生物化学-第04章-糖代谢.ppt
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1、,第二篇 物质代谢及其调节,第九章 物质代谢的联系与调节,糖 代 谢,Metabolism of Carbohydrates,第 四 章,主讲教师:王平,糖(carbohydrates)即碳水化合物,其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。糖广泛分布于所有生物体,植物含量最多。糖的主要作用是在生命活动中提供碳源和能源。是人体的主要能源物质。人体所需能量的50%70%都来自于糖。,糖的化学,(一)糖的概念,(二)糖的分类及其结构,根据其水解产物的情况,糖主要可分为以下四大类。,单糖(monosacchride)寡糖(oligosacchride)多糖(polysacchride)结合糖(
2、glycoconjugate),葡萄糖(glucose)已醛糖,果糖(fructose)已酮糖,1.单糖 不能再水解的糖。,目 录,半乳糖(galactose)已醛糖,核糖(ribose)戊醛糖,目 录,2.寡糖,常见的几种二糖有,麦芽糖(maltose)葡萄糖 葡萄糖,蔗 糖(sucrose)葡萄糖 果糖,乳 糖(lactose)葡萄糖 半乳糖,能水解生成几分子单糖的糖,各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连。,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 原(glycogen),纤维素(cellulose),淀粉 是植物中养分的储存形式,淀粉颗粒,目 录,糖原
3、 是动物体内葡萄糖的储存形式,目 录,纤维素 作为植物的骨架,目 录,4.结合糖 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。,常见的结合糖有,在体内的糖代谢中,葡萄糖居于主要地位。,第三节 糖的有氧氧化,第六节 糖异生,第一节 概述,第二节 糖的无氧氧化,第五节 糖原的合成与分解,第四节 磷酸戊糖途径,第八节 血糖及其调节,第七节 其他单糖的代谢(了解),第 一 节 概 述,Introduction,一、糖的生理功能(了解),1.氧化供能,如糖可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质的原料。,3.作
4、为机体组织细胞的组成成分,这是糖的主要功能。,2.提供合成体内其他物质的原料(碳源),*核糖 构成核酸*糖蛋白 凝血因子、免疫球蛋白等*糖脂 生物膜成分,二、糖的消化与吸收(了解),(一)糖的消化,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,其中以淀粉为主。,消化部位:主要在小肠,少量在口腔,淀粉,麦芽糖+麦芽三糖(40%)(25%),-临界糊精+异麦芽糖(30%)(5%),葡萄糖,唾液中的-淀粉酶,-葡萄糖苷酶,-临界糊精酶,消化过程:,口腔,肠腔,胰液中的-淀粉酶,肠粘膜上皮细胞刷状缘,纤维素:食物中含有的大量纤维素,因人体内无-糖苷酶而不能对其分解利用,但却具
5、有刺激肠蠕动等作用,也是维持健康所必需。,乳糖不耐症:一些成年人由于缺乏乳糖酶导致在饮用牛奶后,牛奶中的乳糖不能被水解而在肠中积聚,经细菌作用后产生H2、CH4和乳酸等,引起腹胀、腹泻等症状,此时可饮用酸奶防止其发生。,(二)糖的吸收,1.吸收形式:消化水解后的单糖,主要是葡萄糖。2.吸收部位:小肠上段,肠粘膜上皮细胞。,3.吸收机制:耗能的主动转运过程。需要特定的Na+依赖性葡萄糖转运体(SGLT)。主要存在于肠粘膜上皮细胞和肾小管上皮细胞。,ADP+Pi,ATP,G,Na+,K+,小肠粘膜细胞,肠腔,门静脉,3.吸收机制:主动吸收,Na+依赖型葡萄糖转运体(Na+-dependent gl
6、ucose transporter,SGLT),刷状缘,细胞内膜,4.吸收途径,小肠肠腔,肠粘膜上皮细胞,门静脉,肝脏,体循环,SGLT(Na依赖型G转运体),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)。,三、糖代谢的概况(熟悉),葡萄糖,丙酮酸,H2O及CO2,乳酸,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,核糖+NADPH+H+,淀粉,第 二 节糖的无氧氧化,*糖酵解的反应部位:胞浆,*糖的无氧酵解(glycolysis)概念:在机体缺氧条件下,葡萄糖经一系列酶促反应生成丙酮酸进而还原生成乳酸的过程称为糖酵解(gly
