生物化学第四章 糖代谢

1、一、代谢总论一、代谢总论 MetabolismMetabolism 二、多糖和寡聚糖的酶促降解二、多糖和寡聚糖的酶促降解 三、糖的无氧降解及厌氧发酵三、糖的无氧降解及厌氧发酵 四、葡萄糖的有氧分解代谢四、葡萄糖的有氧分解代谢 五、戊糖磷酸途径五、戊糖磷酸途径phosphopentose pathway PPPphosphopentose pathway PPP 六、糖的合成、糖异生六、糖的合成、糖异生 一、糖代谢总论一、糖代谢总论 l糖代谢包括糖代谢包括分解代谢分解代谢和和合成代谢合成代谢。 l动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代 谢

2、提供的。另方面，糖分解的中间产物，又为生物体合谢提供的。另方面，糖分解的中间产物，又为生物体合 成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等， 提供碳源或碳链骨架。提供碳源或碳链骨架。 l植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成 糖类化合物，即糖类化合物，即光合作用光合作用。光合作用将太阳能转变成化。光合作用将太阳能转变成化 学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种 能量转换过程。能量转换过程。 糖类物质糖类物质是一类多羟基醛或多

3、羟基酮类化合物是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物 或聚合物；或聚合物； 糖类物质可以根据其水解情况分为：糖类物质可以根据其水解情况分为：单糖、寡单糖、寡 糖和多糖；糖和多糖； 在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多 糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。 重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘 露糖等。露糖等。 O OH H H H OH OH HOH H OH O OH H H OH H OH HOH H OH -D-吡喃葡萄糖吡喃葡萄糖 -D-吡喃半乳糖吡喃半乳糖 O OH OH H H

4、 OH OH HH H OH O OH H OH OH H H OH OH -D-吡喃甘露糖吡喃甘露糖 -D-呋喃果糖呋喃果糖 蔗糖蔗糖 O O O CH2OH CH2OH HOCH2 1 2 3 2 4 O CH2OH OH OH OH CH2OH OH OH CH2OH 葡萄糖葡萄糖- - ， （1 12 2）果糖苷）果糖苷 葡萄糖葡萄糖- - （1 14 4） 半乳糖苷半乳糖苷 CH2OH OH OH O OH OH OH CH2OH OH 1 4 O CH2OH O CH2OH OH O 1 4 1 23 (1).(1).淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉）淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉） 直

5、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。 (2).(2).纤维素纤维素 由葡萄糖以（14）糖苷键连接而成 的 直链，不溶于水。 (3).(3).几丁质（壳多糖）几丁质（壳多糖） N-乙酰-D-葡萄糖胺，以（14）糖苷键 缩合而成的线性均一多糖。 (4).(4).杂多糖杂多糖 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 二、多糖和寡聚糖的酶促降解二、多糖和寡聚糖的酶促

6、降解 概述概述 多糖和寡聚糖只有分解成小分子后 才能被吸收利用，生产中常称为糖化糖化。 2. 2. 淀粉淀粉 3.3.淀粉水解淀粉水解 淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖 G 淀粉的酶促水解：淀粉的酶促水解： 水解淀粉的淀粉酶有与与淀粉酶淀粉酶， 二者只能水解淀粉中的-1，4糖苷 键，水解产物为麦芽糖。 -淀粉酶淀粉酶可以水解淀粉(或糖原)中 任何部位的-1，4糖键， 淀粉酶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 -1-1，6 6糖苷键酶糖苷键酶 淀粉水解的产物为糊精糊精和麦芽糖麦芽糖的混 合物。 还原末端 非还原末端 -1，4糖苷键 -1，6糖苷键 三、糖的无氧降解及厌氧发酵

7、三、糖的无氧降解及厌氧发酵 糖酵解途径糖酵解途径(glycolysis) （Embden Meyerhof Parnas EMP） (1) EMP(1) EMP途径的生化历程途径的生化历程 糖酵解过程糖酵解过程 a 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖 果糖6-磷酸果糖 1，6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油酸磷酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 b 1 2 3 4 糖原 1-磷酸葡萄糖 1 1）第一阶段：葡萄糖）第一阶段：葡萄糖 1, 6- 1, 6-二磷酸果糖二磷酸果糖 O CH2OH OH OH OH OH H HH H Mg O CH2OPO3H2 O

