第五章糖代谢.ppt

第五章糖代谢 一 糖的概念 糖即碳水化合物 其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物 糖主要可分为以下四大类 单糖寡糖多糖结合糖或复合糖 糖蛋白 一种或多种糖以共价键连接到肽链上的而形成的结合蛋白质 蛋白质含量较多 糖所占比例变动大 表现为蛋白质的特性 蛋白聚糖 旧称黏蛋白 是由核心蛋白与一条或多条糖胺聚糖以共价结合形成的一类糖蛋白 糖占比例大 约一半以上 具有多糖性质 分布于软骨 结缔组织 角膜基质 关节滑液 粘液 眼玻璃体等组织 糖脂 是一个或多个单糖残基通过糖苷键与脂类连接而成的化合物 它是生物膜的组成成分之一 组成生物膜的糖脂主要是甘油糖脂和鞘糖脂 糖脂的功能 1 维持细胞结构的刚性 2 抗原的化学标记血型抗原 3 细胞分化阶段可鉴定的化学标记 4 调节细胞的正常生长 5 作为受体 单糖 不能再水解的糖 葡萄糖 已醛糖 果糖 已酮糖 半乳糖 已醛糖 核糖 戊醛糖 寡糖 常见的几种二糖有 麦芽糖 葡萄糖 葡萄糖 蔗糖 葡萄糖 果糖 乳糖 葡萄糖 半乳糖 能水解生成几分子单糖的糖 各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连 多糖 能水解生成多个分子单糖的糖 常见的多糖有 淀粉 糖原 纤维素 淀粉 是植物中养分的储存形式 淀粉颗粒 糖原 是动物体内葡萄糖的储存形式 糖原的结构及其连接方式 纤维素 作为植物的骨架 1 4 糖苷键 二 糖的消化吸收 一 糖的消化 人类食物中的糖主要有植物淀粉 动物糖原以及麦芽糖 蔗糖 乳糖 葡萄糖等 其中以淀粉为主 消化部位 主要在小肠 少量在口腔 淀粉 麦芽糖 麦芽三糖 40 25 临界糊精 异麦芽糖 30 5 葡萄糖 唾液中的 淀粉酶 葡萄糖苷酶 临界糊精酶 消化过程 肠粘膜上皮细胞刷状缘 口腔 肠腔 胰液中的 淀粉酶 食物中含有的大量纤维素 因人体内无 糖苷酶而不能对其分解利用 但却具有刺激肠蠕动等作用 也是维持健康所必需 二 葡萄糖 G 在肠粘膜的吸收 Na Na Na Na G Na 泵 G G Na G 第二节糖的无氧分解 无氧分解的概念 无氧分解是指葡萄糖在无氧条件下分解生成丙酮酸并释放出能量的过程 反应部位 细胞质基质 糖酵解全过程共有11步化学反应 一 糖酵解的反应过程 HO OH HO H H H OH H OH ATP ADP Mg2 O 己糖激酶 葡萄糖 H OH O O H HO OH OH H H 6 磷酸葡萄糖 为磷酸基 P P 1 葡萄糖磷酸化 糖原磷酸化酶糖原G 1 PG 6 P Gn 不耗ATP H3PO4 己糖激酶 第一个关键酶 己糖激酶 葡萄糖激酶 部位 km 底物 抑制剂 作用 普遍存在 肝或胰细胞 0 1mmol 10mmol D 葡萄糖D 果糖D 甘露糖 D 葡萄糖 G 6 PADP EMP途径 糖原合成维持血糖水平 别构酶 不可逆反应 第一个关键反应 消耗1分子ATP 哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶 分别称为 至 型 肝细胞中存在的是 型 称为葡萄糖激酶 6 磷酸葡萄糖 磷酸己糖异构酶 6 磷酸果糖 2 G 6 P F 6 P 3 F 6 P FBP 果糖磷酸激酶 1 果糖 6 磷酸 果糖 1 6 二磷酸 4 磷酸丙糖的生成 CH2O C OHO C HH C OHH C OHCH2O P果糖 1 6 二磷酸 CH2 O PCOCH2OHH C OH C OHCH2O P 醛缩酶 丙糖磷酸异构酶 4 5 P 磷酸二羟丙酮 3 磷酸 甘油醛 5 磷酸丙糖的异构反应 6 3 磷酸甘油醛氧化为1 3 二磷酸甘油酸 1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油酸 7 1 3 二磷酸甘油酸转变成3 磷酸甘油酸 