肝醣磷酸化酶-课件

15.4動物體內肝醣的代謝p.633由肝醣磷酸化酶催化的反應如下：在肝醣非還原端的兩個葡萄糖殘基之（α1→4）糖苷鍵鍵結被無機磷酸鹽（Pi）攻擊，而移除尾端的葡萄糖殘基形成α-D-葡萄糖1-磷酸（α-D-glucose1-phosphate）（圖15-25）。圖15–

24p.633圖15-24肝細胞中的肝醣顆粒。肝醣是碳水化合物的一種儲存形式，肝醣以一種電子聚集的顆粒出現，通常聚集成群或呈薔薇叢狀。在肝細胞中，肝醣與平滑內質網的細管有非常密切的關係。許多粒線體亦在本顯微圖中出現。圖15–

25p.634p.634圖15-25利用肝醣磷酸化酶由肝醣鏈非還原端釋放出最末端的葡萄糖殘基。這個過程不斷重複進行；酵素移除連續的葡萄糖殘基直到酵素抵達從分支點數來第四個葡萄糖單元為止（見圖15-26）。p.634肝醣磷酸化酶在肝醣支鏈非還原端重複地作用，直到反應抵達離一個（α1→6）分支點有四個葡萄糖殘基時作用才停止。由肝醣磷酸化酶所做進一步的分解只能發生在當去分支酶（debranchingenzyme）作用後，去分支酶的正式名稱為寡（α1→6）變為（α1→4）葡聚醣轉移酶〔oligo（α1→6）到（α1→4）glucantransferase〕，這個酵素可以催化兩個連續的反應來轉移分支（圖15-26）。圖15–

26p.635p.635圖15-26肝醣分解靠近（α1→6）分支點。藉由肝醣磷酸化酶依序移去肝醣末端的葡萄糖殘基（參見圖15-25），在分支旁邊的葡萄糖殘基會被一個有兩種功能的去分支酶催化，進行兩步驟的反應而被移除。首先，此酶的轉移酶活性將三個葡萄糖殘基從分支轉移到鄰近非還原端的末端，形成新的（α1→4）鍵結。此時還剩一個葡萄糖殘基在分支點以（α1→6）鍵結，接著利用去分支酶的（α1→6）葡萄糖苷酶的活性釋放出游離的葡萄糖。在此圖，葡萄糖殘基是以簡單的方式顯示，吡喃糖環上省略了─H、─OH、─CH2OH。p.634葡萄糖1-磷酸可進行糖解作用，或在肝臟補給血液葡萄糖肝醣磷酸化酶反應的終產物為葡萄糖1-磷酸，其可被磷酸葡萄糖變位酶（phosphoglucomutace）催化成葡萄糖6-磷酸，此可逆反應如下：一開始在磷酸葡萄糖變位酶上的Ser殘基會被磷酸化，再將其磷醯基提供給受質的C-6，接著再從受質的C-1得到一個磷醯基（圖15-27）。圖15–

27p.635圖15-27磷酸葡萄糖變位酶的催化反應。一開始，磷酸葡萄糖變位酶上的Ser殘基被磷酸化。在步驟①，酵素提供自己的磷醯基（綠色）給葡萄糖1-磷酸，產生葡萄糖1,6-二磷酸。在步驟②，葡萄糖1,6-二磷酸C-1上的磷醯基（紅色）會轉移回到酵素上，再次形成磷酸化的酵素和葡萄糖6-磷酸。p.635在骨骼肌，從肝醣分解而得到的葡萄糖6-磷酸可以進行糖解作用，並且作為能量來源來支持肌肉收縮。在細胞質形成的葡萄糖6-磷酸會藉由特殊的運輸蛋白（T1）（圖15-28）運送至內質網管腔內側，再被管腔內表面的葡萄糖6-磷酸酶水解。圖15–

