第五章糖代谢

Chapter5MetabolismofCarbohydrates,第五章糖代谢,第一节新陈代谢的一般概念,一、新陈代谢概念生物活体与外界不断进行的物质交换和能量交换过程；二、物质代谢和能量代谢三、分解代谢和合成代谢生物小分子合成生物大分子合成代谢需要能量生物体的新陈代谢能量代谢物质代谢释放能量分解代谢生物大分子分解为生物小分子,四、代谢途径,e1e2e3e4e5SABCDP,五、代谢的发展过程,（一）分解代谢的一般过程第一阶段是生物大分子的降解阶段；第二阶段是单体分子初步分解阶段；第三阶段是乙酰基完全分解阶段；第四阶段是氢的燃烧阶段；（二）合成代谢的一般过程原料准备阶段；单分子合成阶段；生物大分子合成阶段。,六、新陈代谢的特点,1、酶催化，反应条件温和，效率高；2、严格的顺序性；3、灵活的自我调节；,Section2Introduction,第二节糖及代谢概述,一、糖的化学,糖(carbohydrates)即碳水化合物，是指多羟基醛或多羟基酮及其衍生物或多聚物。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),单糖,寡糖,多糖,淀粉的分子结构,糖原的分子结构,纤维素的分子结构,糖与非糖物质的结合物。,结合糖,糖脂(glycolipid)：是糖与脂类的结合物。糖蛋白(glycoprotein)：是糖与蛋白质的结合物。,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：如生物膜、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、糖的生理功能,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，以淀粉为主。消化部位：主要在小肠，少量在口腔。,（一）糖的消化,三、糖的消化吸收,（二）糖的吸收,主要在小肠上段以单糖形式吸收。,细胞腔,肠细胞,毛细血管,葡萄糖,四、糖代谢概况,第三节糖的分解代谢途径,一、糖酵解途径(EMP途径)-糖的无氧分解二、三羧酸循环(TCA)-糖的有氧分解三、单磷酸己糖支路(HMP途径)四、磷酸解酮酶途径(PK途径)五、脱氧酮糖酸途径(ED途径),（一）糖酵解（EMP)的生物化学过程（二）丙酮酸的无氧降解（三）EMP途径的能量产生（四）糖酵解的生理意义,一、糖酵解途径-糖的无氧分解,Whatsglycolysis?糖的无氧酵解（glycolysis）是指葡萄糖在无氧条件下分解生成乳酸并释放出能量的过程。糖酵解的全部反应过程在细胞液(cytoplasm)中进行，共10步，终产物是丙酮酸。无氧酵解代谢的终产物是乳酸（lactate），一分子葡萄糖经无氧酵解可净生成2分子ATP。,(一)糖酵解的生物化学过程,无氧酵解的反应过程可分为活化、裂解、放能和还原四个阶段。其中，活化、裂解、放能三个阶段又可合称为糖酵解途径（glycolyticpathway)。,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（F-1,6-BP，FDP）。活化阶段由3步化学反应组成。