复旦大学生化课件糖代谢1课件

糖 代 谢 (Carbohydrate Metabolism),糖的消化吸收 糖的分解代谢 血糖及其调节 糖元的合成与分解 糖元异生 糖代谢紊乱,“燃料”物质共同的代谢过程,第阶段，首先，有机物酶解为组成物质单体。小的燃料分子分解为几种常见的中间物，主要是丙酮酸和乙酰-CoA，可放出少量能量。 第阶段，一条共同代谢途径，即Krebs循环。中间物被完全氧化成CO2，生成的电子传递给NAD+等电子载体，释放少量能量，生成的中间物可用作生物合成的前体。 第阶段,电子传递和氧化磷酸化，电子传递给O2，生成H2O，释放的能量用于ATP生成。,分解代谢的几个阶段,糖的消化吸收,淀粉(starch)等糖类物质 口腔，-amylase，少量作用 胃，几乎不作用 小肠，胰-amylase，主要的消化场所 麦芽糖、糊精、食物中的蔗糖乳糖等 麦芽糖酶，糊精酶，蔗糖酶，乳糖酶等 葡萄糖、半乳糖、果糖等 肠粘膜细胞肠壁毛细血管门静脉血液 组织、细胞（代谢）,淀粉,-淀粉酶（唾液、胰）,麦芽糖,麦芽寡糖,-糊精,麦芽糖酶,-糊精酶,葡萄糖,糖的消化 (Digestion),amylase,吸收方式:主动转运 肠粘膜上皮细胞纹状缘上的转运体蛋白选择性的将葡萄糖、半乳糖从肠腔粘膜表面转入细胞内，然后再扩散入血液。转运蛋白的作用需要钠离子转运的存在-Na+依赖型葡萄糖转运体 (Na+-dependent glucose transporter，SGLT)，分布于小肠、肾小管上皮。,葡萄糖是哺乳动物细胞能量及碳架代谢的主要原料，是一种极性分子，只能以主动转运和易化扩散的方式通过细胞膜。其跨膜转运由钠依赖性葡萄糖转运体(sodium depedent glucose transporter , SGLTs) 和易化扩散的葡萄糖转运体(faciliated glucose transporter , GLUTs) 两大家族来完成。至今为止，SGLT 家族中已发现6种亚型，GLUT 家族中已发现12 种亚型。每种葡萄糖转运体都有特异的组织分布和生化特性。GLUTs 除转运葡萄糖外，还可转运去氢抗坏血酸、D-甘露醇、D-半乳糖和D-果糖等。,小肠肠腔,肠粘膜上皮细胞,门静脉,肝脏,体循环,各种组织细胞,GLUT,SGLT,D-葡萄糖的代谢 Glucose Metabolism,D-葡萄糖的代谢命运,D-Glc在代谢中占有中心地位,葡萄糖含有较高的能量，氧化生成H2O和CO2放出自由能2840 kj/mol；转变成淀粉或糖元贮存又可维持相对低的摩尔渗透压浓度，需要能量时又可分解成葡萄糖氧化供能。 葡萄糖不仅仅是一个能量分子，还是一个常见的前体分子，可为生物合成反应提供中间物，如大肠杆菌可利用葡萄糖和其碳架合成所有的氨基酸、核苷酸、辅酶、脂肪酸和生长所需的各种代谢中间物。葡萄糖有成千上万种转化，高等动植物中主要有三种：变成糖元或淀粉贮存、酵解为三碳化合物（丙酮酸）或通过HMP（戊糖磷酸途径）变为戊糖。,葡萄糖的主要代谢命运,糖酵解Glycolysis与发酵 Fermentation,无氧条件下糖的降解过程，糖经一系列的酶促反应变成丙酮酸，并生成ATP，是一切生物细胞中Glc分解产生能量的共同代谢途径，称为酵解途径Glycolytic pathway，或称为Embden-Meyerhof-Parnas (EMP) pathway。 厌氧生物（酵母及其他微生物）把酵解中生成的NADH+H+用于还原丙酮酸生成乙醛，进而产生乙醇，称为乙醇（酒精）发酵。 肌肉等组织或微生物在无氧或暂时缺氧条件下，酵解中生成的NADH+H+用于把丙酮酸乳酸，称为乳酸发酵。,糖 酵 解(Glycolysis),酵解（Glycolysis，希腊语glykys，意为sweet和lysis)。一分子葡萄糖通过一系列的酶促反应生成2分子丙酮酸，并生成ATP和NADH。 