生物化学：第六章糖类代谢.ppt

1、第六章 糖类代谢 周口师范学院生命科学系 (2008. 10),第一节 糖类化学概述 第二节 单糖的代谢 第三节 糖原的分解和生物合成,主要内容,第一节 糖类化学概述,糖类的生物学作用 重要的单糖 重要的寡糖 重要的多糖 复合糖,糖类的生物学作用,糖类是细胞中非常重要的一类有机化合物，主要的生物学作用如下：,作为生物体的结构成分 作为生物体内的主要能源物质 作为其它生物分子如氨基酸、核苷酸、脂等 合成的前体 作为细胞识别的信息分子,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

2、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,单糖的结构,-D-吡喃甘露糖,-D-呋喃果糖,蔗糖,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。,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

3、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,纤维素片层结构,纤维素一级结构,糖原,糖复合物,糖肽链,糖核酸,糖脂质,(Complex Carbohydrates),细胞膜表面的糖链,蛋白聚糖,糖脂,糖蛋白,细胞膜,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

4、原)中任何部位的-1，4糖键，得糊精。 淀粉酶只能从非还原端开始水解，麦芽糖。 水解淀粉中的-1，6糖苷键的酶是-1，6糖苷键酶(脱支酶R酶）。 淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物。 磷酸化酶水解产物是1-磷酸葡萄糖,双糖的酶促降解,第二节 单糖的代谢,一、葡萄糖的主要代谢途径及细胞定位 二、糖酵解（EMP） 三、丙酮酸的去路：无氧降解和有氧降解途径 四、三羧酸循环（TCA） 五、磷酸戊糖途径（PPP） 六、糖的异生 七、乙醛酸循环,动物细胞,植物细胞,丙酮酸氧化三羧酸循环,磷酸戊糖途径糖酵解 糖异生,一、葡萄糖的主要代谢途径,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乙醇,乙酰 CoA,6-磷酸葡萄糖,磷酸戊

5、糖途径,糖酵解,（有氧）,（无氧）,（有氧或无氧）,糖异生,二、 糖酵解（glycolysis）,1、化学历程和催化酶类 2、 化学计量和生物学意义 3、 糖酵解的调控,糖酵解是将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应，是生物体内普遍存在的葡萄糖降解的途径。该途径也称作Embden-Meyethof-Parnas途径，简称途径。,EMP的化学历程,糖原（或淀粉）,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,第一阶段,第二阶段,第三阶段,葡萄糖,葡萄

6、糖的磷酸化,磷酸己糖的裂解,丙酮酸和ATP的生成,1,糖 酵 解 过 程 :,（1）葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖,ATP,glucose(G),已糖（葡萄糖）激酶,Mg2+,这是酵解过程中的第一个调节酶,ADP,HK与G结合的诱导契合作用：,The conformation of hexokinase changes markedly on binding glucose (shown in red). The two lobes of the enzyme come together and surround the substrate.,（2）6-磷酸葡萄糖异构化转变为6-磷酸果糖,fr

7、uctose-6-phosphate (F-6-P）,glucose-6phosphate (G-6-P）,（3） 6-磷酸果糖再磷酸化生成1,6-二磷酸果糖,1,6-二磷酸果糖 (fructose-1,6-diphosphate),ATP,磷酸果糖激酶-1 （PK- 1 ）,Mg2+,(F-6-P）,糖酵解过程的第二个调节酶也是酵解中的限速酶,ADP,限速酶 / 关键酶(rate-limiting enzyme / key enzyme),1.催化非可逆反应,特点,2.催化效率低,3.受激素或代谢物的调节,4.常是在整条途径中催化初始反应的酶,5.活性的改变可影响整个反应体系的速度和方向,E

8、MP途径的限速酶：磷酸果糖激酶,（4）磷酸丙糖的生成,fructose-1,6-diphosphate (F-1,6-2P）,醛缩酶,（5）磷酸丙糖的互换,磷酸二羟丙酮 (dihydroxyacetone phosphate),3-磷酸甘油醛 (glyceraldehyde 3-phosphate),（6）3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛脱氢酶,3-磷酸甘油醛 (glyceraldehyde 3-phosphate),糖酵解 中唯一的 脱氢反应,1,3-二磷酸甘油酸1,3-diphospho- -glycerae(1,3-DPG),P,NADH3PO4,NADH+H+,

