糖类代谢为生物体提供重要的碳源和能源.ppt

第八章 糖代谢, 糖类代谢为生物体提供重要的碳源和能源。 糖类代谢的中间产物可为氨基酸、核苷酸、 脂肪酸、类固醇的合成提供碳原子或碳骨架。 糖类代谢与脂类、蛋白质等物质代谢相互联系、相互转化，不可分割，构成了代谢的统一整体。,分解代谢：大分子糖 单糖 CO2+H2O+ATP,糖代谢,合成代谢: CO2+H2O+光能 葡萄糖 淀粉（糖原或由非糖物质转化成糖）,O2,一、多糖和低聚糖的酶促降解 二、糖的分解代谢 (一)糖的无氧降解及厌氧发酵 (二)葡萄糖的有氧分解代谢 (三)戊糖磷酸途径phosphopentose pathway PPP 三、糖的合成、糖异生,概述 多糖和低聚糖，由于分子大，不能透过细胞膜，只有分解成小分子单糖后才能被生物体吸收利用，其水解均依靠酶的催化。 淀粉水解 淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖 G,一、多糖和寡聚糖的酶促降解,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糖苷键。 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,糖原降解示意图（细胞内的磷酸解作用：磷酸化酶、 寡聚1，4 1，4 葡聚糖转移酶、脱支酶）,（续）,纤维素的酶促水解：,人的消化道中没有水解纤维素的酶 微生物如细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶，它们能催化纤维素完全水解成葡萄糖 双糖的酶水解 ： 麦芽糖酶 纤维二糖酶 蔗糖酶 乳糖酶,血糖,血液中的葡萄糖称为血糖 正常人空腹血糖浓度为70110mgdL （100ml),二、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： 在无氧情况下：葡萄糖 丙酮酸 乳酸 在有氧情况下，葡萄糖 水和二氧化碳 葡萄糖经戊糖磷酸途径氧化为水和二氧化碳,酵解,TCA,（一）糖酵解途径(glycolysis) （Embden Meyerhof Parnas EMP）,(1) EMP途径的生化历程,糖酵解过程,a,b,1,2,3,4,1）第一阶段：葡萄糖 1, 6-二磷酸果糖,或葡萄糖激酶,2）第二阶段：1, 6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛,H,3,4,3）第三阶段：3-磷酸甘油醛 2-磷酸甘油酸,Pi,甘油醛磷酸脱氢酶,4）第四阶段：2-二磷酸甘油酸 丙酮酸,+H2O,OH,（二）.丙酮酸的无氧降解 （酵解与厌氧发酵）,（1） 乳酸发酵（同型乳酸发酵） 动物、乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌） G +2ADP+ 2Pi 2乳酸 2ATP+2水,NAD,（2）酒精发酵（酵母的第型发酵）,0,CO2,（3）甘油发酵（酵母的第型发酵）,NAD,从葡萄糖到丙酮酸的中间产物，全部是磷酸化合物，这个现象不是偶然的，磷酸基在这些化合物中，不论是以酯的形式或以酸酐的形式，都是提供一负电荷基团，不能透过细胞膜，使酵解反应全部在胞液中进行。此外，磷酰基的提供，对贮存能量也起着重要的作用。,糖酵解有二重作用： 一是降解产生ATP 二是产生含碳的中间物为合成反应提供原料。P224 在酵解过程中有三个不可逆反应，也就是说有三个调控步骤，分别被三个酶多点调节：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的进入，丙酮酸激酶调节酵解的出口。,糖酵解速度的调控： 果糖磷酸激酶是最关键的限速酶 当ATP浓度高时，该酶几乎无活性，当AMP浓度高时，该酶活性增强。 