第 26章 糖原的分解和生物合成
(Catabolism and biosynthesis of glycogen)
一、糖原的生物学意义
二、糖原的降解
三、糖原的生物合成
四、糖原代谢的调控
葡聚糖大分子
在动物体内, 由葡萄糖以 α（ 1→ 4） 糖苷键及 α
（ 1→ 6） 糖苷键连接起来的多糖分子称为糖原
（ glycogen） 。 在植物体内, 由葡萄糖以 α（ 1→ 4）
糖苷键连接起来的多糖分子称为直链淀粉
（ amylose）, 而与糖原相似的多糖分子称为支链
淀粉 （ amylopectin） 。 支链淀粉大约每 24～ 30个
葡糖残基有一个分支, 糖原大约每 8～ 12个葡糖残
基就有一个分支 。
葡聚糖大分子
纤 维 素 （ cellulose ） 是 由 葡 萄 糖 以 β
（ 1→ 4） 糖苷键连接起来的多糖分子 。 另外
在微生物中还有由葡萄糖以 α（ 1→ 6） 或 α
（ 1→ 3） 糖苷键连接的多糖分子, 它们就称
为葡聚糖 （ glucans or dextrans） 。
糖原或支链淀粉的结构
人对食物中淀粉或
糖原的消化吸收
人从食物中摄入大量的淀粉 （ starch） 和
少量的糖原 。 唾液和胰液中含有 α－淀粉酶, 可
以降解摄入的淀粉或糖原, 并在脱支酶和麦芽
糖酶的参与下, 将这些多糖分子彻底降解成葡
萄糖, 葡萄糖被小肠吸收 。
β－淀粉酶只存在于植物和微生物中 。
α
和β
淀
粉
酶
对
糖
原
或
淀
粉
的
水
解
脱支酶的催化作用
一、糖原的生物学意义
糖原是贮存能量的, 容易动员的多糖 。 当
机体细胞中能量充足时, 细胞即合成糖原将能
量贮存起来；当能量供应不足时, 贮存的糖原
即降解为葡萄糖, 通过呼吸途径产生 ATP。 因
此糖原是生物体所需能量的贮存库 。
二、糖原的降解
糖原以颗粒状存在于细胞溶胶中, 其颗粒直径
大小不等, 约为 10～ 40nm。 每个糖原颗粒含有的葡
萄糖分子可高达 12万 。 颗粒中还含有催化糖原合成
和降解的酶以及调节蛋白 。
机体贮存糖原的器官主要是肝脏和肌肉, 在需
要时肝脏中的糖原可以降解成葡萄糖, 进入血液,
运送到全身各处；肌肉中的糖原主要提供肌肉运动
的需要 。 脑在正常情况下只利用葡萄糖作为能源,
每天的需要量约为 140g。 脑中只有少量的糖原, 脑
所需的葡萄糖要从血糖源源不断地供应 。
糖原的降解过程
细胞中催化糖原降解的是磷酸化酶, 它催化
糖原发生磷酸解反应, 从糖原的非还原端逐个磷
酸解下葡萄糖 -1-磷酸, 葡萄糖 -1-磷酸再经磷酸葡
萄糖变位酶催化产生葡萄糖 -6-磷酸 。 糖原经磷酸
化酶单独作用的最终产物是许多葡萄糖 -1-磷酸和
极限糊精 。 但磷酸化酶不能水解 α（ 1→ 6） 糖苷
键, 而糖原脱支酶是水解 α（ 1→ 6） 糖苷键的,
磷酸化酶和糖原脱支酶共同作用, 可以使糖原完
全降解 。
糖原或淀粉的磷酸解作用
键断裂
的位置
糖原磷酸化酶
磷酸化酶 （ phosphorylase） 由两个相同亚基
组成, 每个亚基的 Ser14是磷酸化位点, 被磷酸
化酶激酶催化磷酸化后激活, 此时称为磷酸化酶
a；磷酸化酶 a被磷酸酶催化脱磷酸后失去活性,
此时称为磷酸化酶 b。 磷酸化酶的催化作用需要
磷酸吡哆醛作为辅基 。
