生物化學教學課件：ch6糖異生和糖原代謝

1、Chapter 6 Gluconeogenesis and Glycogen Metabolism 糖異生和糖原代謝 （糖代謝）,6.1 糖異生 6.2 糖原的分解 6.3 糖原的合成 6.4 糖醛酸途徑 6.5 細菌肽聚糖合成和青霉素的抗菌機制 6.6 糖代謝途徑的相互協(xié)調(diào)調(diào)節(jié),6.1 糖異生（Gluconeogenesis） 6.1.1 概述 由非糖化合物轉(zhuǎn)化為葡萄糖的過程稱為糖異生。非糖化合物主要是丙酮酸、乳酸、甘油、氨基酸等。 糖異生存在于所有生物體中。從磷酸烯醇式丙酮酸到葡萄糖-6-磷酸是共同的途徑。,The pathway from phosphoenolpyruvate to g

2、lucose 6-phosphate is common to the biosynthetic conversion of many different precursors to carbohydrates in animals and plants.,在哺乳動物中，其作用部位主要在肝臟，部分在腎上腺皮質(zhì)。 糖異生的生理意義： 重要的生物合成葡萄糖的途徑。對腦組織、紅細胞尤為重要。 空腹或饑餓時依賴氨基酸、甘油等異生成葡萄糖維持血糖水平的恒定。 補充肝糖原的重要途徑。 長期饑餓時腎糖異生有利于調(diào)節(jié)酸堿平衡。 再利用乳酸（乳酸循環(huán)），防止因乳酸堆積引起酸中毒。,6.1.2 糖異生的關(guān)鍵步驟

3、從丙酮酸生成葡萄糖是糖異生的中心途徑。這條途徑不是糖酵解的簡單逆反應。糖酵解的三步不可逆反應由不同的反應（稱之為繞道反應 “bypass”）來完成。 三步繞道反應: 從丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵯┐际奖?從果糖-1,6-雙磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?6-磷酸 從葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?Glycolysis and gluconeogenesis in rat liver,從丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵯┐际奖?從丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿嵯┐际奖嵊袃蓷l途徑。途徑1以丙酮酸、Ala為前體; 途徑2以乳酸為前體。 兩條途徑都是由丙酮酸羧化生成草酰乙酸，再由草酰乙酸脫羧磷酸化生成磷酸烯醇式丙酮酸。前一個反應由丙酮酸羧化酶催化

4、，該酶位于線粒體; 后一個反應由磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化，有胞漿和線粒體兩種同工酶。 連續(xù)的羧化和脫羧過程的目的是激活底物丙酮酸。這種活化底物的方式在其他代謝途徑中也存在，如脂肪酸生物合成。,從丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸的兩條途徑,丙酮酸羧化酶,胞漿PEP羧激酶,-ATP,-ATP,-GTP,-GTP,途徑1,途徑2,線粒體PEP羧激酶,PEP,Reactions catalyzed by pyruvate carboxylase,Biotin a carrier of CO2,丙酮酸羧化酶的作用機制,Reactions catalyzed by phosphoenolpyruvate ca

5、rboxykinase,Q: 如果CO2用14C 標記，14C去向如何?,1分子丙酮酸轉(zhuǎn)化為1分子PEP，需要消耗2個高能磷酸鍵。 總反應式: 兩條途徑都能解決胞漿糖異生需要消耗NADH的問題。,G= -25kJ/mol,從果糖-1,6-雙磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)楣?6-磷酸,放能反應,從葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?放能反應,葡萄糖-6-磷酸酶只存在于肝臟和腎臟，所以只有在這兩種組織中，才可以通過糖異生途徑獲得游離的葡萄糖。 骨骼肌和腦組織沒有糖異生途徑，也沒有葡萄糖-6-磷酸酶通過糖原分解產(chǎn)生游離的葡萄糖。它們的葡萄糖由肝或腎糖異生、或消化吸收的葡萄糖通過血液提供。,6.1.3 糖異生的能量消耗 通過