H+可抑制果糖磷酸激酶活性，防止乳酸中毒 己糖激酶（可代替葡萄糖激酶），也可激活果糖生成果糖-6-P， 受G-6-P的别构抑制 丙酮酸激酶也起重要的速度调节作用 果糖-1，6-二磷酸是该酶的激活剂 丙氨酸、ATP、乙酰CoA等是该酶的抑制剂,（三）、葡萄糖的有氧分解代谢,有氧氧化： 大多数生物的主要代谢途径 EMP pyr TCA 可衍生许多其他物质,丙酮酸脱羧三羧酸循环,(三) 糖的有氧氧化 (aerobic oxidation),概念 过程 小结 意义,一、糖有氧氧化的概念,体内组织细胞在有氧条件下，是从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环，彻底氧化分解生成CO2和H2O，并将释放的能量转移到ATP中去的过程。,糖的有氧氧化是指：,葡萄糖的有氧分解代谢途径是一条完整的代谢途径，实际上是无氧分解代谢的继续，是获得能量的一种主要方式。,糖有氧氧化概况,葡萄糖丙酮酸丙酮酸乙酰CoA,CO2+H2O+ATP,三羧酸循环,线粒体内,胞浆,糖的有氧氧化与糖酵解,葡萄糖丙酮酸乳酸(糖酵解),葡萄糖丙酮酸,二、糖有氧氧化的过程,第一阶段： 丙酮酸的生成（胞浆） 第二阶段： 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA（线粒体） 第三阶段： 乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化（线粒体）,三 个 阶 段,丙酮酸的生成（胞浆）,2丙酮酸,进入线粒体进一步氧化,2(NADH+ H+ ),2H2O + 6/8 ATP,丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A,丙酮酸+ CoA-SH+ NAD+ 乙酰CoA + C O2 + NADH+H+,丙酮酸 脱氢酶系,丙酮酸脱氢酶系,3种酶： 丙酮酸脱羧酶(TPP、Mg2+) 二氢硫辛酸乙酰基转移酶(硫辛酸、辅酶A) 二氢硫辛酸脱氢酶(FAD、NAD+) 6种辅助因子： TPP、 Mg2+、硫辛酸、辅酶A、FAD、NAD+ （含B1、泛酸、B2 、PP四种维生素）,丙酮酸氧化脱羧反应,丙酮酸脱羧酶 Mg2+,硫辛酸乙酰 转移酶,二氢硫辛酸 脱氢酶,丙酮酸脱氢酶系催化的反应,丙酮酸脱羧酶 Mg2+,二氢硫辛酸 脱氢酶,硫辛酸乙酰 转移酶,乙酰辅酶A进入三羧酸循环,三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TAC)又称柠檬酸循环(citric acid cycle)/ Krebs循环(Krebs cycle)。 从乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成含3个羧基的柠檬酸开始，经过一系列代谢反应，乙酰基被彻底氧化，草酰乙酸得以再生的过程称为三羧酸循环。,三羧酸循环, 反应过程 反应特点 意 义, 乙酰CoA与草酰乙酸 缩合形成柠檬酸,TCA循环,柠檬酸合酶,关键酶, 柠檬酸异构化生成异柠檬酸,TCA循环,柠檬酸 (citrate),异柠檬酸, 异柠檬酸氧化脱羧 生成-酮戊二酸,TCA循环,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸+NAD+ -酮戊二酸 +CO2+NADH+H+,关键酶, -酮戊二酸氧化脱羧 生成琥珀酰辅酶A,-酮戊二酸脱氢酶系,TCA循环,-酮戊二酸 + CoA-SH+ NAD+ 琥珀酰CoA + C O2 + NADH+H+,关键酶, 琥珀酰CoA转变为琥珀酸,琥珀酸硫激酶,TCA循环,琥珀酰CoA (succinyl CoA),琥珀酰CoA + GDP + Pi 琥珀酸+ GTP + CoA-SH, 琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸,TCA循环,琥珀酸 (succinate),琥珀酸脱氢酶,琥珀酸 + FAD 