9、碘乙酸抑制此酶活性,（7）1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸激酶,这是糖酵解 中第一次 底物水平 磷酸化反应,ADP,ATP,1,3-二磷酸甘油酸 (1,3diphosphoglycerate)(1,3-DPG),P,（8）3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油 (3-phosphoglycerate),磷酸甘油酸变位酶,（9） 2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸 (2-phosphoglycerate),氟化物能与Mg2+络 合而抑制此酶活性,H2O,丙酮酸激酶 PK,糖酵解过程的第三个调节酶， 也是第二次底物水平磷酸化反应,Mg2+或Mn2

10、+,P,（10）磷酸烯醇式丙酮酸转变为烯醇式丙酮酸,（11）烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸,烯醇式丙酮酸 (enolpyruvate),糖酵解的反应类型：,磷酸转移 氧化 磷酸移位 异构化 脱水 醇醛断裂,途径化学计量和生物学意义,总反应式: C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2C3H4O3 +2NADH +2H+2ATP+2H2O,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,通过糖 酵解，生物体获得生命活动所需要的能量； 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。,2,糖酵解的调控,糖原（或淀粉）,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷

11、酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,葡萄糖,机理：主要通过调节反应途径中几种酶的活性来控制整个途径的速度，被调节的酶为催化反应历程中不可逆反应的三种酶，通过酶的别构效应或共价修饰实现活性的调节，调节物多为本途径的中间物或与本途径有关的代谢产物。,磷酸果糖激酶,丙酮酸激酶,己糖激酶,3,2，6-二磷酸果糖合成和降解的调控(PFK2和FBPase双功能酶),磷酸化的前后酶,去磷酸化的前后酶,F-6-P,低血糖,F-2,6-BP,ATP,ADP,H2O,Pi,F-6-P,F-6-P,丙酮酸激酶

12、催化活性控制关系图,磷酸化的丙酮酸激酶 （低活性）,去磷酸化的丙酮酸激酶 （高活性）,H2O,Pi,ATP,ADP,果糖-1，6-二磷酸,ATP,丙氨酸,低血糖,Pi,三、丙酮酸的去路,（有氧）,（无氧）,丙酮酸的无氧降解及葡萄糖的无氧分解,葡萄糖,EMP,丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解,（EMP）,葡萄糖,丙酮酸脱氢酶系,丙酮酸脱氢酶系,NAD+ +H+,丙酮酸脱羧酶,FAD,硫辛酸乙酰转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,CO2,乙酰硫辛酸,二氢硫辛酸,NADH+H+,TPP,硫辛酸,CoASH,NAD+,焦磷酸硫胺素（TPP）在丙酮酸脱羧中的作用,硫辛酸的氢载体作用和酰基载体作用,+2H,-2H

13、,泛酸和 辅酶 A（CoASH）,SH,维生素pp和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD+ ）,R,NAD+: R=H NADP+: R=PO3H2,递氢体作用： NAD+2H NADH+H+,维生素B2和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,四、三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle, TCA 循环）,1、三羧酸循环的化学历程 2、三羧循环及葡萄糖有氧氧化的化学计量和能量计量 3、三羧酸循环的调控 4、三羧循环的生物学意义,CoASH,+CO2,+CO2,1.三羧酸循环（TCA）的历程,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

14、酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,苹果酸,草酰乙酸,NAD+,NAD+,FAD,NAD+,TCA第一阶段：柠檬酸生成,草酰乙酸,柠檬酸合酶,顺乌头酸酶,TCA第二阶段：氧化脱羧,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,1. 丙酮酸羧化,三羧酸循环的回补反应,这是动物中最重要的回补反应，在线粒体中进行。,丙酮酸羧化酶需要生物素作为其辅酶。,2. PEP羧化,三羧酸循环的回补反应,这种回补反应存在于高等植物、酵母和细菌中，在动物中不存在。,三羧酸循环特点,P,一次底物水平磷酸化 二次脱羧 三个不可逆反应,一分子乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化净生成10(12)ATP

15、。,四次脱氢,3次NAD+,1次FAD,NADH 氧化呼吸链,琥珀酸氧化呼吸链,2. 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,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：30 ATP 或 32 ATP,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：38 ATP或36 ATP,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+2 H2O+GDP 2 CO2+3(NADH+H+ )+FADH2+ H

16、SCoA+GTP,TAC必须在有氧条件下进行,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,TAC是机体主要的产能途径,CoASH,3.三羧酸循环的调节,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,调节位点 柠檬酸合酶（限速酶） 异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶,苹果酸,草酰乙酸,由于三羧酸循环的作用主要是供能，所以它的速度严格受到调控以符合细胞对ATP的需求。 三羧酸循环的调控部位有三个：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、a-酮戊二酸脱氢酶,柠檬酸合酶,该酶有负变构剂ATP，它使酶与底物的亲和

