糖代谢

1,4,第二篇物质代谢及其调节,2,3,为什么我们吃了东西就能运动？是什么维持我们生命的能量供给？为什么剧烈运动以后肌肉会酸疼？在我们饥饿时靠什么来维持血糖水平和能量供给？是什么导致了糖尿病患者血糖升高？脂类有没有用？有什么用？减肥的人为什么不仅仅要少吃脂肪类？氰化钾什么有剧毒？肝性脑病、痛风是怎么回事？,4,第二篇：物质代谢及其调节,糖代谢脂类代谢生物氧化氨基酸代谢核苷酸代谢物质代谢的联系与调节,第 四 章,糖 代 谢Metabolism of Carbohydrates,6,糖代谢,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 糖异生第七节 血糖及其调节,7,重点内容 糖酵解：细胞定位，主要代谢过程，关键酶 三羧酸循环：细胞定位，生理意义，关键酶 难点内容 糖酵解代谢过程 三羧酸循环代谢过程,第 一 节,概 述Introduction,9,糖(carbohydrates) 是含多羟基的醛或酮类化合物，由碳氢氧三种元素组成的，其分子式通常以Cn(H2O)n表示。由于一些糖分子中氢和氧原子数之比往往是2:1，与水相同，过去误认为此类物质是碳与水的化合物，所以称为“碳水化合物”(Carbohydrate)。,一、 糖的基本概念,（一）什么是糖？,10,（二）糖的分类,根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类：单糖(monosacchride)寡糖(oligosacchride)多糖(polysacchride)结合糖(glycoconjugate),11,1、单糖不能再水解的糖。,葡萄糖(glucose)己醛糖,果糖(fructose)己酮糖,半乳糖(galactose)己醛糖,核糖(ribose)戊醛糖,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃半乳糖,-D-吡喃甘露糖,-D-呋喃果糖,12,2、寡糖,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。,麦芽糖,（14）糖苷键,13,常见的几种二糖有麦芽糖(maltose)葡萄糖葡萄糖蔗 糖(sucrose)葡萄糖果糖乳 糖(lactose)葡萄糖半乳糖,14,3、多糖,能水解生成多个分子单糖的糖。常见的多糖有：淀 粉(starch)糖 原(glycogen)纤维素(cellulose),淀粉颗粒,糖原,纤维素,15,4、结合糖,糖与非糖物质的结合物。常见的结合糖有：糖脂(glycolipid)：糖与脂类的结合物。糖蛋白(glycoprotein)： 蛋白聚糖（proteoglycan）：,糖与蛋白质的结合物。,16,二、糖的生理功能,1、氧化供能这是糖的主要功能。 70%的能量来源于糖的分解。2、碳源 糖分解过程中形成的中间产物可以提供合成脂类和蛋 白质等物质所需要的碳架。3、机体组织细胞的重要组成部分糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成部分4、具有一些特殊的生理功能的糖蛋白和糖衍生物 如：激素、免疫球蛋白、DNA、NAD+,17,三、糖的消化与吸收,（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,18,19,消化过程,口腔,胃,肠腔,肠粘膜上皮细胞刷状缘,淀 粉,唾液中的-淀粉酶,胰液中的-淀粉酶,麦芽糖+麦芽三糖 (40%) (25%),-临界糊精+异麦芽糖 (30%) (5%),葡萄糖,-葡萄糖苷酶,-临界糊精酶,20,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。,21,（二）糖的吸收,1、吸收部位小肠上段2、吸收形式单糖,22,ADP+Pi,ATP,G,Na+,K+,小肠粘膜细胞,肠腔,门静脉,刷状缘,细胞内膜,3、吸收机制,Na+依赖型葡萄糖转运体(Na+-dependent glucose transporter ,SGLT),23,小肠肠腔,肠粘膜上皮细胞,门静脉,肝脏,体循环,SGLT,各种组织细胞,GLUT,GLUT：葡萄糖转运体(glucose transporter)，已发现有5种葡萄糖转运体(GLUT 15),4、吸收途径,24,四、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,25,糖的分解代谢(catabolism of carbohydrate ),葡萄糖在体内分解有三种途径：1. 在无氧条件下进行酵解；2. 在有氧条件下进行有氧分解，通过三羧酸循环，完全氧化；3. 通过磷酸戊糖途径进行代谢。,第 二 节,糖的无氧分解Glycolysis,27,一、糖酵解的反应过程,糖酵解(glycolysis)的定义在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的过程称之为糖酵解。