)

糖原磷酸化酶存在兩種形式，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證實(shí)這種轉(zhuǎn)換涉及到磷酸化的共價(jià)修飾機(jī)制。二.糖原磷酸化和糖原合酶的共價(jià)修飾調(diào)節(jié)117

糖原磷酸化酶的共價(jià)修飾部位是每個(gè)亞基第14位Ser殘基。在Ser14被磷酸化酶激酶(一種轉(zhuǎn)換酶)催化而磷酸化時(shí)，糖原磷酸化酶由低活性的b形式轉(zhuǎn)變成有活性的a形式。糖原磷酸化酶的活性變化是由于Ser14殘基的磷酸化引起該酶的三級和四級結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。這種構(gòu)象變化與AMP的結(jié)合所引起的別構(gòu)變化很相似，因而使該酶的T←→R平衡向有利于R態(tài)方向移動。糖原磷酸化酶的共價(jià)修飾部位是每個(gè)亞基第14位S118糖原磷酸化酶磷酸化←→糖原磷酸化酶脫磷酸化

a型←→b型

R態(tài)←→T態(tài)高活性←→無活性糖原磷酸化酶磷酸化←→糖原磷酸化酶脫磷酸化119糖原合酶人的肌肉糖原合酶是一種同源四聚體蛋白，每個(gè)亞基由737個(gè)氨基酸殘基組成。象糖原磷酸化酶一樣，也存在兩種酶促轉(zhuǎn)換形式，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)。這種轉(zhuǎn)換剛好與糖原磷酸化酶相反。糖原合成酶活性的共價(jià)修飾轉(zhuǎn)換所涉及到的轉(zhuǎn)換酶與糖原磷酸化酶相同。糖原合酶120胰高血糖素和腎上腺素：提高血糖。通過激活環(huán)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，成為有活性態(tài)，降解糖原生成葡萄糖。

激素對糖代謝的調(diào)節(jié)：胰高血糖素和腎上腺素：提高血糖。激素對糖代謝的調(diào)節(jié)：121胰島素：降低血糖。通過激活另一類型的蛋白激酶，導(dǎo)致磷蛋白磷酸酶結(jié)合的G亞基上的部位Ⅰ磷酸化，結(jié)果是磷蛋白磷酸酶活化，該酶的作用是將帶有磷酸基團(tuán)的酶分子去磷酸化。糖原合成酶去磷酸化后成為有活性的酶，促進(jìn)糖原合成。葡萄糖合成糖原，血液中的葡萄糖減少胰島素：降低血糖。122糖原磷酸化酶b向糖原磷酸化酶a的轉(zhuǎn)化由磷酸化酶激酶催化的。糖原磷酸化酶b向糖原磷酸化酶a的轉(zhuǎn)化由磷酸化酶激酶催化的。123第四節(jié)葡萄糖的異生作用

糖異生(gluconeogenesis)：由非糖物質(zhì)酶促轉(zhuǎn)變成葡萄糖的過程稱之為葡萄糖的異生作用。一.葡萄糖異生作用的前體

丙酮酸或乳酸都含有葡萄糖尚未利用的大量的能量。丙酮酸和乳酸是動物體內(nèi)的糖異生作用的前體。

第四節(jié)葡萄糖的異生作用124丙酮酸必須轉(zhuǎn)變成草酰乙酸才能進(jìn)入到糖異生作用的反應(yīng)順序中，而草酰乙酸是檸檬酸循環(huán)的中間物。因此，檸檬酸循環(huán)的所有中間物都是糖異生作用的前體。絕大多數(shù)氨基酸的碳骨架都可以轉(zhuǎn)變成丙酮酸或者檸檬酸循環(huán)的中間物，因而它們也是重要的生糖前體。

丙酮酸必須轉(zhuǎn)變成草酰乙酸才能進(jìn)入到糖異生作用的反應(yīng)順125生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件126二.動物的肝臟和腎是糖異生作用的主要場所

糖異生作用的主要部位是肝臟和腎，這兩個(gè)器官分別占糖異生作用活性的90%和10%，在肝臟和腎中產(chǎn)生的葡萄糖會釋放到血液中，可以被腦、心臟、肌肉以及紅細(xì)胞吸收，以滿足這些組織細(xì)胞的代謝需要。這些組織產(chǎn)生的丙酮酸和乳酸亦可返回到肝臟和腎中，用作糖異生作用的底物。二.動物的肝臟和腎是糖異生作用的主要場所127三.葡萄糖異生作用的途徑