是第一个发现和研究得最清楚的生物化学代谢途径，1897年Hans 和 Edward Buchner兄弟俩通过发酵的酵母抽提物发现发酵可以在活细胞外进行，否定了Louis Paster统治了近40年的观点，打开了新陈代谢研究之门。1940年Gustar Embden和Otto Meyerhof发现肌肉中存在与酵母细胞一样的不需要氧的糖分解代谢过程酵解。最终在1941年由Fritz Lipmann和Herman Kalckar完成了对整个代谢途径的研究。,EMP Pathway,可以分为三个阶段： 1）Glc 磷酸化形成己糖磷酸酯反应1、2、3，消耗2ATP，产物为F-1,6-diP。 2）磷酸己糖裂解为两分子三碳糖（反应4），由醛缩酶(aldolase)催化，产物为3-P-甘油醛（G-3-P）和磷酸二羟丙酮(DHAP)，断裂在己糖的C3-C4间。 3）三碳糖经一系列的反应（反应5-10）生成丙酮酸，其中反应6生成NADH+H+，并生成高能磷酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸）；反应7和10生成2ATP（底物水平磷酸化）。,分为两个阶段,六碳糖分解为2分子丙酮酸需经10步反应 前5步反应为第一阶段/准备阶段(preparatory phase)，1Glc转变为2三碳物：磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，消耗2ATP。 第二阶段是能量获得（代偿）阶段（payoff phase)，3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸，生成4ATP和2NADH+H+。 葡萄糖的碳架分解产生丙酮酸、磷酸化ADP产生ATP、产生的氢转变为NADH。,Preparatory Phase,Payoff Phase,？,（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+,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和方向,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),phosphofructokinase l,（4）磷酸丙糖的生成,fructose-1,6-diphosphate (FDP）,磷酸二羟丙酮,(dihydroxyacetone phosphate),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,1,3-二磷酸甘油酸 1,3-diphospho- -glycerae (1,3-DPG),P,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,底物氧化、分子内基团重排等所释放的能量偶联ATP的生成，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),磷酸烯醇式丙酮酸 (phosphoenolpyruvate,PEP),H2O,高能磷酸键,（10）磷酸烯醇式丙酮酸转变为烯醇式丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸 (phosphoenolpyruvate, PEP),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),酵解途径的十步反应,The Glycolytic Pathway,地点 收获 反应 (三步不可逆),EMP途径的说明 I,1）己糖激酶(hexokinase) 需要Mg2+或其他二价阳离子及ATP，反应不可逆，是酵解过程的第一个别构调节酶，肌肉中受产物G-6-P强烈别构抑制。肝脏中主要是以glucokinase存在，对Glc有特异活性，不受G-6-P的抑制。 