28p.635圖15-28藉由內質網的葡萄糖6-磷酸酶水解葡萄糖6-磷酸。葡萄糖6-磷酸酶的催化部位在內質網管腔內側。葡萄糖6-磷酸（G6P）運輸蛋白（T1）會將受質從細胞質運送到管腔內，而產物葡萄糖和Pi會由特定的運輸蛋白（T2和T3）送至細胞質。最後葡萄糖再經由細胞質膜上的運輸蛋白（GLUT2）離開細胞。p.636BOX15-4Carl及GertyCori：肝醣代謝與疾病的開拓者p.636糖核苷酸UDP-葡萄糖供應葡萄糖作為肝醣合成許多六碳醣的轉型或是聚合反應都包含糖核苷酸（sugarnucleotides），此種化合物其糖的反構碳藉由磷酸酯和核苷酸鍵結在一起而活化。糖核苷酸在參與生合成反應之適合性源自於其具有幾個特徵：p.637形成糖核苷酸的反應在新陳代謝上是不可逆的，提供了以它們為中間物的合成路徑的不可逆性。雖然糖核苷酸的化學轉換不包含核苷酸本身的原子，核苷酸具有許多基團可與酵素進行非共價性交互作用。如同磷酸，核苷酸基團（例如：UMP或AMP）是一個很好的離去基，藉由與糖基上的碳結合將其活化而利於親核性攻擊。細胞為了某些目的（例如：肝醣合成），可以藉由以核苷酸基團「標示」某些六碳醣而將其集合在某個儲存處，以利於區分用於其他用途的磷酸六碳醣（例如：糖解作用）。圖15–

29p.638圖15-29糖核苷酸形成。核苷三磷酸（NTP）和糖磷酸之間產生縮合反應。糖磷酸帶負電荷的氧當作親核基，攻擊核苷三磷酸的α

磷酸進而取代焦磷酸。PPi

會被無機焦磷酸酶水解，使得反應向前進行。圖15–

30p.638p.638圖15-30肝醣合成。肝醣合成酶催化肝醣鏈的延長。此酵素將UDP-葡萄糖上的葡萄糖殘基轉移至肝醣支鏈上的非還原端（見圖7-14），而形成一個新的（α1→4）鍵結。圖15–

31p.639圖15-31肝醣分支的合成。肝醣合成時，肝醣分支酶〔也稱為澱粉（1→4）至（1→6）轉糖酶或糖基-（4→6）-轉移酶〕能產生新的分支點。p.639肝醣素提供肝醣合成時最初的糖基引子令人疑惑的蛋白肝醣素（glycogenin）（圖15-32）是新肝醣鏈合成所需的引子，在此引子上新鏈可以聚集，也是催化它們聚集的酵素。合成新肝醣分子的第一步是將UDP-葡萄糖上的葡萄糖殘基轉移至肝醣素上的Tyr194

羥基，此作用是由肝醣素本身的葡萄糖基轉移酶（glucosyltransferase）活性所催化（圖15-33）。圖15–

32p.639p.639圖15-32肝醣素的結構（PDB1D1LL2）。肌肉肝醣素（分子量37,000）在溶液中會形成雙體。人類的肝臟具有另一個同功型（isoform），稱為肝醣素-2。受質UDP-葡萄糖（以紅色的球與棒結構顯示）連接在靠近胺端的羅斯曼折疊區（Rossmanfold），距離Tyr194（藍綠色）有一段距離—於同單體中，UDP-葡萄糖距離此胺基酸15Å，距離另一單體上的Tyr194

為12Å。UDP-葡萄糖藉由本身的磷酸根與錳離子（綠色）結合，催化作用需要錳離子的參與。錳離子被認為是作為電子對的接受者（路易士酸）來穩定離去基UDP。產物的糖苷鍵之立體結構與原來受質UDP-葡萄糖上的葡萄糖C-1之構形相同，顯示葡萄糖從UDP轉移到Tyr194

需要兩個步驟。第一步驟可能是葡萄糖的C-1受到Asp162（橘色）的親核性攻擊，而形成暫時的中間物，其構形與原來相反。然後由Tyr194進行第二次的親核性攻擊，因而又恢復到原來的構形。圖15–