糖異生作用的大多數(shù)反應(yīng)是糖酵解的逆反應(yīng)。但是，糖酵解途徑中的己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反應(yīng)釋放出大量的自由能，其逆反應(yīng)是不可能發(fā)生的。因此，在糖異生作用中，必須克服這種能量上的不利反應(yīng)。實(shí)際上，在糖異生作用中，利用了不同的反應(yīng)順序或酶，把能量上的不利反應(yīng)變成了能量上的有利的反應(yīng)。

三.葡萄糖異生作用的途徑128（一）丙酮酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸

在丙酮酸激酶催化下，由丙酮酸直接轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸是一個(gè)需能的過程，因此，這一轉(zhuǎn)變過程在糖異生中是通過一個(gè)獨(dú)特的迂回路線實(shí)現(xiàn)的。（一）丙酮酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸1291丙酮酸羧化酶(pyruvatecarboxylase)催化ATP推動的丙酮酸羧化成草酰乙酸的反應(yīng)：丙酮酸＋HCO3－＋ATP→草酰乙酸＋ADP＋Pi＋H＋

2磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvatecarboxykinase,PEPCK)利用GTP作為磷酸基的供體，將草酰乙酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)：

草酰乙酸＋GTP→磷酸烯醇式丙酮酸＋GDP＋CO2丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵯┐际奖岬倪^程涉及到兩種酶：1丙酮酸羧化酶(pyruvatecarboxyla130丙酮酸激酶糖異生和糖酵解途徑的比較磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）丙酮酸羧化酶丙酮酸激酶糖異生和糖酵解途徑的比較磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（P131

磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是一種分子量約為74kD的單體酶，該酶催化GTP推動的脫羧和磷酸化反應(yīng)，從而生成磷酸烯醇式丙酮酸。

草酰乙酸被視為丙酮酸的一種活潑形式，CO2和生物素促進(jìn)依賴于ATP的活化反應(yīng)。由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化丙酮酸轉(zhuǎn)變成磷酸烯醇式丙酮酸的總反應(yīng)是：丙酮酸＋ATP＋GTP＋H2O→磷酸烯醇式丙酮酸＋ADP＋GDP＋Pi△G0'＝﹢0.8kJ·mol-1

132

這一迂回反應(yīng)途徑在熱力學(xué)上是可行的，因?yàn)樗摹鱃0’只有﹢0.8kJ·mol-1，與丙酮酸激酶催化的逆反應(yīng)△G0’＝﹢31kJ·mol-1相比，所輸入的自由能要少得多。ATP和GTP降解產(chǎn)生的能量輸入到了磷酸烯醇式丙酮酸分子中(需要輸入61kJ·mol-1)。這一迂回反應(yīng)途徑在熱力學(xué)上是可行的，因?yàn)樗摹鱃0133（二）葡萄糖異生作用的代謝物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)

丙酮酸羧化酶只在線粒體基質(zhì)中發(fā)現(xiàn)，而磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在肝臟細(xì)胞內(nèi)的定位隨生物種類的不同而不同。例如在兔子中，該酶存在于線粒體；在大鼠中，該酶存在于胞液中；而在人體以及許多其他哺乳動物中，該酶在這兩個(gè)細(xì)胞分隔間中差不多等量存在。

（二）葡萄糖異生作用的代謝物跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)134

草酰乙酸從線粒體進(jìn)入胞液有三種選擇的路線。

路線的選擇取決于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的定位和糖異生作用起始物(丙酮酸或乳酸)的性質(zhì)。

1草酰乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵯┐际奖?，跨過線粒體內(nèi)膜。2

草酰乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘於彼?，跨過線粒體內(nèi)膜。

3草酰乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)樘O果酸，跨過線粒體內(nèi)膜。草酰乙酸從線粒體進(jìn)入胞液有三種選擇的路線。135生物化學(xué)第13章糖原代謝和糖異生作用課件136（三）葡萄糖異生作用需要果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-磷酸酶