糖原脱支酶
糖原脱支酶在同一肽链上有两种酶活性,
属于双功能酶 。 它能将极限分支 4个葡萄糖残
基中的 3个转移到另一个分支的非还原性末端
上, 然后再水解下最后一个分支的葡萄糖, 这
一步水解的是 α（ 1→ 6） 糖苷键, 产物是葡萄
糖 。
磷酸葡萄糖变位酶
活化的磷酸葡萄糖变位酶的丝氨酸残基上
带有一个磷酸基团, 在催化反应时, 这个磷酸
基团转移到葡萄糖 -1-磷酸的 6位羟基上, 形成
葡萄糖 -1,6-二磷酸中间体, 然后 1位的磷酸在转
移到酶的丝氨酸上, 酶恢复原状, 葡萄糖 -1,6-
二磷酸转变成了葡萄糖 -6-磷酸 。
葡萄糖 -6-磷酸酶
葡萄糖 -6-磷酸酶位于肝, 肾及肠细胞的光滑
内质网的膜上, 活性部位朝向内侧 。 此酶能将进
入内质网的葡萄糖 -6-磷酸水解成葡萄糖和无机磷
酸, 葡萄糖再扩散出肝细胞进入血液 。
葡萄糖 -1-磷酸酶的膜
定位及其催化的反应
三、糖原的生物合成
糖原合成的前体 UDPG的结构
早先认为糖原合成是糖原降解的逆反应, 后
来发现糖原合成与糖原降解的反应步骤完全不同,
合成糖原的前体是 UDP－葡萄糖, 它是葡萄糖的
活化形式 。
UDPG 的空间充填模型
形
成UD
PG
形成 UDPG反应的
能量变化
葡萄糖 -1-磷酸与 UTP反应生成 UDPG和焦磷
酸的反应的自由能变化 Δ G接近于零, 本属可逆
反应, 但实际上焦磷酸的随后水解释放出大量的
能量, 使得反应的总 Δ G = － 25~31kJ/mol,致使
该反应成为不可逆 。
糖
原
合
成
糖原合酶
糖原合酶
氧 鎓离子
中间物
糖
原
合
成
糖原合酶
糖原合成的引物
糖原合酶催化的反应是将 UDPG上的葡萄糖转
移到已存在的糖原分子的某个分支的非还原末端上,
这 个 已 经 存 在 的 糖 原 分 子 可 以 称 为, 引物
（ primer）, 。 起引物作用的是一种分子量为 37kD
的特殊蛋白质, 这种蛋白质叫, 生糖原蛋白或糖原
引物蛋白, 。 这种蛋白分子上带有一个由 α （ 1→ 4）
糖苷键连接的寡聚葡萄糖分子, 它的第一个葡萄糖
以共价键连接到蛋白质的特定酪氨酸残基上 。
生糖原蛋白的自动催化作用
生糖原蛋白具有自动催化作用, 可催化大约 8个
葡萄糖单位连接到自身的酪氨酸残基上, 其寡糖链
的前体也是 UDPG。 生糖原蛋白实际上形成了糖原
的核心 。 糖原合酶必须与生糖原蛋白相互作用才有
糖原合成的活性, 糖原合酶一旦与生糖原蛋白脱离,
即不再行使糖原合成的功能 。
形成糖原分支
糖原分支酶
糖原分支反应的能量变化
从糖原分支反应不需要提供能量, 因为
α （ 1→ 4） 糖苷键水解释放出的能量比形成
α （ 1→ 6） 糖苷键所需的能量大 （ 约 2倍 ） 。
四、糖原代谢的调控
在糖原代谢中, 糖原磷酸化酶和糖原合酶的
活性受到严格的调控 。 当磷酸化酶活性高时, 糖
原合酶几乎没有活性, 反之亦然 。 这两种酶都受
到效应物的别构调控, 这些别构效应物有 ATP、
葡萄糖 -6-磷酸, AMP等 。 在肌肉中, 糖原磷酸化
酶受 AMP的活化, 受 ATP和 G6P及葡萄糖的抑制；
而糖原合酶却受 ATP和 G6P的活化 。
糖原磷酸化酶的调控机制
磷酸化酶 a是经磷酸化修饰的活性状态酶,
