第8章糖代谢-1.ppt

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1、第八章 糖代谢,一、多糖和低聚糖的酶促降解,二、糖的分解代谢,三、糖的合成代谢,糖代谢是指糖在生物体内的分解代谢和合成代谢。 糖的分解代谢是指大分子糖经酶促降解，生成小分子单糖后，进一步氧化分解成CO2和H2O，并释放出能量。 糖的合成代谢是由小分子物质或葡萄糖合成二糖或多糖,包括糖的合成和糖原的异生作用。 动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供的。 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，提供碳源或碳链骨架。 糖代谢与其它代谢相互联系，相互转化，构成代谢的统一体。,OH,一、多糖和低聚糖的酶促降解,-淀粉酶：以随机方式水解-1,4-糖苷

2、键，能将淀粉切断成分子量较小的糊精。 -淀粉酶：它从糖链的非还原性末端开始水解-1,4-糖苷键，每次切下两个葡萄糖单位麦芽糖。 -1,6-糖苷键酶：是一种能水解-1,6-糖苷键的淀粉酶。 纤维素酶：能特异性地水解-1,4-糖苷键，最终将纤维素水解成葡萄糖。,细胞内糖原和淀粉的降解 磷酸化酶:只催化非还原性末端-1,4糖苷键的磷酸解。 寡聚-(1,41,4)葡萄糖转移酶:将以-1,6-键连接于分支点的4个残基的葡三糖转移至另一链的非还原端使其延长，而在分支点处还留下一个-1,6-键葡萄糖残基。 脱支酶:水解-1,6-糖苷键。,磷酸化酶、寡聚-(1,41,4)葡萄糖转移酶、脱支酶降解糖原,二、糖的

3、分解代谢,生物体内葡萄糖（糖原）的分解主要有三条途径：,1. 无O2情况下，葡萄糖(G)丙酮酸(Pyr)乳酸(Lac),2. 有O2情况下，G CO2 + H2O（经三羧酸循环）,3. 有O2情况下，G CO2 + H2O（经磷酸戊糖途径）,Things to Learn,Pathway Energetics Regulation Cellular function / localization,（一）糖的无氧酵解(Glycolysis),C6H12O6,2CH3COCOOH,2CH3CH(OH)COOH,+2(2H),-2CO2,糖酵解 Glycolysis,2CH3CHO,2CH3CH2O

4、H,生醇发酵 Fermentation,糖的无氧酵解过程与酵母的生醇发酵基本相同，故称糖酵解。,1. 己糖磷酸酯的生成(G F-1,6-2P) (13共三步反应),注意： 反应产物G-6-P(别构抑制剂)反馈抑制葡萄糖激酶(己糖激酶)，己糖激酶不是酵解过程关键的限速酶。胰岛素可诱导该酶基因的转录,促进酶的合成。,2.丙糖磷酸的生成(F-1,6-2P G-3-P) (45二步反应),二羟丙酮磷酸,+,甘油醛-3-磷酸,醛缩酶,1,3,2,1,3,2,上述五步反应的特点： 碳架由C62 C3。 是糖酵解过程中的耗能部分，消耗2个ATP。 第1步和第3步反应不可逆，是由激酶催化将磷酰基团从ATP转移

5、到代谢物分子上的反应。葡萄糖激酶和果糖激酶是别构酶，必须Mg2+参与才有活性，因为Mg2+与ATP形成的复合物才是酶的真正底物。通过对这两种酶活性的调节来控制糖的酵解速度。 二羟丙酮磷酸和甘油醛-3-磷酸两者达平衡时，96%是二羟丙酮磷酸,但在酵解中,不断消耗甘油醛-3-磷酸，故互变的结果是产生甘油醛-3-磷酸。,3.甘油醛-3-磷酸生成丙酮酸 (610共五步酶促反应),甘油醛-3-磷酸的氧化是酵解过程中唯一一次遇到的氧化作用，生物体通过此反应获得能量。反应中同时进行脱氢和磷酸化，并引起分子内部能量重新分配，生成高能磷酸化合物甘油酸-1,3-二磷酸,反应中脱下的氢进入NADH呼吸链氧化。,甘油