糖酵解的反应部位：胞浆糖酵解分为两个阶段第一阶段由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称之为糖酵解途径(glycolytic pathway)第二阶段由丙酮酸转变为乳酸,28,（一）糖酵解的第一阶段,29,糖酵解的第一阶段（1）,30, 葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,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(glucokinase)。它的特点是：对葡萄糖的亲和力很低受激素调控,己糖激酶,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,Step 1,31,Step 2,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,磷酸己糖异构酶, 6-磷酸葡萄糖转变为 6-磷酸果糖,32,Step 3,6-磷酸果糖,1,6-二磷酸果糖,6-磷酸果糖激酶-1, 6-磷酸果糖转变为1,6-双磷酸果糖,33,Step 4,1,6-二磷酸果糖,醛缩酶,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛, 磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,34,Step 5,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,磷酸丙糖异构酶, 磷酸丙糖的同分异构化,35,己糖激酶,磷酸己糖异构酶,磷酸己糖异构酶,6-磷酸果糖激酶-1,醛缩酶(aldolase),磷酸丙糖异构酶,糖酵解的第一阶段(1),36,糖酵解的第一阶段（2）,37,Step 6, 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,3-磷酸甘油醛脱氢酶,38,Step 7, 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(substrate level phosphorylation) 。,1,3-二磷酸甘油酸,磷酸甘油酸激酶,3-磷酸甘油酸,39,Step 8, 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸变位酶,40,Step 9, 2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸,烯醇化酶,磷酸烯醇式丙酮酸,41,Step 10, 磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸， 并通过底物水平磷酸化生成ATP,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,丙酮酸激酶,42,糖酵解的第一阶段(2),3-磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,磷酸甘油酸变位酶,烯醇化酶,丙酮酸激酶,43,糖酵解途径,3-磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,磷酸甘油酸变位酶,烯醇化酶,丙酮酸激酶,己糖激酶,磷酸己糖异构酶,6-磷酸果糖激酶-1,醛缩酶(aldolase),磷酸丙糖异构酶,44,糖酵解的第一阶段,45,46,丙酮酸转变成乳酸,丙酮酸,乳酸,反应中的NADH+H+ 来自于第一阶段第6步反应中的 3-磷酸甘油醛脱氢反应。,（二）糖酵解的第二阶段,47,糖酵解,48,二、糖酵解的调节,限速酶的调节,49,糖酵解,3-磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,磷酸甘油酸变位酶,烯醇化酶,丙酮酸激酶,己糖激酶,磷酸己糖异构酶,6-磷酸果糖激酶-1,醛缩酶(aldolase),磷酸丙糖异构酶,50,糖酵解,3-磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,磷酸甘油酸变位酶,烯醇化酶,丙酮酸激酶,己糖激酶,磷酸己糖异构酶,6-磷酸果糖激酶-1,醛缩酶(aldolase),磷酸丙糖异构酶,51,糖酵解的调节,关键酶,己糖激酶6-磷酸果糖激酶-1丙酮酸激酶,调节方式,反馈抑制别构调节共价修饰调节,52,某些小分子可与酶蛋白特殊部位结合，引起酶分子构象变化，由此改变酶活性。受别位调节的酶又称别位酶（别构酶-allosteric enzyme）。 能使酶发生构象变化的小分子物质称为效应物或变构剂。一般多是代谢物或作用物。