第5章--糖代谢

第五章糖代谢,东华大学化学化工与生物工程学院,MetabolismofCarbohydrates,1.糖化学,2.糖的命运,3.葡萄糖的代谢,4.糖原的合成与分解,Carbohydrate,第一节糖化学,糖(carbohydrate)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。,糖的分类及其结构,单糖(monosaccharide)寡糖(oligosaccharide)多糖(polysaccharide)结合糖(glycoconjugate),葡萄糖(glucose)已醛糖,果糖(fructose)已酮糖,1.单糖：不能再水解的糖,半乳糖(galactose)已醛糖,核糖(ribose)戊醛糖,2.寡糖:由220个单糖分子脱水缩合而成,常见的二糖:,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,3.多糖：能水解生成多个分子单糖的糖。,常见的多糖：,淀粉(starch),糖原(glycogen),纤维素(cellulose),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,纤维素作为植物的骨架,-1,4-糖苷键,4.结合糖糖与非糖物质的结合物。,糖脂(glycolipid)：糖脂类糖蛋白(glycoprotein)：糖蛋白质,常见的结合糖：,第二节糖的命运,Fortuneswheel,糖的职责,2.“原料”供体,1.“能源”供体,3.“结构”组分,“糖的来源”（人）,食物“糖”：植物淀粉、动物糖原及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等，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,【糖的消化】,肠粘膜上皮细胞刷状缘,胃,口腔,肠腔,胰液中的-淀粉酶,【消化产物：单糖】,【糖的吸收】,1.吸收部位：小肠上段,2.吸收形式：单糖,ADP+Pi,ATP,G,Na+,K+,小肠粘膜细胞,肠腔,门静脉,3.吸收机制,Na+依赖型葡萄糖转运体(Na+-dependentglucosetransporter,SGLT),刷状缘,细胞内膜,4.吸收途径,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(glucosetransporter)，已发现5种葡萄糖转运体(GLUT15)。,葡萄糖,酵解途径,丙酮酸,有氧,无氧,H2O+CO2,乳酸,糖异生途径,乳酸氨基酸甘油,糖原,肝糖原分解,糖原合成,磷酸戊糖途径,核糖+NADPH+H+,淀粉,ATP,【糖的代谢】,动物细胞,植物细胞,细胞膜,细胞质,线粒体,高尔基体,细胞核,内质网,溶酶体,细胞壁,叶绿体,有色体,白色体,液体,晶体,分泌物,吞噬,中心体,胞饮,细胞膜,丙酮酸氧化三羧酸循环,磷酸戊糖途径糖酵解糖异生,【糖代谢细胞定位】,第三节葡萄糖的代谢,1.糖酵解【EMP】,2.丙酮酸的去路,3.三羧酸循环【TCA】,4.磷酸戊糖途径【PPP或HMP】,5.糖的异生,6.乙醛酸循环,1、化学历程和催化酶类2、化学计量和生物学意义3、糖酵解的调控,糖酵解是将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应，是生物体内普遍存在的葡萄糖降解的途径。该途径也称作Embden-Meyethof-Parnas途径，简称途径。,一、糖酵解（glycolysis）,糖原（或淀粉）,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,第一阶段,第二阶段,第三阶段,葡萄糖,葡萄糖的磷酸化,磷酸己糖的裂解,丙酮酸和ATP的生成,己糖激酶,6-磷酸果糖激酶1,己糖异构酶,ADPATP,第一阶段：葡萄糖的磷酸化,醛缩酶,异构酶,第二阶段：磷酸己糖的裂解,第三阶段：磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和ATP的生成,Mg或Mn,丙酮酸,PEP,丙酮酸激酶,脱氢酶,激酶,变位酶,烯醇化酶,糖酵解途径,总反应式:C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi2C3H4O3+2NADH+2H+2ATP+2H2O,生物学意义:是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径,通过糖酵解，生物体获得生命活动所需要的能量；形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供碳骨架；为糖异生提供基本途径。,能量计算：氧化一分子葡萄糖净生成2ATP2NADH5ATP或3ATP,途径化学计量和生物学意义,糖酵解的调控位点及相应调节物,机理：主要通过调节反应途径中几种酶的活性来控制整个途径的速度，被调节的酶为催化反应历程中不可逆反应的三种酶，通过酶的别构效应或共价修饰实现活性的调节，调节物多为本途的中间物中间物或与本途径有关的代谢产物。