第六章糖类代谢

1、第六章 糖类代谢 主要内容： 了解糖类的生物学作用和重要的单糖、寡多糖的分类和结构。 讨论糖的分解与合成，重点掌握以葡萄糖为代表的单糖的分解与合成的 主要途径。 目 录 第一节 糖类化学概述 第二节 单糖的代谢 第三节 糖原的分解和生物合成 第一节 糖类化学概述 1、糖类的生物学作用 2、糖的分类 3、重要的单糖、双糖和多糖 糖类的生物学作用 糖类是细胞中非常重要的一类有机化合物，主要的生物学 作用如下： 作为生物体的结构成分 作为生物体内的主要能源物质 作为其它生物分子如氨基酸、核苷酸、脂等 合成的前体 作为细胞识别的信息分子 糖的分类 OH OHH HOH HOH O OH O OH H

2、H H OH OH HOH H CH2OH 葡萄糖(glucose) 已醛糖 果糖(fructose) 已酮糖 OH O HOH OHH HOH HOH 1. 单糖 不能再水解的糖 O OH OH HOH2C H H OH H CH2OH O OH H H OH H OH H OH H CH2OH O H HH H OHOH OH HOH2C OH O HOH OHH OHH HOH 半乳糖(galactose) 已醛糖 核糖(ribose) 戊醛糖 OH HOH HOH OH O H 2. 二糖 常见的几种二糖有 麦芽糖 (maltose) 葡萄糖 葡萄糖 蔗 糖 (sucrose) 葡萄糖

3、 果糖 乳 糖 (lactose) 葡萄糖 半乳糖 能水解生成二分子单糖的糖，各单糖之间借 脱水缩合的糖苷键相连。 重要的二糖 蔗糖麦芽糖 乳糖 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 元 (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 第二节 单糖的代谢 一、葡萄糖的主要代谢途径及细胞定位 二、糖的无氧分解（糖酵解） 三、糖的有氧氧化 四、三羧酸循环（TCA） 五、磷酸戊糖途径（PPP） 六、糖的异生 动物细胞 植物细胞 细胞

4、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 一、葡萄糖的主要代谢途径 葡萄糖 丙酮酸 乳酸 乙醇 乙酰 CoA 6-磷酸葡萄糖 磷酸戊糖 途径 糖酵解 途径 （有氧） （无氧） 三羧酸 循环 （有氧或无氧） 糖异生 二、糖的无氧分解（糖酵解） 第一阶段 第二阶段 * 糖酵解(glycolysis)的定义 * 糖酵解分为两个阶段 * 糖酵解的反应部位：细胞质基质 在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的 过程称之为糖酵解。 由葡萄糖分解成丙酮酸(

5、pyruvate)，称之为 糖酵解途径(glycolytic pathway)。 由丙酮酸转变成乳酸。 糖酵解途径（glycolysis） 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 糖酵解途径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。 EMP的化学历程 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

6、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 第一阶段：葡萄糖的磷酸化 ATP ADP ATP ADP 葡萄糖激酶 磷酸果 糖激酶 异构酶 第二阶段： 磷酸己糖的裂解 醛缩酶 异构酶 第三阶段：磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和ATP的生成 NAD+ NADH+H+ Pi ADP ATP H2O Mg或Mn ATP ADP 丙酮酸 PEP 丙酮酸激酶 脱氢酶 激酶 变 位 酶 烯醇化酶 途径化学计量和生物学意义 总反应式: C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2C3H4O3 +2NADH +2H+2ATP+2H2O 生物

7、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 2ATP 2NADH 6ATP 糖酵解的调控位点及相 应调节物 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 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

8、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。 磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶 己糖激酶 AMP G-6-P ATP +- F-2,6-BP AMP + - 柠檬酸 NADH ATP ATP Ala F-1,6-BP - + 酶的别构（变构）效应示意图 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） EDC B 关键酶 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，

9、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 CB H Ea-b Ec-d Ec-g 关键酶（限速酶）P2 蛋白激酶 ATP ADP 蛋白质蛋白质Pn 蛋白磷酸酶 nPiH2O 丙酮酸激酶催化活性控制关系图 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 PiATP ADP 果糖-1，6-二磷酸ATP丙氨酸 + 低血糖 Pi + 三、丙酮酸的去路 （有氧） （无氧） 葡

