Chapter 5 糖代谢.ppt

糖 代 谢Metabolism of Carbohydrates,第 五 章,内容提要：,第一节 单糖、寡糖、多糖第二节 糖的无氧分解第三节 糖的有氧氧化第四节 磷酸戊糖途径第五节糖异生第六节 多糖和寡糖的合成与分解第七节 血糖及其调节（自学）,第 一 节 单糖、寡糖、多糖,Monosaccharide、oligosaccharide&polysaccharide,糖的概念,糖(carbohydrates)即碳水化合物，其化学本质为多羟醛（葡萄糖）或多羟酮类（果糖）及其衍生物或多聚物。,人类食物中的糖主要有植物淀粉、动物糖原以及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等，其中以淀粉为主。,生物体内糖类,单糖、寡糖、多糖,单糖(Monosaccharide)是最简单的糖，不再被水解成更小的糖单位。根据其所含碳原子数目分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖。根据其结构特点又分为醛糖和酮糖。寡糖(Oligosaccharide)是少数单糖（2-10个）的缩合产物，低聚糖通常指20个以下的单糖的缩合产物。多糖(Polysaccharide)是多个单糖以糖苷键连接而形成的高聚物。常见的多糖有淀粉、糖原、纤维素等。,单糖,葡萄糖,果糖,蔗糖,棉籽糖,麦芽糖,寡糖,乳糖,蔗糖,多糖,纤维素,淀粉,糖的生理功能,提供能源 人体内70%能量来源于糖的分解代谢，1克葡萄糖在体内彻底氧化，可释放16.7KJ能量。,提供碳源 糖代谢的某些中间产物，可用来合成脂肪、氨基酸、胆固醇、核苷酸等。,构成细胞的成分 糖脂：神经组织和生物膜的主要成分。糖蛋白：可作为抗体、酶、激素等。,构成某些生物活性物质 糖的磷酸衍生物可以形成体内许多重要的活性物质，如：NAD、FAD等。,淀粉,麦芽糖+麦芽三糖（40%）（25%）,-临界糊精+异麦芽糖（30%）（5%）,葡萄糖,唾液中的-淀粉酶,-葡萄糖苷酶,-临界糊精酶,消化吸收过程,肠粘膜上皮细胞刷状缘,胃,口腔,肠腔,胰液中的-淀粉酶,主动吸收,血液,或易化扩散,第 二 节 糖的无氧分解,Glycolysis,糖代谢的概况,糖代谢主要涉及单糖和多聚糖在生物体内如何被利用和储存的过程，即糖的分解和糖原的合成。,糖代谢的概况,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,磷酸核糖+NADPH+H+,淀粉,动物细胞,植物细胞,丙酮酸氧化三羧酸循环,磷酸戊糖途径糖酵解,葡萄糖（glucose）结构,一、糖酵解(glycolysis)的定义,糖酵解是将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应，是生物体内普遍存在的葡萄糖降解的途径。该途径也称作Embden-Meyethof-Parnas途径，简称EMP途径。,二、糖酵解的反应过程,反应部位：胞液/细胞质,大体过程：,3-磷酸甘油醛,丙酮酸,（一）己糖磷酸化（3步反应）,1.葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate,G-6-P),磷酸化使葡萄糖分子增大，不能自由逸出细胞；己糖激酶(hexokinase,HK)分四型，肝中为葡萄糖激酶(glucokinase,GK)；消耗1分子ATP，反应不可逆。,2.6-磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P),3.6-磷酸果糖转变成1,6-二磷酸果糖(1,6-fructose-biphosphate,F-1,6-二P),是第二个磷酸化反应，消耗1分子ATP，反应不可逆。磷酸果糖激酶(phosphofructo-kinase,PFK)是糖酵解的限速酶。,4.磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,反应可逆,由醛缩酶(aldolase)催化,6C,3C,3C,（二）磷酸己糖裂解（2步反应）,5.磷酸丙糖同分异构化,磷酸丙糖异构酶（triose phosphate isomerase)G2分子3-磷酸甘油醛，消耗2分子ATP。,6.3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,醛基脱氢氧化成羧基，并加入一分子磷酸，形成混合酸酐。脱下的氢由NAD+接受。此步为糖酵解中唯一一步脱氢反应。,（三）丙酮酸的生成（5步反应）,7.1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,此步为底物水平磷酸化底物水平磷酸化（substrate level phosphorlation）：物质在生物氧化过程中，常生成一些含有高能键的化合物，而这些化合物可直接偶联ATP或GTP的合成，这种产生ATP等高能分子的方式称为底物水平磷酸化。反应可逆,8.3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,9.2-磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),反应引起分子内能量重新分布，形成高能磷酸键。