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 8 3 磷酸甘油酸转变为2 磷酸甘油酸 9 2 磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸 PEP 10 磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸 二 丙酮酸被还原为乳酸 丙酮酸 乳酸 反应中的NADH H 来自于上述第6步反应中的3 磷酸甘油醛脱氢反应 糖酵解的代谢途径 E2 E1 E3 二 糖酵解的反应特点1 底物 1分子葡萄糖或葡萄糖单位产物 2分子丙酮酸2 三步不可逆反应 关键酶 己糖激酶果糖磷酸激酶丙酮酸激酶3 耗能 2分子或1分子ATP产能 4分子ATP 净生成2或3分子ATP4 细胞定位 细胞液5 不需氧6 总反应 C6H12O6 2NAD 2ADP 2Pi 2C3H4O3 2NADH 2H 2ATP 2H2O 除葡萄糖外 其它己糖也可转变成磷酸己糖而进入酵解途径 三 糖酵解的调节 关键酶 调节方式 别构调节 共价修饰调节 激素调节 四 糖酵解的生理意义 1 在无氧条件下迅速提供能量 供机体需要 如 剧烈运动 人到高原 2 是某些细胞在不缺氧条件下的能量来源 3 是某些病理情况下机体获得能量的方式 4 是糖的有氧氧化的前过程 亦是糖异生作用大部分逆过程 6 若糖酵解过度 可因乳酸生成过多而导致乳酸酸中毒 5 糖酵解也是糖 脂肪和氨基酸代谢相联系的途径 肌肉收缩与糖酵解供能 肌肉内ATP含量很低 结论 糖酵解为肌肉收缩迅速提供能量 肌肉中磷酸肌酸储存的能量可供肌肉收缩所急需的化学能 即使氧不缺乏 葡萄糖进行有氧氧化的过程比糖酵解长得多 来不及满足需要 背景 剧烈运动时 肌肉局部血流不足 处于相对缺氧状态 初到高原与糖酵解供能 人初到高原 高原大气压低 易缺氧 机体加强糖酵解以适应高原缺氧环境 海拔5000米 背景 结论 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 某些病理状态与糖酵解供能 某些病理情况下机体主要通过糖酵解获得能量 第三节糖的有氧氧化 有氧氧化的概念 葡萄糖或糖原在有氧条件下彻底氧化分解生成CO2和H2O 并释放出大量能量的过程称为糖的有氧氧化 有氧氧化的细胞定位 在细胞质基质和线粒体 一 有氧氧化的反应过程 糖的有氧氧化代谢途径可分为 葡萄糖氧化为丙酮酸丙酮酸氧化脱羧三羧酸循环 1分子葡萄糖分解后净生成2分子丙酮酸 2分子ATP和2分子 NADH H 2分子 NADH H 在有氧条件下可进入线粒体产能 共可得到2 2或者2 3分子ATP 故第一阶段可净生成6或8分子ATP 一 葡萄糖或糖原氧化生成丙酮酸 二 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 丙酮酸进入线粒体 氧化脱羧为乙酰CoA 丙酮酸 辅酶A NAD 乙酰COA CO2 NADH H 丙酮酸脱氢酶 TPP 二氢硫辛酸乙酰基转移酶 硫辛酸 辅酶A 二氢硫辛酸脱氢酶 FAD NAD 3种酶 6种辅助因子 TPP 硫辛酸 辅酶A FAD NAD 含B1 泛酸 B2 PP 硫辛酸五种维生素 丙酮酸脱氢酶复合体的组成 三 三羧酸循环 三羧酸循环的概念 三羧酸循环 柠檬酸循环或Krebs循环 是指在线粒体中 乙酰CoA首先与草酰乙酸缩合生成柠檬酸 然后经过一系列的代谢反应 乙酰基被氧化分解 而草酰乙酸再生的循环反应过程 所有的反应均在线粒体中进行 反应部位 1 TAC的反应过程 1 柠檬酸合酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸 柠檬酸合酶柠檬酸合酶是调控酶 ATP NADH 琥珀酸 CoA 酯酰 CoA等抑制其活性 AMP为其激活剂 是TAC中的限速酶 2 