生物化学糖代谢.ppt

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1、第八章 糖代谢,糖代谢总论一、多糖和低聚糖的酶促降解二、糖的分解代谢三、糖的合成代谢,糖代谢总论,糖代谢包括分解代谢和合成代谢。动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供的。另一方面，糖分解的中间产物，又为生物体合成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种能量转换过程。,一、多糖和低聚糖的酶促降解,概述 多糖和低聚糖只有分解成小分子后才能被吸收利用，生产中常称为糖化。2.淀粉3.淀粉水解 淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖

2、 G,淀粉的酶促水解：水解淀粉的淀粉酶有与淀粉酶，二者只能水解淀粉中的-1，4糖苷键，水解产物为麦芽糖。-淀粉酶可以水解淀粉(或糖原)中任何部位的-1，4糖键。淀粉酶只能从非还原端开始水解。水解淀粉中的-1，6糖苷键的酶是-1，6糖苷键酶。淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物。,还原末端,非还原末端,-1，4糖苷键,-1，6糖苷键,磷酸化酶,转移酶,脱支酶,磷酸化酶,蔗糖 葡萄糖+果糖乳糖 葡萄糖+半乳糖纤维素：人体缺乏纤维素酶,蔗糖酶,乳糖酶,概念：无氧，葡萄糖（糖原）乳酸(lactate),反应部位：细胞液(cytoplasm),二、糖的分解代谢,（一）糖酵解途径(glycolysis)（

3、Embden Meyerhof Parnas EMP）,糖酵解过程的4个阶段,1、葡萄糖 果糖-1，6-二磷酸2、果糖-1，6-二磷酸 2分子磷酸丙糖3、甘油醛-3-磷酸 丙酮酸4、丙酮酸 乳酸,1.葡萄糖 果糖-1，6-二磷酸,(glucose),(fructose-1，6-bisphosphate),反应不可逆,2.果糖-1，6-二磷酸 2分子磷酸丙糖,fructose-1,6-bisphosphate,triose phosphate,3.甘油醛-3-磷酸 丙酮酸,glyceraldehydes3-phosphate,pyruvate,糖酵解过程中唯一的脱氢反应,底物水平磷酸化生成 AT

4、P（substrate level phosphorylation),底物水平磷酸化产生 ATP,反应不可逆,4.乳酸的生成,丙酮酸在无氧条件下还原为乳酸，有氧则进入线粒体氧化。,来自甘油醛-3-磷酸脱氢,(1)有3步不可逆反应：G G-6-P F-6-P F-1,6-BP PEP 丙酮酸,ATP ADP,ATP ADP,ADP ATP,己糖激酶,磷酸果糖激酶-1,丙酮酸激酶,5.糖酵解小结,（2）糖酵解的调节,关键酶,调节代谢途径中关键酶的活性而影响代谢速度,果糖磷酸激酶-1,AMPADP果糖-2,6-二磷酸,HATP（高浓度）柠檬酸长链脂肪酸,激活 抑制,己糖激酶,G-6-P长链脂酰CoA

5、,抑制,丙酮酸激酶,果糖-1,6-二磷酸,激活,乙酰C0AATP丙氨酸,抑制,（3）糖酵解的能量计算,糖酵解：1分子葡萄糖 2分子丙酮酸，共消耗了2个ATP，产生了4 个ATP，实际上净生成了2个ATP，同时产生2个NADH。,6.糖酵解的生理意义,1.从单细胞生物到高等动植物都存在糖酵解。2.释放能量，使机体在缺氧情况下仍能进行生命活动。3.酵解过程的中间产物可为机体提供碳骨架。,7.无氧发酵（Fermentation),乙醇发酵,丙酮酸脱羧酶+TPP,乙醇脱氢酶,乙醇,乳酸发酵,（二）糖的有氧分解,概念：有氧，葡萄糖（糖原）CO2+H2O+ATP,有氧氧化的概况,第一阶段：葡萄糖 丙酮酸（

6、胞液）第二阶段：丙酮酸 乙酰CoA（线粒体）第三阶段：乙酰CoA CO2+H2O+ATP（三羧酸循环）（线粒体）,有氧氧化的反应过程,Glc,2CH3COCOOH,2NADH+2H+,呼吸链(respiratory chain),H2O+2 3ATP（2 2ATP）,1.葡萄糖氧化分解为丙酮酸,同糖酵解途径，反应在细胞液进行,2.丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA,反应不可逆,丙酮酸脱羧酶,二氢硫辛酸乙酰转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,TPP（Vit B1）,HSCoA（泛酸）硫辛酸,FAD（Vit B2）NAD+（Vit PP）,酶,辅酶（维生素）,丙酮酸脱氢酶系的组成,丙酮酸氧化脱羧反应过程,羧,三羧

