糖代谢郑集.ppt

10糖代谢,代谢过程是通过一系列酶促反应完成的。完成某一代谢过程的一组相互衔接的酶促反应称为代谢途径。,代谢网络,10.1糖的酶水解糖类中多糖和低聚糖，由于分子大，不能透过细胞膜，所以在被生物利用之前必须水解成单糖，其水解均依靠酶的催化。,淀粉（或糖原）的酶水解-淀粉酶：内切酶，随机水解链内-1，4糖苷键，产生-构型的还原末端-淀粉酶：外切酶，作用于非还原端，水解-1，4糖苷键，释放出麦芽糖。-，-淀粉酶不能水解-1，6糖苷键-1，6糖苷键酶水解淀粉中的-1，6糖苷键淀粉酶水解：淀粉糊精麦芽糖,二糖的酶水解有麦芽糖酶、纤维二糖酶、蔗糖酶、乳糖酶等。食物中的双糖类经肠道消化为葡萄糖，果糖，半乳糖等单糖。,糖的吸收D-葡萄糖、半乳糖和果糖可被小肠粘膜上皮细胞吸收不能消化的二糖、寡糖及多糖不能吸收，由肠细菌分解，以CO2、甲烷、酸及H2形式放出或参加代谢,10.2糖中间代谢概述,10.3糖的分解代谢10.3.1糖原的分解,糖酵解,酵解：酶将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随着生成ATP的过程。,共10步，前5步是准备阶段，葡萄糖分解为三碳糖，消耗2分子ATP；后5步是放能阶段，三碳糖生成丙酮酸，共产生4分子ATP。总过程需10种酶，都在细胞质中，多数需要Mg2+。酵解过程中所有的中间物都是磷酸化的，可防止从细胞膜漏出、保存能量，并有利于与酶结合。,10.3.2酵解途径1、葡萄糖磷酸化形成6-磷酸葡萄糖,反应是不可逆的，已糖激酶是一个限速酶。,凡是催化磷酰基键ATP转移到受体上的酶都称为激酶，是耗能的反应。葡萄糖磷酸化的意义：磷酸化后容易参加各反应。保糖机制,催化这个反应的酶有：（1）己糖激酶其Km=0.1mm0l/ml，以六碳糖为底物，其专一性不强，不仅可以用于葡萄糖，还可以作用于D-果糖和D-甘露糖。（2）萄糖激酶Km=10mm0l/ml存在于肝细胞中。它对D-葡萄糖有特异活性，不被G-6-P所抑制。葡萄糖激酶是一个诱导酶，是由胰岛素促使合成。,2、6-磷酸葡萄糖转化成6-磷酸果糖（F-6-P）是一个同分异构化反应，由磷酸葡萄糖异构酶所催化。,F-6-P磷酸化成1,6-二磷酸果糖（F-1,6-2P）F-6-P被磷酸果糖激酶所催化。,反应是不可逆的，酵解中的关键反应步骤。因此磷酸果糖激酶是重要的限速酶。,F-1,6-2P裂解成3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮（DHAP）在1，6-二磷酸果糖醛缩酶的催化下进行,磷酸三碳糖的同分异构化在磷酸丙糖同分异构酶的催化下进行：,说明：磷酸是弱竞争性抑制剂。,3-磷酸甘油醛氧化成1，3-二磷酸甘油酸在3-磷酸甘油醛脱氢酶催化下进行：,既是氧化反应又是磷酸化反应。砷酸的致死反应。,说明：碘乙酸可强烈抑制此酶的活性。,3-磷酸甘油酸磷酸将酰基转给ADP形成了磷酸甘油酸和ATP在磷酸甘油激酶催化下进行：,第一次产生ATP，也是底物水平的磷酸化反应。,3-磷酸甘油酸转变成2-磷酸甘油酸凡是在催化分子内化学功能基团的位置移动的酶都称为变位酶。Mg2+在催化反应中是必须的。在磷酸甘油酸变位酶催化下进行：,2-磷酸甘油酸脱水形成磷酸烯醇式丙酮酸在g2+或n2+存在下，经烯醇化酶催化下进行：,说明：F-能与Mg2+形成络合物并结合在酶上，因此可以抑制酶的活性。,.磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP形成ATP和丙酮酸经丙酮酸激酶催化，反应需K+，Mg2+或Mn2+参加。