生物化学简明教程第四版09糖代谢.ppt

1,主要内容：,糖的分解代谢、合成代谢以及糖代谢的调控,2,9.1 多糖的降解,9.1.1 淀粉酶与淀粉的降解,1.-淀粉酶水解,内切酶，作用于淀粉分子内部的任意的-1，4 糖苷键。直链淀粉葡萄糖+麦芽糖+麦芽三糖+低聚糖的混合物支链淀粉 葡萄糖+麦芽糖+麦芽三糖+-极限糊精,极限糊精是指淀粉酶不能再分解的支链淀粉残基。-极限糊精是指含-1，6糖苷键由3个以上葡萄糖基构成的极限糊精。,3,-淀粉酶,4,外切酶，水解-1，4糖苷键，从淀粉分子外即非还原端开始，每间隔一个糖苷键进行水解，每次水解出一个麦芽糖分子。直链淀粉 麦芽糖 支链淀粉麦芽糖+-极限糊精,2、-淀粉酶(-amylase),-极限糊精是指-淀粉酶作用到离分支点2-3个葡萄糖基为止的剩余部分。两种淀粉酶降解的最终产物都有麦芽糖。,5,3、-淀粉酶,4、异淀粉酶,9.1.2 糖原磷酸化酶与糖原的降解,糖原磷酸化酶从糖原非还原端开始逐个加磷酸切下葡萄糖生成1-磷酸葡萄糖，切至糖原分支点4个葡萄糖残基处为止。,6,9,特点：多组分酶系。纤维素分解为葡萄糖流程：天然纤维素 C1酶 游离直链纤维素 Cx酶 纤维二糖-糖苷酶 葡萄糖 产物：葡萄糖 来源：霉菌、纤维杆菌、纤维放线菌 用途：能源化工,9.1.3 纤维素酶与纤维素的降解,10,9.2.1 糖酵解途径,9.2 糖的分解代谢,是将葡萄糖分解成丙酮酸的过程，这是糖分解代谢的最基本的反应途径。,11,葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖(G-6-P),（一）葡萄糖分解成丙酮酸,12,6-磷酸葡萄糖转变为 6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖(F-6-P),13,6-磷酸果糖转变为1,6-双磷酸果糖,6-磷酸果糖激酶-1(6-phosphfructokinase-1),6-磷酸果糖,1,6-双磷酸果糖,14,1,6-双磷酸果糖,磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,15,磷酸丙糖的同分异构化,磷酸丙糖异构酶(phosphotriose isomerase),3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,16,3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase),3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸甘油酸,17,1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,在以上反应中，底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation)。,1,3-二磷酸 甘油酸,3-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸激酶(phosphoglycerate kinase),18,3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase),3-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,19,2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸,20,磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸，并通过底物水平磷酸化生成ATP,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,21,22,二、糖酵解过程的能量衡算,以葡萄糖为起点,无氧情况下:,GG-6-P-1ATP F-6-PF-1，6-dip-1ATP 2 1,3-二磷酸甘油酸2甘油酸-3-磷酸+2ATP,2PEP2Py+2ATP,除2分子ATP外，还生成2分子NADH,23,2NADH经呼吸链氧化产生5ATP，即共产生7ATP 在某些组织，如某些神经和肌肉细胞中，NADH经磷酸甘油穿梭系统得FAD，产生1.5ATP，总计5ATP,有氧条件下：,24,磷酸甘油穿梭系统图,25,苹果酸穿梭系统图,三、糖酵解的调节,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,磷酸果糖激酶,丙酮酸激酶,己糖激酶,26,27,1、果糖6-磷酸激酶1是最关键的限速酶（1）ATP/AMP比值（2）H+可抑制酶的活性（3）柠檬酸可增加ATP对酶活性的抑制（4）2，6-二磷酸果糖（F-2，6-BP）能削除ATP对酶的抑制效应。