6、醛磷酸脱氢酶机理,糖酵解过程中的第一次底物水平磷酸化产生ATP。,在第2,3碳原子上脱下一分子水，同时分子内部的能量重新分配，产生高能磷酸化合物烯醇丙酮酸-2-磷酸。,123,抑制剂：Ala(别构抑制剂),ATP,乙酰辅酶A 激活剂：F-1,6-2P,注意： 丙酮酸激酶(别构酶)催化烯醇式丙酮酸-2-磷酸生成烯醇丙酮酸，是糖酵解过程中的第二调节点,也是糖酵解过程中的第二次底物水平磷酸化产生ATP。,烯醇丙酮酸-2-磷酸,4.丙酮酸还原成乳酸,丙酮酸还原成乳酸, NADH是由甘油醛-3-磷酸脱氢酶催化的反应而来，在丙酮酸还原成乳酸中，NADH被氧化成NAD+,从而保证辅酶的周转。 剧烈运动肌肉缺

7、氧，乳酸积累引起疼痛。,在生醇发酵中，丙酮酸在脱羧酶催化下直接脱羧失去CO2而生成乙醛，乙醛然后接受甘油醛-3-P脱下的氢生成乙醇。,葡萄糖激酶,己糖磷酸异构酶,葡萄糖-6-磷酸,二羟丙酮磷酸,甘油醛-3-磷酸,(己糖激酶),醛缩酶,糖酵解,Hexokinase,Phosphofructokinase,glucose,Glycolysis,ATP,ADP,glucose,-,6,-,phosphate,Phosphoglucose Isomerase,fructose,-,6,-,phosphate,ATP,ADP,fructose,-,1,6-,bisphosphate,Aldolase,g

8、lyceraldehyde,-,3,-,phosphate,+,dihydroxyacetone,-,phosphate,果糖-6-磷酸,果糖磷酸激酶,丙糖磷酸异构酶,果糖-1,6-二磷酸,Energy investment phase,Glyceraldehyde,-,3,-,phosphate,Dehydrogenase,Phosphoglycerate Kinase,Enolase,Pyruvate Kinase,glyceraldehyde,-,3,-,phosphate,NAD,+,+,P,i,NADH,+,H,+,1,3,-,bisphosphoglycerate,ADP,ATP,

9、3,-,phosphoglycerate,Phosphoglycerate Mutase,2,-,phosphoglycerate,H,2,O,phosphoenolpyruvate,ADP,ATP,pyruvate,甘油醛-3-磷酸,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,1,3-二磷酸甘油酸,甘油酸磷酸激酶,甘油酸-3-磷酸,甘油酸磷酸变位酶,甘油酸-2-磷酸,烯醇化酶,磷酸烯醇丙酮酸,丙酮酸激酶,丙酮酸,Energy payoff phase, 糖酵解过程中能量的计算,1mol G 酵解产生的ATP数如下, GG-6-P -ATP, F-6-PF-1,6-2P -ATP,甘油酸-1,3-2P甘油酸-3-

10、P +2ATP,烯醇丙酮酸磷酸丙酮酸 +2ATP,净产生 +2ATP,糖原来源G(不经GG-6-P)净产生: +3ATP, 糖酵解的特点:,(1)酵解反应是在胞质中进行。,(2)整个过程都没有分子氧参加。,(3)中间产物中绝大多数都是磷酸化的衍生物:为什么？,（二）糖的有氧分解,() 有氧氧化(是无氧酵解的继续),分三个阶段,第一阶段：G丙酮酸(胞质内),第二阶段:丙酮酸由线粒体膜上的丙酮酸脱氢酶系(多酶复合物)催化进行氧化脱氢、脱羧生成乙酰辅酶A，这是连接酵解和三羧酸循环的中心环节。,第三阶段:三羧酸循环(线粒体),CO2 + H2O,NADH (FADH2),丙酮酸脱氢酶系： 由丙酮酸脱羧

11、酶(E1)、二氢硫辛酸转乙酰基酶(E2)和二氢硫辛酸脱氢酶(E3)三种酶及CoASH、FAD、NAD+、硫辛酸、焦磷酸硫胺素(TPP)和Mg2+六种辅因子组成。,第二阶段丙酮酸氧化脱氢、脱羧生成乙酰辅酶A,整个丙酮酸氧化脱羧反应过程只有第一步脱羧反应是不可逆;,整个反应体系受严密的调节控制，包括: 产物抑制: 乙酰辅酶A抑制二氢硫辛酸乙酰基转移酶(E2), NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶(E3),抑制效应可被辅酶A和NAD+逆转。 核苷酸反馈调节 丙酮酸脱羧酶(E1)受GTP抑制，被AMP所活化。,所有丙酮酸氧化脱羧的中间产物均紧密地结合在酶复合体上;,丙酮酸脱氢酶系催化特点：,由柠檬酸合成酶催