6、糖異生，2分子丙酮酸轉(zhuǎn)變?yōu)?分子葡萄糖需要6個高能磷酸鍵。 Gluconeogenesis is expensive !,6.1.4 糖異生的前體（precursor） 能生成丙酮酸的物質(zhì)。 可轉(zhuǎn)化為三羧酸循環(huán)的中間物的物質(zhì)。三羧酸循環(huán)的中間物，如檸檬酸、異檸檬酸、酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和蘋果酸都可通過轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜徇M入糖異生途徑。 大部分氨基酸能轉(zhuǎn)變?yōu)楸峄蛉人嵫h(huán)的中間物，這些氨基酸稱為生糖氨基酸（glucogenic amino acids）。Lys和Leu不是生糖氨基酸。,乳酸是糖異生的重要前體。 肌肉中葡萄糖通過糖酵解分解為乳酸，乳酸通過血液循環(huán)運輸?shù)礁闻K，然后通過糖異生生成

7、葡萄糖，葡萄糖又可通過血液循環(huán)重新被肌肉攝取利用。這個過程稱為乳酸循環(huán)（Cori cycle）。 乳酸循環(huán)具有重要的生理意義（見糖異生生理意義）。,Exercise,Rest,Biochemist Gerty Theresa Radnitz Cori (1896-1957) and her husband Carl Ferdinand Cori (1896-1984) were jointly awarded the Nobel Prize in medicine in 1947 for their work on how the human body metabolizes sugar.,脊

8、椎動物的乙酰CoA不能轉(zhuǎn)化為丙酮酸，因此不能作為糖異生的前體。 植物和一些細菌通過乙醛酸循環(huán)將乙酰CoA轉(zhuǎn)化為琥珀酸，然后再轉(zhuǎn)化為草酰乙酸作為糖異生前體。在種子發(fā)芽過程中，蔗糖是重要的能量來源和生物合成前體。,Fatty acids can be converted to sucrose in germinating seeds.,6.1.5 底物循環(huán)（substrate cycle） 一對互逆的反應同時進行，稱為底物循環(huán)。由于底物循環(huán)是互逆的產(chǎn)能和耗能過程同時進行，使ATP以熱量形式散發(fā)，因此這種不經(jīng)濟的過程又稱為無效循環(huán)（futile cycle）。,一般認為，在正常狀態(tài)下，機體以相互協(xié)調(diào)

9、的調(diào)節(jié)方式避免底物循環(huán)的發(fā)生，如糖酵解與糖異生以互為相反的調(diào)節(jié)方式避免發(fā)生底物循環(huán)（見6.5）。但近來研究發(fā)現(xiàn)，底物循環(huán)具有擴大代謝調(diào)節(jié)信號的生理意義。 底物循環(huán)的另一個生理意義是，機體利用底物循環(huán)產(chǎn)生熱量來提高或維持體溫。如在天氣寒冷時，大黃蜂利用上述底物循環(huán)產(chǎn)生熱量提高體溫。,糖原代謝概述 糖原是動物細胞內(nèi)易于動員的葡萄糖貯存形式。 糖原的大多數(shù)葡萄糖殘基以-1,4糖苷鍵相連，大約10個殘基有一個分支，分支通過-1,6糖苷鍵生成。 糖原作為重要的能量貯存形式具有以下特點。首先，糖原可作為維持血糖水平穩(wěn)定的緩沖劑; 其次，糖原易于動員，是突發(fā)劇烈活動的能量來源; 第三，葡萄糖可以在無氧條件下

10、供能。,糖原代謝概述 機體貯存糖原的器官主要是肝臟和肌肉。在肝臟，糖原的代謝調(diào)節(jié)是為了維持血糖水平的穩(wěn)定。在肌肉，糖原的代謝調(diào)節(jié)是為了滿足自身的能量需求。,6.2 糖原的分解代謝（glycogenolysis） 6.2.1 糖原的分解代謝過程 糖原的降解從糖原的非還原性末端葡萄糖殘基開始，-1,4糖苷鍵斷裂，生成葡萄糖-1-磷酸和少一個葡萄糖基的糖原分子。這是由糖原磷酸化酶（glycogen phosphorylase）催化的磷酸解反應。,Glycogen breakdown,糖原磷酸化酶在離-1,6糖苷鍵分支點的4個Glc處停止作用。接著由轉(zhuǎn)移酶（transferase）將分支的3個糖殘基轉(zhuǎn)

