第8章糖代谢1.ppt

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1、第八章 糖代谢,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,糖代谢是指糖在生物体内的分解代谢和合成代谢。糖的分解代谢是指大分子糖经酶促降解，生成小分子单糖后，进一步氧化分解成CO2和H2O，并释放出能量。糖的合成代谢是由小分子物质或葡萄糖合成二糖或多糖,包括糖的合成和糖原的异生作用。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。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。糖代谢与其它代谢相互联系，相互转化，构成代谢的统一体。,OH,一、多糖和低聚糖的酶促降解,-淀粉酶：以随机方式水解-1,4-糖苷键，能将淀

2、粉切断成分子量较小的糊精。-淀粉酶：它从糖链的非还原性末端开始水解-1,4-糖苷键，每次切下两个葡萄糖单位麦芽糖。-1,6-糖苷键酶：是一种能水解-1,6-糖苷键的淀粉酶。纤维素酶：能特异性地水解-1,4-糖苷键，最终将纤维素水解成葡萄糖。,细胞内糖原和淀粉的降解磷酸化酶:只催化非还原性末端-1,4糖苷键的磷酸解。寡聚-(1,41,4)葡萄糖转移酶:将以-1,6-键连接于分支点的4个残基的葡三糖转移至另一链的非还原端使其延长，而在分支点处还留下一个-1,6-键葡萄糖残基。脱支酶:水解-1,6-糖苷键。,磷酸化酶、寡聚-(1,41,4)葡萄糖转移酶、脱支酶降解糖原,二、糖的分解代谢,生物体内葡萄

3、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(Pyr)乳酸(Lac),2.有O2情况下，G CO2+H2O（经三羧酸循环）,3.有O2情况下，G CO2+H2O（经磷酸戊糖途径）,Things to Learn,PathwayEnergeticsRegulationCellular function/localization,（一）糖的无氧酵解(Glycolysis),C6H12O6,2CH3COCOOH,2CH3CH(OH)COOH,+2(2H),-2CO2,糖酵解Glycolysis,2CH3CHO,2CH3CH2OH,生醇发酵 Fermentation,糖的无氧

4、酵解过程与酵母的生醇发酵基本相同，故称糖酵解。,1.己糖磷酸酯的生成(G F-1,6-2P)(13共三步反应),注意：反应产物G-6-P(别构抑制剂)反馈抑制葡萄糖激酶(己糖激酶)，己糖激酶不是酵解过程关键的限速酶。胰岛素可诱导该酶基因的转录,促进酶的合成。,2.丙糖磷酸的生成(F-1,6-2P G-3-P)(45二步反应),二羟丙酮磷酸,+,甘油醛-3-磷酸,醛缩酶,1,3,2,1,3,2,上述五步反应的特点：碳架由C62 C3。是糖酵解过程中的耗能部分，消耗2个ATP。第1步和第3步反应不可逆，是由激酶催化将磷酰基团从ATP转移到代谢物分子上的反应。葡萄糖激酶和果糖激酶是别构酶，必须Mg2

5、+参与才有活性，因为Mg2+与ATP形成的复合物才是酶的真正底物。通过对这两种酶活性的调节来控制糖的酵解速度。二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸两者达平衡时，96%是二羟丙酮磷酸,但在酵解中,不断消耗甘油醛-3-磷酸，故互变的结果是产生甘油醛-3-磷酸。,3.甘油醛-3-磷酸生成丙酮酸(610共五步酶促反应),甘油醛-3-磷酸的氧化是酵解过程中唯一一次遇到的氧化作用，生物体通过此反应获得能量。反应中同时进行脱氢和磷酸化，并引起分子内部能量重新分配，生成高能磷酸化合物甘油酸-1,3-二磷酸,反应中脱下的氢进入NADH呼吸链氧化。,甘油醛磷酸脱氢酶机理,糖酵解过程中的第一次底物水平磷酸化产生ATP。,

