糖类代谢为生物体提供重要的碳源和能源ppt.ppt

第八章糖代谢 糖类代谢为生物体提供重要的碳源和能源 糖类代谢的中间产物可为氨基酸 核苷酸 脂肪酸 类固醇的合成提供碳原子或碳骨架 糖类代谢与脂类 蛋白质等物质代谢相互联系 相互转化 不可分割 构成了代谢的统一整体 分解代谢 大分子糖单糖CO2 H2O ATP 糖代谢 合成代谢 CO2 H2O 光能葡萄糖淀粉 糖原或由非糖物质转化成糖 O2 一 多糖和低聚糖的酶促降解二 糖的分解代谢 一 糖的无氧降解及厌氧发酵 二 葡萄糖的有氧分解代谢 三 戊糖磷酸途径phosphopentosepathwayPPP三 糖的合成 糖异生 概述多糖和低聚糖 由于分子大 不能透过细胞膜 只有分解成小分子单糖后才能被生物体吸收利用 其水解均依靠酶的催化 淀粉水解淀粉糊精寡糖麦芽糖G 一 多糖和寡聚糖的酶促降解 淀粉的酶促水解 水解淀粉的淀粉酶有 与 淀粉酶 二者只能水解淀粉中的 1 4糖苷键 水解产物为麦芽糖 淀粉酶可以水解淀粉 或糖原 中任何部位的 1 4糖苷键 淀粉酶只能从非还原端开始水解 水解淀粉中的 1 6糖苷键的酶是 1 6糖苷键酶淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物 还原末端 非还原末端 1 4糖苷键 1 6糖苷键 糖原降解示意图 细胞内的磷酸解作用 磷酸化酶 寡聚1 41 4葡聚糖转移酶 脱支酶 续 纤维素的酶促水解 人的消化道中没有水解纤维素的酶微生物如细菌 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双糖的酶水解 麦芽糖酶纤维二糖酶蔗糖酶乳糖酶 血糖 血液中的葡萄糖称为血糖正常人空腹血糖浓度为70 110mg dL 100ml 二 糖的分解代谢 生物体内葡萄糖 糖原 的分解主要有三条途径 在无氧情况下 葡萄糖丙酮酸乳酸在有氧情况下 葡萄糖水和二氧化碳葡萄糖经戊糖磷酸途径氧化为水和二氧化碳 酵解 TCA 一 糖酵解途径 glycolysis EmbdenMeyerhofParnasEMP 1 EMP途径的生化历程 糖酵解过程 a b 1 2 3 4 1 第一阶段 葡萄糖1 6 二磷酸果糖 或葡萄糖激酶 2 第二阶段 1 6 二磷酸果糖 3 磷酸甘油醛 H 3 4 3 第三阶段 3 磷酸甘油醛 2 磷酸甘油酸 Pi 甘油醛磷酸脱氢酶 4 第四阶段 2 二磷酸甘油酸 丙酮酸 H2O OH 二 丙酮酸的无氧降解 酵解与厌氧发酵 1 乳酸发酵 同型乳酸发酵 动物 乳酸菌 乳杆菌 乳链球菌 G 2ADP 2Pi2乳酸 2ATP 2水 NAD 2 酒精发酵 酵母的第 型发酵 0 CO2 3 甘油发酵 酵母的第 型发酵 NAD 从葡萄糖到丙酮酸的中间产物 全部是磷酸化合物 这个现象不是偶然的 磷酸基在这些化合物中 不论是以酯的形式或以酸酐的形式 都是提供一负电荷基团 不能透过细胞膜 使酵解反应全部在胞液中进行 此外 磷酰基的提供 对贮存能量也起着重要的作用 糖酵解有二重作用 一是降解产生ATP二是产生含碳的中间物为合成反应提供原料 P224在酵解过程中有三个不可逆反应 也就是说有三个调控步骤 分别被三个酶多点调节 己糖激酶 磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶 己糖激酶可以控制葡萄糖的进入 丙酮酸激酶调节酵解的出口 糖酵解速度的调控 果糖磷酸激酶是最关键的限速酶当ATP浓度高时 该酶几乎无活性 当AMP浓度高时 该酶活性增强 H 可抑制果糖磷酸激酶活性 防止乳酸中毒己糖激酶 可代替葡萄糖激酶 也可激活果糖生成果糖 6 P 受G 6 P的别构抑制丙酮酸激酶也起重要的速度调节作用果糖 1 6 