生物化学04第四章 糖代谢.ppt

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1、第四章 糖 代 谢Metabolism of Carbohydrates,糖的转运和贮存 糖酵解、三羧酸循环途径,反应过程中能量的产生和消耗 能量变化计算 糖代谢过程中的关键酶 磷酸己糖旁路、糖醛酸途径一般过程及生理意义,学习要求:,糖的概念,糖类(Carbohydrates)即碳水化合物 化学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物或多聚糖。食物中糖主要是淀粉，经消化为基本组成单位葡萄糖（glucose）后被吸收。,根据糖分子构成特点分： 单糖（monosacchride） 寡糖（oligosacchride） 多糖（polysacchride） 结合糖（glycoconjugate）,糖的分类,葡萄

2、糖(glucose) 已醛糖,果糖(fructose) 已酮糖,1. 单糖 不能再水解的糖。,目 录,2. 寡糖,常见的几种二糖有,麦芽糖 (maltose) 葡萄糖 葡萄糖,蔗 糖 (sucrose) 葡萄糖 果糖,乳 糖 (lactose) 葡萄糖 半乳糖,能水解生成几分子单糖的糖，各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连。,3. 多糖 能水解生成多个分子单糖的糖。,常见的多糖有,淀 粉 (starch),糖 原 (glycogen),纤维素 (cellulose),多糖：由若干单糖组成的糖类 根据分子组成又分同多糖和杂多糖 同多糖：由相同单糖缩合而成 常见淀粉、糖原、纤维素 杂多糖：由不相同的单

3、糖或单糖衍生物缩合而成 如粘多糖,糖原 是动物体内葡萄糖的储存形式,目 录,淀粉 是植物中养分的储存形式,淀粉颗粒,目 录,纤维素 作为植物的骨架,目 录,结合糖：糖与非糖物质结合形成的复合糖类 糖蛋白 蛋白质含量多与糖 蛋白多糖 糖含量多与蛋白质 糖脂 单糖或寡糖与脂类结合,为机体生理活动提供能量 转化其他重要化合物 重要组织结构成分,糖的生理功能,一、糖的生理功能,1. 氧化供能,如糖可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质的原料。,3. 作为机体组织细胞的组成成分,这是糖的主要功能。,2. 提供合成体内其他物质的原料,如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成成分。,光合作用,合成代谢,

4、糖异生,分解代谢,糖原的分解,糖酵解,三羧酸循环,糖原的生物合成,点击回目录,一、 photosynthesis,糖的酶水解,点击回目录,糖类物质经酶解作用（消化作用），变成单糖 后才能被小肠直接吸收，进入毛细血管、进入血循 环，进行代谢。 糖酶：多糖酶、糖苷酶,淀粉的酶促水解： 、淀粉酶， 水解-1，4糖苷键，水解产物为麦芽糖 -淀粉酶：水解任何部位的-1，4糖键， -淀粉酶：非还原端开始水解 -1，6糖苷键酶：-1，6糖苷键 水解产物：糊精、麦芽糖的混合物,淀粉,麦芽糖+麦芽三糖 （40%） （25%）,-临界糊精+异麦芽糖 （30%） （5%）,葡萄糖,唾液中的-淀粉酶,-葡萄糖苷酶,-

5、临界糊精酶,消化过程,肠粘膜上皮细胞刷状缘,胃,口腔,肠腔,胰液中的-淀粉酶,食物中含有的大量纤维素，因人体内无-糖苷酶而不能对其分解利用，但却具有刺激肠蠕动等作用，也是维持健康所必需。,糖的吸收,1. 吸收部位 小肠上段,2. 吸收形式 单 糖,ADP+Pi,ATP,G,Na+,K+,小肠粘膜细胞,肠腔,门静脉,吸收机制,Na+依赖型葡萄糖转运体 (Na+-dependent glucose transporter, SGLT),刷状缘,细胞内膜,主动转运,小肠中葡萄糖 的吸收示意图,吸收途径,小肠肠腔,肠粘膜上皮细胞,门静脉,肝脏,体循环,SGLT,各种组织细胞,GLUT,GLUT：葡萄糖

