第四节糖的分解代谢

,生物化学,单击到下一页,糖代谢,制作人：生化1201王新续,第四节糖的分解代谢,糖类物质是人类食物的主要成分，是人类三大营养物质之一。可以提供迅速被有机体利用的能量是糖类最主要的生理功能，人类能从食物中摄取的糖类有淀粉、动物糖原、蔗糖、乳糖、麦芽糖、葡萄糖、果糖及纤维素等。除葡萄糖、果糖等单糖外，其它糖类都必须经过消化道中的水解酶类分解为单糖后才能被机体吸收。因人体不分泌水解纤维素的酶，所以人体不能消化纤维素，但纤维素可以促进肠道的蠕动，对维持健康有重要作用。,食物中的糖经消化系统水解生成的单糖主要在小肠中被小肠粘膜细胞吸收进入血液。血液中的单糖（主要是葡萄糖）称为血糖（bloodsugar）。正常人在安静空腹状态下，血糖浓度是较恒定的，一般为4.66.7mmol/L。若此时血糖低于3.7mmol/L,则为低血糖；若高于8.8mmol/L，则为高血糖，此时尿中出现葡萄糖，称为尿糖。饱食后，血糖浓度会暂时升高，12h后恢复正常水平；长期饥饿时，血糖浓度略低于正常值。糖代谢主要是指葡萄糖在生物体内的分解代谢与合成代谢。其它糖的代谢一般回归葡萄糖代谢，或通过其它途径进行代谢。糖的分解代谢主要是指葡萄糖在生物细胞内氧化分解并释放出分子中蕴藏着的化学能的过程，是生物获得维持生命所必需的代谢能的方式。糖的分解代谢主要有三条途径：1、在缺氧或无氧情况下进行的无氧分解；2、在有氧情况下进行的有氧氧化；3、磷酸己糖途径。其中，无氧代谢不能将葡萄糖完全分解为二氧化碳，部分能量仍积累在其代谢产物中；而有氧代谢，通过呼吸链将葡萄糖完全氧化成二氧化碳和水，可将葡萄糖中的能量完全释放出来为生物体利用，因此有氧氧化是糖分解代谢的主要途径。,一、糖的无氧分解代谢,糖的无氧分解定义：葡萄糖或糖原的葡萄糖单位通过糖酵解途径分解为丙酮酸，这个过程称为糖的无氧分解。（由于此过程与酵母菌使糖生醇发酵的过程基本相似，故又称糖酵解）。,广义的发酵作用是酵母及其它厌氧微生物体内所进行的糖代谢过程。人和高等动物体内也存在着糖的无氧代谢过程，但不同于微生物的发酵作用，动物体内的肌糖元或葡萄糖在胞液中经一些列酶促反应分解为丙酮酸后，部分还原生成乳酸，此过程与酵母菌的发酵作用过程基本相同，因此肌糖原的糖酵解作用也称乳酸发酵。,A、糖酵解途径(EMP途径),定义：由酵母发酵葡萄糖生成酒精的过程，称为糖酵解过程（glycolysis），此过程也是葡萄糖的裂解过程，1940年此过程被人们研究清楚，并把该过程称为糖酵解途径（embden-meyer-hof-parnas,EMP）或EMP途径，EMP途径的反应过程发生在所有原核细胞和真核细胞的细胞质溶胶中。,糖的无氧分解代谢又称为无氧呼吸（anaerobicrespiration）.在缺氧或无氧情况下，高等动物体内的葡萄糖在酶的催化下降解为乳酸的过程称为糖酵解过程，又称为乳酸发酵。在厌氧情况下，酵母菌将葡萄糖转化为乙醇和二氧化碳的过程称为酒精发酵作用。乳酸菌将葡萄糖转化为乳酸和二氧化碳的过程称为乳酸发酵作用。高等动物体内进行的糖酵解代谢反应过程可分为：1、葡萄糖先分解为丙酮酸的糖酵解途径（EMP途径）；2、丙酮酸再转变为乳酸的过程。糖酵解的全部反应在胞浆中进行。,糖酵解途径又可以进一步细分为4各阶段，共11步反应。,第一阶段：磷酸己糖的生成（包括以下4步反应）,1、葡萄糖在己糖激酶的催化下，生成1-磷酸葡萄糖，同时消耗一分子的ATP。,葡萄糖（G）,己糖激酶/葡萄糖激酶,1-磷酸葡萄糖,2、1-磷酸葡萄糖在磷酸葡萄糖变位酶的催化下，生成6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,磷酸葡萄糖变位酶,6-磷酸葡萄糖（G-6-P）,3,、6-磷酸葡萄糖在己糖异构酶的催化下生成6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,己糖异构酶,6-磷酸果糖（F-6-P）,4、6-磷酸果糖在磷酸果糖激酶的催化下生成1,6-二磷酸果糖，同时消耗一分子ATP,6-磷酸果糖,磷酸果糖激酶,ATP,ADP,1-6二磷酸果糖,第二阶段：1,6-二磷酸果糖降解为3-磷酸甘油醛（包括以下两步反应）（反应序号接前）,5、1,6-二磷酸果糖分解为两个磷酸丙糖。