第七章 糖代谢.ppt

第六章糖代谢Chapter9Metabolismofcarbohydrate 第一节概述 introduction 一 糖的生理功能糖类是指多羟基醛或酮及其衍生物 糖类在生物体的生理功能主要有 氧化供能 糖类占人体全部供能量的70 作为结构成分 作为生物膜 神经组织等的组分 作为核酸类化合物的成分 构成核苷酸 DNA RNA等 转变为其他物质 转变为脂肪或氨基酸等化合物 二 生物体内的糖类 一 单糖单糖是最简单的糖 是不能水解为更小分子的糖 葡萄糖 果糖都是常见单糖 根据羰基在分子中的位置 单糖可分为醛糖和酮糖 根据碳原子数目 可分为丙糖 丁糖 戊糖 己糖和庚糖 单糖的种类虽多 但其结构和性质都有很多相似之处 葡萄糖的分子式为C6H12O6 具有一个醛基和5个羟基 葡萄糖分子中含有4个手性碳原子 根据规定 单糖的D L构型由碳链最下端手性碳的构型决定 人体中的糖绝大多数是D 糖 葡萄糖的醛基除了可以与C5上的羟基缩合形成六元环外 还可与C4上的羟基缩合形成五元环 五元环化合物不甚稳定 天然糖多以六元环的形式存在 五元环化合物可以看成是呋喃的衍生物 叫呋喃糖 六元环化合物可以看成是吡喃的衍生物 叫吡喃糖 因此 葡萄糖的全名应为 D 或 D 吡喃葡萄糖 和 糖互为端基异构体 也叫异头物 图8 1 葡萄糖和 葡萄糖 二 寡糖 寡糖由2 6个单糖分子构成 其中以双糖最普遍 寡糖和单糖都可溶于水 多数有甜味 寡糖中以双糖分布最普遍 意义也较大 双糖是由两个单糖分子缩合而成 双糖可以认为是一种糖苷 其中的配基是另外一个单糖分子 在自然界中 仅有三种双糖 蔗糖 乳糖和麦芽糖 以游离状态存在 其他多以结合状态存在 如纤维二糖 蔗糖是最重要的双糖 麦芽糖和纤维二糖是淀粉和纤维素的基本结构单位 三 多糖 多糖由多个单糖缩合而成 它是自然界中分子结构复杂且庞大的糖类物质 多糖按功能可分为两大类 一类是结构多糖 如构成植物细胞壁的纤维素 半纤维素 构成细菌细胞壁的肽聚糖等 另一类是贮藏多糖 如植物中的淀粉 动物体内的糖原等 还有一些多糖具有更复杂的生理功能 如粘多糖 血型物质等 它们在生物体内起着重要的作用 多糖可由一种单糖缩合而成 称均一多糖 如戊糖胶 木糖胶 阿拉伯糖胶 己糖胶 淀粉 糖原 纤维素等 也可由不同类型的单糖缩合而成 称不均一多糖 如半乳糖甘露糖胶 阿拉伯胶和果胶等 多糖在水中不形成真溶液 只能形成胶体 多糖没有甜味 也无还原性 多糖有旋光性 但无变旋现象 图8 4支链淀粉和糖原 四 结合糖 结合糖是指糖与非糖物质的结合物 常见的是与蛋白质的结合物 它们的分布很广泛 生物功能多种多样 且都含有一类含氮的多糖 即粘多糖 根据含糖多少可分为以糖为主的蛋白多糖和以蛋白为主的糖蛋白 糖蛋白是以蛋白质为主体的糖 蛋白质复合物 在肽链的特定残基上共价结合着一个 几个或十几个寡糖链 寡糖链一般由2 15个单糖构成 寡糖链与肽链的连接方式有两种 一种是它的还原末端以O 糖苷键与肽链的丝氨酸或苏氨酸残基的侧链羟基结合 另一种是以N 糖苷键与侧链的天冬酰胺残基的侧链氨基结合 糖蛋白的结构 五 衍生糖 由单糖衍生而来 如糖胺 糖醛酸等 糖在生物界中分布很广 几乎所有的动物 植物 微生物体内都含有糖 糖占植物干重的80 微生物干重的10 30 动物干重的2 糖在植物体内起着重要的结构作用 而动物则用蛋白质和脂类代替 所以行动更灵活 适应性强 动物中只有昆虫等少数采用多糖构成外骨胳 其形体大小受到很大限制 在人体中 糖主要以三种形式存在 1 以糖原形式贮藏在肝和肌肉中 糖原代谢速度很快 对维持血糖浓度衡定 满足机体对糖的需求有重要意义 2 以葡萄糖形式存在于体液中 细胞外液中的葡萄糖是糖的运输形式 它作为细胞的内环境条件之一 浓度相当衡定 3 存在于多种含糖生物分子中 糖作为组成成分直接参与多种生物分子的构成 如 DNA分子中含脱氧核糖 RNA和各种活性核苷酸 ATP 