1、 第第 十十 三三 章章 糖原代谢和糖异生作用糖原代谢和糖异生作用 贮存糖原的动用贮存糖原的动用(主要发生在肝脏中主要发生在肝脏中)可以为脑和红细胞可以为脑和红细胞提供对葡萄糖部分需要。当进食之后葡萄糖很丰富时，葡萄糖便提供对葡萄糖部分需要。当进食之后葡萄糖很丰富时，葡萄糖便会很快地以糖原的形式贮存起来。然而，肝脏贮存糖原的能力仅会很快地以糖原的形式贮存起来。然而，肝脏贮存糖原的能力仅能满足脑每日对葡萄糖的一半的需要。在禁食的条件下，机体所能满足脑每日对葡萄糖的一半的需要。在禁食的条件下，机体所需的大部分葡萄糖则通过葡萄糖的异生作用从非糖前体需的大部分葡萄糖则通过葡萄糖的异生作用从非糖前体(例
2、如氨基例如氨基酸酸)提供。因此，葡萄糖的合成、贮存、动用以及通过糖酵解或磷提供。因此，葡萄糖的合成、贮存、动用以及通过糖酵解或磷酸戊糖途径的分解代谢都是受到有效的调节，以满足于机体对能酸戊糖途径的分解代谢都是受到有效的调节，以满足于机体对能量的短期和长期需要。量的短期和长期需要。第一节第一节 糖原的降解糖原的降解 糖原是一种无还原性的多糖。糖原是一种无还原性的多糖。糖原合成或分解时，其葡萄糖残基的添加或去除，糖原合成或分解时，其葡萄糖残基的添加或去除，均在其非还原端进行。均在其非还原端进行。糖原的合成与分解代谢主要发生在肝、肾和肌肉糖原的合成与分解代谢主要发生在肝、肾和肌肉组织细胞的胞液中。组
3、织细胞的胞液中。糖原糖原(glycogen)glycogen)是由是由-D-D-葡萄糖聚合而成的有葡萄糖聚合而成的有分支的大分子物质。糖原以球形的糖原粒的形式出现分支的大分子物质。糖原以球形的糖原粒的形式出现在肌肉和肝脏细胞内，分别占肌肉和肝脏重量的在肌肉和肝脏细胞内，分别占肌肉和肝脏重量的1%1%2%2%和和10%10%左右。左右。糖原粒中也含有催化糖原合成和降解的糖原粒中也含有催化糖原合成和降解的酶以及一些调节这些反应的蛋白质酶以及一些调节这些反应的蛋白质。糖原分子只有一。糖原分子只有一个还原性末端，而在每个分支上都有一个非还原性末个还原性末端，而在每个分支上都有一个非还原性末端。糖原的降
4、解与合成都有序地发生在非还原性末端，端。糖原的降解与合成都有序地发生在非还原性末端，因此，糖原的高度分支的结构极大地增大糖原降解与因此，糖原的高度分支的结构极大地增大糖原降解与合成的作用点，有利于提高糖原降解与合成的速度。合成的作用点，有利于提高糖原降解与合成的速度。磷酸解：由糖原磷酸化酶催化对磷酸解：由糖原磷酸化酶催化对-1,4-1,4-糖苷键磷酸解，糖苷键磷酸解，生成生成G-1-PG-1-P。糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶*糖原降解反应过程：糖原降解反应过程：(G)(G)n n+Pi (G)+Pi (G)n-1n-1+G-1-P+G-1-P（一）糖原磷酸化酶催化糖原降解（一）糖原磷酸化酶催化糖原
5、降解。糖原磷酸化酶催化的糖原降解反应 糖原磷酸解反应的糖原磷酸解反应的G G0 0 3.1kJ3.1kJmolmol-l-l,但由但由于细胞内的于细胞内的 PiPi与与 葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸 的比值接近的比值接近100100，因而体内实际的因而体内实际的G G 大约接近大约接近6.06.0kJkJmolmol-1-1。糖原糖原的磷酸解反应在细胞内是一种能量上有利的反应的磷酸解反应在细胞内是一种能量上有利的反应。如果糖原的降解是水解而不是磷酸解，则产物是如果糖原的降解是水解而不是磷酸解，则产物是葡萄糖。葡萄糖。在肌肉中，葡萄糖进入糖酵解途径之前需要以消在肌肉中，葡萄糖进入糖酵解途径之前
6、需要以消耗耗ATPATP为代价的磷酸化反应。因此，糖原的磷酸解反应为代价的磷酸化反应。因此，糖原的磷酸解反应的意义是显而易见的。的意义是显而易见的。如果当释放贮存葡萄糖的酶缺失时，则不能为糖酵解提供葡萄糖以维持机体对ATP的需要。例如麦卡德尔氏症(AcArdles disease)是由肌肉磷酸化酶缺乏所引起的糖原积累疾病，由于不能为糖酵解提供葡萄糖，因此当运动时会导致痛性肌肉痉挛。二二 糖原磷酸化酶的结构和作用机制糖原磷酸化酶的结构和作用机制 糖原磷酸化酶是由两个相同的亚基构成的二聚体，每糖原磷酸化酶是由两个相同的亚基构成的二聚体，每个亚基都有一个大的个亚基都有一个大的N-N-端结构域端结构域
7、(484(484个残基个残基)和一个小的和一个小的C-C-端结构域。端结构域。N-N-端域包含磷酸化部位、别构效应物部位、端域包含磷酸化部位、别构效应物部位、糖原结合部位糖原结合部位(也叫糖原贮存部位也叫糖原贮存部位)以及二聚体亚基间的相以及二聚体亚基间的相互作用部位，每个亚基的塔式互作用部位，每个亚基的塔式(tower)(tower)螺旋以反平行的交螺旋以反平行的交互方式相互作用。催化部位位于亚基的中间。互方式相互作用。催化部位位于亚基的中间。兔肌糖原磷酸化酶的兔肌糖原磷酸化酶的模式图模式图糖原磷酸化酶不能催化分支点附近的糖原磷酸化酶不能催化分支点附近的(4(45 5糖残基糖残基)的的-1,