8、H OH OH OH H HH H 己糖磷酸激酶 葡萄糖 6磷酸葡萄糖 H OH 磷酸己糖异构酶 6-磷酸果糖 H2O3PO H OH OH CH2OHCH2 O H2O3PO H OH OH CH2OPO3H2CH2 O OH H H OH OH CH2OHCH2 O HO OH H 磷酸果糖激酶 己糖激酶 ATP ADP Mg ATP ADP ATP ADP Mg 果糖 1,6-二磷酸果糖 2）第二阶段：）第二阶段：1, 6-二磷酸果糖二磷酸果糖 3- 磷酸甘油醛磷酸甘油醛 1,6-二磷酸果糖 H OH H2O3PO H OH OH CH2OPO3H2CH2 O CH2OPO3H2 C C

9、H2OH O CH2OPO3H2 CHOH CHO 磷酸二羟丙酮 3磷酸甘油醛 磷酸丙糖异构酶 96 4 醛缩酶 3 3）第三阶段：）第三阶段：3-3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 2- 2-磷酸甘磷酸甘 油酸油酸 3磷酸甘油醛 CH2OPO3H2 CHOH CHO CH2OPO3H2 CHOH COPO3H2 O NAD + NADH + H+ 1,3-二磷酸甘油酸 CH2OPO3H2 CHOH COH O ADP A TP Mg 磷酸甘油酸激酶 CH2OH CHOPO3H2 COH O 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸 磷酸甘油酸变位酶 4 4）第四阶段：）第四阶段：2-2-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸

10、 丙丙 酮酸酮酸 2-磷酸甘油酸 C H 2O H C H O PO 3H2 C O H O C H 2 C O PO 3H2 C O H O 烯醇化酶 M g +2 磷酸烯醇式丙酮酸 C O H O C H O H C H 2 C O O H C C H 3 O A D P AT P 2 M g + 丙酮酸激酶 烯醇式丙酮酸 丙酮酸 葡萄糖分解代谢过程中能量的产生葡萄糖分解代谢过程中能量的产生 葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式：葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式： 直接产生直接产生ATPATP；生成高能分子；生成高能分子NADHNADH或或FADHFADH2 2，后者，后者

11、 在线粒体呼吸链氧化并产生在线粒体呼吸链氧化并产生ATPATP。 糖酵解：糖酵解：1 1分子葡萄糖分子葡萄糖 2 2分子丙酮酸，共消分子丙酮酸，共消 耗了耗了2 2个个ATPATP，产生了，产生了4 4 个个ATPATP，实际上净生成了，实际上净生成了2 2 个个ATPATP，同时产生，同时产生2 2个个NADHNADH。（。（2 2）有氧分解（丙）有氧分解（丙 酮酸生成乙酰酮酸生成乙酰CoACoA及三羧酸循环）产生的及三羧酸循环）产生的ATPATP、 NADHNADH和和FADHFADH2 2 丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸 乙酰乙酰CoACoA，生成，生成1 1 个个NADH

12、NADH。三羧酸循环：乙酰。三羧酸循环：乙酰CoA CoA CO CO2 2和和H H2 2O O， 产生一个产生一个GTPGTP（即（即ATPATP）、）、3 3个个NADHNADH和和1 1个个FADHFADH2 2。 葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量 糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成的糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成的NADHNADH 和和FADHFADH2 2 ，进入线粒体呼吸链氧化并生成 ，进入线粒体呼吸链氧化并生成ATPATP。线粒。线粒 体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生ATPATP的最主要途径。的最主要途径。 葡

13、萄糖分解代谢总反应式葡萄糖分解代谢总反应式 C C6 6H H6 6O O6 6 + 6 H + 6 H2 2O + 10 NADO + 10 NAD+ + + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi + 2 FAD + 4 ADP + 4Pi 6 CO 6 CO2 2 + 10 NADH + 10 H + 10 NADH + 10 H+ + + 2 FADH + 2 FADH2 2 + 4 ATP + 4 ATP 按照一个按照一个NADHNADH能够产生能够产生3 3个个ATPATP，1 1个个FADHFADH2 2能够产生能够产生2 2 个个ATPATP计算，计算，1 1分子葡萄糖在分解代

