第6章 糖代谢 ppt课件.ppt

生物化学Biochemistry,欧树娣食品与应用化学系,第6章 糖代谢,The Metabolism of Carbohydrate,生物化学Biochemistry,欧树娣食品与应用化学系,本章教学要求,1、理解糖代谢异常与疾病之间的关系；2、掌握糖这一生物大分子的基本知识；3、掌握糖分解代谢的几条重要途径：糖的无氧酵解、三羧酸循环和磷酸戊糖途径，以及糖的合成代谢等。,生物化学,1、自然界中最为丰富的有机物之一；2、生命活动重要的碳源和能源；3、新陈代谢,生物化学,概 述,纤维素、淀粉,蔗糖,果糖和葡萄糖,核糖和脱氧核糖,糖酵解、柠檬酸循环、磷酸戊糖途径糖异生途径、糖原合成、结构多糖合成,糖代谢异常与疾病,葡萄糖及其他糖如半乳糖、乳糖等代谢异常引起的疾病 血糖高、血糖低；乳糖不耐受症；半乳糖血症；肝病；心脑血管疾病等缺乏某些酶时，糖原就不能分解，一则引起能量不能释放出来，二则由于糖原的蓄积引起了糖原病,生物化学,本章主要内容,6.1 糖的概念及其分类 6.2 糖的消化与吸收 6.3 糖的分解代谢 6.4 糖原的合成与分解 6.5 糖异生作用6.6 血糖（糖代谢异常与疾病）,生物化学,6.1 糖的概念及其分类,一、糖的概念,糖：即碳水化合物，其本质是多羟基醛和多羟基酮及其衍生物和多聚物。（醛糖、酮糖）,二、糖的分类及结构,生物化学,单糖（Monosaccharide）寡糖（Oligosaccharide，Disaccharide）多糖（Polysaccharide）结合糖：糖脂、糖蛋白、溶酶体等糖的衍生物：糖醇、糖酸、糖胺、糖苷,二、糖的分类及结构,根据糖的结构单元数目多少分为3大类,生物化学,1.单 糖（Monosaccharide）,不能被水解成更小分子的糖,（D型）,葡萄糖的书写格式环式结构形式，开链形式,葡,葡萄糖的结构与构型,葡萄糖的结构与构型,(1)绝对构型（D/L型）,距羰基最远的那个不对称碳原子的构型定为整个糖分子的绝对构型。其羟基向右的为D型，向左的为L型,葡萄糖的结构与构型,(2)相对构型(/),单糖的理化性质,氧化还原反应 糖苷的生成 单糖的半缩醛羟基与另一分子中的羟基、氨基或硫羟基等失水而产生的化合物,单糖的理化性质,斐林反应,浅蓝色棕色砖红色（沉淀）检测糖尿病患者的尿糖,指经过水解后可产生几分子相同或不同的单糖的糖，单糖间由脱水缩合的糖苷键相连接。（二糖）,2.寡 糖（Oligosaccharide）,3.多糖（Polysaccharide）,是由很多单糖分子缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子。仅仅是由-葡萄糖的残基组成的。,糖原,淀粉,纤维素,Glycogen,Starch,Cellulose,6.2 糖的消化与吸收,一、糖的生理功能（1）生命活动所需能量来源；（2）重要的中间代谢产物；（3）构成生物大分子，形成糖脂和糖蛋白；（4）分子识别作用。,生物化学,6.2 糖的消化与吸收,二、糖的消化,小肠是消化糖类的主要部位,食物中的糖,1.被动转运 高 低,被动扩散，吸收慢，不耗能；2.主动转运 低 高,主动转运，吸收快，耗能、需钠。（需载体蛋白帮助）,顺浓度差,G,逆浓度差,G,二、糖的吸收,ADP+Pi,ATP,Glu,Na+,K+,小肠粘膜细胞,肠腔,门静脉,刷状缘,细胞内膜,SGLT,3.吸收途径（转运）,小肠肠腔,肠粘膜上皮细胞,门静脉,肝脏,体循环,SGLT,各种组织细胞,GLUT,GLUT：葡萄糖转运体(glucose transporter)，已发现有5种葡萄糖转运体(GLUT 15)。,6.3 糖的分解代谢,生物体内糖分解代谢的主要途径有：糖酵解、糖的有氧氧化、磷酸戊糖途径,生物化学,葡萄糖,糖酵解,糖的无氧分解,乳酸+少量能量,糖的有氧氧化,有氧氧化,磷酸戊糖 NADPH+H+,磷酸戊糖途径,代谢旁路,CO2+H2O+大量能量,6.3 糖的分解代谢,6.3.1糖酵解(glycolisis)概念一系列酶将葡萄糖降解成丙酮酸并生成ATP的过程,生物化学,其全过程共有11步酶促反应，分为以下4个阶段：,1.