动物生物化学第05章 糖类代谢1幻灯片

2020 2 28 第五章糖类代谢 第一节概述第二节糖的无氧分解第三节糖的有氧氧化第四节磷酸戊糖途径第五节糖原的合成与分解第六节糖的异生作用第七节糖代谢途径间的联系 糖 carbohydrates 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 一 糖的概念 第一节概述 糖类物质可以根据其水解情况分为 单糖 寡糖和多糖 在生物体内 糖类物质主要以均一多糖 杂多糖 糖蛋白和蛋白聚糖形式存在 二 糖的生理功能 一 生物体内主要的能源物质1 氧化分解 供应能量2 储存能量 维持血糖 二 作为合成其他物质的碳架和前体 三 生物体的结构成分 四 特殊功能与调节 生物膜中的糖蛋白 糖脂 细胞间的相互识别 细胞生长与分化 免疫 先天缺陷等遗传病 三 糖代谢概况 一 体内糖的来源1 消化道吸收2 由非糖物质转化而来 二 糖的代谢途径1 合成代谢糖原的合成 糖的异生和结构多糖的合成2 分解代谢无氧氧化 糖酵解 有氧氧化 磷酸戊糖途径及糖原分解 糖代谢的概况 葡萄糖 丙酮酸 H2O及CO2 乳酸 乳酸 氨基酸 甘油 糖原 核糖 NADPH H 淀粉 第二节糖的无氧分解 一 概念糖酵解 Glycolysis 在无氧或氧供应不足情况下 葡萄糖或糖原的葡萄糖残基氧化分解变成丙酮酸 进而还原成乳酸并产生ATP的过程 也叫EMP途径 反应是在胞液中进行的 二 糖酵解反应过程根据反应过程中分子结构的变化分为4个阶段葡萄糖 果糖二磷酸 磷酸二羟丙酮3 磷酸甘油醛 2 丙酮酸 2 乳酸1 葡萄糖的磷酸化包括磷酸化 异构化和再磷酸化 葡萄糖磷酸化为6 磷酸葡萄糖 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 glucose 6 phosphate 激酶 是能够催化ATP和任何底物之间进行磷酸基团转移的一类酶 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 型存在于肝细胞中 称为葡萄糖激酶 glucokinase 特点 对葡萄糖的亲和力很低 受激素调控 6 磷酸葡萄糖可反馈抑制己糖激酶 但肝葡萄糖激酶不受其抑制 长链脂肪酰CoA可别构抑制肝葡萄糖激酶 Mg2 6 磷酸果糖转变为1 6 二磷酸果糖 6 磷酸果糖激酶 1是糖酵解途径中最重要的限速酶 具有变构调节作用 6 磷酸果糖 1 6 二磷酸果糖 F 1 6 2P 6 磷酸果糖激酶 1 PFK 1 别构调节 别构激活剂 AMP ADP F 1 6 2P F 2 6 2P 别构抑制剂 柠檬酸 ATP 高浓度 F 6 P F 1 6 2P ATP ADP PFK 1 磷蛋白磷酸酶 PKA 关键酶是指在一条代谢途径的多酶系统中 一种或几种催化不可逆反应的酶 决定代谢途径反应的方向 此阶段有两种关键酶 己糖激酶 磷酸果糖激酶 催化的两个不可逆的反应消耗2个ATP 阶段特点 限速酶是指一条代谢途径中催化活力最低 米氏常数最大 催化反应速度最慢的酶 从而决定整个代谢途径的速度 1 6 双磷酸果糖 1 磷酸己糖裂解成磷酸丙糖 醛缩酶因可以催化逆行的醛醇缩合反应而得名 2 磷酸丙糖的生成 2 磷酸丙糖的同分异构化 3 磷酸甘油醛 磷酸二羟丙酮 醛糖能有效地转变为下一步产物 3 丙酮酸的形成有两个底物水平磷酸化过程 一个不可逆反应和一个脱氢氧化反应 糖酵解在此生成4个ATP 3 磷酸甘油醛氧化为1 3 二磷酸甘油酸 3 磷酸甘油醛 1 3 二磷酸甘油酸转变成3 磷酸甘油酸 在以上反应中 底物分子内部能量重新分布 生成高能键 使ADP磷酸化生成ATP的过程 称为底物水平磷酸化 substratelevelphosphorylation 3 3 磷酸甘油酸转变为2 磷酸甘油酸 变位反应在磷酸甘油酸变位酶的催化下 