在醛缩酶的催化下，1,6-二磷酸果糖裂解为磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛。,1,6-二磷酸果糖,醛缩酶,磷酸二羟丙酮+3-磷酸甘油醛,6、磷酸丙糖的同分异构化。3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮是同分异构体,在磷酸丙糖异构酶催化下可相互转变。,3-磷酸甘油醛,磷酸丙糖异构酶,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛在下一步反应中不断被移去后，磷酸二羟丙酮迅速转变为3-磷酸甘油醛，继续进行糖酵解。,第三阶段：由3-磷酸甘油醛生成2-磷酸甘油酸（3步）,7、3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸。3-磷酸甘油醛在3-磷酸甘油醛脱氢酶的催化下将3-磷酸甘油醛的醛基氧化成羧基，同时也将羧基中的羟基磷酸化。,3-磷酸甘油醛,1，3-二磷酸甘油醛,反应中以NAD（NAD）为辅酶接受氢和电子，同时参加反应的还有无机磷酸（Pi）。反应中生成的NADH2（NADH+H）在糖的无氧氧化中还原为乳酸或乙醇的还原动力，在糖的有氧氧化中通过穿梭作用进入线粒体的呼吸链，生成水产生ATP。,8、1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸。1,3-二磷酸甘油酸在磷酸甘油激酶的催化下，将其高能磷酸键从羧基上转移到ADP上，形成ATP和3-磷酸甘油酸。,1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸,此反应是糖酵解中第一个产生ATP的反应，属于底物水平磷酸化。,9、3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸。3-磷酸甘油酸在磷酸甘油酸变位酶的催化下，将磷酸基从它的C3位转移到C2位，形成二磷酸甘油酸。在催化反应中镁离子参加是必须的，该反应是可逆的。,3-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸变位酶,2-磷酸甘油酸,第四阶段：2-磷酸甘油酸转变为丙酮酸（反应序号接前）,10、2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸。2-磷酸甘油酸在烯醇化酶的催化下生成磷酸烯醇式丙酮酸，反应中脱去水的同时引起分子内部能量的重新分配，形成一个高能磷酸键,为下一步反应做了准备。,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,11、烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸。磷酸烯醇式丙酮酸在丙酮酸激酶的催化下，转变为丙酮酸。反应中磷酸烯醇式丙酮酸将高能磷酸键转移给ADP生成ATP，这是糖酵解途径中的第二次底物水平磷酸化。,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶,ADP+Pi,ATP,丙酮酸,此步反应是糖酵解途径中的第三个限速反应，丙酮酸激酶是糖酵解途径中的第三个关键酶。