2）果糖磷酸激酶phosphofructokinase, PFK，需要Mg2+及ATP，是酵解途径的关键反应committed step, key reaction, rate-limiting reaction酶，酵解进行的速度取决于该酶的活性，酶的调节也是别构调节，ATP对其有抑制效应，柠檬酸及脂肪酸的存在会加强ATP的抑制作用，AMP、ADP及Pi可消除抑制。,己糖激酶和磷酸果糖激酶催化的反应,EMP途径的说明 II,3）3-P-甘油醛dHE (phosphoglyceraldehyde dHE)，活性中心在酶的Cys-SH上，氧化型NAD+与酶紧密结合，受氢还原后与酶脱离，磷酸攻击硫酯键生成1，3-二磷酸甘油酸。只有NAD+不断取代NADH才能保持酶的催化活力，否则酵解就要停止。ICH2COOH与-SH反应，可强烈抑制酶的活性。,3-磷酸甘油醛氧化生成二磷酸甘油酸,3-P-甘油醛脱氢酶,碘乙酸是3-磷酸甘油醛 脱氢酶的抑制剂,碘乙酸与脱氢酶活性位点的-SH共价结合，使酶失活。,砷酸盐的解偶联作用,As,As,1-砷酸-3-磷酸甘油酸,3磷酸甘油醛脱氢酶,3-磷酸甘油酸+ 砷酸,砷酸盐的解偶联作用,在砷酸存在下,反应式: 3-磷酸甘油醛+NAD+H2O 3-磷酸甘油酸+NADH+ +H+,EMP途径的说明 ,4） 磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)，催化磷酸基团在C3和C2位可逆变位，Mg2+对反应为必需。反应分成两步，由磷酸甘油酸变位酶介导磷酸基团在2,3-二磷酸甘油酸、3-磷酸甘油酸及2-磷酸甘油酸之间发生转移。反应中变位酶的磷酸化需要有特异的ATP依赖的激酶。 虽然多数细胞中的2,3-二磷酸甘油酸很少（痕量水平），但在红细胞中确是一个主要的成分（-5 mM），调节血红蛋白对氧的亲和力。,磷酸甘油酸变位酶反应的机制,EMP途径的说明 ,5)烯醇（化）酶（enolase），催化2-磷酸甘油酸脱水生成PEP，产生酵解途径的第二个磷酸基团转移能，有Mg2+或Mn2+存在时，酶才有活性，F-能与Mg2+形成络合物并结合在酶分子上而抑制酶的活性。,EMP途径的说明 V,6）丙酮酸激酶（pyruvate kinase），别构调节酶，需要Mg2+、K+，催化的反应有ATP生成，是酵解途径的重要调节酶，长链脂肪酸、乙酰CoA、ATP、Ala等均抑制酶活；F-1,6-diP可活化此酶。 7）酵解10步反应有4步是需能反应（1、3、7、10四步反应） 8）整个酵解途径的反应中，1、3、10步反应为严格意义上的不可逆反应。,底物水平磷酸化,底物氧化、分子内基团重排等所释放的能量偶联ATP的生成，涉及可溶性的酶和代谢中间物，不涉及膜结合的酶、跨膜质子梯度和电子传递。,丙酮酸激酶催化PEP生成丙酮酸,底物水平磷酸化,EMP途径中间物浓度,EMP的能量消耗与生成,NADH+H+的命运,无氧条件下: 通过乙醇发酵受氢，解决重氧化 通过乳酸发酵受氢，解决重氧化 有氧条件下: 通过呼吸链递氢，最终生成H2O,并生成ATP。,丙酮酸的生成,丙酮酸的代谢命运,1）无氧条件下，丙酮酸转变为乳酸。 2）无氧条件下，丙酮酸转变为乙醛，进而生成乙醇。 3）有氧条件下，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA，进入三羧酸循环，氧化供能（乙酰-CoA在能量状态高的情况下可用于合成脂类物质）。 4) 丙酮酸作为其他物质合成的前体（如Ala等）。,酵解产生的丙酮酸的三个可能的分解代谢命运,合成前体,合成前体,乙醇生成(发酵),Pyruvate decarboxylase,Alcohol dehydrogenase,乳酸生成(发酵),甘油生成(发酵),磷酸二羟丙酮 + NADH + H+ 3-P-甘油 + NAD+ 甘油 利用酵母制造甘油（解决乙醛受氢问题） 1） 培养基中添加NaHSO3 NaHSO3+CH3CHOCH3CH(OH)OSO2Na 2） 将发酵液调至碱性，乙醛在碱性条件下发生歧化反应。 