8、4-1,4-糖苷键的裂解，也不能催化分支点的糖苷键的裂解，也不能催化分支点的-1,6-1,6-糖苷键的裂解。糖苷键的裂解。三三.糖原脱支酶糖原脱支酶 糖原脱支酶（糖原脱支酶（glycogen glycogen debranchingdebranching enzyme enzyme）（）（也叫也叫-1,4-1,4-糖基转移酶）糖基转移酶）能从糖原的极限分支点上催化转移能从糖原的极限分支点上催化转移-1,4-1,4-糖苷键连结的三糖单位到另一个分支的非还原性末端，产生糖苷键连结的三糖单位到另一个分支的非还原性末端，产生可被糖原磷酸化酶作用的较长的糖链。可被糖原磷酸化酶作用的较长的糖链。分支点上以
9、分支点上以-1,6-1,6-糖苷键同主链连结的一个糖残基可糖苷键同主链连结的一个糖残基可被同一脱支酶水解被同一脱支酶水解(非磷酸解非磷酸解)，产生，产生葡萄糖和已脱支的糖链葡萄糖和已脱支的糖链。糖原大约糖原大约10%10%的糖残基的糖残基(即在分支点上的残基即在分支点上的残基)因此而转变成葡因此而转变成葡萄糖而不是葡萄糖萄糖而不是葡萄糖-1-1-磷酸。磷酸。脱支脱支：由：由-1,6-1,6-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶催化。将催化。将-1,6-1,6-糖苷键水解，生成一糖苷键水解，生成一分子自由葡萄糖。分子自由葡萄糖。-1,6-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶 转寡糖链：当糖原被水解到离分支点四个葡萄糖残基时，转
10、寡糖链：当糖原被水解到离分支点四个葡萄糖残基时，由葡聚糖转移酶催化，将分支链上的三个葡萄糖残基转移到由葡聚糖转移酶催化，将分支链上的三个葡萄糖残基转移到直链的非还原端，使分支点暴露。直链的非还原端，使分支点暴露。(G)G)n n+H+H2 2O (G)O (G)n-1n-1+G脱支酶含有分开的转移酶活性和脱支酶含有分开的转移酶活性和-1,6-1,6-糖苷酶两个糖苷酶两个酶活性部位。两个独立的催化活性在同一个酶中存酶活性部位。两个独立的催化活性在同一个酶中存在无疑会改进脱支反应的效率。在无疑会改进脱支反应的效率。糖原脱支酶作用机制糖原脱支酶作用机制 在肌肉组织中，糖原经糖原磷酸化酶和磷酸葡萄在肌
11、肉组织中，糖原经糖原磷酸化酶和磷酸葡萄糖变位酶产生的葡萄糖糖变位酶产生的葡萄糖-6-6-磷酸可以沿着糖酵解途径继磷酸可以沿着糖酵解途径继续进行代谢，产生肌肉收缩所需要的能量。续进行代谢，产生肌肉收缩所需要的能量。在肝脏中，在肝脏中，生成的葡萄糖生成的葡萄糖-6-6-磷酸除可以进入糖酵解和磷酸戊糖途磷酸除可以进入糖酵解和磷酸戊糖途径外，另一个重要的去向是在肝脏葡萄糖径外，另一个重要的去向是在肝脏葡萄糖-6-6-磷酸酶磷酸酶(glucose-6-phosphatase)glucose-6-phosphatase)催化下生成葡萄糖：催化下生成葡萄糖：葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 H H2 2O O
12、 葡萄糖葡萄糖 PiPi 生成的葡萄糖离开肝脏，经循环着的血液运送到生成的葡萄糖离开肝脏，经循环着的血液运送到其他组织，肌肉和其他组织不含葡萄糖其他组织，肌肉和其他组织不含葡萄糖-6-6-磷酸酶磷酸酶,因因而能保有葡萄糖而能保有葡萄糖-6-6-磷酸。磷酸。磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶磷酸酶G-1-P G-6-PG-1-P G-6-P 脱磷酸：脱磷酸：由由葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸酶磷酸酶催化，生成自由葡萄糖，该催化，生成自由葡萄糖，该酶只存在于酶只存在于肝及肾肝及肾中。中。G-6-P+HG-6-P+H2 2O G+Pi O G+Pi 生成的葡萄糖生成的葡萄糖6 6磷
13、酸进入糖酵解比葡萄糖进入糖酵解磷酸进入糖酵解比葡萄糖进入糖酵解节省能量节省能量四四 磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶作用机制磷酸葡萄糖变位酶作用机制磷酸葡萄糖变位酶的作用机制磷酸葡萄糖变位酶的作用机制 第二节第二节 糖糖 原原 的的 合合 成成 在生理条件下在生理条件下，糖原的磷酸解是一个高度放能的反应，而糖原的磷酸解是一个高度放能的反应，而其逆反应如果没有自由能的输入则在热力学上是不利的。其逆反应如果没有自由能的输入则在热力学上是不利的。一一UDP-UDP-葡萄糖是糖基转移的活泼形式葡萄糖是糖基转移的活泼形式 肝脏和骨骼肌是糖原合成的主要部位。葡萄糖进入肝肝脏和骨骼肌是糖原合