,底物水平的磷酸化反应。不可逆反应是调节步骤,葡萄糖酵解总反应式为：葡萄糖i+NAD+丙酮酸NADH+2H+,强调：10步反应有三个不可逆反应，是调节步骤。,在好氧有机体中，酵解生成的丙酮酸进入线粒体，经三羧酸循环被彻底氧化成CO2和H2O，酵解生成的NADH经呼吸链氧化而产生ATP和水，所以，酵解是氧化磷酸化和三羧酸循环的前奏。,酵解过程ATP的合成：无氧时：一分子的葡萄糖酵解净生成2分子ATP，一分子糖原净生成3n分子ATP。有氧时：在骨骼肌和脑组织中，NADH进入线粒体要经过甘油磷酸穿梭系统,一分子的葡萄糖酵解净生成6个ATP。肝脏和心肌等，通过苹果酸穿梭系统，一分子的葡萄糖酵解净生成8个ATP。,酵解途径,1、线粒体外NADH的氧化磷酸化,线粒体外的NADH可将其所带之H转交给某种能透过线粒体膜的化合物。进入线粒体内再氧化。能完成这种穿梭任务的化合物有甘油磷酸与苹果酸等。,甘油磷酸穿梭系统,NADH经该传递只产生2分子ATP,苹果酸穿梭,NADH经该传递只产生3分子ATP,1糖酵解途径是单糖分解代谢的一条最重要的基本途径,2糖酵解途径能提供能量使机体或组织有效地适应缺氧情况,3糖酵解途径是某些组织或细胞的主要获能方式,4糖酵解途径是葡萄糖完全氧化分解成二氧化碳和水的必要准备阶段,糖酵解的意义,10.3.3三羧酸循环大多数动、植物和微生物，在有氧的情况下将酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA。乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成CO2和H2O并产生能量的过程称三羧酸循环又称柠檬酸循环，简写为TCA循环，又称Krebs循环。,说明：柠檬酸循环中的酶分布在线粒体中。在真核生物中，丙酮酸首先要转运到线粒体内，然后才能进行转换成乙酰CoA的反应。嵌在内膜中的丙酮酸转运酶可以特异地将丙酮酸从膜间质转运到线粒体的基质中，进入基质的丙酮酸脱羧生成乙酰CoA，经柠檬酸循环进一步被氧化。,丙酮酸脱氢酶系及其调控丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA的反应是在真核细胞的线粒体基质中进行的，这是一个连接酵解和三羧酸循环的中心环节。丙酮酸氧化脱羧反应是由丙酮酸脱氢酶系催化的。,丙酮酸脱氢酶系是多酶体系，包括：三种酶：丙酮酸脱羧酶E1，二氢硫辛酸乙酰转移酶E2和二氢硫辛酸脱氢酶E3。6种辅助因子：焦磷酸硫胺素（TPP）、硫辛酸、FAD、NAD+、CoA和Mg2+。,1、脱羧形成羟乙基-TPP,丙酮酸脱羧酶E1,2与硫辛酸结合形成乙酰基,二氢硫辛酸乙酰转移酶E2,3形成乙酰CoA,二氢硫辛酸乙酰转移酶E2,4硫辛酸再生,FADH2再使NAD+还原,说明：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的。,二氢硫辛酸脱氢酶E3,1乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合形成柠檬酸,柠檬酸合成酶,三羧酸循环,柠檬酸合成酶是途径关键的限速酶（第一个调控酶），细胞在具有高能状态时即ATP/ADP,NADH/NAD+比值高时酶活性被抑制。在低能状态时被激活。氟乙酰CoA可与柠檬酸反应形成氟柠檬酸，因为它可抑制下一步反应的酶，因此称这反应为致死合成。