糖类代谢生物化学

糖类代谢生物化学第1页/共77页第六章糖类代谢主要内容：一、糖类及其功能二、糖的分解代谢三、糖原的合成和分解四、糖的异生作用五、血糖及血糖的调节

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第一节糖类化学概述

1、糖类的生物学作用2、单糖的链状结构和环状结构3、重要的单糖及衍生物4、重要的寡糖5、重要的多糖6、复合糖

(结合糖)第3页/共77页

糖类的生物学作用P92

糖类是细胞中非常重要的一类有机化合物，指多羟基醛或多羟基酮及其衍生物的总称。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第4页/共77页

D系醛糖的立体结构D(+)-阿洛糖D(+)-阿桌糖D(+)-葡萄糖D(+)-甘露糖D(+)-古洛糖D(-)-艾杜糖D(+)-半乳糖D(+)-塔罗糖(allose)(altrose)(glucose)(mannose)(gulose)(idose)(galactose)(talose)D(-)-赤鲜糖(erythrose)D(-)-苏糖(threose)D(+)-甘油醛(allose)D(-)-核糖(ribose)D(-)-阿拉伯糖(arabinose)D(+)-木糖(xylose)D(-)-米苏糖(lysose)第5页/共77页

D系酮糖的立体结构

D(-)-赤藓酮糖(erythrulose)D(-)-核酮糖(ribulose)D(+)-核酮糖(xylulose)D(+)-阿洛酮糖(psicose,allulose)D(-)-果糖(fructose)D(+)-山梨糖(sorbose)D(-)-洛格酮糖(tagalose)二羟丙酮(dihytroasetone)第6页/共77页

吡喃型和呋喃型的D-葡萄糖和D-果糖（Haworth式）

吡喃呋喃-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃果糖-D-呋喃葡萄糖-D-呋喃果糖第7页/共77页

D-葡萄糖由Fischer式改写为Haworth式的步骤

转折旋转成环成环-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖第8页/共77页重要的单糖—戊糖-D-吡喃木糖-D-呋喃核糖2-脱氧-D-呋喃核糖-D-芹菜糖-L-呋喃阿拉伯糖-D-呋喃阿拉伯糖D-核酮糖D-木酮糖单糖是不能用水解方法再进行降解的糖，包括单糖及其衍生物。根据单糖所含碳原子数目多少进行命名。第9页/共77页

重要的单糖—己糖-D-吡喃葡萄糖-L-吡喃山梨糖-D-吡喃甘露糖-L-吡喃半乳糖-D-吡喃半乳糖-D-呋喃果糖第10页/共77页

重要的单糖—庚糖和辛糖L-甘油-D-甘露庚糖D-景天庚酮糖D-甘露庚酮糖甘油部分甘露糖部分第11页/共77页

单糖磷酸酯D-甘油醛-3-磷酸-D-葡萄糖-1-磷酸-D-葡萄糖-6-磷酸-D-果糖-6-磷酸-D-果糖-1，6-二磷酸第12页/共77页重要的二糖蔗糖D-麦芽糖（

-型）乳糖（-型）纤维二糖（

-型）寡糖是少许单糖分子（2-10个）缩合成的低聚糖。根据其单糖数目分为二糖、三糖、四糖等。自然界中最重要的寡糖是二糖。第13页/共77页

环糊精结构

-环糊精分子结构

环糊精分子的空间填充模型第14页/共77页

淀粉和糖原结构NRERE直链淀粉支链淀粉或糖原分支点的结构RENRE(16)分支点支链淀粉或糖原分子示意图直链淀粉的螺旋结构0.8nm1.4nm6个残基多糖是由许多单糖分子（至少20个以上）缩合而成的聚多糖。根据其组成可分为均一多糖和不均一多糖。均一多糖由相同单糖缩合形成，又称同聚多糖。不均一多糖由两种以上单糖或单糖衍生物缩合形成，又称杂聚多糖。第15页/共77页纤维素片层结构