14、成的主要部位。葡萄糖进入肝脏或肌肉组织后，首先经己糖激酶或葡萄糖激酶催化，转变成脏或肌肉组织后，首先经己糖激酶或葡萄糖激酶催化，转变成葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸。但葡萄糖磷酸。但葡萄糖-6-6-磷酸不能直接用作糖原合成的糖磷酸不能直接用作糖原合成的糖基供体。在磷酸葡萄糖异构酶催化的反应中，葡萄糖基供体。在磷酸葡萄糖异构酶催化的反应中，葡萄糖-6-6-磷酸磷酸转变成葡萄糖转变成葡萄糖-1-1-磷酸。磷酸。19571957年，阿根廷的生物化学家年，阿根廷的生物化学家L.LeloirL.Leloir发现发现,葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸在尿苷二磷酸焦磷酸化酶在尿苷二磷酸焦磷酸化酶(UDP-gluc
15、ose UDP-glucose pyrophosohorylasepyrophosohorylase)的催化下与尿苷三磷酸的催化下与尿苷三磷酸(UTP)UTP)结合形成的尿苷二磷酸结合形成的尿苷二磷酸-葡萄糖葡萄糖(UDP-UDP-葡萄糖或葡萄糖或UDP-G)UDP-G)是糖原合成时的糖基体的供体形式：是糖原合成时的糖基体的供体形式：葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸 UTP UDP-UTP UDP-葡萄糖葡萄糖 PPiPPi G Go o 0 0 PPiPPi H H2 2O 2Pi O 2Pi G Go o -29.7kJ-29.7kJmolmol-1-1 总反应：总反应：葡萄糖葡萄糖-1-1
16、-磷酸磷酸 UTP UTP H H2 2O UDP-O UDP-葡萄糖葡萄糖 2 2Pi Pi G Go o -29.7kJ-29.7kJmolmol-1-1 总反应自由能变化表明，反应有利于UDP-葡萄糖的生成。在许多生物合成反应中，由于核苷在许多生物合成反应中，由于核苷三磷酸裂解，产生了无机焦磷酸三磷酸裂解，产生了无机焦磷酸(PPiPPi),),后者被后者被焦磷酸酶水解，释放出的大量的自由能推动本是焦磷酸酶水解，释放出的大量的自由能推动本是可逆的反应变成不可逆，而有利于合成反应。这可逆的反应变成不可逆，而有利于合成反应。这在生物化学上是一个具普遍性的原理。在生物化学上是一个具普遍性的原理。
17、UDP-UDP-葡萄糖等这类糖核苷酸葡萄糖等这类糖核苷酸(sugar sugar nucleotides)nucleotides)是双糖、糖原、淀粉、纤维素和更是双糖、糖原、淀粉、纤维素和更复杂的细胞内多糖合成时的糖基的直接供体形式。复杂的细胞内多糖合成时的糖基的直接供体形式。在生物合成反应中，虽然这类糖核苷酸不涉及在生物合成反应中，虽然这类糖核苷酸不涉及到核苷酸本身基团的转移，但提供许多与酶非共价到核苷酸本身基团的转移，但提供许多与酶非共价相互作用的基团。这些相互作用可以为酶的催化反相互作用的基团。这些相互作用可以为酶的催化反应提供能量应提供能量(结合能结合能)；而且；而且象磷酸基那样，核苷
18、酸象磷酸基那样，核苷酸基是一种非常好的离去基团，基是一种非常好的离去基团，激活核苷酸基连结的激活核苷酸基连结的糖碳，以利于促进亲核攻击。糖碳，以利于促进亲核攻击。二二 糖原合酶催化糖原合成糖原合酶催化糖原合成 UDP-UDP-葡萄糖的生成具备了将糖基转移用葡萄糖的生成具备了将糖基转移用于糖原合成的条件。在于糖原合成的条件。在糖原合酶糖原合酶(glycogen glycogen synthasesynthase)的催化下，的催化下，UDP-UDP-葡萄糖的糖基被转移到葡萄糖的糖基被转移到分子较小的糖原分子较小的糖原(作为引物作为引物)的非还原性末端的非还原性末端C-C-4OH4OH上，形成上，形
19、成-1,4-1,4-糖苷键：糖苷键：UDP-UDP-葡萄糖葡萄糖 糖原糖原(n n个葡萄糖残基个葡萄糖残基)UDP UDP 糖原糖原(n n 1 1个葡萄糖基个葡萄糖基)该反应的该反应的G Go o 是是13.413.4kJkJmol-1mol-1，这表明这表明UDP-UDP-葡萄葡萄糖的形成和糖原合成的总反应：糖的形成和糖原合成的总反应：葡萄糖葡萄糖-1-1-磷酸磷酸 UTP UTP 糖原糖原(n n个葡萄糖残基个葡萄糖残基)糖原糖原(n n 1 1个葡萄糖基个葡萄糖基)UDP UDP Pi Pi 在能量上是一个非常有利的过程。这一有利过程的在能量上是一个非常有利的过程。这一有利过程的产生是