2CH3CHO+NaOHCH3COONa+CH3CH2OH,Glycerol 3-phosphate,Glycerol,EMP 调节,在代谢途径中,催化基本上不可逆反应的酶所处的部位是控制代谢反应的有力部位. 在EMP途径中是己糖激酶、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶。它们的活性受到别构调节、共价修饰调节，其酶量还受到转录调控。其中磷酸果糖激酶-1是哺乳动物EMP途径中最重要的调节酶。 控制调节的速度根据情况不同可在1%秒、几秒、或几小时内发生变化。,己糖激酶的调节,己糖激酶(hexokinase) 该酶是酵解过程的第一个别构调节酶，受产物G-6-P强烈别构抑制。肝脏中主要是以glucokinase存在，对Glc有特异活性，不受G-6-P的抑制,是诱导酶,受胰岛素调控. 己糖激酶对葡萄糖的Km是0.1mmol/L 葡萄糖激酶对葡萄糖的Km是10mmol/L 血液中的葡萄糖含量,平时约5mmol/L,进食后可升至10mmol/L.,磷酸果糖激酶-1的 变构调节作用（1）,抑制,激活,ATP对磷酸果糖激酶-1的 变构调节作用,肌肉中,对磷酸果糖激酶-1既是底物也是别构抑制剂高浓度的使酶对底物的亲和力下降, ADP、AMP可逆转ATP的抑制作用因此 的比值是决定该酶活性的因素之一,磷酸果糖激酶-1的活力,磷酸果糖激酶-1的 变构调节作用（2）,Pi,H2O,6-磷酸果糖 2,6-二磷酸果糖,ATP,ADP,PFK-2,果糖-2,6-二磷酸酶,丙酮酸激酶的调节作用,PEP,丙酮酸激酶受可逆磷酸化的共价调节,EMP 总结,可以分为三个阶段： 1）Glc 磷酸化形成己糖磷酸酯（反应1、2、3），消耗2ATP，产物为F-1,6-diP。 2）磷酸己糖裂解为两分子三碳糖（反应4），由醛缩酶(aldolase)催化，产物为3-P-甘油醛（G-3-P）和磷酸二羟丙酮(DHAP)，断裂在己糖的C3-C4间。 3）三碳糖经一系列的反应（反应5-10）生成丙酮酸，其中反应6生成NADH+H+，并生成高能磷酸化合物（1,3-二磷酸甘油酸）；反应7和10生成2ATP（底物水平磷酸化）。,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,糖原,6-磷酸果糖,1,6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,1,3-二磷酸甘油酸2,磷酸烯醇式丙酮酸2,烯醇式丙酮酸2,丙酮酸2,乳酸2,(胞液),己糖激酶,磷酸果糖激酶,3-磷酸甘油酸2,2-磷酸甘油酸2,2ADP,2ATP,丙酮酸激酶,NAD+,NADH+H+,NADH+H+,ADP,ATP,ADP,ATP,脱氢酶,2ATP,2ADP,糖酵解,NADH+H+,NAD+,EMP总结,1). 无氧条件下，Glc分解为乙醇或乳酸，为无氧分解。（1）酵母等，Glc2 ethanol+2CO2 （2）肌肉等，Glc2 lactate 2). 虽无O2参与，但有脱氢反应，H的受体为NAD+，胞质中NAD+少，须解决NADH的重新氧化。 3). 两种发酵均净生成2分子ATP，为底物水平磷酸化。 4). 需要辅助因子，如 NAD+, Mg2+ 等。 5). 最重要的调节酶是6-PFK-1,EMP生理意义,1) 迅速提供能量，尤其对肌肉收缩。 2）机体缺氧或肌肉局部血流不畅时的供能。 3）为强制性酵解组织供能。红细胞因为没 有线粒体，能量几乎全部由糖酵解提供。 神经细胞、白细胞、骨髓等代谢极为活 跃，耗能多，即使不缺氧也常由EMP提 供部分能量。对于眼角膜，由于血液 循环差，可利用的氧有限，需要EMP提 供所需的能量。,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,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