纤维素一级结构植物细胞壁与纤维素的结构微纤维纤维素链植物细胞中的纤维素微纤维细胞壁第16页/共77页糖复合物糖—肽链糖—核酸糖—脂质肽聚糖(peptidoglycans)脂多糖(lipopolysauhards)糖基酰基甘油(glycosylacylglycerols)鞘糖脂(pglycosphingolipids)糖蛋白(glycproteins)蛋白聚糖(proteoglycans)(ComplexCarbohydrates)结合糖是指糖与非糖物质如蛋白质或脂类共价结合形成的复合糖类。第17页/共77页细胞膜表面的糖链蛋白聚糖糖脂糖蛋白细胞膜糖蛋白是以蛋白质为主体，在多肽链的特定氨基酸残基上共价结合一条或多条寡糖链。蛋白糖是由糖胺聚糖与蛋白质通过共价键连接形成的复合糖类，又称粘蛋白。糖脂是单糖或寡糖链与脂类结合形成的复合糖类，重要的糖脂有鞘糖脂和糖基甘油酯。第18页/共77页第二节单糖的分解代谢一、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）第19页/共77页动物细胞植物细胞细胞膜细胞质线粒体高尔基体细胞核内质网溶酶体细胞壁叶绿体有色体白色体液体晶体分泌物吞噬中心体胞饮细胞膜三羧酸循环磷酸戊糖途径糖无氧分解糖异生糖酵解第20页/共77页一、葡萄糖的主要代谢途径

葡萄糖丙酮酸乳酸乙醇乙酰CoA6-磷酸葡萄糖磷酸戊糖途径糖酵解（有氧）（无氧）三羧酸循环（有氧或无氧）糖异生第21页/共77页二、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，是生物细胞糖代谢的第一步。该途径也称作Embden-Meyethof-Parnas途径，简称ＥＭＰ途径。第22页/共77页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糖的磷酸化磷酸己糖的裂解丙酮酸和ATP的生成糖原磷酸化酶磷酸葡萄糖变位酶第23页/共77页第一阶段：葡萄糖的磷酸化

ATPADPATPADP葡萄糖激酶/己糖激酶磷酸果糖激酶磷酸葡萄糖异构酶Mg2+Mg2+第24页/共77页第二阶段：磷酸己糖的裂解醛缩酶异构酶第25页/共77页第三阶段：磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和ATP的生成

NAD+

NADH+H+

PiADP

ATPH2OMg或MnATPADP丙酮酸PEP丙酮酸激酶3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶变位酶烯醇化酶第26页/共77页糖酵解途径第27页/共77页ＥＭＰ途径化学计量和生物学意义总反应式:

C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2C3H4O3+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。第28页/共77页糖酵解的调控位点及相应调节物P98

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，调节物多为本途的中间物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G-6-PATP

-ADP、AMP+-柠檬酸ATP

ATPF-1,6-BP-+第29页/共77页三、丙酮酸的去路（有氧）（无氧）葡萄糖葡萄糖丙酮酸乳酸乙醇乙酰CoA三羧酸循环（有氧或无氧）丙酮酸乳酸乙醇乙酰CoA糖酵解途径三羧酸循环（有氧或无氧）第30页/共77页丙酮酸的无氧降解及葡萄糖的无氧分解

葡萄糖的无氧分解葡萄糖EMP

NADH+H+

NAD+

乳酸COOHCH(OH)CH3COOHC==OCH3丙酮酸乳酸脱氢酶糖无氧分解的生理意义1、氧供应充分的条件下，有少数组织细胞，其所需能量仍主要由糖无氧分解过程中底物水平磷酸化产生的ATP提供。2、某些情况下，糖无氧分解功能有特殊意义。3、某些病例情况下，因氧供应不足，组织细胞也可以增强糖无氧分解，以获取少量能量。第31页/共77页丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解

（EPM）葡萄糖COOHC==OCH3丙酮酸CH3-C-SCoAO乙酰CoA三羧酸循环

NAD+

NADH+H+CO2CoASH

葡萄糖的有氧分解

丙酮酸脱氢酶系第32页/共77页丙酮酸脱氢酶系NAD++H+丙酮酸脱氢酶FAD二氢硫辛酸转乙酰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CoASHNAD+CH3-C-SCoAO第33页/共77页四、三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle,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、三羧循环的生物学意义4、三羧酸循环的调控三羧酸循环指CoA和草酰乙酸缩合生成柠檬酸，柠檬酸经一系列化学反应过程又生成草酰乙酸的循环过程。第34页/共77页

