生物化学 第八章 糖代谢 II.ppt

第二节 糖的分解代谢,葡萄糖(或糖原) 分解：3条途径 (1) 无氧情况：糖酵解(glycolysis) 葡萄糖(糖原) 乳酸 (2) 有氧情况：有氧氧化(aerobic oxidation) 葡萄糖CO2+H2O+能量 (3) 磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway) 葡萄糖 磷酸核糖+NADPH+CO2,概念 过程 意义,一、 糖的无氧分解（糖酵解）,(关键步骤,关键酶),葡萄糖,无氧或缺氧,2 乳酸 + 2 ATP,一、概念,6C,3C,二、过程,1. 糖酵解途径 （glycolytic pathway），EMP 途 径,葡萄糖 (glucose),丙酮酸 (pyruvate),2,细胞部位：胞浆,（1）葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖 (phosphorylation of glucose),glucose(G),己糖激酶(HK) hexokinase,ATP,ADP,关键酶,glucose-6-phosphate (G-6-P）,Mg2+,A T P (三磷酸腺苷),A D P (二磷酸腺苷),高能磷酸键,HO-,18,限速酶 / 关键酶 (rate-limiting enzyme / key enzyme),1.催化非可逆反应,特点,2.催化效率低,3.受激素或代谢物的调节,4.常是在整条途径中催化初始反应的酶,5.活性的改变可影响整个反应体系的速度,糖原分解成6-磷酸葡萄糖,H3PO4,磷酸化酶,1-磷酸葡萄糖 (glucose-1-phosphate),磷酸葡萄糖变位酶,6-磷酸葡萄糖 (glucose-6-phosphate),glucose-6phosphate (G-6-P）,fructose-6-phosphate (F-6-P）,（3） 6-磷酸果糖再磷酸化生成1,6-二磷酸果糖,(F-6-P）,磷酸果糖激酶-1 （PFK- 1 ）,ATP,ADP,Mg2+,关键酶,1,6-二磷酸果糖 (fructose-1,6-diphosphate, FDP),（4）磷酸丙糖的生成,fructose-1,6-diphosphate (FDP）,3-磷酸甘油醛 (glyceraldehyde 3-phosphate, Gly-3-P),醛缩酶,6C,3C,（5）磷酸丙糖的互换,磷酸二羟丙酮 (dihydroxyacetone phosphate, DHAP),3-磷酸甘油醛 (glyceraldehyde 3-phosphate, Gly-3-P),磷酸丙糖异构酶,（6）3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛 (glyceraldehyde 3-phosphate, Gly-3-P),NADH3PO4,NADH+H+,3-磷酸甘油醛脱氢酶,糖酵解 中唯一的 脱氢反应,NAD+：R为H； NADP+：R为PO32-,NAD+ 辅酶I,NADP+ 辅酶II,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸,（7）1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸 (3-phosphoglycerate,3-PG),ADP,ATP,3-磷酸甘油酸激酶,这是糖酵解 中第一次 底物水平 磷酸化反应,1,3-二磷酸甘油酸 (1,3-diphosphoglycerate) (1,3-DPG),底物水平磷酸化反应 Substrate level phosphorylation,底物分子内部能量重新分布形成高能磷酸键伴有ADP磷酸化生成ATP的作用称为底物水平磷酸化,（8）3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸 (3-phosphoglycerate),2-磷酸甘油酸 (2-phosphoglycerate, 2-PG),磷酸甘油酸变位酶,（9） 2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸 (2-phosphoglycerate, 2-PG),H2O,高能磷酸键,（10）磷酸烯醇式丙酮酸转变为烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶 PK,ADP,ATP,Mg2+或Mn2+,烯醇式丙酮酸 (enolpyruvate,EPV),糖酵解过程的第三个调节酶， 也是第二次底物水平磷酸化反应,关键酶,（11）烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸,烯醇式丙酮酸 (enolpyruvate, EPV),自发进行,丙酮酸 (pyruvate,PA),（12） 丙酮酸还原为乳酸,乳酸 (lactate,LA),乳酸脱氢酶,丙酮酸(pyruvate,PA),NADH+H+,NAD +,2. 