第7章糖类代谢.ppt

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1、第二篇 代谢篇第7章 糖类代谢,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。,7.1 糖类的消化吸收,多糖和寡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。淀粉水解：淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖 G,糖的消化,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

2、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,非还原端,寡聚-（1,41,4)葡萄糖转移酶,H2O,脱支酶,只分解-1,4-糖苷键，且在离分支点4个葡萄糖残基处停止反应。,糖的分解代谢,生物体内葡萄糖（糖原）的分解主要有三条途径：,1.无O2情况下，葡萄糖（G）丙酮酸 乳酸,2.有O2情况下，G CO2+H2O（经三羧酸循环）,3.G CO2+H2O（经磷酸戊糖途径）,乙醇,7.

3、2 糖的无氧酵解,2CH3CH2OH,糖酵解-在缺氧的情况下，葡萄糖降解为丙酮酸并伴随ATP生成的一系列化学反应。亦称EMP 途径，以纪念Embden，Mayerholf 和Parnas。,C6H12O6+2Pi+2ADP 2CH3CHOHCOOH+2ATP,ATP计算,1、乳酸发酵（同型乳酸发酵）lactic fermation 动物 乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌）G+2ADP+2Pi 2乳酸 2ATP+2水,二、丙酮酸的去路,NAD+,1,2、酒精发酵（酵母的第型发酵）alcoholic fermation,三、糖酵解过程中能量的产生,1分子葡萄糖 2分子丙酮酸 共消耗了2个ATP（第1、第3

4、步）。共产生了4个ATP（第7、第10步）。实际上净生成了2个ATP。同时产生2个NADH（第6步）。,四、糖酵解的调节,糖酵解中大多数反应是可逆的。而由己糖激酶、磷酸果糖激酶（PFK）和丙酮酸激酶催化的3步反应是不可逆的。他们调节着糖酵解的速度。,PFK是EMP中最重要的调节酶。糖酵解的速度主要取决于PFK的活性。调节方式：1、ATP/AMP的调节。2、柠檬酸的调解。3、2，6二磷酸果糖的调解。4、H+的调节：抑制作用。防止产生过量乳酸导致酸中毒。,（一）磷酸果糖激酶（PFK）的调节,（Why?）,1、ATP/AMP的调节。,磷酸果糖激酶与ATP结合位点,底物结合部位（高亲和力）：ATP浓度

5、低时，与之结合，酶起正常的催化作用。同时，高浓度的AMP与酶的别构部位结合，解除ATP的抑制作用。,抑制剂结合部位（低亲和力）：ATP浓度高时，与之结合，降低酶的活性。,ATP是磷酸果糖激酶的别构抑制剂。,2.柠檬酸的调解,磷酸果糖激酶受柠檬酸的别构抑制，柠檬酸是糖有氧分解的中间产物。高浓度的柠檬酸意味着丰富的生物合成前体存在，葡萄糖无需为提供合成前体而分解。,3.2，6二磷酸果糖的调解,2，6二磷酸果糖是磷酸果糖激酶的别构激活剂。,（二）己糖激酶的调节,己糖激酶催化糖酵解的第一步不可逆反应，它受6磷酸果糖的别构抑制。当PFK被抑制时，6磷酸果糖增加，使6-磷酸葡萄糖的浓度增加。引起己糖激酶活

6、性下降。,（三）丙酮酸激酶的调节,1，6-二磷酸果糖是丙酮酸激酶的别构激活剂，而ATP和丙氨酸是此酶的别构抑制剂。当ATP和丙氨酸足够多时，糖酵解速度通过丙酮酸激酶的别构抑制而减慢。,五、糖酵解的生理意义,1、对厌氧生物和供氧不足的组织来说，糖酵解是糖分解的主要形式，也是获取能量的主要方式。2、糖酵解途径形成的许多中间产物，可作为合成其他物质的原料。3、虽然糖酵解仅利用葡萄糖储存能量的一小部分，但这种产能的方式迅速。4、在生物体内普遍存在。,7.3 糖的有氧氧化,糖的有氧氧化-葡萄糖在有氧条件下彻底氧化生成H2O和CO2的过程。,有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数细胞都是通过它获取能量。,一

