糖类化学与糖代谢.ppt

第六章 糖类化学与糖代谢,第一节 糖类的化学第二节 糖 酵 解第三节 糖的有氧氧化第四节 磷酸戊糖途径第五节 糖异生作用第六节 糖原合成与分解,一、新陈代谢（简称代谢）：指生物体与环境之间的物质和能量交换（广义定义）。也可以说是指细胞内一切化学变化的总称（狭义定义）。新陈代谢的类型：物质代谢 能量代谢 合成代谢：需能，还原 分解代谢：放能，氧化 新陈代谢特点：条件温和（常温、常压）严格调控：时间、地点、数量。逐步有序：能量逐步释放，便于利用。（不同于体外燃烧:一次性放能）具有规律性：所有生物都遵循。（因为酶的本质相同）,新陈代谢的一般概念,新陈代谢包括同化作用和异化作用两个方面的代谢过程。1、同化作用（或称合成代谢）-生物有机体把从环境中摄取的物质，经一系列的化学反应转变为自身物质的过程。即从环境到体内，由小分子合成大分子物质的过程。它是一个吸能过程。2、异化作用（或称分解代谢）-生物体内的物质经一系列的化学反应，最终变为排泄物的过程。即从体内到环境，由大分子物质转变为小分子物质的过程。它是一个释放能量的过程。3、同化作用和异化作用的相互关系 相互矛盾,相互依存。获取的大分子物质 体内小分子 体内的大分子物质 行使生物功能 生物体内的物质，由于更新的需要，部分要经分解成小分子而被排出体外或被（再）利用。,二、同化作用和异化作用,分解,合成,糖(carbohydrates)(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，主要可分为以下四大类。单糖寡糖多糖复合糖,第一节 糖类的化学,1、单糖,葡萄糖(glucose)已醛糖,果糖(fructose)已酮糖,一、糖的结构和性质,半乳糖(galactose)已醛糖,核糖(ribose)戊醛糖,2、寡糖-由2-10个单糖分子缩合而成,3、多糖由许多单糖分子缩合而成,淀粉的分子结构,它是植物体内最重要的贮藏多糖。用热水处理淀粉时，可溶的一部分为“直链淀粉”，另一部分不能溶解的为“支链淀粉”。（1）直链淀粉 其中葡萄糖以-1，4糖苷键缩合而成。分子量在10000-50000之间。每个直链淀粉分子只有一个还原端基和一个非还原端基。遇碘显蓝紫色,（2）支链淀粉：其中葡萄糖主要以-1，4糖苷键相连，少数以-1，6糖苷键相连（分支点处），所以支链淀粉具有很多分支。遇碘显紫色或紫红色。分子量在50000-100000。,糖原是动物体内重要的贮藏多糖，相当于植物体内贮存的淀粉，也叫动物淀粉。高等动物的肝脏和肌肉组织中含有较多的糖原 结构与支链淀粉相似。（遇碘显红色）,糖原,由15000个葡萄糖以（14）糖苷键连接而成的直链（不分支），是一种结构多糖氢键结构：高强度，不溶于水。植物细胞壁中，被其他多糖和木质素包埋，难降解。,纤 维 素,纤维素的分子结构,4、复合糖 糖与非糖物质的结合物,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。,糖类在生物体内的生理功能主要有：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,三、糖的消化吸收,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。主要在小肠上段以单糖形式吸收。进入肠粘膜上皮细胞的各种单糖，经门静脉进入肝脏：其中一部分转变成肝糖原；大部分葡萄糖进入血液循环，运输到全身组织。血液中的葡萄糖又称血糖，是糖在体内的运输形式。血糖随血液流经各组织时：一部分在各组织中转变为糖原，其中以肌糖原最多；一部分进入组织细胞内被氧化分解，供生理活动所用。,第二节 糖 酵 解,当组织细胞缺氧时，在细胞液中发生一系列酶促反应，将糖原或葡萄糖逐步降解成乳酸（丙酮酸），并伴随ATP生成的过程。-糖的无氧氧化。过程与酵母生醇发酵基本相似，因此称为糖酵解。它是一切有机体中普遍存在的葡萄糖降解途径。Embden,Meyerhof,Parnas等人贡献最多(1940年被阐明)，故糖酵解过程也叫Embdem-Meyerhof-Parnas途径，简称EMP途径。