12、化乙酰辅酶A和草酰乙酸缩合成柠檬酸(1步),第三阶段：三羧酸循环(柠檬酸循环，Krebs循环，TCA循环) (共10步反应),缩合反应所需能量来自乙酰辅酶A的高能硫脂键，反应是单向、不可逆。,注意,琥珀酸是草酰乙酸的竞争性抑制剂，竞争柠檬酸合成酶; ATP、NADH、琥珀酰辅酶A和长链脂酰辅酶A抑制酶的活性;草酰乙酸和乙酰CoA的浓度较高时激活酶的活性。,柠檬酸合成酶对草酰乙酸的Km很低，所以，即使线粒体内草酰乙酸的浓度很低(10mmol/L)，反应也能迅速进行。,第一个调节点，柠檬酸合成酶是别构酶，循环中的关键限速酶。,柠檬酸脱水生成顺乌头酸，然后加水生成异柠檬酸(2步反应)，为氧化脱羧作准

13、备,注意 这个异构化反应分两步:先脱水，再水化，使原来柠檬酸C3上的-OH转到异柠檬酸C2中，中间产物是与酶结合的顺乌头酸。 其标准自由能变为 G0 = +8.4kJ/mol 和G0 = -2.1kJ/mol，由于异柠檬酸的不断消失，推动反应的进行。,异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸(2步),注意 是三羧酸循环中的第一次氧化脱羧。其中间产物是草酰琥珀酸。 生理条件下反应不可逆，是三羧酸循环中的第二个调节点。 异柠檬酸脱氢酶是别构酶，受ATP、NADH抑制，ADP激活。 此步是三羧酸和二羧酸反应的分界点。,-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A(1步),第二次氧化脱羧，第三个调节点。,注意 反应不可逆

14、，反应释放的自由能足以形成一个高能硫脂键。 -酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相类似，由-酮戊二酸脱氢酶、二氢硫辛酰转琥珀酰酶和二氢硫辛酰脱氢酶及TPP、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA、Mg2+组成。 NADH、琥珀酰CoA抑制酶活性;高能时，ATP、GTP反馈抑制；Ca2+对酶有激活作用。,由琥珀酰辅酶A生成琥珀酸(1步),注意：琥珀酰辅酶A在琥珀酸硫激酶催化下，高能硫脂键的能量转移到GDP上,生成GTP,同时生成琥珀酸。然后GTP再与ADP生成ATP(三羧酸循环中唯一一次底物水平磷酸化)。,琥珀酸被氧化生成延胡索酸(1步),注意： 琥珀酸脱氢酶的辅酶为FAD，且还含有4Fe-4S组成的F

15、e-S蛋白，该酶位于线粒体内膜，是三羧酸循环中唯一与膜结合的酶，它直接与电子传递链相连。,延胡索酸加水生成苹果酸(1步),延胡索酸酶有立体异构选择性，H2O中OH和H是在双键反式加成，形成L型-苹果酸。,苹果酸被氧化生成草酰乙酸(1步),至此为止，草酰乙酸重新生成，又可参与下一循环。,三羧酸循环总结：,在三羧酸循环中，只消耗了1分子乙酰辅酶A，因此在理论上，所有三羧酸和二羧酸只需微量就可不停地循环，促使乙酰辅酶A氧化。,三羧酸循环是在线粒体基质中进行。,由于柠檬酸的合成及-酮戊二酸的氧化脱羧是不可逆的，故此循环是单向进行。,丙酮酸经过三次氧化脱羧，即丙酮酸乙酰辅酶ACO2 ；异柠檬酸-酮戊二酸

16、CO2；-酮戊二酸琥珀酰辅酶ACO2，以及五次脱氢。,草酰乙酸(4C),柠檬酸(6C),异柠檬酸(6C),琥珀酸辅酶A (4C),琥珀酸(4C),延胡索酸(4C),苹果酸(4C),乙酰辅酶A,-酮戊二酸(5C),三羧酸循环的总反应式：,G CO2 + H2O 共产生 ATP,38 个,糖原G CO2 + H2O 产生39个ATP,C6H12O6 + 6H2O +38ADP+38H3PO4 6CO2 + 6H2O +38ATP,三羧酸循环的生物学意义：,是生物利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。,是三大有机物质（糖类、脂类、蛋白质）转化的枢纽。,三羧酸的代谢调节：,受柠檬酸合成酶、异柠檬

