4-1糖代谢EMP.ppt

,第四章 糖代谢,Chapter 4 Metabolism of carbohydrate,本章提要： 本章主要内容是生物体内糖类的分解途径、合成途径、生物氧化途径及其调节和控制；以及多种糖代谢紊乱的机理。,第四章 糖代谢,第一节 糖的消化、吸收和转运 第二节 糖酵解(glycolysis) 第三节 三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle, TCA cycle) 第四节 生物氧化 第五节 磷酸戊糖途径（磷酸己糖支路） (hexosephosphate shunt) 第六节 糖的异生(gluconeogenesis) 第七节 糖原合成与分解 第八节 结构多糖组分的生物合成 第九节 糖代谢的调节 第十节 糖代谢的紊乱： 糖尿病(diabetes mellitus),第四章 糖代谢(Metabolism of carbohydrate),糖酵解糖的共同分解途径 糖的分解代谢 柠檬酸循环糖的最终氧化途径 糖原的分解 功能：供能；中间产物转化或合成为其他物质 磷酸戊糖途径各种糖的相互转化 糖的中间代谢: 乙醛酸途径 糖醛酸途径 糖原的合成葡萄糖储备 糖的合成代谢 糖的异生作用非糖物质合成糖 寡糖及糖蛋白的生物合成 光合作用 葡萄糖、淀粉合成,第一节 糖的消化、吸收和转运,糖的消化(digestion) ：从口腔开始。 食物 口腔：糖 + 唾液淀粉酶 部分水解 麦芽糖（少量） （近中性） 胃：胃酸抑制唾液淀粉酶作用 十二指肠： 淀粉 -淀粉酶 麦芽糖 + 极限糊精+单糖 -淀粉酶 二糖、寡糖 寡糖酶、蔗糖酶 各种单糖 -葡萄糖苷酶、-半乳糖苷酶 小肠：糖的吸收和转运的场所。,二 糖的吸收和转运(absorption and transport),1. 糖的吸收： 单糖：由小肠粘膜细胞吸收，进入血液。 不被消化的糖类（二糖、寡糖、多糖）：经肠道细菌分解为酸、CH4、CO2 、H2等排出。,2. 糖的转运: 根皮苷 D-葡萄糖 小肠上皮细胞膜内的 上皮细胞 循环系统 D-半乳糖 Na+-单糖协同转运系统 D-果糖 不需Na+的易化扩散系统 上皮细胞 被动扩散 循环系统 细胞松弛素,图 葡萄糖的协同运送系统,GLUT5,细胞对葡萄糖的摄入： 葡萄糖转运体（glucose transporter，GLUT） Na+-葡萄糖协同转运体(Na+-glucose cotransporter),课后复习,GLUT1和GLUT3: 哺乳动物细胞, 负责基本葡萄糖摄取, Km = 1mmol/L GLUT2: 肝和胰腺的 细胞及肠, Km = 15-20mmol/L GLUT4: 肌肉和脂肪组织, Km = 5mmol/L, InsulinGLUT4 GLUT5: 小肠粘膜细胞、肾小管上皮细胞, 果糖转运体 GLUT7: 内质网膜上，使Glc释出内质网.,GLUTs： Passive transport Facilitated diffusion 易化扩散转运葡萄糖,课后复习,课后复习,主动吸收，需载体蛋白，耗能，逆浓度梯度,葡萄糖的主动吸收,GLUT 2,课后复习,Na+-glucose cotransporter Na+-葡萄糖协同转运体,第二节 糖酵解(glycolysis), 掌握一些基本概念： 糖酵解作用，单纯乳酸发酵， 乳酸发酵，乙醇发酵，底物水平磷酸化 熟悉酵解途径中的各步酶促反应以及限速酶和关键酶的作用特点,及与发酵途径的区别 会分析和计算酵解途径中产生的能量，以及底物分子中标记碳的去向。,一、糖酵解途径 二、糖酵解途径总结 三、无氧条件下丙酮酸的去路 四、糖酵解作用的调节 五、其他六碳糖进入糖酵解途径,第二节 糖酵解,第二节 糖酵解(glycolysis),糖酵解(glycolysis, Embden-Meyerhof途径，EM途径) (Embden-Meyerhof-Pamas途径，EMP途径) 糖酵解无氧条件下葡萄糖分解为两个分子的丙酮酸，并产生ATP的过程。 一 糖酵解途径(EMP) 糖酵解在细胞溶胶进行。从葡萄糖开始，共需要十步，每一步由一个特定的酶催化，大多需Mg2+ 。,己糖激酶(hexokinase): 催化Glc、Fru磷酸化 需要Mg2+或Mn2+等 Mg2+与ATP形成复合物 反应基本不可逆 是别构调节酶、同工酶 (-): G6P.,葡萄糖激酶(glucokinase): 肝脏中由此酶催化, 是诱导酶。Km高。