,一、糖酵解过程,第一阶段：葡萄糖磷酸化分解成磷酸丙糖 包括5步反应第二阶段：磷酸丙糖生成丙酮酸 包括5步反应结果是：葡萄糖丙酮酸,第一阶段,不可逆反应己糖激酶：专一性不强,被产物别构抑制。葡萄糖激酶（肝细胞）：不被产物抑制，为诱导酶，由胰岛素促使合成，专一性:葡萄糖能量：消耗一个ATP。,第一步 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖（G-6-P）,从糖原开始,糖原磷酸化酶Gn G-1-P G-6-P G n-1 不消耗ATP,磷酸葡萄糖变位酶,葡萄糖 G-6-P的目的,活化葡萄糖。葡萄糖可以透过细胞膜，而磷酸葡萄糖因为磷酸基带负电荷，不易透过细胞膜，被锁在细胞内。磷酸化有利于防止葡萄糖渗出细胞。,第二步 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 G-6-P F-6-P,酶：磷酸己糖异构酶，将羰基键从C1移到C2，为C1磷酸化作准备。反应可逆。,第三步 6-磷酸果糖 1,6-二磷酸果糖 F-6-P F-1,6-2P,酶：磷酸果糖激酶关键的反应步骤，是限速酶，很重要。能量：消耗一个ATP,第四步 F-1,6-2P 磷酸二羟丙酮+3-磷酸甘油醛,连接两个羰基化合物形成一个醛醇化合物-醛缩反应酶：醛缩酶C3和C4之间发生断裂。,第五步 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛,酶：磷酸丙糖异构酶，有一中间产物。,第一阶段总结,1分子葡萄糖（葡萄糖单位）2分子磷酸丙糖从葡萄糖开始：消耗2个ATP从糖原开始：消耗1个ATP,第二阶段,第六步 3-磷酸甘油醛 1,3-二磷酸甘油酸 NAD+NADH+H+,酶：3-磷酸甘油醛脱氢酶，以NAD+为辅酶,第七步 1,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 ADP ATP,酶：甘油酸磷酸激酶能量：酵解中第一次产生ATP底物水平磷酸化,第八步 3-磷酸甘油酸 2-磷酸甘油酸,酶：甘油酸磷酸变位酶,第九步 2-磷酸甘油酸 磷酸烯醇式丙酮酸,酶：烯醇化酶（Mg2+或Mn 2+）磷酸烯醇式丙酮酸：高能化合物,第十步 磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 ADP ATP,不可逆反应酶：丙酮酸激酶，酵解中的主要调节酶。产能,二、丙酮酸的去路1、乳酸发酵,（1）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。（2）生长在厌氧或相对厌氧条件下的一些细菌：酶：乳酸脱氢酶（LDH）NADH+H+丙酮酸 L-乳酸 NAD+,乳酸脱氢酶,丙酮酸脱羧酶 乙醇脱氢酶丙酮酸 乙醛 乙醇,2、生醇发酵,3、生成乙酰CoA 在有氧条件下，丙酮酸进入线粒体生成乙酰CoA，参加TCA循环（柠檬酸循环），被彻底氧化成CO2和H2O。（后述）4、其它去处（后述）丙酮酸又可以生成糖,三、糖酵解的调节,三处调节酶:己糖激酶或葡萄糖激酶1）葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 磷酸果糖激酶2）6-磷酸果糖 1,6-二磷酸果糖 丙酮酸激酶3）磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 不可逆反应,速度处决于细胞对能量的需求和对酵解中间产物的需要。需求越大，酵解进行速度越快.,四、糖酵解的生理意义,1、糖酵解是生物体内糖分解代谢的普遍途径。2、通过糖酵解使葡萄糖分解生成ATP，为生命活动提供部分能量，尤其对厌氧生物能量的获得非常重要。3、糖酵解途径的许多中间产物可作为合成其他物质的原料（作为碳骨架），如丙酮酸氨基酸。4、它是糖有氧分解的准备阶段。5、由非糖物质转变为糖的异生途径基本上是它的逆过程。