它有两种存在状态, 即活化的 R态和不活化的 T
态, 平衡远远地偏向 R态；而磷酸化酶 b是脱磷
酸的非活性状态, 它也有两种存在状态, 即活化
的 R态和非活化的 T态, 但平衡远远地偏向 T态 。
AMP能使 T态的磷酸化酶 b转变成 R态, 从而活性
提高, ATP使 R态的磷酸化酶 b转变为 T态, 抑制
酶活性 。
磷酸化酶 a和 b活性的调控
糖原代谢酶的共价修饰调节
磷蛋白磷酸酶 1的作用
及其抑制剂
磷蛋白磷酸酶 1（ phosphoprotein phospha-
tase,PP1） 可以水解磷酸化酶 a上的磷酸基团,
使之转变成磷酸化酶 b。 PP1如果与蛋白磷酸酶
抑制剂结合, 其活性就受到抑制 。 这种抑制剂受
cAMP－依赖性蛋白激酶催化的磷酸化而激活,
并由 PP1去磷酸化而失活 。
糖原代谢酶的共价修饰调节
血糖对肝脏糖原代谢的调控
血糖浓度直接控制肝脏中糖原代谢相关酶的
活性, 肝脏中的磷酸化酶 a是葡萄糖浓度的感受器 。
葡萄糖与磷酸化酶 a结合后, 使磷酸化酶 a从活化
状态 （ R型 ） 转变为钝化状态 （ T型 ）, 将酶分子
第 14位 Ser上的磷酸基团暴露给 PP1,PP1实际上是
与磷酸化酶 a紧密结合在一起的 。 当磷酸化酶 a的
磷酸基团被水解而变成磷酸化酶 b后, PP1被释放,
游离态的 PP1又成为活化糖原合酶的工具, 它将无
活性的糖原合酶 b上的磷酸基团水解, 使之成为有
活性的糖原合酶 a。
肾上腺素或胰高血糖素
对 PP1活性的调控
胰高血糖素
肾上腺素或胰高血糖
素对磷酸化酶及糖原
合酶活性的调控
胰高血糖素
或
胰岛素对糖原代谢酶
活性的调控
(Catabolism and biosynthesis of glycogen)
一、糖原的生物学意义
二、糖原的降解
三、糖原的生物合成
四、糖原代谢的调控
葡聚糖大分子
在动物体内, 由葡萄糖以 α（ 1→ 4） 糖苷键及 α
（ 1→ 6） 糖苷键连接起来的多糖分子称为糖原
（ glycogen） 。 在植物体内, 由葡萄糖以 α（ 1→ 4）
糖苷键连接起来的多糖分子称为直链淀粉
（ amylose）, 而与糖原相似的多糖分子称为支链
淀粉 （ amylopectin） 。 支链淀粉大约每 24～ 30个
葡糖残基有一个分支, 糖原大约每 8～ 12个葡糖残
基就有一个分支 。
葡聚糖大分子
纤 维 素 （ cellulose ） 是 由 葡 萄 糖 以 β
（ 1→ 4） 糖苷键连接起来的多糖分子 。 另外
在微生物中还有由葡萄糖以 α（ 1→ 6） 或 α
（ 1→ 3） 糖苷键连接的多糖分子, 它们就称
为葡聚糖 （ glucans or dextrans） 。
糖原或支链淀粉的结构
人对食物中淀粉或
糖原的消化吸收
人从食物中摄入大量的淀粉 （ starch） 和
少量的糖原 。 唾液和胰液中含有 α－淀粉酶, 可
以降解摄入的淀粉或糖原, 并在脱支酶和麦芽
糖酶的参与下, 将这些多糖分子彻底降解成葡
萄糖, 葡萄糖被小肠吸收 。
β－淀粉酶只存在于植物和微生物中 。
α
和β
淀
粉
酶
对
糖
原
或
淀
粉
的
水
解
脱支酶的催化作用
一、糖原的生物学意义
糖原是贮存能量的, 容易动员的多糖 。 当
机体细胞中能量充足时, 细胞即合成糖原将能
