生物化学课件.ppt

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1、糖 代 谢,Carbohydrate Metabolism,第 八 章,糖类(carbohydrate),其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物,或其多聚物.,一、概述,(一)糖的生理功能,1.生物体的主要能源物质,如糖可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质的原料。,3.作为机体组织细胞的组成成分,通过生物氧化提供生命活动需要的能量;能源贮存,2.提供合成体内其他物质的原料,如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成成分。4.作为细胞识别的信息分子,根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类。,单糖(monosacchride)寡糖(oligosacchride)多糖(polysacchr

2、ide)糖复合物(glycoconjugate),2.寡糖,常见的几种二糖有,麦芽糖(maltose)葡萄糖 葡萄糖,蔗 糖(sucrose)葡萄糖 果糖,乳 糖(lactose)葡萄糖 半乳糖,能水解生成几分子单糖的糖，各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连。,3.多糖 能水解生成多个分子单糖的糖。,常见的多糖有,淀 粉(starch),糖 原(glycogen),纤维素(cellulose),4.糖复合物 糖与非糖物质的结合物。,糖脂(glycolipid)糖蛋白(glycoprotein),常见的结合糖有,（二）多糖的酶促降解,多糖和寡聚糖只有分解成小分子后才能被吸收利用,淀粉的水解：水解淀粉

3、的酶包括-淀粉酶：从淀粉分子的内部水解-1,4糖苷键-淀粉酶：从淀粉分子链的非还原端依次水解麦芽 糖单位-1,6糖苷键酶：专一水解支链淀粉的-1,6糖苷键。,淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖 葡萄糖,糖原的磷酸解,Pi,糖原的降解:磷酸化酶的作用,脱枝酶的作用,转移葡萄糖残基水解-1,6-糖苷键,转移酶活性,目 录,glycogen,葡萄糖,丙酮酸,H2O及CO2,乳酸,核糖+NADPH+H+,二、糖的分解代谢,无氧酵解,有氧氧化,磷酸戊糖途径,乙醛,乙醇,无氧,（一）糖的无氧酵解（Glycolysis）,糖酵解的定义：,在无氧情况下，葡萄糖分解生成乳酸(lactate)的过程称之为糖酵解。,糖酵解的

4、反应部位：胞浆,当前人们将葡萄糖降解产生丙酮酸的过程称为糖酵解,I.糖酵解的反应过程,第一阶段,第二阶段,*糖酵解分为两个阶段,由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称之为糖酵解途径(glycolytic pathway)。,由丙酮酸转变成乳酸。,葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,1.葡萄糖分解成丙酮酸,6-磷酸葡萄糖转变为 6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,6-磷酸果糖转变为1,6-双磷酸果糖,6-磷酸果糖,1,6-双磷酸果糖,1,6-双磷酸果糖,磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,磷酸丙糖的同分异构化,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二

5、磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸甘油酸,1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,底物分子内部能量重新分布，释放高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化。,1,3-二磷酸 甘油酸,3-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,这是酵解过程中第二次底物水平磷酸化,生成ATP,2.丙酮酸转变成乳酸,丙酮酸,乳酸,反应中的NADH+H+来自于上述第6步反应中的 3-磷酸甘油醛脱氢反应。,糖酵解的代谢途径,E2,E1,E3,糖酵

6、解小结,反应部位：胞浆 糖酵解是一个不需氧的产能过程 反应全过程中有三步不可逆的反应,产能的方式和数量方式：底物水平磷酸化净生成ATP数量：从G开始 22-2=2ATP,终产物乳酸的去路释放入血，进入肝脏再进一步代谢。分解利用 乳酸循环（糖异生）,II.糖酵解的调节,关键酶,调节方式,H+,;,;,III、糖酵解的生理意义,1.是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。,2.是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径。,无线粒体的细胞，如：红细胞,代谢活跃的细胞，如：白细胞、骨髓细胞,（二）糖的有氧氧化 Aerobic Oxidation of Carbohydrate,糖的有氧氧化(aerobi

7、c oxidation)指在机体氧供充足时，葡萄糖彻底氧化成H2O和CO2，并释放出能量的过程。是机体主要供能方式。,*部位：胞液及线粒体,*概念,I、有氧氧化的反应过程,第一阶段：酵解途径,第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧,第三阶段：三羧酸循环,G（Gn）,第四阶段：氧化磷酸化,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TAC循环,胞液,线粒体,（1）丙酮酸的氧化脱羧,丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧为乙酰CoA。,总反应式:,丙酮酸脱氢酶复合体的组成,酶E1：丙酮酸脱氢酶E2：二氢硫辛酰胺转乙酰酶E3：二氢硫辛酰胺脱氢酶,CO2,CoASH,NAD+,NADH+H+,5.NADH+H+的生成,1