丙酮酸 乳酸,G,G-6P,F-6P,FDP,DHAP,Gly-3P,1,3-DPG,3-PG,2-PG,PEP,PA,LA,HK,-ATP,PFK1,+ATP,-ATP,+ATP,2,2,NADH,NAD+,PK,底物水平 磷酸化,Gn,G-1P,PAS,11个酶催化的12步反应,四个阶段,第一阶段： 磷酸己糖的生成(活化)I,2,3 耗能,第二阶段： 磷酸丙糖的生成(裂解)4,5,第三阶段： 3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸并 释放能量(氧化、转能)6,7,8,9,10,11 产能,第四阶段： 丙酮酸还原为乳酸(还原)12,糖酵解小结：,关键步骤,关键酶,G,G-6-P,H K,F-6-P,FDP,PFK-1,PEP,PA,PK,糖酵解过程的关键酶及ATP,HK,-ATP,G G-6-P,F-6-P 1，6-FDP,PEP PA,底物水平磷酸化） 1,3-DPG3-PG (底物水平磷酸化）,PFK1,-ATP,PK,+ATP*2,+ATP*2,1 mol 葡萄糖 2 mol 乳酸 + ？mol ATP,2 mol ATP,糖原中的1mol葡萄糖2mol 乳酸 +？mol ATP,3 mol ATP,无氧或缺氧,细胞的胞浆,葡萄糖/糖原,乳酸、ATP,一次脱氢、二次底物磷酸化,葡萄糖2乳酸,G=-196kJ/mol,ATP ADP, H3PO4 G=-30.514kJ， 2 mol ATP相当于捕获61.028,酵解的放热量,G=-196-(61.028)=134.97kJ,葡萄糖酵解获能效率=61.028/(-196) 100%=31%,糖原酵解获能效率=？,49.7%,糖酵解调节,已糖激酶(HK),磷酸果糖激酶-1 (PFK1),丙酮酸激酶(PK),Mg2+, Mn2+,G-6-P,Mg2+, AMP, ADP, F-1,6-2P, F-2,6-2P,ATP，柠檬酸， 长链脂肪酸,Mg2+, K+, F-1,6-2P,ATP,糖酵解意义：,2.是某些细胞在不缺氧条件下的能量来源。,3.是糖的有氧氧化的前过程，亦是糖异生作用 大部分逆过程。,4.糖酵解也是糖、脂肪和氨基酸代谢相联系的途径,若糖酵解过度，可因乳酸生成过多而导致乳酸酸中毒,1.在无氧条件下迅速提供能量,供机体需要。,47,海拔 5000米,运动、高原缺氧,糖酵解为肌肉收缩迅速提供能量,机体加强糖酵解以适 应高原缺氧环境,44,某些组织细胞与糖酵解供能：,代谢极为活跃，即使不缺氧,也常由糖酵解提供部分能 量。,成熟红细胞：,视网膜、神经、白细胞、骨 髓、肿瘤细胞等:,无线粒体，无法通过氧化磷酸化获得能量，只能通过糖酵解获得能量。,44,二、糖的有氧氧化 (aerobic oxidation),概念 过程 意义 有氧氧化的调节,（一）糖有氧氧化的概念,糖的有氧氧化： 是指体内组织在有氧条件下，葡萄糖彻底氧化分解生成CO2和H2O的过程。,有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多 数组织细胞都通过有氧氧化获得能量。,糖的有氧氧化与糖酵解：,细胞,胞浆,线粒体,葡萄糖丙酮酸乳酸（糖酵解),丙酮酸,CO2+H2O+ATP (糖的有氧氧化）,葡萄糖丙酮酸,线粒体内,三羧酸循环,CO2+H2O+ATP,胞浆,乳酸,糖酵解,丙酮酸乙酰CoA,（二）糖有氧氧化的过程：,第一阶段：G PA（胞浆) 氧化脱羧 第二阶段：PA 乙酰CoA（线粒体） 第三阶段：乙酰CoA （线粒体）,TCA,CO2+H2O,G PA（胞浆）,2丙酮酸,进入线粒体进一步氧化,线粒体内,丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A,丙酮酸,乙酰CoA,丙酮酸 脱氢酶系,丙酮酸+辅酶A+NAD+ 乙酰COA+CO2+NADH+H+,关键酶,三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle ， TCA循环) 又称柠檬酸循环(citric acid cycle) 或 Krebs循环(Krebs cycle),乙酰辅酶A进入三羧酸循环,三羧酸循环,反应过程 反应特点, 乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸,TCA循环,柠檬酸 (citrate),HSCoA,柠檬酸合酶,关键酶, 柠檬酸异构化生成异柠檬酸:,TCA循环,顺乌头酸,异柠檬酸(isocitrate),柠檬酸 (citrate), 异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸,TCA循环,异柠檬酸,草酰琥珀酸,NADH+H+,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸+NAD+ -酮戊二酸 +CO2+NADH+H+,NAD+,关键酶, -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A,TCA循环,-酮戊二酸 + CoA-SH+ NAD+ 琥珀酰CoA + C O2 + NADH+H+,琥珀酰CoA (succinyl CoA),-酮戊二酸 (ketoglutarate),-酮戊二酸脱氢酶系,关键酶,-酮戊二酸脱氢酶系, 琥珀酰CoA转变为琥珀酸,TCA循环,琥珀酰CoA (succinyl CoA),琥珀酸 (succinate),HSCoA,ATP,ADP,琥珀酰CoA合成酶, 琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸,TCA循环,FAD,延胡索酸 (fumarate),FADH2,琥珀酸脱氢酶, 延胡索酸水合生成苹果酸,TCA循环,延胡索酸 (fumarate),延胡索酸酶,苹果酸 (malate),H2O, 苹果酸脱氢生成草酰乙酸,草酰乙酸 (oxaloacetate),苹果酸 (malate),NAD+,NADH+H+,苹果酸脱氢酶,TCA循环,三羧酸循环总图:,苹果酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,-酮戊二酸,异柠檬酸,柠檬酸,CH3COSoA (乙酰辅酶A),草酰乙酸,C2,C4,C6,C5,C4,柠檬酸合酶,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶系,三羧酸循环小结:,乙酰辅酶A,+ 3NAD+,+ FAD,+ Pi + 2 H2O + GDP,2 CO2,+ 3(NADH + H+ ) + FADH2 + HSCoA + GTP,TCA循环运转一周的净结果是氧化1分子乙酰CoA，草酰 乙酸仅起载体作用，反应前后无改变。,14C标记乙酰CoA进行研究结果，第一周循环中并无14C 出现CO2，即CO2的碳原子来自草酰乙酸而不是来自乙酰 CoA，第二周循环时，才有14 CO2 出现。,TCA循环中的一些反应在生理条件下是不可逆的，所以 整个三羧酸循环是一个不可逆的系统。,TCA循环的中间产物可转化为其它物质，故需不断补充。,一次底物水平磷酸化 二次脱羧 三个不可逆反应 四次脱氢 1 分子乙酰CoA经三羧酸循环彻 底氧化净生成12分子ATP。,三羧酸循环特点:,三羧酸循环的调节酶及其调节:,酶 的 名 称 柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸脱氢酶系,变构激活剂 ADP,变构抑制剂 ATP NADH ATP、NADH、 琥珀酰CoA,糖有氧氧化过程中ATP的生成:,第一阶段：葡萄糖2丙酮酸,第二阶段：2丙酮酸2乙酰CoA,第三阶段：2乙酰CoA2CO2+4H2O,2ATP,糖的有氧氧化 底物磷酸化 氧化磷酸化,23ATP,葡萄糖 6 CO2+ 6H2O + ？mol ATP,38/36ATP,23或22ATP,21ATP,211ATP,葡萄糖的有氧分解则可产生2867.48kJ/mol,有氧氧化能量利用率=(3830.514)/2867.48100% =42%,（三）糖有氧氧化的生理意义,糖有氧氧化的基本生理功能是氧化供能。,糖有氧氧化是体内三大营养物质代 谢的总枢纽。,糖有氧氧化途径与体内其它代谢途径有着 密切的联系。