04糖类分解代谢.ppt

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1、,糖代谢,Chapter 5 Metabolism of Carbohydrates,1 糖类化学,一、糖,糖多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物或衍生物，也称为碳水化合物。如： 葡萄糖：C6(H2O)6 蔗糖：C12(H2O)11 有的糖不符合碳水化合物的比例，如： 鼠李糖：C5H12O5（甲基糖） 脱氧核糖：C5H10O4,二、糖的分类,根据其单元结构分为： 单糖 不能再水解的多羟基醛或多羟基酮 低聚糖含210个单糖结构的缩合物。以二糖最为多见，如：蔗糖、麦芽糖、乳糖等 多糖含10个以上单糖结构的缩合物。如淀粉、纤维素等,单糖,单糖的结构（开链与环状结构）,吡喃糖与呋喃糖,单糖的构型（D系列和L系

2、列）,D-葡萄糖 ，己醛糖，因为最下面那个羟基是在费歇尔投影式的右方所以这是D-葡萄糖 红色部分醛基；蓝色部分距离醛基最远的非对称中心,构型和构型,-D-(+)-吡喃葡萄糖,-D-(+)-吡喃葡萄糖,葡萄糖的与异头物 结合在碳5上的CH2OH基团与异头碳上的羟基(红色或绿色)之间的空间关系：两者异面为()型，同面则为()型,还原糖和非还原糖,蔗糖,还原糖包括如葡萄糖、果糖、甘油醛等的所有单糖,几种生化上重要的单糖,重要的二糖,还原性二糖,非还原性二糖蔗糖,蔗糖 一种常用的双糖，由两个单糖组成：D-葡萄糖（左侧）和D-果糖（右侧）,重要的多糖,植物和动物的骨架：不溶性的多糖，如纤维素、几丁质(壳

3、多糖) 贮存：如淀粉和糖原，在需要时，经生物体内酶系统的作用，分解、释出单糖 其他功能：粘多糖、血型物质等,淀粉 直链淀粉 由-D-(+)-葡萄糖以 -1,4苷键结合而成的 链状高聚物。不溶于冷水，不能发生还原糖的一些反应，遇碘显深蓝色，可用于鉴定,支链淀粉（不溶性淀粉） 除了由葡萄糖分子以-1,4苷键连接成主链外，还有以-1,6苷键相连而形成的支链,糖原,纤维素植物的骨架,三、糖缀合物,糖与非糖物质以共价键相连的复合物 根据非糖物质的本质，糖缀合物可以分为： 糖脂 糖蛋白,2 糖代谢概况,一、糖的生理功能,提供能源 提供碳源 构成细胞的成分 构成某些生物活性物质,二、糖代谢的概况,葡萄糖,丙

4、酮酸,乳酸,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,磷酸核糖 + NADPH+H+,淀粉,3 糖的无氧分解,Glycolysis,Louis Pasteur,解释发酵现象的人 葡萄糖在无氧条件下被酵母菌分解生成乙醇 酵母细胞中存在一种活力物质,发现酵解本质的人 Hans Buchner和Eduard Buchner 发酵并不需要整个完整细胞参与 1897, Eduard Buchner, accidental observation : sucrose (as a preservative) was rapidly fermented into alcohol by cell-free yeast extr

5、act. The accepted view that fermentation is inextricably tied to living cells (i.e., the vitalistic dogma) was shaken and Biochemistry was born: Metabolism became chemistry!,1900s, Arthur Harden and William Young ： Pi is needed for yeast juice to ferment glucose, a hexose diphosphate (fructose 1,6-b

6、isphosphate) was isolated the yeast juice was separated into two fractions: one heat-labile, nondialyzable zymase (enzymes) and the other heat-stable, dialyzable cozymase (metal ions, ATP, ADP, NAD+),葡萄糖葡萄糖-6-磷酸果糖-6-磷酸果糖-1,6-二磷酸,1910s-1930s, Gustav Embden and Otto Meyerhof(Germany), studied muscle a

7、nd its extracts: Reconstructed all the transformation steps from glycogen to lactic acid in vitro; revealed that many reactions of lactic acid (muscle) and alcohol (yeast) fermentations were the same! Discovered that lactic acid is reconverted to carbohydrate in the presence of O2 (gluconeogenesis);