,别构调节（allosteric regulation）,53,(1) 6-磷酸果糖激酶-1,调节方式：别构调节 变构抑制剂：柠檬酸；ATP（高浓度） 变构激活剂：AMP；ADP；1,6-二磷酸果糖； 2,6-二磷酸果糖,54,(2) 丙酮酸激酶,（1）别构调节 变构抑制剂：ATP，丙氨酸 变构激活剂：1,6-二磷酸果糖（2）共价修饰调节 胰高血糖素通过此方式抑制丙酮酸激酶,55,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 (protein kinase A),CaM：钙调蛋白,56,(3) 己糖激酶（或葡萄糖激酶）,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。,57,三、糖酵解的生理意义,迅速提供能量；是机体在缺氧情况下获得能量的有效方式；是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径：无线粒体的细胞，如：红细胞代谢活跃的细胞，如：白细胞、骨髓细胞,58,糖酵解小结,定义：反应部位：糖酵解分为 个阶段第一阶段：第二阶段： 产能： 糖酵解调节调节酶：调节方式： 生理意义：,在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸的过程。,胞浆,两,由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate),由丙酮酸转变为乳酸(lactate),底物水平磷酸化；2ATP,不需氧的迅速产能过程,己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶,反馈抑制、别构调节、共价修饰调节,第 三 节,糖的有氧氧化Aerobic Oxidation of Carbohydrate,60,糖的有氧氧化(aerobic oxidation)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,糖的有氧氧化(aerobic oxidation)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。,61,一、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）,第四阶段：氧化磷酸化,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TCA循环,胞液,线粒体,62,（一）丙酮酸的氧化脱羧,丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧为乙酰CoA (acetyl CoA)。,总反应式:,63,丙酮酸脱氢酶系复合体协同催化,64,三羧酸循环(Tricarboxylic acid Cycle, TAC)也称为柠檬酸循环，这是因为循环反应中的第一个中间产物是一个含三个羧基的柠檬酸。由于Krebs正式提出了三羧酸循环的学说，故此循环又称为Krebs循环，它由一连串反应组成。,所有的反应均在线粒体中进行。,（二）三羧酸循环,* 概述,* 反应部位,65,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,草酰乙酸,乙酰CoA,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,-酮戊二酸,琥珀酰CoA,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,76,77,78,79,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,草酰乙酸,乙酰CoA,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,-酮戊二酸,琥珀酰CoA,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,80,TCA的总结,81,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）,第四阶段：氧化磷酸化,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TCA循环,胞液,线粒体,82,三羧循环小结, 三羧酸循环的概念：指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复的进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程。 TAC过程的反应部位是线粒体。, 三羧酸循环的要点：经过一次三羧酸循环，消耗一分子乙酰CoA，经四次脱氢，二次脱羧，一次底物水平磷酸化。