《糖代谢医学》PPT课件.ppt

Metabolism of Carbohydrates,第 四 章,糖 代 谢,目的与要求 学时：5 掌握：糖的无氧酵解、有氧氧化、磷酸无糖途径的部位、原料、限速酶、能量生成与消耗、终产物、生理意义及主要调节方式 理解：糖原的分类及合成与分解 掌握：糖异生的概念、部位、原料、限速酶及生理意义 掌握：血糖的来源与去路及主要调节方式,物质代谢途径中的要点,部位 初始反应物（原料） 终产物 重要的中间产物 限速酶（关键酶）、限速步骤 能量的生成、消耗 代谢途径的生理意义,代谢途径中的重要步骤,限速步骤 加氢、脱氢步骤 能量的生成和消耗步骤 生成CO2的步骤,概述,一、糖的生理功能,1. 氧化供能,为肿瘤，爱滋病，及其他疾病的治疗开辟了新的方向.,2. 糖类具有结构功能作为机体组织细胞的组成成分,这是糖的主要功能。,3. 糖具有复杂的多方面的生物活性与功能,如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成成分。,二、糖的分类及其结构,根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类。,单糖 (monosacchride) 寡糖 (oligosacchride) 多糖 (polysacchride) 结合糖 (glycoconjugate),葡萄糖(glucose) 已醛糖,果糖(fructose) 已酮糖,1. 单糖 不能再水解的糖。,半乳糖(galactose) 已醛糖,核糖(ribose) 戊醛糖,2. 寡糖,常见的几种二糖有,麦芽糖 (maltose) 葡萄糖 葡萄糖,蔗 糖 (sucrose) 葡萄糖 果糖,乳 糖 (lactose) 葡萄糖 半乳糖,各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连而成的短链结构，能水解生成几分子单糖的糖。,3. 多糖 由许多单糖分子缩合而成的长链结构，能水解生成多个分子单糖的糖。,常见的多糖有,淀 粉 (starch),糖 原 (glycogen),纤维素 (cellulose),淀粉,直链淀粉 由a-1,4糖苷键相连而成的直链结构。 支链淀粉 由多个较短的a-1，4糖苷键直链结合而成。每两个短直链之间的连接为a-1,6糖苷键。,淀粉 是植物中养分的储存形式,淀粉颗粒,糖原 是动物体内葡萄糖的储存形式,纤维素 作为植物的骨架,糖代谢的概况,葡萄糖,丙酮酸,H2O及CO2,乳酸,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,核糖 + NADPH+H+,淀粉,ATP (adenosine triphosphate，腺嘌呤核苷三磷酸),腺苷三磷酸,AMP,ATPADP + Pi energy ATPAMP + PPi energy Pi Pi,+,第 二 节 糖的无氧氧化 -糖酵解（Glycolysis）,一、糖酵解,第一阶段,第二阶段,* 糖酵解(glycolysis)的定义,* 糖酵解分为两个阶段,* 糖酵解的反应部位：胞浆,在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的过程称之为糖酵解。,由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称之为糖酵解途径(glycolytic pathway)。,丙酮酸在无氧条件下加氢还原为乳酸。,1、葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,（一）葡萄糖经糖酵解途径分解为两分子丙酮酸,特点：消耗1分子ATP，反应不可逆。,葡萄糖激酶（肝）,葡萄糖,哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶，分别称为至型。肝细胞中存在的是型，称为葡萄糖激酶(glucokinase)。它的特点是： 对葡萄糖的亲和力很低 受激素调控,糖原分解生成6-磷酸葡萄糖,2、6-磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖（F-6-P）,1,6-二磷酸果糖,(F-6-P）,3、6-磷酸果糖生成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-BP),第二个限速酶，也是最重要的限速酶,1，6-二磷酸果糖,醛缩酶,4、磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,(5)磷酸二羟丙酮转变为3-磷酸甘油醛,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-BPG),3-磷酸甘油醛脱氢酶,3-磷酸甘油醛,糖酵解 中唯一的 脱氢反应,6、3-磷酸甘油醛氧化生成1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸激酶,ADP,ATP,7、1,3-磷酸甘油酸的磷酸转移,底物水平磷酸化 (substrate level phosphorylation),由于脱氢或脱水的作用，底物分子内部能量重新分布，生成高能键（高能磷脂键或高能硫脂键），使ADP/GDP磷酸化生成ATP/GTP的过程。