生物化學(xué)與分子生物學(xué):第四節(jié)　糖原的合成與分解

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糖原是由多個(gè)葡萄糖組成的帶分枝的大分子多糖(圖4-14)，分子量一般在106-107道爾頓，可高達(dá)108道爾頓，是體內(nèi)糖的貯存形式，分子中葡萄糖主要以α-1，4-糖苷鍵相連形成直鏈，其中部分以α-1，6-糖苷鍵相連構(gòu)成枝鏈，糖原主要貯存在肌肉和肝臟中，肌肉中糖原約占肌肉總重量的1-2%約為400克，肝臟中糖原占總量6-8%約為100克。肌糖原分解為肌肉自身收縮供給能量，肝糖原分解主要維持血糖濃度(圖4-15)。

圖4-14　糖原的結(jié)構(gòu)

圖4-15　肌糖原和肝糖原的功能

一、糖原的合成

由葡萄糖(包括少量果糖和半乳糖)合成糖原的過程稱為糖原合成，反應(yīng)在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行，需要消耗ATP和UTP，合成反應(yīng)包括以下幾個(gè)步驟：

(1)

(2)

(3)1-磷酸葡萄糖+UTP

UDPG+PPi(焦磷酸)

(4)UDPG+糖原(Gn)

UDP+糖原(Gn+1)

糖原合成酶催化的糖原合成反應(yīng)不能從頭開始合成第一個(gè)糖分子，需要至少含4個(gè)葡萄糖殘基的α-1，4-多聚葡萄糖作為引物(primer)，在其非還原性末端與UDPG反應(yīng)，UDPG上的葡萄糖基C1與糖m.quanxiangyun.cn原分子非還原末端C4形成α-1，4-糖苷鏈，使糖原增加一個(gè)葡萄糖單位，UDPG是活潑葡萄糖基的供體，其生成過程中消耗UTP，故糖原合成是耗能過程，糖原合成酶只能促成α-1，4-糖苷鍵，因此該酶催化反應(yīng)生成為α-1，4-糖苷鍵相連構(gòu)成的直鏈多糖分子如淀粉。

機(jī)體內(nèi)存在一種特殊蛋白質(zhì)稱為glycogenin，可做為葡萄糖基的受體，從頭開始如合成第一個(gè)糖原分子的葡萄糖，催化此反應(yīng)的酶是糖原起始合成酶(glycogen initiaor synthase)，進(jìn)而合成一寡糖鏈作為引物，再繼續(xù)由糖原合成酶催化合成糖。同時(shí)糖原分枝鏈的生成需分枝酶(branching enzyme)催化，將5-8個(gè)葡萄糖殘基寡糖直鏈轉(zhuǎn)到另一糖原子上以α-1.6-糖苷鍵相連，生成分枝糖鏈，在其非還原性末端可繼續(xù)由糖原合成酶催化進(jìn)行糖鏈的延長(zhǎng)。多分枝增加糖原水溶性有利于其貯存，同時(shí)在糖原分解時(shí)可從多個(gè)非還原性末端同時(shí)開始，提高分解速度(圖4-16)。

圖4-16　糖原合成

二、糖原的分解

糖原分解不是糖原合成的逆反應(yīng)，除磷酸葡萄糖變位酶外，其它酶均不一樣，反應(yīng)包括：

(1)Gn糖原+Pi

G-1-P+g(n-1)

(2)G-1-P

G-6-P

(3)G-6-P+H2O

G+PI

這樣將糖原中1個(gè)糖基轉(zhuǎn)變?yōu)?分子葡萄糖，但是磷酸化酶只作用于糖原上的α(1→4)糖苷鍵，并且催化至距α(1→6)糖苷鍵4個(gè)葡萄糖殘基時(shí)就不再起作用，這時(shí)就要有脫枝酶(debranching enzyme)的參與才可將糖原完全分解。脫枝酶是一種雙功能酶，它催化糖原脫枝的兩個(gè)反應(yīng)，第一種功能是4-α-葡聚糖基轉(zhuǎn)移酶(4-α-D-glucanotrnsferase)活性，即將糖原上四葡聚糖分枝鏈上的三葡聚糖基轉(zhuǎn)移到酶蛋白上，然后再交給同一糖原分子或相鄰糖原分子末端具自由4羥基的葡萄糖殘基上，生成α(1→4)糖苷鍵，結(jié)果直鏈延長(zhǎng)3個(gè)葡萄糖(圖5-6)，而α(1→6)分枝處只留下1個(gè)葡萄糖殘基，在脫枝酶的另一功能，即1，6-葡萄糖苷酶活性催化下，這個(gè)葡萄糖基被水解脫下，為游離的葡萄糖，在磷酸化酶與脫枝酶的協(xié)同和反復(fù)的作用下，糖原可以完全磷酸化和水解(圖4-m.quanxiangyun.cn/hushi/17)。

圖4-17　糖原的分解

三、糖原代謝的調(diào)節(jié)

糖原合成酶和磷酸化酶分別是糖原合成與分解代謝中的限速酶，它們均受到變構(gòu)與共價(jià)修飾兩重調(diào)節(jié)。

(一)糖原代謝的別構(gòu)調(diào)節(jié)

圖4-18　糖原合成和分解的調(diào)節(jié)

6-磷酸葡萄糖可激活糖原合成酶，刺激糖原合成，同時(shí)，抑制糖原磷酸化酶阻止糖原分解，ATP和葡萄糖也是糖原磷酸化酶抑制劑，高濃度AMP可激活無活性的糖原磷酸化酶b使之產(chǎn)生活性，加速糖原分解。Ca2+可激活磷酸化酶激酶進(jìn)而激活磷酸化酶，促進(jìn)糖原分解(圖4-18)。

圖4-19　糖原合成的抑制

(二)激素的調(diào)節(jié)

體內(nèi)腎上腺素和胰高血糖素可通過cAMP連鎖酶促反應(yīng)逐級(jí)放大，構(gòu)成一個(gè)調(diào)節(jié)糖原合成與分解的控制系統(tǒng)。

當(dāng)機(jī)體受到某些因素影響，如血糖濃度下降和劇烈活動(dòng)時(shí)，促進(jìn)腎上腺素和胰高血糖素分泌增加，這兩種激素與肝或肌肉等組織細(xì)胞膜受體結(jié)合，由G蛋白介導(dǎo)活化腺苷酸環(huán)化酶，使cAMP生成增加，cAMP又使cAMP依賴蛋白激酶(cAMpdependent protein kinase)活化，活化的蛋白激酶一方面使有活性的糖原合成酶a磷酸化為無活性的糖原合成酶b(圖4?9)；另一面使無活性的磷酸化酶激酶磷酸化為有活性的磷酸化酶激酶，活化的磷酸化酶激酶進(jìn)一步使無活性的糖原磷酸化酶b磷酸化轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘奶窃姿峄竌(圖4?0)，最終結(jié)果是抑制糖原生成，促進(jìn)糖原分解，使肝糖原分解為葡萄糖釋放入血，使血糖濃度升高，肌糖原分解用于肌肉收縮。