6、在第2,3碳原子上脱下一分子水，同时分子内部的能量重新分配，产生高能磷酸化合物烯醇丙酮酸-2-磷酸。,123,抑制剂：Ala(别构抑制剂),ATP,乙酰辅酶A激活剂：F-1,6-2P,注意：丙酮酸激酶(别构酶)催化烯醇式丙酮酸-2-磷酸生成烯醇丙酮酸，是糖酵解过程中的第二调节点,也是糖酵解过程中的第二次底物水平磷酸化产生ATP。,烯醇丙酮酸-2-磷酸,4.丙酮酸还原成乳酸,丙酮酸还原成乳酸,NADH是由甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化的反应而来，在丙酮酸还原成乳酸中，NADH被氧化成NAD+,从而保证辅酶的周转。剧烈运动肌肉缺氧，乳酸积累引起疼痛。,在生醇发酵中，丙酮酸在脱羧酶催化下直接脱羧失去CO

7、2而生成乙醛，乙醛然后接受甘油醛-3-P脱下的氢生成乙醇。,葡萄糖激酶,己糖磷酸异构酶,葡萄糖-6-磷酸,二羟丙酮磷酸,甘油醛-3-磷酸,(己糖激酶),醛缩酶,糖酵解,Hexokinase,Phosphofructokinase,glucose,Glycolysis,ATP,ADP,glucose,-,6,-,phosphate,Phosphoglucose Isomerase,fructose,-,6,-,phosphate,ATP,ADP,fructose,-,1,6-,bisphosphate,Aldolase,glyceraldehyde,-,3,-,phosphate,+,dihyd

8、roxyacetone,-,phosphate,果糖-6-磷酸,果糖磷酸激酶,丙糖磷酸异构酶,果糖-1,6-二磷酸,Energy investment phase,Glyceraldehyde,-,3,-,phosphate,Dehydrogenase,Phosphoglycerate Kinase,Enolase,Pyruvate Kinase,glyceraldehyde,-,3,-,phosphate,NAD,+,+,P,i,NADH,+,H,+,1,3,-,bisphosphoglycerate,ADP,ATP,3,-,phosphoglycerate,Phosphoglycerate

9、 Mutase,2,-,phosphoglycerate,H,2,O,phosphoenolpyruvate,ADP,ATP,pyruvate,甘油醛-3-磷酸,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,1,3-二磷酸甘油酸,甘油酸磷酸激酶,甘油酸-3-磷酸,甘油酸磷酸变位酶,甘油酸-2-磷酸,烯醇化酶,磷酸烯醇丙酮酸,丙酮酸激酶,丙酮酸,Energy payoff phase,糖酵解过程中能量的计算,1mol G 酵解产生的ATP数如下,GG-6-P-ATP,F-6-PF-1,6-2P-ATP,甘油酸-1,3-2P甘油酸-3-P+2ATP,烯醇丙酮酸磷酸丙酮酸+2ATP,净产生+2ATP,糖原来源G(不经GG

10、-6-P)净产生:+3ATP,糖酵解的特点:,(1)酵解反应是在胞质中进行。,(2)整个过程都没有分子氧参加。,(3)中间产物中绝大多数都是磷酸化的衍生物:为什么？,（二）糖的有氧分解,()有氧氧化(是无氧酵解的继续),分三个阶段,第一阶段：G丙酮酸(胞质内),第二阶段:丙酮酸由线粒体膜上的丙酮酸脱氢酶系(多酶复合物)催化进行氧化脱氢、脱羧生成乙酰辅酶A，这是连接酵解和三羧酸循环的中心环节。,第三阶段:三羧酸循环(线粒体),CO2+H2O,NADH(FADH2),丙酮酸脱氢酶系：由丙酮酸脱羧酶(E1)、二氢硫辛酸转乙酰基酶(E2)和二氢硫辛酸脱氢酶(E3)三种酶及CoASH、FAD、NAD+、

11、硫辛酸、焦磷酸硫胺素(TPP)和Mg2+六种辅因子组成。,第二阶段丙酮酸氧化脱氢、脱羧生成乙酰辅酶A,整个丙酮酸氧化脱羧反应过程只有第一步脱羧反应是不可逆;,整个反应体系受严密的调节控制，包括:产物抑制:乙酰辅酶A抑制二氢硫辛酸乙酰基转移酶(E2),NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶(E3),抑制效应可被辅酶A和NAD+逆转。核苷酸反馈调节丙酮酸脱羧酶(E1)受GTP抑制，被AMP所活化。,所有丙酮酸氧化脱羧的中间产物均紧密地结合在酶复合体上;,丙酮酸脱氢酶系催化特点：,由柠檬酸合成酶催化乙酰辅酶A和草酰乙酸缩合成柠檬酸(1步),第三阶段：三羧酸循环(柠檬酸循环，Krebs循环，TCA循环)(共10