8、.-羟乙基-TPP的生成,2.乙酰硫辛酰胺的生成,3.乙酰CoA的生成,4.硫辛酰胺的生成,目 录,三羧酸循环(Tricarboxylic acid Cycle,TAC)也称为柠檬酸循环，这是因为循环反应中的第一个中间产物是一个含三个羧基的柠檬酸。由于Krebs正式提出了三羧酸循环的学说，故此循环又称为Krebs循环，它由一连串反应组成。,所有的反应均在线粒体中进行。,（2）三羧酸循环,*概述,*反应部位,NADH+H+,NAD+,NAD+,NADH+H+,GTP,GDP+Pi,FAD,FADH2,NADH+H+,NAD+,柠檬酸合酶,顺乌头酸梅,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体,琥珀酰

9、CoA合成酶,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,目 录,小 结,三羧酸循环的概念：指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复的进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程。TAC过程的反应部位是线粒体。,三羧酸循环的要点 经过一次三羧酸循环，消耗一分子乙酰CoA，经四次脱氢，二次脱羧，一次底物水平磷酸化。生成1分子FADH2，3分子NADH+H+，2分子CO2，1分子GTP。关键酶有：柠檬酸合酶-酮戊二酸脱氢酶复合体 异柠檬酸脱氢酶,整个循环反应为不可逆反应,三羧酸循环的中间产物三羧酸循环中间产物起催化剂的作用，本身无量的变化，不可能通过三羧酸循环直接从乙酰CoA合成草

10、酰乙酸或三羧酸循环中其他产物，同样中间产物也不能直接在三羧酸循环中被氧化为CO2及H2O。,例如：,A 机体内各种物质代谢之间是彼此联系、相互配合的，TAC中的某些中间代谢物能够转变合成其他物质，借以沟通糖和其他物质代谢之间的联系。,B 机体糖供不足时，可能引起TAC运转障碍，这时苹果酸、草酰乙酸可脱羧生成丙酮酸，再进一步生成乙酰CoA进入TAC氧化分解。,*所以，草酰乙酸必须不断被更新补充。,草酰乙酸,其来源如下：,2.三羧酸循环的生理意义,是三大营养物质氧化分解的共同途径；是三大营养物质代谢联系的枢纽；为其它物质代谢提供小分子前体；为呼吸链提供H+e。,H+e 进入呼吸链彻底氧化生成H2O

11、 的同时ADP偶联磷酸化生成ATP。,II、有氧氧化生成的ATP,葡萄糖有氧氧化生成的ATP,此表按传统方式计算ATP。目前有新的理论，在此不作详述,III.有氧氧化的生理意义,糖的有氧氧化是机体产能最主要的途径。它不仅产能效率高，而且由于产生的能量逐步分次释放，相当一部分形成ATP，所以能量的利用率也高。,有氧氧化的调节特点,有氧氧化的调节通过对其关键酶的调节实现。ATP/ADP或ATP/AMP比值全程调节。该比值升高，所有关键酶均被抑制。氧化磷酸化速率影响三羧酸循环。前者速率降低，则后者速率也减慢。三羧酸循环与酵解途径互相协调。三羧酸循环需要多少乙酰CoA，则酵解途径相应产生多少丙酮酸以生

12、成乙酰CoA。,IV.巴斯德效应,*概念,巴斯德效应(Pastuer effect)指有氧氧化抑制糖酵解的现象。,(三)磷酸戊糖途径Pentose Phosphate Pathway,*概念,磷酸戊糖途径是指由葡萄糖生成磷酸戊糖及NADPH+H+，前者再进一步转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反应过程。,*细胞定位：胞 液,第一阶段：氧化反应 生成磷酸戊糖，NADPH+H+及CO2,I.磷酸戊糖途径的反应过程,*反应过程可分为二个阶段,第二阶段则是非氧化反应 包括一系列基团转移。,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸核酮糖,6-磷酸葡萄糖脱氢酶,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸

13、内酯,1.磷酸戊糖生成,5-磷酸核糖,催化第一步脱氢反应的6-磷酸葡萄糖脱氢酶是此代谢途径的关键酶。两次脱氢脱下的氢均由NADP+接受生成NADPH+H+。,G-6-P,5-磷酸核糖,NADP+,NADPH+H+,NADP+,NADPH+H+,CO2,每3分子6-磷酸葡萄糖同时参与反应，在一系列反应中，通过3C、4C、6C、7C等演变阶段，最终生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。,3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖，可进入酵解途径。因此，磷酸戊糖途径也称磷酸戊糖旁路。,2.基团转移反应,5-磷酸核酮糖(C5)3,5-磷酸核糖 C5,磷酸戊糖途径,第一阶段,第二阶段,总反应式,36-磷酸葡萄糖+6 NA

14、DP+,26-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛+6NADPH+H+3CO2,磷酸戊糖途径的特点,脱氢反应以NADP+为受氢体，生成NADPH+H+。反应过程中进行了一系列酮基和醛基转移反应，经过了3、4、5、6、7碳糖的演变过程。反应中生成了重要的中间代谢物5-磷酸核糖。一分子G-6-P经过反应，只能发生一次脱羧和二次脱氢反应，生成一分子CO2和2分子NADPH+H+。,II.磷酸戊糖途径的调节,*6-磷酸葡萄糖脱氢酶,此酶为磷酸戊糖途径的关键酶，其活性的高低决定6-磷酸葡萄糖进入磷酸戊糖途径的流量。,此酶活性主要受NADPH/NADP+比值的影响，比值升高则被抑制，降低则被激活。另外NADPH对该酶

15、有强烈抑制作用。,III.磷酸戊糖途径的生理意义,（1）为核苷酸的生成提供核糖,（2）提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应,1.NADPH是体内许多合成代谢的供氢体,2.NADPH参与体内的羟化反应，与生物合成或生物转化有关,3.NADPH可维持GSH的还原性,2G-SH G-S-S-G,NADP+NADPH+H+,A AH2,（2）提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应,三.糖原的合成 Glycogenesis and Glycogenolysis,是动物体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储备。,糖 原(glycogen),糖原储存的主要器官及其生理意义,I.糖原的合成代谢,

16、（2）合成部位,（1）定义,糖原的合成(glycogenesis)指由葡萄糖合成糖原的过程。,组织定位：主要在肝脏、肌肉细胞定位：胞浆,葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,（3）糖原合成途径,6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖,*UDPG可看作“活性葡萄糖”，在体内充作葡萄糖供体。,+,1-磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG),-1,4-糖苷键式结合,*糖原n 为原有的细胞内的较小糖原分子，称为糖原引物(primer)，作为UDPG 上葡萄糖基的接受体。,（4）糖原分枝的形成,目 录,II.糖原的分解代谢,*定义,*亚细胞定位：胞

17、浆,*肝糖元的分解,1.糖原的磷酸解,糖原分解(glycogenolysis)习惯上指肝糖原分解成为葡萄糖的过程。,2.脱枝酶的作用,转移葡萄糖残基水解-1,6-糖苷键,转移酶活性,目 录,3.1-磷酸葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖,4.6-磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖,*肌糖原的分解,由于肌肉组织中不存在葡萄糖-6-磷酸酶，所以生成的6-磷酸葡萄糖不能转变成葡萄糖释放入血，提供血糖，而只能进入酵解途径进一步代谢。肌糖原的分解与合成与乳酸循环有关。,G-6-P的代谢去路,G（补充血糖）,G-6-P,F-6-P（进入酵解途径）,G-1-P,Gn（合成糖原）,UDPG,6-磷酸葡萄糖内酯（进入磷酸戊糖途径

18、）,葡萄糖醛酸（进入葡萄糖醛酸途径）,小 结,反应部位：胞浆,3.糖原的合成与分解总图,III.糖原合成与分解的调节,这两种关键酶的重要特点：*有共价修饰和变构调节二种方式。*都以活性、无（低）活性二种形式存在，二种形式之间可通过磷酸化和去磷酸化而相互转变。,调节有级联放大作用，效率高；,两种酶磷酸化或去磷酸化后活性变化相反；,此调节为酶促反应，调节速度快；,受激素调节。,1.共价修饰调节,磷酸化酶b激酶,糖原合酶,糖原合酶-P,磷酸化酶b,磷酸化酶a-P,磷蛋白磷酸酶抑制剂,2.别构调节,磷酸化酶二种构像紧密型(T)和疏松型(R)，其中T型的14位Ser暴露，便于接受前述的共价修饰调节。,*