8、 observed that some phosphorylated compounds are energy-rich.,* 糖酵解(glycolysis)的定义,在无氧情况下，将葡萄糖降解成丙酮酸，并伴随ATP生成的过程称为糖酵解,Glucose + 2 ADP + 2Pi + 2NAD+ 2 pyruvate + 2ATP + 2H2O + 2NADH + 2H+,一、糖酵解过程,与酵解有关的物质： 磷酸酯 辅酶（NAD+） ADP、ATP 金属离子 抑制剂：碘乙酸、氟化物 反应部位：胞浆,1. 葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate, G-6-P),磷酸化

9、使葡萄糖不能自由逸出细胞 己糖激酶分四型，肝中为葡萄糖激酶 反应不可逆，第一个调控步骤,葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,6-磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖 (fructose-6-phosphate, F-6-P),葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,第二个磷酸化反应，不可逆 磷酸果糖激酶

10、-1 (phosphofructo-kinase-1, PFK-1)是糖酵解的限速酶。,6-磷酸果糖转变成1,6-二磷酸果糖 (1,6-fructose-biphosphate, F-1,6-BP),葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,Regulatory ATP,ATP,磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,反应可逆, 由醛缩酶(aldolase)催化,葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮

11、, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,磷酸丙糖同分异构化,磷酸丙糖异构酶（triose phosphate isomerase) G2分子3-磷酸甘油醛，消耗2分子ATP,葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,醛基氧化成羧基，并加入一分子磷酸，形成混合酸酐。脱下的氢由NAD+接受 碘乙酸会抑制该酶的活性 砷酸阻止ATP的生成,葡萄糖 葡萄糖-6-磷

12、酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,此步为底物水平磷酸化 反应可逆,葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷

13、酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,2-磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),反应引起分子内能量重新分布，形成高能磷酸键 氟化物可使酶失活,葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,PEP转变成丙酮酸（pyruvate),第二个底物水平磷酸化，反应不可逆,葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖-6-磷酸 果糖- 1, 6-二磷酸 甘油醛3-磷酸 磷酸二羟丙酮, 甘油酸-1,3-二磷酸 3 -磷酸-甘油酸 2 -磷酸-甘油酸 磷酸

14、烯醇式丙酮酸 丙酮酸,糖酵解的全过程,糖酵解中产生的能量,葡萄糖 + 2Pi + 2 ADP + 2NAD + 2 丙酮酸 + 2ATP + 2NADH + 2H+ + 2H2O 有氧时，2NADH进入线粒体经呼吸链氧化又可产生6分子ATP，再加上由底物水平的磷酸化形成的2个ATP，共可产生8分子ATP 无氧时，2 NADH还原丙酮酸，生成2分子乳酸或乙醇，故净产生2分子ATP,ATP的生成： 糖酵解时，1 mol葡萄糖共生成4 mol ATP，净生成2 mol ATP,葡萄糖激酶及己糖激酶,G-6-P 可反馈抑制己糖激酶，乙酰CoA和脂肪酸对酶有抑制作用 胰岛素可诱导葡萄糖激酶的合成.,己糖

15、激酶与葡萄糖激酶催化葡萄糖磷酸化速率随葡萄糖浓度变化的曲线 己糖激酶的Km值远远小于葡萄糖激酶的,二、糖酵解的调节,6-磷酸果糖激酶-1（PFK-1）是最重要的调节酶,F-2,6-BP的生成,PFK-2是一种双功能酶，磷酸化后激酶活性下降，磷酸酶活性升高,丙酮酸激酶,变构调节：F-1,6-BP为变构激活剂 ATP为变构抑制剂 共价修饰调节：胰高血糖素通过cAMP和PKA使其磷酸化而抑制其活性,丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,1,6-二磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,低能状态,6-磷酸果糖,丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,1,6-二磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,低能状态,6-磷酸果糖,高ADP、AMP

16、,高ATP,糖酵解途径的调控 活化作用； 抑制作用,乳酸,糖酵解,一次脱氢,二次底物 水平磷酸化,已糖激酶,6-磷酸果糖 激酶-1,丙酮酸激酶,三个关键酶,糖酵解的意义,糖酵解是生物体内糖分解代谢的普遍途径 通过糖酵解使葡萄糖降解生成ATP，为生命活动提供部分能量，尤其对厌氧生物是获得能量的主要方式 糖酵解途径的许多中间产物可作为合成其他物质的原料（提供碳骨架），如磷酸二羟丙酮甘油 是糖有氧分解的准备阶段 非糖物质转变为糖的异生途径基本为之逆过程,丙酮酸的去路乳酸发酵,乙醇发酵,丙酮酸脱羧酶 + TPP,乙醇脱氢酶,其它单糖的酵解,增加以下各种代谢物的浓度对糖酵解有什么影响？ (a) 葡萄糖-

