糖原的分解和生物合成市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、第26章 糖原分解和生物合成Glycogen Breakdown & Biosynthesis of Glycogen第1页1、糖原生物学意义2、糖原降解3、糖原生物合成4、糖原代谢调控第2页1.糖原生物学意义糖原动物体内肝脏和肌肉中葡萄糖贮存方式.肝糖原作用主要是快速补充血糖；肌糖原主要是供给肌肉收缩时能量。淀粉植物体内葡萄糖贮存方式.为何不是葡萄糖，而是以糖原形式贮存？为何是糖原，而不是脂类？第3页（1）产生高渗性,造成尿量显著增多，可致机体脱水，甚至发生高渗性非酮症糖尿病性昏迷，危及生命。 （2）伴随大量液体排出，体内电解质也随之排出，引发水、电解质紊乱，极易并发各种急性病症。 （3）血

2、糖增高，不停刺激胰岛-细胞分泌胰岛素，而且长久刺激可使-细胞功效衰竭，而加重糖尿病病情。 （4）长久高血糖使脏器/组织病变,常见如:毛细血管管壁增厚，管腔变细，红细胞不易经过，组织细胞缺氧；肾小球硬化, 肾乳头坏死；神经细胞变性，神经纤维发生节段性脱髓鞘病变；心、脑、下肢等多处动脉硬化等。 1.1 高血糖对人体主要危害第4页1.2 糖原比脂类更适为中转性贮存物质高效能:G是机体主要能源物质；糖原分解直接产生G-1-P无需进行生物转化即可分解代谢 被快速动用:多分支, 快速分解释放G能灵敏地维持血糖水平（动物不能将脂肪酸转变为葡萄糖前体）第5页1.3 糖原结构特点树枝状多聚葡萄糖分子量10010

3、00万含有多个非还原性末端（合成与分解均由此端开始延伸或降解）直链内葡萄糖单位以1，4-糖苷键（占总糖苷键93%）连接；支链之间以1，6-糖苷键（7）连接成份支。第6页肝糖原普通 显微观察肝糖原颗粒电子显微照片第7页糖原结构示意糖原由聚糖链和生糖原蛋白两种成份组成. 生糖原蛋白(糖原引物蛋白)聚糖链糖链非还原端第8页还原端-含有C1游离半缩醛羟基非还原端-含有游离C6羟基16: 支链点糖基连接14: 直链中糖基连接糖原中化学键非还原端二级结构：-螺旋第9页2 糖原降解糖原磷酸化酶(辅酶PLP) 直链糖基降解糖原脱支酶（糖基转移酶） 去分支糖基磷酸葡萄糖变位酶 G-1-PG-6-P葡萄糖-6-磷

4、酸酶 G-6-PG2.1 参加糖原降解酶类酶 名 称酶催化反应骨骼肌细胞缺乏此酶（G与G-P细胞通透性不一样!）第10页糖原磷酸化酶（磷酸吡多醛）糖原降解概览糖原关键糖原关键糖原关键糖原关键糖原脱支酶(寡糖基转移)糖原脱支酶(糖苷键水解)磷酸解水 解第11页.糖原磷酸化酶（磷酸吡多醛）磷酸基团进攻非还原端 1,4糖苷键富电子O, 造成糖苷键断裂,释放一个1-磷酸-葡萄糖(G-1-P)和降低一个糖基糖原.2.2 糖原磷酸解反应 O第12页糖原(G)n + Pi G-1-P + 糖原(G)n-1 磷酸解与水解区分、磷酸解优越性？P178磷酸解是正磷酸作为一个基团加到游离出来葡萄糖分子半缩醛羟基(C

5、1)上磷酸解在体外是可逆反应,不过在细胞内,因Pi/G-1-P比值远大于100,所以,反应趋向于发生磷酸解. 磷酸解产物已经磷酸化,不用再消耗ATP产生磷酸葡萄糖,为糖酵解提供方便.2.2.1 化学反应式 第13页PLP经过氢键结合转运无机磷酸基团 HPO42- (红色示), 该磷酸基团贡献其H+给-1,4糖苷键上富电子O,造成电子云转移,糖苷键破裂, 产生葡萄糖正碳离子过渡态, 然后接收磷酸基团转移形成磷酸酯键,生成G-1-P产物.2.2.2 糖原磷酸解反应机制正碳离子中间体酶酶酶第14页磷酸吡哆醛(VitB6,PLP,红色部分示) 与糖原磷酸酶中Lys残基,经过希夫碱形式连接. 磷酸吡哆醛

6、化学结构及其与酶希夫碱连接起传递游离Pi基团作用.故PLP是Pi载体酶上一页中蓝色示意P基团第15页2.2.3 糖原磷酸化酶分子结构糖原磷酸化酶:调整糖原分解关键酶（共价修饰+别构调整）同二聚体:含两个相同亚基两个结构域a和b两种形式N-端结构域C-端结构域界面亚结构域Ser14 P位点别构调整位点二聚体接触部位糖原结合亚结构域a: Ser14-P化,高活性 b: Ser14-去P,低活性 PLP结合部位;磷酸解催化中心(疏水)第16页磷酸化酶:各个亚基(黄,白) 680Lys结合PLP辅基, 再与568 Lys共同作用, 结合Pi,发挥Pi载体作用. 催化中心糖原结合中心糖原结合中心P位点别