,糖原（或淀粉）,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,葡萄糖,磷酸果糖激酶,丙酮酸激酶,己糖激酶,F-2,6-BPAMP,-,柠檬酸NADHATP,ATPAla,F-1,6-BP,效应剂,别构中心,活性中心,别构酶的反馈调控机理,A,（产物或中间产物）,E,D,C,B,关键酶,酶的别构（变构）效应示意图,某些酶可以通过其它酶对其多肽链上某些基团进行可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互变状态，从而调节酶活性。这类酶称为共价修饰酶。目前发现有数百种酶被翻译后都要进行共价修饰，其中一部分处于分支代谢途径，成为对代谢流量起调节作用的关键酶或限速酶。由于这种调节的生理意义广泛，反应灵敏，节约能量，机制多样，在体内显得十分灵活，加之它们常受激素甚至神经的指令，导致级联放大反应，所以日益引人注目。,A,P1,G,E,D,C,B,H,Ea-b,Ec-d,Ec-g,关键酶（限速酶）,P2,酶的共价修饰,蛋白激酶,ATP,ADP,蛋白质,蛋白质,n,蛋白磷酸酶,nPi,H2O,第一类：Ser/Thr型第二类：Tyr型,第一类：Ser/Thr型第二类：Tyr型第三类：双重底物型,蛋白质的磷酸化和脱磷酸化,磷酸化的前后酶,去磷酸化的前后酶,F-6-P,低血糖,F-2,6-BP,ATP,ADP,H2O,Pi,F-6-P,F-6-P,2，6-二磷酸果糖合成和降解的调控,磷酸化的丙酮酸激酶（低活性）,去磷酸化的丙酮酸激酶（高活性）,H2O,Pi,ATP,ADP,果糖-1，6-二磷酸,ATP,丙氨酸,低血糖,Pi,丙酮酸激酶催化活性控制关系图,1.糖酵解【EMP】,2.丙酮酸的去路,3.三羧酸循环【TCA】,4.磷酸戊糖途径【PPP或HMP】,5.糖的异生,6.乙醛酸循环,二、丙酮酸的去路,（有氧）,（无氧）,葡萄糖,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乙醇,乙酰CoA,（有氧或无氧）,丙酮酸,乳酸,乙醇,乙酰CoA,糖酵解途径,（有氧或无氧）,糖异生,葡萄糖的无氧分解,丙酮酸的无氧分解及葡萄糖的无氧分解,丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解,丙酮酸脱氢酶系,焦磷酸硫胺素（TPP）在丙酮酸脱羧中的作用,硫辛酸的氢载体作用和酰基载体作用,泛酸和辅酶A（CoASH）,维生素pp和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）,维生素B2和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,1.糖酵解【EMP】,2.丙酮酸的去路,3.三羧酸循环【TCA】,4.磷酸戊糖途径【PPP或HMP】,5.糖的异生,6.乙醛酸循环,1、三羧酸循环的化学历程2、三羧循环及葡萄糖有氧氧化的化学计量和能量计量3、三羧循环的生物学意义4、三羧酸循环的调控5、三羧酸循环小结6、草酰乙酸的回补反应,三、三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle,TCA循环）,OCH3-C-SCoA,CoASH,NADH,+CO2,FADH2,H2O,NADH,+CO2,NADH,GTP,三羧酸循环TCA,草酰乙酸再生阶段,柠檬酸的生成阶段,氧化脱羧阶段,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,-酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,苹果酸,草酰乙酸,NAD+,NAD+,FAD,NAD+,TCA第一阶段：柠檬酸生成,草酰乙酸,柠檬酸合成酶,顺乌头酸酶,TCA第二阶段：氧化脱羧,GDPPi,GTP,NAD+NADH+H+,NAD+NADH+H+,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶系,琥珀酸硫激酶,TCA第三阶段：草酰乙酸再生,草酰乙酸,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,TCA循环小结,1、总反应式：丙酮酸+4NAD+FAD+GDP4NADH+FADH2+GTP+3CO2+H2O乙酰CoA+3NAD+FAD+GDP3NADH+FADH2+GTP+2CO2+H2O2、一次底物水平的磷酸化、二次脱羧反应，三个调节位点，四次脱氢反应。3NADH、FADH2进入呼吸链。3、三羧酸循环中碳骨架的不对称反应同位素标记表明，乙酰CoA上的两个C原子在第一轮TCA上并没有被氧化。被标记的羰基碳在第二轮TCA中脱去。在第三轮TCA中，两次脱羧，可除去最初甲基碳的50%，以后每循环一次，脱去余下甲基碳的50%。