,3-磷酸甘油,磷酸甘油酸变位酶,8、 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,9、 2-磷酸甘油酸脱水成为磷酸烯醇式丙酮酸,形成一个高能化合物,丙酮酸激酶 (PK ),糖酵解过程的第三个限速酶,也是第二次底物水平磷酸化反应,Mg2+, K+,10、磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸,（二）丙酮酸还原为乳酸（缺氧）,糖原(Gn),6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,糖酵解过程,反应部位：胞液, 反应部位：胞浆 糖酵解是一个不需氧的产能过程 反应全过程中有三步不可逆的反应,糖酵解小结, 产能的方式和数量 方式：底物水平磷酸化 净生成ATP数量：从葡萄糖开始 22-2= 2ATP 从糖原开始 22-1= 3ATP 终产物：乳酸、ATP,二、糖酵解的调节,关键酶,调节方式,1、6-磷酸果糖激酶-1(PFK-1),* 别构调节,别构激活剂：AMP; ADP; F-1,6-2P; F-2,6-2P,别构抑制剂： 柠檬酸; ATP（高浓度）,F-2,6-2P 是该酶最强的变构激活剂,F-6-P,F-1,6-2P,ATP,ADP,PFK-1,磷蛋白磷酸酶,PKA,2、丙酮酸激酶,1) 别构调节,别构抑制剂：ATP, 丙氨酸,别构激活剂：1,6-双磷酸果糖,2)共价修饰调节,丙酮酸激酶,丙酮酸激酶,ATP,ADP,Pi,磷蛋白磷酸酶,（无活性）,（有活性）,PKA：蛋白激酶A (protein kinase A),CaM：钙调蛋白,(三）糖酵解的生理意义,1. 迅速供能：是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。,2. 生理供能：是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径。, 无线粒体的细胞，如：红细胞, 代谢活跃的细胞，如：白细胞、骨髓细胞,3. 病理供能：严重贫血、呼吸功能障碍和循环功 能障碍。,第三节 糖的有氧氧化 Aerobic Oxidation of Carbohydrate,糖的有氧氧化(aerobic oxidation)指在机体氧供充足时，葡萄糖彻底氧化成H2O和CO2，并释放出能量的过程。是机体主要供能方式。,* 部位：胞液及线粒体,* 概念,一、有氧氧化的反应过程,第一阶段：酵解途径,第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧 （线粒体）,第三阶段：三羧酸循环及 氧化磷酸化（线粒体）,G（Gn）,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TAC循环,胞液,线粒体,C,H,3,COSCoA,丙 酮 酸 脱 氢 酶 复 合 体,（一）丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA,限速酶,丙酮酸脱氢酶复合体,3 种 酶： E1: 丙酮酸脱氢酶(TPP、Mg2+) E2: 二氢硫辛酰酰胺转乙酰酶(硫辛酸、辅酶A) E3: 二氢硫辛酰酰胺脱氢酶(FAD、NAD+) 6种辅助因子： TPP、 Mg2+、硫辛酸、辅酶A、FAD、NAD+ （含B1、硫辛酸、泛酸、B2 、PP五种维生素）,CO2,CoASH,NAD+,NADH+H+,5. NADH+H+的生成,1. -羟乙基-TPP的生成,2.乙酰硫辛酰胺的生成,3.乙酰CoA的生成,4. 硫辛酰胺的生成,三羧酸循环(Tricarboxylic acid Cycle, TAC)也称为柠檬酸循环。由于Krebs正式提出了三羧酸循环的学说，故此循环又称为Krebs循环，它由一连串反应组成。,所有的反应均在线粒体中进行。,二、三羧酸循环,* 概述,* 反应部位,1900-1981，德籍英国生物化学家 因发现三羧酸循环而获得1953年诺贝尔生理和医学奖。