17、力下降，从而Km值增大。AMP起激活作用。,异柠檬酸脱氢酶,该酶有正变构剂ADP，它使酶与底物的亲和力增加。 此外，NAD+、底物异柠檬酸使酶活升高；NADH、ATP使酶活下降。,ATP、NADH及产物琥珀酰CoA抑制酶的活性。,a-酮戊二酸脱氢酶,总之，三羧酸循环的关键调节因素是ATP/ADP、NADH/NAD+。三个调控部位中最关键的限速酶是柠檬酸合酶。,4.三羧循环的生物学意义,是有机体获得生命活动所需能量的主要途径 是糖、脂、蛋白质等物质代谢和转化的中心枢纽 形成多种重要的中间产物 是发酵产物重新氧化的途径,五、 磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway, pp

18、p）,1、化学反应历程及催化酶类 特点：氧化脱羧阶段和非氧化分子重排阶段 2、总反应式和生理意义,非氧化分子重排阶段 6 核酮糖-5-P 5 果糖-6-P 5 葡萄糖-6-P,氧化脱羧阶段 6 G-6-P 6 葡萄糖酸-6-P 6 核酮糖-P 6 NADP+ 6 NADPH+6H+ 6 NADP+ 6 NADPH+6H+,6CO2,6H2O,1、化学反应历程及催化酶类,磷酸戊糖途径的氧化脱羧阶段,NADPH+H+,5-磷酸核酮糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸内酯,6-磷酸葡萄糖酸,CO2,6-磷酸葡萄糖 脱氢酶,内酯酶,6-磷酸葡萄糖酸 脱氢酶,磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶段,阶段之一,

19、阶段之二,阶段之三,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之一（5-磷酸核酮糖异构化）,差向异构酶,异构酶,5-磷酸木酮糖,5-磷酸核糖,5-磷酸核酮糖,磷酸戊糖途径的 非氧化阶段之二 （基团转移）,+,2,4-磷酸赤藓糖,+,2,5-磷酸核糖,2,3-磷酸甘油醛,转酮酶,转醛酶,2,6-磷酸果糖,+,7-磷酸景天庚酮糖,2,5-磷酸木酮糖,基团转移（续前）,+,转酮酶,1,6-二 磷酸果糖,6-磷酸果糖,醛缩酶,二磷酸果糖酯酶,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之三 （3-磷酸甘油醛异构、缩合与水解）,异构酶,特点： 1. 6P葡萄糖直接脱氢、脱羧，不经过糖酵解 和TCA循环 2. 整个反应中，H的受体是NADP而

20、不是NAD 3. 没有ATP的产生与消耗,磷酸戊糖途径的总反应式,磷酸戊糖途径的生理意义 产生大量NADPH,主要用于还原（加氢）反应，为细胞提供还原力 产生大量的磷酸核糖和其它重要中间产物 与光合作用联系，实现某些单糖间的转变,NADPH的主要功能：,1、作为供氢体 -参与体内多种生物合成反应,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 转化作用,4、清除自由基的作用,磷酸戊糖途径概貌,糖酵解途径,葡萄糖,其它糖进入单糖分解的途径,六、糖的异生,1、糖异生作用的主要途径和关键反应 2、葡萄糖代谢与

21、糖异生作用的关系,糖异生主要途径和关键反应,非糖物质转化成糖代谢的中间产物后，在相应的酶催化下,绕过糖酵解途径的三个不可逆反应,利用糖酵解途径其它酶生成葡萄糖的途径称为糖异生。,糖原（或淀粉）,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,葡萄糖,己糖激酶,果糖激酶,二磷酸果糖磷酸酯酶,丙酮酸激酶,丙酮酸羧化酶,6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶,6-磷酸葡萄糖,2草酰乙酸,PEP羧激酶,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的关系,A G-6-P磷酸酯酶 B F-1.6-P磷酸酯酶 C1 丙酮

22、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,葡萄糖,6-P葡萄糖,6-P果糖,1，6-二P果糖,3-磷酸甘油醛,P-二羟丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2PEP,2丙酮酸,糖异生的能量计算？,消耗2ATP+2GTP,消耗2ATP,2NADH+2H+？,葡萄糖异生作用的调节,糖酵解作用 6-P果糖 糖异生作用,磷酸果糖