11、移到直鏈的4個糖基上。剩余的一個糖殘基以-1,6糖苷鍵與糖原相連。這個鍵再由-1,6糖苷酶（ -1,6-glucosidase），又稱脫分支酶（debranching enzyme）水解。線性糖鏈又可繼續(xù)由糖原磷酸化酶進一步降解。 在真核細胞，轉(zhuǎn)移酶和脫分支酶位于同一肽鏈，屬于雙功能酶。,Glycogen breakdown,在磷酸葡萄糖變位酶（phosphoglucomutase）的催化下，Glc-1-P 轉(zhuǎn)變?yōu)镚lc-6-P。 在肝、腎和小腸中，Glc-6-P被葡萄糖6-磷酸酶（glucose 6-phosphatase）水解為Glc，進入血液循環(huán)。在肌肉和腦組織中沒有這種酶，Glc-6-

12、P可進入糖酵解途徑。 所以說，肝糖原分解可以提高血糖水平，但肌糖元分解是氧化供能。,6.2.2 糖原磷酸化酶的催化機理 糖原磷酸化酶是由兩個亞基組成的同源二聚體。每個亞基由兩個結(jié)構(gòu)域組成，分別是氨基端結(jié)構(gòu)域（amino-terminal domain）和羧基端結(jié)構(gòu)域（carboxyl-terminal domain）。催化位點位于由兩個結(jié)構(gòu)域的一些氨基酸殘基構(gòu)成的一個深的縫隙總中。每個催化位點有一分子磷酸吡哆醛（ Pyridoxal phosphate，PLP）。 糖原磷酸化酶以輔酶PLP作為質(zhì)子的供體和受體。糖原降解過程經(jīng)過一個碳正離子中間體。,糖原磷酸化酶的反應機理,6.2.3 糖原磷酸化

13、酶的調(diào)節(jié) 糖原磷酸化酶是變構(gòu)酶，有a、b兩種形式。 糖原磷酸化酶a、b兩種形式是通過可逆的磷酸化/去磷酸化來調(diào)節(jié)。磷酸化酶b是低活性形式，在磷酸化酶激酶（phosphorylase kinase）的作用下，磷酸化后轉(zhuǎn)化為有活性的磷酸化酶a。磷酸化酶a可被磷酸化酶磷酸酶（phosphorylase phosphatase, PP1）水解，去磷酸后轉(zhuǎn)化為磷酸化酶b。,Regulation of glycogen phosphorylase activity by covalent modification,肝臟和肌肉的糖原磷酸化酶屬同工酶，兩者調(diào)節(jié)方式各有特點，與生理功能密切相關(guān) 。 糖原的分解代

14、謝在肌肉和肝臟中有著不同的生理意義：肌肉是產(chǎn)生ATP，肝臟是維持血糖穩(wěn)定，為其它組織提供Glc。 在靜息的骨骼肌中，糖原磷酸化酶主要以b型存在。磷酸化酶b主要受到能荷信號分子的調(diào)節(jié)，AMP是變構(gòu)激活劑，ATP是變構(gòu)抑制劑。另外，Ca2+激活磷酸化酶激酶，從而使磷酸化酶b轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄竌 。,肌肉糖原磷酸化酶的調(diào)節(jié),AMP和Ca 2+的調(diào)節(jié),肝臟中的糖原磷酸化酶主要以a型存在。磷酸化酶a主要受到Glc的變構(gòu)調(diào)節(jié)。 當血糖水平升高時，Glc結(jié)合到磷酸化酶a的Glc別構(gòu)位點，酶的構(gòu)象改變暴露出磷酸化位點，利于磷酸化酶a磷酸酶水解，于是，磷酸化酶a轉(zhuǎn)變磷酸化酶b，抑制肝糖原分解。 肝臟中磷酸化酶是a