7、、糖有氧氧化的反应历程,有氧氧化分3个阶段：,G 丙酮酸 丙酮酸乙酰CoACO2+H2O,第一阶段,胞液,线粒体,EMP,TCA,第二阶段,第三阶段,（一）丙酮酸氧化脱羧乙酰CoA的生成,基本反应：糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入线粒体内室。在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶A。,丙酮酸脱氢酶系：这一多酶复合体位于线粒体内膜上，原核细胞则在胞液中。,丙酮酸脱氢酶系,三种酶,六种辅助因子,E1-丙酮酸脱羧酶E2-硫辛酸乙酰转移酶E3-二氢硫辛酸脱氢酶。,焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、COA、FAD、NAD+、Mg2+,丙酮酸脱氢酶系反应机理,羟乙基焦磷酸硫胺素,焦磷酸硫胺素,ATP计算

8、,（二）三羧酸循环反应过程（TCA循环、柠檬酸循环）,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,a-酮戊二酸,琥珀酰CoA,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,草酰琥珀酸,CO2,2、顺乌头酸酶,3、异柠檬酸脱氢酶,4、-酮戊二酸脱氢酶系,6、琥珀酸脱氢酶,7、延胡索酸酶,8、苹果酸脱氢酶,1,1,1,1,-酮戊二酸脱羧酶、硫辛酸琥珀酰转移酶、二氢硫辛酸脱氢酶、TPP、硫辛酸、COA、FAD、NAD+、Mg2+,TCA中唯一底物水平磷酸化直接产生高能化合物的过程。,TCA中唯一与线粒体内膜结合的E，其他E都存在于线粒体基质中。,1,1、柠檬酸合酶,1,3、异柠檬酸脱氢酶,1,5、琥珀酰CoA合成酶,ATP计算,三羧酸

9、循环过程总结(每一次循环)8种酶催化反应类型缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化1生成3分子还原型Co 33生成1分子FADH2 12生成1分子ATP 1三羧酸循环总反应式,12ATP,每分子G彻底氧化须经几次TCA循环,？,二、糖有氧氧化产生的ATP,1分子葡萄糖彻底氧化生成CO2和H2O，可净生成38或36分子ATP。,1.生物体利用糖或其他物质氧化获得能量的最有效方式2.是糖类、蛋白质、脂肪等物质代谢和转换的枢纽,三羧酸循环的生物学意义,碳水化合物,蛋白质,脂肪,单糖,氨基酸,脂肪酸、甘油,乙酰CoA,TCA,ATP,CO2+H2O,丙酮酸,丙酮酸,线粒体,胞液,葡萄糖,柠檬酸

10、,脂肪酸,乙酰CoA,草酰乙酸,P,柠檬酸,草酰乙酸,乙酰CoA,线粒体内膜,TCA,三羧酸循环在脂肪酸合成中的作用,丙酮酸羧化支路（回补途径）,三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它产生的中间产物也是生物合成的前体。例如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，谷氨酸、天冬氨酸是从-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响三羧酸循环的进行。,-酮戊二酸,草酰乙酸,延胡索酸,柠檬酸,琥珀酰CoA,谷氨酸,甲硫氨酸缬氨酸异亮氨酸,苯丙氨酸酪氨酸,葡萄糖磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,乙酰CoA,天冬氨酸,脂肪酸,酮体,三羧酸循环,卟啉,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

11、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。,3.天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰CoA。其反应将在氨基酸代谢中讲述。,三、糖有氧氧化调节,关键的调节酶：丙酮酸脱氢酶系、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶。,调控方式：底物效应、产物积累的抑制作用、循环中间产物的别构作用、反馈抑制作用。,当细胞能量处于低水平，即高的ADP浓度，低的ATP和NADH浓度水平，TCA 加速进行。而当ATP、NADH、琥珀酸CoA和柠檬酸积累时，TCA循环就减速进行。,琥珀酰 C