17、酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶3种酶活性的调控。,提供多种化合物的碳骨架，如为三大营养物质的合成代谢提供小分子前体物。,动物、植物、微生物都有三羧酸循环，因此具有普遍的生物学意义。,(三)乙醛酸循环-三羧酸循环支路(自学),乙酸在辅酶A与ATP及乙酰辅酶A合成酶参与下可活化生成乙酰辅酶A；,这种关系形成一个与三羧酸循环相联系的小循环。因以乙醛酸为中间代谢物，故称乙醛酸循环。目前在动物组织中尚未发现乙醛酸循环。,乙酰辅酶A与乙醛酸可合成苹果酸；,异柠檬酸能裂解为琥珀酸和乙醛酸。,微生物能够利用乙酸作为唯一的碳源构建自己的机体，其机制包括：,Citrate,Isocitrate,Glyoxalate,

18、Succinate,Oxaloacetate,Malate,Acetyl-CoA,Acetyl-CoA,Malate sythase,Isocitrate lyase,乙醛酸循环的生物学意义。,乙醛酸循环总反应式：,(四)磷酸戊糖途径（HMP）(自学),C2,C3,C2,C2,C3,戊糖磷酸循环65碳糖56碳糖,转酮醇酶,转醛醇酶,三、糖的合成代谢(自学),自然界中糖的基本来源是绿色植物及光能细菌进行的光合作用（Photosynthesis）,（一）蔗糖的合成 蔗糖在高等植物中的合成主要有两条途径 途径一蔗糖合成酶-利用尿苷二磷酸葡糖(UDPG)作为G供体与果糖合成蔗糖。,蔗糖磷酸合成酶活性大

19、，且平衡常数有利,磷酸酯酶存在量大,用14C-G喂饲动物的实验结果表明，14C出现在自由果糖中较慢，而出现在蔗糖分子中的果糖部分中又较快，浓度高，所以途径二是合成蔗糖的主要途径。,（二）淀粉的合成 淀粉的合成与分解是通过两个不同的催化系统 1.-1,4糖苷键的形成-高等植物淀粉合成的主要途径:,nUDP-G nUDP+ (-1,4葡萄糖)n,UDPG转葡糖苷酶,引物,引物是-G的受体，通过引物的直链未端的延长进行合成。 引物由不同的合成酶形成,引物可以是麦芽糖、麦芽三糖、麦芽四糖，甚至是一个淀粉分子。,nADP-G nADP+ (-1,4葡萄糖)n,ADPG转葡糖苷酶,引物,高等植物合成淀粉的

20、主要途径是通过ADPG转葡糖苷酶。,2.支链淀粉的合成: 在植物中通过Q酶的作用，催化-1,4糖苷键转化为-1,6糖苷键，使直链淀粉转化为支链淀粉.,（三）糖原的合成,1. G-1-P在 UDPG焦磷酸化酶催化下生成UDPG。 2. 糖原合成酶催化下, UDPG将G残基加到糖原引物非还原端形成-1,4糖苷键。 3. 由糖原分支酶催化，将-1,4糖苷键转换为-1,6糖苷键,形成有分支的糖原。,糖原代谢关键酶 糖原分解: 磷酸化酶 糖原合成: 糖原合成酶,磷酸化和去磷酸化的共价修饰调节,（四）糖原的异生作用 许多非糖物质能在肝脏中转变为糖原，称糖的异生作用。,1、糖异生途径,糖异生的具体步骤基本上

21、按糖酵解逆行过程进行。但在酵解中有三个激酶催化的反应(糖酵解中的第1，3，10步)是不可逆的，在糖异生中必需采取其它支路通过。,(1)丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶,(2) F-1,6-2P F-6-P,(3) G-6-P G,2、糖异生的调控, 高浓度G-6-P抑制己糖激酶，活化G-6-P磷酸酯酶，从而抑制酵解，促进了糖异生。, 丙酮酸羧化酶是糖异生的另一调节酶，其活性受乙酰辅酶A和ATP激活,受ADP抑制。, F-1,6-2P磷酸酯酶是糖异生的关键酶，果糖磷酸激酶是糖酵解的关键调控酶。ATP抑制后者，激活前者。F-2,6-2P是调节两酶活性的强效应物。当G含量丰富时，激素调节使F-2,