OCH3-C-SCoACoASHNADH+CO2FADH2H2ONADH+CO2NADHGTP三羧酸循环

（TCA）

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－酮戊二酸琥珀酸琥珀酰CoA延胡索酸苹果酸草酰乙酸NAD+NAD+FADNAD+第35页/共77页TCA第一阶段：柠檬酸生成

H2O草酰乙酸

OCH3-C-SCoACoASHH2O柠檬酸合成酶顺乌头酸酶第36页/共77页TCA第二阶段：氧化脱羧GDP＋PiGTPNAD+NADH+H+CoASHCO2NAD+NADH+H+异柠檬酸脱氢酶CO2－酮戊二酸脱氢酶琥珀酸硫激酶第37页/共77页TCA第三阶段：草酰乙酸再生

H2ONAD+NADH+H+草酰乙酸FADFADH2琥珀酸脱氢酶延胡索酸酶苹果酸脱氢酶第38页/共77页三羧循环的化学计量和能量计量a、总反应式:

CH3COSCoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+CoASH+3NADH+3H++FADH2+GTP能量“现金”:1GTP

能量“支票”:3NADH

1FADH2兑换率1：39ATP兑换率1：22ATP1ATP12ATPb、三羧酸循环的能量计量第39页/共77页葡萄糖完全氧化产生的ATP酵解阶段：2ATP

2

1NADH兑换率1：3(或2)2ATP2(3ATP或2ATP)三羧酸循环：21GTP

2

3NADH

21FADH221ATP29ATP22ATP兑换率1：3兑换率1：2丙酮酸氧化：2

1NADH兑换率1：323ATP总计：38ATP或36ATP第40页/共77页

OCH3-C-SCoACoASH三羧酸循环的调节

P100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

调节位点柠檬酸合成酶（限速酶）

异柠檬酸脱氢酶－酮戊二酸脱氢酶ADP+NADHATP-琥珀酰CoANADH-琥珀酰CoANADHATP-苹果酸草酰乙酸第41页/共77页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体内营养物质彻底氧化分解的共同通路体内物质代谢的主线第42页/共77页五、

磷酸戊糖途径

（pentosephosphatepathway,ppp）

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第43页/共77页磷酸戊糖途径的两个阶段

2、非氧化分子重排阶段

6

核酮糖-5-P

5

果糖-6-P5

葡萄糖-6-P1、氧化脱羧阶段

6G-6-P6

葡萄糖酸-6-P6

核酮糖-５-P

6NADP+6NADPH+6H+6NADP+6NADPH+6H+6CO26H2O第44页/共77页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NADP+

NADPH+H+

6-磷酸葡萄糖脱氢酶H2O内酯酶NADP+CO26-磷酸葡萄糖酸脱氢酶第45页/共77页磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶段

H2OPi65-磷酸核酮糖25-磷酸核糖25-磷酸木酮糖2

3-磷酸甘油醛27-磷酸景天庚酮糖2

4-磷酸赤藓丁糖26-磷酸果糖25-磷酸木酮糖23-磷酸甘油醛26-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖16-磷酸果糖转醛酶异构酶转酮酶转酮酶醛缩酶阶段之一阶段之二阶段之三第46页/共77页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-磷酸核酮糖第47页/共77页磷酸戊糖途径的非氧化阶段之二

（基团转移）

+24-磷酸赤藓糖+25-磷酸核糖23-磷酸甘油醛转酮酶转醛酶26-磷酸果糖+7-磷酸景天庚酮糖2H25-磷酸木酮糖第48页/共77页基团转移（续前）

+24-磷酸赤藓糖+23-磷酸甘油醛26-磷酸果糖转酮酶25-磷酸木酮糖第49页/共77页H2OPi1,6-二磷酸果糖23-磷酸甘油醛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）