14、谢过程中共产生分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生 3838个个ATPATP： 4 ATP +4 ATP +（10 10 3 3）ATP + ATP + （2 2 2 2）ATP = 38 ATPATP = 38 ATP 高能化合物与底物水平磷酸化高能化合物与底物水平磷酸化 （substrate phosphorglatesubstrate phosphorglate） 结果：脱氢结果：脱氢 活化，产能活化，产能 调节控制：磷酸果糖激酶调节控制：磷酸果糖激酶 （phosphofructokinase PFKphosphofructokinase PFK） 2. 2. 丙酮酸的无氧降解丙酮酸的无氧降

15、解（酵解与厌氧发酵）（酵解与厌氧发酵） （1 1） 乳酸发酵乳酸发酵（同型乳酸发酵）（同型乳酸发酵）lactic fermationlactic fermation 动物 乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌） G +2ADP+ 2Pi 2乳酸 2ATP+2水 （2 2）酒精发酵（酵母的第）酒精发酵（酵母的第型发酵）型发酵） alcoholic fermationalcoholic fermation （3 3）甘油发酵（酵母的第）甘油发酵（酵母的第型发酵）型发酵） 四、葡萄糖的有氧分解代谢四、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 pyr脱

16、羧 TCA n基本反应：基本反应： 糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入 线粒体内室。在丙酮酸脱氢酶系的催化下， 生成乙酰辅酶A。 这一多酶复合体位于线粒体内膜这一多酶复合体位于线粒体内膜 上，原核细胞则在胞液中。上，原核细胞则在胞液中。 丙酮酸脱氢酶系丙酮酸脱氢酶系 三种酶三种酶 六种辅助因子六种辅助因子 E1-丙酮酸脱羧酶（也叫丙酮酸脱氢酶）丙酮酸脱羧酶（也叫丙酮酸脱氢酶） E2-二氢硫辛酸乙酰基转移酶二氢硫辛酸乙酰基转移酶 E3-二氢硫锌酰胺脱氢酶。二氢硫锌酰胺脱氢酶。 焦磷酸硫胺素（焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、硫辛酸、 COASH、FAD、NAD+、Mg2+ n化学反应历程（10步

17、反应、8种酶） n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。 n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。 三羧酸循环三羧酸循环 草酰乙酸草酰乙酸 柠檬酸柠檬酸 异柠檬酸异柠檬酸 a-a-酮戊二酸酮戊二酸 琥珀酸琥珀酸 辅酶辅酶A A 琥珀酸琥珀酸 延胡索酸延胡索酸 苹果酸苹果酸 乙酰辅酶乙酰辅酶A A n三羧酸循环过程总结(一次循环) 10步反应 8种酶催化 反应类型 n缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化1 生成

18、3分子还原型Co 生成1分子FADH2 生成1分子ATP n三羧酸循环总反应式 三羧酸循环的生物学意义 n1.普遍存在 n2.生物体获得能量的最有效方式 n3.是糖类、蛋白质、脂肪三大物质转化的枢纽 n4.获得微生物发酵产品的途径 柠檬酸、谷氨酸 n三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它产生 的中间产物也是生物合成的前体。例如卟 啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，谷氨酸、 天冬氨酸是从-酮戊二酸、草酰乙酸衍生 而成。一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响 三羧酸循环的进行。 1. 1.丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，需丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，需 要生物素为辅酶。要生物素为辅酶。 2

19、 2、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化 下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。 3.3.天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草 酰乙酸和酰乙酸和-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、 苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰CoACoA。其。其 反应将在氨基酸代谢中讲述。反应将在氨基酸代谢中讲述。 n基本生化途径： 关键： 柠檬酸进一步降解 合成前体原料保证 五、戊糖磷酸途径五、戊糖磷酸途径phosphop

20、entose pathway PPP phosphopentose pathway PPP 糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要径，但 不是唯一途径。实验研究也表明：在组织中添加酵解抑制剂 如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，这说明葡萄糖 还有其它的代谢途径。许多组织细胞中都存在有另一种葡萄 糖降解途径，即磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway, PPP），也称为磷酸己糖旁路（hexose monophosphate pathway/shunt,HMP）。参与磷酸戊糖途径 的酶类都分布在动物细胞浆中，动物体中约有30%的葡萄糖 通过此途径分解。 1. 1.