15、glucose sensor。,糖原分解是一個激素調(diào)節(jié)的級聯(lián)放大反應。腎上腺素（epinephrine）和胰高血糖素（glucagon）是兩種促進糖原分解的激素。腎上腺素促進肌糖原的分解，胰高血糖素促進肝糖原的分解。,肝臟和肌肉的磷酸化酶同工酶由不同激素調(diào)節(jié), Glucose ,Earl W. Sutherland, Jr. (1915-1974),The Nobel Prize in Medicine in 1971 for the discovery of cAMP in the regulation of carbohydrate metabolism,Q: 試分析：骨骼肌中糖原磷酸化酶

16、與肝臟糖原磷酸化酶相比，哪個的最大反應速率（Vmax）大呢？,6.3 糖原的合成代謝（glycogenesis） 糖原合成存在于所有動物組織中，但在肝臟和骨骼肌中活性最強。 糖原合成是耗能過程，需要糖原引物分子，糖基的供體是UDPG，而不是Glc-1-P。（Glycogen is not synthesized by a simple reverse of phosphorolysis.）,Sugar nucleotides were found to be the activated forms of sugars participating in biosynthesis.,糖原合成反應過

17、程 D-glucose+ATP D-glucose-6-phosphate+ADP glucokinase（in liver） hexokinase（in muscle） D-glucose-6-phosphate glucose-1-phosphate phosphoglucomutase glucose-1-phosphate+UTP UDP-glucose+PPi UDP-glucose pyrophosphorylase UDP葡萄糖焦磷酸化酶,Formation of UDPG,糖原合成反應過程 在糖原合酶（glycogen synthase）的催化下，UDPG作為糖基供體合成新糖原

18、。 糖原的分支合成由糖原分支酶（glycogen-branching enzyme）催化。,糖原合酶需要有一個4個糖殘基以上的引物,Glycogen synthesis,Glycogen synthesis,糖原合成的啟動 糖原合成需要引物。引物的合成由生糖原蛋白（glycogenin）同時作為引物和酶來完成。,Initiation of a glycogen particle by glycogenin,Structure of the glycogen particle,一些細菌的糖原合成以ADP-Glc為前體。在植物中，淀粉的合成以ADP-Glc為前體，蔗糖的合成以UDP-Glc為前體。

19、 糖原合酶存在a型和b型兩種形式。通過可逆的磷酸化/去磷酸化調(diào)節(jié)活性。a型是去磷酸化的活性形式，b型是磷酸化的低活性形式。（與糖原磷酸化酶相反） 糖原合成主要受到Glc水平和胰島素的調(diào)節(jié)，表現(xiàn)為糖原分解和糖原合成相互協(xié)調(diào)進行調(diào)節(jié)。 （見6.5）,Regulation of glycogen synthase activity,6.4 糖醛酸途徑（Glucuronic acid cycle） 指從Glc-6-P或Glc-1-P開始，經(jīng)UDP-葡萄糖醛酸生成糖醛酸的途徑。,葡萄糖醛酸,古洛糖酸,古洛糖酸內(nèi)酯,抗壞血酸,糖醛酸途徑的生理意義 UDP糖醛酸是糖醛酸供體，可形成許多重要的粘多糖如透明質(zhì)酸

20、、肝素等。 從糖醛酸可轉(zhuǎn)變?yōu)榭箟难幔╒itC），但人和其它靈長類等動物不能合成抗壞血酸。VitC缺乏癥引起壞血病。 在肝臟糖醛酸可與藥物或含-OH、-COOH、-NH2、-SH的異物結(jié)合成水溶性化合物排出體外，起解毒作用。 從糖醛酸可形成木酮糖，與磷酸戊糖途徑相連。,UDP-glucuronate is used in detoxification by glucuronidating nonpolar toxins.,6.5 細菌肽聚糖的合成和青霉素的抗菌機制 肽聚糖是細菌細胞壁的重要組成成分。 青霉素類抗生素都含有b-內(nèi)酰胺環(huán)結(jié)構(gòu)。通過抑制肽聚糖的合成起作用。 細菌對青霉素耐藥性的重要機