,2柠檬酸异构化生成异柠檬酸,顺乌头酸酶,顺乌头酸酶,3异柠檬酸氧化脱羧生成-酮戊二酸,第一次氧化作用，由异柠檬酸脱氢酶所催化,异柠檬酸脱氢酶,异柠檬酸脱氢酶,线粒体内含有二种异柠檬酸脱氢酶。以NAD+及Mg2+辅酶,仅存在于线粒体中。以NADP+及Mn2+辅酶，存在于线粒体中，也存在于细胞质中。ADP是正效应物，当缺乏ADP时就失去活性。NAD+、Mg2+和ADP有协同作用。异柠檬酸脱氢酶是第二个调节酶。细胞在具有高能状态时，即ATP/ADP,NADH/NAD+比值高时酶活性被抑制。在低能状态时被激活。,4.-酮戊二酸氧化脱羧成为琥珀酰辅酶A,第二个氧化脱羧反应，-酮戊二酸脱氢酶系催化。,-酮戊二酸脱氢酶系,-酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相似。此反应不可逆，大量释放能量。-酮戊二酸脱氢酶是第三个调节酶。细胞在具有高能状态时即ATP/ADP,NADH/NAD+比值高时酶活性被抑制。在低能状态时被激活。,5琥珀酸CoA转化成琥珀酸，并产生GTP,三羧酸循环中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸的步骤,6琥珀酸脱氢生成延胡索酸,这是三羧酸循环中第三步氧化还原反应，氢的受体是酶的辅基FAD。,琥珀酸脱氢酶,琥珀酸脱氢酶是三羧酸循环中唯一渗入线粒体内膜的酶。形成的延胡索酸是反丁烯二酸而不是马来酸。丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。,7延胡索酸被水化生成苹果酸,由延胡索酸酶具有立体异构特异性,延胡索酸酶,8苹果酸脱氢生成草酰乙酸,这是三羧酸循环中第4次氧化还原反应，也是最后一步。,三羧酸循环是体内最主要的产生ATP的途径。,三羧酸循环所生成的ATP每分子葡萄糖经酵解，三羧酸循环及氧化磷酸化3个阶段共产生6或8+215=36或38个ATP分子。,三羧酸循环的生物学意义（P353）动物、植物及微生物，都普遍存在着三羧酸循环途径，因此它具有普遍的生物学意义。,三羧酸循环的重要性糖的有氧代谢是生物机体获得能量的主要途径三羧酸循环是有机物质完全氧化的共同途径三羧酸循环是分解代谢和合成代谢途径的枢纽.三羧酸循环产生的CO2，其中一部分排出体外，其余部分供机体生物合成需要,10.3.2.3丙酮酸的其他代谢途径,从葡萄糖酵解成乳酸的总反应式为：葡萄糖i乳酸,1、生成乳酸,说明：运动肌肉酸疼解释酸奶制作原理乳酸中毒解释,3、生成乙醇,葡萄糖进行乙醇发酵的总反应式为,说明：不会出现乙醇中毒（？）,4、醋酸和丁酸发酵5、丙酮-丁醇发酵,6、丙酮酸直接变苹果酸和草酰乙酸,10.3.2.4乙醛酸循环许多植物、微生物能够在乙酸或产生乙酰CoA的化合物中生长(为什么呢？）。途径：,返回,将乙醛酸循环作为三羧酸循环的支路.,乙醛酸循环的总反应：,有些微生物具有乙酰辅酶A合成酶，能利用乙酸作为唯一碳源。,从乙酸形成的乙醛酸循环总反应：,乙醛酸循环的生物学意义：l可以二碳物为起始物合成二羧酸与三羧酸。在植物和微生物内则发现脂肪转变为糖是通过乙醛酸循环途径进行的。,10.3.2.5磷酸戊糖途径（磷酸己糖支路）磷酸戊糖途径的生理意义在组织中添加酵解抑制剂如碘乙酸或氟化物等葡萄糖仍可以被消耗，证明葡萄糖还有其它代谢途径。,不可逆的，反应的产物NADPH是此酶的负调节物。,13.5.2磷酸戊糖途径的全过程涉及到二至七碳糖的相互转化以6个分子的葡萄糖参与反应。