15.4 動物體內肝醣的代謝 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-glucose 1-phosphate）（圖 15-25）。 p.633

圖 15 – 24 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。 p.633

圖 15 – 25 p.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（debranching enzyme）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）。 p.634

圖 15 – 26 p.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.635

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）。 p.634

圖 15 – 27 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。 p.635

圖 15 – 28 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.635

BOX 15-4 Carl 及 Gerty Cori：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（ sugar nucleotides），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.636

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）。 p.637

圖 15 – 29 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。 p.638

圖 15 – 30 p.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 – 31 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

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。 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）。 p.639

圖 15 – 32 p.639

圖15-32　肝醣素的結構（PDB 1D 1LL2）。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（Rossman fold），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。 p.639

圖 15 – 33 p.640

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 21 nm，分子量約為 1x107。 p.639

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.640

15.4 肝醣合成與分解的協調調節 肝醣磷酸化酶受到異位調節及荷爾蒙的調節 15.4 肝醣合成與分解的協調調節 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（glycogen phosphorylase a），它 具有催化的活性，以及肝醣磷酸化酶 b（glycogen phosphorylase b），它較缺乏活性（圖 15-34）。 提高的 [cAMP] 會驅使一酵素串聯（enzyme cascade ）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）。 p.641

圖 15 – 34 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.641

PKA 接著磷酸化並活化磷酸化酶 b 激酶（ phosphorylase b kinase），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（phosphorylase a phosphatase），也稱為磷蛋 白磷酸酶 1（phosphoprotein phosphatase 1；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。 p.641

圖 15 – 35 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。 p.642

圖 15 – 36 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.642

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（glycogen synthase a）是未磷酸化的。 最重要的調節激酶為肝醣合成酶激酶 3（glycogen synthase kinase 3，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（casein kinase II，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）。 p.643

圖 15 – 37 p.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）。 p.643

圖 15 – 38(a) 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。 p.644

圖 15 – 38(b) 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.644

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）。 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）。 p.643

圖 15 – 39 p.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.644

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-targeting protein）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）。 p.645

圖 15 – 40 p.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

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）。 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）。 p.645

圖 15 – 41 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)肌肉使用自己貯存的肝醣只供應自身的需求； (2)當肌肉從休息到劇烈收縮時，肌肉對 ATP 的需求 有相當大的改變，ATP 由糖解作用所提供； (3)肌肉缺乏糖質新生作用的酵素。 p.646

圖 15 – 41 圖15-42　在肝臟和肌肉中碳水化合物代謝調節之相異處。在肝臟，無論是升糖素（象徵低血糖）或腎上腺素（傳遞需要戰鬥或逃走的訊息）都可以使葡萄糖輸出至血流中的數量增加至最大。在肌肉，腎上腺素可以增加肝醣分解與糖解作用，如此可一起提供燃料來產生 ATP 供肌肉收縮所需。 p.646

碳水化合物與脂質代謝透過荷爾蒙和異位機制而被整合 即使複雜如醣類代謝的調控，仍然完全比不上燃料代 謝的整個情況。脂肪和脂肪酸的代謝與碳水化合物的 代謝密不可分。荷爾蒙的訊號如胰島素與飲食的改變 或是運動，在調節脂肪代謝以及整合脂肪與碳水化合 物的代謝上一樣地重要。 p.647

總結 15.5 對於升糖素或腎上腺素的反應，肝醣磷酸化酶會被活 化，此乃升糖素或腎上腺素增加 [cAMP] 濃度，因此 活化蛋白激酶 A（PKA）。PKA 磷酸化並活化磷酸 化酶激酶，其將肝醣磷酸化酶 b 轉變成它的活化 a 型 。磷蛋白磷酸酶 1（PP1）逆轉肝醣磷酸化酶 a 的磷 酸化，而使之失去活性。葡萄糖結合至肝臟的肝醣磷 酸化酶 a 同功酶，利於其去磷酸化並且失去活性。 肝醣合成酶 a 受到肝醣合成酶激酶 3（GSK3）催化 磷酸化而失去活性。胰島素阻斷 GSK3。PP1 被胰島 素活化，經由去磷酸化肝醣合成酶 b 而逆轉了抑制作 用。 p.647

總結 15.5(續) 胰島素藉由促使葡萄糖運輸蛋白 GLUT4 移動至細胞 質膜，來增加葡萄糖攝入肌原細胞和脂肪細胞中。 胰島素刺激六碳醣激酶 II 和 IV、PFK-1、丙酮酸激 酶和許多參與脂質合成的酵素的合成。胰島素刺激肌 肉和肝臟的肝醣合成。 在肝臟中，升糖素刺激肝醣分解與糖質新生作用，同 時阻斷糖解作用，藉此提撥葡萄糖外送至大腦和其他 組織。 在肌肉中，腎上腺素刺激肝醣分解與糖解作用，提供 ATP 來支持收縮。 p.647