延胡索酸 +FADH2, 延胡索酸水化生成苹果酸,TCA循环,延胡索酸 (fumarate),延胡索酸酶,延胡索酸 + H2O 苹果酸, 苹果酸脱氢生成草酰乙酸,苹果酸脱氢酶,TCA循环,苹果酸 (malate),NAD+,NADH+H+,琥珀酰CoA,草酰乙酸,苹果酸,琥珀酸,-酮戊二酸,异柠檬酸,柠檬酸,延胡索酸,乙酰辅酶A,丙酮酸,三羧酸循环总图,草酰乙酸,CH2COSCoA (乙酰辅酶A),三羧酸循环总图,2H,2H,H,三羧酸循环中草酰乙酸的来源(1),+ CO2 +ATP,三羧酸循环中草酰乙酸的来源(2),丙酮酸 + CO2 苹果酸 草酰乙酸,苹果酸酶,苹果酸脱氢酶,NADPH+H+,NADPH+H+,NADP+,NADP+,三羧酸循环小结,TAC运转一周的净结果是氧化1分子乙酰CoA，草酰乙酸仅起载体作用，反应前后无改变。,乙酰辅酶A+3NAD+ +FAD+Pi+2H2O+GDP 2 CO2+3(NADH+H+ )+FADH2+ HSCoA+GTP,14C标记乙酰CoA进行研究结果，第一周循环中并无14C出现CO2，即CO2的碳原子来自草酰乙酸而不是来自乙酰CoA，第二周循环时，才有14 CO2 出现。,TAC中的一些反应在生理条件下是不可逆的，所以整个三羧酸循环是一个不可逆的系统,TAC的中间产物可转化为其他物质，故需不断补充,草酰乙酸,CH2COSCoA (乙酰辅酶A),三羧酸循环总图,2H,2H,H,三羧酸循环特点,一次底物水平磷酸化 二次脱羧 三个不可逆反应 四次脱氢,一克分子乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化净生成12ATP。,糖有氧氧化的生理意义,糖有氧氧化的基本生理功能是氧化供能。,糖有氧氧化是体内三大营养物质代谢的总枢纽。,糖有氧氧化途径与体内其他代谢途径有着密切的联系。,糖有氧氧化过程中ATP的生成,第一阶段：葡萄糖 2丙酮酸,第二阶段：2丙酮酸 2乙酰CoA,第三阶段：2乙酰CoA2CO2+4H2O,2ATP,糖 的 有 氧 氧 化 底物磷酸化 氧化磷酸化,23ATP,211ATP,葡萄糖 6 CO2+ 6H2O + ？mol ATP,糖原中的1mol葡萄糖 6 CO2+ 6H2O + ？mol ATP,36/38 ATP,37/39 ATP,22/3ATP,2ATP,三羧酸循环的限速酶及其调节,酶 的 名 称 柠檬酸合酶 *异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸脱氢酶系,变构激活剂 草酰乙酸、乙酰CoA ADP,变构抑制剂 ATP NADH ATP、NADH、 琥珀酰CoA,P,丙酮酸氧化和 三羧酸循环 的调节,琥珀酰CoA,草酰乙酸,苹果酸,琥珀酸,-酮戊二酸,异柠檬酸,柠檬酸,延胡索酸,乙酰辅酶A,丙酮酸,（三）乙醛酸循环,乙醛酸循环又称乙醛酸途径（g1yoxy1ate pathway）,乙醛酸循环三羧酸循环的支路,是一个与三羧酸循环相联系的小循环。因为以乙醛酸为中间代谢物，故称乙醛酸循环。 两种特异的酶，即异柠檬酸裂解酶与苹果酸合成酶。,异柠檬酸在异柠檬酸裂解酶催化下，生成乙醛酸与琥珀酸,乙醛酸与乙酰辅酶A在苹果酸合成酶催化下合成苹果酸,乙醛酸循环,草酰乙酸,苹果酸,柠檬酸,顺乌头酸,异柠檬酸,乙酰CoA,（乙酰辅酶A）,乙醛酸循环与三羧酸循环的关系,琥珀酸,异柠檬酸,乙醛酸,苹果酸,草酰乙酸,柠檬酸,乙酰辅酶A,乙醛酸循环的生物学意义, 许多微生物和植物中存在 1、可以以二碳化合物（如乙酰辅酶A）合 成三羧酸循环的回补化合物（四碳、六碳） 2、在植物和微生物中，可以将脂肪酸氧化产物乙酰 CoA转化为糖类化合物 例如，油料种子萌发时。 目前已知，动物中不存在乙醛酸循环，所以动物中不能将脂肪转化为糖。