,10.PEP转变成丙酮酸（pyruvate),第二个底物水平磷酸化，反应不可逆。烯醇式立即自发转变为酮式。,此为还原反应，是一步加氢反应，其NADH+H+来自于3-磷酸甘油醛脱氢。,（四）丙酮酸转变成乳酸(lactate),反应条件：无氧,糖酵解的全过程,1.三步不可逆反应：己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶,2.两步耗能反应：GG-6-P;F-6-PF-1,6-二P,3.两步产能反应：1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸；PEP丙酮酸,4.一步脱氢反应：3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸；一步加氢反应：丙酮酸乳酸,5.净生成能量2分子ATP,关键酶（key enzyme）:在一条代谢途径的多酶系统中，通常存在一种或少数几种催化不可逆反应的酶，这些酶决定代谢途径反应方向。如己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶。限速酶（rate-limiting enzyme）:一条代谢途径中，催化活力最低，米氏常数最大，也就是催化反应速度最慢的酶，它决定整个代谢途径的速度。如磷酸果糖激酶。调节酶（regulatory enzyme）:酶的活性受到细胞内各种信号的调节，是代谢调节的作用点。,总反应：葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+2H2O ATP的生成：糖酵解时，1分子葡萄糖共生成4分子 ATP，净生成2分子ATP和2分子NADH+H+。,其它单糖的酵解,二、糖酵解的调节,（一）6-磷酸果糖激酶-1（PFK-1）最重要,（二）丙酮酸激酶,变构调节：F-1,6-二P和PEP是丙酮酸激酶的变构激活剂；ATP、柠檬酸和长链脂肪酸是丙酮酸激酶的变构抑制剂。共价修饰调节：胰高血糖素通过cAMP和PKA使其磷酸化而抑制其活性。,（三）葡萄糖激酶与己糖激酶,己糖激酶是别构酶，有四种同工酶，存在于不同组织中，可催化多种己糖磷酸化，G-6-P可反馈抑制己糖激酶；葡萄糖激酶不是别构酶，为己糖激酶同工酶IV型，存在与肝细胞内，只催化葡萄糖磷酸化，胰岛素可诱导葡萄糖激酶的合成。,己糖激酶 葡萄糖激酶存在部位 肝外组织 肝Km 值 0.1mmol/L 10mmol/L底物 G,果糖,甘露糖 G调节 G-6-P反馈抑制 胰岛素诱导,己糖激酶和葡萄糖激酶的比较,三、丙酮酸的去路,有氧条件下，进入线粒体变成乙酰CoA参加三羧酸循环，彻底氧化产生CO2和H2O。无氧条件下，加氢还原生成乳酸。在酵母等微生物中，丙酮酸脱羧生成乙醛，再加氢还原生成乙醇。,机体缺氧时的主要供能方式。机体供氧充足情况下少数组织的能量来源。如成熟红细胞、神经、骨髓、皮肤、视网膜等。糖无氧分解不仅提供能量，还能提供碳源物质，参与Pr、脂肪酸的生物合成，如丙酮酸。,四、糖酵解的生理意义,Aerobic Oxidation of Glucose,第 三 节糖的有氧氧化,葡萄糖在有氧条件下，彻底氧化成水和CO2的反应过程称为有氧氧化。这是糖氧化的主要方式。,一、有氧氧化的反应过程,分为三个阶段：,（一）丙酮酸的氧化脱羧,经脱氢、脱羧、酰化生成乙酰CoA，这是不可逆反应。在线粒体内进行。,丙酮酸脱氢酶复合体,硫辛酸乙酰转移酶（E2）由三种酶组成 丙酮酸脱羧酶（E1）二氢硫辛酸脱氢酶（E3）六种辅助因子：TPP（VB1）、NAD+（Vpp）、硫辛酸、FAD（VB2）、HSCoA（泛酸）、Mg2+,丙酮酸脱氢酶复合体,焦磷酸硫胺素（TPP）是糖代谢中羰基碳（醛和酮）合成与裂解的辅酶。,辅酶A（CoA）是许多酰基转移酶类的辅酶，参与糖、脂类、氨基酸的代谢，主要起传递酰基的作用。,辅酶A结构,黄素腺嘌呤二核苷酸,黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）在生物体内氧化还原反应中其传递氢和电子作用，对糖、脂肪、蛋白代谢有影响。,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（辅酶I）在反应中起到传递电子和氢的作用。,硫辛酸,TPP使羰基碳的裂解,硫辛酸作为氢载体和酰基载体,CoA作为酰基载体接受酰基,FAD作为氢载体接受H,NAD作为氢载体传递H,丙酮酸脱氢酶系,由乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始，经反复脱氢、脱羧再生成草酰乙酸的循环反应过程。又称柠檬酸循环和Krebs循环。动植物、微生物普遍存在，糖代谢主要途径，脂肪、蛋白质分解最终途径。1953年获诺贝尔奖。部位：线粒体基质,（二）三羧酸循环（TCA）(tricarboxylic acid cycle),1.三羧酸循环的反应过程,（1）柠檬酸的生成,该步反应不可逆。柠檬酸合酶是TCA循环的限速酶。其活性受ATP、NADH、琥珀酰CoA、脂酰CoA等抑制。