二磷酸是该酶的激活剂丙氨酸 ATP 乙酰CoA等是该酶的抑制剂 三 葡萄糖的有氧分解代谢 有氧氧化 大多数生物的主要代谢途径EMPpyrTCA可衍生许多其他物质 丙酮酸脱羧 三羧酸循环 三 糖的有氧氧化 aerobicoxidation 概念过程小结意义 一 糖有氧氧化的概念 体内组织细胞在有氧条件下 是从葡萄糖到丙酮酸经三羧酸循环 彻底氧化分解生成CO2和H2O 并将释放的能量转移到ATP中去的过程 糖的有氧氧化是指 葡萄糖的有氧分解代谢途径是一条完整的代谢途径 实际上是无氧分解代谢的继续 是获得能量的一种主要方式 糖有氧氧化概况 葡萄糖 丙酮酸 丙酮酸 乙酰CoA CO2 H2O ATP 三羧酸循环 线粒体内 胞浆 糖的有氧氧化与糖酵解 葡萄糖 丙酮酸 乳酸 糖酵解 葡萄糖 丙酮酸 二 糖有氧氧化的过程 第一阶段 丙酮酸的生成 胞浆 第二阶段 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 线粒体 第三阶段 乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化 线粒体 三个阶段 丙酮酸的生成 胞浆 2丙酮酸 进入线粒体进一步氧化 2 NADH H 2H2O 6 8ATP 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A 丙酮酸 CoA SH NAD 乙酰CoA CO2 NADH H 丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸脱氢酶系 3种酶 丙酮酸脱羧酶 TPP Mg2 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 6种辅助因子 TPP Mg2 硫辛酸 辅酶A FAD NAD 含B1 泛酸 B2 PP四种维生素 丙酮酸氧化脱羧反应 丙酮酸脱羧酶Mg2 硫辛酸乙酰转移酶 二氢硫辛酸脱氢酶 丙酮酸脱氢酶系催化的反应 丙酮酸脱羧酶Mg2 二氢硫辛酸脱氢酶 硫辛酸乙酰转移酶 乙酰辅酶A进入三羧酸循环 三羧酸循环 tricarboxylicacidcycle TAC 又称柠檬酸循环 citricacidcycle Krebs循环 Krebscycle 从乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成含3个羧基的柠檬酸开始 经过一系列代谢反应 乙酰基被彻底氧化 草酰乙酸得以再生的过程称为三羧酸循环 三羧酸循环 反应过程 反应特点 意义 乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸 TCA循环 柠檬酸合酶 关键酶 柠檬酸异构化生成异柠檬酸 TCA循环 柠檬酸 citrate 异柠檬酸 异柠檬酸氧化脱羧生成 酮戊二酸 TCA循环 异柠檬酸脱氢酶 异柠檬酸 NAD 酮戊二酸 CO2 NADH H 关键酶 酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A 酮戊二酸脱氢酶系 TCA循环 酮戊二酸 CoA SH NAD 琥珀酰CoA CO2 NADH H 关键酶 琥珀酰CoA转变为琥珀酸 琥珀酸硫激酶 TCA循环 琥珀酰CoA succinylCoA 琥珀酰CoA GDP Pi琥珀酸 GTP CoA SH 琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸 TCA循环 琥珀酸 succinate 琥珀酸脱氢酶 琥珀酸 FAD延胡索酸 FADH2 延胡索酸水化生成苹果酸 TCA循环 延胡索酸 fumarate 