许多辅酶 含有核糖 糖蛋白和糖脂中有各种复杂的糖结构 三 食物中糖的消化和吸收 糖类在自然界植物性食物中分布极广 但在动物性食物中糖类的含量甚微 因此人体所需要的糖类主要来源于自然界中的各种植物性食物 其中谷类食物是人类糖类的最主要来源 糖类 淀粉 是谷物中的主要成分 大约占其总重量的70 左右 食物中的糖类主要是植物淀粉 starch 和动物糖原 glycogen 两类可消化吸收的多糖 首先在口腔被唾液中的淀粉酶 amylase 部分水解 1 4糖苷键 1 4glycosidicbond 在小肠被胰液中的淀粉酶进一步水解生成麦芽糖 被小肠粘膜刷毛缘的麦芽糖酶 maltase 乳糖酶 lactase 和蔗糖酶 sucrase 水解为葡萄糖 glucose 果糖 fructose 等这些单糖可吸收入小肠细胞 第二节糖的酵解 糖酵解是酶将葡萄糖降解成丙酮酸并生成ATP的过程 它是动植物及微生物细胞中 葡萄糖分解产生能量的共同代谢途径 糖酵解过程于1940年最终得到阐明 在这项研究中 三位生物化学家G Embden O J K Parnas等的贡献最大 故糖酵解途径又称为EmbdenMeyerhofParnas途径 简称EMP途径 糖酵解的全部反应过程在胞液 cytoplasm 中进行 糖酵解的反应过程可分为活化 裂解 放能三个阶段 总过程需10种酶 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 一 糖酵解的反应过程 图8 6糖酵解 1 活化 activation 己糖磷酸酯的生成 活化阶段是指葡萄糖经磷酸化和异构反应生成1 6 双磷酸果糖 FBP FDP 的反应过程 该过程共由三步化学反应组成 葡萄糖 glucose 磷酸化生成6 磷酸葡萄糖 glucose 6 phosphate G 6 P G 6 P异构为6 磷酸果糖 fructose 6 phosphate F 6 P F 6 P再磷酸化为1 6 双磷酸果糖 fructose 1 6 biphosphate F 1 6 BP 己糖激酶 葡萄糖激酶 磷酸己糖异构酶 磷酸果糖激酶 1 ATP ADP ATP ADP 1 2 3 2 裂解 lysis 磷酸丙糖的生成 一分子F 1 6 BP裂解为两分子可以互变的磷酸丙糖 triosephosphate 包括两步反应 F 1 6 BP裂解为3 磷酸甘油醛 glyceraldehyde 3 phosphate 和磷酸二羟丙酮 dihydroxyacetonephosphate 磷酸二羟丙酮异构为3 磷酸甘油醛 磷酸丙糖异构酶 醛缩酶 4 5 3 放能 releasingenergy 丙酮酸的生成 3 磷酸甘油醛经脱氢 磷酸化 脱水及放能等反应生成丙酮酸 包括六步反应 3 磷酸甘油醛脱氢并磷酸化生成1 3 二磷酸甘油酸 glycerate 1 3 diphosphate 1 3 二磷酸甘油酸脱磷酸 将其交给ADP生成ATP 3 磷酸甘油酸异构为2 磷酸甘油酸 6 7 8 ATP ADP 磷酸甘油酸变位酶 3 磷酸甘油醛脱氢酶 磷酸甘油酸激酶 NAD Pi NADH H 2 磷酸甘油酸 glycerate 2 phosphate 脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸 phosphoenolpyruvate PEP 磷酸烯醇式丙酮酸 PEP 将高能磷酸基交给ADP生成ATP 烯醇式丙酮酸自发转变为丙酮酸 pyruvate 烯醇化酶 丙酮酸激酶 ATP ADP 自发 H2O 还原 reduction 乳酸的生成 利用丙酮酸接受酵解代谢过程中产生的NADH 使NADH重新氧化为NAD 以确保反应的继续进行 乳酸脱氢酶 NAD NADH H 二 酵解的能量变化 在从葡萄糖转变成丙酮酸过程中的反应如下 C6H12O6 2Pi 2ADP 2NAD 2C3H4O3 