,葡萄糖(glucose)磷酸化6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P)异构6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate,F-6-P）磷酸化1,6-双磷酸果糖（fructose-1,6-bisphosphate,F-1,6-BP）,无氧酵解的活化阶段,glucose,消耗1ATP；己糖激酶，Mg2+；反应不可逆，第一个限速（关键）步骤；,消耗1ATP；反应不可逆，第二个限速（关键）步骤；,葡萄糖(glucose)磷酸化(-1ATP)6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P)异构6-磷酸果糖（fructose-6-phosphate,F-6-P）磷酸化(-1ATP)1,6-双磷酸果糖（fructose-1,6-bisphosphate,F-1,6-BP）,糖酵解第一阶段是耗能的，1G消耗2ATP,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：,(4)1,6-双磷酸果糖(F-1,6-BP)裂解3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮(glyceraldehyde-3-phosphate)(dihydroxy-acetonephosphate),(5)异构,糖酵解的裂解阶段,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5步反应。,3-磷酸甘油醛脱氢并磷酸化1,3-二磷酸甘油酸（glycerate-1,3-diphosphate)；脱磷酸，将其交给ADP生成ATP3-磷酸甘油酸(glycerate-3-phosphate)异构2-磷酸甘油酸(glycerate-2-phosphate)脱水磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate,PEP)将高能磷酸基交给ADP生成ATP丙酮酸,glyceraldehyde-3-phosphate,糖酵解的放能阶段,1G形成2个NADH2,1G形成2个ATP;底物水平磷酸化.,glycerate-2-phosphate,生成1个高能磷酸键,1G形成2个ATP;不可逆,EMP途径的第三个限速步骤.,（二）丙酮酸的无氧降解1.还原乳酸的生成,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。,无氧酵解的还原阶段,糖的无氧酵解途径,糖无氧酵解代谢途径可将一分子葡萄糖分解为两分子乳酸。1、3、10为关键反应，不可逆,三个关键酶，己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶。,ATP变化：1、3各-1ATP；7、10各+1ATP；NADH变化：6产生NADH2；,1G净生成2ATP；,1G净生成2NADH2；,2.还原乙醇的生成酒精发酵-丙酮酸还原转变为乙醇；反应式（1）丙酮酸的脱羧（2）乙醛的还原G+2Pi+2ADP2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O,酒精发酵丙酮酸转变为乙醇总反应式：G+2Pi+2ADP2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O,2*2ATP2CO22ATP3-磷酸甘油醛2丙酮酸2乙醛2乙醇2PiG1，6-二磷酸果糖EMP途径磷酸二羟丙酮2*2H,葡萄糖1ATP己糖激酶ADP6-磷酸葡萄糖磷酸己糖异构酶26-磷酸果糖3ATP磷酸果糖激酶ADP1，6-二磷酸果糖醛缩酶4磷酸丙糖异构酶523-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2乙醇磷酸甘油醛2NAD+2NAD+脱氢酶62NADH+H+2NADH+H+21，3-二磷酸甘油酸乙醇脱氢酶磷酸甘油2ADP丙酮酸脱羧酶酸激酶72ATP2丙酮酸2乙醛23-磷酸甘油酸9丙酮酸激酶2ATP磷酸甘油酸变位酶8烯醇化酶H20102ADP22-磷酸甘油酸2磷酸烯醇式丙酮酸,3.