2、己糖激酶活性的调控别构酶，其活性受到自身反应产物6-磷酸葡萄糖的抑制。因6-磷酸葡萄糖可转化糖原或戊糖磷酸，因此，它不是关键限速酶。3、丙酮酸激酶（1）1，6-二磷酸果糖是此酶的别构激活剂（2）丙酮酸、ATP和乙酰辅酶A是该酶的别构抑制剂，及游离长链脂肪酸也是该酶抑制剂,28,1、6-磷酸果糖激酶-1（PFK-1）,（1）ATP/AMP的调节（2）柠檬酸调节（3）2，6二磷酸果糖调节（F-2,6-BP）,F-2,6-BP,F-1,6-BP,29,F-6-P,F-2,6-BP,ATP,ADP,6-磷酸果糖激酶-2（PFK-2）,H2O,Pi,二磷酸果糖酶-2(FBPase2),F-2,6-BP是6-磷酸果糖激酶-1 最强的变构激活剂。,柠檬酸,AMP,30,6-磷酸果糖激酶-2（PFK-2,激酶活性）,胰高血糖素,6-磷酸果糖激酶-2,(FBPase2,磷酸酶活性),31,四、糖酵解的生理意义,（1）在无氧条件下，通过糖酵解可以获得有限的能量用以维持生命供能。（2）提供生物合成所需的物质。（3）糖酵解不仅是葡萄糖的降解途径，也是其它一 些单糖的分解代谢途径。（4）为糖的彻底降解作了准备。,32,1、乳酸发酵,乳酸脱氢酶,五、糖酵解的应用,33,34,2、酒精发酵,35,酒精发酵之初：即：-磷酸甘油脱氢酶 磷酸二羟丙酮+NADH+H+-磷酸甘油+NAD+磷酯酶-磷酸甘油+H2O 甘油+Pi,当有了乙醛作为受氢体，代谢途径的流向就不再朝甘油方向了。将受氢体乙醛除去，则势必造成发酵液中甘油的积累。,3、甘油发酵,36,两种方法,（1）亚硫酸盐法:,将亚硫酸氢钠(NaHSO3)加入发酵液中，能与乙醛发生加成反应，生成难溶的结晶状产物CH3CH(OH)(OSO2Na)，使乙醛不能再作为受氢体，迫使NADH+H+用于磷酸二羟丙酮的还原，生成甘油,思考题：甘油高产发酵的代谢调控要点是什么？,磷酸甘油脱氢酶,37,（2）碱法甘油发酵:,酵母酒精发酵的发酵液pH值调至碱性，保持在pH7.6以上，则2分子乙醛之间发生歧化反应，1分子被还原成乙醇，1分子被氧化成乙酸。乙醛失去了作为受氢体的作用，NADH+H+只好用于还原磷酸二羟丙酮，并生成甘油,38,39,糖酵解小结,1.糖酵解几乎是生物的公共途径，一分子葡萄糖氧化成两分子丙酮酸，并把能量以ATP和NADH形式贮存。,2.糖酵解过程有10个酶，全部在胞质中。有10个中间产物，都是磷酸化的六碳或三碳化合物。,3.糖酵解的准备阶段，用ATP把葡萄糖转化为1,6-二磷酸果糖，然后C3和C4间的键断裂生成二分子三糖磷酸。,4.在回报阶段，来自葡萄糖的3-磷酸甘油醛在C1上发生氧化，反应能量以一分子NADH和二分子ATP形式贮存。,6.糖酵解受到其他产能途径的调控，以保证ATP的不断供给。己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶都受到变构调控。控制通过这个途径的碳流量，维持代谢中间物的水平不变。,5.总反应式：Glc+2NAD+2ADP+2Pi 2Pyr+2NADH+2H+2ATP+2H2O,40,9.2.2 丙酮酸的有氧降解,（EMP）,葡萄糖,丙酮酸脱氢酶系,41,1、丙酮酸的脱氢酶系,（1）丙酮酸脱氢酶(E1)（也称丙酮酸脱羧酶）:辅基TPP，,功用：,（2）二氢硫辛酰转乙酰基酶(E2)：硫辛酰胺（硫辛酸）,CoA-SH,功用：氧化2C单位，并将2C单位先转到硫辛酰胺上，再转到CoA上。,（3）二氢硫辛酸脱氢酶(E3)：是一种黄酶，辅基FAD，NAD+,功用：Red型硫辛酰胺OX型硫辛酰胺,一、乙酰辅酶A的形成,42,43,44,2、丙酮酸的脱氢酶系的调控,(1)产物抑制 乙酰CoA、NADH(2)核苷酸反馈调节 E1（GTP抑制，AMP活化）(3)可逆磷酸化作用的共价调节 E1磷酸和去磷酸,45,二、三羧酸循环,柠檬酸循环,三羧酸循环 Tricarboxylic acid cycle(TCA cycle),Krebs循环,46,三羧酸循环总图,47,（一）三羧酸循环途径,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,三羧酸循环的总反应式,CH3COSCoA3NADFADGDPPi2H2O,2CO23NADH3HFADH2GTPCoASH,63,三羧酸循环中有两步反应是不可逆的,（1）Cit的合成（2）-KGA的氧化脱羧,所以TCA Cycle是单方向进行，不能逆转。