葡萄糖（G）转变为1，6-二磷酸果糖（FDP）2.FDP分解为2分子磷酸丙糖3.3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸4.丙酮酸还原为乳酸,反应部位：胞浆,EMP,按照能量变化分为2个阶段，共10步,1.葡萄糖分解为三碳糖，消耗2分子ATP2.三碳糖生成丙酮酸，产生4分子ATP,葡萄糖+2NAD+Pi,2丙酮酸+2H2O+2NADH+2H+2ATP,葡萄糖酵解的总反应式,6.3.1糖酵解(glycolisis),一、反应过程,ATP,ADP,Mg2+,己糖激酶（肝外）,葡萄糖激酶（肝内）,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,P,1.葡萄糖（G）转变为 1，6-二磷酸果糖,（G-6-P）,糖原磷酸化酶 糖原 G-1-P G-6-P（Gn）（不耗ATP）,H3PO4,1）催化不可逆反应,2）催化效率低,3）受激素或代谢物的调节,4）常是在整条途径中催化初 始反应的酶,5）活性的改变可影响整个 反应体系的速度和方向,限速酶特点,6-磷酸果糖,磷酸果糖激酶,ATP,ADP,Mg2+,1，6-二磷酸果糖,P,6-磷酸葡萄糖,磷酸己糖异构酶,6-磷酸果糖,（FDP）,PFK是第二个限速酶，也是EMP途径的关键酶，其活性大小控制着整个途径的进程。,2.FDP分解为2分子磷酸丙糖,1，6二磷酸果糖,醛缩酶,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,上述5步反应完成了糖酵解的准备阶段。包括两个磷酸化步骤，由六碳糖裂解为两分子三碳糖，最后都转变为3-磷酸甘油醛。在准备阶段中，并没有从中获得任何能量，与此相反，却消耗了两个ATP分子。以下的5步反应包括氧化-还原反应、磷酸化反应。这些反应正是从3-磷酸甘油醛提取能量形成ATP分子。,3.3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸,1,3二磷酸甘油酸,磷酸甘油酸激酶,ADP,ATP,Mg2+,3-磷酸甘油酸,高能磷酸键,EMP第一次产生高能磷酸键；EMP中唯一的脱氢反应，并产生了还原剂NADH。该酶是巯基酶，所以它可被碘乙酸不可逆地抑制，所以 碘乙酸能抑制糖酵解。,底物水平磷酸化：直接利用代谢中间物氧化释放的能量产生ATP的磷酸化类型。其中ATP的形成直接与一个代谢中间物（1,3-二磷酸甘油酸）上的磷酸基团的转移相偶联。这一步反应是糖酵解过程的第7步反应，也是糖酵解过程开始收获的阶段。在此过程中产生了第一个ATP。,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸激酶,ADP,ATP,Mg2+,烯醇式丙酮酸,丙酮酸,第三个限速酶，第二次底物水平磷酸化,3-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸,这一步其实是分子内的氧化还原，使分子中的能量重新分布，使能量集中，第二次产生了高能磷酸键。,高能磷酸键,4.丙酮酸还原为乳酸,第11步,二、糖酵解小结1.亚细胞部位:胞液需O2情况:不需氧产物:乳酸产能情况(1分子G):2分子ATP关键酶(3个):己糖激酶(肝:葡萄糖激酶)磷酸果糖激酶 丙酮酸激酶,糖酵解过程ATP的消耗与生成,SUMMARY,三、糖酵解的生理学意义,剧烈运动病理情况下,1糖酵解途径是单糖分解代谢的一条最重要的基本途径,2糖酵解途径能提供能量使机体或组织有效地适应缺氧情况,3糖酵解途径是某些组织或细胞的主要获能方式,4糖酵解途径是葡萄糖完全氧化分解成二氧化碳和水的必要准备阶段,乳酸（动物）,乙醇（微生物）,丙酮酸,葡萄糖,糖酵解,彻底氧化分解,氧气不足发酵,CO2+H2O,其它有机物,反应部位：细胞质,丙酮酸的去向,(1)乳酸发酵：在动物和许多微生物中,（2）酒精发酵：在酵母和一些微生物中,利用该原理，可进行粮食发酵、酿酒的工艺,（3）线粒体,6.3.2 糖的有氧氧化（aerobic oxidation）,有氧氧化,葡萄糖 丙酮酸 乙酰CoA,NADH+H+,乳酸,无氧酵解,三羧酸循环,CO2+H2O+能量,(线粒体),(胞液),概念,葡萄糖 丙酮酸（胞液）丙酮酸 乙酰CoA（线粒体）乙酰CoA CO2+H2O+ATP（线粒体）（三羧酸循环）,(一)有氧氧化的反应过程(3个阶段),G,2分子CH3COCOOH,2 x(NADH+H+),线粒体 呼吸链,H2O+2 x(2或3)分子ATP,1.