20、以消耗产生是以消耗UTPUTP为代价，而为代价，而UTPUTP的消耗在能量上相当于的消耗在能量上相当于ATPATP的消耗。的消耗。二二 糖原合成酶催化糖原合成糖原合成酶催化糖原合成 UDP-UDP-葡萄糖的生成具备了将糖基转移用于糖葡萄糖的生成具备了将糖基转移用于糖原合成的条件。在原合成的条件。在糖原合酶糖原合酶(glycogen glycogen synthasesynthase)的的催化下，催化下，UDP-UDP-葡萄糖的糖基被转移到分子较小的糖原葡萄糖的糖基被转移到分子较小的糖原(作为引物作为引物)的非还原性末端的非还原性末端C-4OHC-4OH上，形成上，形成-1,4-1,4-糖苷键：
21、糖苷键：UDP-UDP-葡萄糖葡萄糖 糖原糖原(n n个葡萄糖残基个葡萄糖残基)UDP UDP 糖原糖原(n n 1 1个葡萄糖基个葡萄糖基)糖原的合成需要引物，那么新的糖原分子的合成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？是如何起始呢？有一种叫做糖原蛋白糖原蛋白(glycogeninglycogenin)的较小的蛋白质(分子量为37kD)可以作为一种引物与第一个葡萄糖基连接。在酪氨酸葡萄糖基转移酶在酪氨酸葡萄糖基转移酶(tyrosinetyrosine glucosyltransferaseglucosyltransferase)催化下，把一个葡萄糖基结合催化下，把一个葡萄糖
22、基结合到糖原蛋白到糖原蛋白194194位位TyrTyr残基的残基的OHOH上上。然后，在UDP-葡萄糖继续提供糖基的条件下，糖原蛋白自身催化再连续添加7个糖基，使糖链延伸，形成糖原引物。糖原合酶只能从这一个点上开始糖原合酶只能从这一个点上开始糖原的合成糖原的合成(延长延长)。糖原粒分析提示，每个糖原粒仅与一分子的糖原蛋白和一分子的糖原合成酶结合在一起。三三.糖原分支的产生糖原分支的产生 糖原合酶只能催化糖原合酶只能催化-1,4-1,4-糖苷键的生成，糖苷键的生成，形成线性的糖链。形成线性的糖链。产生分支、形成糖原则需要另产生分支、形成糖原则需要另外一种叫做淀粉外一种叫做淀粉-(1,41,6)-
23、(1,41,6)-转葡萄糖基酶转葡萄糖基酶(amylo-(1,41,6)-transglycosylase)amylo-(1,41,6)-transglycosylase)即分支酶即分支酶(branching enzyme)branching enzyme)。这个酶催化从糖链的非还原性末端转移这个酶催化从糖链的非还原性末端转移7 7个残个残基至同一糖链或另一糖链的糖残基的基至同一糖链或另一糖链的糖残基的C-6C-6位上，形位上，形成一个成一个-1,6-1,6-糖苷键。糖苷键。第三节 糖糖 原原 代代 谢谢 的的 调调 节节 葡萄糖是脑的主要代谢燃料，循环着的血液中的葡萄葡萄糖是脑的主要代谢燃料
24、，循环着的血液中的葡萄糖必须维持在大约糖必须维持在大约5 5mmolmmolL L-1-1的浓度。糖原降解产生的葡萄的浓度。糖原降解产生的葡萄糖也是肌肉收缩的主要能量来源。糖也是肌肉收缩的主要能量来源。糖原代谢的控制受糖原磷酸化酶和糖原合酶糖原代谢的控制受糖原磷酸化酶和糖原合酶的交互调节。的交互调节。糖原磷酸化酶的激活与糖原合酶的抑制是紧密相连的，糖原磷酸化酶的激活与糖原合酶的抑制是紧密相连的，反之亦然。糖原代谢的调节涉及代谢途径调节酶的别构控反之亦然。糖原代谢的调节涉及代谢途径调节酶的别构控制和共价修饰控制。制和共价修饰控制。一一.糖原磷酸化酶和糖原合酶的别构调节糖原磷酸化酶和糖原合酶的别构
25、调节 糖原磷酸化酶可被糖原磷酸化酶可被AMPAMP别构激活，而别构激活，而ATPATP和葡萄糖和葡萄糖-6-6-磷酸则能抑制该酶的活性。磷酸则能抑制该酶的活性。糖原合酶的活性则可被糖原合酶的活性则可被ATPATP和葡萄糖和葡萄糖-6-6-磷酸促进。磷酸促进。这两种酶的活性以及糖原代谢的方向取决于肌肉或这两种酶的活性以及糖原代谢的方向取决于肌肉或者肝脏细胞的能量状况。者肝脏细胞的能量状况。当当ATPATP和葡萄糖和葡萄糖-6-6-磷酸很丰富时，糖原的磷酸很丰富时，糖原的合成被激活，而糖原的降解则被抑制。合成被激活，而糖原的降解则被抑制。当细胞能量水平降低时当细胞能量水平降低时(即高即高 AMPA
26、MP和低和低 ATPATP以及低以及低 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸)，糖原的合成，糖原的合成停止，糖原的分解代谢受到刺激。停止，糖原的分解代谢受到刺激。糖原磷酸化酶以两种构象状态存在：糖原磷酸化酶以两种构象状态存在：有活性的有活性的R R态态 无活性的无活性的T T态态 AMP AMP能启动能启动 T T态态 R R态态 ATPATP、葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸的作用相反磷酸的作用相反 启动启动 T T态态 R R态态 二二.糖原磷酸化和糖原合酶的共价修饰调节糖原磷酸化和糖原合酶的共价修饰调节 糖原磷酸化酶存在两种形式，即低活性的磷糖原磷酸化酶存在两种形式，即低活性的磷酸化酶酸化酶b b和