6、转运体(glucose transporter)，已发现有5种葡萄糖转运体(GLUT 15)。,糖代谢的概况,葡萄糖,丙酮酸,H2O及CO2,乳酸,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,核糖 + NADPH+H+,淀粉,血糖水平恒定的生理意义,保证重要组织器官的能量供应，特别是某些依赖葡萄糖供能的组织器官。,脑组织不能利用脂酸，正常情况下主要依赖葡萄糖供能； 红细胞没有线粒体，完全通过糖酵解获能； 骨髓及神经组织代谢活跃，经常利用葡萄糖供能。,* 血糖，指血液中的葡萄糖。,* 血糖水平，即血糖浓度。 正常血糖浓度 ：3.896.11mmol/L,血糖及血糖水平的概念,血糖水平异常,（一）高血糖及糖尿症,1

7、. 高血糖(hyperglycemia)的定义,2. 肾糖阈的定义,临床上将空腹血糖浓度高于7.227.78mmol/L称为高血糖。,当血糖浓度高于8.8910.00mmol/L时，超过了肾小管的重吸收能力，则可出现糖尿。这一血糖水平称为肾糖阈。,低血糖,1. 低血糖(hypoglycemia)的定义,2. 低血糖的影响,空腹血糖浓度低于3.333.89mmol/L时称为低血糖。,血糖水平过低，会影响脑细胞的功能，从而出现 头晕、倦怠无力、心悸等症状，严重时出现昏迷，称为低血糖休克。,血糖水平的调节,* 主要依靠激素的调节,糖酵解途径发现历史,G,CH3CH2OH,无氧,酵母菌,法，L.Pas

8、teur： 1875,1897，德， Hans buchner、 Edward buchner,酵母抽提液,1905，Harden William Young,实验证明无机磷酸的作用,1940，德，生物化学家恩伯顿(Gustar Embden) 迈耶霍夫(Otto Meyerhof) 阐明糖酵解途径，揭示普遍性 Embden- Meyerhof途径(EMP),第一节 糖的无氧分解 （Glycolysis of Carbohydrate）,糖酵解（glycolysis）指葡萄糖生成丙酮酸在无氧条件下转变为乳酸的过程。 细胞液,定 义,部 位,一、糖酵解的反应过程,分两个阶段： 第一阶段 葡萄糖分

9、解为丙酮酸（pyruvate ） 第二阶段 丙酮酸转变为乳酸 （lactate）,(1) 6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate）的生成,特点：反应不可逆,需ATP提供磷酸基和能量,己糖激酶,己糖激酶，一种同工酶，有4种类型： ,分布于不同组织，作用于 所有己糖，对G的Km值低， 主要用于G的分解。,仅存在于肝脏，仅作用于G， 对G的Km值高，主要用于G的合成,哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶，分别称为至型。肝细胞中存在的是型，称为葡萄糖激酶(glucokinase)。它的特点是： 对葡萄糖的亲和力很低 受激素调控,(2) 6-磷酸葡萄糖转化为6-磷酸果糖(fructo

10、se-6-phosphate),(3) 6-磷酸果糖磷酸化成1，6-二磷酸果糖,特点：不可逆反应。需ATP提供磷酸基和能量,6-磷酸果糖激酶-1,(4) 1，6-二磷酸果糖裂解成2个磷酸丙糖,(5) 3-磷酸甘油醛氧化为1，3-二磷酸酸甘油酸,3-磷酸甘油醛脱氢酶催化，该途径唯一的氧化步骤,(6)1，3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,特点：磷酸甘油酸激酶催化，第一个底物水平磷酸化反应,(7) 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,磷酸甘油变位酶,可逆的磷酸基转移过程,（8）2-磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸,烯醇化酶,特点：电子重排和能量重新分布，利于高能磷酸键生成,（9）磷酸烯醇式丙酮酸

11、转变成丙酮酸,丙酮酸激酶,特点：第二个底物水平磷酸化反应，反应不可逆,（10）丙酮酸可作为受氢体还原生成乳酸,乳酸脱氢酶,特点：保证糖酵解过程得以继续运行,酸牛奶乳酸发酵乳酸菌,啤酒 液体面包 酒精发酵酵母,酿造食醋 乙酸发酵醋酸菌,点击回目录,to lactate (eg. in muscle),to ethanol (alcoholic fermentation in yeast),丙酮酸的去路,乳酸 脱氢酶,丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA：,1.不需氧的产能过程 从葡萄糖开始净生成2mol ATP 从糖原开始净生成3mol ATP 2.全过程在细胞液中进行,糖酵解小结,3.三个关键酶催化的