3 三磷酸甘油酸C3上的磷酸基转移到C2上 生成2 磷酸甘油酸 4 2 磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸 脱水反应2 磷酸甘油酸经烯醇化酶作用脱水 形成具有高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸 5 磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 磷酸化反应在丙酮酸激酶的催化下 磷酸烯醇式丙酮酸将高能磷酸基转移给ADP生成ATP 其自身生成烯醇式丙酮酸 并自动转变成丙酮酸 丙酮酸激酶 别构调节 别构抑制剂 ATP 柠檬酸 丙氨酸 别构激活剂 1 6 二磷酸果糖 PEP 共价修饰调节 丙酮酸激酶 丙酮酸激酶 ATP ADP Pi 磷蛋白磷酸酶 无活性 有活性 PKA 蛋白激酶A proteinkinaseA CaM 钙调蛋白 4 丙酮酸转变成乳酸 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 乳酸 丙酮酸 在此反应中 丙酮酸起到了受氢体的作用 由磷酸甘油醛脱氢反应生成的NADH H 在无氧的条件下不能经电子传递链氧化 正是通过将丙酮酸还原为乳酸 才使NAD 得以再生 从而保证了糖酵解的继续进行 糖酵解的代谢途径 E2 E1 E3 三 糖酵解反应的特点1 是在胞液中进行的无氧参与的反应 乳酸是其反应的产物 2 在糖酵解过程中 糖只能发生不完全的分解 释放能量较少 1分子葡萄糖经酵解可净生成2ATP 而糖原分子中葡萄糖残基酵解可净生成3ATP 3 糖酵解反应的全过程有三步不可逆的反应 催化这三步反应的己糖激酶 6 磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶是酵解途径的关键酶 其中以6 磷酸果糖激酶最重要是限速酶 四 糖酵解的生理意义1 是机体在无氧或缺氧状态时获得能量的有效措施 也是机体在应激时产生能量 以满足机体生理需要的重要途径 2 糖酵解是生物界最普遍的供能方式 动物 植物 微生物都利用糖酵解供能 3 某些组织细胞如红细胞 视网膜 白细胞 肿瘤细胞等组织细胞即使在有氧条件下 仍以糖酵解作为为其主要供能方式 糖的有氧氧化 aerobicoxidation 指在机体氧供充足时 葡萄糖彻底氧化成H2O和CO2 并释放出能量的过程 是机体主要供能方式 部位 胞液及线粒体 概念 第三节 糖的有氧氧化 一 有氧氧化的反应过程 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 G Gn 丙酮酸 乙酰CoA H2O O ATP ADP TCA循环 胞液 线粒体 二 丙酮酸的氧化脱羧 丙酮酸进入线粒体 氧化脱羧为乙酰CoA acetylCoA 总反应式 一 丙酮酸的生成与糖酵解途径反应相同 丙酮酸脱氢酶系的组成 酶E1 丙酮酸脱氢酶E2 二氢硫辛酰胺转乙酰酶E3 二氢硫辛酰胺脱氢酶 CO2 CoASH NAD NADH H 5 NADH H 的生成 1 羟乙基 TPP的生成 2 乙酰硫辛酰胺的生成 3 乙酰CoA的生成 4 硫辛酰胺的生成 丙酮酸脱氢酶系的活性调节 别构调节 共价修饰调节 三 三羧酸循环1 概念乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成柠檬酸 经一系列酶促反应重新生成草酰乙酸 而乙酰CoA彻底氧化分解生成H2O和CO2 同时释放能量 这个循环反应称三羧酸循环 TAC 又称柠檬酸循环或克雷布斯循环 1937年由Krebs提出 反应在线粒体中进行 柠檬酸合成乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸 是柠檬酸循环的限速步骤 反应中释放出能量使反应不可逆 2 反应过程 柠檬酸合酶是三羧酸循环的限速酶抑制 ATP NADH 琥珀酰CoA 柠檬酸 氟乙酸激活 ADP 异柠檬酸生成柠檬酸为叔醇酸本身不易氧化 必须异构成易被氧化的异柠檬酸 仲醇酸 柠檬酸在顺乌头酸酶催化下先脱水生成不饱和的顺乌头酸 随后再水合成异柠檬酸 第一次氧化脱羧异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶的作用下先氧化脱氢生成草酰琥珀酸 再从中间物上脱去CO2生成a 酮戊二酸 异柠檬酸脱氢酶是一种变构调节酶抑制 ATP和NADH激活 ADP AMP NAD Ca2 第二次氧化脱羧a 酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA反应的机理与丙酮酸氧化脱羧极为相似 由a 酮戊二酸脱氢酶系催化 a 酮戊二酸脱氢酶系 酶辅酶a 酮戊二酸脱氢酶TPP二氢硫辛酸转琥珀酰酶硫辛酸 CoA二氢硫辛酸脱氢酶FAD NAD 该酶是三羧酸循环的关键酶之一 酮戊二酸脱氢酶系的调节抑制 ATP 琥珀酰CoA和NADH 激活 ADP NAD Ca2 底物水平磷酸化是三羧酸循环中唯一的一步底物水平磷酸化 反应中生成的GTP核苷二磷酸激酶的催化下可以转变成ATP GTP ADPATP GDP 琥珀酸脱氢生成延胡索酸琥珀酸脱氢酶催化琥珀酸脱氢反应 脱下来的氢交给FAD生成FADH2 饱和碳原子脱氢 延胡索酸加水生成苹果酸 苹果酸脱氢生成草酰乙酸反应由苹果酸脱氢酶催化 脱下来的氢由NAD 传递 NADH H NAD NAD NADH H GTP GDP Pi FAD FADH2 NADH H NAD 柠檬酸合酶 顺乌头酸梅 异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶复合体 琥珀酰CoA合成酶 琥珀酸脱氢酶 延胡索酸酶 苹果酸脱氢酶 3 草酰乙酸的回补反应 草酰乙酸 其来源如下 4 三羧酸循环的特点 反应在线粒体中进行 乙酰CoA进入三羧酸循环后 与草酰乙酸缩合成柠檬酸 后经两次氧化脱羧 生成CO2离开循环 三羧酸循环有四次脱氢反应 生成3分子NADH H 和1分子FADH2 经呼吸链生成9分子ATP 加上底物水平磷酸化生成1个ATP 故每循环一次共生成10分子ATP 三羧酸循环必须不断地补充中间产物由其它物质转换为三羧酸循环中间产物的反应称为回补反应 三羧酸循环是单向反应体系 循环中柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 a 酮戊二酸脱氢酶系是该代谢途径的关键酶 这三个酶所催化的反应均是单向反应 5 有氧氧化的生理意义 糖的有氧氧化是机体获得能量的主要方式不仅产能多 且能量效率高 三羧酸循环是物质代谢的枢纽该循环是一个开放的体系 既是有些物质分解的最后通路 又是另一些物质代谢如糖异生 脂肪酸合成 胆固醇合成和转氨基作用的起点 三羧酸循环是营养物质彻底氧化分解的共同通路不仅是糖分解供能的主要途径 也是脂肪 蛋白质等最终氧化分解产生能量必经的共同途径 反 应 辅 酶 ATP 第 一 阶 段 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 1 6 磷酸果糖 1 6 双磷酸果糖 1 2 3 磷酸甘油醛 2 1 3 二磷酸甘油酸 NAD 2 2 5 或1 5 2 1 3 二磷酸甘油酸 2 3 磷酸甘油酸 2 1 2 磷酸烯醇式丙酮酸 2 丙酮酸 2 1 第二阶段 2 丙酮酸 2 乙酰 CoA 2 2 5 第 三 阶 段 2 异柠檬酸 2 酮戊二酸 2 2 5 2 酮戊二酸 2 琥珀酰 CoA 2 2 5 2 琥珀酰 CoA 2 琥珀酸 2 1 2 琥珀酸 2 延胡索酸 