10、萄糖葡萄糖丙酮酸 乳酸 乙醇 乙酰 CoA 三羧酸 循环 （有氧或无氧） 丙酮酸 乳酸 乙醇 乙酰 CoA 糖酵解途径 三羧酸 循环 （有氧或无氧） 葡萄糖的无氧分解（糖酵解） 葡萄糖 EMP NADH+H+ NAD+ CH2OH CH3 乙醇 NADH+H+ NAD+ CO2 乳酸 COOH CH(OH ) CH3 乙醛 CHO CH3 COOH C=O CH3 丙酮酸 葡萄糖的无氧分解 E1:己糖激酶 E2: 6-磷酸果糖激酶 E3: 丙酮酸激酶 NAD+ 乳 酸 糖酵解代谢途径 葡萄糖 1，6-二磷酸果糖 ATP ADP ATP ADP 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油

11、酸 丙 酮 酸 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 NAD+ NADH+H+ ADP ATP ATP 磷酸烯醇式丙酮酸 E2 E1 ADP E3 NADH+H+ 6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖 l两次底物水平磷酸化 E4:磷酸甘油酸激酶 E3:丙酮酸激酶 l不可逆反应： l能量变化： 产生4分子ATP，消耗2分子ATP, 净产生2分子ATP E4 其它糖进入单糖分解的途径 半乳糖 半乳糖-1-P UDP-半乳糖 UDP-葡萄糖 葡萄糖-1-磷酸 糖原或淀粉 葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸 果糖 葡萄糖 果糖-6-磷酸果糖-1、6-磷酸 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油 甘油 3-磷酸甘油醛 进入糖酵解 甘露糖 甘露

12、糖-6-磷酸 ATP ADP ATPADP ATP ADP ATP ADP ATP ADP ATP ADP NADH+H+ NAD+ Pi UTP PPi 丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧氧化 （EPM） 葡萄糖 COOH C=O CH3 丙酮酸 CH3-C-SCoA O 乙酰CoA 三羧酸 循环 NAD+ NADH+H+ CO2 CoASH 葡萄糖的有氧分解 丙酮酸脱氢酶系 丙酮酸脱氢酶系(三种酶五种辅酶) NAD+ +H+ 丙酮酸 脱羧酶 FAD 硫辛酸乙酰 转移酶 二氢硫辛 酸脱氢酶 CO2 乙酰硫辛酸 二氢硫辛酸 NADH+H+TPP 硫辛酸 CoASH NAD+ CH3-C-SCoA

13、O 焦磷酸硫胺素（TPP）在丙酮酸脱羧中的作用 C-H+ C- CH3-C-COOH OH CO2 丙酮酸 硫辛酸的氢载体作用和酰基载体作用 氧化型硫辛酸 S S C C C (CH2)4COO- S HS C C C (CH2)4COO- 乙酰二氢硫辛酸 +2H -2H 二氢硫辛酸 HS HS C C C (CH2)4COO- 泛酸和 辅酶 A （CoASH） SH 酰基结合 位点 维生素pp和尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD+ ） R NAD+: R=H NADP+: R=PO3H2 递氢体作用： NAD+2H NADH+H+ 维生素B2和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD） 递氢体作用：FAD+

14、2H FADH2 四、三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle, TCA tricarboxylic acid cycle, TCA 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、草酰乙酸的回补反应（自学） O CH3-C-SCoA CoASH NADH+CO2 FADH2 H2O NADH +CO2NADH 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

15、 NAD+ NAD+ FAD NAD+ TCA第一阶段：柠檬酸生成 H2O 草酰乙酸 O CH3-C-SCoA CoASH H2O 柠檬酸合成酶 顺乌头 酸酶 TCA第二阶段：氧化脱羧 CO2 GDPPi GTP NAD+ NADH+H+ NAD+ NADH+H+ CoASH 异柠檬酸脱氢酶 CO2 酮戊二酸 脱氢酶 琥珀酸 硫激酶 TCA第三阶段：草酰乙酸再生 FAD FADH2 H2O NAD + NADH+H+ 草酰乙酸 琥珀酸脱氢酶延胡索酸酶 苹果酸 脱氢酶 三羧循环的化学计量和能量计量 a、总反应式: CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH

16、+3NADH+3H+ +FADH2+GTP 能量“现金” : 1 GTP 能量“支票”: 3 NADH 1 FADH2 兑换率 1：3 9ATP 兑换率 1：2 2ATP 1ATP 12ATP b、三羧酸循环的能量计量 葡萄糖完全氧化产生的ATP 酵解阶段： 2 ATP 2 1 NADH 兑换率 1：3 2 ATP 2 (3ATP) 三羧酸循环：2 1 GTP 2 3 NADH 2 1 FADH2 2 1 ATP 2 9 ATP 2 4 ATP 兑换率 1：3 兑换率 1：3 丙酮酸氧化：2 1NADH 兑换率 1：3 2 3 ATP 总计：38 ATP O CH3-C-SCoA CoASH