12、反应不可逆 关键酶：己糖激酶 6-磷酸果糖激酶-1 丙酮酸激酶 4.乳酸的生成 使糖酵解途经中生成的NADH+H+重新转变成NAD+，保证糖酵解过程继续运行,糖酵解的代谢途径,E2,E1,E3,二、糖酵解的生理意义,1.机体缺氧状况下能迅速提供能量 剧烈运动等生理性缺氧 心肺机能障碍等病理性缺氧 2.有氧状况下依赖糖酵解供能 成熟红细胞因无线粒体而完全依赖 白细胞、骨髓等代谢活跃部分依赖,三、糖酵解的调节,调节关键位点是关键酶 已糖激酶 6-磷酸果糖激酶-1 丙酮酸激酶 调节的方式 变构调节 共价修饰,（一） 6-磷酸果糖激酶-1(PFK-1),* 别构调节,别构激活剂：AMP; ADP; F

13、-1,6-2P; F-2,6-2P,别构抑制剂： 柠檬酸; ATP（高浓度）,丙酮酸激酶,1.6-二磷酸果糖,ATP和丙氨酸,变构激活剂 （+）,（-） 变构抑制剂,二、对丙酮酸激酶的调节,第二节 糖的有氧氧化 （Aerobic Oxidation of Carbohydrates）,机体供氧充足条件下，葡萄糖彻底氧化生成水和CO2，并产生能量的过程称为有氧氧化。 有氧氧化是机体主要供能方式。 细胞液及线粒体。,概 念,部 位,一、糖的有氧氧化反应过程,大致可分为三个阶段 ： 糖酵解途径 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A 乙酰CoA 的氧化,（一）丙酮酸的生成 有氧条件下丙酮酸入线粒体继续氧化。

14、酵解途径脱氢反应生成的NADH+H+也入线粒体氧化成水并生成ATP。,（二）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A 丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧生成乙酰CoA,丙酮酸,乙酰CoA,NAD+,NADH+H,CO2,丙酮酸脱氢酶复合体,丙酮酸脱氢酶复合体 三个酶：丙酮酸脱氢酶（E1） 二氢硫辛酰胺转乙酰酶（E2） 二氢硫辛酰胺脱氢酶（E3） 五种辅酶： TPP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA,（三）乙酰CoA 的氧化三羧酸循环 三羧酸循环（ tricarboxylic acid cycle）亦称柠檬酸循环，是循环中第一个中间产物柠檬酸含有三个羧基。最早由Krebs提出，故又称Krebs循环。 三羧酸循环部位

15、： 在线粒体中。,1. 柠檬酸（citrate）的生成,柠檬酸合酶,特点：耗能，能量来自高能硫脂键，反应不可逆,异柠檬酸（isocitrate）的形成,异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸（-ketoglutatrate）,异柠檬酸脱氢酶催化，氧化脱羧,-酮戊二酸脱氢酶复合体催化下，脱氢、脱羧,4.-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA （succinyl CoA）, 底物水平磷酸化反应,特点：唯一直接生成高能磷酸键的反应。, 延胡索酸的生成,脱2H由辅酶FAD接受，生成FADH2,琥珀酸脱氢酶,苹果酸的生成和草酰乙酸的再生,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,每循环一次 乙酰CoA的乙酰基被彻底氧化 2分子CO

16、2形式释放，是体内CO2来源 4次脱氢反应：3次NAD+接受 1次FAD接受 1次底物水平磷酸化生成1个高能磷酸键,三羧酸循环小结:,二、三羧酸循环的特点和生理意义,特点： ATP生成的主要途径：净生成36或38molATP 在有氧条件下运转：产生H需电子传递链传递 三羧酸循环反应非逆向进行 中间产物的作用及补充,生理意义： 三羧酸循环是三大营养素的最终代谢通路及主要产能阶段 2. 三羧酸循环为糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽 3. 为其他物质代谢提供前体成分,（2）共价修饰调节,（二）对三羧酸循环的调节,巴斯德效应 （Pasteur effect）,概念：即有氧抑制糖酵解的现象 基本原理： 氧

