生物化学 糖代谢PPT课件.ppt

糖代谢,.,糖代谢,包括糖的分解代谢与合成代谢分解代谢主要指大分子糖经酶促降解成单糖后，进一步降解，氧化成CO2和H2O，并释放能量的过程合成代谢指绿色植物和光合微生物利用日光为碳源，与水合成葡萄糖，并释放氧气的过程，,糖的生理功能（1）供给能量:55-60%（动物、植物）（2）机体的重要碳源（3）机体结构的重要组分（4）细胞间的信息传递（5）特殊生理功能的物质（6）保护与润滑：蛋白聚糖（粘膜与分泌物）,9.1多糖和低聚糖的酶促降解,糖类中多糖和低聚糖，由于分子大，不能透过细胞膜，所以在被生物体利用乏前必须水解成单糖，其水解均依靠酶的催化淀粉的酶促水解纤维素的酶促水解,9.1.1淀粉的酶促水解,-淀粉酶：水解淀粉分子内部任意部位的-1,4糖苷键（内切酶）-淀粉酶：从非还原端开始水解-1,4糖苷键，依次水解下一个-麦芽糖单位（外切酶）脱支酶：-1,6-糖苷键酶，水解支链淀粉（或糖原）中的1,6-糖苷键，如植物中的R酶，小肠粘膜的-糊精酶。,糖原葡萄糖单元以-1,4-糖苷键形成长链。约10个葡萄糖单元处形成分枝，分枝处葡萄糖以-1,6-糖苷键连接，分支增加，溶解度增加。每条链都终止于一个非还原端，非还原端增多，以利于其被酶分解。,淀粉或糖原的磷酸解,在脱支酶的肽链上，有2个起不同催化作用的活性部位，即同一个肽链上有2种酶存在，故人们往往将脱支酶笼统地看作是1种双功能酶。,非还原端,还原端,9.1.2纤维素的酶促水解,人的消化道中没有水解纤维素的酶很多微生物如细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶，它们能催化纤维素完全水解成葡萄糖。,血糖的来源和去路,葡萄糖代谢概况,9.2糖分解代谢,葡萄糖（糖原）的分解主要有三条途径（1）酵解（有氧或无氧）：葡萄糖（Glucose）丙酮酸（Pyr）（2）三羧酸循环（有氧）:GlucoseCO2+H2O（3）戊糖磷酸途径：Glucose核糖+NADPH+H乳酸发酵、乙醇发酵及乙醛酸循环,9.2.1糖酵解,葡萄糖经酶促作用降解成丙酮酸，并伴随生成ATP的过程称为糖酵解也称作Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称EMP途径此过程在细胞胞液中进行，是动物、植物和微生物细胞中葡萄糖分解的共同代谢途径。,酵解与发酵发酵作用（fermentation）是指葡萄糖或其他有机营养物通过厌氧呼吸降解获得能量，贮存ATP的过程。根据产物不同，有乳酸发酵、乙醇发酵之分。酵解与发酵均不需氧的参加，故统称为糖的无氧分解；只是二者的最终产物不同。酒精发酵是酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖取得生物能量的代谢方式，释放的化学能总共为234.3kJmol，净生成2molATP，能量利用率为28.6。其余的能量以热能形式散发到发酵罐中，使发酵罐温度升高，必要时需采取降温措施。,糖酵解过程从葡萄糖或糖原开始至生成丙酮酸,分别包括10或11步连续的酶促步骤,（1）己糖磷酸酯的生成从葡萄糖开始经过三步-消耗2个ATP，有2个不可逆反应,葡萄糖磷酸化,己糖激酶（肝为葡萄糖激酶）,（注：ATP的磷酸基团转移给接受体的反应都由激酶催化，并需Mg2+）,己糖激酶（肝为葡萄糖激酶）,葡糖为何要磷酸化？有极性，不易透过脂膜，易捕获对酶是信号消耗能量和合成ATP都是通过磷酸化。在肝细胞中还有一个葡萄糖激酶也可使葡萄糖磷酸化己糖激酶Km值是0.1mmol/L葡萄糖激酶Km值是10mmol/LKm值越小，酶对底物的亲和力越大葡萄糖浓度很高时，葡萄糖激酶才起作用。己糖激酶底物除葡萄糖外，还有D-甘露糖、D-果糖、氨基葡萄糖。己糖激酶是糖酵解过程中第一个调节酶，也是一个别构酶,葡萄糖-6-磷酸生成果糖-6-磷酸,可逆反应的方向是由底物与产物浓度含量水平来控制,葡萄糖磷酸异构酶,果糖-6-磷酸生成果糖-1,6-二磷酸,果糖磷酸激酶是EMP中最关键的限速酶,果糖磷酸激酶,如从糖原开始酵解,葡糖磷酸变位酶催化的变位机制,（2）丙糖磷酸的生成第四、五步果糖-1,6-二磷酸分裂为两个丙糖磷酸,果糖-1,6-二磷酸裂解为磷酸二羟丙酮和3-磷酸-甘油醛,醛缩酶,醛缩酶,磷酸二羟丙酮异构化为3-磷酸-甘油醛,磷酸二羟丙酮和3-磷酸-甘油醛都是磷酸三碳糖，只有3-磷酸-甘油醛能进入继续进入酵解途径1分子葡萄糖降解成2分子磷酸甘油醛,丙糖磷酸异构酶,（3）丙酮酸和ATP的生成磷酸化作用与甘油醛-3-磷酸氧化相耦联，生成2个NADH，4个ATP,甘油酸-1,3-二磷酸的生成（氧化作用）,甘油醛-3-磷酸脱氢酶：分子量140000，四个亚基，各紧密结合1分子NAD+。