在糖異生作用中，由磷酸烯醇式丙酮酸轉(zhuǎn)變成果糖-1,6-二磷酸的反應(yīng)是由糖酵解中的相關(guān)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應(yīng)在糖異生反應(yīng)方向上是吸能的，因而必須借助于不同酶的催化才能克服這種能量上不利的反應(yīng)。

（三）葡萄糖異生作用需要果糖-1,6-二磷酸酶和葡萄糖-6-137在糖異生作用中，果糖-1,6-二磷酸轉(zhuǎn)變成果糖-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△G0'＝-16.3kJ/mol

該水解反應(yīng)的放能性質(zhì)，使得反應(yīng)容易進(jìn)行。反應(yīng)中生成的果糖-6-磷酸經(jīng)磷酸葡萄糖異構(gòu)酶的作用轉(zhuǎn)變成葡萄糖-6-磷酸。在糖異生作用中，果糖-1,6-二磷酸轉(zhuǎn)變成果糖-6-磷酸是由138

由于己糖激酶催化反應(yīng)的不可逆性，因此，在糖異生作用中，葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖是由葡萄糖-6-磷酸酶催化的：

葡萄糖-6-磷酸＋H2O→葡萄糖＋Pi△G0'＝-13.8kJ/mol

葡萄糖-6-磷酸酶存在于肝和腎細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上，但是，肌肉和腦缺乏這種酶。因此，肌肉和腦是不能進(jìn)行糖異生作用的。由于己糖激酶催化反應(yīng)的不可逆性，因此，在糖異生作用中139四.糖異生作用的能量消耗

綜觀由丙酮酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖的全過程，可以看出，總共要消耗6個(gè)高能磷酸基，并用去兩分子的NADH：

2丙酮酸＋4ATP＋2GTP＋2NADH＋2H＋＋4H2O→葡萄糖＋2NAD＋＋4ADP＋2GDP＋6Pi

△G0'≈-37.7kJ·mol-1

四.糖異生作用的能量消耗140

但是，葡萄糖經(jīng)糖酵解反應(yīng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸只凈產(chǎn)生2分子的ATP，因此，由丙酮酸經(jīng)糖異生作用合成葡萄糖是一種代價(jià)很高的過程。

這種高昂的代價(jià)是將能量上不利的過程即糖酵解的逆反應(yīng)(△G0’＝﹢83.6kJ·mol-1)轉(zhuǎn)變成能量上有利的過程即糖異生反應(yīng)(△G0’＝-37.7kJ·mol-1）所必需的。

這種高昂的代價(jià)對于維持血糖的基本平衡以及為腦和肌肉活動提供必需的燃料分子是一條重要的途徑。也為這兩個(gè)相反代謝途徑的獨(dú)立調(diào)節(jié)提供了必要的保證。但是，葡萄糖經(jīng)糖酵解反應(yīng)轉(zhuǎn)變成丙酮酸只凈產(chǎn)生2分子141五.Cori循環(huán)

肝臟為肌肉輸出葡萄糖，而肌肉收縮產(chǎn)生乳酸，乳酸又可在肝臟中轉(zhuǎn)變成新的葡萄糖。這一過程稱之為Cori（可立氏）循環(huán)。當(dāng)肌肉激烈運(yùn)動時(shí)，由于氧供應(yīng)不足，糖酵解產(chǎn)生的NADH不能經(jīng)細(xì)胞有氧呼吸使其轉(zhuǎn)變成NAD＋。因此，大量產(chǎn)生的NADH在乳酸脫氫酶的催化下，使丙酮酸還原成乳酸。NAD＋的生成可以促進(jìn)糖酵解的繼續(xù)進(jìn)行。乳酸可以從肌肉轉(zhuǎn)運(yùn)到肝臟。在肝臟型乳酸脫氫酶同工酶的催化下，使丙酮酸重新生成。

五.Cori循環(huán)142丙酮酸即可在肝臟中經(jīng)糖異生作用轉(zhuǎn)變成葡萄糖。肝臟具有高比值的[NAD＋]/[NADH](約700)，很容易產(chǎn)生超過它自身所利用的葡萄糖。激烈運(yùn)動的肌肉進(jìn)入無氧狀態(tài)，并顯示出低比值的[NAD＋]/[NADH]，這有利于將丙酮酸還原為乳酸。丙酮酸即可在肝臟中經(jīng)糖異生作用轉(zhuǎn)變成葡萄糖。肝臟具有