[自然科学]7糖代谢.ppt

第一节 双糖与多糖的酶促降解 一、双糖的酶促降解 (一) 蔗糖 1. 蔗糖合成酶途径 在蔗糖合成酶催化下，蔗糖和核苷二磷酸（NDP: ADP、 GDP 、CDP、 UDP 、TDP)反应，生成果糖和核苷酸葡萄糖（NDPG),第六章 糖代谢,意义：因NDPG是合成淀粉、纤维素等多糖的活性供糖体，所以该途径的重要意义在于为多糖合成提供糖基。,2. 蔗糖酶途径：在蔗糖酶催化下，蔗糖水解为葡萄糖和果糖,旋光度发生了变化，产物总称为转化糖，蔗糖酶也叫转化酶,（二）麦芽糖 ：植物体内麦芽糖的主要来源是淀粉的水解，麦芽糖一经生成，就在-葡萄糖苷酶作用下水解为两分子葡萄糖。,（三）乳糖：在乳糖酶的催化下乳糖水解为葡萄糖和半乳糖,(一) 淀粉的酶促降解 有两种方式 ： 水解和 磷酸解 1. 水解 由淀粉酶催化，有-淀粉酶和 -淀粉酶，它们都水解 （14）苷键，但不能水解 （1 6 ）苷键，其作用机理为,二、淀粉、糖原的酶促降解,两种淀粉酶的比较,R酶 降解 （1 6 ）苷键，去除分支，也称为脱支酶 麦芽糖酶（ 葡萄糖苷酶 ） 水解产物中的麦芽糖 淀粉时在-淀粉酶、-淀粉酶、 R酶、麦芽糖酶共同作用下，水解为葡萄糖,2. 磷酸解：由淀粉磷酸化酶催化，该酶从非还原端开始，催化磷酸解 （14）苷键，其产物为G1P。但不能作用 （16）苷键，也不能跨过分支点，因此作用于支链淀粉时还产生带分支的很大的磷酸化酶极限糊精。 分支点由支链淀粉-6-葡聚糖水解酶去除。,（二）糖原的酶促降解：磷酸解（糖原磷酸化酶、转移酶、脱支酶）,三、细胞壁多糖的降解 1. 纤维素,2. 果胶,3. 半纤维素,第二节 糖酵解（EMP途径）,一、概念：葡萄糖转变为丙酮酸的过程。产生少量能量，发生于细胞质。糖酵解亦称EMP pathway，以纪念Embden，Mayerholf 和Parnas。 二、历程： 1. 准备阶段 (葡萄糖-3磷酸-甘油醛),己糖激酶是催化该步反应的主要酶类,2. 产能阶段 3磷酸甘油醛-丙酮酸,反应特点：两个阶段（六碳和三碳阶段）， 两步需能反应（己糖激酶、磷酸果糖激酶）， 一步脱氢（磷酸甘油醛脱氢酶）, 两步底物水平磷酸化（磷酸甘油酸激酶、丙酮酸激酶） 、 三个限速步骤 ( 己糖激酶 HK, 磷酸果糖激酶 PFK, 丙酮酸激酶PK),糖酵解中的反应类型：,1. 磷酸转移,G + ATP G-6-P + ADP,2. 磷酸移位,3-PG 2-PG,3. 异构化,DHAP G-3-P,4. 脱水,2-PG PEP,5. 醇醛断裂,F-1,6-2P DHAP + G-3-P,3. 生成乳酸,三、丙酮酸去路 1. 进入三羧酸循环彻底氧化 2. 生成乙醇,C6H12O6 + 2Pi + 2ADP 2CH3CHOHCOOH + 2ATP,总反应 葡萄糖开始：,糖原开始：,C6H12O6 + 3ADP + 3Pi 2CH3CHOHCOOH + 3ATP,四、糖酵解的化学计量及生物学意义,产生ATP数目5或7个,2. 生物学意义 （1）为代谢提供能量 （2）提供中间产物 （3）为彻底氧化准备原料,1. 化学计量 葡萄糖 + 2Pi + 2ADP + 2NAD+ 2丙酮酸 + 2ATP + 2NADH + 2H+ + H2O,1. 限速酶 2. 糖酵解途径的调节位点 （1）己糖激酶：ADP（）；ATP、Pi（+） （2）磷酸果糖激酶：是糖酵解中最主要的调节酶，调节方式有三种： 能荷调节：高ATP抑制活性，AMP可逆转这种抑制； 柠檬酸调节：可通过增加ATP的方式对该酶进行抑制 2，6-二磷酸果糖调节，是该酶有效的别构激活剂 （3）丙酮酸激酶：F-1,6-2P（+）; 长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP、丙氨酸,五、EMP pathway调控,G Pyr Acetyl-CoACO2 + H2O,Lac,（） 酵解,Cytosol,Mitochondria,（） 有氧分解,A. Szent-Gyorgyi 鸽胸肌,Krebs TCA,第三节 三羧酸循环(TCA途径-糖的有氧氧化）,概念 乙酰CoA 彻底氧化分解并释放能量的过程。