量贮存起来；当能量供应不足时, 贮存的糖原
即降解为葡萄糖, 通过呼吸途径产生 ATP。 因
此糖原是生物体所需能量的贮存库 。
二、糖原的降解
糖原以颗粒状存在于细胞溶胶中, 其颗粒直径
大小不等, 约为 10～ 40nm。 每个糖原颗粒含有的葡
萄糖分子可高达 12万 。 颗粒中还含有催化糖原合成
和降解的酶以及调节蛋白 。
机体贮存糖原的器官主要是肝脏和肌肉, 在需
要时肝脏中的糖原可以降解成葡萄糖, 进入血液,
运送到全身各处；肌肉中的糖原主要提供肌肉运动
的需要 。 脑在正常情况下只利用葡萄糖作为能源,
每天的需要量约为 140g。 脑中只有少量的糖原, 脑
所需的葡萄糖要从血糖源源不断地供应 。
糖原的降解过程
细胞中催化糖原降解的是磷酸化酶, 它催化
糖原发生磷酸解反应, 从糖原的非还原端逐个磷
酸解下葡萄糖 -1-磷酸, 葡萄糖 -1-磷酸再经磷酸葡
萄糖变位酶催化产生葡萄糖 -6-磷酸 。 糖原经磷酸
化酶单独作用的最终产物是许多葡萄糖 -1-磷酸和
极限糊精 。 但磷酸化酶不能水解 α（ 1→ 6） 糖苷
键, 而糖原脱支酶是水解 α（ 1→ 6） 糖苷键的,
磷酸化酶和糖原脱支酶共同作用, 可以使糖原完
全降解 。
糖原或淀粉的磷酸解作用
键断裂
的位置
糖原磷酸化酶
磷酸化酶 （ phosphorylase） 由两个相同亚基
组成, 每个亚基的 Ser14是磷酸化位点, 被磷酸
化酶激酶催化磷酸化后激活, 此时称为磷酸化酶
a；磷酸化酶 a被磷酸酶催化脱磷酸后失去活性,
此时称为磷酸化酶 b。 磷酸化酶的催化作用需要
磷酸吡哆醛作为辅基 。
糖原脱支酶
糖原脱支酶在同一肽链上有两种酶活性,
属于双功能酶 。 它能将极限分支 4个葡萄糖残
基中的 3个转移到另一个分支的非还原性末端
上, 然后再水解下最后一个分支的葡萄糖, 这
一步水解的是 α（ 1→ 6） 糖苷键, 产物是葡萄
糖 。
磷酸葡萄糖变位酶
活化的磷酸葡萄糖变位酶的丝氨酸残基上
带有一个磷酸基团, 在催化反应时, 这个磷酸
基团转移到葡萄糖 -1-磷酸的 6位羟基上, 形成
葡萄糖 -1,6-二磷酸中间体, 然后 1位的磷酸在转
移到酶的丝氨酸上, 酶恢复原状, 葡萄糖 -1,6-
二磷酸转变成了葡萄糖 -6-磷酸 。
葡萄糖 -6-磷酸酶
葡萄糖 -6-磷酸酶位于肝, 肾及肠细胞的光滑
内质网的膜上, 活性部位朝向内侧 。 此酶能将进
入内质网的葡萄糖 -6-磷酸水解成葡萄糖和无机磷
酸, 葡萄糖再扩散出肝细胞进入血液 。
葡萄糖 -1-磷酸酶的膜
定位及其催化的反应
三、糖原的生物合成
糖原合成的前体 UDPG的结构
早先认为糖原合成是糖原降解的逆反应, 后
来发现糖原合成与糖原降解的反应步骤完全不同,
合成糖原的前体是 UDP－葡萄糖, 它是葡萄糖的
活化形式 。
UDPG 的空间充填模型
形
成UD
PG
形成 UDPG反应的
能量变化
葡萄糖 -1-磷酸与 UTP反应生成 UDPG和焦磷
酸的反应的自由能变化 Δ G接近于零, 本属可逆
反应, 但实际上焦磷酸的随后水解释放出大量的
能量, 使得反应的总 Δ G = － 25~31kJ/mol,致使
该反应成为不可逆 。
糖
原
合
成
糖原合酶
糖原合酶
氧 鎓离子
中间物
糖
原
合
成
糖原合酶
糖原合成的引物