17、6-磷酸； (b) 果糖-1,6-二磷酸； (c) 柠檬酸； (d) 果糖-2,6-二磷酸 若骨骼肌缺乏乳酸脱氢酶，能否进行激烈的体力活动？ 如果把32Pi加入到正在进行糖酵解的无细胞肝脏制剂中，这种标记会掺入到糖酵解的中间物或产物中吗？,3 糖的有氧分解,Aerobic Oxidation of Glucose,单糖的分解代谢,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乙醇,乙酰 CoA,6-磷酸葡萄糖,磷酸戊糖途径,糖酵解,（有氧）,（无氧）,（有氧或无氧）,葡萄糖在有氧条件下，彻底氧化成水和CO2 ，并释放出能量的反应过程称为有氧氧化 糖氧化的主要方式 部位：胞液及线粒体,1937年由Crebs提出。又称柠

18、檬酸循环或Crebs循环 以乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸(含3个羧基)的反应为起始，对乙酰基团进行氧化脱羧再生成草酰乙酸的单向循环反应序列 在线粒体中进行,三羧酸循环,第三个碳以CO2形式失去,四碳二羧酸,第二个碳以CO2形式失去,三羧酸 循环？,五碳二羧酸,每个分子具有3个碳的丙酮酸库（基质中）,六碳三羧酸,三种羧酸！ 草酰乙酸循环！,第一个碳以CO2形式失去,重新加入到草酰乙酸库,一、有氧氧化的反应过程,分为三个阶段：,丙酮酸进入经脱氢、脱羧、酰化生成乙酰CoA 不可逆反应 在线粒体内进行。,（一） 丙酮酸的氧化脱羧,HSCoA,NAD+,丙酮酸脱氢酶复合体,三种酶 E1：丙酮酸脱羧酶

19、 (丙酮酸氧化脱羧) E2：硫辛酸乙酰转移酶 (将乙酰基转移到CoA) E3：二氢硫辛酸脱氢酶 (将还原型硫辛酸转变为氧化型),五种辅酶 TPP 硫辛酸 ( ) HSCoA FAD NAD+ Mg2+,（二） 三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle),由乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始，经反复脱氢、脱羧再生成草酰乙酸的循环反应过程，也称柠檬酸循环和Krebs循环 部位：线粒体基质,1. 三羧酸循环的反应过程,延胡索酸,三羧酸循环,(1) 柠檬酸合酶 (2)(3) 顺乌头酸酶 (4) 异柠檬酸脱氢酶 (5) -酮戊二酸脱氢 酶复合体 (6) 琥珀酰CoA合成酶 (7)

20、琥珀酸脱氢酶 (8) 延胡索酸酶 (9) 苹果酸脱氢酶,一次底物水平磷酸化,二次脱羧反应,三个不可逆反应,四次脱氢反应,在TAC中，1分子乙酰CoA经 2 次脱羧：生成 2 个CO2，体内CO2的主要来源 4 次脱氢：3次以NAD+、1次以FAD为受氢体 1 次底物水平磷酸化,乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+3H+FADH2+GTP+ HSCoA,总反应式,三羧酸循环的特点,反应部位：线粒体 乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程 有氧条件下进行，产生的还原当量经氧化磷酸化产生ATP，是

21、产生ATP的主要途径 不可逆 中间产物的回补：主要是丙酮酸羧化成草酰乙酸，其次为丙酮酸还原成苹果酸，再生成草酰乙酸,二、 有氧氧化生成的ATP,葡萄糖有氧氧化生成的ATP,2. 三羧酸循环的生理意义,三大营养物质的共同氧化途径, 三大物质代谢联系的枢纽,机体获取能量的主要途径 为其它物质代谢提供小分子前体 为氧化磷酸化反应生成ATP提供NADH+H+ 和FADH2,三 、有氧氧化的调节,酵解途径三个关键酶的调节 丙酮酸脱氢酶复合体 柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸脱氢酶复合体,1. 丙酮酸脱氢酶复合体,变构调节： 共价修饰调节： 磷酸化失活 胰岛素和Ca2+促进去磷酸化，使其活性增加。,

22、2. 柠檬酸合酶,变构激活剂：ADP 变构抑制剂：NADH、琥珀酰CoA、柠檬酸、ATP,3. 异柠檬酸脱氢酶,变构激活剂：ADP、Ca2+ 变构抑制剂：ATP,4. 酮戊二酸脱氢酶复合体,与丙酮酸脱氢酶复合体相似 总体说， 氧化磷酸化促进TAC ATP/ADP ，抑制TAC，氧化磷酸化 ATP/ADP ，促进TAC，氧化磷酸化 ,有氧氧化和无氧酵解的比较,有氧氧化的反应过程,第一阶段：酵解途径 第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧 第三阶段：三羧酸循环与氧化磷酸化,四、巴斯德效应,有氧氧化抑制糖酵解 关键在NADH,4 磷酸戊糖途径,pentose phosphate pathway,一、磷酸戊糖途径