葡萄糖氧化分解成丙酮酸(此阶段反应基本上类似糖酵解过程),2分子ATP,胞液,丙酮酸脱氢酶系,2CH3COSCoA+2CO2,2 NAD+2 HSCoA,2(NADH+H+),2,2.丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA,呼吸链,2 x 3 分子ATP,TPP 硫辛酸 FAD,（线粒体）,丙酮酸脱氢酶,二氢硫辛酸乙酰转移酶,二氢硫辛酸脱氢酶,TPP Vit B1,HSCoA 泛酸,硫辛酸 硫辛酸,FAD Vit B2 NAD+Vit PP,酶,辅酶 含有的 Vit.,丙酮酸脱氢酶系的组成,3.三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle,TCAC）,TCAC,有氧条件下，将酵解产生的丙酮酸氧化脱羧成乙酰CoA，再经一系列氧化和脱羧，最终生成二氧化碳和水并产生能量。,（1）反应过程,CH3COCOOH,CO2,（2）三羧酸循环的反应特点,循环一次,消耗1分子乙酰CoA,产生,2分子CO2 3H2 3 x 3=9分子ATP4H2 2H 2分子ATP1次底物水平磷酸化 1分子ATP,NADH 呼吸链,FADH2呼吸链,共产生:12分子ATP 整个循环高度不可逆（3个不可逆反应）,各中间物参与循环，虽量不变，但在不断更新 草酰乙酸 天冬氨酸 酮戊二酸 谷氨酸 丙酮酸 丙氨酸 欲使中间物彻底氧化分解，必需先转变为丙酮酸 需消耗氧 在线粒体内进行,转氨基作用,（二）糖的有氧氧化的生理意义 1.产生大量能量（比较1分子G经有O2氧化与无O2酵解的产能情况）G 2 丙酮酸 2 乙酰CoA TCAC 2.ATP 2(NADH+H+)2 x 3 ATP 2 x 12 ATP,胞液 线粒体,有氧氧化 G 36或38分子ATP糖酵解 G 乳酸+2 分子ATP,O,酵解,2.TCAC是三大营养物（糖、脂和蛋白质）氧化供能的共同途径，也是三者互变的联系枢纽,2 X（2或3）ATP,三羧酸循环是联系糖、脂和氨基酸代谢的枢纽,葡萄糖,丙氨酸,氨基酸,丙酮酸,甘 油,脂肪酸,脂肪,TCA的生理意义,糖的有氧代谢是生物机体获得能量的主要途径三羧酸循环是有机物质完全氧化的共同途径三羧酸循环是分解代谢和合成代谢途径的枢纽三羧酸循环产生的CO2，其中一部分排出体外，其余部分供机体生物合成需要,(三)糖的有氧氧化的小结(与无氧酵解比较)有氧氧化 无氧酵解 相同点:G 2分子丙酮酸 不同点:部位:胞液 线粒体 胞液需氧情况:需氧 不需氧 终产物:CO2+H2O 乳酸能量净生成(G):36或38 分子 2分子 关键酶:4个 3个,胞液,己糖激酶磷酸果糖激酶丙酮酸激酶,丙酮酸脱氢酶系柠檬酸合成酶异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶系,6.3.3 磷酸戊糖途径（pentose phosphate psthway）,H2O,(一)简要反应过程,除糖酵解及糖的有氧氧化代谢途径外，在细胞内还存在糖的其它分解途径。我们将这些途径称为分解代谢支路或旁路(Catabolism shunt)磷酸己糖旁路(Hexose monophosphate shunt,HMS,也称磷酸戊糖途径,pentose phosphate pathway)是这些支路中较为重要的一种。动物体中有30%的葡萄糖通过此途径分解。,（二）磷酸戊糖途径的具体生化过程,1.氧化阶段,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖-内酯,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸核酮糖,6-磷酸葡萄糖脱氢酶,6-磷酸葡萄糖-内酯酶,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶,2.