（1）在6-磷酸葡萄糖脱氢酶的催化下：,（）在6-磷酸葡萄糖酸-内酯酶的催化下：,（）在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶催化下：,不可逆的反应。其反应产物5-磷酸核酮糖及NADPH可以对此酶负调节物。CO2生成的特点:来源于6-磷酸葡萄糖的第一位碳原子。,（）上一步反应的6分子5-磷酸核酮糖中，有2分子在磷酸核糖异构酶的催化下异构化成5-磷酸核糖：,在其异构化过程中，形成一个烯二醇式中间产物：,这种互变方式也是其他醛糖-酮糖互变异构的方式。,（）另有4分子5-磷酸核酮糖在磷酸戊酮糖表异构酶的催化下异构化成为5-磷酸木酮糖：,（）在转酮酶的作用下，以上反应生成的2分子5-磷酸核糖与2分子5-磷酸木酮糖起反应，形成7-磷酸景天庚酮糖和3-磷酸甘油醛：,（）在转醛酶的催化下，7-磷酸景天庚酮糖和3-磷酸甘油醛进行反应，形成四碳化合物4-磷酸赤藓糖和6-磷酸果糖。,（）第5步反应中还剩下的2分子5-磷酸木酮糖在转酮酶的作用下，再与4-磷酸赤藓糖反应，生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。,（）以上反应的产物中有1分子3-磷酸甘油醛异构化为磷酸二羟基丙酮：,（）余下的1分子3-磷酸甘油醛与磷酸二羟基丙酮反应，生成1，6-二磷酸果糖：,（）在二磷酸果糖磷酸酯酶的催化下，1，6-二磷酸果糖脱去1个磷酸基，转变成为6-磷酸果糖：,（）至此，共有5分子6-磷酸果糖生成，在磷酸己糖异构酶催化下，转变成6-磷酸葡萄糖：,磷酸戊糖途径的总反应式为：,说明：是位于细胞质的代谢途径。合成5分子6-磷酸葡萄糖并非是开始反应时的分子骨架,磷酸己糖旁路,66C65C+6CO256C+6CO2,16C6CO2,13.5.3磷酸戊糖途径的生物学意义（1）NADPH的生成及其功能特点。是生物体内NADPH来源的主要途径在许多物质（如：脂肪酸，胆固醇，类固醇）的生成合成中作为H和电子供体。NADPH是生物体内一些酶的辅酶。,（2）在磷酸戊糖途径中，5-磷酸核糖是重要的中间产物。5-磷酸核糖是合成核苷酸、ATP、ADP、核酸的原料。,（3）4-磷酸赤藓糖是一个非常重要的中间产物。4-磷酸赤藓糖是合成苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的原料，因而磷酸戊糖途径与蛋白质代谢关系密切。（4）磷酸戊糖途径与糖酵解有着共同的中间产物(?)，因而两条途径是可以互相转变的、互相协调的。(5）供应生物体能量，每循环一次降解一分子6-磷酸葡萄糖，可产生12分子NADPH，通过呼吸链氧化产生36ATP.,10.3.2.6其他单糖进入酵解的途径1、D-果糖有二个途径：（1）通过己糖激酶催化变成6-磷酸果糖而进入酵解途径。（不是主要途径）,（2）肝中有果糖激酶吸收的果糖主要是在肝中代谢的。,2、D-半乳糖第一步：,（2）第二步：,UDP-半乳糖与UDP葡萄糖相互转化：,总反应：半乳糖+ATP1-磷酸葡萄糖+ADP+H+,（3）第三步：进入酵解途径,说明：半乳糖血症,3、D-甘露糖，由多糖水解产生（1）己糖激酶催化甘露糖磷酸化成6-磷酸甘露（M-6-P）。(2）磷酸甘露糖异构酶催化M-6-P生成F-6-P，从而进入酵解途径。,分布与数量（肝脏和肌肉）糖原的作用肝糖原大部分用于降解转化成葡萄糖以维持血糖水平(正常人为80120mg/100ml血)，而肌糖原的功能在于肌肉本身糖酵解时提供6-磷酸葡萄糖，通过氧化供应能量，不能转变成游离的葡萄糖。