异构酶第50页/共77页磷酸戊糖途径的总反应式3G-6-P+6NADP++3.5H2O3

G-5-P+3CO2

+6NADPH+6H+

磷酸戊糖途径的生理意义产生大量的磷酸核糖和其它重要中间产物产生大量NADPH,主要用于还原（加氢）反应，为细胞提供还原力，参与肝内生物转化反应。第51页/共77页第三节糖原的分解和生物合成一、糖原的定义及特点二、糖原的生物合成三、糖原的分解四、糖原合成和分解的意义五、糖原代谢的调控第52页/共77页糖原概况定义：糖原是体内糖的储存形式，是以葡萄糖为基本单位聚合而成的多糖。特点：在糖原分子中，葡萄糖与葡萄糖分子之间以α-1,4-糖苷键相连构成直链，又以α-1,6-糖苷键连接形成分枝，整体糖原分子呈树枝状。图1分子糖原中只有一个还原性末端，其余均为非还原性末端。糖原合成和分解反应均由非还原性末端开始。糖原合成和分解代谢在胞液中进行。第53页/共77页淀粉的分枝结构开始分枝的残基非还原端残基两个葡萄糖单位之间的1，6-糖苷键两个葡萄糖单位之间的1，4-糖苷键第54页/共77页糖原的合成定义：葡萄糖或其它单糖（如果糖、半乳糖）为原料，合成糖原的过程。反应步骤：6-磷酸葡萄糖生成1-磷酸葡萄糖生成尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）的生成以α-1,4-糖苷键连接的葡萄糖聚合物的生成5.合成具有α-1,6-糖苷键分枝的糖原第55页/共77页6-磷酸葡萄糖的生成ATPADP葡萄糖激酶/己糖激酶第56页/共77页1-磷酸葡萄糖生成1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖变位酶第57页/共77页尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）的生成++PPi1-磷酸葡萄糖UTPUDPGUDPG焦磷酸化酶第58页/共77页糖原合成酶反应UDPGUDP糖原（n个G分子）糖原（n+1）第59页/共77页糖原分枝酶反应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糖苷键糖原分支酶第60页/共77页二、糖原的分解

糖原的分解生成葡萄糖的过程

磷酸化酶（催化α1,4-糖苷键磷酸解断裂）

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α1,6-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第61页/共77页糖原磷酸化酶的作用位点及产物

G-1-P磷酸化酶非还原性末端磷酸+断键部位第62页/共77页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-PG

G

-6-PG变位酶葡萄糖-6-磷酸酶第63页/共77页糖原合成和分解的意义维持血中葡萄糖浓度相对恒定。糖原合成和分解与钾代谢有关。第64页/共77页

糖原合成和分解的调控

糖原的分解和合成都是根据肌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。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。H2O糖原磷酸化酶a(有活性)糖原合成酶a(有活性)糖原磷酸化酶b(无活性)OHOHATPADPPi糖原合成酶b(无活性)PP第65页/共77页激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图

ATP

cAMP+PPi内在蛋白质的磷酸化作用改变细胞的生理过程细胞膜细胞膜cR蛋白激酶（无活性）c+RcAMP蛋白激酶（有活性）受体环化酶激素G蛋白非磷酸化蛋白激酶ATPADP磷酸化蛋白激酶第66页/共77页cAMP激活蛋白激酶的作用机理

第67页/共77页

激素对肝糖原合成与分解的调控意义：由于酶的共价修饰反应是酶促反应，只要有少量信号分子（如激素）存在，即可通过加速这种酶促反应，而使大量的另一种酶发生化学修饰，从而获得放大效应。这种调节方式快速、效率极高。肾上腺素或胰高血糖素1、腺苷酸环化酶（无活性）腺苷酸环化酶（活性）2、ATPcAMPR、cAMP3、蛋白激酶（无活性）蛋白激酶（活性）4、磷酸化酶激酶（无活性）磷酸化酶激酶（活性）5、磷酸化酶b（无活性）磷酸化酶a（活性）6、糖原6-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖葡萄糖血液