21、磷酸戊糖途径的反应过程磷酸戊糖途径的反应过程 （1）G-6-P脱氢脱羧转化成脱氢脱羧转化成5-磷酸核酮糖。磷酸核酮糖。 （2）磷酸戊糖的异构化）磷酸戊糖的异构化 （3）磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵）磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵 解途径的中间产物解途径的中间产物6-磷酸果糖和磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。磷酸甘油醛。 2. 磷酸戊糖途径的调节磷酸戊糖途径的调节 n 肝脏中的各种戊糖途径的酶中以6-磷酸葡萄 糖脱氢酶的活性最低，所以它是戊糖途径的限 速酶，催化不可逆反应步骤。其活性受 NADP+/NADPH比值的调节，NADPH竞争性抑制6- 磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的 活性。

22、机体内NAD+/NADH比NADP+/NADPH的比值 要高几个数量级，前者为700，后者为0.014， 这使NADHP可以进行有效的反馈抑制调控。只 有NADPH在脂肪的生物合成中被消耗时才能解 除抑制，再通过6-磷酸葡萄糖脱氢酶产生出 NADPH。 n 非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度。 5-磷酸核糖过多时，可转化成6-磷酸果糖和3- 磷酸甘油醇进行酵解。 六、糖的合成、糖异生六、糖的合成、糖异生 糖异生是指从非糖物质合成葡萄糖的过程。非糖 物质包括丙酮酸、乳酸、生糖氨基酸、甘油等均 可以在哺乳动物的肝脏中转变为葡萄糖或糖原。 这一过程基本上是糖酵解途径的逆过程，但具体 过程并不是完

23、全相同，因为在酵解过程中有三步 是不可逆的反应，而在糖异生中要通过其它的旁 路途径来绕过这三步不可逆反应，完成糖的异生 过程。 一、糖异生的证据及其生理意义一、糖异生的证据及其生理意义 用整体动物做实验，禁食24小时，大鼠肝脏中 的糖原由7%降低到1%，饲喂乳酸、丙酮酸或三 羧酸循环代谢的中间物后可以使大鼠肝糖原增 加。 根皮苷是一种从梨树茎皮中提取的有毒的糖苷， 它能抑制肾小管将葡萄糖重吸收进入血液中， 这样血液中的葡萄糖就不断的由尿中排出。当 给用根皮苷处理过的动物饲喂三羧酸循环中间 代谢物或生糖氨基酸后，这些动物尿中的糖含 量增加。 糖尿病人或切除胰岛的动物，他们从氨基酸转 化成糖的过程

24、十分活跃。当摄入生糖氨基酸时， 尿中糖含量增加。 1. 糖异生的证据如下：糖异生的证据如下： 糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。 红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料的，成人每天约需 要160克葡萄糖，其中120克用于脑代谢，而糖原的贮 存量是很有限的，所以需要糖异生来补充糖的不足。 在饥饿或剧烈运动造成糖原下降后，糖异生能使酵解 产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油以及生糖氨基酸等 中间产物重新生成糖。这对维持血糖浓度，满足组织 对糖的需要是十分重要的。 糖异生可以促进脂肪氧化分解供应能量，当体内糖供 应不足时，机体会大量动员脂肪分解，此时会产生过 多的酮体（乙酰乙酸、-羟丁酸、丙酮），而酮体则 必须经过三羧酸循环才能彻底氧化，此时糖异生对维 持三羧酸循环的正常进行起主要作用。 2、糖异生的生理意义、糖异生的生理意义 糖异生作用的总反应式如下： 2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H+4H2O 葡萄糖 +2NAD+ +4ADP +2GDP +6Pi 二、糖异生的途径二、糖异生的途径 1、丙酮酸羧化生成磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 + ATP + GTP 磷酸烯醇式丙酮酸 + ADP + GDP + CO2 2、磷酸烯醇式丙酮酸沿酵解途径逆向反应生成 1,6-二磷酸果糖。这个过程也要逾越一个能 障，即从3-磷酸甘油酸转变成1,3-二磷酸甘 油酸的过程中需要消耗一个ATP