,CoASH,（二）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,苹果酸,草酰乙酸,64,65,（三）三羧循环的化学计量和能量计量,1、总反应式:CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+FADH2+GTP,能量“现金”:1 GTP 能量“支票”:3 NADH 1 FADH2,7.5ATP,1.5ATP,1ATP,10ATP,2、三羧酸循环的能量计量,66,3、葡萄糖完全氧化产生的ATP,酵解阶段：2 ATP 2 1 NADH,2 ATP,2(2.5ATP或1.5 ATP),总计：32ATP或30 ATP,67,（四）三羧循环的生物学意义,1.为生物体提供能量，是体内主要产生ATP的途径；,2.循环中的中间物为生物合成提供原料；如草酰乙酸、a-酮戊二酸可转变为氨基酸，琥珀酰CoA可用于合成叶绿素及血红素分子中的卟啉。,3.糖类、蛋白质、脂类、核酸等代谢的枢纽。,CoASH,柠檬酸合成酶,顺乌头酸酶,乙醛酸循环反应历程,NAD+,NADH,苹果酸脱氢酶,草酰乙酸,CoASH,OCH3-CSCoA,异柠檬酸裂解酶,苹果酸合成酶,O OH-C-C OH,乙醛酸,NAD+,草酰乙酸,9.2.3 乙醛酸循环,68,CoASH,乙醛酸循环和三羧酸循环反应历程的 比较,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,草酰乙酸,苹果酸,延胡索酸,69,乙醛酸循环总反应式及其与糖异生的关系,70,71,乙醛酸循环的总反应：,2乙酰-CoA+NAD+2H2O琥珀酸+2CoA+NADH+H+,或2乙酰-CoA+2NAD+FAD草酰乙酸+2CoA+2NADH+FADH2+2H+,72,乙醛酸循环的生理意义：,（1）乙醛酸循环提高了生物体利用乙酰CoA的能力，只要极少量的草酰乙酸作引物，乙酰CoA就可以 无限制地转变为四碳二羧酸和六碳三羧酸，因此 某些微生物能以乙酸等二碳化合物作唯一的碳源和能源。,（2）乙醛酸循环开辟了一条从脂肪转变成糖的途径。,73,柠檬酸发酵,顺乌头酸酶失活或活性降低,黑曲霉的变异株,顺乌头酸酶缺损或活力很低,柠檬酸积累,1、柠檬酸发酵,无铁培养基亚铁氰化钾与Fe+2生产络合物,诱变基因工程手段,74,回补反应能补充用于代谢途径中因合成代谢而消耗的中间代谢物的反应。,75,76,味精发酵生产,77,9.2.4 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,78,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,NADPH+H+,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,79,磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶段,80,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之一（5-磷酸核酮糖异构化）,差向异构酶,异构酶,5-磷酸木酮糖,5-磷酸核糖,5-磷酸核酮糖,81,磷酸戊糖途径的 非氧化阶段之二（基团转移）,+,2,4-磷酸赤藓糖,+,2,5-磷酸核糖,2,3-磷酸甘油醛,转酮酶,转醛酶,2,6-磷酸果糖,+,7-磷酸景天庚酮糖,2,5-磷酸木酮糖,82,基团转移（续前）,+,转酮酶,83,1,6-二 磷酸果糖,6-磷酸果糖,醛缩酶,二磷酸果糖酯酶,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之三（3-磷酸甘油醛异构、缩合与水解）,异构酶,84,85,戊糖磷酸途径的总反应式：,6 G-6-P+12NADP+7H2O5G-6-P+6CO2+12NADPH+12H+H3PO4,净结果是1分子G-6-P彻底降解放出6CO2，同时还原12分子NADP成12分子NADPH。,86,戊糖磷酸途径的生理意义：,（1）供能。,（2）产生大量的NADPH，为细胞的各种合成反应提供还原剂（力）。如参与脂肪酸和固醇类物质的合成，在红细胞中保证谷胱甘肽的还原状态。（防止膜脂过氧化；维持血红素中的Fe2+）。,（3）该途径的中间产物核糖-5-P为核酸生物合成的必需原料。,（4）通过转酮及转醛醇基反应使丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖相互转化。