8.Chapter9 糖代谢_1.ppt

1、第九章糖代谢Carbohydrate Metabolism,糖代谢主要涉及单糖和多糖在生物体内如何被利用和储存的过程。即糖的分解和糖原的合成。,本章内容,第一节概述 第二节糖的无氧呼吸 第三节糖的需氧呼吸 第四节糖原的合成代谢,怎样学习？ 每一代谢途径细胞定位、限速酶、代谢起始物质、中间产物、终产物、能量变化,第一节概述,一、多糖及寡糖的降解 二、糖的消化、吸收和转运 三、糖的中间代谢概况,糖类是一切异养生物的主要 和,能源,碳源,糖类物质可以根据其水解情况分为：,单糖 (monosaccharide) 寡糖 (oligosaccharide) 多糖 (polysaccharide),葡萄糖

2、（glucose）果 糖 （fructose）半乳糖 （galactose）,蔗 糖 （sucrose） 麦芽糖 （maltose） 乳 糖 （lactose）,淀 粉 （starch） 糖 原 （glycogen） 纤维素 （cellulose）,一、多糖及寡糖的降解,一、多糖及寡糖的降解,多糖（淀粉、糖原）的降解方式,细胞外 细胞内,糖苷酶,磷酸化酶,水解 磷酸解,二）糖的转运,血糖（blood sugar）： 通常指血液中的葡萄糖。 血糖的含量是反映体内糖代谢状况的 一项重要指标 血糖能经常维持相对恒定(动态平衡）,二、糖的消化、吸收和转运,三、糖的中间代谢概况,糖的中 间代谢,合成代谢

3、 （吸能）,分解代谢 （放能）,植物、某些微生物：,动物、人：,需氧分解,不需氧分解,以无机物为受氢体的无氧呼吸：硫细菌、 硝酸盐还原菌,酵解（glycolysis） 发酵(fermentation),(有氧氧化)：,(无氧氧化),糖的无氧氧化,葡萄糖C6H12O6,丙酮酸2CH3COCOOH,乳酸2CH3CH(OH)COOH,酵解 Glycolysis,发酵 Fermentation,第二节糖的无氧分解,发酵葡萄糖 酵解葡萄糖或糖原,一、糖分解代谢的共同阶段糖酵解途径（EMP途径）,1940年被阐明。 Embden,Meyerhof,Parnas等人贡献最多，故糖酵解途径也叫Embdem-M

4、eyerhof-Parnas途径，简称EMP途径。,在细胞质中进行,葡萄糖,6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟基丙酮,1,3-二磷酸甘油酸,丙酮酸,3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,烯醇式丙酮酸,反应历程（10）：,一、糖酵解途径,1. 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖,磷酸化,磷酸化作用使糖不能自由逸出细胞且易参与代谢。 己糖激酶(hexo-kinase,HK):为限速酶。 肝中的己糖激酶同工酶型为葡萄糖激酶(gluco-kinase,GK)。 耗能，由ATP提供磷酸基团和能量，反应不可逆,第一个限速反应。,（glucose-6-phosphate),相对分子质量

5、为52000，有四种同工酶（A、B、C、D或、），分布在不同的组中。,激酶(kinase) ：凡催化磷酰基从ATP 分子上转移到受体上的酶称激酶， 需Mg2+等。,1 . G G-6-P,2. 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖,异构化,是醛糖和酮糖之间的异构化，反应可逆,(fructose-6-phosphate),3. 6-磷酸果糖 1,6-二磷酸果糖,再次磷酸化、 消耗1分子ATP，反应不可逆,第二个限速反应。 磷酸果糖激酶-1(phosphofructo-kinase, PFK):需Mg2+，为第2个限速酶。,磷酸化,(1,6-fructose-biphosphate),相对分子质量为320

6、000，含4个亚基。在人和动物中有3种同工酶：A型（骨骼肌，心脏），B型（肝，红细胞），C型（脑）,4. 1,6-二磷酸果糖 2分子磷酸丙糖,裂解,由醛缩酶(aldolase)催化,5. 磷酸丙糖同分异构化,生理条件下G-3-P不断形成丙酮酸，故反应向生成G-3-P方向进行。 磷酸丙糖异构酶：磷酸对其有弱竞争性抑制,96% 4%,以上酵解的前5步消耗2分子ATP，产生2分子3-磷酸甘油醛。以后5步则为产能阶段。,6. 3-磷酸甘油醛 1,3-二磷酸甘油酸,磷酸甘油醛脱氢酶：辅酶(NAD+) 为辅酶，对强酵解抑制剂碘乙酸特别敏感。砷酸盐（AsO43-）破坏1,3-二磷酸甘油酸的形成。 是EMP第