12、oA、NADH,丙酮酸,乙酰CoA,丙酮酸脱氢酶系,+,-,ATP、乙酰 CoA、NADH、脂肪酸,AMP、CoA、NAD+、Ca2+,-,+,ATP、琥珀酰 CoA、NADH、脂肪酸,ADP,ATP、NADH,ADP、Ca2+,-,+,Ca2+,糖有氧氧化的调控点,柠檬酸合酶,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶系,7.3 磷酸戊糖途径pentose phosphate pathway PPP,糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要途径，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

13、萄糖降解途径，即磷酸戊糖途径（PPP），也称为己糖单磷酸旁路（hexose monophosphate pathway/shunt,HMP）。磷酸戊糖途径发生在胞质溶胶中，动物体中约有30%的葡萄糖通过此途径分解。该途径产生磷酸戊糖和还原型Co(NADPH)。,葡萄糖的氧化脱羧阶段 6-P葡萄糖+NADP+6-P葡萄糖酸内酯+NADPH+H+6-P葡萄糖酸内酯 6-P葡萄糖酸（容易进行）6-P葡萄糖酸+NADP+5-P核酮糖+CO2+NADPH+H+本阶段总反应：6-P葡萄糖+2NADP+H2O 5-P-核酮糖+CO2+2NADPH+2H+,6-P葡萄糖脱氢酶,6-P葡萄糖酸内酯酶,6-P葡萄

14、糖酸脱氢酶,H20,H+,一、磷酸戊糖途径的反应历程 分两个阶段：氧化和非氧化阶段。,66-P葡萄糖+12NADP+6H2O 65-P核酮糖+6CO2+12NADPH+12H+(氧化阶段)65-P核酮糖+H2O 56-P葡萄糖+Pi（非氧化阶段）总反应：66-P葡萄糖+12NADP+7H2O 6CO2+12NADPH+12H+Pi+56-P葡萄糖,磷酸戊糖途径以6分子6-P葡萄糖开始，经氧化阶段的2次脱氢和1次脱羧，再经非氧化阶段的醛基、酮基在分子间转移，最后使5分子6-P葡萄糖再生。,二、磷酸戊糖途径的意义,1、产生NADPH，为物质合成提供还原力。NADPH不同于NADH，不能进入呼吸链产

15、生ATP.生物体中如脂肪酸、固醇、四氢叶酸等的合成需要以NADPH为供氢体。2、为物质合成提供原料。磷酸戊糖途径的中间产物为许多 有机化合物的合成提供原料。同时，对五碳糖、和六碳糖的代谢和转变起纽带作用。,7.5 乙醛酸循环,乙醛酸循环只存在于植物和微生物体内。乙酸作为唯一的碳源构建自身机体。是三羧酸循环的辅助途径。它包括两种特殊的酶类：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合酶。,异柠檬酸 琥珀酸+乙醛酸,异柠檬酸裂解酶,乙酰CoA+乙醛酸+H2O 苹果酸,苹果酸合酶,乙醛酸与三羧酸循环的关系,7.6 糖醛酸途径,葡萄糖醛酸,6-磷酸葡萄糖或1-磷酸葡萄糖,UDP-葡萄糖醛酸,L-木酮糖,D-木酮糖,磷酸戊

16、糖途径,核糖,TCA,意义：糖醛酸途径产生的葡萄糖醛酸是重要的黏多糖，可做为透明质酸、硫酸软骨素和肝素的构成成分，也是肝脏进行解毒的重要物质，进入肝脏的毒物或药物与之结合随尿排出而起到解毒的作用。,尿苷二磷酸（UDP),7.7 糖异生,糖异生是指由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。,糖异生的证据及其生理意义,用整体动物做实验，禁食24小时，大鼠

17、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。,1.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

18、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。,2.糖异生的生理意义,糖异生作用的总反应式如下：2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H+4H2O 葡萄糖+2NAD+4ADP+2GDP+6Pi,一、糖异生的途径,6-磷酸葡萄糖酯酶,糖异生与糖酵解