延胡索酸酶 延胡索酸 H2O苹果酸 苹果酸脱氢生成草酰乙酸 苹果酸脱氢酶 TCA循环 苹果酸 malate NAD NADH H 琥珀酰CoA 草酰乙酸 苹果酸 琥珀酸 酮戊二酸 异柠檬酸 柠檬酸 延胡索酸 乙酰辅酶A 丙酮酸 三羧酸循环总图 草酰乙酸 CH2CO SCoA 乙酰辅酶A 三羧酸循环总图 2H 2H H 三羧酸循环中草酰乙酸的来源 1 CO2 ATP 三羧酸循环中草酰乙酸的来源 2 丙酮酸 CO2苹果酸草酰乙酸 苹果酸酶 苹果酸脱氢酶 NADPH H NADPH H NADP NADP 三羧酸循环小结 TAC运转一周的净结果是氧化1分子乙酰CoA 草酰乙酸仅起载体作用 反应前后无改变 乙酰辅酶A 3NAD FAD Pi 2H2O GDP2CO2 3 NADH H FADH2 HSCoA GTP 14C标记乙酰CoA进行研究结果 第一周循环中并无14C出现CO2 即CO2的碳原子来自草酰乙酸而不是来自乙酰CoA 第二周循环时 才有14CO2出现 TAC中的一些反应在生理条件下是不可逆的 所以整个三羧酸循环是一个不可逆的系统 TAC的中间产物可转化为其他物质 故需不断补充 草酰乙酸 CH2CO SCoA 乙酰辅酶A 三羧酸循环总图 2H 2H H 三羧酸循环特点 一次底物水平磷酸化二次脱羧三个不可逆反应四次脱氢 一克分子乙酰CoA经三羧酸循环彻底氧化净生成12ATP 糖有氧氧化的生理意义 糖有氧氧化的基本生理功能是氧化供能 糖有氧氧化是体内三大营养物质代谢的总枢纽 糖有氧氧化途径与体内其他代谢途径有着密切的联系 糖有氧氧化过程中ATP的生成 第一阶段 葡萄糖 2丙酮酸 第二阶段 2丙酮酸 2乙酰CoA 第三阶段 2乙酰CoA 2CO2 4H2O 2ATP 糖的有氧氧化底物磷酸化氧化磷酸化 2 3ATP 2 11ATP 葡萄糖 6CO2 6H2O molATP 糖原中的1mol葡萄糖 6CO2 6H2O molATP 36 38ATP 37 39ATP 2 2 3ATP 2 ATP 三羧酸循环的限速酶及其调节 酶的名称柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶系 变构激活剂草酰乙酸 乙酰CoAADP 变构抑制剂ATPNADHATP NADH 琥珀酰CoA P 丙酮酸氧化和三羧酸循环的调节 琥珀酰CoA 草酰乙酸 苹果酸 琥珀酸 酮戊二酸 异柠檬酸 柠檬酸 延胡索酸 乙酰辅酶A 丙酮酸 三 乙醛酸循环 乙醛酸循环又称乙醛酸途径 g1yoxy1atepathway 乙醛酸循环 三羧酸循环的支路 是一个与三羧酸循环相联系的小循环 因为以乙醛酸为中间代谢物 故称乙醛酸循环 两种特异的酶 即异柠檬酸裂解酶与苹果酸合成酶 异柠檬酸在异柠檬酸裂解酶催化下 生成乙醛酸与琥珀酸 乙醛酸与乙酰辅酶A在苹果酸合成酶催化下合成苹果酸 乙醛酸循环 草酰乙酸 苹果酸 柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 乙酰CoA 乙酰辅酶A 乙醛酸循环与三羧酸循环的关系 琥珀酸 异柠檬酸 乙醛酸 苹果酸 草酰乙酸 柠檬酸 乙酰辅酶A 乙醛酸循环的生物学意义 许多微生物和植物中存在1 可以以二碳化合物 如乙酰辅酶A 合成三羧酸循环的回补化合物 四碳 六碳 2 在植物和微生物中 可以将脂肪酸氧化产物 乙酰CoA转化为糖类化合物例如 油料种子萌发时 目前已知 动物中不存在乙醛酸循环 所以动物中不能将脂肪转化为糖 PentosephosphatepathwayhexosemonophosphatepathwayHMP 概念过程小结调节生理意义 四 戊糖磷酸途径 戊糖磷酸途径的概念 从葡萄糖 6 磷酸开始 在葡萄糖 6 磷酸脱氢酶催化下形成6 