7、一次氧化作用。,(1,3-biphosphoglyceric acid),7. 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸,Mg2+,(3-phosphoglyceric acid),磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase) 产生一个ATP（方式： ）,底物水平磷酸化,产生ATP的方式：氧化磷酸化（主要） 底物水平磷酸化 氧化磷酸化(oxidative phosphorylation): 在电子传递过程中，释放出的能量使ADP磷酸化生成ATP的过程，又称电子传递水平磷酸化。 底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)： 直接由代谢物分子的

8、高能键转移给ADP（或GDP）生成ATP（或GDP）的反应称。,7.1,3-DPG 3-P-甘油酸,8. 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸变位酶(phosphglycerate mutase),9. 2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸,脱水,反应引起底物分子内电子重排与能量重新分布，形成一个高能磷酸键。 烯醇化酶(enolase)：氟化物是抑制剂,(phosphoenolpyruvic acid),10.磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,Mg2 +,K+,反应不可逆，限速步骤之三。 丙酮酸激酶(pyruvate kinase)：第3个限速酶。,(pyruvic acid),在哺乳动物中有4种同

9、工酶：L（肝）、M（肌肉）、K（肾髓）、R（红细胞）。,磷酸烯醇式丙酮酸 烯醇式丙酮酸 丙酮酸,产生1分子ATP(方式：底物水平磷酸化)(第二次),2,2,2,2,2,1葡萄糖 丙酮酸,净得： 2丙酮酸 2ATP 2NADH+H+,EMP,二、糖酵解的调节,细胞对糖酵解速度的调控是为了满足细胞对能量及碳骨架的需求。,在物质代谢的整个反映链中，某一步反应常常决定整个反映链的速度，这一步反应称为限速反应（关键反应）(limiting reaction)，催化此反应的酶称为限速酶（关键酶）(limiting enzyme)，这些酶所处的部位通常是控制代谢反应的有力部位。 糖酵解途径中有三步反应不可逆

10、，分别由己糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶催化，因此这三种酶对酵解速度起调节作用。,1、己糖激酶和葡萄糖激酶:(反应1),己糖激酶是别构酶，受产物G-6-P反馈抑制；专一性不强，可催化多种己糖磷酸化；Km值较低，为0.01mmol/l。 调节力度较弱。主要受脂代谢的调控乙酰辅酶A、脂肪酸对其均有抑制作用。,存在于肝细胞内的己糖激酶同工酶IV型又称为葡萄糖激酶。受胰岛素诱导合成。其专一性强，只能催化葡萄糖磷酸化；Km值高，为1015mmol/l；不是别构酶，其活性不受产物G-6-P反馈抑制。,2、磷酸果糖激酶-1（PFK-1）：(反应3),最主要的限速酶 为别构酶： 别构抑制剂（alloster

11、ic inhibitor）： ATP、柠檬酸 别构激活剂（allosteric activator）： AMP、ADP、 F-6-P 、 F-2,6-P2 、,F-2,6-P2 的形成及作用,作用： 通过增强F-6-P与酶的亲和力，拮抗ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶-1的变构抑制作用，使酶活化，加速EMP。 形成：,F-6-P,F-2,6-P2,磷酸果糖激酶-2,磷酸果糖激酶-2 (双功能酶),磷酸化：磷酸酶,去磷酸化：激酶,3、丙酮酸激酶：(反应10),激活剂： F-6-P，F-1,6-P2 抑制剂：ATP、Ala、乙酰辅酶A、脂肪酸 共价修饰调节： 胰高血糖素通过cAMP使酶磷酸化而抑制其活

12、性 聚合 解聚 四聚体（活性高） 二聚体（活性低）,总的来说：体内ATP/AMP调控EMP速率 若ATP/AMP（或ADP），酶被抑制， 则EMP 若ATP/AMP（或ADP），酶被激活，则EMP,三、酵解(glycolysis)作用,G（糖原） 乳酸,动物在激烈运动时或由于呼吸、循环系统障碍而发生供氧不足时。 生长在厌氧或相对厌氧条件下的许多细菌比如乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌）。,葡萄糖开始：,C6H12O6 + 2ADP + 2Pi 2CH3CHOHCOOH + 2ATP,糖原开始：,C6H12O6 + 3ADP + 3Pi 2CH3CHOHCOOH + 3ATP,四、发酵（fermenta