,（5）赤藓糖-4-P、与甘油醛-3-P合成莽草酸，转化为多酚和芳香族氨基酸。（6）戊糖磷酸途径与糖酵解和光合作用有密切关系。,87,戊糖磷酸途径代谢的调节,戊糖磷酸途径的调节点主要是G-6-P脱氢酶，这是一个不可逆反应，是戊糖磷酸途径中的限速一步。,NADPH是G-6-P脱氢酶的竞争性抑制剂，当NADPH/NADP+的比值大于10时，其抑制作用可达90%。,88,9.2.5 葡糖醛酸途径糖醛酸途径由G-6-P或G-1-P开始，经UDP-葡萄糖醛酸脱掉UDP形成葡萄糖醛酸。糖醛酸途径产生的葡萄糖醛酸可形成许多重要的粘多糖，如硫酸软骨素、透明质酸。,89,其它糖进入单糖分解的途径,90,9.3 糖的合成代谢,单糖基的活化糖核苷酸（UDPG、ADPG、GDPG等）的合成 糖核苷二磷酸在不同聚糖形成时，提供糖基和能量。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；动物细胞中糖原合成时需UDPG。,91,UDPG的结构,92,糖核苷酸的生成,+,+PPi,1-磷酸葡萄糖,UTP,UDPG,93,9.3.1 糖原的生物合成,糖原生物合成过程与植物支链淀粉合成过程相似，但参与合成的引物、酶、糖基供体等是不相同的。引物：结合有一个寡糖链的多肽 酶：糖原合成酶，分支酶 糖基供体：UDPG,94,糖原的合成,引物（Gn）,+,+,糖原(Gn+1),95,在分支酶作用下的糖原分支的形成,96,9.3.2 蔗糖的合成 蔗糖合成酶途径 磷酸蔗糖合成酶途径,97,直链淀粉合成 由淀粉合成酶催化，需引物（Gn）,ADPG供糖基，形成1，4糖苷键。支链淀粉合成 淀粉合成酶:催化形成-1，4糖苷键 Q酶（分支酶）:既能催化-1，4糖苷键的断裂，又能催化-1、6糖苷键的形成,9.3.3 淀粉的生物合成,98,淀粉的分枝结构,99,直链淀粉的合成,引物（Gn）,+,+,直链淀粉(Gn+1),100,在Q酶作用下的支链淀粉的合成,101,102,9.3.5 糖的异生作用,非糖物质在肝中转变为葡萄糖，称为称为糖异生作用。,糖酵解途径糖异生作用,糖原（或淀粉）,1-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,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,103,糖异生途径关键反应之一,104,糖异生途径关键反应之二,105,糖异生途径关键反应之三,106,（胞液）,（线粒体）,葡萄糖代谢和 糖异生的关系,（PEP）,107,108,（1）当能量水平降低时，有利于糖酵解的进行而不利于糖异生作用，当能量水平升高时，则有利于糖的异生作用而糖酵解受到抑制。（2）葡萄糖-6-磷酸抑制己糖激酶，活化葡萄糖-6-磷酸（3）2，6 一二磷酸果糖可抑制果糖二磷酸酶的活性而激活磷酸果糖激酶的活性，果糖二磷酸酶和磷酸果糖激酶分别为糖异生作用和酵解的关键酶。当血糖水平低时，刺激胰高血糖素分泌，使 2，6 一二磷酸果糖水平下降，最终导致糖酵解速度下降，糖异生作用加强。（4）丙酮酸羧化酶与丙酮酸激酶的调节。（5）能使糖酵解作用增强的因素都能使糖异生作用降低，反之亦然，因为两条途径的三个不可逆部位的酶受到相反调节。使一条途径开放而另一条途径关闭，如此进行协调控制。,糖异生和糖酵解的调控,109,人类及高等动物的糖反常代谢 糖尿,110,糖耐量曲线,111,血糖水平异常,低血糖：空腹血糖浓度低于3.333.89mmol/L病因：(1)胰性(胰岛细胞机能亢进,胰岛细胞机能低下)(2)肝性(肝癌、糖原积累病等)；(3)内分泌异常(垂体机能低下,肾上腺皮质机能低下等)(4)肿瘤(胃癌)等；(5)饥饿或不能进食者等。,112,血糖水平异常,高血糖(hyperglycemia）空腹血糖浓度高于7.227.78 mmol/L称为高血糖。当血糖浓度高于8.89 10.00 mmol/L（肾糖阈），超过肾小管的重吸收能力，可出现糖尿。糖尿病(diabetes mellitus)持续性高血糖和糖尿，特别是空腹血糖和糖耐量 曲线高于正常范围，主要见于糖尿病。,点击回目录,113,高血糖：空腹血糖含量大于120mg低血糖：小于6070mg主要依靠激素的调节，酶水平的调节是最基本的调节方式和基础胰岛素:降低血糖胰高血糖素/糖皮质激素/肾上腺素:升高血糖,问答题,1、何谓三羧酸循环？它有何特点和生物学意义？2、磷酸戊糖途径有何特点？其生物学意义何在？3、何谓糖酵解？糖酵解与糖异生途径有那些差异？4、为什么说6-磷酸葡萄糖是各条糖代谢途径的交叉点?,114,