27、有活性的磷酸化酶和有活性的磷酸化酶a a。1959 1959年，年，E.KrebsE.Krebs和和E.FischerE.Fischer证实这种转换证实这种转换涉及到磷酸化的共价修饰机制涉及到磷酸化的共价修饰机制。糖原磷酸化酶的共价修饰部位是每个亚基糖原磷酸化酶的共价修饰部位是每个亚基第第1414位位SerSer残基。在残基。在Ser14Ser14被被磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶(一种转一种转换酶换酶)催化而磷酸化时，糖原磷酸化酶由低活性的催化而磷酸化时，糖原磷酸化酶由低活性的b b形式转变成有活性的形式转变成有活性的a a形式形式。糖原磷酸化酶的活性变化是由于糖原磷酸化酶的活性变化是由于Ser1
28、4Ser14残基的残基的磷酸化引起该酶的三级和四级结构发生了变化。磷酸化引起该酶的三级和四级结构发生了变化。这种构象变化与这种构象变化与AMPAMP的结合所引起的别构变化很相的结合所引起的别构变化很相似，因而使该酶的似，因而使该酶的T RT R平衡向有利于平衡向有利于R R态方向态方向移动。移动。糖原磷酸化酶磷酸化糖原磷酸化酶磷酸化糖原磷酸化酶脱磷酸化糖原磷酸化酶脱磷酸化 a a型型 b b 型型 R R 态态 T T 态态 高活性高活性 无活性无活性 糖原合酶糖原合酶 人的肌肉糖原合酶是一种同源四聚体蛋白，每人的肌肉糖原合酶是一种同源四聚体蛋白，每个亚基由个亚基由737737个氨基酸残基组成
29、。象糖原磷酸化酶一个氨基酸残基组成。象糖原磷酸化酶一样，也存在两种酶促转换形式，即样，也存在两种酶促转换形式，即去磷酸化的、有去磷酸化的、有活性的活性的b b形式形式(或或形式形式)和和磷酸化的、低活性的磷酸化的、低活性的a a形形式式(或或D D形式形式)。这种转换刚好与糖原磷酸化酶相反。这种转换刚好与糖原磷酸化酶相反。糖原合成酶活性的共价修饰转换所涉及到的转换酶糖原合成酶活性的共价修饰转换所涉及到的转换酶与糖原磷酸化酶相同。与糖原磷酸化酶相同。胰高血糖素和肾上腺素：提高血糖。通过激活环化酶催化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，成为
30、有活性态，降解糖原生成葡萄糖。激素对糖代谢的调节：激素对糖代谢的调节：胰岛素：降低血糖。通过激活另一类型的蛋白激酶，导致磷蛋白磷酸酶结合的G亚基上的部位磷酸化，结果是磷蛋白磷酸酶活化，该酶的作用是将带有磷酸基团的酶分子去磷酸化。糖原合成酶去磷酸化后成为有活性的酶，促进糖原合成。葡萄糖合成糖原，血液中的葡萄糖减少糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶b b向糖原磷酸化酶向糖原磷酸化酶a a的转化由磷酸的转化由磷酸化酶激酶催化的。化酶激酶催化的。第四节第四节 葡萄糖的异生作用葡萄糖的异生作用 糖异生糖异生(gluconeogenesisgluconeogenesis)：由非糖物质酶促转变由非糖物质酶促转变成葡萄
31、糖的过程称之为葡萄糖的异生作用。成葡萄糖的过程称之为葡萄糖的异生作用。一一.葡萄糖异生作用的前体葡萄糖异生作用的前体 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。丙酮酸和乳酸是动物体内的糖异生作用的前体。丙酮酸和乳酸是动物体内的糖异生作用的前体。丙酮酸必须转变成草酰乙酸才能进入到糖异丙酮酸必须转变成草酰乙酸才能进入到糖异生作用的反应顺序中，而草酰乙酸是柠檬酸循环生作用的反应顺序中，而草酰乙酸是柠檬酸循环的中间物。因此，柠檬酸循环的所有中间物都是的中间物。因此，柠檬酸循环的所有中间物都是糖异生作用的前体。绝大多数氨基酸的碳骨架都糖异生作用的前体。绝
32、大多数氨基酸的碳骨架都可以转变成丙酮酸或者柠檬酸循环的中间物，因可以转变成丙酮酸或者柠檬酸循环的中间物，因而它们也是重要的生糖前体。而它们也是重要的生糖前体。二二.动物的肝脏和肾是糖异生作用的主要场动物的肝脏和肾是糖异生作用的主要场所所 糖异生作用的主要部位是肝脏和肾，这两个器官分糖异生作用的主要部位是肝脏和肾，这两个器官分别占糖异生作用活性的别占糖异生作用活性的90%90%和和10%10%，在肝脏和肾中产生，在肝脏和肾中产生的葡萄糖会释放到血液中，可以被脑、心脏、肌肉以的葡萄糖会释放到血液中，可以被脑、心脏、肌肉以及红细胞吸收，以满足这些组织细胞的代谢需要。这及红细胞吸收，以满足这些组织细胞
33、的代谢需要。这些组织产生的丙酮酸和乳酸亦可返回到肝脏和肾中，些组织产生的丙酮酸和乳酸亦可返回到肝脏和肾中，用作糖异生作用的底物。用作糖异生作用的底物。三三.葡萄糖异生作用的途径葡萄糖异生作用的途径 糖异生作用的大多数反应是糖酵解的逆反应糖异生作用的大多数反应是糖酵解的逆反应。但是，糖酵解途径中的己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙但是，糖酵解途径中的己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶催化的反应释放出大量的自由能，其逆反应酮酸激酶催化的反应释放出大量的自由能，其逆反应是不可能发生的。因此，在糖异生作用中，必须克服是不可能发生的。因此，在糖异生作用中，必须克服这种能量上的不利反应。这种能量上的不利反应。实际