13、tion）,定义：凡利用微生物来生产某一种产品，不管需氧不需氧，也无论是糖代谢或其他物质代谢，统称。 生醇发酵：将糖的不需氧分解产生乙醇的过程称为。,五、糖无氧分解的生理意义,无氧分解的普遍性，反映大气缺氧时期原始生物的获能方式。,1机体在缺氧的情况下，获取能量的有效方式即应急供能的途径（2或3分子ATP）。 2某些组织细胞在有氧条件下仍以无氧分解为主要供能方式。 成熟红细胞 供给全部能量 神经组织 白细胞 供给部分能量 睾丸等,Crabtree效应（反巴斯德效应）：一些组织细胞给予葡萄糖时，无论供氧充足与否，均呈现很强的酵解反应，而糖的有氧氧化受抑制，这种作用称为。 巴斯德效应（Pastue

14、r effect）：机体（尤其是肌组织）供氧充足时，糖的有氧分解抑制无氧分解（酵解）的现象。,3糖的无氧分解不仅能提供能量， 而且还能提供碳源物质，参与 蛋白质、脂肪酸的生物合成。,3-磷酸甘油醛脱氢生成NADH+H+的去向不同：,第三节糖的需氧分解 (aerobic oxidation),在有氧条件下,葡萄糖彻底氧化成CO2 和H2O，同时释放能量的过程。 G 丙酮酸 CO2H2O 两条途径 磷酸戊糖途径,EMP,三羧酸循环,一、糖的有氧氧化的反应历程（三羧酸循环途径）,分为三个阶段：,（二）丙酮酸 乙酰CoA,地点：线粒体 产生1个NADH 处于代谢途径的分支点，是关键性不可逆反应。,氧化

15、脱羧,COO,丙酮酸脱氢酶系这一多酶复合体位于线粒体内膜上，原核细胞则在胞液中。,丙酮酸脱氢酶系,三种酶,六种辅 助因子,E1：丙酮酸脱羧酶 （丙酮酸脱氢酶） E2：二氢硫辛酸乙酰转移酶 E3：二氢硫辛酸脱氢酶。,焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酸、 辅酶A（COASH）、 FAD、NAD+、Mg2+,外膜,内膜,基质,调控：,1）产物抑制，相应反应物解抑制： 乙酰CoA E2 CoA NADH E3 NAD+ 2）核苷酸反馈调节：E1受GTP抑制，被AMP活化。 3）可逆磷酸化作用的调节：E1的磷酸化状态无活性，反之有活性。Ca2+通过去磷酸化作用，使E1活化。,(三)、三羧酸循环（TCA循环、

16、柠檬酸循环、Krebs循环）,在有氧的情况下，葡萄糖酵解产生的丙酮酸氧化脱羧形成乙酰CoA。乙酰CoA经一系列氧化、脱羧，最终生成C2O和H2O并产生能量的过程，称为三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle), 简称TCA循环，亦称为柠檬酸循环。为了纪念德国科学家H.A.Krebs，所以又称Krebs循环。,三羧酸循环 tricarboxylic acid,TCA,丙酮酸,乙酰CoA,-酮 戊二酸,琥珀 酸,延胡 索酸,苹果 酸,草酰 乙酸,柠檬 酸,琥珀酰 CoA,异柠檬酸,加入2C,主要在线粒体基质中,2C,4C,6C,6C,5C,4C,4C,4C,4C,1、柠檬酸（c

17、itric acid）的生成,耗能，G0= -32.2 KJ/mol，能量来自于高能硫酯键，反应不可逆 柠檬酸合酶（citrate synthase）：对草酰乙酸Km很低。TCA的第一个限速酶 氟乙酰CoA导致致死合成常作为杀虫剂,（4C）,（6C）,柠檬酸 合酶,（2C）,*,*,*,*,2、柠檬酸 异柠檬酸 （顺乌头酸酶）,在pH7.0，25C的平衡态,90% 4% 6%,异构化,CH2,异柠檬酸,COO-,HO-CH,CH-COO-,COO-,*,*,3、由异柠檬酸 -酮戊二酸,TCA中第一次氧化脱羧(三羧酸到二羧酸) 反应不可逆 异柠檬酸脱氢酶： 辅酶为NAD+或NADP+，为第二个关

