生物化学PPT课件Chapter9糖代谢

第九章糖代谢CarbohydrateMetabolism,糖代谢主要涉及单糖和多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。,本章内容,第一节概述第二节糖的无氧呼吸第三节糖的需氧呼吸第四节糖原的合成代谢,怎样学习？每一代谢途径细胞定位、限速酶、代谢起始物质、中间产物、终产物、能量变化,第一节概述,一、多糖及寡糖的降解二、糖的消化、吸收和转运三、糖的中间代谢概况,糖类是一切异养生物的主要和,能源,碳源,糖类物质可以根据其水解情况分为：,单糖(monosaccharide)寡糖(oligosaccharide)多糖(polysaccharide),葡萄糖（glucose）果糖（fructose）半乳糖（galactose）,蔗糖（sucrose）麦芽糖（maltose）乳糖（lactose）,淀粉（starch）糖原（glycogen）纤维素（cellulose）,一、多糖及寡糖的降解,一、多糖及寡糖的降解,多糖（淀粉、糖原）的降解方式,细胞外细胞内,糖苷酶,磷酸化酶,水解磷酸解,二）糖的转运,血糖（bloodsugar）：通常指血液中的葡萄糖。血糖的含量是反映体内糖代谢状况的一项重要指标血糖能经常维持相对恒定(动态平衡）,二、糖的消化、吸收和转运,三、糖的中间代谢概况,糖的中间代谢,合成代谢（吸能）,分解代谢（放能）,植物、某些微生物：,动物、人：,需氧分解,不需氧分解,以无机物为受氢体的无氧呼吸：硫细菌、硝酸盐还原菌,酵解（glycolysis）发酵(fermentation),(有氧氧化)：,(无氧氧化),糖的无氧氧化,葡萄糖C6H12O6,丙酮酸2CH3COCOOH,乳酸2CH3CH(OH)COOH,酵解Glycolysis,发酵Fermentation,第二节糖的无氧分解,发酵葡萄糖酵解葡萄糖或糖原,一、糖分解代谢的共同阶段糖酵解途径（EMP途径）,1940年被阐明。Embden,Meyerhof,Parnas等人贡献最多，故糖酵解途径也叫Embdem-Meyerhof-Parnas途径，简称EMP途径。,在细胞质中进行,葡萄糖,6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟基丙酮,1,3-二磷酸甘油酸,丙酮酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,烯醇式丙酮酸,反应历程（10）：,一、糖酵解途径,1.葡萄糖6-磷酸葡萄糖,磷酸化,磷酸化作用使糖不能自由逸出细胞且易参与代谢。己糖激酶(hexo-kinase,HK):为限速酶。肝中的己糖激酶同工酶型为葡萄糖激酶(gluco-kinase,GK)。耗能，由ATP提供磷酸基团和能量，反应不可逆,第一个限速反应。,（glucose-6-phosphate),相对分子质量为52000，有四种同工酶（A、B、C、D或、），分布在不同的组中。,激酶(kinase)：凡催化磷酰基从ATP分子上转移到受体上的酶称激酶，需Mg2+等。,1.GG-6-P,2.6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖,异构化,是醛糖和酮糖之间的异构化，反应可逆,(fructose-6-phosphate),3.6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖,再次磷酸化、消耗1分子ATP，反应不可逆,第二个限速反应。磷酸果糖激酶-1(phosphofructo-kinase,PFK):需Mg2+，为第2个限速酶。,磷酸化,(1,6-fructose-biphosphate),相对分子质量为320000，含4个亚基。在人和动物中有3种同工酶：A型（骨骼肌，心脏），B型（肝，红细胞），C型（脑）,4.1,6-二磷酸果糖2分子磷酸丙糖,裂解,由醛缩酶(aldolase)催化,5.磷酸丙糖同分异构化,生理条件下G-3-P不断形成丙酮酸，故反应向生成G-3-P方向进行。磷酸丙糖异构酶：磷酸对其有弱竞争性抑制,96%4%,以上酵解的前5步消耗2分子ATP，产生2分子3-磷酸甘油醛。以后5步则为产能阶段。,6.3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸,磷酸甘油醛脱氢酶：辅酶(NAD+)为辅酶，对强酵解抑制剂碘乙酸特别敏感。