,G6P,已糖激酶IV,已糖激酶 I、II、III,G0 = 1.67kJ/mol = 0.4 kcal/mol， 反应可逆。 磷酸葡萄糖异构酶：绝对底物专一性，立体专一性 机理：酸碱催化,G0 = -14.23kJ/mol = - 3.4 kcal/mol，反应不可逆。 磷酸果糖激酶：EMP限速酶。 磷酸果糖激酶为四聚体别构酶： (-) ：ATP，PEP，柠檬酸； ADP、AMP、F-2,6-BP (+) 有多种同工酶： A：心肌、骨骼，对磷酸肌酸、柠檬酸、Pi的抑制最敏感 B：肝、红细胞，被2, 3 2P- 甘油酸（BPG）敏感激活 C：脑，对腺嘌呤核苷酸作用敏感,磷酸果糖激酶-1（phosphofructokinase-1，PFK-1） 限速酶,F6P,FBP,醛缩酶（adolase）：G0 = 24kJ/mol = 5.73kcal/mol A 肌肉 I 型：高等植物、动物。有三种同工酶： B 肝脏 C 脑 II 型：细菌、真菌、藻类。与 I 型不同：含二价金属离子。,GAP,DHAP,FBP,反应机制: 羟醛缩合反应(aldol condensation),5. 二羟丙酮磷酸转变为甘油醛-3-磷酸（GAP）,H H O H- 3C-OH 丙糖磷酸异构酶 C 2C=O （triose phosphate C-OH 1CH2OPO32- isomerase） CH2OPO32- （DHAP） （GAP） G= 7.7kJ/mol =1.83kcal/mol DHAP与GAP的互变十分迅速，两者浓度常处于平衡状态。,DHAP,GAP,GAP,六碳糖转换成三碳糖后，碳原子的归属,6. 甘油醛-3-磷酸氧化（脱氢） 1, 3-2P-甘油酸,H O NAD+,Pi NADH O O PO32- C 甘油醛-3-磷酸脱氢酶 C HC-OH （glyceraldehyde 3-P HC-OH CH2OPO32- dehydrogenase） CH2OPO32- （GAP） （1,3-BPG） G= 6.27kJ/mol = 1.5kcal/mol 产生EMP中的唯一的一个NADH。,甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH),甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH) 含巯基，受重金属离子和烷化剂（碘乙酸）抑制,砷酸盐(arsenate, AsO43-)做为Pi类似物抑制反应。 生成1-砷酸-3-磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 解偶联的作用:氧化与磷酸化的偶联,BPG,磷酸甘油酸激酶（phosphoglycerate kinase, PGK) 产生EMP中的第一个ATP分子。 底物水平磷酸化作用(substrate level phosphorylation) ：从一个高能化合物（例如1,3-二磷酸甘油酸）上，将磷酰基转移给ADP形成ATP的过程称为底物水平磷酸化作用，即ATP的形成直接与一个代谢中间物上的磷酰基转移相偶联。或高能键断裂释放的能量直接用于ATP的合成。底物水平磷酸化不需要氧，是酵解中形成ATP的机制。,7. 1,3-二磷酸甘油酸（1,3-BPG）转变为 3-磷酸甘油酸（3-PG）,8. 3 - P-甘油酸 2-P-甘油酸：,O O - O O - C 磷酸甘油酸变位酶 C HC-OH （bisphosphoglycerate H -C-OPO32- CH2OPO32- mutase） CH2OH （3 - PG） （2 - PG） G= 4.45 kJ/mol = 1.06 kcal/mol 变位酶：催化分子内基团移位的酶。 转变过程的中间产物：2，3-BPG。,2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）作为引物 磷酸甘油酸变位酶（phosphoglycerate mutase), 2,3-二磷酸甘油酸（2,3-BPG）的作用： 1 作为引物，参与糖酵解中3-PG 2-PG 调节血红蛋白的运氧功能。稳定脱氧血红蛋白的构象，降低血红蛋白对氧的亲和力 2,3-二磷酸甘油酸的合成与降解： 2，3二磷酸甘油酸（2，3BPG）支路 2,3-BPG是二磷酸甘油酸变位酶（phosphoglycerate mutase) 的强竞争性抑制剂,葡萄糖,1, 3-BPG,3-磷酸甘油酸,2, 3-BPG,2, 3-BPG 磷酸酶,二磷酸甘油酸变位酶,3-磷酸甘 油酸激酶,乳酸,2,3-BPG 旁 路,15-50%,9. 