碘乙酸可强烈抑制此酶活性；砷酸盐可以与磷酸竞争与酶结合，生成不稳定的1-砷-3-磷酸甘油酸，破坏甘油酸-1,3-二磷酸的形成。,高能磷酸键,甘油醛-3-磷酸脱氢酶,甘油酸-3-磷酸和第一个ATP生成,这是酵解过程中第一次产生ATP的反应，将底物的高能磷酸键直接转移给ADP生成ATP，这种ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应称为底物水平磷酸化,甘油酸磷酸激酶,甘油酸-2-磷酸的生成,甘油酸磷酸变位酶,烯醇式丙酮酸磷酸的生成,烯醇化酶,高能磷酸键,丙酮酸和第二个ATP的生成,底物水平磷酸化,（4）丙酮酸的继续氧化进入三羧酸循环彻底氧化生成乙醇：葡萄糖+2Pi+2ADP2乙醇+2CO2+2ATP+H2O生成乳酸：葡萄糖+2Pi+2ADP2乳酸+2ATP+H2O,糖酵解产能效率,葡萄糖酵解产能196kJ/mol，糖原、淀粉酵解产能183kJ/mol，1molATP捕获30.514kJ。葡萄糖酵解产能效率230.51419631%糖原、淀粉酵解产能效率330.51418349.7%,糖酵解的调控有三种酶是限速酶，又是别构酶，同时是同工酶己糖激酶：活性的调控G-6-P是该酶的别构抑制剂（反馈抑制）果糖磷酸激酶：最关键的限速酶ADP、AMP、-D-果糖-2,6-二磷酸是别构激活剂；ATP、H+是别构抑制剂ATPAMP比值对该酶括性的调节对细胞有重要的生理意义H+可抑制果糖磷酸激酶活性，它可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒柠檬酸可增加ATP对酶的抑制作用-D-果糖-2,6-二磷酸可消除ATP对酶的抑制效应，使酶活化丙酮酸激酶：活性的调节果糖-1,6-二磷酸是该酶的激活剂（前馈激活）丙氨酸是该酶的别构抑制剂。酵解产物丙酮酸为丙氨酸的生成提供了碳骨架。丙氨酸抑制丙酮酸激酶的活性，可避免丙酮酸的过剩（反馈抑制）ATP、乙酰CoA等也可抑制该酶活性，减弱酵解作用（反馈抑制）,糖酵解的生物学意义提供能量，是在不需要氧供应的条件下，产生ATP的一种供能方式，其最主要的生理意义在于迅速提供能量（为厌氧微生物和缺氧下某些组织细胞正常活动提供能量，如机体缺氧、剧烈运动肌肉局部缺血等，能迅速获得能量）形成多种重要的中间产物，为其他生物合成（如氨基酸、脂类等）提供原料为葡萄糖的彻底氧化分解作准备,9.2.2糖的有氧分解,葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和CO2的反应过程称为有氧氧化（在细胞的线粒体中）对于动物植物和大多数微生物来说，细胞是有氧呼吸，所以葡萄糖降解成丙酮酸不会停留，而在有氧条件下继续氧化，进入三羧酸循环不仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的共同途径，此循环的中间体作为许多生物合成的前体，是两用代谢途径。,糖的有氧氧化反应分为3个阶段第一阶段：酵解途径第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧第三阶段：三羧酸循环和氧化磷酸化,（1）丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA丙酮酸+CoA+NAD+乙酰CoA+NADH+H+CO2此反应是在真核细胞的线粒体基质中进行的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+）CoA-SH、Mg2+,（2）三羧酸循环第一步是乙酰CoA与草酰乙酸缩合成6个碳原子的柠檬酸，然后柠檬酸经过一系列反应重新生成草酰乙酸，完成一轮循环。经过一轮循环，乙酰CoA的2个碳原子被氧化成CO2；在循环中有1次底物水平磷酸化，可生成1分子ATP；更为重要的是有4次脱氢反应，氢的接受体分别为NAD+或FAD，生成3分子NADH+H+和1分子FADH2。,乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸的合成乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸；反应由柠檬酸合酶（citratesynthase）催化。,柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸此反应是由顺乌头酸酶催化的异构化反应；由两步反应构成：（1）脱水反应；（2）水合反应。,异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸羧异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶作用下，氧化脱羧而转变成-酮戊二酸。,-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA在-酮戊二酸脱氢酶复合体催化下-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA；该脱氢酶复合体的组成及催化机理与丙酮酸脱氢酶复合体类似。,琥珀酰CoA生成琥珀酸三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。,琥珀酸脱氢生成延胡索酸此步反应由琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶是FAD，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶。,延胡索酸加水生成苹果酸苹果酸酶催化此步反应。,苹果酸脱氢生成草酰乙酸苹果酸脱氢酶催化此步反应，辅酶是NAD+。,糖有氧氧化产能效率葡萄糖有氧氧化产能2867.48kJ/mol，1molATP捕获30.514kJ。葡萄糖有氧氧化产效率3230.5142867.48kJ33.8%C6H12O6+6CO2+32H3PO46CO2+6H2O+32ATP,糖有氧氧化的调控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。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。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。,三羧酸循环小结CO2生成从乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成柠檬酸开始，经过两次脱羧（2CO2）四次脱氢3分子NADH和1分子FADH2一次底物水平磷酸化（1GTP），最后重新生成草酰乙酸，完成一次循环乙酰CoA和草酰乙酸缩合经循环以脱羧2CO2形式被代谢三羧酸循环的中间产物可参与合成其他物质，及不断更新。,9.2.3乙醛酸循环,植物和微生物兼具有这样的途径在异柠檬酸与苹果酸间搭了一条捷径（省了六步）以乙醛酸为中间代谢产物,9.2.3磷酸戊糖途径,是指由葡萄糖生成磷酸戊糖及NADPH+H+，前者再进一步转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反应过程。糖代谢的第二条重要途径，广泛存在于动植物细胞溶胶中,磷酸戊糖途径可分为2个阶段第一阶段：氧化反应生成磷酸戊糖、NADPH+H+及CO2第二阶段则：非氧化反应包括一系列基团转移磷酸戊糖途径的总反应式36-磷酸葡糖+6NADP+26-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛+6NADPH+H+3CO2,（1）氧化反应：包括三步反应，把一个6碳糖氧化脱羧，形成5碳糖，并把NADP+还原成NADPH。,葡糖-6-磷酸的脱氢反应葡糖-6-磷酸脱氢酶,催化第一步脱氢反应的6-磷酸葡糖脱氢酶是此代谢途径的关键酶。两次脱氢脱下的氢均由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。,（2）非氧化阶段：非氧化阶段，全部反应都是可逆反应，这保证了细胞能以极大的灵活性满足对糖代谢中间产物以及大量还原力的需求。每3分子6-磷酸葡萄糖同时参与反应，在一系列反应中，通过3C、4C、6C、7C等演变阶段，最终生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。