17、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（限速酶） 异柠檬酸脱氢酶 酮戊二酸脱氢酶 ADP + NADH ATP- 琥珀酰CoA NADH - 琥珀酰CoA NADH ATP - 苹果酸 草酰乙酸 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（为呼吸链提供H+ + e）。 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 有氧氧化的反应过程 第一阶段：糖酵解途径 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

18、 乙酰CoA CO2 NADH+H+ FADH2 H2O O ATP ADP TAC循环 细胞质基质 线粒体 五、 磷酸戊糖途径 （pentose phosphate pathway, 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 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-P 5 果糖-6-P 5 葡萄糖-6-P 1、氧化脱羧阶段 6 G-6-P 6 葡萄糖酸-6-P 6 核酮糖-P 6 NADP+ 6 NADPH+6H+ 6 NADP+ 6 NADPH+6H+ 6CO2 6H2O 磷酸戊糖途径的氧化脱羧阶段 NAD

19、P+ NADPH+H+ H2O NADPH+H+ NADP+ 5-磷酸核酮糖 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖酸内酯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 H2OPi 6 5-磷酸核酮糖 2 5-磷酸核糖 2 5-磷酸木酮糖 2 3-磷酸甘油 醛 2 7-磷酸景天庚酮糖 2 4-磷酸赤藓丁糖2 6-磷酸果糖2 5-磷酸木酮糖 2 3-磷酸甘油醛 2 6-磷酸果糖 1， 6-二磷酸果糖 1 6-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 6 G

20、-6-P + 12NADP+ +7 H2O 5 G-6-P + 6CO2 + 12NADPH +12H+ 磷酸戊糖途径的生理意义 产生大量NADPH,主要用于还原（加氢）反应，为细胞提 供还原力 产生大量的磷酸核糖和其它重要中间产物 与光合作用联系，实现某些单糖间的转变 六、糖的异生 1、糖异生作用的主要途径和关键反应 2、葡萄糖代谢与糖异生作用的关系 糖异生主要途径 和关键反应 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。 糖原（或淀粉） 1-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 1，6-二磷酸果糖

21、 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 磷酸酯酶 丙酮酸 激酶 丙酮酸羧化酶 6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶 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 + H2O+Pi 6-磷酸葡萄糖 磷酸酯酶 P 6-磷酸葡萄糖 H 葡萄糖 糖异生途径关键反应之二 二磷酸果糖 磷酸酯酶 + H2O + Pi 1,6-二磷酸果糖 P P O H2CO H2CO HO OH H OHH H H H2CO OH 6-磷酸果糖 P O H2CO HO OH H H H 糖异生途径关键反应之三 PEP羧激酶 ATP+H2O ADP+Pi 丙酮

22、酸羧化酶 P 磷酸烯醇丙酮酸 （PEP） GTP GDP 丙酮酸 草酰乙酸 CO2 CO2 糖 酵 解 和 葡 萄 糖 异 生 的 关 系 A B C1 C2 A G-6-P磷酸酶 B F-1.6-P磷酸酶 C1 丙酮酸羧化酶 C2 PEP羧激酶 （胞液） （线粒体） 葡萄糖 丙酮酸草酰乙酸天冬氨酸 磷酸二羟丙酮 3-P-甘油醛 -酮戊二酸 乳酸 谷氨酸 丙氨酸 乙酰CoA PEP G-6-P F-6-P F-1.6-P 丙酮酸 草酰乙酸 谷氨酸-酮戊二酸 天冬氨酸 3-P-甘油 甘油 第三节 糖原的分解和生物合成 一、糖原的分解 二、糖原的合成 三、糖原代谢的调控 一、糖原的分解 * 定义

23、* 亚细胞定位：细胞质基质 糖原n+1 糖原n + 1-磷酸葡萄糖 磷酸化酶 糖原分解 (glycogenolysis )习惯上指肝糖原分解成为 葡萄糖的过程。 磷酸葡萄 糖变位酶 6-磷酸葡萄糖 葡萄糖-6-磷酸酶 （肝、肾） 葡萄糖 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。 二、糖原的合成 1 、 U D P - 葡 萄 糖 焦 磷 酸 化 酶 （ U D P - g l u c o s e pytophosphorylase） 催化单糖基的活化形成糖核苷二磷酸（UDPG)，为各 种聚糖形成时，提供糖基和能量。动物细胞中糖元合成时需 UDPG；植物细胞中蔗糖合成时需UDPG，淀粉合成时需ADPG，纤 维素合成时需GDPG和UDPG。 2、糖原合成酶（glycogen synthase） UDPG的结构 GUDP 糖核苷酸的生成 + +PPi 1-磷酸葡萄糖 UTPUDPG 糖 原 合 成 酶 反 应 UDPG UDP 糖原（