FAD 2 1 5 2 苹果酸 2 草酰乙酸 NAD 2 2 5 净生成 32 或 30 ATP NAD NAD NAD 6 葡萄糖有氧氧化生成的ATP 第四节 磷酸戊糖途径 概念 磷酸戊糖途径是指由6 磷酸葡萄糖氧化分解生成磷酸戊糖及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 PentosePhosphatePathway 细胞定位 胞液 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 第二阶段则是非氧化反应包括一系列基团转移 6 磷酸葡萄糖脱氢酶 6 磷酸葡萄糖 6 磷酸葡萄糖酸内酯 1氧化阶段磷酸戊糖和NADPH生成 6 磷酸葡萄糖脱氢酶为磷酸戊糖途径的关键酶 活性高低决定G 6 P进入该途径的流量 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 6 磷酸葡萄糖酸内酯 6 磷酸葡萄糖酸脱氢酶 6 磷酸葡萄糖酸内酯酶 转酮基酶 转醛基酶 2非氧化阶段 2 5 磷酸木酮糖 5 磷酸核糖2 6 磷酸果糖 3 磷酸甘油醛或 3 5 磷酸核糖 2 6 磷酸果糖 3 磷酸甘油醛 非氧化阶段总反应式 3 6 磷酸葡萄糖 3H2O 6NADP 2 6 磷酸果糖 3 磷酸甘油醛 6NADPH H 3CO2 途径总反应式 二 生理意义1 磷酸戊糖途径的产物NADPH是重要的还原力 NADPH是细胞中易于利用的还原能力 在还原性生物合成中作为氢和电子的供体 NADPH可维持GSH的还原性保护某些重要的生理活性物质免遭氧化 NADPH参与体内的羟化反应 与生物合成或生物转化有关 2 5 磷酸核糖是生物体合成核苷酸和核酸的重要组分 3 磷酸戊糖途径的非氧化反应阶段使磷酸戊糖途径与糖酵解途径相连接 4 转酮基酶 转醛基酶的催化反应是可逆的 可根据机体对NADPH 5 磷酸核糖的需要而进行调节 同时可使丙糖 丁糖 戊糖 己糖 庚糖互相转化 糖原是由葡萄糖残基构成的含有许多分枝的大分子高聚物 糖原分子中的葡萄残基主要以a 1 4 糖苷键相连 形成直链结构 部分以 1 6 糖苷键相连形成支链 贮存部位 主要是肝脏和骨骼肌的细胞质 肝糖原浓度高 肌糖原的贮量多 第五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 以利于其合成与分解 糖原的结构特点及其意义 一 糖原的合成由单糖 主要是葡萄糖 合成糖原的过程称为糖原合成 glycogenesis 肝脏可以任何单糖为原料进行合成 而肌糖原只能以葡萄糖作为其合成原料 一 合成的反应过程糖原合成反应在胞液中进行 消耗ATP和UTP 葡萄糖 6 磷酸葡萄糖 glucose 6 phosphate 1 葡萄糖磷酸化生成6 磷酸葡萄糖 2 6 磷酸葡萄糖转变成1 磷酸葡萄糖 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 UDPG可看作 活性葡萄糖 在体内充作葡萄糖供体 3 1 磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖 1 磷酸葡萄糖 尿苷二磷酸葡萄糖 uridinediphosphateglucose UDPG 4 UDGP合成糖原 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上葡萄糖基的接受体 近来人们在糖原分子的核心发现了一种名为glycogenin的蛋白质 Glycogenin可对其自身进行共价修饰 将UDP 葡萄糖分子的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 糖原引物分子从何而来 5 糖原分枝的形成 二 