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2019.12.12
糖原降解的酶
糖原的降解上期说过需要糖原磷酸化酶、糖原脱支酶以及磷酸葡萄糖变位酶。
（一）糖原磷酸化酶
1.磷酸化酶分子结构
早在1938年（第二次世界大战时期），Carlcorl和GertyCori二人就发现两种磷酸化酶，分别称为磷酸化酶a和磷酸化酶b。
对磷酸化酶的结构和功能进行系统研究并且做出重要贡献的是RobertFletterick和LouiseJohnson等人，他们曾经用高分辨率X射线深入探讨并阐明了磷酸化酶a和磷酸化酶b的三维结构和作用。
LouiseJohnson
磷酸化酶a和b都是由两个相同亚基构成的二聚体，每个亚基由842个氨基酸构成。亚基的相对分子质量为97000.磷酸化酶a分子每个亚基肽链中的第14位丝氨酸残基上的羟基各被一个磷酸基团酯化。而磷酸化酶b缺少两个磷酸基团。但是两种磷酸化酶的结构十分相似。实际上它们两个是一种酶的两种不同存在形式。磷酸化酶a具有催化活性，而磷酸化酶b是几乎没有活性的形式。磷酸化酶b的两个亚基中的Ser14被磷酸化就转化为磷酸化酶a。Ser14是磷酸化酶b转化为a的关键部位。这种对磷酸化酶共价修饰作用（covalentmodification）是由专一的酶即磷酸化酶激酶（phosphorylasekinase）实现的，而去修饰作用（demodification）是由另外一种专一性的酶即磷酸酶（phosphatase）实现。
磷酸化酶的三维结构经过x射线结晶法研究表明，每个亚基都紧密折叠形成两个结构域：氨基末端结构域（amino-terminaldomain，N-末端结构域）和羧基末端结构域（carboxyl-terminaldomain,C-末端结构域）。
氨基末端结构域由1~484位的氨基酸残基构成已知最大的结构域。C-末端结构域由第485~842位氨基酸构成。N-末端结构域又分为两个亚结构域（subdomain）。一个是介面亚结构域（interfacesubdomain）由1~315位氨基酸残基构成，含有共价修饰部位（covalentmodificationsite）,即Ser14,别构效应部位（allosrericeffectorsite）以及二聚体内全部亚单位间的接触部位；另一个是糖原结合亚结构域（glycogenbindingsubdomain）由316~484位的氨基酸残基构成。它包含一个糖原停靠部位（glycogendockingsite）。
N-末端结构域和C-末端结构域合在一起，中间形成一个深的裂缝（deepcrevice）。催化部位（catalyticsite）即位于这个裂缝中。裂缝的长度大约为3nm，它的曲率半径和糖原相同，此裂缝有保护与隔离催化部位的作用，使催化部位与水的环境隔开，造成有利于磷酸解的环境。裂缝和糖原停靠部位相连。由停靠部位将结合的糖原送到起催化作用的活性部位。磷酸化酶的催化活性需要吡哆醛磷酸作为辅酶。该酶结合在磷酸化酶的活性部位上，并将其磷酸基团紧挨着与酶相连接着的正磷酸。停靠部位和催化部位之间的距离，适合于磷酸化酶同时接受糖原同一分子的4~5个末端葡萄糖残基。实际上该裂缝比较狭窄不但只适合糖原分子。即使是紧靠近分支点的4个葡萄糖残基也不能进入。此外，在靠近磷酸化酶两个亚基界面处有一个AMP的结合位点。AMP是磷酸化酶的一个别构活化剂。这个结合位点距离催化部位和糖原结合部位都比较远。
磷酸化酶的催化作用需要磷酸吡哆醛（PLP）作为辅助因子。X射线结构分析表明，磷酸吡哆醛的磷酸基团紧紧挨着磷酸化酶的活性部位。