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 3 异柠檬酸氧化脱羧生成 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 4 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 酮戊二酸脱氢酶复合体 三种酶 酮戊二酸脱氢酶 E1 二氢硫辛酰转琥珀酰酶 E2 二氢硫辛酰脱氢酶 E3 六因子 TPP硫辛酸CoAFADNADMg2 5 琥珀酰CoA转变为琥珀酸 在琥珀酰CoA合成酶催化下 琥珀酰CoA的高能硫酯键水解与GDP磷酸化偶联 生成琥珀酸 GTP和辅酶A 这是三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应 6 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 7 延胡索酸加水生成苹果酸 苹果酸酶催化此步反应 8 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 2 总结 三羧酸循环的特点 循环反应在线粒体中进行 为不可逆反应 每完成一次循环 氧化分解掉一分子乙酰基 可生成12分子ATP 三羧酸循环中有两次脱羧反应 生成两分子CO2 循环中有四次脱氢反应 生成三分子NADH H 和一分子FADH2 循环中有一次底物水平磷酸化 生成一分子GTP 三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶和 酮戊二酸脱氢酶系 3 三羧酸循环的生理意义 氧化供能 是糖 脂 蛋白质三大物质分解的最终代谢通路 是糖 脂 蛋白质三大物质互相转变的共同途径 二 有氧氧化的调节 关键酶 酵解途径 己糖激酶丙酮酸激酶6 磷酸果糖激酶 1 丙酮酸的氧化脱羧 丙酮酸脱氢酶复合体 三羧酸循环 柠檬酸合酶异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶复合体 有氧氧化的调节特点 有氧氧化的调节通过对其关键酶的调节实现 ATP ADP或ATP AMP比值全程调节 该比值升高 所有关键酶均被抑制 氧化磷酸化速率影响三羧酸循环 前者速率降低 则后者速率也减慢 三羧酸循环与酵解途径互相协调 三羧酸循环需要多少乙酰CoA 则酵解途径相应产生多少丙酮酸以生成乙酰CoA 四 糖有氧氧化的生理意义 1 是机体获能的主要方式 2 是糖 脂 蛋白质三大物质相互转变的联系体系 3 其第三阶段TAC是糖 脂 蛋白质三大物质彻底氧化的共同途径 巴斯德效应 概念 巴斯德效应 Pastuereffect 指有氧氧化抑制糖酵解的现象 五 有氧氧化和糖酵解的相互调节 第四节磷酸戊糖途径 概念 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 细胞定位 细胞质基质 第一阶段 氧化反应生成磷酸戊糖 NADPH H 及CO2 一 磷酸戊糖途径的反应过程 反应过程可分为二个阶段 第二阶段 非氧化反应包括一系列基团转移 6 磷酸葡萄糖酸 5 磷酸核酮糖 6 磷酸葡萄糖脱氢酶 6 磷酸葡萄糖酸脱氢酶 6 磷酸葡萄糖 6 磷酸葡萄糖酸内酯 1 磷酸戊糖生成 氧化阶段 5 磷酸核糖 磷酸戊糖异构酶 催化第一步脱氢反应的6 磷酸葡萄糖脱氢酶 G 6 PD 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 G 6 P 5 磷酸核糖 NADP NADPH H NADP NADPH H CO2 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 3 磷酸甘油醛和6 磷酸果糖 可进入酵解途径 因此 磷酸戊糖途径也称磷酸戊糖旁路 2 非氧化阶段 