17、充足丙酮酸入三羧酸循环，NADH+H+入线粒体经电子传递链氧化，而抑制乳酸生成 缺氧氧化磷酸化受阻， NADH+H+累积，丙酮酸在胞液中还原为乳酸，使糖酵解途径加强,第三节 磷酸戊糖途径 Pentose Phosphate Pathway,一、磷酸戊糖途径的主要反应过程,胞液 第一阶段氧化不可逆 产生NADPH+H+ 及CO2 第二阶段为非氧化可逆过程,部 位,分两个阶段,1.磷酸核糖的生成（第一阶段）,生成1分子磷酸戊糖和2分子NADPH+H+,2、基团转移反应（第二阶段）,一系列可逆的基团转移反应 目的和意义： 在于将磷酸戊糖转变成6-磷酸果糖 和3-磷酸甘油醛进入糖酵解途径,第二阶段,第

18、一阶段,二、磷酸戊糖途径的生理意义,为核酸的生物合成提供原料 NADPH作为多种物质代谢反应的供氢体 （1）体内多种合成代谢中氢原子的来源 （2） NADPH参与体内的羟化反应 （3） NADPH是谷胱甘肽还原酶的辅酶,第四节 糖原的合成与分解,（一）糖原合成 单糖（主要是葡萄糖）合成糖原的过程 糖的储存形式 ，机体迅速动用的储备能源 （二）糖原合成组织 肝脏和肌肉,一、 糖原合成 glycogenesis,（三）合成反应 1. 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 2. UDPG+糖原（Gn） UDP+糖原（Gn+1）,葡萄糖激酶,肝,UDPG,变位酶,1-磷酸葡萄糖+UTP,UTP焦磷酸化酶,ppi,G

19、n为较小的糖原分子即引物分子,为UDPG上葡萄糖基接受体,UDPG可看作“活性葡萄糖” 作为糖原合成的葡萄糖供体,Branching enzyme,糖原合酶：只催化形成-1,4糖苷键，延长糖链； 分支酶：以-1,6糖苷键形成新分支。,最终产物：80%为1-鳞酸葡萄糖 15%为游离葡萄糖,三、糖原合成与分解的调节,关键酶：合成为糖原合酶 分解为糖原磷酸化酶 两种酶都以活性、无活性两种方式存在，两者之间可通过磷酸化和去磷酸化互相转变而改变活性。 调节方式：共价修饰 变构调节,对肌糖原磷酸化酶，AMP是变构激活剂 ATP、6磷酸葡萄糖为变构抑制剂,但对糖原合酶有激活作用 肌肉收缩ATP消耗时，肌糖原

20、加快分解。 变构调节可在几毫秒时间内迅速完成,肌肉中糖原合酶、糖原磷酸化酶调节与肝脏不同,糖原分解 肝主要受胰高血糖素调节 肌肉主要受肾上腺素调节 对肌糖原磷酸化酶，AMP是变构激活剂 ATP、6磷酸葡萄糖为变构抑制剂,但对糖原合酶有激活作用,第五节 糖 异 生 作 用 Gluconeogenesis,各种非糖化合物（乳酸、丙酮酸、甘油、生糖氨基酸等）转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生作用,糖异生作用：,部 位：,肝（主）、肾（次）,一、糖异生途径,1. 丙酮酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,羧化支路：丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶催化,2. 1,6-二磷酸果糖转变为6-磷酸果糖 1,6-磷酸果

21、糖 6-磷酸果糖,果糖1,6-二磷酸酶,H2O,pi,特点：水解过程是放能反应,3. 6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸酶,H2O,pi,葡萄糖-6-磷酸酶主要分布在肝脏，肝脏是糖异生的主要器官。,二、乳酸循环与糖异生作用,糖异生活跃 有葡萄糖-6-磷酸酶,肌肉缺乏葡萄糖6-磷酸酶,乳酸循环是一个耗能的过程,避免肌肉生成的乳酸损失，回收利用 防止乳酸堆积引起的酸中毒,生理意义：,三、糖异生的生理意义,（一）维持血糖浓度稳定 （二）恢复肝糖储备 （三）调节酸碱平衡,四、糖异生作用的调节,（一）代谢物的调节作用,乙酰CoA激活丙酮酸羧化酶，促丙酮酸异生成糖 乙酰C