12、步反应),缩合反应所需能量来自乙酰辅酶A的高能硫脂键，反应是单向、不可逆。,注意,琥珀酸是草酰乙酸的竞争性抑制剂，竞争柠檬酸合成酶;ATP、NADH、琥珀酰辅酶A和长链脂酰辅酶A抑制酶的活性;草酰乙酸和乙酰CoA的浓度较高时激活酶的活性。,柠檬酸合成酶对草酰乙酸的Km很低，所以，即使线粒体内草酰乙酸的浓度很低(10mmol/L)，反应也能迅速进行。,第一个调节点，柠檬酸合成酶是别构酶，循环中的关键限速酶。,柠檬酸脱水生成顺乌头酸，然后加水生成异柠檬酸(2步反应)，为氧化脱羧作准备,注意这个异构化反应分两步:先脱水，再水化，使原来柠檬酸C3上的-OH转到异柠檬酸C2中，中间产物是与酶结合的顺乌头

13、酸。其标准自由能变为G0=+8.4kJ/mol 和G0=-2.1kJ/mol，由于异柠檬酸的不断消失，推动反应的进行。,异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸(2步),注意是三羧酸循环中的第一次氧化脱羧。其中间产物是草酰琥珀酸。生理条件下反应不可逆，是三羧酸循环中的第二个调节点。异柠檬酸脱氢酶是别构酶，受ATP、NADH抑制，ADP激活。此步是三羧酸和二羧酸反应的分界点。,-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A(1步),第二次氧化脱羧，第三个调节点。,注意反应不可逆，反应释放的自由能足以形成一个高能硫脂键。-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相类似，由-酮戊二酸脱氢酶、二氢硫辛酰转琥珀酰酶和二氢硫辛酰脱氢酶

14、及TPP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA、Mg2+组成。NADH、琥珀酰CoA抑制酶活性;高能时，ATP、GTP反馈抑制；Ca2+对酶有激活作用。,由琥珀酰辅酶A生成琥珀酸(1步),注意：琥珀酰辅酶A在琥珀酸硫激酶催化下，高能硫脂键的能量转移到GDP上,生成GTP,同时生成琥珀酸。然后GTP再与ADP生成ATP(三羧酸循环中唯一一次底物水平磷酸化)。,琥珀酸被氧化生成延胡索酸(1步),注意：琥珀酸脱氢酶的辅酶为FAD，且还含有4Fe-4S组成的Fe-S蛋白，该酶位于线粒体内膜，是三羧酸循环中唯一与膜结合的酶，它直接与电子传递链相连。,延胡索酸加水生成苹果酸(1步),延胡索酸酶有立体异构选择性

15、，H2O中OH和H是在双键反式加成，形成L型-苹果酸。,苹果酸被氧化生成草酰乙酸(1步),至此为止，草酰乙酸重新生成，又可参与下一循环。,三羧酸循环总结：,在三羧酸循环中，只消耗了1分子乙酰辅酶A，因此在理论上，所有三羧酸和二羧酸只需微量就可不停地循环，促使乙酰辅酶A氧化。,三羧酸循环是在线粒体基质中进行。,由于柠檬酸的合成及-酮戊二酸的氧化脱羧是不可逆的，故此循环是单向进行。,丙酮酸经过三次氧化脱羧，即丙酮酸乙酰辅酶ACO2；异柠檬酸-酮戊二酸CO2；-酮戊二酸琥珀酰辅酶ACO2，以及五次脱氢。,草酰乙酸(4C),柠檬酸(6C),异柠檬酸(6C),琥珀酸辅酶A(4C),琥珀酸(4C),延胡索

16、酸(4C),苹果酸(4C),乙酰辅酶A,-酮戊二酸(5C),三羧酸循环的总反应式：,G CO2+H2O 共产生 ATP,38 个,糖原G CO2+H2O 产生39个ATP,C6H12O6+6H2O+38ADP+38H3PO4 6CO2+6H2O+38ATP,三羧酸循环的生物学意义：,是生物利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。,是三大有机物质（糖类、脂类、蛋白质）转化的枢纽。,三羧酸的代谢调节：,受柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶3种酶活性的调控。,提供多种化合物的碳骨架，如为三大营养物质的合成代谢提供小分子前体物。,动物、植物、微生物都有三羧酸循环，因此具有普遍的生物学意