非氧化阶段,5-磷酸核酮糖,5-磷酸核糖,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,7-磷酸景天庚酮糖,6-磷酸果糖,4-磷酸赤藓糖,5-磷酸木酮糖,3-磷酸甘油醛,6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,（三）磷酸戊糖途径小结6-磷酸葡萄糖 5-磷酸核糖+NADPH+H+,6-磷酸葡萄糖脱氢酶,（关键酶）,（胞液）,(四)磷酸戊糖途径生理意义1.生成5-磷酸核糖 为核苷酸与核酸的合成提供原料,2.产生NADPH+H+及其功用 为脂肪酸、胆固醇等物质的合成提供氢 作为谷胱甘肽(GSSG)还原酶的辅酶，促进GSH的生成作为羟化酶系的辅酶，参与生物转化作用*先天性缺乏6-磷酸葡萄糖脱氢酶患者，进食蚕豆后易诱发溶血性贫血或溶血性黄疸，被称为蚕豆病。,糖分解代谢,TCA,Glc,Glc,Pyr,Pyr,CO2+H2O,Mitochondrion,Lac,EOH,Pentose,Cytosol,EMP,HMS,Glycogen,6.4 糖原的合成与分解,非还原性末端是糖原合成与分解的起始点,一、糖原合成（glycogenesis）,（一）反应过程,4、UDPG+Gn UDP+Gn+1,糖原合成酶*,（糖原引物）,分支酶,（UDP+ATP UTP+ADP）,GK/HK,变位酶,UDPG焦磷酸化酶,糖原合成酶催化的反应,糖原合成酶,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,分支酶,-1，6-糖苷键相连,（12-G）,（6-7）,分支酶的作用,-1，4-糖苷键断裂,分支酶,关键酶 糖原合成酶；UDPG是葡萄糖的直接供体；3.每增加一个G单位，需消耗 2 分子ATP；4.需分支酶催化形成分枝；5.部位：胞液。,（二）糖原合成特点,二、糖原的分解（glycogenolysis）,（一）反应过程,（只存在肝、肾等中）,脱支酶,变位酶,血糖,寡糖链,G,糖原磷酸化酶的作用,O,O,O,O,O,O,O,3,O,2,O,1,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,1 2 3,寡糖链,脱支酶,-1,6-糖苷 键断裂 释出游离“G”,脱支酶的作用,极限糊精,转移3个糖单位,以1，4糖苷键相连,脱支酶,1.关键酶 磷酸化酶；脱支酶催化分支点3个糖单位转移，及生成少量游离葡萄糖；部位：胞液；4.葡萄糖6磷酸酶是肝脏特有的,（二）糖原分解特点,肌糖原酵解特点 通过Cori氏循环 间接提供血糖,Cori氏循环意义（1）间接补充血糖;（2）节约能源。,糖原合成和分解的生理意义1.进食后，G 肝糖原和肌糖原；不进食时，肝糖原 G 提供血糖；通过以上作用，参与维持血糖浓度相对恒定。3.肌糖原 G-6-P G 间接补充血糖。,Cori氏循环,三.糖异生（gluconeogenesis）概念：非糖物质转变为葡萄糖的过程原料：甘油、乳酸、丙酮酸、生糖氨基酸等；器官：主要在肝脏；长期饥饿或酸中毒时，肾脏可加 强糖异生作用；途径：基本上循糖酵解逆过程（但必须绕过3个能障),（一）糖异生途径,1.丙酮酸羧化支路,葡萄糖,（生物素）,草酰乙酸,2.1，6-二磷酸果糖转变成6-磷酸果糖,3.6-磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖,6-磷酸葡萄糖 葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸酶,已糖激酶,H2O,Pi,ADP,ATP,1，6-二磷酸果糖 6-磷酸果糖,果糖-1，6-二磷酸酶,6-磷酸果糖激酶,ADP,ATP,Pi,H2O,底物循环,(二)糖异生关键酶 丙酮酸羧化酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶、果糖-二磷酸酶、葡萄糖-6-磷酸酶（三）糖异生意义 1.保证饥饿情况下血糖浓度的相对恒定 2.糖异生作用有利于乳酸的回收利用 3.