,1932年发现尿素循环 1937年发现三羧酸循环,柠檬酸合酶,草酰乙酸,+ H2O,1、乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸,柠檬酸,2、柠檬酸转变成异柠檬酸,异柠檬酸,异柠檬酸脱氢酶,3、异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸,三羧酸循环中第二个限速酶,-酮戊二酸 脱氢酶系,4、-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A,三羧酸循环中第三个限速酶,琥珀酰CoA合成酶,琥珀酰CoA,底物水平磷酸化,5、琥珀酰CoA转变为琥珀酸（底物水平磷酸化）,琥珀酸,琥珀酸脱氢酶,6、琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸,延胡索酸,延胡索酸酶,7、延胡索酸水化生成苹果酸,8、苹果酸脱氢生成草酰乙酸,苹果酸脱氢酶,苹果酸,NAD+,NADH+H+,草酰乙酸,CH2COSoA (乙酰辅酶A),三羧酸循环,（TCA）,小 结,1、TAC过程的反应部位是线粒体。,2、三羧酸循环是能量产生的主要环节。 经过一次三羧酸循环，经一次底物水平磷酸化、二次脱羧、三个限速酶、四次脱氢。共产生10个ATP,3、整个循环反应为不可逆反应,4、关键酶有：柠檬酸合酶 -酮戊二酸脱氢酶复合体 异柠檬酸脱氢酶。,三羧酸循环的生理意义,是糖、脂肪、氨基酸三大营养素的最终代谢通路 是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽 在提供生物合成的前体中起重要作用 为呼吸链提供H+ + e。,H+ + e 进入呼吸链彻底氧化生成H2O 的同时ADP偶联磷酸化生成ATP。,三、糖有氧氧化的生理意义,1. 有氧氧化是机体获得ATP的主要方式,胞浆中NADH的氧化,胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。 转运机制主要有： -磷酸甘油穿梭（脑、骨骼肌，36分子ATP） 苹果酸-天冬氨酸穿梭（肝、心肌，38分子ATP）,关键酶： 丙酮酸脱氢酶复合体 柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶、 a-酮戊二酸脱氢酶复合体 己糖激酶 6-磷酸果糖激酶-1 丙酮酸激酶,四、糖有氧氧化的调节,1. 丙酮酸脱氢酶复合体, 别构调节, 共价修饰调节,2、TCA的调节,主要调节位点： 异柠檬酸脱氢酶、 a-酮戊二酸脱氢酶复合体 影响二者活性的因素： NADH/NAD+、ATP/ADP比值； 氧化磷酸化速率； Ca2+浓度；,第四节 磷酸戊糖途径 Pentose Phosphate Pathway,* 概念,磷酸戊糖途径是指由葡萄糖生成磷酸戊糖及NADPH+H+，前者再进一步转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反应过程。 部位：胞液 关键酶：6-磷酸葡萄糖脱氢酶,第一阶段：氧化反应 生成磷酸戊糖，NADPH+H+及CO2,（一）磷酸戊糖途径的反应过程,* 反应过程可分为二个阶段,第二阶段则是非氧化反应 包括一系列基团转移。,NADP+,NADPH+H+,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸内酯,6-磷酸葡萄糖脱氢酶 (G6PD),限速酶，对NADP+有高度特异性,（1）6-磷酸葡萄糖酸内酯的生成,1、磷酸戊糖和NADPH的生成,6-磷酸葡萄糖酸内酯,6-磷酸葡萄糖酸,H2O,内酯酶,（2）6-磷酸葡萄糖酸的生成,CO2,6-磷酸葡萄糖酸,NADP+,NADPH+H+,5-磷酸核酮糖,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶,（3）6-磷酸葡萄糖酸转变为5-磷酸核酮糖,5-磷酸核酮糖,5-磷酸核糖,异构酶,2、磷酸戊糖的相互转变,糖酵解途径,3、 基团移换,磷酸戊糖途径,第一阶段,第二阶段,（二）磷酸戊糖途径的生理意义,1. 为核酸的生成提供核糖,2. 提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应,(1) NADPH是体内许多合成代谢的供氢体,(2) NADPH参与体内的羟化反应，与生物合成或生物转化有关,(3) NADPH可维持GSH的还原状态,2G-SH G-S-S-G,NADP+ NADPH+H+,A AH2,hemolysis溶血 hemolytic anemia 溶血性贫血,谷胱甘肽过氧化物酶,谷胱甘肽还原酶,Favism (蚕豆病),Oxidative damage to lipids, protein, enzymes, intact of RBC membrane, Hb, DNA,defect,海因茨小体（Heinz Body），是红细胞内变性珠蛋白的包涵体，由德国物理学家Robert Heinz (1865-1924)于1890年发现并命名。