17、义。,(三)乙醛酸循环-三羧酸循环支路(自学),乙酸在辅酶A与ATP及乙酰辅酶A合成酶参与下可活化生成乙酰辅酶A；,这种关系形成一个与三羧酸循环相联系的小循环。因以乙醛酸为中间代谢物，故称乙醛酸循环。目前在动物组织中尚未发现乙醛酸循环。,乙酰辅酶A与乙醛酸可合成苹果酸；,异柠檬酸能裂解为琥珀酸和乙醛酸。,微生物能够利用乙酸作为唯一的碳源构建自己的机体，其机制包括：,Citrate,Isocitrate,Glyoxalate,Succinate,Oxaloacetate,Malate,Acetyl-CoA,Acetyl-CoA,Malate sythase,Isocitrate lyase,乙醛

18、酸循环的生物学意义。,乙醛酸循环总反应式：,(四)磷酸戊糖途径（HMP）(自学),C2,C3,C2,C2,C3,戊糖磷酸循环65碳糖56碳糖,转酮醇酶,转醛醇酶,三、糖的合成代谢(自学),自然界中糖的基本来源是绿色植物及光能细菌进行的光合作用（Photosynthesis）,（一）蔗糖的合成蔗糖在高等植物中的合成主要有两条途径途径一蔗糖合成酶-利用尿苷二磷酸葡糖(UDPG)作为G供体与果糖合成蔗糖。,蔗糖磷酸合成酶活性大，且平衡常数有利,磷酸酯酶存在量大,用14C-G喂饲动物的实验结果表明，14C出现在自由果糖中较慢，而出现在蔗糖分子中的果糖部分中又较快，浓度高，所以途径二是合成蔗糖的主要途径

19、。,（二）淀粉的合成淀粉的合成与分解是通过两个不同的催化系统1.-1,4糖苷键的形成-高等植物淀粉合成的主要途径:,nUDP-G nUDP+(-1,4葡萄糖)n,UDPG转葡糖苷酶,引物,引物是-G的受体，通过引物的直链未端的延长进行合成。引物由不同的合成酶形成,引物可以是麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖，甚至是一个淀粉分子。,nADP-G nADP+(-1,4葡萄糖)n,ADPG转葡糖苷酶,引物,高等植物合成淀粉的主要途径是通过ADPG转葡糖苷酶。,2.支链淀粉的合成:在植物中通过Q酶的作用，催化-1,4糖苷键转化为-1,6糖苷键，使直链淀粉转化为支链淀粉.,（三）糖原的合成,1.G-1-P在 U

20、DPG焦磷酸化酶催化下生成UDPG。2.糖原合成酶催化下,UDPG将G残基加到糖原引物非还原端形成-1,4糖苷键。3.由糖原分支酶催化，将-1,4糖苷键转换为-1,6糖苷键,形成有分支的糖原。,糖原代谢关键酶糖原分解:磷酸化酶糖原合成:糖原合成酶,磷酸化和去磷酸化的共价修饰调节,（四）糖原的异生作用许多非糖物质能在肝脏中转变为糖原，称糖的异生作用。,1、糖异生途径,糖异生的具体步骤基本上按糖酵解逆行过程进行。但在酵解中有三个激酶催化的反应(糖酵解中的第1，3，10步)是不可逆的，在糖异生中必需采取其它支路通过。,(1)丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶,(2)F-1,6-2P F-6-P,(3

21、)G-6-P G,2、糖异生的调控,高浓度G-6-P抑制己糖激酶，活化G-6-P磷酸酯酶，从而抑制酵解，促进了糖异生。,丙酮酸羧化酶是糖异生的另一调节酶，其活性受乙酰辅酶A和ATP激活,受ADP抑制。,F-1,6-2P磷酸酯酶是糖异生的关键酶，果糖磷酸激酶是糖酵解的关键调控酶。ATP抑制后者，激活前者。F-2,6-2P是调节两酶活性的强效应物。当G含量丰富时，激素调节使F-2,6-2P增加，从而激活果糖磷酸激酶活性，并强烈抑制F-1,6-2P磷酸酯酶活性，从而加速酵解，减弱糖异生。,例1 增加以下各种代谢物的浓度对糖酵解有什么影响？葡萄糖-6-磷酸果糖-1,6-二磷酸柠檬酸果糖-2,6-二磷酸

