生物化学(合工大)第八章糖代谢.ppt

第八章 糖代谢- Metabolism,一、糖代谢总论 二、多糖和寡聚糖的酶促降解 三、糖的无氧降解及厌氧发酵 四、葡萄糖的有氧分解代谢 五、磷酸戊糖途径 六、糖异生 七、糖原代谢 八、乙醛酸循环,一、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。,糖与多糖,糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物； 糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、寡糖和多糖； 在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。,重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃半乳糖,1.单糖的结构,-D-吡喃甘露糖,-D-呋喃果糖,蔗糖,2.寡糖（二糖）,葡萄糖-，（12）果糖苷,葡萄糖-（14）半乳糖苷,乳 糖,麦芽糖,(1)淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉） 直链淀粉分子量约1万-200万，250-260个葡萄糖分子，以（14）糖苷键聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色。 支链淀粉中除了（14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。,3. 多糖,(2)纤维素 由葡萄糖以（14）糖苷键连接而成的直链，不溶于水。 (3)几丁质（壳多糖） N-乙酰-D-葡萄糖胺，以（14）糖苷键缩合而成的线性均一多糖。 (4)杂多糖 糖胺聚糖（粘多糖、氨基多糖等） 透明质酸 硫酸软骨素 硫酸皮肤素 硫酸角质素 肝素,糖原,二、多糖和寡聚糖的酶促降解,概述 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。 2. 淀粉 3.淀粉水解 淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖 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,三、糖的无氧降解及厌氧发酵,糖酵解途径(glycolysis) （Embden Meyerhof Parnas EMP）,（一）定义：在无氧的条件下，葡萄糖或糖原分解成丙酮酸，并释放少量能量的过程称为糖的无氧分解。这一过程与酵母菌使糖发酵的过程相似，又称为糖酵解，简称EMP途径。,（二）反应部位：细胞液（胞浆）,（三）EMP途径的生化历程三个阶段,1、葡萄糖的磷酸化,第一阶段：,葡萄糖 6-磷酸葡萄糖,ATP,ATP,ATP,ADP,ADP,P,P,己糖激酶是糖酵解途径的第一个关键酶,2、磷酸己糖异构化,P,3、1,6-二磷酸果糖的生成,磷酸果糖激酶是糖酵解途径的第二个关键酶,并且是限速酶,ATP,ATP,ADP,P,ADP,4、1,6-二磷酸果糖的裂解,第二阶段：,1,6-二磷酸果糖,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,5、磷酸丙糖的同分异构化,相当于1,6-二磷酸果糖裂解为两分子的3-磷酸甘油醛。,6、3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,第三阶段：,P,+NAD+Pi,+NADH+H+,3-磷酸甘油醛,1，3-二磷酸甘油酸,这是糖酵解过程中唯一一步脱氢反应,7、高能磷酸基团的转移,糖酵解中第一次底物水平磷酸化， 1分子葡萄糖产生2分子ATP。,+ ADP,+ ATP,ATP,8、3-磷酸甘油酸异构为2-磷酸甘油酸,9、磷酸烯醇式丙酮酸的生成,10、丙酮酸的生成,糖酵解中第二次底物水平磷酸化， 丙酮酸激酶是第三个关键酶， 1分子葡萄糖产生2分子ATP。,ADP,ATP,ATP,自发反应,2ATP,2ATP,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙 酮 酸,烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶,丙酮酸激酶,2ADP,烯醇化酶,磷酸甘油 酸变位酶,磷酸甘油 酸 激 酶,磷酸甘油 酸脱氢 酶,NAD+Pi,NADH+H+,2ATP,2ADP,2ATP,糖酵解分为三个阶段,第一阶段：葡萄糖的磷酸化 葡萄糖,3步,1，6二磷酸果糖,第二阶段：糖的裂解阶段,1，6二磷酸果糖,两分子的磷酸丙糖,2步,第三阶段：产能阶段,两分子的3磷酸甘油醛,两分子丙酮酸,5步,（四）糖酵解的反应特点,1、整个过程无氧参加； 2、三个关键酶； 3、从葡萄糖开始净生成2分子ATP， 从糖原开始净生成3分子ATP； 4、一次脱氢，辅酶为NAD，生成NADHH。