7、构中心C-端结构域N-端结构域第17页肾上腺素 受体腺苷环化酶腺苷环化酶ATPcAMP蛋白激酶A蛋白激酶A糖原磷酸化酶激酶糖原磷酸化酶 b糖原磷酸化酶激酶糖原磷酸化酶 a2.2.4 糖原磷酸化酶调整糖原分解激素（胰高血糖素，肾上腺素）作用于细胞膜受体后，促进cAMP产生，引发信号传导通路酶逐层磷酸化，最终使糖原磷酸化酶发生磷酸化，催化糖原磷酸解发生。 高活性无活性PP1：磷蛋白磷酸酶1PPPPPP1第18页激素级联放大作用：信号分子（激素）结合于特异性膜受体后，经过激酶级联事件，即：一系列蛋白质（酶）逐层磷酸化，籍此使信号逐层传送和放大。肾上腺素级联络统对糖原分解调整：信号分子（激素） G蛋白

8、偶联受体G蛋白腺苷环化酶蛋白激酶A糖原磷酸化酶激酶糖原磷酸化酶 糖原降解关键酶第19页酶共价修饰调整共价修饰调整：生物体一些酶（尤其是一些限速酶），在细胞内其它酶作用下，其结构中一些特殊基团发生可逆共价键生成或断裂（比如磷酸化或去磷酸化作用），从而引发酶活性激活或抑制，快速改变该酶活性，调整某一代谢路径路，称为共价修饰调整。第20页最常见共价修饰是磷酸化修饰。经过蛋白激酶(PK）催化，被修饰酶分子中丝氨酸或酪氨酸侧链上羟基进行磷酸化，也可经过各种磷酸酶（如：磷蛋白磷酸酶 PP1）将这类磷酸基团去除，从而形成可逆共价修饰。磷酸化修饰是体内主要快速调整酶活性方式之一。不一样酶催化下级酶磷酸化与去磷

9、酸化反应PP1酶 P酶 PKA 修饰前后酶活性不一样 第21页酶别构调整:激活或抑制酶别构调整: 酶分子中存在活性中心（催化亚基）和别构中心（调整亚基）, 当调整物分子结合于别构中心时,引发酶构象发生改变, 从而造成酶活性对应改变.这种酶活调整方式称为酶别构调整. 与别构中心特异性结合引发酶构象改变和酶活性改变调整物质称为别构效应物；含有别构调整机制酶成为别构酶. 别构调整与共价修饰调整均属于酶快速调整。第22页酶别构抑制: 酶分子与其底物有较高亲和性, 与效应物结合后, 引发酶构象发生改变, 失去与底物亲和力, 造成酶活性降低或丧失.酶别构激活: 酶分子与底物亲和力低, 与效应物结合后,引发

10、酶构象发生改变, 造成酶对底物亲和力大大提升,增加酶催化活性. 别构激活别构抑制别构抑制剂别构激活剂第23页肾上腺素 受体腺苷环化酶腺苷环化酶ATPcAMP蛋白激酶A蛋白激酶A糖原磷酸化酶激酶糖原磷酸化酶 b糖原磷酸化酶激酶糖原磷酸化酶 a2.2.4 糖原磷酸化酶调整糖原分解激素（胰高血糖素，肾上腺素）作用于细胞膜受体后，促进cAMP产生，引发信号传导通路酶逐层磷酸化，最终使糖原磷酸化酶发生磷酸化，催化糖原磷酸解发生。 高活性无活性PP1：磷蛋白磷酸酶1PPPPPP1第24页激素激活蛋白激酶A使糖原磷酸化酶激酶亚基发生P 化，同时，Ca 结合于其亚基，双重作用，使得糖原磷酸化酶激酶含有完全催化

11、活性，促使糖原磷酸化酶b发生P化，成为有活性糖原磷酸化酶a， 促进糖原分解。糖原磷酸化酶激酶与糖原磷酸化酶激活胰高血糖素无活磷酸化酶激酶高活磷酸化酶激酶活性糖原磷酸化酶a 无活糖原磷酸化酶b 部分活化部分活化共价修饰别构激活第25页磷酸化酶a : 有-P, 更趋于R状态,高活性磷酸化酶b : 无-P, 更趋于T状态,无活性糖原磷酸化酶共价修饰调整与构象改变R:松弛状态T :担心状态R态与T态平衡酶a酶b活性中心第26页当细胞能荷低时，AMP浓度升高，结合于磷酸化酶bAMP结合位点，造成酶构象由无活性T状态改变为高活性 R状态， 促进糖原磷酸解发生，增加血糖供给，促进糖酵解和氧化产能；ATP则相