参与无氧酵解的酶,1.糖原磷酸化酶,葡聚糖转移酶,脱枝酶;己糖激酶或葡萄糖激酶2.磷酸葡萄糖变位酶3.磷酸己糖异构酶4.磷酸果糖激酶(变构酶)5.醛缩酶9.磷酸甘油酸变位酶6.磷酸丙糖异构酶10.烯醇化酶7.3-磷酸甘油醛脱氢酶11.丙酮酸激酶8.磷酸甘油酸激酶12.乳酸脱氢酶,（三）EMP途径的能量产生,1、无氧糖酵解产生的ATP；2、有氧酵解产生的ATP；,1、无氧糖酵解产生的ATP,产生或消耗ATP的反应ATP数的增减1葡萄糖6-P-葡萄糖-136-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖-172*1，3-二磷酸甘油酸2*3-磷酸甘油酸+2102*磷酸烯醇式丙酮酸2*丙酮酸+2净生成2,糖原的分解能量产生？,2、有氧糖酵解产生的ATP,产生或消耗ATP的反应ATP数的增减1葡萄糖6-P-葡萄糖-136-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖-163-磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸+3或572*1，3-二磷酸甘油酸2*3-磷酸甘油酸+2102*磷酸烯醇式丙酮酸2*丙酮酸+2净生成5或7个注：6步产生2NADH2,（四）糖酵解的生理意义,1、单糖分解代谢的一条最重要的基本途径；2、组织和细胞在无氧的情况下获得有限的能量；3、酵解途径的逆过程是合成葡萄糖的途径;,初到高原与糖酵解供能：,人初到高原，高原大气压低，易缺氧,机体加强糖酵解以适应高原缺氧环境,海拔5000米,背景：,结论：,糖酵解途径,二、三羧酸循环(TCA)-糖的有氧氧化分解,（一）糖有氧氧化的概念是指体内组织在有氧条件下，葡萄糖彻底氧化分解生成CO2和H2O的过程。,有氧氧化是糖氧化的主要方式，绝大多数组织细胞都通过有氧氧化获得能量。,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,糖有氧氧化概况,糖的有氧氧化,糖的有氧氧化与糖酵解：,葡萄糖丙酮酸乳酸（糖酵解),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,(一)从葡萄糖丙酮酸(同糖酵解途径);(二)丙酮酸乙酰辅酶A;丙酮酸脱羧酶系：含有3种酶(丙酮酸脱羧酶,硫辛酰转乙酰基酶,二氢硫辛酸脱氢酶)和6种辅助因子(TPP,辅酶A,FAD,NAD+,硫辛酸和Mg2+)。反应地点：线粒体基质；(三)乙酰辅酶A的氧化-三羧酸循环途径;,(三)乙酰辅酶A的氧化-TCA,TCA循环在线粒体中进行，包括以下10步反应：1、乙酰CoA与草酰乙酸结合成柠檬酸;反应式柠檬酸合成酶催化；不可逆，TCA循环第一个限速酶；2、柠檬酸脱水成顺乌头酸；反应式3、顺乌头酸加水生成异柠檬酸;4、异柠檬酸脱氢生成草酰琥珀酸；反应式TCA循环中第二个重要的调节酶；产生1NADH；,(三)乙酰辅酶A的氧化-TCA,5、草酰琥珀酸脱羧生成-酮戊二酸；异柠檬酸脱氢酶，脱羧反应需要Mn2+；6、-酮戊二酸氧化脱羧形成琥珀酰辅酶A；反应不可逆，是TCA循环的第三个限速步骤；产生1NADH；反应式7、琥珀酰辅酶A生成琥珀酸；反应式TCA循环中唯一的底物水平磷酸化，1GTP1ATP；8、琥珀酸氧化生成延胡索酸；产生1FADH2；,(三)乙酰辅酶A的氧化-TCA,9、延胡索酸经水化作用生成苹果酸；反应式10、苹果酸脱氢