7、酸循环(Tricarboxylic acid Cycle,TAC)指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸的重复循环反应的过程。,3.三羧酸循环,（柠檬酸循环）,所有的反应均在线粒体中进行,TAC,CH3COSCOA（C2）,草酰乙酸（C4）,柠檬酸（C6）,-酮戊二酸（C5）,HSCoA,（1）反应过程:,反应不可逆,反应不可逆,Fe+,Fe+,Mg2+,NADP+,Mn2+,反应不可逆,底物水平磷酸化,琥珀酸硫激酶,TAC中唯一直接生成ATP,三羧酸循环,三羧酸循环的总反应式：,H2O+ATP,电子传递链,循环一周氧化1分子乙酰CoA 脱氢4次(2

8、H)3（NADH+H+）、1（FADH2）2次脱羧（2CO2）,三羧酸循环的反应特点,关键酶：柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶系,草酰乙酸的补充,1、丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，需要生物素为辅酶。,2、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。,2、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。,草酰乙酸的补充,回补途径,4.糖的有氧氧化的调节,调节点：第一阶段：见糖酵解第二阶段：丙酮酸脱氢酶系第三阶段：柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶系,（1）丙酮酸脱氢酶系的调节,变

9、构调节,乙酰CoA;NADH;ATP,AMP;ADP;NAD+,丙酮酸脱氢酶系,变构抑制,变构激活,乙酰CoA/HSCoA、NADH/NAD+,抑制,能量充足,丙酮酸脱氢酶系,共价修饰调节,丙酮酸脱氢酶,丙酮酸脱氢酶,P,丙酮酸脱氢酶激酶,ATPADP,丙酮酸脱氢酶磷酸酶,有活性,无活性,（2）三羧酸循环的调节,异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶系,ATP/ADP、ATP/AMP、NADH/NAD+,抑制,氧化磷酸化速率影响三羧酸循环速率,三羧酸循环的控制三羧酸循环的主要调控步骤和调节因子,异柠檬酸脱氢酶,柠檬酸合成酶,-酮戊二酸脱氢酶,苹果酸脱氢酶,丙酮酸脱氢酶,细胞内能量水平,有氧氧化中的关

10、键酶被 激活 抑制,有氧氧化 加速 减慢,有氧氧化调节特点：,5.有氧氧化的生理意义,有氧氧化是机体获得能量的主要方式,三羧酸循环是体内糖、脂肪和蛋白质三大营养物质分解代谢的最终代谢通路,三羧酸循环是三大物质代谢相互联系的枢纽,6.葡萄糖有氧氧化生成的ATP,葡萄糖葡萄糖-磷酸-1,第一阶段：葡萄糖丙酮酸,果糖-磷酸果糖-1,6-二磷酸-1,2*甘油醛-3-磷酸2*甘油酸-1,3-二磷酸 NAD+2*3或2*2,2*甘油酸-1,3-二磷酸2*甘油酸-3-磷酸 2*1,2*烯醇式丙酮酸磷酸2*丙酮酸 2*1,辅酶 ATP,6或8ATP,第二阶段：,2*丙酮酸 2*乙酰CoA NAD+2*3,辅酶

11、 ATP,6 ATP,第三阶段：三羧酸循环,2*异柠檬酸2*-酮戊二酸 NAD+2*32*-酮戊二酸 2*琥珀酰CoA NAD+2*32*琥珀酰CoA 2*琥珀酸 2*12*琥珀酸2*延胡索酸 FAD 2*22*苹果酸2*草酰乙酸 NAD+2*3,辅酶 ATP,24ATP,总ATP数：第一阶段6或8第二阶段6 36 或 38ATP第三阶段24,植物与动物细胞在代谢上有许多不同的方面。植物及许多微生物可以从脂肪合成糖。这种转换对种子的发育至关重要。在种子中，很多能量是以三酰甘油的形式贮存。当种子发芽时，三酰甘油断裂，转换成糖，提供植物生长所需要的能量和代谢中间物的前体。植物通过乙醛酸循环合成糖。

