グリコーゲンホスホリラーゼ:
グリコーゲン分解に関わる第一の酵素

protein_gene/g/glycogen_phosphorylase
10-22-2017 updated

  1. 概要: グリコーゲンホスホリラーゼとは
  2. アイソフォーム
  3. 活性の制御
    • 4 つの状態がある
    • リン酸化制御

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概要: グリコーゲンホスホリラーゼとは

グリコーゲンホスホリラーゼ glycogen phosphorylase とは,グリコーゲン 分解反応を触媒する酵素である (1)。グリコーゲンはグルコースの脱水縮合によって生じるが,以下の理由から加水分解ではなく,リン酸基の付加によって分解される (図,文献 3)。



 

G1P は非還元末端 (Carbon 4 の OH 基が残っている側) から遊離する。

> 切り取る際に,なぜわざわざリン酸化するのか? -  いくつかのメリットがある (2)。
  • 解糖系に入る際に,ATP を消費しなくてすむ。
  • グリコシド結合を加水分解すればグルコースが得られるが,解糖するには ATP でリン酸化しないといけない。
  • エネルギー準位の近いグリコシド結合とリン酸エステル結合を使えば,ATP のかわりに Pi でリン酸化可能。
  • 細胞内に豊富にある Pi を有効利用しているとも言える。
  • さらに,筋肉の場合,グルコースが遊離するとトランスポーターを通って細胞外に出てしまう。
  • G1P ならトランスポーターがないので,自分で分解に回せる。

この反応を達成するためには,活性部位に水を排除しつつ Pi を引き込まねばならない (2)。これを可能にするメカニズムが構造解析で詳細に調べられている。


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アイソフォーム

グリコーゲンの分解が起こる主な組織は,筋肉と肝臓である (1)。これらの組織では,グリコーゲン分解の目的が異なっている。すなわち,

  • 筋肉 → 自分でグルコースをエネルギーとして使う。
  • 肝臓 → 他の組織,とくにグルコースに依存する脳 brain や赤血球のために血液中にグルコースを放出する。「血糖値を保つ」と言っても良い。

Glycogen phosphorylase による反応は,グリコーゲン分解の 律速段階 である。上記の目的の違いのため,glycogen phosphorylase には筋肉型と肝臓型のアイソフォームが存在する (1)。。


活性の制御

Glycogen phosphorylase は リン酸化 制御および AMP によるアロステリック制御を受けることが知られている (1)。リン酸化された酵素を phosphorylase a と表し,以下のように 4 通りの状態を考えるのが一般的である (2)。



4 つの状態がある

Glycogen phosphorylase はセリン Ser 残基でリン酸化される (1)。脱リン酸化状態を phosphorylase b, リン酸化状態を phosphorylase a と呼ぶ。

a, b はそれぞれ R (relaxed) および T (tense) state という高次構造をとる。R state が活性化状態であり,phosphorylase a は R state をとりやすい。しかし phosphorylase b でも R state をとって活性化したり,a でも T state をとって不活性化したりする (1)。


> 筋肉 isoform では,phosphorylase b に AMP が結合すると R state をとって活性化する (1)。

: ATP は AMP と競合し,phosphorylase を不活性化させる方向に働く。
: Glycogen の分解産物 glucose-6-phosphate は,T state の方向にアロステリック阻害する。
   → これは feedback inhibition である。

> 肝臓 isoform は,グルコースと結合して不活性化する (1)。

: つまり glucose は T state の方向に phosphorylase a を アロステリック阻害する。


リン酸化の制御

エピネフリン: Epinephrine (アドレナリン)

エピネフリンは筋肉および肝臓の両方で glycogen phosphorylase をリン酸化し,グリコーゲン分解を促進する (1)。以下の 2 つの経路が知られている。

  1. Epinephreine - β adrenergic receptor - G protein - Adenylate cyclase - cAMP - PKA - phosphorylase kinase - glycogen phosphorylase のリン酸化
  2. Epinephreine - α adrenergic receptor - phosphoinositide cascade - 細胞内 Ca2+ 濃度が上昇 - phosphorylase kinase - glycogen phosphorylase のリン酸化
> Phosphorylase kinase はカルモジュリンを含む巨大複合体で,Ca2+ によって活性化される (1)。

: エピネフリンによるグリコーゲン分解の促進は,筋肉 > 肝臓 である。
: 肝臓ではグルカゴン glucagon の作用が大きい。



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References

  1. Amazon link: ストライヤー生化学: 使っているのは英語の 6 版ですが、日本語の 7 版を紹介しています。参考書のページ にレビューがあります。
  2. By Biochemnerd1 - Own work, CC BY 3.0 us, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15226222
  3. By Jmun7616 (Own work) [Public domain], via Wikimedia Commons