反应的意义就在于通过一系列基团转移反应，将核糖转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛而进入酵解途径。因此磷酸戊糖途径也称磷酸戊糖旁路（pentosephosphateshunt）。,戊糖磷酸的相互转化,景天庚酮糖-7-磷酸的生成生成,转醛醇酶所催化的反应,四碳糖的转变,6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖,3-磷酸甘油醛6-磷酸葡萄糖,磷酸戊糖途径,磷酸戊糖途径调节（1）脱氢反应以NADP+为受氢体，生成NADPH+H+（2）反应过程中进行了一系列酮基和醛基转移反应，经过了3、4、5、6、7碳糖的演变过程（3）反应中生成了重要的中间代谢物5-磷酸核糖（4）一分子G-6-P经过反应，只能发生一次脱羧和二次脱氢反应，生成一分子CO2和2分子NADPH+H+。,磷酸戊糖途径的特点6-磷酸葡糖脱氢酶此酶为磷酸戊糖途径的关键酶，其活性的高低决定6-磷酸葡糖进入磷酸戊糖途径的流量。此酶活性主要受NADPH/NADP+比值的影响，比值升高则被抑制，降低则被激活。另外NADPH对该酶有强烈抑制作用。,磷酸戊糖途径的生理意义（1）磷酸戊糖途径为核苷酸的生成提供核糖（2）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；NADPH参与体内羟化反应；NADPH还用于维持谷胱甘肽的还原状态,还原型谷胱甘肽是体内重要的抗氧化剂，可以保护一些含-SH基的蛋白质或酶免受氧化剂，尤其是过氧化物的损害。在红细胞中还原型谷胱甘肽更具有重要作用。它可以保护红细胞膜蛋白的完整性。,9.2.4糖醛酸途径,糖醛酸途径由G-6-P或G-1-P开始，经UDP-葡萄糖醛酸脱掉UDP形成葡萄糖醛酸生理意义（1）葡萄糖醛酸参与重要的粘多糖，如硫酸软骨素、透明质酸的合成。（2）葡萄糖醛酸参与解毒（3）生成维生素C,9.3糖合成代谢,光合作用：以无机物CO2和H2O为原料合成糖糖原的合成、蔗糖的合成、淀粉的合成糖的异生：非糖物质合成糖的过程。分为两个阶段，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。,9.3.1糖原的合成,指由葡萄糖合成糖原的过程组织定位：主要在肝脏、肌肉细胞定位：胞浆,葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡糖,6-磷酸葡糖转变成1-磷酸葡糖,这步反应中磷酸基团转移的意义在于：由于延长形成-1,4-糖苷键，所以葡萄糖分子C1上的半缩醛羟基必须活化，才利于与原来的糖原分子末端葡萄糖的游离C4羟基缩合。半缩醛羟基与磷酸基之间形成的O-P键具有较高的能量。,1-磷酸葡糖转变成尿苷二磷酸葡糖,UDPG可看作“活性葡萄糖”，在体内充作葡萄糖供体,+,1-磷酸葡糖,尿苷二磷酸葡糖（uridinediphosphateglucose,UDPG）,-1,4-糖苷键式结合,糖原n为原有的细胞内的较小糖原分子，称为糖原引物（primer），作为UDPG上葡糖基的接受体。,糖原的合成与分解总图,9.3.2蔗糖的合成,在植物界分布很广，特别是在甘蔗、甜菜、菠萝的汁液中含量很高蔗糖不仅是重要的光合作用产物和高等植物的主要成分，而且是糖类在植物体中运输的主要形式在高等植物中的合成主要有两种途径,（1）蔗糖合成酶途径,（2）蔗糖磷酸合成酶途径,9.3.3淀粉的合成,光合作用所合成的糖，大部分转化为淀粉在高等植物中的合成主要分两种途径（1）淀粉磷酸化酶途径（2）淀粉合成酶途径直链淀粉的合成、支链淀粉的合成,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是主要的糖基供体葡萄糖单体加在的非还原端,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。,9.3.3糖的异生作用,由非糖物质（丙酮酸、甘油、乳酸、草酰乙酸等）转化成葡萄糖和糖原的过程部位：要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体分为两个阶段，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（丙酮酸PEP，F-1,