,葡萄糖（G）,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,1,3-二磷酸甘油酸,3-三磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,乳酸,图61糖酵解途径,2、EMP的特点,1）、三步不可逆反应,2）、唯一的一步氧化还原反应,3）、两步底物水平磷酸化作用,3、EMP的调控,4）、1个G酵解净产生2个ATP,三步不可逆反应催化的酶调控点,5）、1个G酵解净产生2个NADH,底物水平磷酸化作用,底物经脱氢或脱水、电子重排，产生高能化合物，然后高能化合物分解释放能量供ATP或GTP的生成。,B、丙酮酸去路,从葡萄糖到丙酮酸的生成，在所有生物体中和各种细胞内都是非常相似的。但是在有氧和无氧情况下，丙酮酸的去路或代谢途径是不同的。丙酮酸的去路有以下3各方面。,、丙酮酸转变为乳酸,在缺氧或无氧情况下，丙酮酸在乳酸脱青梅的催化下，由糖酵解途径中产生的NADH提供氢，将丙酮酸还原为乳酸，这是肌肉中糖酵解的最终产物。而NADH重新转变NAD+,继续进行糖酵解。,葡萄糖转变为乳酸的总反应为：,葡萄糖+2Pi+2ADP,2乳酸+2ATP+2H2O,、丙酮酸转变为乙醇,在酵母和其他部分微生物体的细胞内有丙酮酸脱羧酶，在无氧情况下，丙酮酸脱羧生成乙醛。后者在乙醛脱氢酶的催化下，由NADH+H提供氢，使乙醛还原为乙醇。由葡萄糖经糖酵解途径转变为乙醇的过程称为酒精发酵。,葡萄糖+2Pi+2ADP,2乙醇+2CO2+2ATP+2H2O,、丙酮酸转变为乙酰CoA,在有氧情况下，丙酮酸在丙酮酸氧化脱羧酶系的催化下转变为乙酰CoA，或进入三羧酸循环，被彻底氧化为二氧化碳和水，并释放出能量；或参与合成脂肪酸、胆固醇等物质;或参与乙酰化反应。,C、糖酵解途径中的能量变化和关键酶,糖酵解的全过程，虽有氧化还原反应发生，但无需氧分子参加，因此糖酵解过程是一个不需氧的产能途径，在糖酵解的全部反应中，除了己糖激酶、6-磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶所催化的反应是不可逆反应外，其余都是可逆反应，所以己糖激酶、6-磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶3个激酶是糖酵解途径的关键酶。,D、糖酵解的生理意义,糖酵解时每分子磷酸丙酮有2次底物水平磷酸化，可生成2分子ATP。1分子葡萄糖可生成2分子磷酸丙酮，因此，1mol葡萄糖可生成4molATP。在葡萄糖和6-磷酸果糖磷酸化时共消耗2ATP，故1mol葡萄糖经糖酵解可净生成2molATP，可储能61kJ。因此，糖酵解最重要的生理意义在于迅速提供能量。,激烈运动或机体缺氧时，主要通过糖酵解获得能量。成熟的红细胞没有线粒体，完全依赖糖酵解供能。机体代谢中极为活跃的神经细胞、白细胞、骨髓、视网膜细胞等即使在不缺氧时也常通过糖酵解提供部分能量。某些病理条件下，如严重贫血、大量失血、呼吸障碍、肺及心血管疾病所引起的机体缺氧，组织也可增强糖酵解以获得能量。,实例：,图62糖在细胞内外的有氧分解区域,二、糖的有氧分解代谢,定义：在有氧情况下，葡萄糖彻底氧化成二氧化碳和水,并释放大量能量的反应过程，称为糖的有氧分解代谢，又称糖的有氧氧化。,葡萄糖的有氧分解代谢途径是一条完整的代谢途径，整个反应过程是在细胞的胞液和线粒体两个部位进行的，如图62所示。