糖原合成反应的几个特点 糖原合酶催化的糖原合成反应不能从头开始 需要至少含有4个葡萄糖残基的 1 4多聚葡萄糖作为引物 糖原合酶只能延长糖链 不能形成分支 当糖链长度达到12 18个葡萄糖残基时 分支酶可将一段糖链 6 7个葡萄糖单位 转移到邻近的糖链上 1 6以糖苷键相连从而形成分支 糖原合酶是糖原合成过程的关键酶 其活性受激素的调节 UDPG是活泼葡萄糖基的供体 其合成过程消耗ATP和UTP 在糖原引物上每增加1个新的葡萄糖单位 就要消耗3个高能磷酸键 二 糖原的分解糖原分解是指糖原分解为葡萄糖的过程 1 糖原分解为1 磷酸葡萄糖从糖原分子的非还原端开始 在磷酸化酶的催化下进行磷酸解作用 即正磷酸使 1 4糖苷键裂解 逐个移去葡萄糖残基 生成1 磷酸葡萄糖 该酶的作用只限于糖原上的 1 4糖苷键 当催化至距 1 6糖苷键形成的分支4个葡萄糖残基时 分解就停止 5 磷酸化酶 Pi 糖基转移酶 1 6 糖苷酶 非还原端 3 1 磷酸葡萄糖在变位酶的作用下转变为6 磷酸葡萄糖4 6 磷酸葡萄糖在葡萄糖6 磷酸酶作用下水解为葡萄糖 该酶只存在于肝脏和肾脏 肌肉组织中无此酶 所以肌肉中产生的6 磷酸葡萄糖不能变为游离的葡萄糖 而主要是分解供能 三 糖原代谢的调节1 共价修饰调节糖原合酶和磷酸化酶分别是糖原合成和糖原分解代谢中的限速酶 它们均有活性型 糖原合酶a和磷酸化酶a 和无活性型 糖原合酶b和磷酸化酶b 两种形式 均受到共价修饰和变构双重调节 从而调节糖原的合成与分解 磷酸化酶b激酶 糖原合酶 糖原合酶 P 磷酸化酶b 磷酸化酶a P 2 别构调节 磷酸化酶二种构像 紧密型 T 和疏松型 R 其中T型的14位Ser暴露 便于接受前述的共价修饰调节 ATP和葡萄糖是磷酸化酶的别构抑制剂 3 Ca2 的调节10 6mol L的Ca2 通过激活糖原磷酸化酶激酶也可使糖原磷酸化酶被激活 同时使糖原合酶失活 由非糖前体物质合成葡萄糖的过程 称为糖异生作用 非糖前体物质主要是乳酸 氨基酸 丙酸和甘油 糖异生场所主要是肝脏 肾也能发生葡萄糖异生 但形成的葡萄糖仅为肝脏产量的十分之一 第六节糖的异生作用 一 糖异生作用的反应途径由乳酸异生成葡萄糖的反应途径 实际上是将丙酮酸转变成葡萄糖 糖酵解是将葡萄糖变为乳酸 而糖异生则使将乳酸等转变为葡萄糖 因此 糖异生途径基本上是糖酵解途径的逆过程 但并非完全可逆 在糖酵解过程己糖激酶 6 磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶三种关键酶催化的三步反应是不可逆的 葡萄糖 ATP6 磷酸葡萄糖 ADP6 磷酸果糖 ATP1 6 二磷酸果糖 ADP磷酸烯醇式丙酮酸 ADP丙酮酸 ATP在糖异生中必须由另外不同的酶催化这三步单向反应 从而实现逆反应 1 磷酸烯醇式丙酮酸经草酰乙酸而形成丙酮酸 CO2 ATP H2O草酰乙酸 ADP Pi 2H 催化该反应的是丙酮酸羧化酶 丙酮酸羧化酶是在线粒体中发现的 它的辅基是生物素 生物素以它的羧基末端与酶蛋白的赖氨酸残基 氨基形成酰胺键 草酰乙酸 GTP磷酸烯醇式丙酮酸 GDP CO2催化第二个反应的是磷酸烯醇式丙酮酸羧基激酶 丙酮酸 线粒体 胞液 2 6 磷酸果糖的生成 1 6 二磷酸果糖在果糖 1 6 二磷酸酶作用下水解1 6 二磷酸果糖 H2O6 磷酸果糖 Pi果糖 1 6 二磷酸酶3 葡萄糖生成 是由葡萄糖6 磷酸酶催化葡萄糖6 磷酸水解而成6 磷酸葡萄糖 H2O葡萄糖 Pi葡萄糖 6 磷酸酶 糖酵解与葡萄糖异生在酶方面的差异 二 糖异生的生理意义1 维持血糖的恒定体内某些组织 特别是脑和红细胞必需依靠血液中葡萄糖作为能源 2 糖异生作用有利于氨基酸在体内的分解 3 有利于乳酸的利用肌肉剧烈运动时产生大量的乳酸 进入血液 运送到肝脏异生成糖 既节约能源 同时又保证酵解作用的继续进行 乳酸循环 l