22、oA反馈抑制丙酮酸脱氢酶，抑制丙酮酸氧化，同时变构激活丙酮酸羧化酶，促进丙酮酸异生成糖 丙氨酸是饥饿时糖异生的主要原料，丙氨酸抑制肝内丙酮酸激酶活性，利于丙氨酸异生成糖,（二）激素的调节作用,胰高血糖素,胰岛素,促进糖异生,抑制糖分解,诱导糖异生酶合成,与胰高血糖素作用相反,抑制糖异生,第六节 血 糖 Blood Suger,血糖的概念: 血糖是指血液中的葡萄糖 正常血糖浓度： 3.896.11mmol/L 血糖水平恒定，利于保证机体组织的能量供应,血糖来源,血糖去路,一、血糖的来源和去路,（一）器官调节 （二）激素的调节 升高血糖激素：胰高血糖素、糖皮 质激素、肾上腺素 降低血糖激素：胰岛素

23、,二、血糖水平的调节,升高血糖和降低血糖两类激素 通过相互协调、相互制约、共同作用来实现血糖的调节。 机体能够精细调节糖代谢的机制，保证了血糖在一定范围内波动。,（一）降低血糖的激素胰岛素 1.促进膜载体增加，利于G转入细胞内 2.加速糖原合成，抑制糖原分解 3.促进G的有氧氧化 4.抑制肝糖异生 5.抑制激素敏感脂肪酶，减少脂肪动员,激素对血糖水平的调节,1.胰高血糖素 促肝糖原分解、促进糖异生，抑制糖酵解 激活激素敏感脂肪酶，减少脂肪动员 2.糖皮质激素 促进肌蛋白质分解氨基酸利于糖异生； 抑制肝外组织摄取糖；协助脂肪动员 3.肾上腺素 加速肝糖原分解、 促肌糖原酵解成乳酸，在肝脏异生成糖

24、,（二）升高血糖激素,（一）高血糖Hyperglycemia及糖尿 定义：空腹血糖浓度高于7.227.78mmol/L时称为高血糖。 糖尿：血糖浓度高于8.8910.00mmol/L，即超过了肾小管重吸收葡萄糖能力，尿中可测出葡萄糖称糖尿。这一血糖水平称为肾阈值。,三、糖代谢异常,分生理性和病理性两类 1.生理性糖尿 摄食过多或输入大量葡萄糖、精神紧张等，使血糖升高超过肾阈值出现糖尿。 2.病理性糖尿 胰岛素分泌障碍或胰高血糖激素分泌亢进，导致的高血糖出现的糖尿 3.肾性糖尿 是指肾脏疾病引起肾对糖重吸收障碍、糖阈值降低所出现的糖尿。,引起高血糖及糖尿的原因,（二）低血糖 Hypoglycem

25、ia 定义： 空腹血糖水平低于3.333.89mmol/L 危害性： 血糖浓度过低，组织能量不足，特别是脑组织能量缺乏，可出现头晕、乏力等，严重时出现昏迷。,病理性低血糖原因有： 胰岛-细胞功能亢进或胰岛-细胞功能低下等； 严重肝脏疾患； 内分泌异常，如垂体功能低下； 进食障碍； 肿瘤等。,（三）糖尿病diabetes mellitus 糖尿病： 胰岛素绝对或相对不足或/和胰岛素抵抗，引起三大营养素代谢紊乱，并继发维生素、电解质代谢障碍等。 特点：持续性高血糖和糖尿，空腹血糖和糖耐量曲线高于正常范围。,临床分型： 型，简称IDDM（胰岛素依赖型） 型，简称NIDDM（非胰岛素依赖型） NIDDM型病例我国占90%以上 病因及发病机制尚未完全阐明,多认为与遗传、感染自身免疫反应等有关。,谢谢！,