生成1分子FADH2，3分子NADH+H+，2分子CO2， 1分子GTP。关键酶：柠檬酸合酶、-酮戊二酸脱氢酶复合体、异柠檬酸脱氢酶, 三羧酸循环中间产物起催化剂的作用，本身无量的变化。不可能通过三羧酸循环直接从乙酰CoA合成草酰乙酸或三羧酸循环中其他产物，同样中间产物也不能直接在三羧酸循环中被氧化为CO2及H2O。, 整个循环反应为不可逆反应,83,表面上看来，三羧酸循环运转必不可少的草酰乙酸在三羧酸循环中是不会消耗的，它可被反复利用。但是，,例如：, 机体内各种物质代谢之间是彼此联系、相互配合的，TAC中的某些中间代谢物能够转变合成其他物质，借以沟通糖和其他物质代谢之间的联系。,84,* 所以，草酰乙酸必须不断被更新补充。,草酰乙酸,其来源如下：,85,三羧酸循环的生理意义,是三大营养物质（糖、脂肪、蛋白质）氧化分解的共同途径；是三大营养物质代谢联系的枢纽； 为其它物质代谢提供小分子前体；为呼吸链提供H+和+e。,86,TCA的总结,87,G（Gn）,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TCA循环,胞液,H+和 + e 进入呼吸链彻底氧化生成H2O 的同时ADP偶联磷酸化生成ATP。,88,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）,第四阶段：氧化磷酸化,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TCA循环,胞液,线粒体,89,二、葡萄糖有氧氧化生成的ATP,*磷酸甘油穿梭生成2个ATP；苹果酸穿梭生成3个ATP。,90,1mol的葡萄糖彻底氧化生成CO2和H2O，可净生成 molATP。,36（或38）,91,三、有氧氧化的调节,关键酶, 酵解途径：己糖激酶, 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,丙酮酸激酶6-磷酸果糖激酶-1,-酮戊二酸脱氢酶复合体异柠檬酸脱氢酶,92,1. 丙酮酸脱氢酶复合体, 变构调节,变构抑制剂：乙酰CoA; NADH; ATP,变构激活剂：AMP; ADP; NAD+,* 乙酰CoA/HSCoA或 NADH/NAD+时，其活性也受到抑制。,(2) 共价修饰调节,93,异柠檬酸 脱氢酶,柠檬酸合酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体,柠檬酸,Ca2+, ATP、ADP的影响, 产物堆积引起抑制, 循环中后续反应中间产物别位反馈抑制前面反应中的酶, 其他，如Ca2+可激活许多酶,2. 三羧酸循环的调节,94,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。,95,体内ATP浓度是AMP的50倍，经上述反应后，ATP/AMP变动比ATP变动大，有信号放大作用，从而发挥有效的调节作用。,ATP/ADP或ATP/AMP比值升高抑制有氧氧化，降低则促进有氧氧化。 ATP/AMP效果更显著。,96,四、巴斯德效应,* 概念,巴斯德效应(Pastuer effect)指有氧氧化抑制糖酵解的现象。,97,糖酵解与糖的有氧氧化有什么异同？,思考题：,98,小 结,关于糖的一些基本概念糖酵解糖的有氧氧化,99,糖代谢,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 糖异生第七节 血糖及其调节,100,Thank You!,101,Chapter 4糖代谢(二),生物化学与分子生物学教研室,陈 姗,102,糖酵解与糖的有氧氧化有什么异同？,思考题：,103,相同点： 底物；氧化功能；糖酵解途径。,糖酵解与糖的有氧氧化有什么异同？,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,105,糖代谢,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 糖异生第七节 血糖及其调节,重点内容 磷酸戊糖途径：生理意义 糖原的合成与分解：生理意义 糖异生：“能障”的克服及关键酶，生理意义 乳酸循环 血糖及其调节：来源和去路，激素调节的作用难点内容 糖原的合成与分解的过程 糖异生的调节,第 四 节,磷酸戊糖途径Pentose Phosphate Pathway,108,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。