12、动物中不存在乙醛酸循环。乙醛酸循环是一个环形途径，把两个乙酰辅酶A的乙酰基转换成琥珀酸。这条途径使用一些三羧酸循环中的酶，但绕过了两个丢失碳的反应。第二个乙酰辅酶A从旁路中进入循环。,（三）乙醛酸循环三羧酸循环支路,乙醛酸循环的反应。由异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶催化的反应（红色）绕过了三羧酸循环中从异柠檬酸到苹果酸之间的 5个反应。,+,乙醛酸,每一轮乙醛酸循环引入2个2碳片段，合成一个4碳的琥珀酸。这个循环发生在乙醛酸循环体上。,在乙醛酸循环体产生的琥珀酸被运送到线粒体，转换成草酰乙酸。乙醛酸循环允许许多微生物进行二碳底物的代谢，如乙酸。大肠杆菌可以生长在以乙酸作为唯一碳源的培养基上。,与

13、乙醛酸循环有关的细胞内的反应,脂质体,乙醛酸循环体,线粒体,胞浆,糖异生,琥珀酸,1）乙酰辅酶A由脂肪酸氧化产生。乙酸也可以通过乙酰辅酶A合成酶转换成乙酰辅酶A。乙酸+CoASH+ATP 乙酰辅酶A+AMP+Pi2）乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合产生柠檬酸。3）柠檬酸与顺乌头酸酶反应产生异柠檬酸。,乙醛酸循环的反应：,4）异柠檬酸裂解酶切割异柠檬酸产生乙醛酸和琥珀酸。,5）乙醛酸经苹果酸合成酶催化，在水的存在下接受乙酰辅酶A的乙酸。,+,-,尽管这个反应，以及柠檬酸合成酶和顺乌头酸酶的反应，与三羧酸循环反应一样，但这三个在乙醛酸循环中的酶是三羧酸循环酶的同工酶。这些同工酶存在于植物的乙醛酸循环体中，

14、只在乙醛酸循环中起作用。,6）苹果酸在苹果酸脱氢酶的催化下再脱氢生成草酰乙酸。,乙醛酸循环的总反应：2乙酰CoA+NAD+2H2O 琥珀酸+2CoASH+NADH+2H+,（四）戊糖磷酸途径phosphopentose pathway PPP,糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要径，但不是唯一途径。实验研究也表明：在组织中添加酵解抑制剂如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，这说明葡萄糖还有其它的代谢途径。许多组织细胞中都存在有另一种葡萄糖降解途径，即磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway,PPP），也称为磷酸己糖支路（hexose monophosphate

15、pathway/shunt,HMP）。参与磷酸戊糖途径的酶类都分布在动物细胞浆中，动物体中约有30%的葡萄糖通过此途径分解。,磷酸戊糖途径概况,葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸+NADPH+CO2过程：第一阶段：氧化反应葡萄糖-6-磷酸脱氢、脱羧生成NADPH、CO2第二阶段：非氧化阶段一系列基团的转移,1.戊糖磷酸反应途径,第一阶段：,第二阶段：,核酮糖-5-磷酸,木酮糖-5-磷酸,景天糖-7-磷酸,赤藓糖-4-磷酸,核糖-5-磷酸,木酮糖-5-磷酸,甘油醛-3-磷酸,果糖-6-磷酸,甘油醛-3-磷酸,转酮酶,转酫酶,转酮酶,总反应式,2.磷酸戊糖途径的调节,肝脏中的各种戊糖途径的酶中以6-磷

16、酸葡萄糖脱氢酶的活性最低，所以它是戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应步骤，其活性的高低决定葡糖-6-磷酸进入磷酸戊糖途径的流量。其活性受NADP+/NADPH比值的调节，NADPH能强烈抑制6-磷酸葡萄糖脱氢酶。磷酸戊糖途径的流量取决于机体对NADPH的需求。,3.生理意义：（1）磷酸戊糖途径是体内利用葡萄糖生成5-磷酸核糖的唯一途径，为体内核酸的合成提供了原料。（2）NADPH的生成及其功用：磷酸戊糖途径的另一主要生理意义是提供细胞代谢所需的NADPH。NADPH的功用：在脂肪酸及胆固醇等物质的生物合成中提供氢，作为供氢体。NADPH作为谷胱甘肽还原酶的辅酶，对于维持细胞中还原型谷胱甘肽（G-