19、葡萄糖是磷酸化酶的别构抑制剂。,IV.糖 异 生Gluconeogenesis,糖异生(gluconeogenesis)是指从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。,*部位,*原料,*概念,主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体,主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸,1、糖异生途径,*定义,*过程,酵解途径中有3个由关键酶催化的不可逆反应。在糖异生时，须由另外的反应和酶代替。,糖异生途径与酵解途径大多数反应是共有的、可逆的；,糖异生途径(gluconeogenic pathway)指从丙酮酸生成葡萄糖的具体反应过程。,(1)丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),丙酮酸,草酰乙酸,PEP,丙酮酸羧化酶(pyru

20、vate carboxylase)，辅酶为生物素（反应在线粒体）,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（反应在线粒体、胞液）,目 录,草酰乙酸转运出线粒体,丙酮酸,线粒体,胞液,糖异生途径所需NADH+H+的来源,糖异生途径中，1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油醛时，需要NADH+H+。,由氨基酸为原料进行糖异生时，NADH+H+则由线粒体内NADH+H+提供，它们来自于脂酸的-氧化或三羧酸循环，NADH+H+转运则通过草酰乙酸与苹果酸相互转变而转运。,(2)1,6-双磷酸果糖 转变为 6-磷酸果糖,(3)6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖,非糖物质进入糖异生的途径,糖异生的原料转变成糖代谢的中间产物,上述糖代谢

21、中间代谢产物进入糖异生途径，异生为葡萄糖或糖原,目 录,2.糖异生的调节,在前面的三个反应过程中，作用物的互变分别由不同酶催化其单向反应，这种互变循环称之为底物循环。,3.、糖异生的生理意义,（1）维持血糖浓度恒定,（2）补充肝糖原,三碳途径：指进食后，大部分葡萄糖先在肝外细胞中分解为乳酸或丙酮酸等三碳化合物，再进入肝细胞异生为糖原的过程。,（3）调节酸碱平衡（乳酸异生为糖）,乳酸循环(lactose cycle)（Cori 循环）,循环过程,葡萄糖,葡萄糖,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乳酸,乳酸,丙酮酸,血液,生理意义,乳酸再利用，避免了乳酸的损失。,防止乳酸的堆积引起酸中毒。,乳酸循环是一个耗能

22、的过程,2分子乳酸异生为1分子葡萄糖需6分子ATP。,血糖及其调节Blood Glucose and The Regulation of Blood Glucose Concentration,*血糖，指血液中的葡萄糖。,*血糖水平，即血糖浓度。正常血糖浓度：3.96.1mmol/L,血糖及血糖水平的概念,血糖水平恒定的生理意义,保证重要组织器官的能量供应，特别是某些依赖葡萄糖供能的组织器官。,脑组织不能利用脂酸，正常情况下主要依赖葡萄糖供能；红细胞没有线粒体，完全通过糖酵解获能；骨髓及神经组织代谢活跃，经常利用葡萄糖供能。,血糖,一、血糖来源和去路,二、血糖水平的调节,*主要依靠激素的调节,

23、（一）胰岛素,促进葡萄糖转运进入肝外细胞；,加速糖原合成，抑制糖原分解；,加快糖的有氧氧化；,抑制肝内糖异生；,减少脂肪动员。,体内唯一降低血糖水平的激素,胰岛素的作用机制:,（二）胰高血糖素,促进肝糖原分解，抑制糖原合成；,抑制酵解途径，促进糖异生；,促进脂肪动员。,体内升高血糖水平的主要激素,胰高血糖素的作用机制：,（三）糖皮质激素,引起血糖升高，肝糖原增加,糖皮质激素的作用机制可能有两方面：促进肌肉蛋白质分解，分解产生的氨基酸转移到肝进行糖异生。抑制肝外组织摄取和利用葡萄糖，抑制点为丙酮酸的氧化脱羧。,（四）肾上腺素,强有力的升高血糖的激素,肾上腺素的作用机制：,通过肝和肌肉的细胞膜受体、cAMP、蛋白激酶级联激活磷酸化酶，加速糖原分解。主要在应激状态下发挥调节作用。,1.葡萄糖单元以-1,4-糖苷 键形成长链。2.约10个葡萄糖单元处形成分枝，分枝处葡萄糖以-1,6-糖苷键连接，分支增加，溶解度增加。3.每条链都终止于一个非还原端.非还原端增多，以利于其被酶分解。,糖原的结构特点及其意义,目 录,