,五、糖酵解总观及其产生的能量,无氧时：2（NADH+H+）用于还原丙酮酸，生成2分子乳酸或乙醇，故净产生2分子ATP,第三节 糖的有氧氧化,葡萄糖或糖原在有氧气存在时，被彻底氧化为CO2和H2O，并产生大量能量糖在体内氧化供能的主要途径，需要氧气糖的有氧氧化主要分成三步丙酮酸的生成丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA乙酰CoA进入三羧酸循环场所：细胞液-线粒体,一、途径,（一）丙酮酸的生成：细胞液，途径与糖酵解相同但有一点不同：3-磷酸甘油醛脱氢生成的 NADH+H+酵解：将丙酮酸还原成乳酸(或乙醇)。有氧氧化：进入线粒体内参加呼吸链传递。,（二）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA,丙酮酸+辅酶A+NAD+乙酰辅酶A+CO2+NADH+H+酶：丙酮酸脱氢酶系，存在于线粒体内膜上，是一个多酶复合体。线粒体内进行，反应不可逆丙酮酸进入线粒体转变为乙酰CoA，这是连接糖酵解和三羧酸循环的纽带,丙酮酸脱氢酶系,酶：丙酮酸脱羧酶 硫辛酸乙酰转移酶 二氢硫辛酸脱氢酶辅助因子(6个）：TPP，硫辛酸，FAD，Mg2+，NAD+，CoA,（三）三羧酸循环tricarboxylic acid cycle,线粒体乙酰辅酶A与草酰乙酸 柠檬酸 一系列反应 草酰乙酸，同时乙酰基彻底氧化为CO2 和H2O，并产生大量能量。从柠檬酸开始 柠檬酸循环，三羧酸循环，TCA循环 Krebs循环（它是由（德国）正式提出的）。,第一步：柠檬酸合成酶（关键酶）,乙酰CoA+草酰乙酸+H2O 柠檬酸+CoA 乙酰CoA的甲基碳攻击草酰乙酸的酮基,第二步：顺乌头酸酶,柠檬酸 顺乌头酸 异柠檬酸 脱水 加水,第三步 氧化脱羧,异柠檬酸脱氢酶（NAD+或 NADP+）（关键酶）异柠檬酸 草酰琥珀酸-酮戊二酸 NAD+NADH+H+CO2,脱掉的是中间的羧基，来自于草酰乙酸，没有标记的二氧化碳放出。,第四步：-酮戊二酸氧化脱羧,-酮戊二酸+CoA+NAD+琥珀酰CoA+CO2+NADH+H+酶：-酮戊二酸脱氢酶系，是一个多酶复合体。,脱氢脱羧同时进行，没有标记的二氧化碳放出。,第五步：琥珀酰CoA合成酶,琥珀酰CoA+GDP+Pi 琥珀酸+GTP+CoA 底物水平磷酸化:GTP+ADP ATP+GDP(鸟嘌呤核糖核苷三磷酸),第六步：琥珀酸脱氢酶（FAD）,琥珀酸+FAD 延胡索酸+FADH2,第七步：延胡索酸酶,延胡索酸+H2O 苹果酸,第八步：苹果酸脱氢酶（NAD+）,苹果酸+NAD+草酰乙酸+NADH+H+,三羧酸循环,22.5或21.5,22.5,22.5,22.5,21.5,22.5,1.5,2.5,30或32个,1分子NADH+H+经呼吸链氧化生成水的过程中可生成2.5分子ATP；1分子FADH2经呼吸链氧化可生成1.5分子ATP。,1分子葡萄糖有氧氧化能量生成,1.丙酮酸的生成-1-1+22+21.5（2.5）=5（7）2.丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA 2 2.5=53.乙酰CoA进入三羧酸循环 2（2.5+2.5+1+1.5+2.5）=20总数：30（32）分子ATP,二、三羧酸循环的特点,循环反应在线粒体中进行，为不可逆反应。每完成一次循环，氧化分解掉一分子乙酰基，可生成20分子ATP。循环的中间产物既不能通过此循环反应生成，也不被此循环反应所消耗。,三羧酸循环中有两次脱羧反应，生成两分子CO2。循环中有四次脱氢反应，生成3分子(NADH+H+)和1分子FADH2。循环中有一次底物水平磷酸化，生成一分子GTP,既而转化成一分子ATP。三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶系。,三、意 义,1、供应大量能量，是生物体的主要供能形式。2、乙酰辅酶A不但是糖氧化分解的产物，也是脂肪酸、氨基酸和核糖代谢的产物，因此三羧酸循环是糖、脂、蛋白质三大物质分解供能的共同通路。也是糖、脂、蛋白质三大物质互变的枢纽。3、提供大量中间产物,三羧酸循环的中间代谢物，从理论上讲，可以循环使用而不被消耗。但是，实际上必须不断更新，才能保证循环的正常运转。,1.丙酮酸+CO2 草酰乙酸 2.