33p.640p.639機轉圖15-33肝醣素與肝醣顆粒的結構。(a)肝醣素催化兩個不同的反應。Tyr194的羥基首先攻擊UDP-葡萄糖糖基的C-1，導致Tyr殘基產生葡萄糖基化。另一個UDP-葡萄糖分子上的C-1接著被末端葡萄糖上的C-4羥基攻擊，此序列重複進行以（α1→4）糖苷鍵連結而形成含有八個葡萄糖殘基的未成熟肝醣分子。(b)肝醣顆粒的結構。以肝醣素分子為起始，肝醣鏈（12到14個殘基）層層延伸擴展。每個內部的糖鏈各具有兩個（α1→6）的分支。而最外層的糖鏈是不分支的。成熟的肝醣顆粒有12層糖鏈（此圖中只畫出5層），包含大約55,000個葡萄糖殘基，直徑約為21nm，分子量約為1x107。總結15.4肝醣以大顆粒形式貯存於肌肉與肝臟中。在此顆粒中存在有代謝肝醣的酵素以及調節肝醣代謝的酵素。肝醣磷酸化酶催化肝醣鏈的非還原端進行磷酸解的分解而產生葡萄糖1-磷酸。去支酶將分支轉移到主鏈上，並且釋出位於（α1→6）分支的殘基形成游離的葡萄糖。磷酸葡萄糖變位酶催化葡萄糖1-磷酸與葡萄糖6-磷酸的互換。葡萄糖6-磷酸可以進入糖解作用，或者，在肝臟中可被內質網的葡萄糖6-磷酸酶轉化成游離的葡萄糖，然後釋放於血液中補給葡萄糖。p.640總結15.4(續)糖核苷酸UDP-葡萄糖在肝醣合成酶的催化下將葡萄糖殘基提供給肝醣的非還原端。而分支酶可在肝醣鏈的分支點上形成（α1→6）的鍵結。新肝醣顆粒的生成起始於UDP-葡萄糖的葡萄糖與肝醣素的Tyr殘基間自身催化所形成的糖苷鍵，然後接上數個葡萄糖殘基形成一條引子，此引子可讓肝醣合成酶作用在其上。p.64015.4肝醣合成與分解的協調調節p.641肝醣磷酸化酶受到異位調節及荷爾蒙的調節骨骼肌的肝醣磷酸化酶以兩種互相轉變的形式存在：肝醣磷酸化酶a（glycogenphosphorylasea），它具有催化的活性，以及肝醣磷酸化酶b（glycogenphosphorylaseb），它較缺乏活性（圖15-34）。提高的[cAMP]會驅使一酵素串聯（enzymecascade）的產生，意思是一催化劑會活化另一個催化劑，然後此活化的催化劑又去活化下一個催化劑。[cAMP]提高能活化cAMP-依賴性蛋白激酶，也稱為蛋白激酶A（PKA）。圖15–

34p.641圖15-34肌肉肝醣磷酸化酶由共價性修飾所調節。在較具活性狀態的酵素磷酸化酶上，其每個次單元的Ser14

殘基都會被磷酸化。磷酸化酶a會被磷酸化酶a磷酸酶（也是已知的磷蛋白磷酸酶1，PP1）催化而移除這些磷醯基，轉變成較不具活性的磷酸化酶b。磷酸化酶b能被磷酸化酶b激酶作用而再轉變回（再活化成）磷酸化酶a。（同時參閱圖6-36的肝醣磷酸化酶調控。）p.641PKA接著磷酸化並活化磷酸化酶b激酶（phosphorylasebkinase），其能催化肝醣磷酸化酶上的兩個相同次單元的Ser殘基磷酸化，而將之活化，因此促進肝醣分解。當肌肉回復到休息狀態時，第二個酵素磷酸化酶a磷酸酶（phosphorylaseaphosphatase），也稱為磷蛋白磷酸酶1（phosphoproteinphosphatase1；簡稱PP1），此酵素會將磷酸化酶a上的磷醯基移除，而將之轉變成較不具活性的磷酸化酶b。圖15–