它以共价键通过希夫碱（Schiffbase）的形式与酶的第680位赖氨酸（Lys680）相连接。磷酸吡哆醛不只是磷酸化酶的辅助因子，它在氨基转移作用中也是一个必须的辅酶。然而它在不同的酶中发挥的作用不同，即发挥作用的部位不同。
2.磷酸化酶催化糖原非还原性末端磷酸解
磷酸化酶从糖原分子的非还原性末端断下一个葡萄糖分子。同时又出现一个新的非还原性末端的葡萄糖分子。这样可以连续地将处于末端位置的葡萄糖残基一个一个地移去。该酶催化断裂的键是末端葡萄糖残基C1碳原子和相邻葡萄糖C4形成的糖苷氧原子之间的键，断键后氧原子仍然留在相邻葡萄糖残基的第4个碳原子。
（质子结合到糖苷键的氧原子形成羊盐，磷酸基团通过磷酸负离子亲核进攻1号碳原子，氧与1号碳原子之间电子转移到氢氧之间）
3.磷酸化酶催化糖原1，4-糖苷键磷酸解
糖原磷酸化酶只催化1，4-糖苷键的磷酸解，因此它只能脱下糖原分子直链部分的葡萄糖残基。实际上磷酸化酶的作用只到糖原的分支点前4个葡萄糖残基处即不能再继续进行催化。
糖原的继续分解还需要其它酶参与。磷酸化酶催化的反应在体外是可逆的，用蔗糖磷酸化酶，肌肉磷酸化酶等多种磷酸化酶都证实磷酸化酶的作用发生在葡萄糖-1-磷酸的碳和氧之间，而不是氧和磷之间。在体内磷酸解作用可顺利地沿着糖原分解的方向进行。
糖原的降解采用磷酸解而不是水解，具有重要的生物学意义。磷酸解使降解下的葡萄糖分子带上磷酸基团。葡萄糖-1-磷酸不需要能量提供可容易地转变为葡萄糖-6-磷酸，从而进入糖酵解等葡萄糖的降解途径；如果不是磷酸解而是水解，则所得水解产物是葡萄糖。后者需要消耗1个ATP分子才能转变为葡萄糖-6-磷酸进入糖酵解途径。磷酸解作用对肌肉细胞还有另外的优越性：在生理条件下，磷酸解生成的葡萄糖-1-磷酸以解离形式存在，不容易扩散到细胞外，而非磷酸化葡萄糖则可以扩散到细胞外。
4.磷酸化酶催化的反应机制
关于这个酶催化有两种假设
第一种假设认为，磷酸解作用可能是通过双取代机制进行。它包含两步连续的亲核取代。每次都发生构象的翻转，中间形成一个共价葡萄糖基-酶中间体。但至今不能证明这一假设反应机制的正确性。
第二种假设认为先形成一个由正磷酸、酶和糖原构成的三元复合体，随后生成一个被遮掩的氧鎓离子中间体。断键和随后形成氧鎓离子（oxoniumion）是由无机磷酸引起的糖苷氧的质子化（protonation协助产生的。
这种氧鎓离子机制得到的支持是1，5-葡萄糖内脂是磷酸化酶的强力抑制剂。1，5-葡萄糖内脂的结构如下：
碳的构型从sp3变为碳正离子sp2杂化。
1，5-葡萄糖内脂和推测产生的葡萄糖氧鎓离子具有相同的半椅式构型。很可能这是磷酸化酶活性部位产生的过渡态氧鎓离子的类似物。此外该机制设想也与提供的动力学数据以及化学和结构数据都比较吻合。
（二）糖原脱支酶
磷酸化酶催化磷酸解作用，使糖原分子从非还原性末端逐个移去葡萄糖残基直至邻近糖原分子α-1，6-糖苷键分支点前4个葡萄糖残基处。如此作用，最后形成一个具有许多短分支链的多糖分子称为极限糊精。
极限糊精的短的分支称为“极限分支”（limitbranch），它的进一步分解需要糖原脱支酶（包括糖基转移酶）和磷酸化酶的协同作用。
一般称为糖原脱支酶的肽链上，实际具有两个起着不同催化作用的活性部位；也可以说，同一个肽链上有两种酶存在：一种是起着转移葡萄糖残基作用的酶，称为糖基转移酶；另一种是起着分解葡萄糖α-1，6-糖苷键作用的酶，称为糖原脱支酶，脱支酶又称为α-（1，6）-糖苷键。笼统地将糖原看作是一种双重功能酶（bifunctionalenzyme）。