砷酸盐（AsO43-）破坏1,3-二磷酸甘油酸的形成。是EMP第一次氧化作用。,(1,3-biphosphoglycericacid),7.1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸,Mg2+,(3-phosphoglycericacid),磷酸甘油酸激酶(phosphoglyceratekinase)产生一个ATP（方式：）,底物水平磷酸化,产生ATP的方式：氧化磷酸化（主要）底物水平磷酸化氧化磷酸化(oxidativephosphorylation):在电子传递过程中，释放出的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程，又称电子传递水平磷酸化。底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)：直接由代谢物分子的高能键转移给ADP（或GDP）生成ATP（或GDP）的反应称。,7.1,3-DPG3-P-甘油酸,8.3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸变位酶(phosphglyceratemutase),9.2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸,脱水,反应引起底物分子内电子重排与能量重新分布，形成一个高能磷酸键。烯醇化酶(enolase)：氟化物是抑制剂,(phosphoenolpyruvicacid),10.磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸,Mg2+,K+,反应不可逆，限速步骤之三。丙酮酸激酶(pyruvatekinase)：第3个限速酶。,(pyruvicacid),在哺乳动物中有4种同工酶：L（肝）、M（肌肉）、K（肾髓）、R（红细胞）。,磷酸烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸丙酮酸,产生1分子ATP(方式：底物水平磷酸化)(第二次),2,2,2,2,2,1葡萄糖丙酮酸,净得：2丙酮酸2ATP2NADH+H+,EMP,二、糖酵解的调节,细胞对糖酵解速度的调控是为了满足细胞对能量及碳骨架的需求。,在物质代谢的整个反映链中，某一步反应常常决定整个反映链的速度，这一步反应称为限速反应（关键反应）(limitingreaction)，催化此反应的酶称为限速酶（关键酶）(limitingenzyme)，这些酶所处的部位通常是控制代谢反应的有力部位。糖酵解途径中有三步反应不可逆，分别由己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化，因此这三种酶对酵解速度起调节作用。,1、己糖激酶和葡萄糖激酶:(反应1),己糖激酶是别构酶，受产物G-6-P反馈抑制；专一性不强，可催化多种己糖磷酸化；Km值较低，为0.01mmol/l。调节力度较弱。主要受脂代谢的调控乙酰辅酶A、脂肪酸对其均有抑制作用。,存在于肝细胞内的己糖激酶同工酶IV型又称为葡萄糖激酶。受胰岛素诱导合成。其专一性强，只能催化葡萄糖磷酸化；Km值高，为1015mmol/l；不是别构酶，其活性不受产物G-6-P反馈抑制。,2、磷酸果糖激酶-1（PFK-1）：(反应3),最主要的限速酶为别构酶：别构抑制剂（allostericinhibitor）：ATP、柠檬酸别构激活剂（allostericactivator）：AMP、ADP、F-6-P、F-2,6-P2、,F-2,6-P2的形成及作用,作用：通过增强F-6-P与酶的亲和力，拮抗ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶-1的变构抑制作用，使酶活化，加速EMP。形成：,F-6-P,F-2,6-P2,磷酸果糖激酶-2,磷酸果糖激酶-2(双功能酶),磷酸化：磷酸酶,去磷酸化：激酶,3、丙酮酸激酶：(反应10),激活剂：F-6-P，F-1,6-P2抑制剂：ATP、Ala、乙酰辅酶A、脂肪酸共价修饰调节：胰高血糖素通过cAMP使酶磷酸化而抑制其活性聚合解聚四聚体（活性高）二聚体（活性低）,总的来说：体内ATP/AMP调控EMP速率若ATP/AMP（或ADP），酶被抑制，则EMP若ATP/AMP（或ADP），酶被激活，则EMP,三、酵解(glycolysis)作用,G（糖原）乳酸,动物在激烈运动时或由于呼吸、循环系统障碍而发生供氧不足时。