2ATP 2NADH 2H 2H2O1 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 共生成5个ATP 2 其他组织如肝脏和心肌等 通过苹果酸穿梭系统 可生成7个ATP 三 糖酵解代谢途径关键酶及调节己糖激酶 葡萄糖激酶 磷酸果糖激酶 1丙酮酸激酶 糖酵解代谢途径的调节主要是通过各种变构剂对三个关键酶进行变构调节 1 己糖激酶或葡萄糖激酶 葡萄糖激酶是肝脏调节葡萄糖吸收的主要的关键酶 己糖激酶及葡萄糖激酶的变构剂 己糖激酶hexokinase 葡萄糖激酶glucokinase G 6 P 长链脂酰CoA 2 6 磷酸果糖激酶 1 6 磷酸果糖激酶 1是调节糖酵解代谢途径流量的主要因素 6 磷酸果糖激酶 16 phosphofructokinase 1 ATP柠檬酸 ADP AMP1 6 双磷酸果糖2 6 双磷酸果糖 3 丙酮酸激酶 丙酮酸激酶pyruvatekinase ATP丙氨酸 肝 1 6 双磷酸果糖 四 丙酮酸的去向 1 生成乙酰辅酶A 有氧时丙酮酸进入线粒体 脱羧生成乙酰辅酶A 通过三羧酸循环彻底氧化成水和CO2 2 生成乳酸3 生成乙醇 五 糖酵解的生理意义 1 在无氧和缺氧条件下 作为糖分解供能的补充途径 2 在有氧条件下 作为某些组织细胞主要的供能途径 第三节三羧酸循环 丙酮酸以后的氧化都是在线粒体中进行的 可分为两个阶段 丙酮酸氧化为乙酰CoA和乙酰CoA进入三羧酸彻底氧化 一 丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 丙酮酸进入线粒体 mitochondrion 在丙酮酸脱氢酶系 pyruvatedehydrogenasecomplex 的催化下氧化脱羧生成乙酰CoA acetylCoA 丙酮酸脱氢酶系 NAD HSCoA NADH H CO2 由一分子葡萄糖氧化分解产生两分子丙酮酸 pyruvate 故可生成两分子乙酰CoA acetylCoA 两分子CO2和两分子 NADH H 可生成5分子ATP 反应为不可逆 丙酮酸脱氢酶系 pyruvatedehydrogenasecomplex 是糖有氧氧化途径的关键酶之一 丙酮酸脱氢酶系由三种酶单体构成 丙酮酸脱羧酶 E1 硫辛酸乙酰基转移酶 E2 二氢硫辛酸脱氢酶 E3 该多酶复合体有六种辅助因子 TPP 硫辛酸 NAD FAD HSCoA和Mg2 二 三羧酸循环彻底氧化分解 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 三羧酸循环在线粒体中进行 一分子乙酰CoA氧化分解后共可生成10分子ATP 故此阶段可生成20分子ATP 柠檬酸合酶 H2O HSCoA 顺乌头酸酶 异柠檬酸脱氢酶 NAD NADH H CO2 酮戊二酸脱氢酶系 NADH H CO2 NAD HSCoA 琥珀酰CoA合成酶 GTP GDP Pi FAD FADH2 琥珀酸脱氢酶 H2O NAD NADH H 延胡索酸酶 苹果酸脱氢酶 三羧酸循环的特点 循环反应在线粒体 mitochondrion 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10分子ATP 循环的中间产物既不能通过此循环反应生成 也不被此循环反应所消耗 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 三羧酸循环的生理意义 是糖 脂 蛋白质三大物质分解供能的共同通路 是糖 脂 蛋白质三大物质互变的共同途径 三 三羧酸循环关键酶及调节 柠檬酸合成酶 异柠檬酸脱氢酶和 酮戊二酸脱氢酶 丙酮酸脱氢酶系Pyruvatedehydrogenasecomplex 乙酰CoA ATPNADH H AMP ADPNAD 第一步是限速步骤 受底物浓度影响和ATP的抑制 