,Pentose phosphate pathway hexose monophosphate pathway HMP,概 念 过 程 小 结 调 节 生理意义,（四）戊糖磷酸途径,戊糖磷酸途径的概念,从葡萄糖-6-磷酸开始，在葡萄糖-6-磷酸脱氢酶催化下形成6-磷酸葡萄糖酸，进而代谢生成3种戊糖-5-磷酸,再转变为果糖-6-磷酸及甘油醛-3-磷酸。这也是生成NADPH的主要途径。,关键:1.生成“还原力”NADPH 2.生成五碳糖核糖-5-磷酸,戊糖磷酸途径的过程,第一阶段： 氧化反应 生成NADPH和CO2 第二阶段： 非氧化反应 异构及基团转移(转二碳和三碳基团) (生成甘油醛-3-磷酸和果糖-6-磷酸),(1) 葡萄糖-6-磷酸转变为 6-磷酸葡萄糖酸内酯,葡萄糖-6-磷酸 glucose 6-phosphate,葡萄糖-6-磷酸脱氢酶,限速酶，对NADP+有高度特异性,(2) 6-磷酸葡萄糖酸内酯 转变为6-磷酸葡萄糖酸,6-磷酸葡萄糖酸内酯 6-phosphoglucono-lactone,6-磷酸葡萄糖酸 6-phosphogluconate,H2O,内酯酶,(3) 6-磷酸葡萄糖酸转变为 核酮糖-5-磷酸,6-磷酸葡萄糖酸 6-phosphogluconate,核酮糖-5-磷酸 ribulose 5-phosphate,(4) 三种五碳糖的相互转换,木酮糖-5-磷酸 xylulose 5-phosphate,差向异构酶,(5) 二分子五碳糖的基团转移反应,景天糖-7-磷酸 sedoheptulose 7-phosphate,转酮醇酶,(TPP),(6)七碳糖与三碳糖的基团转移反应,景天糖-7-磷酸 sedoheptulose 7-phosphate,甘油醛-3-磷酸 glyceraldehyde 3-phosphate,转醛醇酶,果糖-6-磷酸 fructose 6-phosphate,(7)四碳糖与五碳糖的基团转移反应,果糖-6-磷酸 fructose 6-phosphate,转酮醇酶,(TPP),戊糖磷酸途径小结,反应部位： 细胞浆中 反应底物： 葡萄糖-6-磷酸 重要反应产物： NADPH、核糖-5-磷酸 限 速 酶： 葡萄糖-6-磷酸脱氢酶(G-6-PD),戊糖磷酸途径两个阶段的反应式,葡萄糖-6-磷酸+ 2 NADP+ 核酮糖-5-磷酸+ 2(NADPH+H+) + CO2,3核酮糖-5-磷酸 2果糖-6-磷酸+甘油醛-3-磷酸,戊糖磷酸途径,Go 79,Go p81,戊糖磷酸途径示意图,转酮醇酶与转醛醇酶,转酮醇酶(transketolase) 是催化含有一个酮基、一个醇基的2碳基团转移的酶。其接受体是醛，辅酶是TPP。,转醛醇酶(transaldolase)是催化含有一个酮基、二个醇基的3碳基团转移的酶。其接受体是也是醛，但不需要TPP。,戊糖磷酸途径的意义,1、产生NADPH(还原力),2、产生核糖-5-磷酸,核糖-5-磷酸,核糖-5-磷酸参与 各种核苷酸辅酶及核苷酸的合成,(1)NAD(P)+ (2)FAD (3)HSCoA,(1) NTP (2)dNTP (3)cAMP/cGMP,NADPH的主要功能,1、作为供氢体 -参与体内多种物质的生物合成反应,2、是谷胱甘肽还原酶的辅酶 -对维持细胞中还原型谷胱甘肽的正常含量起重要作用,3、作为加单氧酶的辅酶 -参与肝脏对激素、药物和毒物的生物转化、分解作用,4、清除细胞内的自由基,NADPH作为体内多种物质 生物合成的供氢体,脂肪酸、胆固醇和类固醇激素的生物合成，均需要大量的NADPH。,NADPH + H+,完善的生物调节机制,体内的NADPH、核糖-5-磷酸的需求量是决定戊糖磷酸途径快慢、以及向哪个方向转移的关键因素。 请看以下例子：,当大量需要核糖-5-磷酸时：,Go P72,2. 当NADPH和核糖-5-磷酸同时缺乏时：,核糖-5-磷酸,3. 