,（2）柠檬酸生成异柠檬酸,（3）异柠檬酸生成-酮戊二酸,该步反应不可逆。异柠檬酸脱氢酶是一种变构调节酶，活性受NADH和ATP抑制，但被NAD+、ADP和AMP激活。,（4）-酮戊二酸生成琥珀酰CoA,琥珀酰CoA含有高能硫酯键，反应不可逆。-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系类似，由3种酶和6种辅助因子组成。-酮戊二酸脱氢酶系是TCA循环的调节点，反应受产物NADH、琥珀酰CoA、ATP、GTP的反馈抑制。,（5）琥珀酰CoA生成琥珀酸,琥珀酰CoA的高能硫酯键断裂，释放能量生成GTP。GTP可以将高能磷酸键转给ADP，生成ATP。此步反应为TCA中唯一一步底物水平磷酸化反应。,4C,4C,（6）琥珀酸生成延胡索酸,4C,4C,（7）延胡索酸生成苹果酸,4C,4C,（8）苹果酸生成草酰乙酸,4C,4C,三羧酸循环小结：,1分子乙酰CoA经两次脱羧生成2分子CO2。,共发生4次脱氢，3次以NAD+为受体，1次以FAD为受体。,发生一次底物水平磷酸化，生成1分子ATP。,TCA中三个关键酶（催化不可逆反应）：柠檬酸合酶（限速酶）、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶系。,有氧氧化的4个调节点：除上述三个酶，外加丙酮酸脱氢酶系。,三羧酸循环的特点,在有氧条件下进行，产生的还原当量（NADH和FADH2）经氧化磷酸化可产生ATP，是产生ATP的主要途径。不可逆。草酰乙酸的回补反应：TCA循环主要依靠草酰乙酸接受乙酰CoA，中间产物不会因参与循环而被消耗，但可以参加其他代谢而被消耗。需要通过其他途径对草酰乙酸进行补充。,1.丙酮酸羧化成草酰乙酸(动物体主要回补反应)；2.丙酮酸羧化成苹果酸,再脱氢生成草酰乙酸；3.PEP在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶作用下生成草酰乙酸；4.天冬氨酸和-酮戊二酸转氨基作用生成草酰乙酸和谷氨酸。,草酰乙酸回补反应：,2.三羧酸循环的生理意义,是动物生理活动所需能源的主要来源。,三大营养物质的共同氧化途径。,物质代谢联系的枢纽,二、有氧氧化生成的ATP,葡萄糖在氧化过程中，除了直接产生ATP或GTP外，还伴随着H+的传递，可以将H+传递给NAD+或者FAD+，从而产生NADH+H+或FADH2。生成的NADH及FADH2在以后被电子传递链氧化，当电子或H通过电子传递体传给O2时偶联生成ATP，每个NADH生成2.5（3）个ATP，每个FADH2生成1.5（2）个ATP。,G 2丙酮酸：净产生2分子ATP和2分子NADH。丙酮酸乙酰CoA：产生1分子NADH。TCA:一分子乙酰CoA经TCA产生3分子NADH和1分子FADH2，加上底物水平磷酸化生成1分子GTP（能量转移生成ATP）。结论：1分子葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O，可生成2分子ATP，10分子NADH，2分子FADH2和2分子GTP；经电子传递链氧化最终净生成30或32（36或38）分子ATP。,糖酵解中，从3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸的过程在胞液中产生1分子NADH，胞液中的NADH+H+必须进入线粒体才能转化成ATP。但NADH不能通过线粒体内膜，需要有个电子载体进行线粒体内外的穿梭搬运。在肌肉和神经组织细胞中，存在-磷酸甘油穿梭系统，在这一系统的细胞质中，NADH+H+传给线粒体内的FAD+FADH2系统，最终经氧化磷酸化产生1.5分子ATP。在肝脏和心肌组织细胞中，存在苹果酸穿梭系统，在这一系统的细胞质中，NADH+H+传给线粒体内的NADH+H+系统，最终经氧化磷酸化产生2.5分子ATP。,三、有氧氧化的调节,除对酵解途径三个关键酶的调节外，还对丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶复合体四个关键酶存在调节。,1.丙酮酸脱氢酶复合体,变构调节：共价修饰调节：磷酸化失活；胰岛素和Ca2+促进其去磷酸化，使其活性增加。,2.柠檬酸合酶（限速酶）,变构激活剂：ADP变构抑制剂：NADH、琥珀酰CoA、柠檬酸、ATP3.异柠檬酸脱氢酶变构激活剂：ADP、AMP、NAD+、Ca2+变构抑制剂：ATP、NADH,4.酮戊二酸脱氢酶复合体,与丙酮酸脱氢酶复合体相似。产物产生反馈抑制，受NADH、琥珀酰CoA、ATP抑制。总体说，氧化磷酸化促进TCA。ATP/ADP，抑制TCA，氧化磷酸化；ATP/ADP，促进TCA，氧化磷酸化。,第 四 节磷酸戊糖途径,pentose phosphate pathway,磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway or phosphogluconate pqthway)，又叫做PPP，是由于该途径中有许多中间物是磷酸戊糖。,该途径又叫做磷酸己糖支路途径(hexose monophosphate shunt pathway HMP)，是由于从磷酸己糖开始该途径与EMP途径分支。,