,P,丙酮酸氧化和 三羧酸循环 的调节,琥珀酰CoA,苹果酸,琥珀酸,-酮戊二酸,异柠檬酸,柠檬酸,延胡索酸,乙酰辅酶A,丙酮酸,糖有氧氧化的调节,四、磷酸戊糖途径 （pentose phosphate pathway）,过 程：第一步 生理意义,磷酸戊糖途径二个阶段的反应式：,66-磷酸葡萄糖 + 12 NADP+ 6 5-磷酸核糖 + 12( NADPH + H+ ) + 6CO2,65-磷酸核糖 56-磷酸果糖,66-磷酸葡萄糖 + 12 NADP+ 5 6-磷酸果糖 +12（NADPH + H+ ) + 6CO2,6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD),磷酸戊糖途径：,糖酵解途径,葡萄糖,磷酸戊糖途径特点 ：,胞浆,6-磷酸葡萄糖,NADPH、5-磷酸核糖,6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G-6-PD),（三）磷酸戊糖途径的意义,1、产生5-磷酸核糖,2、产生NADPH,5-磷酸核糖作用：,(3)cAMP/cGMP,NADPH的主要功能：,1、作为供氢体 -参与体内多种生物合成反应,2、是谷胱甘肽还原酶的辅酶 -对维持细胞中还原型谷胱甘肽的正常 含量起重要作用,3、作为加单氧酶的辅酶 -参与肝脏对激素、药物和毒物的生物 转化作用,4、清除自由基的作用,第三节 糖原的合成与分解,肝糖原： 含量可达肝重的5%(总量为90-100g),肌糖原： 含量为肌肉重量的12%(总量为200-400g),一、糖原的合成作用,定义：,肝脏、肌肉组织等细胞的胞浆中,由单糖合成糖原的过程称为糖原的合成(glycogenesis),部位：,（1）葡萄糖磷酸化生成 6-磷酸葡萄糖,葡萄糖 (glucose),6-磷酸葡萄糖 (glucose-6-phosphate),葡萄糖激酶,（2）6-磷酸葡萄糖转变为1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖 (glucose-6-phosphate),1-磷酸葡萄糖 (glucose-1-phosphate),（3）尿苷二磷酸葡萄糖的生成,1-磷酸葡萄糖 (glucose-1-phosphate),UTP,尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG) (uridine diposphate glucose),PPi,UDPG焦磷酸化酶,糖原引物(Gn) (glycogen primer),糖原合酶,糖原(Gn+1) (glycogen),（4）UDPG中的葡萄糖连接到糖原引物上,关键酶,糖原的合成与分解,(5) 分支酶催化糖原不断形成新分支链,糖原合酶,分枝酶,糖原合成的限速酶,1218G,糖原合成概括:,消耗能量 需要引物 非还原端 糖基供体： UDPG,葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,糖原(含1,4和1,6糖苷键),UDPG,直链糖原(含1，4糖苷键),分支酶,糖原合酶,焦磷酸化酶,部位：,产物：,糖原分解：,指糖原分解为葡萄糖的过程。,肝脏,葡萄糖,二、糖原分解作用,(1)糖原磷酸解为1-磷酸葡萄糖,磷酸化酶,糖原分解的限速酶,Gn,H3PO4,1-磷酸葡萄糖 (glucose-1-phosphate),1-磷酸葡萄糖 (glucose-1-phosphate),磷酸葡萄糖变位酶,6-磷酸葡萄糖 (glucose-6-phosphate),(2)1-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸葡萄糖,葡萄糖 (glucose),6-磷酸葡萄糖 (glucose-6-phosphate),H3PO4,葡萄糖-6-磷酸酶 （肝）,肌肉中缺乏此酶,(3)6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖,糖原分解,1-磷酸葡萄糖,Pi,Gn,磷酸化酶,6-磷酸葡萄糖,磷酸葡萄糖变位酶,葡萄糖（血糖）,H2O,Pi,葡萄糖-6-磷酸酶,糖分解代谢,糖 原 Gn+1,肌肉,肝脏,糖原的合成与分解图,葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,糖 原 Gn+1,UDPG,糖原引物 Gn,6-磷酸葡萄糖,磷酸化酶,糖原合酶,三、糖 异 生,（gluconeogenesis）,概 念 过 程 意 义 调 节,一 糖异生作用的概念,定义：,部位：,原料：,由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖（原）异生作用。