协助氨基酸的分解代谢,糖 异 生（举 例）2分子乳酸 葡萄糖（消耗6分子ATP）,循糖酵解逆过程,6.6 血糖,一、血糖的来源和去路,消化吸收,分解,非糖物质,合成,分解,转变,肾糖阈：肾脏所能保持的最高血糖浓度范围8.899.99mmol/L,二、血糖的调节,（一）肝脏调节 1.合成糖原 2.肝糖原分解 3.糖异生（二）肾脏调节 1.血糖 肾糖阈时，肾小管重吸收葡萄糖 2.血糖 肾糖阈时，部分葡萄糖随尿排出（三）神经调节（四）激素的调节*,参与维持血糖浓度的相对恒定,（四）激素的调节 血糖 胰岛素*(insulin)血糖 胰高血糖素*(glucagon)肾上腺素*(adrenaline/epinephrine)糖皮质激素(glucocorticoid)生长激素(grouth factor)甲状腺激素(thyroid hormone),（增加血糖去路）1.促进肌肉、脂肪细胞载体活性，摄取葡萄糖；2.促进糖的氧化；3.促进糖原合成；4.促进糖转变为脂肪。（减少血糖来源）1.抑制糖原分解2.抑制糖异生。,insulin降低血糖的作用,adrenaline提高血糖浓度的作用,（增加血糖来源）1.促进肝糖原分解为葡萄糖；2.促进肌糖原分解为乳酸，提供糖异生原料；3.促进糖异生作用。,肾上腺素,glucagon提高血糖浓度的作用（增加血糖来源）1.促进肝糖原分解为葡萄糖；2.促进糖异生作用。,糖皮质激素,糖代谢紊乱,正常人空腹血糖浓度：4.44 6.67mmol/L（一）低血糖(hypoglycemia)空腹血糖浓度 3.89mmol/L（二）高血糖(hyperglycemia)空腹血糖浓度7.22 mmol/L（三）糖尿病（diabetes mellitus）空腹血糖浓度8.89 9.99 mmol/L,原因：生理性：饥饿时间过长，长时间剧烈运动，高强度体力劳动，妊娠妇女（需更多能量）等 病理性：1、胰岛-细胞增生 胰岛素分泌过多 2.垂体前叶功能减退或肾上腺皮质机能减退等 3、严重肝脏疾病等症状：有饥饿感，四肢无力，头晕、心悸、出冷汗、面色苍白等，严重时可引起低血糖昏迷/甚至休克,(一)Hypoglycemia,（二）Hyperglycemia and glucosuria 原因：生理性：饮食性糖尿，情感性糖尿病理性：脑垂体及肾上腺皮质功能亢进，肾性糖尿等。临床持续性高血糖和糖尿多见于糖尿病患者，中医称为“消渴症”,（三）diabetes mellitus病因：胰岛素不足 糖的来源、去路 出现高血糖 及糖尿；“三多一少”症状：患者能量不足 有饥饿感 多食；多食 血糖 大量糖随尿排出 多尿；多尿 失水过多 血液浓缩 口渴 多饮。由于产能不足 大量动员脂肪和蛋白质分解 严重时因消耗过多 身体逐渐消瘦 体重减轻（少）。,糖的氧化供能,糖尿病并发酮症酸中毒机理 糖尿病未得到控制 脂肪代谢紊乱 大量 脂肪酸在肝内转变为酮体（乙酰乙酸、-羟丁酸和丙酮）肝内生酮超过肝外利用能力 酮体在血中积聚，即“酮血症”；过多酮体随尿排出，“酮尿症”；部分丙酮呼出体外“烂苹果味”。乙酰乙酸和-羟丁酸为酸性物质，血中过多积 聚时，血液pH（酮症酸中毒）。,病因：胰岛素缺乏、受体数目减少、受体与胰岛素的 亲和力降低症状：多饮、多食、多尿、体重减轻（三多一少）类型：胰岛素依赖型（1型）非胰岛素依赖型（2型）,糖尿病,糖尿病合并症,男41岁，双眼视力下降4年，发现糖尿病2月，血糖12.2mmol/L。晶体轻度浑浊。眼底：右眼视乳头边界清，色泽正常，视乳头颞侧小血管旁可见硬性渗出及新生血管，黄斑外下方见一环形硬性渗出，中心部有新生血管，颞上肢静脉旁可见浅在出血，小分支的末端亦见出血渗出及多量散在微血管瘤。视力：右眼0.8，左眼0.6。,糖尿病性视网膜病变（右眼）,足趾坏死，足背溃烂，足掌部大面积溃烂，腐肉较多，脓水淋漓，前掌部皮肤紫暗，渐及坏疽,糖尿病坏疽（侧位）,葡萄糖-6-磷酸酶缺陷糖原储积症型：一岁前后起病。矮小，进行性肝和脾肿大，腹部明显突出。严重低血糖，惊厥。乳酸性酸中毒。,主要由于糖原结构异常或糖原在组织细胞内堆积过多而引起的遗传性疾病。,（四）糖原累积症 主要由于糖原结构异常或糖原在组织细胞内堆积过多而引起的遗传性疾病。,思考题,糖类物质主要有哪些功能？为什么糖类物质也被认为是重要的信息分子？糖代谢紊乱引起什么疾病？,