22、,答 由于葡萄糖-6-磷酸浓度的增加提高了葡萄糖-6-磷酸异构酶的底物水平，且以后酵解途径各步反应的底物水平也随之提高，从而增加了酵解的速度。然而，G-6-P也是己糖激酶的一个别构抑制剂，因此高浓度的G-6-P可通过减少葡萄糖进入酵解途径而抑制酵解。果糖1,6-二磷酸是果糖磷酸激酶催化反应的产物，果糖磷酸激酶是酵解过程中主要的调控点。增加果糖-1,6-二磷酸的浓度等于增加了所有随后糖酵解途径的反应的底物水平，所以提高了酵解的速度。柠檬酸是柠檬酸循环的一个中间产物，同时也是果糖磷酸激酶的反馈抑制剂，因而柠檬酸浓度的增加降低了酵解反应的速度。果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶的激活因子，因而可以增

23、加酵解的反应速度。,例2 如果用14C标记在葡萄糖的1或者3或者5位碳 经酵解途径产生的丙酮酸的那个碳原子被标记？,答：本题重点在于考查葡萄糖经酵解进行降解的代谢途径。需要掌握糖酵解途径，尤其是己糖转化为丙糖时碳原子数进行了重新编号，一分为二时原来的123456位碳变为了321123。所以，如果14C标记在葡萄糖的1位碳，则生成的丙酮酸的3位（甲基碳）被标记；如果14C标记在葡萄糖的3位碳，则生成的丙酮酸的1位（羧基碳）被标记；如果14C标记在葡萄糖的5位碳，则生成的丙酮酸的2位（羰基碳）被标记。,例3 糖酵解途径中能转移其高能磷酸键形成ATP的两个高能中间化合物是什么？指出其中哪个部分具有足

24、够的能量驱动ADP的磷酸化。,答：糖酵解途径中有两个高能中间化合物，分别是甘油酸-1,3-二磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸，都可以通过底物磷酸化的形式形成ATP。甘油酸-1,3-二磷酸的碳1位上的酰基磷酸键是一个混合酸酐键，比较活泼，具有较大的水解势能，而磷酸烯醇式丙酮酸的烯醇磷酯键非常活泼，具有很大水解势能。,例4 在厌氧条件下，肌肉中进行糖酵解为什么必须将丙酮酸还原为乳酸？该反应的NADH来源是什么？,糖酵解过程中产生的NADH必须再生为NAD+才能使酵解不断进行下去，而厌氧条件下，NADH不能进入呼吸链再生，故必须以其他有机物作为电子受体而氧化再生。在肌肉中，必须将丙酮酸还原为乳酸，才能使NAD

25、H被氧化再生，而糖酵解也才能进行下去。该反应的NADH来自糖酵解中的唯一一步氧化反应：甘油醛-3-磷酸在甘油醛磷酸脱氢酶作用下氧化为甘油酸-1,3-二磷酸。,例5 糖酵解的调节中，最主要的调节位点是哪步反应？哪些物质促进酵解？哪些物质抑制酵解？,答：代谢途径的调节主要是对途径中的关键限速酶的调节，调节限速酶的效应物则与途径的生理作用有关。糖酵解作为分解代谢，生理作用是一方面产生能量(ATP)供生命活动所需，另一方面是产生代谢中间物为合成提供原料。所以能荷的状态和前体的需求是调节糖酵解的两个主要因素，需要能量和前体时酵解速度快，当能量和前体过剩时则酵解被抑制。糖酵解的限速步骤是果糖磷酸激酶催化的从果糖-6-磷酸转化为果糖-1,6-二磷酸，所以该途径最主要的调节位点是果糖磷酸激酶的调节。能荷高，即ATP浓度高，磷酸果糖激酶被别构抑制，酵解减弱；能荷低，即ADP,AMP浓度高，酶活性恢复，酵解加快。柠檬酸是生物体内生物合成前体过剩的信号，故抑制糖酵解。果糖-2,6-二磷酸（肝中）是磷酸果糖激酶的正调节物，解除ATP的抑制，允许糖酵解在高能量状态的组织（肝）中也能进行，可使葡萄糖降解并转化为脂肪酸。,