丙酮酸+CO2+H2O+ATP 草酰乙酸+ADP+Pi 3.磷酸烯醇式丙酮酸+CO2+GDP 草酰乙酸+GTP 4.天冬氨酸+-酮戊二酸 谷氨酸+草酰乙酸,苹果酸脱氢酶,丙酮酸羧化酶,磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶,谷草转氨酶,草酰乙酸的补充：,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：即 异柠檬酸裂解酶 苹果酸合成酶,四、乙醛酸循环途径,琥珀酸,苹果酸合成酶,(乙醛酸),异柠檬酸裂解酶,异柠檬酸：它在异柠檬酸裂解酶的作用下分解为琥珀酸和乙醛酸。乙醛酸：它可通过苹果酸合成酶的催化作用与乙酰辅酶A结合成苹果酸。在这里，异柠檬酸走了一个捷径，跳过三羧酸循环中的草酰琥珀酸、酮戊二酸、琥珀酰CoA，形成一个与三羧酸循环相联系的小循环。,乙醛酸循环是和柠檬酸循环交叉的途径，但是乙醛酸循环是四碳单位（草酰乙酸）的合成途径。（柠檬酸循环是一个分解途径）在微生物中，通过乙醛酸循环将乙酸转变成琥珀酸，进入糖异生途径生成葡萄糖，为它们的生长提供碳源和能源。在植物中，特别是油料种子萌发过程中，种子中的脂肪酸分解产生大量的乙酰CoA，乙酰CoA经过乙醛酸循环转变它们为四碳化合物（草酰乙酸），进入糖异生途径生成葡萄糖，然后运送到根和茎中，供生长需要。,乙醛酸循环的意义:,第四节 磷酸戊糖途径,添加碘乙酸（3-磷酸甘油醛脱氢酶抑制剂）或氟化物（抑制烯醇化酶）等，葡萄糖仍有消耗另外，发现了6-P-葡萄糖脱氢酶和6-P-葡萄糖酸脱氢酶及NADP+；发现了五碳糖、六碳糖和七碳糖。说明除糖酵解、糖有氧氧化外，葡萄糖还有其它途径。1953年阐述了磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway)，简称PPP途径（也称磷酸己糖支路、戊糖磷酸循环、Warburg-Dickens戊糖磷酸途径）。PPP途径广泛存在动、植物细胞内，在细胞质中进行。,磷酸戊糖途径特点,细胞液，需要氧气6-P-G直接脱氢脱羧脱氢酶均以NADP+辅酶有磷酸戊糖生成,磷酸戊糖途径,6 6-P-G+12 NADP+7 H2O 5 6-P-G+12 NADPH+H+6 CO2+H3PO4,磷酸戊糖途径意义,1、生成的5-磷酸核糖是DNA，RNA合成的必要原料，核酸中核糖的分解可以借此途径进行.2、生成大量的NADPH+H+，可作为供氢体，参与脂肪、类固醇化合物的合成。脂肪、类固醇合成旺盛的组织中，磷酸戊糖途径活跃.3、大量的NADPH+H+对维持红细胞还原性有重要作用，维持谷胱甘肽还原性（保护含-SH蛋白活性，保护红细胞膜蛋白的完整性）.4、供能：每分子6-P-G可以产生30分子ATP5、PPP途径是由葡萄糖直接氧化起始的可单独进行氧化分解的途径。因此可以和EMP、TCA相互补充、相互配合，增加机体的适应能力。3-磷酸甘油醛是三者的枢纽点,第五节 糖异生作用,非糖物质 糖丙酮酸，乳酸，甘油，某些氨基酸等在生理条件下，肝脏中进行,(1)克服糖酵解的三步不可逆反应。（）糖酵解在细胞液中进行，糖异生则分别在线粒体和细胞液中进行。,1、葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 2、6-磷酸果糖 1，6-二磷酸果糖3、磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸,己糖激酶或葡萄糖激酶,丙酮酸激酶,磷酸果糖激酶,1、丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸,（1）丙酮酸+CO2+ATP+H2O 草酰乙酸+ADP+Pi丙酮酸羧化酶：存在于线粒体内，以生物素为辅酶胞液中生成的丙酮酸经运载系统进入线粒体后才能羧化乙酰辅酶A，脂酰辅酶A，ATP/ADP比值高：促进羧化作用,(2)草酰乙酸 磷酸烯醇式丙酮酸,酶：磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，细胞液或线粒体内中草酰乙酸+GTP 