,总反应式: G+2NAD+2ADP+2Pi 2丙酮酸+2NADH+2H +2ATP +2H2O,2. 丙酮酸的去路,（有氧）,（无氧）,（一）丙酮酸的无氧还原,（2）酒精发酵（alcoholic fermation）,酵母菌,焦磷酸硫胺素 （ TPP ）,糖的无氧降解及厌氧发酵总图,（二）丙酮酸的氧化脱羧乙酰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基质，在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶A。,细胞呼吸最早释放的CO2,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（也叫丙酮酸脱氢酶） E2-二氢硫辛酸乙酰基转移酶 E3-二氢硫辛酸脱氢酶。,焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、 COASH、FAD、NAD+、Mg2+,其它糖进入单糖分解的途径,半乳糖,半乳糖-1-P,UDP-半乳糖,UDP-葡萄糖,葡萄糖-1-磷酸,糖原或淀粉,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,果糖,葡萄糖,果糖-6-磷酸,果糖-1、6-磷酸,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油,甘油,3-磷酸甘油醛,进入糖酵解,甘露糖,甘露糖-6-磷酸,ATP,ADP,Pi,UTP,PPi,四、葡萄糖的有氧分解代谢,（一）定义：葡萄糖在有氧的条件下彻底氧化生成CO2、H2O和大量ATP的代谢过程，称为糖的有氧氧化。 （二）反应部位：线粒体基质,反应从乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成含有三个羧基的柠檬酸开始，所以称为柠檬酸循环，又称为TCA循环或Krebs循环。,糖的无氧氧化与有氧氧化的关系,线粒体基质,细胞液,CoASH,+CO2,+CO2,三羧酸循环 （TCA）,草酰乙酸 再生阶段,柠檬酸的生成阶段,氧化脱 羧阶段,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,苹果酸,草酰乙酸,NAD+,NAD+,FAD,NAD+,（三）三羧酸循环的反应过程,（1）缩合反应 （2）柠檬酸异构化生成异柠檬酸 （3）异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸 （4）-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA （5）琥珀酰CoA生成琥珀酸 （6）琥珀酸脱氢生成延胡索酸 （7）延胡索酸加水生成苹果酸 （8）草酰乙酸的再生,TCA第一阶段：柠檬酸生成,草酰乙酸,柠檬酸合成酶,顺乌头酸酶,CH3,CSCoA+,O,O,CCOOH,CH2COOH,柠檬酸合成酶,HO,CCOOH,CH2COOH,CH2COOH,HSCoA,H2O,柠檬酸合酶,乙酰CoA,草酰乙酸,柠檬酸,HSCoA,（1）缩 合 反 应,柠檬酸合酶是三羧酸循环的第一个限速酶,H2O,（2）柠檬酸异构化为异柠檬酸,HO,CCOOH,CHCOOH,CH2COOH,H,CCOOH,CHCOOH,CHCOOH,CHCOOH,CH2COOH,CH2COOH,HO,H2O,H2O,顺乌头酸酶,顺乌头酸酶,HO,H,H2O,HO,H,H2O,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,TCA第二阶段：氧化脱羧,HO,H,（3）异柠檬酸氧化生成-酮戊二酸,CHCOOH,CHCOOH,CH2COOH,CCOOH,CHCOOH,CH2COOH,HO,异柠檬酸,H,O,CH2,CHCOOH,CH2COOH,O,H,COO,NAD+,NADH+H+,异柠檬酸脱氢酶,CO2,CO2,草酰琥珀酸,-酮戊二酸,这是三羧酸循环的第一次氧化脱羧反应， 异柠檬酸脱氢酶是第二个限速酶。,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶,（4）-酮戊二酸氧化脱羧反应,CH2,CCOOH,CH2COOH,O,-酮戊二酸,CH2,CH2,COOH,+,HSCoA,COSCoA,琥珀酰CoA,NAD+,NADH+H+,CO2,-酮戊二酸脱氢酶复合体,-酮戊二酸脱氢酶复合体,这是三羧酸循环的第二次氧化脱羧反应， -酮戊二酸脱氢酶复合体是第三个限速酶。