22、6-2P增加，从而激活果糖磷酸激酶活性，并强烈抑制F-1,6-2P磷酸酯酶活性，从而加速酵解，减弱糖异生。,例1 增加以下各种代谢物的浓度对糖酵解有什么影响？ 葡萄糖-6-磷酸果糖-1,6-二磷酸柠檬酸 果糖-2,6-二磷酸,答 由于葡萄糖-6-磷酸浓度的增加提高了葡萄糖-6-磷酸异构酶的底物水平，且以后酵解途径各步反应的底物水平也随之提高，从而增加了酵解的速度。然而，G-6-P也是己糖激酶的一个别构抑制剂，因此高浓度的G-6-P可通过减少葡萄糖进入酵解途径而抑制酵解。 果糖1,6-二磷酸是果糖磷酸激酶催化反应的产物，果糖磷酸激酶是酵解过程中主要的调控点。增加果糖-1,6-二磷酸的浓度等于增加

23、了所有随后糖酵解途径的反应的底物水平，所以提高了酵解的速度。 柠檬酸是柠檬酸循环的一个中间产物，同时也是果糖磷酸激酶的反馈抑制剂，因而柠檬酸浓度的增加降低了酵解反应的速度。 果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶的激活因子，因而可以增加酵解的反应速度。,例2 如果用14C标记在葡萄糖的1或者3或者5位碳 经酵解途径产生的丙酮酸的那个碳原子被标记？,答：本题重点在于考查葡萄糖经酵解进行降解的代谢途径。需要掌握糖酵解途径，尤其是己糖转化为丙糖时碳原子数进行了重新编号，一分为二时原来的123456位碳变为了321123。 所以，如果14C标记在葡萄糖的1位碳，则生成的丙酮酸的3位（甲基碳）被标记；如果1

24、4C标记在葡萄糖的3位碳，则生成的丙酮酸的1位（羧基碳）被标记；如果14C标记在葡萄糖的5位碳，则生成的丙酮酸的2位（羰基碳）被标记。,例3 糖酵解途径中能转移其高能磷酸键形成ATP的两个高能中间化合物是什么？指出其中哪个部分具有足够的能量驱动ADP的磷酸化。,答：糖酵解途径中有两个高能中间化合物，分别是甘油酸-1,3-二磷酸和磷酸烯醇式丙酮酸，都可以通过底物磷酸化的形式形成ATP。甘油酸-1,3-二磷酸的碳1位上的酰基磷酸键是一个混合酸酐键，比较活泼，具有较大的水解势能，而磷酸烯醇式丙酮酸的烯醇磷酯键非常活泼，具有很大水解势能。,例4 在厌氧条件下，肌肉中进行糖酵解为什么必须将丙酮酸还原为乳

25、酸？该反应的NADH来源是什么？,糖酵解过程中产生的NADH必须再生为NAD+才能使酵解不断进行下去，而厌氧条件下，NADH不能进入呼吸链再生，故必须以其他有机物作为电子受体而氧化再生。 在肌肉中，必须将丙酮酸还原为乳酸，才能使NADH被氧化再生，而糖酵解也才能进行下去。该反应的NADH来自糖酵解中的唯一一步氧化反应：甘油醛-3-磷酸在甘油醛磷酸脱氢酶作用下氧化为甘油酸-1,3-二磷酸。,例5 糖酵解的调节中，最主要的调节位点是哪步反应？哪些物质促进酵解？哪些物质抑制酵解？,答：代谢途径的调节主要是对途径中的关键限速酶的调节，调节限速酶的效应物则与途径的生理作用有关。糖酵解作为分解代谢，生理作

26、用是一方面产生能量(ATP)供生命活动所需，另一方面是产生代谢中间物为合成提供原料。所以能荷的状态和前体的需求是调节糖酵解的两个主要因素，需要能量和前体时酵解速度快，当能量和前体过剩时则酵解被抑制。 糖酵解的限速步骤是果糖磷酸激酶催化的从果糖-6-磷酸转化为果糖-1,6-二磷酸，所以该途径最主要的调节位点是果糖磷酸激酶的调节。能荷高，即ATP浓度高，磷酸果糖激酶被别构抑制，酵解减弱；能荷低，即ADP,AMP浓度高，酶活性恢复，酵解加快。柠檬酸是生物体内生物合成前体过剩的信号，故抑制糖酵解。果糖-2,6-二磷酸（肝中）是磷酸果糖激酶的正调节物，解除ATP的抑制，允许糖酵解在高能量状态的组织（肝）中也能进行，可使葡萄糖降解并转化为脂肪酸。,