当只缺乏NADPH时：,果糖-6-磷酸,果糖-1，6-二磷酸,二羟丙酮磷酸,甘油醛-3-磷酸,核糖-5-磷酸,Go p72,(木酮糖5-磷酸),戊糖磷酸途径与疾病,神经疾病 (neuropsychiatric disorder),药物诱导的溶血性贫血 (a drug-induced hemolytic amemia),戊糖磷酸途径与神经疾病,与VitB1缺乏有关,VitB1缺乏,烦躁、麻木、 肌萎缩、心衰竭,蚕豆病,蚕豆病的症状是： 吃蚕豆几小时或12天后，突然感到精神疲倦、头晕、恶心、畏寒发热、全身酸痛、萎靡不振，并伴有黄疸、肝脾肿大、呼吸困难、肾功能衰竭，甚至死亡。 血像检查: 红细胞明显减少，黄疸指数明显升高。 机理:遗传性G6PD缺乏 蚕豆中有3种物质：裂解素、锁未尔和多巴胺。前两种使谷胱甘肽氧化，后一种能激发红细胞的自身破坏，使红细胞大量溶解而发生蚕豆病。,蚕豆病，俗称蚕豆黄。,戊糖磷酸途径与溶血性贫血,一些具有氧化作用的外源性物质 如蚕豆、抗疟药、磺胺药等,G6PD缺乏,三 糖的合成代谢,自然界中糖的合成的基本来源是绿色植物及光能细菌进行光合作用，从无机CO2及H2O合成糖，异养生物不能从无机物合成糖，必须从食物中获得。 异养生物从食物中获得蛋白质、脂类等有机物是否能转化为糖？,（一）蔗糖的合成,在高等植物中蔗糖的合成主要有两种途径 蔗糖合成酶利用尿苷二磷酸葡糖（UDPG）作为葡萄糖供体与果糖合成蔗糖。 蔗糖磷酸合成酶利用UDPG作为葡萄糖供体与果糖磷酸合成蔗糖。,1、蔗糖合成酶 葡糖- 1-磷酸+UTP UDPGPPi PPi+H2O2Pi,UDPG+果糖,蔗糖 + UDP,蔗糖合成酶,焦磷酸化酶,2、蔗糖磷酸合成酶,也利用UDPG作为葡萄糖供体，但果糖部分不是游离果糖，而是果糖磷酸酯，合成产物是蔗糖磷酸酯，再经专一的磷酸酯酶作用脱去磷酸形成蔗糖。 一般认为途径（2）是植物合成蔗糖的主要途径。 UDPG+果糖-6-磷酸 蔗糖磷酸+UDP,蔗糖磷酸合成酶,蔗糖磷酸 蔗糖+H3PO4,磷酸酯酶,蔗糖合成的可能途径,葡萄糖 葡糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸,（二）、淀粉的合成,1-1，4糖苷键的形成高等植物淀粉合成的主要途径： 有关的酶类主要是 尿苷二磷酸葡糖（UDPG）转葡糖苷酶 腺苷二磷酸葡糖（ADPG）转萄糖苷酶 引物的分子可以是麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖、甚至是一个淀粉分子,尿苷二磷酸葡糖（UDPG）转葡糖苷酶,腺苷二磷酸葡糖（ADPG）转萄糖苷酶,近年来认为高等植物合成淀粉的主要途径是通过ADPG转葡糖苷酶,nUDPG nUDP+（-1,4葡萄糖）n,UDPG转葡糖苷酶,nADPG nADP+（-1,4葡萄糖）n,ADPG转葡糖苷酶,2支链淀粉的合成,在植物中有Q酶，能催化-1，4糖苷键转换为-1，6糖苷键，使直链的淀粉转化为支链的淀粉,（三）、糖原的合成,葡萄糖合成糖原的过程称糖原生成作用 1G-1-P在UDPG焦磷酸化酶催化下生成UDPG 2在糖原合成酶催化下，UDPG将葡萄糖残基加到糖原引物非还原端形成-1，4糖苷键 3由分支酶催化，将-1,4糖苷键转换为-1,6糖苷键，形成有分支的糖原,糖原合成示意图,UDPG焦磷酸化酶,UDPG,UDP,糖原合成酶,R-引物,R-1，4 萄糖链,糖原是葡萄糖的贮存形式。当人和动物体肝脏及肌肉组织细胞内能量充足时，进行糖原合成以贮存能量。当能量供应不足时，进行糖原分解以释放能量。糖原合成与分解的协调控制对维持血糖水平的恒定有重要意义。,糖原合成与分解的调节,糖原分解与合成的关键酶是磷酸化酶及糖原合成酶。 两酶的活性均受磷酸化或脱磷酸化的共价修饰调节。 磷酸化的磷酸化酶有活性，而磷酸化的糖原合成酶则失去活性；脱磷酸化的糖原磷酸化酶失去活性，而糖原合成酶则增强活性。 糖原合成与分解的速度受激素的调节。例如胰岛素可促进糖原的合成并降低血糖，肾上腺素、胰高血糖素、肾上腺皮质激素则促进糖原降解增加血糖浓度。,级联放大机制,细胞膜,四、糖原的异生作用,糖原的异生作用 ：许多非糖物质如甘油、 丙酮酸、乳酸以及某些氨基酸等能在肝