21、制是細菌b-內(nèi)酰胺酶催化b-內(nèi)酰胺環(huán)的水解導致藥物失效。,Peptidoglycan synthesis,Inactivation of transpeptidase,Penicillins,b-內(nèi)酰胺酶,Inactivation of penicillin,6.6 糖代謝途徑的相互調(diào)節(jié) 6.6.1 糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化之間的協(xié)調(diào)控制 糖酵解、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化的速度受細胞能荷水平的控制。ADP含量高時，刺激氧化磷酸化和丙酮酸氧化，從而加速三羧酸循環(huán)。相反，ATP含量高時，可減慢氧化磷酸化、糖酵解和三羧酸循環(huán)。,（續(xù)） 巴斯德效應：在厭氧條件下，高速酵解的酵母若通入氧氣，葡萄糖消

22、耗速度急劇下降，酵解積累的乳酸迅速消失。這種耗氧的同時，葡萄糖消耗減少，乳酸堆積終止的現(xiàn)象，稱為巴斯德效應。,6.6.2 糖異生和糖酵解之間的協(xié)調(diào)控制 為了避免底物循環(huán)的發(fā)生，兩條途徑相互協(xié)調(diào)、互為相反地（coordinately and reciprocally）進行調(diào)節(jié)。通常表現(xiàn)為同一調(diào)節(jié)因子（如別構(gòu)效應劑）對兩條途徑相應的酶作用相反。如： Glc-6-P抑制己糖激酶，激活葡萄糖6-磷酸酶，從而抑制酵解，促進糖異生。 乙酰CoA抑制丙酮酸脫氫酶復合體，激活丙酮酸羧化酶，從而抑制酵解，促進糖異生。,（續(xù)） AMP抑制FBPase-1，激活PFK-1，從而抑制糖異生，促進酵解。 檸檬酸抑制PF

23、K-1，激活FBPase-1，從而抑制酵解，促進糖異生。 果糖-2,6-雙磷酸抑制FBPase-1，激活PFK-1，從而抑制糖異生，促進酵解。,The alternative fates of pyruvate are coordinately regulated by acetyl-CoA.,d,Fructose 2,6 bisphosphate (F-2,6-BP), AMP, and citrate have opposite effect on the enzymatic activities of PFK-1 and FBPase-1,果糖-6-磷酸和果糖-1,6-雙磷酸之間的轉(zhuǎn)化是

24、糖酵解和糖異生的重要調(diào)控點。果糖-2,6-雙磷酸是這一步驟的重要別構(gòu)效應物。 注意：果糖-2,6-雙磷酸是調(diào)節(jié)因子，但不是代謝中間物。 胰高血糖素通過調(diào)節(jié)果糖-2,6-雙磷酸的水平起到抑制酵解，促進糖異生的作用。,F-2,6-BP activates PFK-1, but inhibits FBPase,PFK-2，F(xiàn)BPase-2是一個雙功能蛋白的兩種酶活性。,胰高血糖素通過磷酸化/去磷酸化來調(diào)節(jié)PFK-2，F(xiàn)BPase-2酶活性。,6.6.3 糖原分解和糖原合成之間的協(xié)調(diào)控制,糖原的合成與分解,糖原n,6.6.3 糖原分解和糖原合成之間的協(xié)調(diào)控制 糖原磷酸化酶和糖原合酶都以活性、無（低）活