,109,一、磷酸戊糖途径的反应过程,细胞定位：胞浆反应过程可分为二个阶段第一阶段：氧化反应生成磷酸戊糖，NADPH+H+及CO2第二阶段：非氧化反应包括一系列基团转移转酮醇酶反应 转醛酮酶反应,110,1、磷酸戊糖生成,G-6-P,5-磷酸核糖,NADP+,NADPH+H+,NADP+,NADPH+H+,CO2,G-6-PD,6-磷酸葡萄糖,NADP+,NADPH+H+,NADP+,NADPH+H+,CO2,H2O,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸内酯,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸核酮糖,5-磷酸核糖,6-磷酸葡萄糖脱氢酶,G-6-PD,112,催化第一步脱氢反应的6-磷酸葡萄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。,G-6-P,5-磷酸核糖,NADP+,NADPH+H+,NADP+,NADPH+H+,CO2,G-6-PD,6-磷酸葡萄糖,113,2、基团转移反应,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1分子3-磷酸甘油醛和2分子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(pentose phosphate shunt)。,114,3-磷酸甘油醛,6-磷酸果糖,115,反应过程,6-磷酸葡萄糖,5-磷酸木酮糖,116,磷酸戊糖途径的特点, 脱氢反应以NADP+为受氢体，生成NADPH+H+。 1分子6-磷酸葡萄糖经过反应，只能发生一次脱羧和二次脱氢反应，生成1分子CO2和2分子NADPH+H+。 反应中生成了重要的中间代谢物5-磷酸核糖。 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。,117,二、磷酸戊糖途径的调节,限速酶：6-磷酸葡萄糖脱氢酶（G-6-PD）此酶活性受NADPH/NADP+比值的影响，比值生高则被抑制，降低则被激活；另外NADPH对该酶有强烈的抑制作用。,118,(一)为核酸的生物合成提供核糖 磷酸核糖用于DNA、RNA的合成；(二)提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应体内多种合成代谢的供氢体参与体内羟化反应，与生物合成或生物转化有关维持谷胱甘肽(GSH)的还原状态,三、生理意义,119,发病机制： 体内缺乏6-P-葡萄糖脱氢酶，而蚕豆中含有蚕豆嘧啶、蚕豆嘧啶核苷、多巴、多巴核苷等具有氧化作用物质，可使G-6-PD缺陷患者中的红细胞谷胱甘肽(GSH)降低引发溶血 。流行病学：为X染色体不完全显性遗传，故男：女7：1；每后五月为高发季节；两湖两广云贵川较多发病治疗：治疗上输血、输注洗涤红细胞常是抢救的关键，可一次或多次输注,蚕豆病,120,病史： 半个月内有食新鲜蚕豆史，患病前12天内有取新鲜蚕豆或接触蚕豆花粉史。 临床表现：（1）早期症状：有全身不适，畏寒，低热，头晕，无力，食欲减低，恶心呕吐，腹泻，发热，一般持续23天。（2）严重者可迅速出现高度贫血、巩膜轻度或中度黄染，尿色如浓茶水或酱油色。更重出现全身衰竭、血压下降，烦躁不安，少尿或无尿等急性循环衰竭和急性肾功能衰竭的表现。（3）肝肿大，少数可见脾肿大，面色苍白或苍黄，呼吸急促，重者见抽搐、昏迷，并出现病理反射。,临床讨论,121,磷酸戊糖途径小结,细胞定位：胞浆反应过程可分为二个阶段第一阶段：氧化反应生成磷酸戊糖，NADPH+H+及CO2第二阶段：非氧化反应限速酶：生理意义(一)为核酸的生物合成提供核糖用于DNA、RNA的合成；(二)提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应,6-磷酸葡萄糖脱氢酶,第 五 节,糖原的合成与分解Glycogenesis and Glycogenolysis,123,糖原（glycogen）是由许多葡萄糖分子聚合而成的带有分支的高分子多糖类化合物。,一、什么是糖原？,124,糖原（glycogen）是由许多葡萄糖分子聚合而成的带有分支的高分子多糖类化合物。是动物体内糖的重要贮存形式 。 是机体能迅速动用的能量储备。,一、什么是糖原？,125,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，分枝出葡萄糖以-1,6-糖苷键连接，溶解度增加。形状：树枝状分子量：1001000万,糖原的结构特点,-1,4糖苷键,-1,6糖苷键,126,主链自还原端开始； 每条链都终止于一个非还原端。还原端：一个 非还原端：多个糖原合成或分解时，其葡萄糖残基的添加或去除，均在其非还原端进行；非还原端增多，利于其被酶分解。,糖原的结构特点,非还原端,还原端,127,肝糖原含量可达肝重的5%(总量为70-100g),肌糖原含量为肌肉重量的12%(总量为200-400g),糖原的分布,维持血糖水平,主要供肌肉收缩所需,128,（一）定义 糖原的合成(glycogenesis) 是指由单糖合成糖原的过程。 （二）合成部位 组织定位：主要在肝脏、肌肉组织 细胞定位：胞浆,二、糖原的合成,129,糖原合成的反应过程可分为三个阶段：,（三）反应过程：,1活化2缩合3分支,1活化： 由葡萄糖生成尿苷二磷酸葡萄糖（uridine diphosphate glucose, UDPG ）。 是一耗能过程。,己糖激酶(葡萄糖激酶),6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,葡萄糖,磷酸葡萄糖变位酶, 磷酸化,异构,UDPG焦磷酸化酶,尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG), 转形,PPi,1、活化,2ATP,PPi,2ADP,UTP,P,ATP,ADP,2缩合： 在关键酶糖原合酶（glycogen synthase)的催化下，以原有糖原分子为引物，添加新的葡萄糖单位。,尿苷二磷酸葡萄糖,尿苷二磷酸,+,* 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。,135,第一个糖原分子从哪里来呢？,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。,尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG),+,“活性葡萄糖”,UDPG：在体内充当葡萄糖供体,糖原,3分支： 当直链长度达12个葡萄糖残基以上时，在分支酶(branching enzyme)的催化下，将距末端67个葡萄糖残基组成的寡糖链由-1,4-糖苷键转变为-1,6-糖苷键，使糖原出现分支。,糖原的合成,糖原的合成与分解代谢,分枝酶,143,（四）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；合成为一耗能过程，每增加一个葡萄糖残基，需消耗2个高能磷酸键（2分子ATP）；关键酶是糖原合酶(glycogen synthase)，为一共价修饰酶；需UTP参与（以UDP为载体）。,144,（一）反应过程：,三、糖原的分解代谢,糖原的分解代谢过程可分为三个阶段：,1水解2异构3脱磷酸,1水解： 包括三步反应，循环交替进行。 磷酸解：由糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)催化对-1,4-糖苷键磷酸解，生成G-1-P。,糖原磷酸化酶, 转寡糖链：当糖原被水解到离分支点四个葡萄糖残基时，由葡聚糖转移酶催化，将分支链上的三个葡萄糖残基转移到直链的非还原端，使分支点暴露。 脱枝：由-1,6-葡萄糖苷酶催化。将-1,6-糖苷键水解，生成一分子自由葡萄糖。,脱枝酶具有:-1,4-葡聚糖转移酶-1,6-葡聚糖苷酶的双重作用,151,糖原水解小结,磷酸化酶只作用于-1,4糖苷键，对-1,6糖苷键不起作用。当磷酸解反应进行到距分支点约4个葡萄糖基时，脱支酶开始发挥作用，它首先将3个葡萄糖基转移到邻近糖链的非还原末端，以-1,4糖苷键相连；然后将剩下的以-1,6糖苷键连接的葡萄糖基直接水解为游离葡萄糖。脱支酶有两种酶活性：葡聚糖转移酶和-1,6葡萄糖苷酶。除去分支后，磷酸化酶则继续发挥作用。因此在磷酸化酶与脱支酶的共同作用下，糖原的分支越来越少，分子不断变小。,7,7,肝糖元的分解,2异构： 1-磷酸葡萄糖在变位酶作用下转变为 6-磷酸葡萄糖。,3脱磷酸： 6-磷酸葡萄糖由葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase)催化水解为葡萄糖。,葡萄糖6-磷酸酶主要存在于肝、肾细胞，肌肉组织中不含此酶，因此肌糖原不能分解为葡萄糖，只能进入糖酵解或有氧氧化。,157,* 肌糖原的分解,肌糖原分解的前三步反应与肝糖原分解过程相同，但是生成6-磷酸葡萄糖之后，由于肌肉组织中不存在葡萄糖-6-磷酸酶，所以生成的6-磷酸葡萄糖不能转变成葡萄糖释放入血，提供血糖，而只能进入酵解途径进一步代谢。肌糖原的分解与合成与乳酸循环有关。,G-6-P的代谢去路,G（补充血糖）,G-6-P,F-6-P（进入酵解途径）,G-1-P,Gn（合成糖原）,UDPG,6-磷酸葡萄糖酸内酯（进入磷酸戊糖途径）,葡萄糖醛酸（进入葡萄糖醛酸途径）,159,（二）糖原分解的特点：,水解反应在糖原的非还原端进行；是一非耗能过程；关键酶是糖原磷酸化酶(glycogen phosphory-lase)，为一共价修饰酶，其辅酶是磷酸吡哆醛。,160,糖原的合成与分解代谢,分枝酶,脱枝酶,161,合成与分解不是简单的可逆反应关键酶： 合成途径 糖原合酶 分解途径 磷酸化酶调节方式：共价修饰和变构调节生理性调节：激素（胰高血糖素与胰岛素）,四、糖原合成与分解的调节,162,1、共价修饰调节 糖原合酶： 糖原合酶a：有活性 糖原合酶b（磷酸化）：无活性。 