,COO,CO2,H,H,-酮戊二酸脱氢酶复合体包括： 1、-酮戊二酸脱氢酶E1 2、琥珀酰转移酶E2 3、二氢硫辛酸脱氢酶E3 4、六个辅助因子,（5）琥珀酸的生成,CH2,CH2,COOH,COSCoA,琥珀酰CoA,GDP+Pi+,GTP,CoASH,CH2COOH,CH2COOH,琥珀酸,琥珀酰CoA合成酶,这是三羧酸循环的唯一一次底物水平磷酸化。,GTP,TCA第三阶段：草酰乙酸再生,草酰乙酸,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,H,H,（6）延胡索酸的生成,CHCOOH,CHCOOH,琥珀酸,+ FAD,CHCOOH,CHCOOH,H,H,+ FADH2,H2,延胡索酸,琥珀酸脱氢酶,HO,H,H2O,（7）苹果酸的生成,CHCOOH,CHCOOH,延胡索酸,H2O,CHCOOH,CHCOOH,延胡索酸酶,苹果酸,+,（8）草酰乙酸的再生,CHCOOH,CCOOH,苹果酸,O,CCOOH,CH2COOH,草酰乙酸,NAD+,NADH+H+,H,苹果酸脱氢酶,琥珀酰CoA,CO2,三羧酸循环,ATP,三羧酸循环过程总结(一次循环) 8步反应 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3 生成3分子还原型NADH 生成1分子FADH2 生成1分子ATP,三羧循环的化学计量和能量计量,a、总反应式: CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP,（四）反应特点,1、需氧 2、不可逆：三个限速酶 3、两次脱羧、四次脱氢（三次受体是NAD， 一次是FAD）、一次底物水平磷酸化 4、共产生12molATP,（五）生理意义,1.普遍存在 2.生物体获得能量的最有效方式 3.是糖类、蛋白质、脂肪三大物质转化的枢纽 4.获得微生物发酵产品的途径 柠檬酸、谷氨酸,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：38 ATP 或 36 ATP,（六） 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。,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激酶的催化下形成草酰乙酸。,3、丙酮酸在苹果酸酶的催化下形成苹果酸,再由 TCA途径生成草酰乙酸。,+NADPH+H+,苹果酸酶,4.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。,PEP羧激酶,三羧酸循环不仅是各种有机物质氧化分解的共同途径、释放能量最多的氧化分解阶段，而且架起了三大类物质相互转化、相互联系的桥梁。,写出三羧酸循环的反应过程，标出脱羧、脱氢、产能部位，指出限速酶。,小结：,（一）定义：从6磷酸葡萄糖开始，不经糖酵解和柠檬酸循环，直接将其脱氢脱羧分解为磷酸戊糖，磷酸戊糖分子再经重排最终又生成6磷酸葡萄糖的过程，或称为磷酸己糖旁路，简称HMP途径。,五、 磷酸戊糖途径,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。,（二）反应历程：可分为两个阶段 第一阶段 氧化阶段 ： 由6磷酸葡萄糖直接脱氢脱 羧生成磷酸戊糖; 第二阶段 非氧化阶段： 磷酸戊糖分子再经重排最终 又生成6磷酸葡萄糖。,（1）G-6-P脱氢脱羧转化成5-磷酸核酮糖,（2）磷酸戊糖的异构化,（3）磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵解途径的中间产物6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。,（三）磷酸戊糖途径的主要特点： 1、是6-磷酸葡萄糖直接脱氢脱羧,不必经过 EMP,也不必经过TCA； 2、在整个反应中,脱氢酶的辅酶为NADP+而 不是NAD+； 3、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。磷酸戊糖经复杂的转化重新生成磷酸 己糖。,（四）磷酸戊糖途径的生理意义：,1、生成的5磷酸核糖是合成核酸及核苷 酸辅酶的必要原料； 2、NADPHH作为供氢体，参与体内许 多重要的还原性代谢反应。,六、糖异生,糖异生是指从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。