,10.4.2糖原的合成代谢（P371）,糖原合成不是降解途径逆转。糖原合成中糖基的供体是UDPG而不是G-1-P。1G-1-P在UDP葡萄糖焦磷酸酶催化下生成UDP葡萄糖。,UDP葡萄糖在糖原合成酶催化下合成新糖原。催化反应中必须有一个4个糖残基以上的引物存在。,合成具有1，6-糖苷键的有分枝的糖原，反应由分枝酶催化。,分枝酶从至少是11个残基的糖链非还原末端将7个葡萄糖残基转移到较内部的位置去，形成具1，6-糖苷键的新分枝链。,T,10.4.4蔗糖的生物合成,10.4.5乳糖的生物合成,10.4.6葡萄糖的生物合成（1）由糖异生作用合成葡萄糖糖异生作用：指由非糖物质，如甘油、乳酸和各种生糖氨基酸等经过系列反应转化生成葡萄糖或糖原的过程糖异生作用场所：主要为肝，部分在肾中进行。此外大脑、骨骼肌或心肌也进行极少量的糖异生作用,糖异生作用是由丙酮酸转化为葡萄糖的过程，但不是简单的糖酵解途径的逆转，因为糖酵解过程有3步反应是不可逆的：己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化的反应，需要另外的酶来催化才能完成，而且为了克服不可逆反应中的能量障碍，需要ATP供给能量。,糖异生的途径1丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸由于动物体中的丙酮酸羧化酶存在线粒体中，因此存在胞液中的丙酮酸经运载系统进入线粒体中再羧化为草酰乙酸。,（1）丙酮酸生成草酰乙酸丙酮酸羧化酶的羧化作用需要ATP和二价离子，如Mg2+,Mn2+等参加。此酶需要生物素为辅酶。,丙酮酸羧化酶联系着三羧酸循环和糖的异生作用。,（2）草酰乙酸转变成苹果酸才能穿过线粒体转移至细胞质中，NADH是氢的供体。,苹果酸通过线粒体膜的二羧酸转运系统与其他二羧酸或磷酸盐交换而离开线粒体。,（3）细胞质中的苹果酸又被细胞质中的苹果酸脱氢酶再氧化形成草酰乙酸。NAD+是受氢体。,（4）磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶催化草酰乙酸形成磷酸烯醇式丙酮酸，反应需GTP供给磷酰基。,从丙酮酸生成磷酸烯醇式丙酮酸的总反应式是：,反应的G0=-0.84千焦耳/摩尔。,2磷酸烯醇式丙酮酸沿酵解途径逆向反应转变成1，6-二磷酸果糖31，6-二磷酸果糖转化成6-磷酸果糖经果糖二磷酸酶的催化使1，6-二磷酸果糖的磷酸酯水解。果糖二磷酸酶是变构酶：负效应物：AMP，2，6-二磷酸果糖；正效应物：ATP，柠檬酸，3-磷酸甘油酸；这是糖异生作用的关键反应。,46-磷酸果糖至葡萄糖,高浓度的G-6-P可抑制己糖激酶，活化葡糖-6-磷酸酶从而抑制酵解，促进了糖异生。,糖异生总的反应：,说明：从丙酮酸形成葡萄糖共消耗6个ATP的高能磷酸键。,返回,返回,糖异生的生理意义,在体内糖来源不足时，利用非糖物质转变成糖，以维持血糖浓度的相对恒定糖异生作用有利于乳酸的利用糖异生有利于体内氨基酸的分解和脂肪氧化分解供能,13.7.3糖异生途径的前体1凡是能生成的草酰乙酸物质都可以变成葡萄糖。说明：在动物体中乙酰CoA不能作为糖异生的前体，它不能转化成丙酮酸，因为丙酮酸脱氢酶反应是不可逆的。2大多数氨基酸是生糖氨基酸，它们可转变成丙酮酸，-酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环中间产物参加糖异生途径。,3肌肉剧烈运动后产生大量乳酸，可以迅速穿过质膜