磷酸化酶: 磷酸化酶a（磷酸化）：有活性 磷酸化酶b：无活性,糖原合酶的共价修饰调节,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,磷蛋白磷酸酶抑制剂,糖原合成与分解的调节,激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+ 受体,166,调节有级联放大作用，效率高；,两种酶磷酸化或去磷酸化后活性变化相反；,此调节为酶促反应，调节速度快；,受激素调节。,共价修饰调节,167,2. 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位已被磷酸化的Ser暴露，便于接受前述的共价修饰调节。,* 葡萄糖是磷酸化酶的别构抑制剂。,168,肌肉内糖原代谢的两个关键酶的调节与肝糖原不同,* 在糖原分解代谢时肝主要受胰高血糖素的调节，而肌肉主要受肾上腺素调节。 * 肌肉内糖原合酶及磷酸化酶的变构效应物主要为AMP、ATP及6-磷酸葡萄糖。,169,激素的调节,体内肾上腺素和胰高血糖素可通过cAMP连锁酶促反应逐级放大，构成一个调节糖原合成与分解的控制系统。当机体受到某些因素影响，如血糖浓度下降和剧烈活动时，促进肾上腺素和胰高血糖素分泌增加，这两种激素与肝或肌肉等组织细胞膜受体结合，由G蛋白介导活化腺苷酸环化酶，使cAMP生成增加，cAMP又使cAMP依赖蛋白激酶(cAMP dependent protein kinase)活化，活化的蛋白激酶一方面使有活性的糖原合成酶a磷酸化为无活性的糖原合成酶b；另一面使无活性的磷酸化酶激酶磷酸化为有活性的磷酸化酶激酶，活化的磷酸化酶激酶进一步使无活性的糖原磷酸化酶b磷酸化转变为有活性的糖原磷酸化酶a，最终结果是抑制糖原生成，促进糖原分解，使肝糖原分解为葡萄糖释放入血，使血糖浓度升高，肌糖原分解用于肌肉收缩。,糖原合成与分解的调节,激素（胰高血糖素、肾上腺素等）+ 受体,糖原合酶,糖原合酶-P,抑制糖原生成，促进糖原分解，使肝糖原分解为葡萄糖释放入血，使血糖浓度升高，肌糖原分解用于肌肉收缩。,171,糖原代谢调节小结, 双向调控：对合成酶系与分解酶系分别进行调节，如加强合成则减弱分解，或反之。, 双重调节：别构调节和共价修饰调节。, 肝糖原和肌糖原代谢调节各有特点： 如：分解肝糖原的激素主要为胰高血糖素， 分解肌糖原的激素主要为肾上腺素。, 关键酶调节上存在级联效应。, 关键酶都以活性、无（低）活性二种形式存在，二种形式之间可通过磷酸化和去磷酸化而相互转变。,肝糖原与肌糖原比较,173,糖原累积症(glycogen storage diseases)是一类遗传性代谢病，其特点为体内某些器官组织中有大量糖原堆积。引起糖原累积症的原因是患者先天性缺乏与糖原代谢有关的酶类。,五、糖原累积症,糖原累积症分型,175,五、糖原合成与分解的生理意义,1贮存能量。2调节血糖浓度。3利用乳酸：肝中可经糖异生途径利用糖无氧酵解产生的乳酸来合成糖原。,第 六 节,糖 异 生Gluconeogenesis,177,一、糖异生作用的概念,由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生作用。,* 部位,* 原料,主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸,主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体,178,二、糖异生作用的过程,基本上是糖酵解的逆过程 跨越三个能障 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 酵 解 过 程,葡萄糖,180,葡萄糖,6-P葡萄糖,6-P果糖,1，6-二P果糖,3-磷酸甘油醛,P-二羟丙酮,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,PEP,丙酮酸,182,1. 丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),丙酮酸,草酰乙酸,磷酸烯醇丙酮酸(PEP), 丙酮酸羧化酶(pyruvate carboxylase)，辅酶为生物素（反应在线粒体）, 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（反应在线粒体、胞液）,184, 草酰乙酸转运出线粒体,丙酮酸,线粒体,胞液,糖酵解途径,3-磷酸甘油醛脱氢酶,磷酸甘油酸激酶,磷酸甘油酸变位酶,烯醇化酶,丙酮酸激酶,己糖激酶,磷酸己糖异构酶,6-磷酸果糖激酶-1,醛缩酶(aldolase),磷酸丙糖异构酶,188,糖异生途径所需NADH+H+的来源,糖异生途径中，1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油醛时，需要NADH+H+。