35p.642圖15-35腎上腺素與升糖素作用的串聯機制。藉由與特殊的表面受體結合，腎上腺素作用在肌原細胞（左邊)，或升糖素作用在肝細胞（右邊)，皆活化GTP-結合蛋白Gsα（見圖12-4）。活化的Gsα促使[cAMP]增加，進而活化蛋白激酶A（PKA）。如此開始一連串磷酸化作用；PKA活化磷酸化酶b激酶，磷酸化酶b激酶接著活化肝醣磷酸化酶。這種串聯反應將最初訊息極度放大；圖中粉紅色框格內可能低估此串聯酶一步驟中分子數目實際的增加量。肝醣分解之後供應葡萄糖，其在肌原細胞可提供ATP（經由糖解作用）支持肌肉收縮，在肝細胞中葡萄糖會被釋放至血液中以彌補低血糖。圖15–

36p.642圖15-36肝臟的肝醣磷酸化酶可以當作葡萄糖感測器。葡萄糖結合到肝臟磷酸化酶a同功酶的異位部位，因此誘導構形改變而暴露出磷酸化的Ser殘基，使得磷酸化酶a磷酸酶1（PP1）可以作用。此磷酸酶將磷酸化酶a轉變成磷酸化酶b，明確地降低磷酸化酶的活性，因此在因應高血糖時會減緩肝醣的分解。胰島素也可以間接刺激PP1而減緩肝醣的分解。p.643肝醣合成酶也是由磷酸化與去磷酸化所調節如同肝醣磷酸化酶，肝醣合成酶有磷酸化與去磷酸化兩種構形（圖15-37）。當處於活化態時，肝醣合成酶a（glycogensynthasea）是未磷酸化的。最重要的調節激酶為肝醣合成酶激酶3（glycogensynthasekinase3，簡稱GSK3），其會在肝醣合成酶羧端附近的三個絲胺酸殘基加上磷醯基，造成肝醣合成酶強烈失活。GSK3的作用具有等級制度之分；它不會磷酸化肝醣合成酶，直到另一個蛋白激酶酪蛋白激酶II（caseinkinaseII，簡稱CKII）先磷酸化肝醣合成酶附近的殘基後，此反應稱為引導（priming）（圖15-38a）。圖15–

37p.643p.643圖15-37肝醣合成酶激酶3對於肝醣合成酶活性的影響。肝醣合成酶a為活化態，其位於羧端附近的三個Ser殘基，會被肝醣合成酶激酶3（GSK3）所磷酸化。此使得肝醣合成酶轉變成失活態（b）。GSK3的作用需要酪蛋白激酶（CKII）先執行磷酸化（引導）作用。胰島素藉由阻斷GSK3的活性而促使肝醣合成酶b活化（此作用的路徑見圖12-16），胰島素並活化磷蛋白磷酸酶（在肌肉是PP1，在肝臟則是其他的磷酸酶）。在肌肉中，腎上腺素活化蛋白激酶A，而蛋白激酶A磷酸化肝醣標的蛋白GM上的某個部位，進而造成PP1從肝醣解離出來（見圖15-40）。葡萄糖6-磷酸結合上肝醣合成酶並促進其構形成為PP1的較好受質，所以傾向造成肝醣合成酶的去磷酸化。葡萄糖也可以促進去磷酸化作用；當葡萄糖結合到肝醣磷酸化酶a會造成其構形改變，使得傾向於去磷酸化而變成肝醣磷酸化酶b，因此葡萄糖解除肝醣磷酸化酶a對PP1的抑制（見圖15-39）。圖15–

38(a)p.644圖15-38

GSK3磷酸化肝醣合成酶的引導反應。(a)肝醣合成酶激酶3首先會利用三個帶正電的殘基（Arg96,Arg180,Lys205）與其受質肝醣合成酶上+4位置的磷酸絲胺酸殘基交互作用（就定位而言，受質上為被磷酸化的Ser或Thr殘基被指派為0。而在其胺端的殘基依序為－1、－2，依此類推；羧端的殘基則依序－1、－2，依此類推）。這樣的結合作用使得酵素的活性部位對準位置0的Ser殘基，將它磷酸化。如此一來創造出一個新的引導部位，酵素順著蛋白質往下接著磷酸化位置－4的Ser殘基，然後是位置－8的Ser殘基。圖15–