磷酸葡萄糖酸 进而代谢生成3种戊糖 5 磷酸 再转变为果糖 6 磷酸及甘油醛 3 磷酸 这也是生成NADPH的主要途径 关键 1 生成 还原力 NADPH2 生成五碳糖 核糖 5 磷酸 戊糖磷酸途径的过程 第一阶段 氧化反应生成NADPH和CO2第二阶段 非氧化反应异构及基团转移 转二碳和三碳基团 生成甘油醛 3 磷酸和果糖 6 磷酸 1 葡萄糖 6 磷酸转变为6 磷酸葡萄糖酸内酯 葡萄糖 6 磷酸glucose6 phosphate 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶 限速酶 对NADP 有高度特异性 2 6 磷酸葡萄糖酸内酯转变为6 磷酸葡萄糖酸 6 磷酸葡萄糖酸内酯6 phosphoglucono lactone 6 磷酸葡萄糖酸6 phosphogluconate H2O 内酯酶 3 6 磷酸葡萄糖酸转变为核酮糖 5 磷酸 6 磷酸葡萄糖酸6 phosphogluconate 核酮糖 5 磷酸ribulose5 phosphate 4 三种五碳糖的相互转换 木酮糖 5 磷酸xylulose5 phosphate 差向异构酶 5 二分子五碳糖的基团转移反应 景天糖 7 磷酸sedoheptulose7 phosphate 转酮醇酶 TPP 6 七碳糖与三碳糖的基团转移反应 景天糖 7 磷酸sedoheptulose7 phosphate 甘油醛 3 磷酸glyceraldehyde3 phosphate 转醛醇酶 果糖 6 磷酸fructose6 phosphate 7 四碳糖与五碳糖的基团转移反应 果糖 6 磷酸fructose6 phosphate 转酮醇酶 TPP 戊糖磷酸途径小结 反应部位 细胞浆中反应底物 葡萄糖 6 磷酸重要反应产物 NADPH 核糖 5 磷酸限速酶 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶 G 6 PD 戊糖磷酸途径两个阶段的反应式 葡萄糖 6 磷酸 2NADP 核酮糖 5 磷酸 2 NADPH H CO2 3 核酮糖 5 磷酸2 果糖 6 磷酸 甘油醛 3 磷酸 戊糖磷酸途径 Go79 Gop81 戊糖磷酸途径示意图 转酮醇酶与转醛醇酶 转酮醇酶 transketolase 是催化含有一个酮基 一个醇基的2碳基团转移的酶 其接受体是醛 辅酶是TPP 转醛醇酶 transaldolase 是催化含有一个酮基 二个醇基的3碳基团转移的酶 其接受体是也是醛 但不需要TPP 戊糖磷酸途径的意义 1 产生NADPH 还原力 2 产生核糖 5 磷酸 核糖 5 磷酸 核糖 5 磷酸参与各种核苷酸辅酶及核苷酸的合成 1 NAD P 2 FAD 3 HSCoA 1 NTP 2 dNTP 3 cAMP cGMP NADPH的主要功能 1 作为供氢体 参与体内多种物质的生物合成反应 2 是谷胱甘肽还原酶的辅酶 对维持细胞中还原型谷胱甘肽的正常含量起重要作用 3 作为加单氧酶的辅酶 参与肝脏对激素 药物和毒物的生物转化 分解作用 4 清除细胞内的自由基 NADPH作为体内多种物质生物合成的供氢体 脂肪酸 胆固醇和类固醇激素的生物合成 均需要大量的NADPH NADPH H 完善的生物调节机制 体内的NADPH 核糖 5 磷酸的需求量是决定戊糖磷酸途径快慢 以及向哪个方向转移的关键因素 请看以下例子 当大量需要核糖 5 磷酸时 GoP72 2 当NADPH和核糖 5 磷酸同时缺乏时 核糖 5 磷酸 3 当只缺乏NADPH时 果糖 6 磷酸 果糖 1 6 二磷酸 二羟丙酮磷酸 甘油醛 3 磷酸 核糖 5 磷酸 Gop72 木酮糖5 磷酸 戊糖磷酸途径与疾病 神经疾病 