发生于线粒体内,TCA的总反应式,CH3COSCoA + 2H2O + 3NAD+ + FAD + ADP + Pi,2CO2 + 3NADH + 3H+ + FADH2 + CoASH + ATP,C6H12O6 + 6H2O + 10NAD+ + 2FAD + 4ADP + 4Pi,6CO2 + 10NADH + 10H+ + 2FADH2 + 4ATP,G CO2 + H2O 产生ATP,38 个,（肌肉、神经组织中36个）,糖的有氧氧化的三个阶段：,糖酵解途径：葡萄糖 丙酮酸 丙酮酸由胞液进入线粒体，转变成乙酰辅酶A 三羧酸循环和氧化磷酸化,O2,O2,O2,H2O,H+e,CO2,乙酰 CoA,丙酮酸,丙酮酸,6-磷酸 葡萄糖,葡萄糖,葡萄糖,线 粒 体,胞 液,（第一阶段） （第二、三阶段）,三羧酸循环发现的大事记,1911-1920 T.Thunberg 等 肌肉组织可氧化柠檬酸、琥珀酸、 延胡索酸和苹果酸等。 1935 Albert, Szent 4C的二羧酸（琥珀酸、延胡索酸、 -Gyorgyi 苹果酸和草酰乙酸等)能促进肌氧耗 量;并确立琥珀酸经延胡索酸和苹果 酸转变成草酰乙酸。 Wagner-Janregy等 异柠檬酸是柠檬酸的氧化产物。 1936 Green等 猪心肌中获得苹果酸脱氢酶。 1937 Martius, F.Knoop等 证明柠檬酸经顺乌头酸异构化为异 柠檬酸，并进一步氧化成-酮戊二 酸。 1937 Hans Krebs,证明柠檬酸来自乙酰CoA和草酰乙酸的缩合。,一、丙酮酸氧化脱羧（发生于线粒体内） 丙酮酸脱氢酶复合体 E1：丙酮酸脱羧酶（TPP） E2：硫辛酸转乙酰酶（硫辛酸） E3：二氢硫辛酸脱氢酶（FAD、NAD+）,E3,E1,O,N,N,N,N,NH2,-H,H-,OH,H,H,O O -P-O-P-O-H2C - O - O,CH3 CO-CH-C-CH2O OH CH3,CH2-NH- CH2 CO NH CH2 CH2 S,乙酰辅酶A的结构,O - O-P-O- - O,C-CH3 O,高能硫酯键,大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体的组成,缩写 肽链数 辅基 催化反应 丙酮酸脱氢（羧）酶 E1 24 TPP 丙酮酸氧化脱羧 二氢硫辛酸乙 E2 24 硫辛酰胺 将乙酰基转移到CoA 酰转移酶 二氢硫辛酸脱氢酶 E3 12 FAD 将还原型硫辛酰胺 转变为氧化型,丙酮酸氧化脱羧的调控,由丙酮酸到乙酰CoA是一个重要步骤，处于代谢途径的分支点，所以此体系受到严密的调节控制： 1、产物抑制：乙酰CoA抑制乙酰转移酶E2组分，NADH抑制二氢硫辛酸脱氢酶E3组分。抑制效应被CoA和NAD+逆转。 2、核苷酸反馈调节：丙酮酸脱氢酶E1受GTP抑制，被AMP活化。 3、砷化物与E2中的辅基硫辛酰胺形成无催化能力的砷化物。 4、可逆磷酸化作用的调节：丙酮酸脱氢酶E1的磷酸化状态无活性，反之有活性。 5、Ca2+激活：Ca2+通过激活磷酸酶的作用，使丙酮酸脱氢酶活化。,二、三羧酸循环,概念： 丙酮酸氧化脱羧生成的乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成CO2和H2O并产生能量的过程，因为在循环的一系列反应中，关键的化合物是柠檬酸，所以称为柠檬酸循环，又因为它有三个羧基，所以又称为三羧酸循环（Tricarboxylic acid cycle），简称TCA循环。为了纪念德国科学家Hans Krebs在阐明柠檬酸循环所做出的突出贡献，这一循环又称为Krebs 循环。,C2,C6,C4,C4,C5,NADH+H+ CO2,NADH+H+ CO2,GTP,FADH2,NADH+H+,三羧酸循环的概况,1. 