,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。,糖异生的证据如下：,（一）定义：由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程 称为糖异生作用。,（二）糖异生的部位：主要在肝脏， 其次是肾脏。,（三）糖异生的反应历程： 基本上是糖酵解的逆过程。,主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体,糖 异 生,糖酵解与糖异生的关系图,糖异生途径关键反应之一,糖异生途径关键反应之二,糖异生途径关键反应之三,糖酵解和葡萄糖异生反应部位,A G-6-P磷酸酯酶 B F-1.6-P磷酸酯酶 C1 丙酮酸羧化酶 C2 PEP羧激酶,（胞液）,（线粒体）,葡萄糖,丙酮酸,草酰乙酸,天冬氨酸,磷酸二羟丙酮,3-P-甘油醛,-酮戊二酸,乳酸,谷氨酸,丙氨酸,TCA循环,乙酰CoA,PEP,G-6-P,F-6-P,F-1.6-P,丙酮酸,草酰乙酸,谷氨酸,-酮戊二酸,天冬氨酸,3-P-甘油,甘油,苹果酸,苹果酸,（四）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、Cori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,可转变成为琥珀酰CoA参加糖异生途径合成葡萄糖。,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,（五）糖异生的意义：,（一）维持血糖浓度恒定,（二）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。,（三）调节酸碱平衡（乳酸异生为糖）,（六）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的过程,2分子乳酸异生为1分子葡萄糖需6分子ATP。,七、 糖原的代谢,糖原结构示意图,糖原部分结构式,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,1. 糖原的合成 （一）定义：葡萄糖、半乳糖和果糖等在体内相应酶的作用下合成糖原的过程。 （二）合成部位：,组织定位：主要在肝脏、肌肉 细胞定位：胞液,1. 葡萄糖磷酸化生 成 6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,（三）糖原合成途径,2. 6-磷酸葡萄糖转变 成1-磷酸葡萄糖,这步反应中磷酸基团转移的意义在于：由于延长形成-1,4-糖苷键，所以葡萄糖分子C1上的半缩醛羟基必须活化，才利于与原来的糖原分子末端葡萄糖的游离C4羟基缩合。,半缩醛羟基与磷酸基之间形成的O-P键具有较高的能量。,* UDPG可看作“活性葡萄糖”，在体内充作葡萄糖供体。,+,3. 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 ( uridine diphosphate glucose , UDPG ),4. -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。,5.糖原分枝的形成,分 支 酶,(branching enzyme),近来人们在糖原分子的核心发现了一种名为glycogenin的蛋白质。Glycogenin可对其自身进行共价修饰，将UDP-葡萄糖分子的C1结合到其酶分子的酪氨酸残基上，从而使它糖基化。这个结合上去的葡萄糖分子即成为糖原合成时的引物。,糖原合成过程中作为引物的第一个糖原分子从何而来？,（四）糖原合成的特点 ：,1、反应部位 2、糖原合成酶是关键酶 3、需要糖原引物 4、每加上一个葡萄糖残基消耗2分子ATP,（五）糖原合成的意义：,1、有效地调节血糖浓度 2、合理地贮存能源,2. 糖原的分解,（一）定义：糖原分解主要是指肝糖原分解为 葡萄糖的过程。,（三）糖原分解的历程,1. 糖原的磷酸解,（二）反应部位：胞浆和内质网内腔面,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,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,糖原的合成与分解总图,* 肌糖原的分解,肌糖原分解的前三步反应与肝糖原分解过程相同，但是生成6-磷酸葡萄糖之后，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）,小 结,（四）糖原分解反应的特点：,1、糖原磷酸化