34、上，在糖异生作用中，实际上，在糖异生作用中，利用了不同的反应顺序或酶，把能量上的不利反应变利用了不同的反应顺序或酶，把能量上的不利反应变成了能量上的有利的反应。成了能量上的有利的反应。（一）（一）丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸 在丙酮酸激酶催化下，由丙酮酸直接转变成磷在丙酮酸激酶催化下，由丙酮酸直接转变成磷酸烯醇式丙酮酸是一个需能的过程，因此，这一酸烯醇式丙酮酸是一个需能的过程，因此，这一转变过程在糖异生中是通过一个独特的迂回路线转变过程在糖异生中是通过一个独特的迂回路线实现的。实现的。1 1 丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶(pyruvatepyruvate carboxy
35、lasecarboxylase)催化催化ATPATP推动推动的丙酮酸羧化成草酰乙酸的反应：的丙酮酸羧化成草酰乙酸的反应：丙酮酸丙酮酸 HCOHCO3 3 ATP ATP 草酰乙酸草酰乙酸 ADP ADP PiPi H H 2 2 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶(phosphoenolpyruvatephosphoenolpyruvate carboxykinasecarboxykinase,PEPCK),PEPCK)利用利用GTPGTP作为磷酸基的供体，将草作为磷酸基的供体，将草酰乙酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸酰乙酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)(PEP)：草酰乙酸草酰乙酸 GTP
36、 GTP 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 GDP GDP COCO2 2丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸的过程涉及丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸的过程涉及到两种酶：到两种酶：丙酮酸激酶丙酮酸激酶糖异生和糖酵解途径的比较糖异生和糖酵解途径的比较磷酸烯醇式丙磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶酮酸羧激酶（PEPCKPEPCK）丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是一种分子量约为磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是一种分子量约为7474kDkD的的单体酶，该酶催化单体酶，该酶催化GTPGTP推动的脱羧和磷酸化反应，从而推动的脱羧和磷酸化反应，从而生成磷酸烯醇式丙酮酸。生成磷酸烯醇式丙酮酸。草酰乙酸被视为丙酮酸的一种活
37、泼形式，草酰乙酸被视为丙酮酸的一种活泼形式，COCO2 2和生物和生物素促进依赖于素促进依赖于ATPATP的活化反应。的活化反应。由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化丙由丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸的总反应是：酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸的总反应是：丙酮酸丙酮酸 ATP ATP GTP GTP H H2 2O O 磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸 ADP ADP GDP GDP Pi Pi G G0 0 0.8 kJ0.8 kJmolmol-1-1 这一迂回反应途径在热力学上是可行的，这一迂回反应途径在热力学上是可行的，因为它的因为它的G G0 0只
38、有只有0.8 0.8 kJkJmol-1mol-1，与丙酮酸与丙酮酸激酶催化的逆反应激酶催化的逆反应G G0 031 kJ31 kJmol-1mol-1相比，相比，所输入的自由能要少得多。所输入的自由能要少得多。ATP ATP和和GTPGTP降解产生的能量输入到了磷酸烯醇降解产生的能量输入到了磷酸烯醇式丙酮酸分子中式丙酮酸分子中(需要输入需要输入61 61 kJkJmol-1)mol-1)。（二）（二）葡萄糖异生作用的代谢物跨膜转运葡萄糖异生作用的代谢物跨膜转运 丙酮酸羧化酶只在线粒体基质中发现，丙酮酸羧化酶只在线粒体基质中发现，而磷酸烯醇而磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶在肝脏细胞内的定位随生物种类的