反应历程,单向不可逆,可调控的限速步骤 氟乙酰CoA形成氟柠檬酸，引起致死性合成反应，常作为杀虫药,TCA中第一次氧化作用、脱羧过程 异柠檬酸脱氢酶为第二个调节酶 三羧酸到二羧酸的转变,TCA中第二次氧化作用、脱羧过程 -酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体相似 -酮戊二酸脱氢酶E1 琥珀酰转移酶E2 二氢硫辛酸脱氢酶E3、TPP、硫辛酸、CoA、FAD、NAD+、Mg2+,TCA中唯一底物水平磷酸化, 直接产生高能磷酸化合物的步骤 GTP（哺乳动物）+ADP GDP+ATP(植物和微生物中),TCA中第三次氧化的步骤 丙二酸为该酶的竞争性抑制剂 开始四碳酸之间的转变,TCA中第四次氧化的步骤，最后一步。,总反应式:,1、乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸，使两个C原子进入循环。在以后的两步脱羧反应中，有两个C原子以CO2的形式离开循环，相当于乙酰CoA的2个C原子形成CO2。 2、在循环中有4对H原子通过4步氧化反应脱下，其中3对用以还原NAD+生成3个NADH+H+,1对用以还原FAD,生成1个FADH2。 3、由琥珀酰CoA形成琥珀酸时，偶联有底物水平磷酸化生成1个GTP或1ATP。 4、循环中消耗两分子水。 5、单向进行 6、整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。,2.反应特点（循环经四次氧化，二次脱羧 ）,柠檬酸结构,3. 三羧酸循环的回补反应,三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它的中间产物也是生物合成的前体，如,草酰乙酸的回补反应 （1）丙酮酸羧化(动物体内的主要回补反应),草酰乙酸或循环中任何一种中间产物不足,TCA循环速度降低,乙酰-CoA浓度增加,高水平的乙酰CoA激活,丙酮酸羧化酶,产生更多的草酰乙酸,在线粒体内进行,（2）磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）羧化,（在植物、酵母、细菌）,（3）苹果酸脱氢,（4）天冬氨酸转化,三、三羧酸循环反应中ATP的形成,1mol葡萄糖彻底氧化产生ATP的个数 葡萄糖丙酮酸阶段 净得 或者个ATP 丙酮酸二氧化碳水 净得 25ATP (2X12.5) 其中 G-1,6-二磷酸G -2 3磷酸甘油醛-丙酮酸 2X2.5 或(2X1.5)+2X2 + 9(7),1. 丙酮酸脱氢酶系调控： 反馈抑制：乙酰CoA（硫辛酸转乙酰基酶）、NADH（二氢硫辛酸脱氢酶）； 抑制效应可被CoA、NAD逆转。,四、糖有氧氧化的调控 受丙酮酸脱氢酶系、柠檬酸合成酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶等多种酶活性的调控。,能荷调节：GTP（-），AMP（+）,主要是丙酮酸脱羧酶 共价修饰调节：丙酮酸脱羧酶的丝氨酸可磷酸化失去活 性，脱磷酸后恢复活性。 2. 三羧酸循环的调节：柠檬酸合成酶：ATP 是别构抑制剂，可增大酶对乙酰CoA的米氏常数 异柠檬酸脱氢酶：ADP是别构激活剂，NADH 是抑制剂 酮戊二酸脱氢酶：调节方式与丙酮酸脱氢酶相似。,五、三羧酸循环的生理意义 大量供能，是生物利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。 糖、脂、蛋白质转化的枢纽 是三大有机物质（糖类、脂类、蛋白质）转化的枢纽。 物质彻底氧化的主要途径， 供出中间产物 提供多种化合物的碳骨架。,糖原,脂肪,蛋白质,葡萄糖,脂肪酸 甘油,氨基酸,乙酰CoA,TCA,营养物分解代谢的三个阶段,CoA,葡萄糖 + 2ADP + 2Pi 2乳酸（ 2乙醇+ 2CO2 ） + 2ATP,六、糖的无氧氧化与有氧氧化的比较 1. 糖的无氧氧化,能量利用率：葡萄糖彻底氧化-2870.22kJ/mol，利用60.1kJ/mol (30.52) 利用率2.1%,2. 糖的有氧氧化,葡萄糖 + 10NAD+ + 2ADP + 2GDP + 4Pi + 2FAD 6CO2 + 6H2O + 10NADH + 10H+ + 2ATP + 2GTP + 2FADH2,能量利用率：葡萄糖彻底氧化-2870.22kJ/mol，38个ATP 贮存1159.0 kJ/mol (30.538)。