,第 五 节 糖原的合成与分解 Glycogenesis and Glycogenolysis,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,葡萄糖单元以-1,4-糖苷 键形成长链。 2. -1,6-糖苷键连接为分支结构 3. 每条链都终止于一个非还原端.非还原端增多，以利于其被酶分解。,糖原的结构特点及其意义,一、糖原的合成作用,合成部位,定义,糖原的合成(glycogenesis) 指由葡萄糖合成糖原的过程。,组织定位：主要在肝脏、肌肉 细胞定位：胞浆,1、葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,磷酸葡萄 糖变位酶,6-磷酸葡萄糖,2、6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖,UDPG焦磷酸化酶,H2O,2Pi,3、尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）的生成,* UDPG是葡萄糖的活化形式，在体内充作葡萄糖供体。,尿苷二磷酸葡 萄糖(UDPG),糖原引物(Gn),糖原合酶,糖原(Gn+1),UDP,4. -1,4-糖苷 键的形成,5.糖原分枝的形成,糖原合成的限速酶,二、糖原的分解代谢,* 定义,* 亚细胞定位：胞 浆,* 肝糖元的分解,1. 糖原的磷酸解,糖原分解 (glycogenolysis )习惯上指肝糖原分解成为葡萄糖的过程。,脱枝酶,脱枝酶,2、脱枝酶的作用,1-磷酸葡萄糖,3、1-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸酶 （肝、肾）,4、6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,肌肉组织细胞缺乏此酶，因此肌糖原无法补充血糖,G（补充血糖）,G-6-P,F-6-P （进入酵解和有氧氧化途径）,G-1-P,Gn（合成糖原）,UDPG,6-磷酸葡萄糖酸内酯 （进入磷酸戊糖途径）,小 结,三、糖原合成与分解的调节,这两种关键酶的重要特点： * 它们的快速调节有共价修饰和变构调节二种方式。 * 它们都以活性、无（低）活性二种形式存在，二种形式之间可通过磷酸化和去磷酸化而相互转变。,磷酸化酶b激酶,糖原合酶(a),糖原合酶-P (b),磷酸化酶b,磷酸化酶a-P,第六节 糖 异 生 Gluconeogenesis,糖异生(gluconeogenesis)是指从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。,* 部位,* 原料,* 概念,主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体,主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸,糖异生作用的部位,生理条件下,饥饿期间,空腹及长期饥饿时葡萄糖的异生作用,空 腹 100300 90% 10%,一、糖异生途径,基本上是糖酵解的逆过程 跨越三个能障 一个膜障（以丙酮酸为代表的物质）,6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖,糖的异生作用,果糖二磷酸酶-1,1,6-二磷酸果糖转变为6-磷酸果糖,丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸 -丙酮酸羧化支路,葡萄糖-6-磷酸酶 果糖-1，6-二磷酸酶 丙酮酸羧化酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶,胞浆 胞浆 线粒体 胞浆、线粒体,糖异生作用的酶,存在部位,线粒体内膜不允许草酰乙酸自由透过，故此草酰乙酸在线粒体与胞浆之间的交换受阻从而构成“膜障”。,糖异生作用与膜障,丙酮酸,线粒体,胞液,二、糖异生的生理意义,1.维持血糖浓度恒定,2.补充肝糖原,3.调节酸碱平衡（乳酸异生为糖）,第 八 节 血糖及其调节,* 血糖，指血液中的葡萄糖。,* 血糖水平，即血糖浓度。 正常血糖浓度 ：3.896.11mmol/L,血糖及血糖水平的概念,血糖,一、血糖来源和去路,二、血糖水平的调节,* 主要依靠激素的调节,*葡萄糖耐量(glucose tolerence),正常人体内存在一套精细的调节糖代谢的机制，在一次性食入大量葡萄糖后，血糖水平不会出现大的波动和持续升高。,指人体对摄入的葡萄糖具有很大的耐受能力的现象。,糖耐量试验(glucose tolerance test, GTT),目的：