19、的比较,1,6-二磷酸果糖酯酶,位于线粒体内,线粒体内,线粒体内外草酰乙酸的转运,2分子丙酮酸合成1分子葡萄糖需要4分子ATP和2分子GTP。,线粒体,胞质,二、糖异生作用的调节,磷酸烯醇式丙酮,丙酮酸,草酰乙酸,磷酸果糖激酶,1，6-二磷酸果糖酯酶,丙酮酸激酶,丙酮酸羧化酶,PEP羧激酶,-,+,柠檬酸,2，6-二磷酸果糖、AMP,乙酰CoA,ADP,+,-,+,-,2,6-二磷酸果糖、AMP,柠檬酸、ATP、H+,1，6-二磷酸果糖,丙氨酸，ATP,6-磷酸果糖,1，6-磷酸果糖,糖酵解,糖异生,7.8 糖原的分解与合成,糖原是动物体内糖的储存形式，糖原作为葡萄糖储备的生物学意义在于当机体

20、需要葡萄糖时，它可以迅速被利用以供急需，而脂肪则不能。储存在肌肉中的糖原功能是提供肌肉收缩所需要的能量，储存在肝脏中的糖原用于维持血糖浓度。,一、糖原的分解代谢,糖原分解代谢途径,二、糖原的合成代谢,UDPG尿苷二磷酸葡萄糖,肝脏,糖原引物（小糖原分子),己糖激酶,糖原合成中分支酶的作用：糖原的分解与合成均在分支的非还原末端进行。当糖链延长到超过11个G残基后，糖原分支酶将约7个G残基的一段糖链转移至邻近糖链上，以-1，6糖苷链相连，形成分支。多分支的形成可提高糖原合成与分解的速度，同时增加糖原的水溶性。,三、糖原的代谢调节,调节酶：分解代谢糖原磷酸化酶；合成代谢糖原合酶。,1、糖原磷酸化酶的

21、调节,糖原磷酸化酶a（有活性）,磷酸化,去磷酸化,2、糖原合酶的调节,糖原磷酸化酶和糖原合酶的活性受磷酸化和去磷酸化的共价修饰，二者作用方式相似，但效果不同。糖原磷酸化酶通过磷酸化增强活性，而糖原合酶磷酸化后活性降低。因此，当糖原分解时，糖原合成即受抑制，这可以防止两条途径同时发生造成ATP的浪费，避免耗能性的无效循环的发生。,去磷酸化,磷酸化,7.9 其他糖类的合成,一、淀粉的合成,(A)UTP,腺苷二磷酸葡萄糖（ADPG)尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG),磷酸葡萄糖变位酶,G,G-6-P,F-6-P,F,UDPG,蔗糖合成酶,蔗糖+UDP（1）,Pi,UDPG,UDP,磷酸蔗糖,磷酸蔗糖合成酶

22、,Pi,蔗糖（2）,（1）平衡常数 K1=8（pH7.4）（2）平衡常数 K2=3250（pH7.5）或K2=53（pH5.5）,二、蔗糖的合成,蔗糖的合成可通过蔗糖合成酶和磷酸蔗糖合成酶两种途径。,快！,慢！,三、乳糖的合成,乳糖由半乳糖和葡萄糖以糖苷键相连。,7.10 糖代谢各途径之间的关系,糖在生物体内主要代谢途径：糖酵解、有氧氧化、磷酸戊糖途径、糖异生、糖原的合成与分解。,糖代谢的交汇点：第一交会点：6-磷酸葡萄糖它沟通所有的糖代谢途径。第二交会点：3-磷酸甘油醛它是糖酵解和有氧氧化的中间物质，也是磷酸戊糖途径的中间产物。第三交汇点：丙酮酸它是糖有氧与无氧代谢的分界点。也是许多非糖物质异生的必经之路。磷酸戊糖途径沟通了五碳糖与六碳糖之间的代谢；糖酵解沟通了六碳糖之间的代谢。,本章结束,