17、SH）的正常含量，从而对维持细胞特别是红细胞的完整性有重要作用。NADPH参与肝脏内的生理转化反应。（3）通过磷酸戊糖途径中的转酮醇基及转醛醇基反应，使丙糖，丁糖，戊糖，己糖，庚糖在体内得以互相转变。,还原型谷胱甘肽(GSH)的重要作用,（1）保护含巯基的蛋白质或酶免受氧化剂、尤其是过氧化物的损害。（2）保护红细胞膜结构的完整性。（3）缺乏葡萄糖-6-磷酸脱氢酶 NADPHGSH红细胞破坏溶血,三、糖的合成反应,（一）蔗糖的合成 1.糖核苷酸的作用及形成定义：单糖与核苷酸通过磷酸酯键结合的化合物称为糖核苷酸。作用：糖核苷酸是高等动植物体内合成双糖和多糖时，葡萄糖的活化形式与供体。种类：目前发现

18、的糖核苷酸主要有UDPG,ADPG,TDPG,GDPG,CDPG等。在糖类代谢中，以UDPG,ADPG为最重要。形成：1-P-G+UTP,UDPG焦磷酸化酶,UDPG+PPi,酯酶,2Pi,2.蔗糖的生物合成 有三条途径：（1）蔗糖磷酸化酶途径（微生物）1-P-葡萄糖+果糖-6-P 蔗糖+Pi（2）蔗糖合成酶(植物）UDPG+果糖 UDP+蔗糖 该酶也可利用ADPG,GDPG,TDPG,CDPG作为葡萄糖基供体。在发育的谷类籽粒（非光合组织）中主要是分解反应。,（3）蔗糖磷酸合酶途径（植物光合组织）UDPG+6-P-果糖 磷酸蔗糖+UDP 磷酸蔗糖 蔗糖+Pi,蔗糖磷酸合酶,蔗糖磷酸酯酶,（二

19、）淀粉的生物合成 1.直链淀粉的合成 n UDPG+引物 直链淀粉+nUDP 也可用ADPG做供体。引物:麦芽糖 麦芽三糖 麦芽四糖 淀粉分子,UDPG转葡萄糖苷酶,2.支链淀粉的合成,支链淀粉的-1，6糖苷键的分支是由直链底物转化而来，催化这个转化的酶称为Q酶。,m,n,+,m,m,n,n,Q酶,Q酶,还原端,从非还原端切断1个小寡聚糖碎片A（6-7G）,将A转移到B或另一直链淀粉的一个葡萄糖残基的C6-OH上，形成-1，6糖苷键,A,B,（三）糖原的合成,合成部位：组织定位：主要在肝脏、肌肉细胞定位：胞浆,定义：由葡萄糖合成糖原的过程,Gn G G-6-P G-1-P UDPG Gn+1

20、关键酶：糖原合酶 葡萄糖的供体：UDPG，需小分子糖原作引物消耗的能量：2分子ATP,1.反应过程,葡萄糖,葡糖-6-磷酸,（1）葡萄糖磷酸化生成葡糖-6-磷酸,（2）葡糖-6-磷酸转变成葡糖-1-磷酸,活性葡萄糖在体内充作葡萄糖供体,（3）葡糖-1-磷酸转变成尿苷二磷酸葡萄糖,糖原n+UDPG,糖原n+1+UDP,糖原合酶(glycogen synthase),（4）UDPG参与合成糖原,糖原引物(primer),（5）糖原分支的形成,当链长度达到1218个葡萄糖残基时，分枝酶就将链长约为7个葡萄糖残基的糖链移至邻近的糖链上，并以1,6-糖苷键进行连接，从而形成糖原分子的分枝。,1、糖原合成

21、酶催化的反应需要引物（多聚葡萄糖）2、糖原合成酶是关键酶3、分枝酶形成分枝4、每增加一个葡萄糖，消耗 2 Pi5、UDPG是葡萄糖的供体（葡萄糖的活性形式）6、糖原合成全过程是在细胞质中进行,糖原合成特点,2.糖原合成与分解的调节,关键酶,糖原合成：糖原合酶,糖原分解：糖原磷酸化酶,调节关键酶活性：,调节方式：共价修饰和变构调节,酶特点：活性、无（低）活性二种形式存在 通过磷酸化和去磷酸化而相互转变,（1）共价修饰调节,主要是葡萄糖作为变构效应剂对磷酸化酶进行变构调节。当血糖升高时，葡萄糖 葡糖-6-磷酸 ATP 增多,（2）别构调节,糖原合酶,磷酸化酶a-P,磷酸化酶b,AMP,糖异生是指从