,三羧循环的化学计量和能量计量,a、总反应式：:CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O2CO2+CoASH+3NADH+3H+FADH2+GTP,能量“现金”:1GTP能量“支票”:3NADH1FADH2,7.5ATP,1.5ATP,1ATP,10ATP,b、三羧酸循环的能量计量,葡萄糖完全氧化产生的ATP,总计：32ATP或30ATP,三羧循环的生物学意义,是有机体获得生命活动所需能量的主要途径是糖、脂、蛋白质等物质代谢和转化的中心枢纽形成多种重要的中间产物是发酵产物重新氧化的途径,TCA是糖、脂肪、氨基酸等彻底氧化分解的共同途径;此循环中生成的草酰乙酸、-酮戊二酸、柠檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等又是合成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等的原料。因而，TCA将各种有机物的代谢联系起来。TCA是联系体内三大物质代谢的中心环节，为合成其它物质提供C架。,CoASH,三羧酸循环的调节,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,-酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,调节位点:柠檬酸合成酶异柠檬酸脱氢酶（限速酶）酮戊二酸脱氢酶,苹果酸,草酰乙酸,柠檬酸合酶，TCA中第一个调节酶：受ATP、NADH、琥珀酰CoA和长链脂肪酰CoA的抑制；受乙酰CoA、草酸乙酸激活。氟乙酰CoA可与草酰乙酸生成氟柠檬酸，抑制下一步反应的酶，据此，可以合成杀虫剂、灭鼠药。氟乙酸本身无毒，氟柠檬酸是乌头酸酶专一的抑制剂，氟柠檬酸结合到乌头酸酶的活性部位上，并封闭之，使需氧能量代谢受毒害。它存在于某些有毒植物叶子中，是已知最能致死的简单分子之一。LD50为0.2mg/Kg体重，它比强烈的神经毒物二异丙基氟磷酸的LD50小一个数量级。,异柠檬酸脱氢酶，TCA中第二个调节酶：Mg2+（Mn2+）、NAD+和ADP可活化此酶，NADH和ATP可抑制此酶活性。细胞在高能状态：ATP/ADP、NADH/NAD+比值高时，酶活性被抑制。线粒体内有二种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为电子受体，另一种以NADP+为受体。前者只在线粒体中，后者在线粒体和胞质中都有。,-酮戊二酸脱氢酶系，TCA循环中的第三个调节酶：受NADH、琥珀酰CoA、Ca2+、ATP、GTP抑制-酮戊二酸脱氢酶系为多酶复合体，与丙酮酸脱氢酶系相似（先脱羧，后脱氢）,在TCA循环中，有些中间产物是合成其它物质的前体，如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，Glu、Asp可以从-酮戊二酸和草酰乙酸衍生而成，一旦草酰乙酸浓度下降，则会影响TCA循环，因此这些中间产物必须不断补充，以维持TCA循环。产生草酰乙酸的途径有三个：（1）丙酮酸羧化酶催化丙酮酸生成草酰乙酸；（2）磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成草酰乙酸；（3）Asp、Glu转氨可生成草酰乙酸和-酮戊二酸。,草酰乙酸的回补,四、磷酸戊糖途径（pentosephosphatepathway,ppp）,1、化学反应历程及催化酶类特点：氧化脱羧阶段和非氧化分子重排阶段2、总反应式和生理意义3、磷酸戊糖途径的调节,磷酸戊糖途径的两个阶段,2、非氧化分子重排阶段6核酮糖-5-P5果糖-6-P5葡萄糖-6-P,1、氧化脱羧阶段6G-6-P6葡萄糖酸-6-P6核酮糖-P6NADP+6NADPH+6H+6NADP+6NADPH+6H+,6CO2,6H2O,6-磷酸葡萄糖酸内酯,磷酸戊糖途径的氧化脱羧阶段,NADPH+H+,5-磷酸核酮糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,CO2,6-磷酸葡萄糖脱氢酶,内酯酶,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶,磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶段,65-磷酸核酮糖,25-磷酸核糖,25-磷酸木酮糖,23-磷酸甘油醛,27-磷酸景天庚酮糖,24-磷酸赤藓丁糖,26-磷酸果糖,25-磷酸木酮糖,23-磷酸甘油醛,26-磷酸果糖,1,6-二磷酸果糖,16-磷酸果糖,转醛酶,异构酶,转酮酶,转酮酶,醛缩酶,阶段之一,阶段之二,阶段之三,磷酸戊糖途径的总反应式,6G-6-P+12NADP+7H2O5G-6-P+6CO2+12NADPH+12H+,磷酸戊糖途径的生理意义,1.为核酸的生物合成提供核糖2.产生NADPH作为供氢体参与多种代谢反应（1）NADPH是体内许多合成代谢的供氢体（脂肪酸、固醇、四氢叶酸等的合成）（2）NADPH参与体内羟化反应（3）NADPH用于维持谷胱甘肽（GSH）的还原状态3.NADPH主要用于还原反应，其电子通常不经电子传递链递，一般不用于ATP合成。