当磷酸化酶的作用停止以后，糖原脱支酶肽链上的转移葡萄糖残基的活性部位先起催化作用将原来极限分支前的以α-1，4-糖苷键连接的三个葡萄糖残基转移到另一个分支的非还原性末端的葡萄糖残基上，或者转移到糖原的核心链上。通过转移酶的转移作用，一方面形成一个带有3个葡萄糖残基的新的α-1，4-糖苷键，另方面又同时暴露出以α-1，6-糖苷键相连的葡萄糖残基。这个分支点即由脱支酶的另一种催化作用，即分解1，6-糖苷键的作用将最后的分支点消除。脱支酶脱下α-1，6-糖苷键连接的葡萄糖残基不是磷酸解作用，是水解作用，其结果是产生一个葡萄糖和以α-1，4-糖苷键相连接的葡萄糖残基，于是磷酸化酶又可继续发挥作用。
（三）磷酸葡萄糖变位酶
由磷酸化酶催化糖原磷酸解的结果，使糖原分子的葡萄糖残基形成葡萄糖-1-磷酸。后者必须转变为葡萄糖-6-磷酸才有可能进入代谢主流，参加糖酵解或者转变成为游离的葡萄糖。担负磷酸基团转移的酶就是磷酸葡萄糖变位酶。该酶为由561个氨基酸残基构成的单体酶（monomericenzyme）。
用X射线结构测定，以兔肌肉为材料所得结果表明，具有活性的磷酸葡萄糖变位酶的活性部位深深地埋藏在酶的裂缝的底部。在它的一个丝氨酸残基上带有一个磷酸基团。
活化的磷酸葡萄糖变位酶分子，其丝氨酸残基上带有一个磷酸基团。在起催化作用时，酶分子上的磷酸基团转移到葡萄糖-1-磷酸的第6位碳原子的羟基上，形成葡萄糖-1，6-二磷酸中间体。这时葡萄糖-1，6-二磷酸碳1位置上的磷酸基团又转回到磷酸葡萄糖变位酶丝氨酸残基原来磷酸基团所处的位置上，于是葡萄糖-1，6-二磷酸转变为葡萄糖-6-磷酸，而磷酸葡萄糖变位酶又恢复其原来带有磷酸基团的活化形式。
磷酸葡萄糖变位酶的反应和磷酸甘油酸变位酶的反应机制很相似。后者在糖酵解过程中将甘油酸-3-磷酸转变为甘油酸-2-磷酸时，中间经过形成2，3-二磷酸甘油酸中间体。磷酸葡萄糖变位酶的磷酸基与酶的丝氨酸残基相连接，而磷酸甘油酸变位酶的磷酸基团与酶的组氨酸残基相互连接。
磷酸葡萄糖变位酶发挥其充分活性，需要有少量的葡萄糖-1，6-二磷酸存在。后者是由磷酸葡萄糖激酶提供的，它利用ATP催化葡萄糖-1-磷酸的第6位羟基磷酸化形成的。如果葡萄糖-1，6-二磷酸从磷酸葡萄糖变位酶分子上脱落，就会发生酶活性的钝化。
（四）葡萄糖-6-磷酸酶
葡萄糖-6-磷酸酶是专门水解葡萄糖-6-磷酸的酶。它催化葡萄糖-6-磷酸水解产生葡萄糖和磷酸分子。
该酶存在于肝细胞，肾细胞及肠细胞光滑内质膜的内腔面。脑细胞和肌细胞都没有这种酶。肝脏的主要功能之一是维持血糖浓度的稳定。肝细胞必需依靠此酶才能维持血糖的相对稳定的水平。当机体未进食，例如，处于两餐之间，或者鸡肉运动的时候以及脑的活动都使葡萄糖在血液中的浓度降低，于是肝脏中的葡萄糖-6-磷酸酶立即将进入内质网腔的葡萄糖-6-磷酸水解为游离葡萄糖。游离的葡萄糖能迅速地扩散出肝细胞进入血流。
（五）肝糖原和肌糖原
我们都知道糖原贮存在肝脏和肌肉中，然而当机体处于低血糖时，机体一般会分解肝糖原不会分解肌糖原。
先看一道题
肌糖原分解不能直接补充血糖的原因是()
A.肌肉组织是贮存葡萄糖的器官
B.肌肉组织缺乏葡萄糖激酶
C.肌肉组织缺乏葡萄糖-6-磷酸酶
D.肌肉组织缺乏磷酸酶
【解析】
肌肉组织缺乏葡萄糖一6-磷酸酶，故不能将肌糖原分解成葡萄糖。
肝脏中的糖原会在饥饿的时候分解为葡萄糖-6-磷酸，葡萄糖-6-磷酸可以在葡萄糖-6-磷酸酶催化下产生葡萄糖分子可以自由通过膜上的蛋白通过内质网进入细胞溶胶后通过透性酶进入血液中，从而提高血糖的含量。
肌肉中却没有这种催化葡糖糖-6-磷酸水解的酶，所以肌糖原分解的带有磷酸基团的葡萄糖无法进入血液中提高血糖浓度。但是它可以以另一种方式补充血糖，但是这个途径过于麻烦。比如我们在剧烈跑步后，例如400米，100米。
肌糖原进入糖酵解途径
（六）血糖
意义
反映机体的能量水平，糖的分解和利用的动态平衡，对大脑、胎儿尤为重要
激素的调节作用
胰岛素下调、胰高血糖素上调、肾上腺素上调、糖皮质激素上调