22、非糖物质合成葡萄糖的过程。非糖物质包括丙酮酸、乳酸、生糖氨基酸、甘油等均可以在哺乳动物的肝脏中转变为葡萄糖或糖原。这一过程基本上是糖酵解途径的逆过程，但具体过程并不是完全相同，因为在酵解过程中有三步是不可逆的反应，而在糖异生中要通过其它的旁路途径来绕过这三步不可逆反应，完成糖的异生过程。,1.糖异生的证据及其生理意义,（四）糖原的异生作用,用整体动物做实验，禁食24小时，大鼠肝脏中的糖原由7%降低到1%，饲喂乳酸、丙酮酸或三羧酸循环代谢的中间物后可以使大鼠肝糖原增加。根皮苷是一种从梨树茎皮中提取的有毒的糖苷，它能抑制肾小管将葡萄糖重吸收进入血液中，这样血液中的葡萄糖就不断的由尿中排出。当给用根

23、皮苷处理过的动物饲喂三羧酸循环中间代谢物或生糖氨基酸后，这些动物尿中的糖含量增加。糖尿病人或切除胰岛的动物，他们从氨基酸转化成糖的过程十分活跃。当摄入生糖氨基酸时，尿中糖含量增加。,糖异生的证据,糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料的，成人每天约需要160克葡萄糖，其中120克用于脑代谢，而糖原的贮存量是很有限的，所以需要糖异生来补充糖的不足。在饥饿或剧烈运动造成糖原下降后，糖异生能使酵解产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油以及生糖氨基酸等中间产物重新生成糖。这对维持血糖浓度，满足组织对糖的需要是十分重要的。糖异生可以促进脂肪氧化分解供应能量，当体内糖供应不

24、足时，机体会大量动员脂肪分解，此时会产生过多的酮体（乙酰乙酸、-羟丁酸、丙酮），而酮体则必须经过三羧酸循环才能彻底氧化，此时糖异生对维持三羧酸循环的正常进行起主要作用。,糖异生的生理意义,1、丙酮酸羧化生成磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸+ATP+GTP 磷酸烯醇式丙酮酸+ADP+GDP+CO2,2、磷酸烯醇式丙酮酸沿酵解途径逆向反应生成1,6-二磷酸果糖。这个过程也要逾越一个能障，即从3-磷酸甘油酸转变成1,3-二磷酸甘油酸的过程中需要消耗一个ATP。,2.糖异生途径,3、1,6-二磷酸果糖转化成6-磷酸果糖。这是糖异生作用中的关键反应，由果糖二磷酸酶催化。该酶是一个别构酶，被其负效应物AMP、2,

25、6-二磷酸果糖强烈抑制，但ATP、柠檬酸和3-磷酸甘油酸可激活此酶的活性。4、6-磷酸果糖转化为葡萄糖，由葡萄糖-6-磷酸酶催化。该酶只在肝脏中存在，在肌肉或脑组织中没有此酶存在，因此糖异生作用只能在肝脏中进行。,葡糖-6-磷酸酶,3.糖异生途径的前体,1、凡是能生成丙酮酸的物质都可以变成葡萄糖。例如三羧酸循环的中间物，柠檬酸、异柠檬酸、-酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸都可以转变成草酰乙酸而进入糖异生途径。,2、大多数氨基酸是生糖氨基酸如丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、精氨酸、组氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷胺酰胺、天冬酰胺、甲硫氨酸、缬氨酸等，它们可转化成丙酮酸、-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环中间物参加糖异生途径。,3、可立氏循环：剧烈运动时产生的大量乳酸会迅速扩散到血液，随血流流至肝脏，先氧化成丙酮酸，再经过糖异生作用转变为葡萄糖，进而补充血糖，也可重新合成肌糖原被贮存起来。这一乳酸葡萄糖的循环过程称为Cori循环。,4、反刍动物糖异生途径十分活跃，牛胃中的细菌分解纤维素成为乙酸、丙酸、丁酸等奇数脂肪酸可转变成为琥珀酰CoA参加糖异生途径合成葡萄糖。,