生物化學與分子生物學/糖原的合成與分解

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生物化學與分子生物學

糖代謝
- 糖的分解代謝
- 糖異生
- 糖原的合成與分解
- 血糖及血糖含量調節

糖原是由多個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108道爾頓，是體內糖的貯存形式，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)。

糖原的結構

圖4-14　糖原的結構

肌糖原和肝糖原的功能

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，反應在細胞質中進行，需要消耗ATP和UTP，合成反應包括以下幾個步驟：

(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不能從頭開始合成第一個糖分子，需要至少含4個葡萄糖殘基的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，UDPG上的葡萄糖基C1與糖原分子非還原末端C4形成α-1，4-糖苷鏈，使糖原增加一個葡萄糖單位，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，因此該酶催化反應生成為α-1，4-糖苷鍵相連構成的直鏈多糖分子如淀粉。

機體內存在一種特殊蛋白質稱為glycogenin，可做為葡萄糖基的受體，從頭開始如合成第一個糖原分子的葡萄糖，催化此反應的酶是糖原起始合成酶(glycogen initiaor synthase)，進而合成一寡糖鏈作為引物，再繼續由糖原合成酶催化合成糖。同時糖原分枝鏈的生成需分枝酶(branching enzyme)催化，將5-8個葡萄糖殘基寡糖直鏈轉到另一糖原子上以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由糖原合成酶催化進行糖鏈的延長。多分枝增加糖原水溶性有利于其貯存，同時在糖原分解時可從多個非還原性末端同時開始，提高分解速度(圖4-16)。

糖原合成

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，除磷酸葡萄糖變位酶外，其它酶均不一樣，反應包括：

(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個糖基轉變為1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個葡萄糖殘基時就不再起作用，這時就要有脫枝酶(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反應，第一種功能是4-α-葡聚糖基轉移酶(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，結果直鏈延長3個葡萄糖(圖5-6)，而α(1→6)分枝處只留下1個葡萄糖殘基，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同和反復的作用下，糖原可以完全磷酸化和水解(圖4-17)。

糖原的分解

圖4-17　糖原的分解

三、糖原代謝的調節

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，它們均受到變構與共價修飾兩重調節。

(一)糖原代謝的別構調節

糖原合成和分解的調節

圖4-18　糖原合成和分解的調節

6-磷酸葡萄糖可激活糖原合成酶，刺激糖原合成，同時，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使之產生活性，加速糖原分解。Ca2+可激活磷酸化酶激酶進而激活磷酸化酶，促進糖原分解(圖4-18)。

糖原合成的抑制

圖4-19　糖原合成的抑制

(二)激素的調節

體內腎上腺素和胰高血糖素可通過cAMP連鎖酶促反應逐級放大，構成一個調節糖原合成與分解的控制系統。

當機體受到某些因素影響，如血糖濃度下降和劇烈活動時，促進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胞膜受體結合，由G蛋白介導活化腺苷酸環化酶，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一步使無活性的糖原磷酸化酶b磷酸化轉變為有活性的糖原磷酸化酶a(圖4?0)，最終結果是抑制糖原生成，促進糖原分解，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。

糖原合成的抑制