,糖的有氧分解代谢可分为以下三个阶段：,第一阶段：葡萄糖分解为丙酮酸,第二阶段：丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA,丙酮酸+HS-CoA+NAD+,丙酮酸氧化脱羧酶,乙酰CoA+CO2+NADH+H+,第三阶段：乙酰CoA的氧化,总的反应式可用下式来表示：,三羧酸循环,(1)反应过程(2)反应特点,三羧酸循环图,TCA循环,柠檬酸合酶,关键酶,草酰乙酸,(1)反应过程,返回,TCA循环,柠檬酸(citrate),TCA循环,异柠檬酸,异柠檬酸脱氢酶,调节酶,TCA循环,-酮戊二酸脱氢酶系,琥珀酰CoA(succinylCoA),-酮戊二酸(-ketoglutarate),调节酶,-酮戊二酸氧化脱羧酶,-酮戊二酸脱羧酶、二氢硫辛转琥珀酰基酶、二氢硫辛酸还原酶,辅酶A、FAD、NAD+、镁离子、硫辛酸、TPP,三个酶:,六个辅助因子：,三羧酸循环,TCA循环,琥珀酰CoA合成酶或琥珀酸硫激酶,琥珀酰CoA(succinylCoA),琥珀酸(succinate),HSCoA,ADP,ATP,植物、微生物,动物,TCA循环,琥珀酸(succinate),琥珀酸脱氢酶,延胡索酸(fumarate),FADH2,TCA循环,延胡索酸(fumarate),延胡索酸酶,苹果酸(malate),H2O,TCA循环,苹果酸脱氢酶,草酰乙酸(oxaloacetate,OAA),苹果酸(malate),NAD+,NADH+H+,丙酮酸,NAD+,NADH+H+,CO2,乙酰辅酶A,HS-CoA,柠檬酸,H2O,顺乌头酸,H2O,异柠檬酸,NAD+,NADH+H+,草酰琥珀酸,CO2,a-酮戊二酸,NADH+H+,NAD+,HS-CoA,CO2,琥珀酰辅酶A,GTP,GDP,HS-CoA,琥珀酸,FAD,FADH2,延胡索酸,苹果酸,H2O,NAD+,NADH+H+,三羧酸循环,草酰乙酸,返回,三羧酸循环的酶,1柠檬酸合成酶（关键酶）2,3顺乌头酸酶（调节酶）4,5异柠檬酸脱氢酶（关键酶）6a-酮戊二酸脱羧酶系（关键酶）7琥珀酸硫激酶（调节酶）8琥珀酸脱氢酶（调节酶）9延胡索酸酶（调节酶）10苹果酸脱氢酶（调节酶）,丙酮酸羧化酶生物素、Mg2+,三羧酸循环中草酰乙酸的来源(1):,+CO2+ATP,+ADP+Pi,三羧酸循环,1、丙酮酸在丙酮酸羧化酶的催化下形成草酰乙酸，需要生物素为辅酶。,2、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。,三羧酸循环中草酰乙酸的来源(2):,三羧酸循环中OAA的来源(3):,OAA,3、天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和a酮戊二酸。,(2)三羧酸循环特点:,一次底物水平磷酸化二次脱羧三个不可逆反应四次脱氢1个FADH2;3个NADHH,返回,（三）三羧酸循环的生物学意义,三羧酸循环是糖的有氧分解代谢的最重要阶段,三羧酸循环是三大营养物质在体内氧化功能的共同主要途径。,三大营养物质相互转变的联系枢纽。,返回,三、乙醛酸循环与回补反应,定义：有些微生物和植物细胞内除有三羧酸循环的各种酶以外，还有另外两种酶：异柠檬酸裂解酶和苹果酸合成酶。异柠檬酸在异柠檬酸裂解酶的催化下裂解为琥珀酸和乙酰。乙醛酸与另一分子的乙酰辅酶A在苹果酸的催化下合成苹果酸。而琥珀酸通过与三羧酸循环相同的反应形成草酰乙酸，从而形成一个循环途径，称为乙醛酸循环。,图64乙醛酸循环,乙酰辅酶A,辅酶A,H2O,柠檬酸,H2O,顺乌头酸,异柠檬酸,琥珀酸,乙醛酸,草酰乙酸,苹果酸,NAD+,乙酰辅酶A,辅酶A,H2O,草酰乙酸,NADH+H+,三、磷酸戊糖途径（pentosephosphatepathway）,1、过程2、特点3、生物学意义,第一阶段（氧化阶段）：C6-C5,NADPH和CO2,第二阶段（非氧化阶段）：C5C6C3,磷酸戊糖途径(pentosephosphatepathway,PPP)又称磷酸已糖支路(hexosemonophosphateshuntHMS简称HMS支路)。,（一）过程,返回,（1）,6-磷酸葡萄糖glucose6-phosphate,6-磷酸葡萄糖脱氢酶