23、的反应过程,在胞浆中进行 TPP是转酮醇酶的辅酶 总反应式： 3 G-6-P+6NADP+ 2F-6-P+3-磷酸甘油醛+6NADPH+6H+3CO2,催化第一步脱氢反应的6-磷酸葡萄糖脱氢酶是途径的关键酶 两次脱氢均由NADP+接受生成NADPH+ H+ 反应生成的磷酸核糖是一个非常重要的中间产物,二、 磷酸戊糖途径的调节,6-磷酸葡萄糖脱氢酶为限速酶 NADPH/NADP+ ，此途径抑制 NADPH/NADP+ ，此途径激活,三、磷酸戊糖途径的生理意义,为核酸的生物合成提供核糖 磷酸核糖用于DNA、RNA的合成 提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应 NADPH是体内许多合成代谢的供氢体

24、 NADPH参与体内羟化反应 NADPH用于维持谷胱甘肽的还原状态,第五节 糖原的合成与分解 Glycogen synthesis and catabolism,糖原 (glycogen) 是糖的贮存形式 糖原分子只有一个还原端。糖原的合成分解都是在非还原端上进行的,一、 糖原的合成代谢 (glycogenesis),UDPG是G的活化形式，是G活性供体 糖原合成中，每增加一个G单位消耗2个P 糖原合酶是关键酶,UDPG,糖原分支的形成,二、糖原的分解代谢,糖原分解(glycogenolysis)习惯上指肝糖原分解成G,磷酸化酶是糖原分解的关键酶 肌肉中无葡萄糖-6-磷酸酶 糖原的G单位酵解净

25、产生 3 个ATP,非还原端,-1,6-糖苷键,糖原磷酸化酶,Glucose,脱支酶的 转移酶活性,脱支酶的作用,脱支酶的 -1,6-糖苷酶活性,脱支酶含有葡聚糖转移酶和-1,6-葡萄糖苷酶两种活性 在磷酸化酶和脱支酶共同作用下，糖原分解的终产物是G-1-P和葡萄糖,三、糖原合成与分解的调节,（一）共价修饰： 胰高血糖素和肾上腺素通过促进糖原分解和抑制糖原合成升高血糖 （二）变构调节,第六节 糖 异 生 gluconeogenesis,概念：由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生 原料：乳酸、丙酮酸、柠檬酸循环中间体生糖氨基酸和甘油 部位：主要在肝脏，其次是肾脏,一、糖异生途径,从丙酮酸

26、生成G的具体反应过程称为糖异生途径 基本上是糖酵解的逆过程 糖酵解途径的三个关键酶催化的反应是放能的不可逆反应，又叫能障 需要另外的酶催化绕过这三个能障。,1. 丙酮酸羧化支路,草酰乙酸出线粒体的方式：草酰乙酸苹果酸；草酰乙酸Asp,PEP,草酰乙酸, 丙酮酸羧化酶-位于线粒体，丙酮酸需穿梭才能羧化成草酰乙酸，后者只有转变为苹果酸后才能再进入细胞质。,2. F-1, 6-BP F-6-P,3. G-6-P G,二、糖异生的调节,各种物质的糖异生,乳酸丙酮酸 Ala 丙酮酸 生糖氨基酸 TAC中的各种羧酸草酰乙酸 Ala, Cys, Gly, Ser, Thr, Trp 丙酮酸 Pro，His，Gln，Arg Glu -酮戊二酸 Ile，Met，Ser，Thr，Val 琥珀酰CoA Phe，Tyr 延胡索酸 Asn，Asp 草酰乙酸 甘油-磷酸甘油磷酸二羟丙酮,三、糖异生的生理意义,维持血糖浓度恒定 补充肝糖原 调节酸碱平衡,四、乳酸循环,肌肉在缺氧或剧烈运动时，肌糖原酵解产生乳酸，经血液循环运到肝脏，异生为葡萄糖，葡萄糖可再经血液返回肌肉利用，此循环称为乳酸循环，也叫Cori循环 意义：防止酸中毒；利于乳酸再利用 2分子乳酸异生成G共消耗6个ATP,乳酸循环,G-6-P,G-6-P在糖代谢中的作用,