23、激酶,果糖1.6-二磷酸酶,1、6-二磷酸果糖,PEP,丙酮酸,草酰乙酸,丙酮酸激酶,丙酮酸羧化酶,PEP羧激酶,G F-2、6BP AMP ATP 柠檬酸 H+,活化,抑制,F-1、6BP活化 ATP ALa,抑制,F-2、6BP AMP,柠檬酸活化,抑制,ADP抑制,乙酰CoA活化 ADP抑制,糖异生作用的意义,在饥饿情况下保证血糖浓度的相对恒定 补充糖原贮备糖异生是肝补充或恢复糖原储备的重要途径。 有利于乳酸的利用 有利于油料种子萌发时利用脂肪酸.脂肪酸经乙酰CoA通过乙醛酸循环合成琥珀酸 TCA循环 草酰乙酸 糖异生 葡萄糖 供种子萌发使用,七、乙醛酸循环,1、乙醛酸循环的生化历程,3

24、、乙醛酸循环的生理意义 植物种子萌发的脂肪转化为糖,2、乙醛酸循环总反应式及其糖异生的关系,CoASH,柠檬酸合酶,顺乌头酸酶,乙醛酸循环反应历程,NAD +,NADH,苹果酸脱氢酶,草酰乙酸,CoASH,O CH3-CSCoA,异柠檬酸裂解酶,苹果酸合酶,O O H-C-C OH,乙醛酸,NAD+,草酰乙酸,CoASH,乙醛酸循环和三羧酸循环反应历程的 比较,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,草酰乙酸,苹果酸,延胡索酸,乙醛酸循环总反应式及其与糖异生的关系,乙醛酸循环的意义,乙醛酸循环的意义,乙醛酸循环的意义,返回,第三节 糖原的分解和生物合成,一、糖原的分解 二、

25、糖原的生物合成 三、糖原的代谢调控 四、淀粉的分解和生物合成,一、糖原的酶促磷酸解, 糖原的结构及其连接方式,磷酸化酶a（催化1.4-糖苷键l磷酸解断裂） 三种酶协同作用： 转移酶（催化寡聚葡萄糖片段转移） 脱枝酶（催化1.6-糖苷键水解断裂）, 糖原的磷酸解,-1，4-糖苷键,-1，6糖苷键,非还原性末端,糖原磷酸化酶的作用位点及产物,G-1-P,磷酸化酶 a,非还原性末端,磷酸,+,断键部位,糖原磷酸解的步骤,非还原端,糖原核心,磷酸化酶a,转移酶,脱枝酶（释放1个葡萄糖）,G -1-P,G,二、糖原的生物合成,1.UDP-葡萄糖焦磷酸化酶（ UDPG ） 催化单糖基的活化形成糖核苷二磷酸

26、，为各种聚糖形成时，提供糖基和能量。动物细胞中糖原合成时需UDPG；植物细胞中蔗糖合成时需UDPG，淀粉合成时需ADPG，纤维素合成时需GDPG和UDPG。 2.糖原合酶 催化-1，4-糖苷键合成 糖原分支酶 催化-1，6-糖苷键合成 引物生糖原蛋白或糖原素共价连接（葡萄糖）8，只有糖原合酶与糖原素紧密结合时糖原合酶才有活性。,UDPG的结构,糖核苷酸的生成,糖原合酶反应,UDPG,UDP,糖原（n个G分子）,糖原（n+1）,糖原新分支的形成,糖原核心,糖原核心,糖原核心,糖原核心,非还原性末端,-1，4 糖苷键,-1，6 糖苷键,糖原分支酶,糖原合成图:,消耗能量 需要引物 非还原端 糖基供

27、体： UDPG,葡萄糖,分支酶,糖原合酶,焦磷酸化酶,糖原合成与分解的意义 1、 维持血中葡萄糖浓度相对恒定：糖原是糖在体内的贮存形式。进食后多余的糖可在肝脏或其他组织合成糖原，以免血糖浓度过度升高；不进食期间，肝糖原则分解为葡萄糖释放入血，使血糖浓度不至于太低。 2、 糖原合成和分解与钾代谢有关：葡萄糖进入细胞合成糖原过程中，伴有K+转移入细胞，使血K+趋于降低，所以输注胰岛素和大量葡萄糖时，要注意防止低血钾。,三、糖原分解和合成的调控 糖原合成的调节：主要受糖原合成酶影响； 糖原分解的调节：主要受磷酸化酶活性控制。 1、两种酶的活性均受磷酸化和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，而糖原合成酶则增加活性。,2、两种酶活性均受激素的调节： 如：胰岛素促进糖原合成并降低血糖浓度；肾上腺素、胰高血糖素等促进糖原降解并增加血糖浓度。,三、糖原分解和合成的调控,糖原的分解和合成都是根据机体的需要由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别为磷酸化酶和糖原合成酶。它们