neuropsychiatricdisorder 药物诱导的溶血性贫血 adrug inducedhemolyticamemia 戊糖磷酸途径与神经疾病 与VitB1缺乏有关 VitB1缺乏 烦躁 麻木 肌萎缩 心衰竭 蚕豆病 蚕豆病的症状是 吃蚕豆几小时或1 2天后 突然感到精神疲倦 头晕 恶心 畏寒发热 全身酸痛 萎靡不振 并伴有黄疸 肝脾肿大 呼吸困难 肾功能衰竭 甚至死亡 血像检查 红细胞明显减少 黄疸指数明显升高 机理 遗传性G6PD缺乏蚕豆中有3种物质 裂解素 锁未尔和多巴胺 前两种使谷胱甘肽氧化 后一种能激发红细胞的自身破坏 使红细胞大量溶解而发生蚕豆病 蚕豆病 俗称蚕豆黄 戊糖磷酸途径与溶血性贫血 一些具有氧化作用的外源性物质如蚕豆 抗疟药 磺胺药等 G6PD缺乏 三糖的合成代谢 自然界中糖的合成的基本来源是绿色植物及光能细菌进行光合作用 从无机CO2及H2O合成糖 异养生物不能从无机物合成糖 必须从食物中获得 异养生物从食物中获得蛋白质 脂类等有机物是否能转化为糖 一 蔗糖的合成 在高等植物中蔗糖的合成主要有两种途径蔗糖合成酶 利用尿苷二磷酸葡糖 UDPG 作为葡萄糖供体与果糖合成蔗糖 蔗糖磷酸合成酶 利用UDPG作为葡萄糖供体与果糖磷酸合成蔗糖 1 蔗糖合成酶葡糖 1 磷酸 UTPUDPG PPiPPi H2O 2Pi UDPG 果糖 蔗糖 UDP 蔗糖合成酶 焦磷酸化酶 2 蔗糖磷酸合成酶 也利用UDPG作为葡萄糖供体 但果糖部分不是游离果糖 而是果糖磷酸酯 合成产物是蔗糖磷酸酯 再经专一的磷酸酯酶作用脱去磷酸形成蔗糖 一般认为途径 2 是植物合成蔗糖的主要途径 UDPG 果糖 6 磷酸蔗糖磷酸 UDP 蔗糖磷酸合成酶 蔗糖磷酸蔗糖 H3PO4 磷酸酯酶 蔗糖合成的可能途径 葡萄糖葡糖 6 磷酸果糖 6 磷酸 二 淀粉的合成 1 1 4糖苷键的形成 高等植物淀粉合成的主要途径 有关的酶类主要是尿苷二磷酸葡糖 UDPG 转葡糖苷酶腺苷二磷酸葡糖 ADPG 转萄糖苷酶引物的分子可以是麦芽糖 麦芽三糖 麦芽四糖 甚至是一个淀粉分子 尿苷二磷酸葡糖 UDPG 转葡糖苷酶 腺苷二磷酸葡糖 ADPG 转萄糖苷酶 近年来认为高等植物合成淀粉的主要途径是通过ADPG转葡糖苷酶 nUDPGnUDP 1 4葡萄糖 n UDPG转葡糖苷酶 nADPGnADP 1 4葡萄糖 n ADPG转葡糖苷酶 2 支链淀粉的合成 在植物中有Q酶 能催化 1 4糖苷键转换为 1 6糖苷键 使直链的淀粉转化为支链的淀粉 三 糖原的合成 葡萄糖合成糖原的过程称糖原生成作用1 G 1 P在UDPG焦磷酸化酶催化下生成UDPG2 在糖原合成酶催化下 UDPG将葡萄糖残基加到糖原引物非还原端形成 1 4糖苷键3 由分支酶催化 将 1 4糖苷键转换为 1 6糖苷键 形成有分支的糖原 糖原合成示意图 UDPG焦磷酸化酶 UDPG UDP 糖原合成酶 R 引物 R 1 4萄糖链 糖原是葡萄糖的贮存形式 当人和动物体肝脏及肌肉组织细胞内能量充足时 进行糖原合成以贮存能量 当能量供应不足时 进行糖原分解以释放能量 糖原合成与分解的协调控制对维持血糖水平的恒定有重要意义 糖原合成与分解的调节 糖原分解与合成的关键酶是磷酸化酶及糖原合成酶 两酶的活性均受磷酸化或脱磷酸化的共价修饰调节 磷酸化的磷酸化酶有活性 而磷酸化的糖原合成酶则失去活性 脱磷酸化的糖原磷酸化酶失去活性 而糖原合成酶则增强活性 糖原合成与分解的速度受激素的调节 例如胰岛素可促进糖原的合成并降低血糖 肾上腺素 胰高血糖素 肾上腺皮质激素则促进糖原降解增加血糖浓度 级联放大机制 细胞膜 四 糖原的异生作用 糖原的异生作用 许多非糖物质如甘油 丙酮酸 乳酸以及某些氨基酸等能在肝脏中转变为糖原 称糖原异生作用 按酵解