25、性兩種形式存在。兩種形式通過可逆的磷酸化/去磷酸化相互轉(zhuǎn)變。 糖原磷酸化酶和糖原合酶的酶活性調(diào)節(jié)是雙向的、互為相反的調(diào)節(jié)。如加強糖原合成，則減弱糖原分解。反之。,6.6.3 糖原分解和糖原合成之間的協(xié)調(diào)控制 糖原磷酸化酶和糖原合酶的調(diào)節(jié)是雙重調(diào)節(jié)：別構(gòu)調(diào)節(jié)和共價修飾調(diào)節(jié)。 共價修飾調(diào)節(jié)是激素作用下的級聯(lián)放大效應。如腎上腺素或胰高血糖素激活protein kinase A，最終導致糖原磷酸化酶和糖原合酶的磷酸化，于是，前者被激活，后者被抑制。胰島素激活protein phosphatase 1，最終導致糖原磷酸化酶和糖原合酶的去磷酸化，于是，前者被抑制，后者被激活。,糖原磷酸化酶與糖原合酶互為相

26、反的調(diào)節(jié),kinase,Phosphoprotein Phosphatase 1, PP1,糖原累積癥（Glycogen-storage disease）是由于糖原代謝障礙，使糖原在細胞內(nèi)過度累積或糖原分子異常的遺傳性疾病。常見的是由于缺失糖原代謝過程中的某種酶。糖原累積癥種類很多。主要受損器官是肝臟，其次是心臟和肌肉。,6.6.4 血糖水平的調(diào)節(jié),血糖指血中的葡萄糖。血糖的正常值，空腹3.95.6mmol/L，餐后0.51h：7.788.89mmol/L，2h后：3.95.6mmol/L。,合成脂肪,合成其他糖類,糖異生,肝糖原分解,血糖,腸道吸收,氧化分解,合成肝糖原、肌糖原,血糖的來源與

27、去路,如進食后，腸道吸收大量Glc ，這時,肝糖原合成增加，分解減少 肌糖原合成和糖的氧化增加 肝和脂肪組織加速將糖轉(zhuǎn)化為脂肪 肌肉中，由蛋白質(zhì)分解的氨基酸的糖異生減少,血糖水平保持恒定不僅是糖、脂肪、氨基酸代謝協(xié)調(diào)的結(jié)果，也是肝、肌肉、脂肪等各組織器官代謝協(xié)調(diào)的結(jié)果。,血糖短暫上升，很快回復正常。,長時間饑餓時？,調(diào)節(jié)血糖的激素,升高血糖的激素 胰高血糖素 腎上腺素 糖皮質(zhì)激素,降低血糖激素 胰島素,血糖水平的精確調(diào)控最終主要靠激素的調(diào)節(jié)。,胰高血糖素（Glucagon）,胰島素（insulin）,胰島素和胰高血糖素對血糖的調(diào)節(jié),腎上腺素（Epinephrine）,糖皮質(zhì)激素升高血糖機制：

28、促進肌肉蛋白質(zhì)分解，并促進肝內(nèi)糖異生。 抑制肝外組織攝取和利用葡萄糖。 協(xié)助促進脂肪動員，使血中游離FA升高，間接抑制周圍組織攝取Glc。,Supplementary:Confusing names of some enzymes,合酶和合成酶 （synthases and synthetases） 合酶指的是催化的縮合反應沒有NTP（如ATP或GTP）作為能源的。如檸檬酸合酶（citrate synthase）。 合成酶指的是催化的縮合反應有NTP（如ATP或GTP）作為能源的。如琥珀酰CoA合成酶（succinyl-CoA synthetase）。,檸檬酸合酶,琥珀酰CoA合成酶,激酶、磷酸化酶和磷酸酶 （kinases, phosphorylases, phosphatases） 激酶催化的是磷酸化（phosphorylation）反應。是把磷酰基從NTP，如ATP轉(zhuǎn)移到一個受體分子（如糖、蛋白質(zhì)、或其它核苷酸、或其它代謝中產(chǎn)物）。 磷酸化酶催化的是磷酸解（phosphorolysis）反應。是用磷酸攻擊分子，然后磷?；c斷裂鍵共價結(jié)合。 磷酸酶催化的是去磷酸化（dephosphorylation）反應。是把磷?；鶑牧姿狨ユI去除，并用水分子攻擊底物。,己糖激酶,糖原磷酸化酶,+ H2O,+ Pi,Glucose 6-phosphata