生长在厌氧或相对厌氧条件下的许多细菌比如乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌）。,葡萄糖开始：,C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3CHOHCOOH+2ATP,糖原开始：,C6H12O6+3ADP+3Pi2CH3CHOHCOOH+3ATP,四、发酵（fermentation）,定义：凡利用微生物来生产某一种产品，不管需氧不需氧，也无论是糖代谢或其他物质代谢，统称。生醇发酵：将糖的不需氧分解产生乙醇的过程称为。,五、糖无氧分解的生理意义,无氧分解的普遍性，反映大气缺氧时期原始生物的获能方式。,1机体在缺氧的情况下，获取能量的有效方式即应急供能的途径（2或3分子ATP）。2某些组织细胞在有氧条件下仍以无氧分解为主要供能方式。成熟红细胞供给全部能量神经组织白细胞供给部分能量睾丸等,Crabtree效应（反巴斯德效应）：一些组织细胞给予葡萄糖时，无论供氧充足与否，均呈现很强的酵解反应，而糖的有氧氧化受抑制，这种作用称为。巴斯德效应（Pastuereffect）：机体（尤其是肌组织）供氧充足时，糖的有氧分解抑制无氧分解（酵解）的现象。,3糖的无氧分解不仅能提供能量，而且还能提供碳源物质，参与蛋白质、脂肪酸的生物合成。,3-磷酸甘油醛脱氢生成NADH+H+的去向不同：,第三节糖的需氧分解(aerobicoxidation),在有氧条件下,葡萄糖彻底氧化成CO2和H2O，同时释放能量的过程。G丙酮酸CO2H2O两条途径磷酸戊糖途径,EMP,三羧酸循环,一、糖的有氧氧化的反应历程（三羧酸循环途径）,分为三个阶段：,（二）丙酮酸乙酰CoA,地点：线粒体产生1个NADH处于代谢途径的分支点，是关键性不可逆反应。,氧化脱羧,COO,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（丙酮酸脱氢酶）E2：二氢硫辛酸乙酰转移酶E3：二氢硫辛酸脱氢酶。,焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、辅酶A（COASH）、FAD、NAD+、Mg2+,外膜,内膜,基质,调控：,1）产物抑制，相应反应物解抑制：乙酰CoAE2CoANADHE3NAD+2）核苷酸反馈调节：E1受GTP抑制，被AMP活化。3）可逆磷酸化作用的调节：E1的磷酸化状态无活性，反之有活性。Ca2+通过去磷酸化作用，使E1活化。,(三)、三羧酸循环（TCA循环、柠檬酸循环、Krebs循环）,在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA。乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成C2O和H2O并产生能量的过程，称为三羧酸循环(tricarboxylicacidcycle),简称TCA循环，亦称为柠檬酸循环。为了纪念德国科学家H.A.Krebs，所以又称Krebs循环。,三羧酸循环tricarboxylicacid,TCA,丙酮酸,乙酰CoA,-酮戊二酸,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,草酰乙酸,柠檬酸,琥珀酰CoA,异柠檬酸,加入2C,主要在线粒体基质中,2C,4C,6C,6C,5C,4C,4C,4C,4C,1、柠檬酸（citricacid）的生成,耗能，G0=-32.2KJ/mol，能量来自于高能硫酯键，反应不可逆柠檬酸合酶（citratesynthase）：对草酰乙酸Km很低。TCA的第一个限速酶氟乙酰CoA导致致死合成常作为杀虫剂,（4C）,（6C）,柠檬酸合酶,（2C）,*,*,*,*,2、柠檬酸异柠檬酸（顺乌头酸酶）,在pH7.0，25C的平衡态,90%4%6%,异构化,CH2,异柠檬酸,COO-,HO-CH,CH-COO-,COO-,*,*,3、由异柠檬酸-酮戊二酸,TCA中第一次氧化脱羧(三羧酸到二羧酸)反应不可逆异柠檬酸脱氢酶：辅酶为NAD+或NADP+，为第二个关键酶,氧化脱羧,细胞内有2种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为辅酶（仅存在于线粒体基质中），一种以NADP+为辅酶（多存在于细胞质中，线粒体基质中有少量）。