12、反。 糖原磷酸化酶b别构调整 I 活性失活核苷酸结合位点第27页当机体营养充沛，代谢正常，细胞中葡萄糖浓度高时，葡萄糖结合于磷酸化酶aG结合位点，造成其构象从有活性R状态改变为无活性T状态，因而，阻断糖原分解。磷酸化酶活性别构调整 II G结合位点失活活性第28页2.3 糖原分支处葡糖基水解糖原脱支酶(糖苷键水解)第29页糖原脱支酶：糖基转移酶活性糖原脱支酶：a-1,6糖苷酶活性G-1-P90H2OPPPP正常生理糖原降解：P糖原磷酸化酶10第30页G-1-P由磷酸葡萄糖变位酶催化，经过G-1,6-2P中间产物生成G-6-P（此酶需少许G-1,6-2P发挥充分活性），即可进入糖酵解。一些组织中

13、G-6-P由葡萄糖-6-磷酸酶催化水解生成葡萄糖（肝、肾及肠细胞含此酶，脑、肌肉细胞中无此酶），进入血液运输全身。葡萄糖-6-磷酸酶存在光面内质网, 它作用共需5种蛋白。2.4 G-1-P转化第31页磷酸葡萄糖变位酶中Ser残基结合有磷酸基团与底物中磷酸基团发生交换，而使得磷酸基发生了分子内转移。磷酸葡萄糖变位酶催化机制回顾：与糖酵解中哪步反应机制相同？ 第32页钙结合稳定蛋白G-6-P水解与生物转运内质网细胞液细胞膜外血液循环葡萄糖-6-磷酸酶仅存在于肝、肾及肠细胞(联络糖异生路径）G体内转运形式局限于胞内p182第33页扩展学习：蛋白质合成与转运（细胞生物学）滑面内质网粗面内质网转运泡高尔

14、基体顺面分泌泡（定向转运成熟蛋白质）接收内质网转运待加工蛋白蛋白质在内质网中合成和初步加工，然后进入高尔基体深入加工，最终定向运输到特定场所，执行其生理功效。内质网第34页3 糖原生物合成糖原合成需要糖原引物：以细胞内生糖原蛋白为关键，在其上含4个以上葡萄糖残基作为糖原合成引物。新葡糖残基以半缩醛羟基（C1OH)与聚糖链非还原端末位糖残基C4-OH脱水缩合，形成新1，4 糖苷键，逐步聚合加长聚糖链。 细胞中糖原颗粒数目取决于糖原引物数目糖原合成时葡萄糖供体是UDPG（高能活化态）第35页3.1 参加糖原合成酶类 UDPG焦磷酸化酶 葡萄糖单位活化 糖原合酶（糖基聚合酶） 聚糖直链延长 糖原分支

15、酶 寡糖链转移 分支形成酶 名 称酶催化反应第36页3.2 葡萄糖活化反应G-6-PPG-1-PPUDPG焦磷酸化酶UDPG化学结构（高能化合物）葡萄糖尿苷二磷酸（活化共消耗2ATP）第37页UDP-葡萄糖焦磷酸化酶（可逆）尿嘧啶核糖葡萄糖葡萄糖核糖尿嘧啶UDPG葡萄糖参加糖原合成活化形式焦磷酸快速水解，使反应在细胞内不可逆。G-1-P第38页糖原合酶：只能催化UDPG加在已经有4个 （或4个以上）糖基聚合寡糖链非还原末端。生糖原蛋白：含有自动催化作用，催化8个G单位14 成键聚合，形成糖原关键。细胞内糖原颗粒数目取决于生糖原蛋白分子数目。糖原合酶必需与生糖原蛋白紧密结合才能有效发挥活性；一旦

16、脱离生糖原蛋白，丧失催化糖单位聚合功效。3.3 糖原合酶及其催化反应第39页3.3.1 生糖原蛋白生糖原蛋白是含有自我催化功效酶，以同二聚体形式存在，彼此催化另一亚基中Tyr残基中羟基与G相连， UDPG作为G供体，聚合8个G后，由糖原合酶催化后续G单位聚合第40页生糖原蛋白引物形成脱水糖基加长延伸第41页糖原合酶合成方向U非还原末端3.3.2 糖原合酶催化反应41糖原糖原GnG n1 还原端非还原端第42页G-6-P ATP 糖原Gn H2O 糖原G n 1 ADP 2Pi 总反应：第43页3.3.3 糖原合酶上电荷分布磷酸化前电荷分布；磷酸化后电荷分布肽链上存在多个磷酸化位点P化残基集中在酶肽链N末端和C末端完全磷酸化后，C-末端静电荷极大提升磷酸化糖原合酶失去催化活性糖原合酶肽链第44页3.3.4 糖原合酶调控高活性无活性激素信号磷酸化级联放大机制同前。糖原合酶有多个P化位点，逐步P化，活性降低，致完全失活。P肾上腺素 受体腺苷环化酶cAMPATP蛋白激酶A腺苷环化酶蛋白激酶A糖原合酶 aPPPP1糖原合酶 bPP第45页糖原合酶糖原磷酸化酶两种酶空间结构高度相同 ，磷酸化