39、不同式丙酮酸羧激酶在肝脏细胞内的定位随生物种类的不同而不同而不同。例如在兔子中，该酶存在于线粒体；在大鼠中，例如在兔子中，该酶存在于线粒体；在大鼠中，该酶存在于胞液中；而在人体以及许多其他哺乳动物中，该酶存在于胞液中；而在人体以及许多其他哺乳动物中，该酶在这两个细胞分隔间中差不多等量存在。该酶在这两个细胞分隔间中差不多等量存在。草酰乙酸从线粒体进入胞液有三种选择的路线。草酰乙酸从线粒体进入胞液有三种选择的路线。路线的选择取决于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的定路线的选择取决于磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的定位和糖异生作用起始物位和糖异生作用起始物(丙酮酸或乳酸丙酮酸或乳酸)的性质。的性质。1 1 草酰乙酸转
40、变为磷酸烯醇式丙酮酸，跨过线粒体草酰乙酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸，跨过线粒体内膜。内膜。2 2 草酰乙酸转变为天冬氨酸，跨过线粒体内膜。草酰乙酸转变为天冬氨酸，跨过线粒体内膜。3 3 草酰乙酸转变为苹果酸，跨过线粒体内膜。草酰乙酸转变为苹果酸，跨过线粒体内膜。（三）葡萄糖异生作用需要果糖（三）葡萄糖异生作用需要果糖-1,6-1,6-二磷酸酶和葡二磷酸酶和葡萄糖萄糖-6-6-磷酸酶磷酸酶 在糖异生作用中，由磷酸烯醇式丙酮酸转在糖异生作用中，由磷酸烯醇式丙酮酸转变成果糖变成果糖-1,6-1,6-二磷酸的反应是由糖酵解中的相关酶二磷酸的反应是由糖酵解中的相关酶逆向催化的。但是，磷酸果糖激酶和己糖激酶催
41、化逆向催化的。但是，磷酸果糖激酶和己糖激酶催化的糖酵解反应在糖异生反应方向上是吸能的，因而的糖酵解反应在糖异生反应方向上是吸能的，因而必须借助于不同酶的催化才能克服这种能量上不利必须借助于不同酶的催化才能克服这种能量上不利的反应。的反应。在糖异生作用中，果糖在糖异生作用中，果糖-1,6-1,6-二磷酸转变成果糖二磷酸转变成果糖-6-6-磷酸是由果糖磷酸是由果糖-1,6-1,6-二磷酸酶催化的：二磷酸酶催化的：果糖果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸 H H2 2O O 果糖果糖-6-6-磷酸磷酸 Pi Pi G G0 0 -16.3 kJ/mol-16.3 kJ/mol 该水解反应的放能性质，使
42、得反应容易进行。该水解反应的放能性质，使得反应容易进行。反应中生成的果糖反应中生成的果糖-6-6-磷酸经磷酸葡萄糖异构酶的作磷酸经磷酸葡萄糖异构酶的作用转变成葡萄糖用转变成葡萄糖-6-6-磷酸。磷酸。由于己糖激酶催化反应的不可逆性，因此，在糖异由于己糖激酶催化反应的不可逆性，因此，在糖异生作用中，葡萄糖生作用中，葡萄糖-6-6-磷酸转变成葡萄糖是由葡萄糖磷酸转变成葡萄糖是由葡萄糖-6-6-磷酸酶催化的：磷酸酶催化的：葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 H H2 2O O 葡萄糖葡萄糖 Pi Pi G G0 0 -13.8 kJ/mol-13.8 kJ/mol 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸酶存在于肝和
43、肾细胞的内质网膜上，磷酸酶存在于肝和肾细胞的内质网膜上，但是，肌肉和脑缺乏这种酶。因此，肌肉和脑是不能进但是，肌肉和脑缺乏这种酶。因此，肌肉和脑是不能进行糖异生作用的。行糖异生作用的。四四.糖异生作用的能量消耗糖异生作用的能量消耗 综观由丙酮酸转变成葡萄糖的全过程，可以看出，总共综观由丙酮酸转变成葡萄糖的全过程，可以看出，总共要消耗要消耗6 6个高能磷酸基，并用去两分子的个高能磷酸基，并用去两分子的NADHNADH：2 2丙酮酸丙酮酸 4 4ATP ATP 2GTP 2GTP 2NADH 2NADH 2H2H 4H4H2 2O O 葡萄糖葡萄糖 2 2NADNAD 4ADP 4ADP 2GDP
44、 2GDP 6Pi 6Pi G G0 0-37.7 kJ-37.7 kJmolmol-1-1 但是，葡萄糖经糖酵解反应转变成丙酮酸只净产生但是，葡萄糖经糖酵解反应转变成丙酮酸只净产生2 2分子的分子的ATPATP，因此，由丙酮酸经糖异生作用合成葡萄糖是因此，由丙酮酸经糖异生作用合成葡萄糖是一种代价很高的过程。一种代价很高的过程。这种高昂的代价是将能量上不利的过程即糖酵解的逆这种高昂的代价是将能量上不利的过程即糖酵解的逆反应反应(G G0 083.6 kJ83.6 kJmol-1)mol-1)转变成能量上有利的过转变成能量上有利的过程即糖异生反应程即糖异生反应(G G0 0-37.7 kJ-37