2 - P-甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸：,O O - O O - C 烯醇化酶 C H-C-OPO32- （enolase） C-OPO32- CH2OH H-C-H （2-PG） （ phosphoenolpyruvate, PEP） G= 1.84 kJ/mol = 0.44 kcal/mol, 消除反应中间产物：负碳离子中间物。 烯醇化酶 ：需要Mg 2+ 、Mn2+等二价阳离子激活。 氟化物中的F -可与Mg2+、Pi形成络合物并结合在酶上而产生强烈抑制。,Mg 2+,10. 磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸：,O O - ADP ATP O O - C Mg2+ C C-OPO32- 丙酮酸激酶 C=O H -C-H （pyruvate kinase） CH3 （PEP） （pyruvate） G= - 31.38 kJ/mol = -7.5 kcal/mol PEP转移高能磷酸键并合成EMP的第二个ATP。 底物水平磷酸化作用(substrate level phosphorylation) 丙酮酸激酶是一个四亚基别构酶，至少有三种同工酶。是EMP的第三个重要调节部位。,不可逆反应 抑制剂：ATP、长链脂肪酸、乙酰-CoA、丙氨酸 激活剂：F-1,6-BP和磷酸烯醇式丙酮酸（PEP),二 糖 酵 解 途 径 总 结:,1. EMP从葡萄糖到丙酮酸：10步反应。 2. 最重要的生物学意义：是在不需氧的情况下（缺氧或不缺氧），产生ATP的供能方式。 3. 能量代谢总结： 产生2个NADH 底物磷酸化: 产生4 ATP 两步磷酸化: 消耗2 ATP 1个葡萄糖经历EMP分解为2个分子的丙酮酸: 共计: 产生2个ATP + 2个NADH,葡萄糖2ADP2NAD2Pi 2丙酮酸2ATP2NADH2H2H2O,二 糖酵解途径总结:,EMP的生物学意义: 是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径,是机体相对缺氧时补充能量的一种有效方式（机体缺氧、剧烈运动肌肉局部缺血等，能迅速获得能量）。 某些组织在有氧时也通过糖酵解供能：成熟红细胞、视网膜、睾丸、肾髓质、皮肤、肿瘤细胞; 形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供碳骨架； 为糖异生提供基本途径。 乳酸的利用,三 无氧条件下丙酮酸的去路,发酵丙酮酸转化为乳酸、乙醇 乳酸发酵：乳酸菌将NADH的氢用来还原丙酮酸使之形成乳酸的过程。 单纯乳酸发酵(homolatic fermentation)：供氧不足时，动物细胞与乳酸菌类似，丙酮酸产生的速度大于它能被三羧酸循环氧化的速度，丙酮酸被还原成乳酸。 酒精发酵：某些厌氧微生物（如酵母）把酵解生成的NADH中的氢交给丙酮酸脱羧生成的乙醛，使之形成乙醇的过程。,三 无氧条件下丙酮酸的去路,1. 丙酮酸生成乳酸: COOH COOH C=O + NADH +H+ 乳酸脱氢酶(LDH) HC - OH + NAD + CH3 (lactate dehydrogenase) CH3 (丙酮酸) (乳酸) 无氧条件下，葡萄糖生成乳酸的总反应式: C6H12O6+2ADP+2Pi 2C3H6O3+2ATP+2H2O,为葡萄糖的C3或C4,乳酸发酵,乙醇发酵:丙酮酸脱羧形成乙醇的过程。 (1) 丙酮酸脱羧生成乙醛: COOH CO2 C=O 丙酮酸脱羧酶，TPP CH3 - CHO CH3 (pyryvate decarboxylase) (丙酮酸，pyruvate) (乙醛，acetaldehyde) (2)乙醛被还原成乙醇: CH3 - CHO + NADH +H+ 乙醇脱氢酶，Zn2+ CH3 CHOH (alcohol dehydrogenase) (乙醛) (乙醇，alcohol),为葡萄糖的C3或C4,糖酵解途径汇总,由1分子G在无氧条件下氧化分解，最终产生2分子ATP。如果从糖原开始，则可得到3分子ATP(见下一节),注意酵解途径中的3个 关键酶催化的不可逆 反应是: 己糖激酶 磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶,己糖激酶,四. 