基团转移反应 磷酸戊糖途径的特点 脱氢反应以NADP 为受氢体 生成NADPH H 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 反应中生成了重要的中间代谢物 5 磷酸核糖 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 二 磷酸戊糖途径的生理意义 一 磷酸戊糖途径的重要产物是NADPH和5 磷酸核糖 1 NADPH是细胞中易于利用的还原能力 主要在还原性的生物合成中作为氢和电子的供体 可作为脂类合成的原料 2 可以使氧化型谷胱甘肽还原 维持某些巯基酶活性和红细胞的完整性 3 参与肝脏生物转化反应 4 参与体内中性粒细胞和巨噬细胞产生离子态氧的反应 具有杀菌作用 5 5 磷酸核糖是生物体合成核苷酸和核酸的重要成分 磷酸戊糖途径是机体内核糖产生的唯一途径 二 磷酸戊糖途径分为氧化分支和非氧化分支 其中非氧化分支使磷酸戊糖途径相互连接 机体可根据体内NADPH 5 磷酸核糖和ATP之间的需要 调节反应的进行 三 磷酸戊糖途径是体内各种形式的糖互相转化的中心环节 第六节糖异生 糖异生是指从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程 部位 原料 概念 主要在肝 肾细胞的胞浆及线粒体 主要有生糖氨基酸 有机酸 乳酸 丙酮酸 甘油 一 糖异生途径 过程 酵解途径中有3个由关键酶催化的不可逆反应 在糖异生时 须由另外的反应和酶代替 糖异生途径与酵解途径大多数反应是共有的 可逆的 糖异生途径指从丙酮酸生成葡萄糖的具体反应过程 三 糖异生的生理意义 1 在饥饿情况下维持血糖浓度的相对恒定 2 回收乳酸分子中的能量 葡萄糖在肌肉组织中经糖的无氧酵解产生的乳酸 可经血循环转运至肝脏 再经糖的异生作用生成自由葡萄糖后转运至肌肉组织加以利用 这一循环过程就称为乳酸循环 4 维持酸碱平衡 3 协助氨基酸代谢 第七节糖原的合成与分解 1 葡萄糖单元以 1 4 糖苷键形成长链 2 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 3 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 糖原的结构特点及其意义 目录 一 糖原的合成代谢 二 合成部位 一 定义 糖原的合成 glycogenesis 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 1 6 糖苷键 1 4 糖苷键 一 糖原的合成 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 细胞质基质 1 葡萄糖磷酸化生成6 磷酸葡糖 葡萄糖 6 磷酸葡糖 糖原合成途径 2 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 UDPG可看作 活性葡萄糖 在体内充作葡萄糖供体 3 1 磷酸葡糖转变成尿苷二磷酸葡糖 1 磷酸葡糖 尿苷二磷酸葡糖 uridinediphosphateglucose UDPG 糖原n为原有的细胞内的较小糖原分子 称为糖原引物 作为UDPG上葡糖基的接受体 4 1 4 糖苷键式结合 糖链的延长 5 糖原分枝的形成 目录 分支的形成不仅可增加糖原的水溶性 更重要的是可增加非还原端数目 以便磷酸化酶能迅速分解糖原 从葡萄糖合成糖原是耗能的过程 近来人们在糖原分子的核心发现了一种名为蛋白 酪氨酸 葡糖基转移酶的蛋白质 可对其自身进行共价修饰 将UDP 葡糖分子的C1结合到其酶分子的酪氨酸残基上 从而使它糖基化 这个结合上去的葡萄糖分子即成为糖原合成时的引物 糖原合成过程中作为引物的第一个糖原分子从何而来 二 糖原合成的特点 必须以原有糖原分子作为引物 合成反应在糖原的非还原端进行