如NADPH用于供能，需通过两个偶联反应，进行穿梭转运，将氢转移至线粒体NAD+上。胞液内：-酮戊二酸+CO2+NADPH+H+=异柠檬酸+NADP+异柠檬酸能自由通过线粒体膜，传递氢。线粒体内：异柠檬酸+NAD+=-酮戊二酸+CO2+NADH+H+一分子Glc经磷酸戊糖途径，完全氧化，产生12分子NADPH，可生成（30-1）=29ATP,在于生产NADPH和5-磷酸核糖,磷酸戊糖途径的调节,6-磷酸葡萄糖脱氢酶是磷酸戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应。其活性主要受NADP+/NADPH比例的调节。机体内，NAD+/NADH为700，而NADP+/NADPH仅为0.014，这就使NADPH可以进行有效地反馈抑制调节6-磷酸葡萄糖脱氢酶和6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。只有NADPH被生物合成消耗后，才能解除抑制。非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物的浓度。5-磷酸核糖过多时可转化为6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛进行酵解。,其它糖类进入葡萄糖代谢途径,第四节糖原的合成与分解,1.糖原的生物合成,2.糖原的分解,3.糖原代谢的调控,一、糖原的生物合成,糖原的结构及其连接方式,-1，4-糖苷键,-1，6糖苷键,非还原性末端,G,己糖激酶,G-6-P,G-1-P,变位酶,+,+PPi,1-磷酸葡萄糖,UTP,UDPG（葡萄糖的活化形式）,ADP,ATP,糖原合成酶反应,UDPG,UDP,糖原（n个G分子）,糖原（n+1）,糖原引物,糖原合酶,糖原新分支的形成,糖原核心,糖原核心,糖原核心,糖原核心,非还原性末端,-1，4糖苷键,-1，6糖苷键,糖原分支酶,G12G18,二、糖原的分解,磷酸化酶a（催化1.4-糖苷键l磷酸解断裂，关键酶）三种酶协同作用：转移酶（催化寡聚葡萄糖片段转移）脱枝酶（催化1.6-糖苷键水解断裂）,糖原的磷酸解,糖原分解成葡萄糖的过程。部位：肝脏,糖原磷酸化酶的作用位点及产物,G-1-P,磷酸化酶a,非还原性末端,无机磷酸,+,断键部位,糖原磷酸解的步骤,非还原端,糖原核心,磷酸化酶a,转移酶,脱枝酶（释放1个葡萄糖）,G-1-P,G,G-6-P,G,葡萄糖-6-磷酸酶,三、糖原分解和合成的调控,糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进行调控，其限速酶分别为磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种酶磷酸化及去磷酸化的方式相似，但其效果相反。,糖原合成酶a(有活性),糖原磷酸化酶b(无活性),OH,OH,ATP,ADP,H2O,Pi,糖原合成酶b(无活性),糖原磷酸化酶a(有活性),激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图,内在蛋白质的磷酸化作用,改变细胞的生理过程,细胞膜,细胞膜,蛋白激酶（无活性）,蛋白激酶（有活性）,受体,非磷酸化蛋白激酶,cAMP激活蛋白激酶的作用机理,五、糖的异生,1、糖异生作用的主要途径和关键反应2、糖异生总反应3、葡萄糖代谢与糖异生作用的关系,糖异生,非糖物质转化成糖代谢的中间产物后，在相应的酶催化下,绕过糖酵解途径的三个不可逆反应,利用糖酵解途径其它酶生成葡萄糖的途径称为糖异生。部位：主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体。原料：丙酮酸、乳酸、甘油及生糖氨基酸。,糖原（或淀粉）,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,葡萄糖,己糖激酶,果糖激酶,二磷酸果糖磷酸酶,丙酮酸激酶,丙酮酸羧化酶,6-磷酸葡萄糖磷酸酶,6-磷酸葡萄糖,2草酰乙酸,PEP羧激酶,糖异生途径关键反应之一,糖酵解和葡萄糖异生的关系,乳酸,糖异生途径关键反应之二,糖异生途径关键反应之三,+H2O,+Pi,6-磷酸葡萄糖磷酸酶,糖异生总反应：2丙酮酸+4ATP+2GTP+2NADH+2H+4H20Glc+2NAD+4ADP+2GDP+6Pi从2分子丙酮酸形成Glc共消耗5个ATP，2个NADH。,凡是能生成丙酮酸或草酰乙酸的物质都可以变成葡萄糖，如TCA中全部的中间产物，大多数氨基酸反刍动物胃、肠道细菌分解纤维素，产生乙酸、丙酸、丁酸等，其中奇数碳脂肪酸可转变成琥珀酰CoA，进入TCA，生糖。,生糖氨基酸,a-酮酸,甘油,a-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,乳酸,丙酮酸,-NH2,2H,糖异生和糖酵解的代谢协调调控,糖异生和糖酵解在细胞中是两个相反的代谢途径，同时，又是协调的。高浓度G6P抑制已糖激酶，活化G6P酶，抑制酵解，促进异生。酵解和异生的控制点是F6P与F1，62P的转化。糖异生的关键调控酶是F1.62P酶，而糖酵解的关键调