糖酵解作用的调节：, EMP的三个调节酶: 1 己糖激酶：G-6-P (-) 2 磷酸果糖激酶：限速酶。 ATP(-)、柠檬酸、脂肪酸加强 (-)； AMP、ADP (+)或无机磷消除(-) F - 2,6 2P(+) 3 丙酮酸激酶： 长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP和Ala (-) 1,6-二磷酸果糖(+) 血液中葡萄糖水平 主要的调节方式： 变构效应 可逆的共价修饰 受到转录的控制,磷酸果糖激酶-1是限速酶,ATP对磷酸果糖激酶-1(PFK-1)的变构调节,F-2,6-BP对磷酸果糖激酶-1的激活作用和降低ATP的抑制作用,F-2,6-BP是磷酸果糖激酶-1(PFK-1)的强变构激活剂,PFK-2,FBPase-2,(Pi化),(去Pi化),F-6-P的前馈刺激作用 (feedforward stimulation),调控PFK-1的活性,前馈刺激作用(feedforward stimulation),磷酸果糖激酶-2: 双功能酶,磷酸果糖激酶-1的变构激活剂,课外阅读,五 其他己糖进入酵解的途径,果糖(frucose) ATP ADP 在肌肉中: 果糖 己糖激酶 果糖 6 -P ( hexokinase ) 在肝脏中: 转变过程复杂 ATP ADP （1） 果糖 果糖激酶 果糖 1 -P ( frucokinase ),CH=O CH2 -OH (2) 果糖 1 P 果糖-1-P醛缩酶(B型) CH-OH + C=O (frucose-phosphate aldolase) CH2 -OH CH2 -OPO32- (甘油醛) (DHAP) CH=O ATP ADP CH=O CH -OH 甘油醛激酶 CH -OH CH2 -OH (glyceraldehyde kinase) CH2 -OPO32- (甘油醛) （3-P-甘油醛） NADH +H+ 醇脱氢酶 NAD+ CH2 OH ATP ADP CH2 OH NAD+ NADH +H+ CH OH 甘油激酶 CH OH 甘油磷酸脱氢酶 3-P-甘油醛 CH2 OH (glyceraldehyde kinase) CH2 -OPO32- （甘油） （3 P-甘油）,思考： 给病人输入果糖优于葡萄糖吗？ P87 酸中毒 遗传病果糖不耐症(fructose intolerance) 的病因与症状？ P87 肝中缺乏B型醛缩酶,半乳糖激酶,1-磷酸半乳糖,1-磷酸半乳糖尿苷酰转移酶,UDP-半乳糖差向异构酶,二磷酸尿苷葡萄糖,UDP-葡萄糖焦磷酸化酶,UDP-葡萄糖焦磷酸化酶,磷酸葡萄糖变位酶,UDPG,二磷酸尿苷半乳糖,二磷酸尿苷葡萄糖,H+,1,2,3,4,5,1-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,NAD+,2. 半乳糖(galactose),思考： 遗传病半乳糖血症(galactosemia) 的病因与症状？P88 缺乏半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶 白内障 生长停滞,智力迟钝, 肝脏损伤而死,在哺乳动物中，除葡萄糖和糖原，其他糖来自饮食。大多数甘油来自脂类代谢。,乳糖,半乳糖,麦芽糖,甘露糖,蔗糖,果糖,在酵解中使用非葡萄糖物质的途径,第二节 糖酵解作用,糖酵解是单糖分解代谢的共同途径。催化糖酵解的10个酶都位于细胞溶胶中。每一个己糖可以转化为两分子的丙酮酸，同时净生成两分子ATP和两分子NADH。糖酵解分为两个阶段：准备阶段（消耗ATP）和贮能阶段（生成ATP）。,在酵解的己糖阶段，首先是葡萄糖在己糖激酶的催化下磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸，消耗一分子ATP，然后经异构酶催化转换为果糖-6-磷酸，再经果糖激酶催化再次磷酸化生成果糖-1,6-二磷酸，又消耗一分子ATP；在丙糖阶段，果糖-1,6-二磷酸在醛缩酶催化下裂解生成磷酸二羟丙酮和甘油醛-3-磷酸（两个磷酸丙糖在异构酶催化下可以相互转换），后者在甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化下生成1,3-二磷酸甘油酸，同时使NAD 还原为NADH，然后1,3-二磷酸