生成草酰乙酸；产生1NADH；每循环一次,经历两次脱羧反应,使一分子乙酰CoA氧化成CO2和H2O.,三羧酸循环总图:,草酰乙酸,CH2COSoA(乙酰辅酶A),2H,2H,H,(三)乙酰辅酶A的氧化-TCA,参与的酶类：(1)柠檬酸合成酶(2)顺乌头酸酶(3)异柠檬酸脱氢酶NADHH+(4)-酮戊二酸脱羧酶系NADHH+(5)琥珀酰辅酶A硫激酶GTP(6)琥珀酸脱氢酶FADH2(7)延胡索酸酶(8)苹果酸脱氢酶NADHH+,TCA循环的能量计算,无氧分解阶段：产生或消耗ATP的反应ATP数的增减1葡萄糖6-P-葡萄糖-136-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖-163-磷酸甘油醛1，3-二磷酸甘油酸2NADH2+3或572*1，3-二磷酸甘油酸2*3-磷酸甘油酸+2102*磷酸烯醇式丙酮酸2*丙酮酸+2净生成5或7个2*丙酮酸2*乙酰CoA2NADH2+5TCA循环阶段：4异柠檬酸草酰琥珀酸2NADH2+56-酮戊二酸琥珀酰CoA2NADH2+57琥珀酰CoA琥珀酸2GTP+28琥珀酸延胡索酸2FADH2+310苹果酸草酰乙酸2NADH2+5净生成30或32,总反应式：CH3COCOOH+2.5O2+12.5(ADP+Pi)3CO2+2H2O+12.5ATP；C6H12CO6+32ADP+32Pi6CO2+6H2O+32ATP；,TCA循环的生物学意义,1、为机体提供能量；2、物质代谢的总枢纽；示意图3、为生物合成提供碳链；4、有机酸的积累-发酵工业；,葡萄糖降解简图：,GEMP途径无氧乳酸丙酮酸乙醛乙醇有氧乙酰CoA草酰乙酸柠檬酸TCA循环CO2CO2,(四)丙酮酸羧化支路,即丙酮酸或磷酸烯醇式丙酮酸固定二氧化碳生成四碳二羧酸（草酰乙酸、苹果酸）的反应；（反应式）1、丙酮酸的还原羧化作用；2、丙酮酸羧化生成草酰乙酸；3、磷酸烯醇式丙酮酸羧化生成草酰乙酸；,(五)乙醛酸循环-三羧酸循环支路,1、异柠檬酸裂解酶乙酰辅酶A2、苹果酸合成酶H2OCoASH草酰乙酸柠檬酸NADH2H2O顺乌头酸NADH2O苹果酸异柠檬酸CoASH2H2O1乙醛酸琥珀酸CH3COSCoA,(五)乙醛酸循环-三羧酸循环支路,乙酰CoACoASH草酰乙酸柠檬酸顺乌头酸乙酰CoACoASH苹果酸乙醛酸异柠檬酸琥珀酸总反应式：CH2COOH2CH3COSCoA+2H2O+NADCH2COOH+2CoASH+NADH2,(五)乙醛酸循环-三羧酸循环支路,3、乙醛酸循环的生物学意义（1）获得能量；（2）TCA中间产物的补充；（3）脂肪转变为糖的途径；,（六）柠檬酸发酵,技术关键：1、阻断顺乌头酸催化的反应；2、解决草酰乙酸的来源-选回补途径旺盛的菌种；EMP途径葡萄糖丙酮酸乙酰辅酶A柠檬酸苹果酸草酰乙酸顺乌头酸酶阻断TCA顺乌头酸,三、磷酸己糖途径(HMS),（一）HMP途径的历程糖需氧分解的重要代谢旁路之一；反应地点：细胞质第一阶段：由6-磷酸葡萄糖开始，经过脱氢、水解、氧化脱羧等反应生成5-磷酸核酮糖和二氧化碳；1.6-磷酸葡萄糖氧化成6-磷酸葡萄糖酸;反应式产生NADPH；2.6-磷酸葡萄糖氧化脱羧成5-磷酸核酮糖;反应式产生NADPH；第一阶段，1G产生2NADPH；,三、磷酸己糖途径(HMS),（一）HMP途径的历程第二阶段：5-磷酸核酮糖通过异构化、转酮基、转醛基等反应，并逆EMP途径，重新生成6-磷酸葡萄糖；3.5-磷酸核酮糖异构化成5-磷酸核糖;4.5-磷酸核酮糖差向异构成5-磷酸木酮糖;反应式6反应式7反应式5.5-磷酸木酮糖和5-磷酸核糖生成3-磷酸甘油醛和7-磷酸庚酮糖;6.7-磷酸庚酮糖和3-磷酸甘油醛生成4-磷