能量 利用率40.4 %,掌握糖有氧氧化的概念、反应的亚细胞部位、反应过程、ATP生成、生理意义；了解糖有氧氧化的调节。,. 糖的有氧氧化小结,第四节 磷酸戊糖途径（HMP途径）,磷酸葡萄糖氧化的支路，发生与细胞质 一、反应历程 1. 氧化阶段,2. 非氧化阶段,6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖,2 3-磷酸甘油醛6-磷酸葡萄糖,磷酸戊糖途径概括,二、 反应特点 G-6-P直接脱氢脱羧，NADP为氢受体，中间经过37碳糖的转化,三、化学计量与生物学意义 1. 化学计量： 6G-6-P+12NADP+7H2O 5G-6-P+6CO2+12NADPH +12H+Pi 生成12个NADPH，相当于36个ATP 2. 生物学意义： 供出还原力，供出中间产物特别是核糖5P，必要时供能 四、调控 6-磷酸葡萄糖脱氢酶是调节酶，其活性受NADP+/ NADPH的调节,磷酸葡萄糖氧化支路在肝脏中的代谢途径,第五节 糖类的合成,一、单糖的合成 （一） 光合作用 （二） 糖异生作用 概念：非糖物质（包括丙酮酸，甘油，成糖氨基酸等）合成糖的过程。 两个阶段，第一阶段为非糖物质转化为糖酵解的中间产物， 第二阶段为糖酵解的中间产物逆着EMP途径生成葡萄糖。 糖酵解的逆反应中有3个不可逆反应.,（1）丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸,1. 糖异生反应阶段,丙酮酸羧化酶是异生的调节酶, 也是线粒体酶.乙酰CoA可激活 其活性.,PEP,ADP,ATP,Pyr,丙酮酸羧化酶,CO2,ATP,ADP + Pi,OAA,GTP,GDP + CO2,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶,丙酮酸羧化支路,（2）F-1,6-2P生成F-6-P,（3）G-6-P生成葡萄糖,果糖二磷酸酶是异生的限速酶,糖异生过程,糖异生并非酵解的逆行,氨基酸糖异生,乳酸再利用,糖异生作用的生理意义 补充糖供应的不足,维持血糖水平的恒定,保障脑,红细胞等组织的正常功能 消除骨骼肌中乳酸的积累,并使其得到充分的利用,防止酸中毒.,糖异生的生理意义与糖酵解的协同调节-通过三个不可逆部位酶的调节实现,（三）乙醛酸循环,植物：乙醛酸循环,乙醛酸循环的意义,1. 核苷二磷酸单糖（核苷酸糖） 双糖及多糖合成的活化的糖基供体 （1）结构：常见有UDPG、CDPG、ADPG、GDPG，统称为NDPG。,（2）合成,二、蔗糖及多糖的生物合成,G,G-6-P,F-6-P,F,UDPG,蔗糖合成酶,蔗糖 + UDP （1）,Pi,UDPG,UDP,磷酸蔗糖,磷酸蔗糖合成酶,Pi,蔗糖 （2）,（1） 平衡常数 K1=8（pH7.4） （2） 平衡常数 K2=3250（pH7.5）或K2=53（pH5.5）,G-1-P + UTP UDPG + PPi,PPi + H2O 2Pi,、. 淀粉的生物合成 （1）淀粉磷酸化酶途径 n G-1-P + 引物 淀粉 + nPi （2）淀粉合成酶途径 直链淀粉的合成：葡萄糖基供体为ADPG、UDPG，但是酶对ADPG的亲和力要比对UDPG大得多，因此ADPG是主要的糖基供体。,G,ATP,ADP,G-6-P,G-1-P,(A)UTP,PPi,(A)UDPG焦磷酸化酶,n(A)UDPG,引物(G)m m2,(A)UDPG转糖苷酶,n(A)UDP,（-1,4-G）n+m,Q酶,（-1,6）,葡萄糖单体加在非还原端 支链淀粉的合成 支链淀粉是在直链淀粉基础上经分支反应而合成的。催化该过程的酶为Q酶，催化过程为：,接着淀粉合成酶催化这两个非还原端延长，到一定程度，Q酶再次作用，再次分支，然后再延长。延长反应与分支反应交替进行，最后合成了支链淀粉分子。,引物的合成 引物是在D 酶催化下合成的。,. 纤维