ATP还抑制异柠檬酸脱氢酶 ADP起激活作用 NADH对三种酶都抑制 琥珀酰辅酶A与乙酰辅酶A竞争 抑制柠檬酸合成酶和 酮戊二酸脱氢酶草酰乙酸浓度低 是影响三羧酸循环速度的重要因素 四 回补反应 1 丙酮酸羧化 与ATP 水和CO2在丙酮酸羧化酶作用下生成草酰乙酸 2 PEP CO2 GDP 草酰乙酸 GTP由磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化 需Mn2 在脑和心脏中有这个反应 3 由天冬氨酸转氨生成草酰乙酸 谷氨酸生成 酮戊二酸 异亮氨酸 缬氨酸 苏氨酸和甲硫氨酸生成琥珀酰辅酶A 五 三羧酸循环的生理意义 是糖 脂 蛋白质三大物质分解供能的共同通路 是糖 脂 蛋白质三大物质互变的共同途径 第四节磷酸戊糖途径 磷酸戊糖途径 pentosephosphatepathway 是指从G 6 P脱氢反应开始 经一系列代谢反应生成磷酸戊糖等中间代谢物 然后再重新进入糖氧化分解代谢途径的一条旁路代谢途径 该旁路途径的起始物是G 6 P 返回的代谢产物是3 磷酸甘油醛 glyceraldehyde 3 phosphate 和6 磷酸果糖 fructose 6 phosphate 其重要的中间代谢产物是5 磷酸核糖和NADPH 整个代谢途径在胞液 cytoplasm 中进行 关键酶是6 磷酸葡萄糖脱氢酶 glucose 6 phosphatedehydro genase 一 磷酸戊糖途径的反应过程 磷酸戊糖途径 pentosephosphatepathway 的总反应式 G 6 P 12NADP 7H2O 6CO2 12NADPH 12H H3PO4即六分子G 6 P可生成6分子CO2 4分子F 6 P 2分子3 磷酸甘油醛和12分子NADPH 全部代谢过程可分为两个阶段 1 G 6 P氧化分解生成5 磷酸核酮糖 G 6 P脱氢氧化生成6 磷酸葡萄糖酸内酯 6 磷酸葡萄糖脱氢酶G 6 P NADP 6 磷酸葡萄糖酸内酯 NADPH H 6 磷酸葡萄糖酸内酯水解生成6 磷酸葡萄糖酸 内酯酶6 磷酸葡萄糖酸内酯 H2O6 磷酸葡萄糖酸 6 磷酸葡萄糖酸再脱氢脱羧生成5 磷酸核酮糖 6 磷酸葡萄糖酸脱氢酶6 磷酸葡萄糖酸 NADP 5 磷酸核酮糖 NADPH H 2 5 磷酸核酮糖的基团转移反应过程 5 磷酸核酮糖经一系列基团转移反应生成3 磷酸甘油醛和6 磷酸果糖 在此阶段中 经由5 磷酸核酮糖异构可生成5 磷酸核糖 二 磷酸戊糖途径的生理意义 1 是体内生成NADPH的主要代谢途径 NADPH在体内可用于 作为供氢体 参与体内的合成代谢 如参与合成脂肪酸 胆固醇 一些氨基酸 参与羟化反应 作为加单氧酶的辅酶 参与对代谢物的羟化 使氧化型谷胱甘肽还原 维持巯基酶的活性 维持红细胞膜的完整性 由于6 磷酸葡萄糖脱氢酶遗传性缺陷可导致蚕豆病 表现为溶血性贫血 2 是体内生成5 磷酸核糖的唯一代谢途径 体内合成核苷酸和核酸所需的核糖或脱氧核糖均以5 磷酸核糖的形式提供 这是体内唯一的一条能生成5 磷酸核糖的代谢途径 磷酸戊糖途径是体内糖代谢与核苷酸及核酸代谢的交汇途径 3 单糖相互转换的途径 第五节乙醛酸循环 乙酰CoA在乙醛酸体 glyoxysome 内生成琥珀酸 乙醛酸和苹果酸 此琥珀酸可用于糖的合成 该过程称为乙醛酸循环 glyoxylicacidcycle GAC 动物和人类细胞中没有乙醛酸体 植物和微生物有乙醛酸体 油料植物种子 花生 油菜 棉籽等 萌发时存在着能够将脂肪转化为糖的乙醛酸循环 水稻中也分离出了乙醛酸循环中的两个关键酶 异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶 一 乙醛酸循环的过程 1 柠檬酸合成酶的作用下乙酰CoA与草酰乙酸缩合为柠檬酸 再经乌头酸酶催化形成异柠檬酸 2 异柠檬酸裂解酶将异柠檬酸分解为琥珀酸和乙醛酸 3 苹