18、键酶,氧化脱羧,细胞内有2种异柠檬酸脱氢酶，一种以NAD+为辅酶（仅存在于线粒体基质中），一种以NADP+为辅酶（多存在于细胞质中，线粒体基质中有少量）。 其四聚体有活性，二聚体无活性。,4、 -酮戊二酸 琥珀酰CoA,TCA中第二次氧化脱羧 反应不可逆 -酮戊二酸脱氢酶系：辅酶为NAD+，关键酶。,+HSCoA,C O,COOH,CH2,COOH,CH2,C O,SCoA,CH2,COOH,CH2,NAD+,NADH+H+,Mg 2+,-酮戊二酸脱氢酶系,氧化脱羧,-酮戊二酸 (5C),琥珀酰CoA (4C),*,*,*,*,+ CO2,-酮戊二酸脱氢酶系(-ketoglutarate de

19、hydrogenase system)与丙酮酸脱氢酶系相似,TPP、硫辛酸、CoA、FAD、NAD+、Mg2+,-酮戊二酸脱氢酶系,三种酶,六种辅 助因子,-酮戊二酸脱氢酶,硫辛酸琥珀酰转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,5、琥珀酰CoA 琥珀酸,TCA中唯一底物水平磷酸化直接产生高能磷酸化合物（GTP）,C O,S CoA,CH2,COOH,CH2,COOH,CH2,COOH,CH2,GTP+ADP GDP+ATP,+HSCoA,琥珀酰CoA (4C),琥珀酸(4C),*,*,*,*,二磷酸核苷激酶,6、琥珀酸 延胡索酸,TCA中第三次氧化的步骤 琥珀酸脱氢酶（succinate dehydrogen

20、ase）：辅酶为FAD。该酶是TCA循环中唯一结合在线粒体内膜的酶（其余的酶都在基质中）。丙二酸为该酶的竞争性抑制剂。,COOH,CH2,COOH,CH2,COOH,CH,COOH,+FAD,+FADH2,琥珀酸脱氢酶,HC,嵌入线粒体内膜,脱氢,琥珀酸(4C),延胡索酸(4C),*,*,*,*,7、延胡索酸 苹果酸,延胡索酸酶：fumarate hydratase,COOH,CH,COOH,CH,COOH,HO-CH,COOH,H-C-H,+H2O,延胡索酸酶,水化,延胡索酸(4C),苹果酸(4C),*,*,*,*,8 、 苹果酸 草酰乙酸,TCA中第四次氧化的步骤，最后一步。 苹果酸脱氢酶

21、 malate dehydrogenase,COOH,HO - CH,COOH,H-C-H,+NAD+,COOH,C=O,COOH,CH2,+NADH+H+,脱氢,苹果酸脱氢酶,*,*,*,*,苹果酸(4C),草酰乙酸(4C),3ATP,NADH+H+,FADH2,2ATP,三羧酸循环过程总结(一次循环),反应场所：线粒体 8种酶催化（3个关键酶：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶系。） 反应类型 缩合1、脱水1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化1 是不可逆的反应过程 三羧酸循环中间产物起着催化作用，本身无量的变化。,消耗两分子水 生成3分子还原型Co（NADH+H+）(9ATP )

22、生成1分子FADH(2ATP) 生成1分子GTP(1ATP)（底物磷酸化） 生成2分子CO2,CH3COSCoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O HSCoA + 3NADH + 3H+ + FADH2 + GTP + 2CO2,生成的CO2的C并不是来自乙酰CoA的乙酰基，而是草酰乙酸上的羧基。,整个循环不需要氧，但离开氧无法进行。,二、三羧酸循环的调控,TCA循环的速度主要取决于细胞对ATP的需求量，即ATP/AMP（ATP/ADP）比值和NADH/NAD+比值直接调节其速率。 TAC中有三个限速酶： 柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、 -酮戊二酸脱氢酶系。,1.柠檬酸合酶 决定乙酰CoA进入TCA循环的速率： 变构激活剂：AMP 变构抑制剂：ATP 、 NADH 、 柠檬酸、琥珀酰CoA 2.异柠檬酸脱氢酶 ： 变构激活剂： ADP、Ca2+ 变构抑制剂： ATP,3. 酮戊二酸脱氢酶系与丙酮酸脱氢酶系相似。 调节方式：别构效应，共价修饰,酮戊二酸 脱氢酶系,琥珀酰CoA ATP NADH 磷酸化,抑制,AMP(ADP) Ca2+ 去磷酸化,激活,ATP/ADP或ATP/AMP比值的影响： 比值 ，某些关键酶活性 ，有氧氧化速率 ； 比值 ，某些关键酶活性 ，