38(b)p.644圖15-38

GSK3磷酸化肝醣合成酶的引導反應。(b)GSK3在其近胺端處有一個Ser殘基可以被PKA或PKB磷酸化（見圖15-39）。這樣會在GSK3產生一個「假受質」區域，假受質摺疊進入引導部位，使得其活性部位無法提供給其他受質蛋白，進而抑制GSK3直到其假受質區域的引導磷醯基被PP1移除為止。GSK3的其他受質蛋白在+4的位置也有一個引導部位，引導部位必須先被其他蛋白激酶磷酸化，之後GSK3才能作用在受質。上。p.643肝醣合成酶激酶3媒介胰島素的一些作用胰島素促使細胞內發生改變的方法之一是活化蛋白激酶（蛋白激酶B或稱PKB），PKB進而造成GSK3磷酸化而失活（圖15-39）。圖15–

39p.644p.644圖15-39由胰島素列的GSK3及肝醣合成酶的路徑。胰島素結合至其接受器後活化了其上的酪胺酸蛋白激酶，其會磷酸化胰島素接受器受質-1（IRS-1），此蛋白上的磷酸酪胺酸接著會被磷脂醯肌醇3-激酶（PI-3K）結合，PI-3K會將細胞膜上的磷脂醯肌醇4,5-二磷酸（PIP2）轉變成磷脂醯肌醇3,4,5-三磷酸（PIP3）。當蛋白質激酶（PDK-1）結合上PIP3

之後會被活化，進而活化第二個蛋白質激酶（PKB），PKB會將肝醣合成酶激酶3（GSK3）的假受質區域做磷酸化，如圖15-38b所示的機制使GSK失活。失活的GSK3使得磷蛋白磷酸酶1（PP1）將肝醣合成酶去磷酸化，將其轉變成具有活性的狀態。胰島素就是藉由這樣的方式來促進肝醣合成（胰島素作用的更多細節可見圖12-16。）p.645磷蛋白磷酸酶1是肝醣代謝的核心PP1不會以游離形式存在於細胞質，而會經由與肝醣目標蛋白（glycogen-targetingprotein）家族的一員而結合在其目標蛋白上，肝醣目標蛋白會結合上肝醣以及肝醣磷酸化酶、磷酸化酶激酶和肝醣合成酶等三種酶（圖15-40）。圖15–

40p.645p.645圖15-40肝醣目標蛋白GM。肝醣目標蛋白GM

是會將其他蛋白（包括PP1）結合至肝醣顆粒上的家族蛋白之一。GM

會因應胰島素或腎上腺素之作用而在兩個不同的位置被磷酸化。①胰島素刺激GM

位置1的磷酸化會活化PP1，其會將磷酸化酶激酶、肝醣磷酸化酶和肝醣合成酶去磷酸化（未顯示）。②腎上腺素刺激GM

位置2的磷酸化會造成PP1從肝醣顆粒上解離出去，阻止其去接近肝醣磷酸化酶及肝醣合成酶。PKA也會磷酸化一個蛋白（抑制劑1），當抑制劑1被磷酸化後會去抑制PP1。藉由這些方式，胰島素能抑制肝醣分解並刺激肝醣合成，而腎上腺素（或肝臟中的升糖素）則會有相反的影響。p.645異位及荷爾蒙訊息全面性共同調節醣類代謝在攝取富含高碳水化合物後，血液葡萄糖會升高進而誘導胰島素釋放（圖15-41上方）。PKA參與升糖素的所有效用（圖15-41底部）。圖15–

41p.646圖15-41肝臟中碳水化合物代謝的調節。箭頭指出改變它們連結之間的因果關係。↓A→↑B意指減少A會造成B的增加。粉紅色箭頭連結由於高血糖所造成的情況；藍色箭頭則連結低血糖所造成的情況。p.646對於我們討論代謝調節而言，骨骼肌的生理異於肝臟有三方面是重要的（圖15-42）：(1)肌肉使用自己