, 由氨基酸为原料进行糖异生时， NADH+H+则由线粒体内NADH+H+提供，它们来自于脂酸的-氧化或三羧酸循环，NADH+H+转运则通过草酰乙酸与苹果酸相互转变而转运。,葡萄糖,6-P葡萄糖,6-P果糖,1，6-二P果糖,3-磷酸甘油醛,P-二羟丙酮,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,PEP,丙酮酸,191,2. 1,6-双磷酸果糖 转变为 6-磷酸果糖,葡萄糖,6-P葡萄糖,6-P果糖,1，6-二P果糖,3-磷酸甘油醛,P-二羟丙酮,1，3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,PEP,丙酮酸,193,葡萄糖6-磷酸酶存在于肝、肾细胞，肌肉组织中不含此酶,3. 6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖,194,非糖物质进入糖异生的途径, 糖异生的原料转变成糖代谢的中间产物, 上述糖代谢中间代谢产物进入糖异生途径，异生为葡萄糖或糖原,琥珀酰CoA,延胡索酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,柠檬酸,乙酰CoA,丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,磷酸丙糖,葡萄糖或糖原,糖,-磷酸甘油,脂肪酸,脂肪,甘油三酯,乙酰乙酰CoA,酮体,CO2,CO2,氨基酸、糖及脂肪代谢的联系,T A C,糖酵解和糖异生途径,三、糖异生的调节,在前面的三个反应过程中，作用物的互变分别由不同酶催化其单向反应，这种互变循环称之为底物循环(substratecycle)。,199,因此，有必要通过调节使糖异生途径与酵解途径相互协调，主要是对前述底物循环中的后2个底物循环进行调节。,当两种酶活性相等时，则不能将代谢向前推进，结果仅是ATP分解释放出能量，因而称之为无效循环(futile cycle)。,6-磷酸果糖,1,6-二磷酸果糖,ATP,ADP,6-磷酸果糖激酶-1,Pi,果糖双磷 酸酶-1,1. 6-磷酸果糖与1,6-二磷酸果糖之间,2. 磷酸烯醇式丙酮酸与丙酮酸之间,PEP,丙 酮 酸,ATP,ADP,丙酮酸激酶,乙 酰 CoA,草酰乙酸,202,(1) 当体内ATP积聚量较多时，可抑制糖的分解，促进糖的异生，以积累能源。 (2) 当耗能增加时，ATP不足，可促进糖的分解而抑制糖的异生以产生更多的ATP，以供机体需要。,（一） 代谢物的调节作用,ATP/AMP、ADP的调节作用,ATP是丙酮酸羧化酶和果糖1,6-二磷酸酶的变构激活剂， 是丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶的变构抑制剂,AMP、ADP是丙酮酸羧化酶和果糖1,6-二磷酸酶的变构抑制剂，是丙酮酸激酶和磷酸果糖激酶的变构激活剂,203,（二）激素的调节作用,促进糖异生作用的激素 肾上腺素、胰高血糖素、糖皮质激素 抑制糖的异生作用的激素是 胰岛素,204,胰高血糖素对糖异生的调节,胰高血糖素,果糖二磷酸酶-1,205,四、糖异生作用的意义,（一）维持血糖浓度恒定,（二）补充肝糖原,三碳途径： 指进食后，大部分葡萄糖先在肝外细胞中分解为乳酸或丙酮酸等三碳化合物，再进入肝细胞异生为糖原的过程。,（三）调节酸碱平衡（乳酸异生为糖）,206, 循环过程,葡萄糖,葡萄糖,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乳酸,乳酸,丙酮酸,血液,五、乳酸循环(lactose cycle) （Cori 循环）, 生理意义, 乳酸再利用，避免了乳酸的损失。, 防止乳酸的堆积引起酸中毒。, 乳酸循环是一个耗能的过程,208,乳酸的利用,第 七 节,血糖及其调节Blood Glucose and the Regulation of Blood Glucose concentration,210,血糖是糖在体内的运输形式。,血中的单糖(主要是葡萄糖)称为血糖。,正常人空腹血糖： 3.896.11mmol/L(葡萄糖氧化酶法),概念,211,血糖水平恒定的生理意义,保证重要组织器官的能量供应，特别是某些依赖葡萄糖供能的组织器官。,脑组织不能利用脂酸，正常情况下主要依赖葡萄糖供能；红细胞没有线粒体，完全通过糖酵解获能；骨髓及神经组织代谢活跃，经常利用葡萄糖供能。,血糖 （3.35.6mmol/L）,血糖 8.9mmol/L,一、血糖的来源与去路,213,肝脏的调节作用 激素的调节作用,二、血糖的调节,214,血糖,脂肪动员,餐后,空腹,乳酸、甘油等,糖异生,（一） 肝脏对血糖浓度的调节,215,（二） 激素对血糖浓度的调节,* 主要依靠激素的调节,216,（一） 胰岛素, 促进葡萄糖转运进入肝外细胞 ；,加速糖原合成，抑制糖原分解；,加快糖的有氧氧化；,抑制肝内糖异生；,减少脂肪动员。, 体内唯一降低血糖水平的