磷酸烯醇式丙酮酸+GDP+CO2胰高血糖素，肾上腺素，肾上腺皮质激素:增加此酶含量胰岛素:降低此酶含量线粒体内草酰乙酸本身不能透过线粒体膜，转变为苹果酸、天冬氨酸等通过二羧酸转运系统离开线粒体进入细胞液再进一步变为草酰乙酸,线粒体内草酰乙酸 细胞液中草酰乙酸?,草酰乙酸+NADH+H+苹果酸+NAD+线粒体内苹果酸脱氢酶苹果酸由线粒体进入细胞液中苹果酸+NAD+草酰乙酸+NADH+H+细胞液中苹果酸脱氢酶,2、1，6-二磷酸果糖+H2O 6-磷酸果糖+磷酸3、6-磷酸葡萄糖+H2O 葡萄糖+磷酸,1，6-二磷酸果糖酶,6-磷酸葡萄糖酶,糖异生途径的前体物质,1、凡是能生成丙酮酸的物质 柠檬酸，异柠檬酸，-酮戊二酸，琥珀酸，延胡索酸，苹果酸等-草酰乙酸-糖异生途径2、生糖氨基酸：丙氨酸,谷氨酸,天冬氨酸等3、乳酸，甘油等,糖异生途径的调节,1、原料的浓度：乳酸，甘油，某些氨基酸等 饥饿时：脂肪动员增加，组织蛋白质分解加强2、能量水平的调节：能量水平高时，即ATP/ADP值大时，促进葡萄糖合成糖原；能量水平低时，即ATP/ADP值小时，促进糖原分解。3、激素的调节：肾上腺素，肾上腺皮质激素，胰高血糖素使血糖浓度升高 胰岛素使血糖浓度降低4、神经系统调节：激素,糖异生途径的意义,1、葡萄糖异生对人类以及其他动物是绝对必需的途径保证，血糖浓度的相对恒定：(1)人脑对葡萄糖有高度依赖性。红细胞也需要葡萄糖。(2)在饥饿状态下葡萄糖异生尤为重要；(3)机体处在剧烈运动时，需要非糖物质及时提供葡萄糖，以维持血糖水平2、防止乳酸中毒：乳酸 糖3、协助氨基酸代谢：氨基酸 糖（蛋白质转变为糖）4、当油料种子萌发时，脂肪酸经乙酰CoA通过乙醛酸循环合成琥珀酸 草酰乙酸 糖异生 葡萄糖 供种子萌发使用,TCA循环,第六节 糖原合成与分解,糖 原（动物淀粉）,以游离态存在于细胞液中，主要贮存于肝脏和肌肉中，分别称为肝糖原和肌糖原。作为葡萄糖的贮存形式，对调节血糖浓度、供应能量等方面起重要作用。细胞能量充足时，葡萄糖合成糖原贮存。肝糖原不仅氧化供能，而且可以分解转变为葡萄糖，直接调节血糖浓度；肌糖原是肌肉收缩时的主要供能物质，虽不能直接调节血糖浓度，但经酵解产生的丙酮酸-乳酸-肝脏中合成糖原或葡萄糖，能间接调节血糖浓度。,一、糖原分解代谢,1、Gn+H3PO4 G-1-P+G n-1 酶：糖原磷酸化酶 共价修饰调节，磷酸化/去磷酸化（激活/抑制）,共价修饰调控,某些酶分子上的基团可以在另一种酶催化下发生共价修饰（例如磷酸化或去磷酸化作用），从而引起酶活性的激活或抑制。这种作用称为共价修饰作用。被修饰的酶可以有两种互变形式，即一种为活性形式（具有催化活性），另一种为非活性形式（无催化活性）。正反两个方向的互变均发生共价修饰反应，并且都将引起酶活性的变化。,糖原磷酸化酶,磷酸化酶 b：二聚体，无活性,活性中心的丝氨酸残基被磷酸化后，形成高活性磷酸化酶 a（四聚体）。,磷酸酶,磷酸化酶激酶,b,a,无氧氧化 有氧氧化糖原 G-1-P G-6-P 磷酸戊糖途径 葡萄糖（肝脏）糖原水解的速度取决于葡萄糖残基脱落的速度，关键酶：糖原磷酸化酶,糖原磷酸化酶,当糖原各分支只剩下4个葡萄糖残基时，不再受糖原磷酸化酶作用，需要另外二种酶作用寡聚（1,4-1,4）葡聚糖转移酶 将葡三糖转移到另一分支末端去分枝酶：水解-1,6糖苷键,二、糖原的合成,利用葡萄糖合成，主要在肝脏和肌肉中进行1、葡萄糖首先磷酸化 G+ATP G-6-P+ADP2、磷酸移位 G-6-P G-1-P,3、G-1-P+UTP UDPG+PPi尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）焦磷酸化酶 耗能,4、UDPG将葡萄糖残基转移到引物上Gn+UDPG G n+1+UDP糖原合成酶（关键酶）,5、合成具有1，6-糖苷键的有分枝的糖原 由分枝酶催化,糖代谢概况,葡萄糖,作业,1、比较糖酵解和糖的有氧氧化.2、如何理解三羧酸循环的双重作用?三羧酸循环中间体草酰乙酸消耗后必须及时回补,否则三羧酸循环就会中断,草酰乙酸有哪几种回补途径?3、试述磷酸戊糖途径的生理意义.,