45、.7 kJmol-1mol-1）所必需的。）所必需的。这种高昂的代价对于维持血糖的基本平衡以及为脑和这种高昂的代价对于维持血糖的基本平衡以及为脑和肌肉活动提供必需的燃料分子是一条重要的途径。也为这肌肉活动提供必需的燃料分子是一条重要的途径。也为这两个相反代谢途径的独立调节提供了必要的保证。两个相反代谢途径的独立调节提供了必要的保证。五五.CoriCori循环循环 肝脏为肌肉输出葡萄糖，而肌肉收缩产生乳酸，肝脏为肌肉输出葡萄糖，而肌肉收缩产生乳酸，乳酸又可在肝脏中转变成新的葡萄糖。这一过程称之为乳酸又可在肝脏中转变成新的葡萄糖。这一过程称之为CoriCori（可立氏）循环（可立氏）循环。当肌肉激
46、烈运动时，由于氧供应不足，糖酵解产当肌肉激烈运动时，由于氧供应不足，糖酵解产生的生的NADHNADH不能经细胞有氧呼吸使其转变成不能经细胞有氧呼吸使其转变成NADNAD。因此，因此，大量产生的大量产生的NADHNADH在乳酸脱氢酶的催化下，使丙酮酸还原在乳酸脱氢酶的催化下，使丙酮酸还原成乳酸成乳酸。NADNAD的生成可以促进糖酵解的继续进行。乳酸的生成可以促进糖酵解的继续进行。乳酸可以从肌肉转运到肝脏。在肝脏型乳酸脱氢酶同工酶的可以从肌肉转运到肝脏。在肝脏型乳酸脱氢酶同工酶的催化下，使丙酮酸重新生成。催化下，使丙酮酸重新生成。丙酮酸即可在肝脏中经糖异生作用转变成葡萄糖。肝丙酮酸即可在肝脏中经糖
47、异生作用转变成葡萄糖。肝脏具有高比值的脏具有高比值的 NADNAD/NADH(/NADH(约约700)700)，很容易产，很容易产生超过它自身所利用的葡萄糖。激烈运动的肌肉进入生超过它自身所利用的葡萄糖。激烈运动的肌肉进入无氧状态，并显示出低比值的无氧状态，并显示出低比值的 NADNAD/NADH/NADH，这有这有利于将丙酮酸还原为乳酸。利于将丙酮酸还原为乳酸。第五节第五节 糖糖 异异 生生 的的 调调 节节 糖异生和糖酵解是两个相反的代谢途径，在体内是糖异生和糖酵解是两个相反的代谢途径，在体内是不会同时发生的。这两个相反的途径通过交互调节的方式不会同时发生的。这两个相反的途径通过交互调节的
48、方式满足生物的需要。满足生物的需要。比较糖异生和糖酵解的反应顺序，可以看出存在三个比较糖异生和糖酵解的反应顺序，可以看出存在三个底物循环，底物循环，1 1 葡萄糖和葡萄糖葡萄糖和葡萄糖-6-6-磷酸磷酸;2 2 果糖果糖-6-6-磷酸和果糖磷酸和果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸;3 3 磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸的相互转变。磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸的相互转变。这三个底物循环部位构成了糖酵解和糖异生反应代谢这三个底物循环部位构成了糖酵解和糖异生反应代谢流向的重要控制点。流向的重要控制点。一一.乙酰乙酰CoACoA是糖异生作用的重要促进剂是糖异生作用的重要促进剂 丙酮酸羧化酶是糖异生反应顺序的第一
49、个控制酶丙酮酸羧化酶是糖异生反应顺序的第一个控制酶。该酶是由该酶是由4 4个相同的亚基构成的一种寡聚体蛋白，每个个相同的亚基构成的一种寡聚体蛋白，每个亚基亚基(约约120120kDkD)共价结合一个生物素共价结合一个生物素(biotin)biotin)。草酰乙酸是糖异生作用和柠檬酸循环的中间物草酰乙酸是糖异生作用和柠檬酸循环的中间物。当柠檬酸循环的底物乙酰乙酰CoACoA积累时，它别构激活丙酮酸积累时，它别构激活丙酮酸羧化酶，从而增高草酰乙酸的浓度羧化酶，从而增高草酰乙酸的浓度。当柠檬酸循环的活性降低时，草酰乙酸便进入到当柠檬酸循环的活性降低时，草酰乙酸便进入到糖异生作用的途径中。糖异生作用的
50、途径中。乙酰乙酰CoACoA丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶激活激活丙酮酸丙酮酸草酰乙酸草酰乙酸柠檬酸循环柠檬酸循环活性降低活性降低葡萄糖葡萄糖糖异生糖异生乙酰酰CoACoA是丙酮酸羧化酶的重要的激活剂，也是丙酮是丙酮酸羧化酶的重要的激活剂，也是丙酮酸激酶和丙酮酸脱氢酶的重要抑制剂。酸激酶和丙酮酸脱氢酶的重要抑制剂。丙丙酮酮酸酸激激酶酶丙酮酸脱氢酶丙酮酸脱氢酶抑制抑制 当细胞能量需要被满足时，氧化磷酸化速度降低，当细胞能量需要被满足时，氧化磷酸化速度降低，NADHNADH积累，造成对柠檬酸循环的抑制，致使乙酰积累，造成对柠檬酸循环的抑制，致使乙酰CoACoA积积累。累。乙酰乙酰CoACoA浓度的升高浓