糖原合酶催化的反应是将 UDPG上的葡萄糖转
移到已存在的糖原分子的某个分支的非还原末端上,
这 个 已 经 存 在 的 糖 原 分 子 可 以 称 为, 引物
（ primer）, 。 起引物作用的是一种分子量为 37kD
的特殊蛋白质, 这种蛋白质叫, 生糖原蛋白或糖原
引物蛋白, 。 这种蛋白分子上带有一个由 α （ 1→ 4）
糖苷键连接的寡聚葡萄糖分子, 它的第一个葡萄糖
以共价键连接到蛋白质的特定酪氨酸残基上 。
生糖原蛋白的自动催化作用
生糖原蛋白具有自动催化作用, 可催化大约 8个
葡萄糖单位连接到自身的酪氨酸残基上, 其寡糖链
的前体也是 UDPG。 生糖原蛋白实际上形成了糖原
的核心 。 糖原合酶必须与生糖原蛋白相互作用才有
糖原合成的活性, 糖原合酶一旦与生糖原蛋白脱离,
即不再行使糖原合成的功能 。
形成糖原分支
糖原分支酶
糖原分支反应的能量变化
从糖原分支反应不需要提供能量, 因为
α （ 1→ 4） 糖苷键水解释放出的能量比形成
α （ 1→ 6） 糖苷键所需的能量大 （ 约 2倍 ） 。
四、糖原代谢的调控
在糖原代谢中, 糖原磷酸化酶和糖原合酶的
活性受到严格的调控 。 当磷酸化酶活性高时, 糖
原合酶几乎没有活性, 反之亦然 。 这两种酶都受
到效应物的别构调控, 这些别构效应物有 ATP、
葡萄糖 -6-磷酸, AMP等 。 在肌肉中, 糖原磷酸化
酶受 AMP的活化, 受 ATP和 G6P及葡萄糖的抑制；
而糖原合酶却受 ATP和 G6P的活化 。
糖原磷酸化酶的调控机制
磷酸化酶 a是经磷酸化修饰的活性状态酶,
它有两种存在状态, 即活化的 R态和不活化的 T
态, 平衡远远地偏向 R态；而磷酸化酶 b是脱磷
酸的非活性状态, 它也有两种存在状态, 即活化
的 R态和非活化的 T态, 但平衡远远地偏向 T态 。
AMP能使 T态的磷酸化酶 b转变成 R态, 从而活性
提高, ATP使 R态的磷酸化酶 b转变为 T态, 抑制
酶活性 。
磷酸化酶 a和 b活性的调控
糖原代谢酶的共价修饰调节
磷蛋白磷酸酶 1的作用
及其抑制剂
磷蛋白磷酸酶 1（ phosphoprotein phospha-
tase,PP1） 可以水解磷酸化酶 a上的磷酸基团,
使之转变成磷酸化酶 b。 PP1如果与蛋白磷酸酶
抑制剂结合, 其活性就受到抑制 。 这种抑制剂受
cAMP－依赖性蛋白激酶催化的磷酸化而激活,
并由 PP1去磷酸化而失活 。
糖原代谢酶的共价修饰调节
血糖对肝脏糖原代谢的调控
血糖浓度直接控制肝脏中糖原代谢相关酶的
活性, 肝脏中的磷酸化酶 a是葡萄糖浓度的感受器 。
葡萄糖与磷酸化酶 a结合后, 使磷酸化酶 a从活化
状态 （ R型 ） 转变为钝化状态 （ T型 ）, 将酶分子
第 14位 Ser上的磷酸基团暴露给 PP1,PP1实际上是
与磷酸化酶 a紧密结合在一起的 。 当磷酸化酶 a的
磷酸基团被水解而变成磷酸化酶 b后, PP1被释放,
游离态的 PP1又成为活化糖原合酶的工具, 它将无
活性的糖原合酶 b上的磷酸基团水解, 使之成为有
活性的糖原合酶 a。
肾上腺素或胰高血糖素
对 PP1活性的调控
胰高血糖素
肾上腺素或胰高血糖
素对磷酸化酶及糖原
合酶活性的调控
胰高血糖素
或
胰岛素对糖原代谢酶
活性的调控