其四聚体有活性，二聚体无活性。,4、-酮戊二酸琥珀酰CoA,TCA中第二次氧化脱羧反应不可逆-酮戊二酸脱氢酶系：辅酶为NAD+，关键酶。,+HSCoA,CO,COOH,CH2,COOH,CH2,CO,SCoA,CH2,COOH,CH2,NAD+,NADH+H+,Mg2+,-酮戊二酸脱氢酶系,氧化脱羧,-酮戊二酸(5C),琥珀酰CoA(4C),*,*,*,*,+CO2,-酮戊二酸脱氢酶系(-ketoglutaratedehydrogenasesystem)与丙酮酸脱氢酶系相似,TPP、硫辛酸、CoA、FAD、NAD+、Mg2+,-酮戊二酸脱氢酶系,三种酶,六种辅助因子,-酮戊二酸脱氢酶,硫辛酸琥珀酰转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,5、琥珀酰CoA琥珀酸,TCA中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物（GTP）,CO,SCoA,CH2,COOH,CH2,COOH,CH2,COOH,CH2,GTP+ADPGDP+ATP,+HSCoA,琥珀酰CoA(4C),琥珀酸(4C),*,*,*,*,二磷酸核苷激酶,6、琥珀酸延胡索酸,TCA中第三次氧化的步骤琥珀酸脱氢酶（succinatedehydrogenase）：辅酶为FAD。该酶是TCA循环中唯一结合在线粒体内膜的酶（其余的酶都在基质中）。丙二酸为该酶的竞争性抑制剂。,COOH,CH2,COOH,CH2,COOH,CH,COOH,+FAD,+FADH2,琥珀酸脱氢酶,HC,嵌入线粒体内膜,脱氢,琥珀酸(4C),延胡索酸(4C),*,*,*,*,7、延胡索酸苹果酸,延胡索酸酶：fumaratehydratase,COOH,CH,COOH,CH,COOH,HO-CH,COOH,H-C-H,+H2O,延胡索酸酶,水化,延胡索酸(4C),苹果酸(4C),*,*,*,*,8、苹果酸草酰乙酸,TCA中第四次氧化的步骤，最后一步。苹果酸脱氢酶malatedehydrogenase,COOH,HO-CH,COOH,H-C-H,+NAD+,COOH,C=O,COOH,CH2,+NADH+H+,脱氢,苹果酸脱氢酶,*,*,*,*,苹果酸(4C),草酰乙酸(4C),3ATP,NADH+H+,FADH2,2ATP,三羧酸循环过程总结(一次循环),反应场所：线粒体8种酶催化（3个关键酶：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶系。）反应类型缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化1是不可逆的反应过程三羧酸循环中间产物起着催化作用，本身无量的变化。,消耗两分子水生成3分子还原型Co（NADH+H+）(9ATP)生成1分子FADH(2ATP)生成1分子GTP(1ATP)（底物磷酸化）生成2分子CO2,CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2OHSCoA+3NADH+3H+FADH2+GTP+2CO2,生成的CO2的C并不是来自乙酰CoA的乙酰基，而是草酰乙酸上的羧基。,整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。,二、三羧酸循环的调控,TCA循环的速度主要取决于细胞对ATP的需求量，即ATP/AMP（ATP/ADP）比值和NADH/NAD+比值直接调节其速率。TAC中有三个限速酶：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶系。,1.柠檬酸合酶决定乙酰CoA进入TCA循环的速率：变构激活剂：AMP变构抑制剂：ATP、NADH、柠檬酸、琥珀酰CoA2.异柠檬酸脱氢酶：变构激活剂：ADP、Ca2+变构抑制剂：ATP,3.酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相似。调节方式：别构效应，共价修饰,酮戊二酸脱氢酶系,琥珀酰CoAATPNADH磷酸化,抑制,AMP(ADP)Ca2+去磷酸化,激活,ATP/ADP或ATP/AMP比值的影响：比值，某些关键酶活性，有氧氧化速率；比值，某些关键酶活性，有氧氧化速率。,T