酸赤藓糖和6-磷酸果糖;7.5-磷酸木酮糖和4-磷酸赤藓糖生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖;8.6-磷酸果糖异构化为6-磷酸葡萄糖再作为HMP途径的原料;9.2分子3-磷酸甘油醛生成1分子6-磷酸葡萄糖；,三、磷酸己糖途径(HMS),（二）参与的酶类1、6-磷酸葡萄糖脱氢酶2、内酯酶3、6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶4、5-磷酸核糖异构酶5、5-磷酸木酮糖差向异构酶6、转酮醇酶（转羟乙醛基酶）7、转醛醇酶（转二羟丙酮基酶）,三、磷酸己糖途径(HMS),HMS途径小结：6（6-P-G）+6O2+12NADP5（6-P-G）+6CO2+12NADPH+Pi为细胞内还原力NADPH的主要来源；1分子6-P-G经HMS途径产生30ATP；1分子G经HMS途径产生29ATP；,三、磷酸己糖途径(HMS),（三）HMS途径的生物学意义1、产生大量的NADPH作为生物合成所需还原力；2、5-磷酸核糖是合成核酸及相应辅的原料；3、4-磷酸赤藓糖和3-磷酸甘油醛可转变为芳香族氨基酸；4、HMS途径是戊糖代谢的主要途径；5、3-磷酸甘油醛是糖分解三种途径的枢纽点；,葡萄糖降解途径的相互关系,葡萄糖6-磷酸葡萄糖CO2+H2OEMP途径HMS途径磷酸丙糖5-磷酸戊糖丙酮酸乙醇、乳酸、丙酮、丁醇等乙酰辅酶A苹果酸TCA循环与乙醛酸循环乙醛酸异柠檬酸琥珀酸CO2+H2O,四、磷酸解酮酶（PK）途径,存在于某些细菌和少数真菌中；,该代谢途径由：一部分HMP一部分EMP磷酸解酮酶等酶类组成,C6H12O6+2ADP+2PiCH3CHOHCOOH+CH3CH2OH+CO2+2ATP,葡萄糖ATPADP6-磷酸葡萄糖2H6-磷酸葡萄糖酸2H5-磷酸核酮糖5-磷酸木酮糖Pi3-磷酸甘油醛乙酰磷酸CO2,磷酸解酮酶（PK）途径：,第一阶段：HMP,第二阶段：磷酸解酮酶,第三阶段：产能阶段,异型乳酸发酵（示意图）,1、乳酸的生成2ADP+2Pi2ATP3-磷酸甘油醛乳酸EMP途径2、乙醇的生成O乙酸激酶CH3-C-OPCH3COOH乙酰磷酸ADPATP乙酸醛脱氢酶CH3COOHCH3CHONADH2NAD乙醇脱氢酶CH3CHOCH3CH2OHNADH2NAD五、脱氧酮糖酸途径(ED途径),葡萄糖降解途径的相互关系：,6-磷酸葡萄糖1.EMP途径6-磷酸果糖磷酸丙糖丙酮酸乙酰辅酶A苹果酸2.TCA循环与乙醛酸循环乙醛酸异柠檬酸琥珀酸CO2+H2O,葡萄糖,乙酰磷酸,6磷酸葡萄糖酸,3.HMP途径,4.PK途径,六、葡萄糖降解途径的相互关系,（一）葡萄糖的无氧降解G(EMP，HMP，PK)丙酮酸酒精、乳酸发酵（二）葡萄糖的有氧降解1、HMP途径；2、EMP途径、TCA循环、乙醛酸循环；3、EMP途径、HMP途径、TCA循环、乙醛酸循环；,六、葡萄糖降解途径的相互关系,（三）葡萄糖有氧降解和无氧降解的比较有氧降解无氧降解降解途径EMP、TCAHMPEMP最终受氢体O2O2乙醛、丙酮酸等最终产物CO2+H2OCO2+H2O酒精、乳酸等产生ATP数30或32292,第四节糖原的分解与合成代谢,一、糖原的分解代谢二、糖原的生物合成三、淀粉的生物合成四、葡萄糖的生物合成-糖异生,一、糖原的分解代谢,糖原磷酸化酶1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖变位酶6-磷酸葡萄糖EMP途径丙酮酸能量产生：由糖原开始，1G产生31或33ATP；,乙酰辅酶ATCA循环CO2、H2O,糖原的结构,糖原（glycogen