,生糖氨基酸、丙酮酸、乳酸、甘油及三羧酸循环中的有机酸,肝脏（主要）及肾脏（饥饿时）,二 糖异生作用的过程,基本上是糖酵解的逆过程 跨越三个能障 (energery barrier) 跨越一个膜障(membrane barrier),糖 酵 解 过 程：,葡萄糖,6-磷酸果糖,磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛,2 2-磷酸甘油酸,2丙酮酸,6-磷酸葡萄糖,1,6-二磷酸果糖,21,3-二磷酸甘油酸,2Pi,2 3-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇式丙酮酸,2烯醇式丙酮酸,2乳酸,三个不可逆过程,丙酮酸变成磷酸烯醇式丙酮酸,+ CO2 +ATP,+ ADP + Pi,丙酮酸羧化酶 生物素、Mg 2+,磷酸烯醇式丙酮酸 羧激酶,磷酸烯醇式丙酮酸,1,6-二磷酸果糖的水解：,6-磷酸果糖,ATP,糖的分解代谢,磷酸果糖激酶-1,H3PO4 H2O,糖的异生作用,果糖二磷酸酶-1,底物循环,1,6-二磷酸果糖,A D P,6-磷酸葡萄糖的水解：,葡萄糖,糖的分解代谢,己糖激酶 (肝),H3PO4,糖的异生作用,葡萄糖-6-磷酸酶,肝,底物循环,6-磷酸葡萄糖,H2 O,ATP,ADP,2 丙酮酸,2 乳酸,2 草酰乙酸,2 丙酮酸,2 磷酸烯醇式丙酮酸,1，6-二磷酸果糖,6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,2 草酰乙酸,2 苹果酸,2 苹果酸,乳酸、丙酮酸的糖异生作用,甘油的糖异生作用：,甘 油,磷酸甘油,ATP,ADP,甘油激酶,葡萄糖,乳酸,三、糖异生作用的意义,在饥饿情况下保证血糖浓度的相对恒定 补充糖原贮备 有利于乳酸的利用,糖异生与血糖浓度：,人体储存的可供全身利用的糖仅150g左右 （不到12小时全部耗尽）,正常情况下 血糖浓度： 4.56.7mmo/L,禁食数周时 血糖浓度： 3.9mmo/L,在饥饿情况下糖异生对保证血糖浓度的相对恒定具有重要的意义,糖异生与糖原贮备：,糖异生是肝补充或恢复糖原储备的重要途径。,动物从饥饿后摄食数小时后，糖的分解代谢应加速而糖异生途径应被抑制，但此时肝内仍保持较高的糖异生活性达23小时，以参与糖原的合成。只有在肝内有一定量的糖原后，摄入的葡萄糖才分解供能，或提供乙酰CoA。,肌肉中乳酸的利用：,乳酸,血糖,乳酸,肌肉,6-磷酸葡萄糖,丙酮酸,血乳酸,乳酸,乳酸循环(cori cycle)：,定义：,意义： 防止乳酸堆积引起酸中毒 避免乳酸的浪费（有利于乳酸的再利用） 促进肝糖原的不断更新,肌糖原,乳酸循环,糖异生作用的调节：,变构剂的调节,原料供应的影响,激素的调节,饥饿,剧烈运动,返回,6-磷酸果糖循环的变构调节：,ATP,AMP,2,6-二磷酸果糖,目前认为2,6-二磷酸果糖的水平是肝内糖异生与糖酵解转换的信号。,ATP/（ADP+AMP） 比值的变化可以有效地控制糖异生与糖酵解的 转换。,磷酸烯醇式丙酮酸循环的变构调节：,ATP,ADP,1,6-二磷酸果糖,胰高血糖素对糖异生的调节（1）,胰高血糖素,果糖二磷酸酶-1,胰高血糖素对糖异生的调节（2）,胰高血糖素,磷酸果糖激酶-1,糖异生作用与膜障,糖异生作用的酶,存在部位,胞浆,胞浆,果糖二磷酸酶-1,葡萄糖 - 6 - 磷酸酶,丙酮酸羧化酶,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶,线粒体,胞浆、线粒体,天冬氨酸,苹果酸,天冬氨酸,苹果酸,草酰乙酸,磷酸烯醇式 丙酮酸,丙酮酸,丙酮酸,磷酸烯醇式 丙酮酸,草酰乙酸,线粒体中 草酰乙酸的转运,糖异生,糖异生调节的小结：,ATP/(AMP+ADP)比值的变化对糖异生和糖酵解的影响：,(1)当体内ATP积聚量较多时，可抑制糖的分解,促 进糖的异生，以积累能源,(2)当耗能增加时，ATP不足，可促进糖的分解而 抑制糖的异生以产生更多的ATP，以供机体需要,促进糖异生作用的激素：,肾上腺素、胰高血糖素、糖皮质激素,抑制糖的异生作用的激素是：,胰岛素,葡萄糖,糖原,糖原合成,肝糖原分解,核糖 NADPH,磷酸戊糖途径,丙酮酸,CO2，H2O,ATP,乳酸,有氧,无氧,酵解途径,淀粉,消化与吸收,乳酸，甘油，氨基酸,糖异生,糖代谢概况,G,G-6P,F-6P,FDP,DHAP,Gly-3P,1,3-DP