7、colysis),亦称糖的无氧氧化(anaerobic oxidation)。,一、糖无氧氧化反应过程,第一阶段:由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate),称之为糖酵解途径(glycolytic pathway)。第二阶段:由丙酮酸转变成乳酸。,糖酵解分为两个阶段:,葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,反应不可逆,(一)葡萄糖分解成2分子丙酮酸,己糖激酶是糖酵解的第一个关键酶,该酶在哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶,分别称为至型。肝细胞中存在的是型,称为葡萄糖激酶(glucokinase)。它的特点是 对葡萄糖的亲和力很低 受激素调控,这些特性使葡萄糖激酶在维持血糖水
8、平和糖代谢中起着重要的生理作用。,6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖,磷酸己糖异构酶,6-磷酸葡萄糖,(一)葡萄糖分解成2分子丙酮酸,6-磷酸果糖,6-磷酸果糖转变为1,6-双磷酸果糖,6-磷酸果糖,1,6-双磷酸果糖,反应不可逆,(一)葡萄糖分解成2分子丙酮酸,1,6-双磷酸果糖,磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,+,磷酸丙糖的同分异构化,磷酸丙糖异构酶,磷酸二羟丙酮,3-磷酸甘油醛,以上五步反应是糖酵解的耗能阶段,从1分子葡萄糖到生成2分子3-磷酸甘油醛 共消耗2分子ATP,3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸甘油酸,(6),3-
9、磷酸甘油醛脱氢酶,NAD+Pi,NADH+H+,糖酵解中唯一的脱氢反应,1,3-二磷酸甘油酸的高能磷酸键水解时G0=-61.9kJ/mol,可将能量转给ADP,生成ATP。,H,1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,1,3-二磷酸 甘油酸,3-磷酸甘油酸,这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应,这是酵解过程中第一次产生ATP的反应,将底物的高能磷酸键直接转移给ADP生成ATP,这种ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应称为底物水平磷酸化(substrate-level phosphorylation)。,底物水平磷酸化,3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,3-磷酸
10、甘油酸,磷酸甘油酸变位酶,2-磷酸甘油酸,(一)葡萄糖分解成2分子丙酮酸,9.2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸,由于脱水引起分子内部电子重排和能量重新分布,形成了一个高能磷酸键。,H2O,ADP,ATP,K+Mg2+,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,丙酮酸激酶,*,丙酮酸,反应不可逆,糖酵解过程的第三个限速酶,也是第二次底物水平磷酸化反应,由于底物的脱氢、脱水反应,使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,这种ATP的产生方式称为底物水平磷酸化。,糖酵解过程中ATP的消耗和产生,(二)丙酮酸转变成乳酸,
11、丙酮酸,乳酸,反应中的NADH+H+来自于上述第6步反应中的 3-磷酸甘油醛脱氢反应。乳酸是糖酵解的终产物,至此糖酵解结束。,H,H,糖酵解的代谢途径,E2,E1,E3,糖酵解小结,反应部位:胞浆 糖酵解是一个不需氧的产能过程 反应全过程中有三步不可逆的反应,能量计算 消耗能量:2ATP产生能量:4ATP方式:2次底物水平磷酸化 22ATP净生成ATP数量:22-2=2ATP,糖酵解小结,唯一的一次脱氢反应,共产生 2 NADH,去向:在无氧时交给丙酮酸还原乳酸 在有氧时进入线粒体,进行彻底氧化生成水。,(6)终产物乳酸的去路 释放入血,进入肝脏再进一步代谢。1.分解利用 2.乳酸循环(糖异生
12、),糖酵解小结,二、糖酵解的调节,关键酶,调节方式,(一)6-磷酸果糖激酶-1(PFK-1),*别构调节,2.别构激活剂:AMP;ADP;F-1,6-2P;F-2,6-2P,1.别构抑制剂:柠檬酸;ATP(高浓度),此酶有二个结合ATP的部位:活性中心底物结合部位(低浓度时)活性中心外别构调节部位(高浓度时),F-1,6-2P 正反馈调节该酶,对调节酵解途径的流量最重要,2,6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-1最强的变构激活剂;其作用是与AMP一起取消ATP、柠檬酸对6-磷酸果糖激酶-1的变构抑制作用。,2,6-双磷酸果糖对6-磷酸果糖激酶-1的调节:,6-磷酸果糖激酶-2,果糖二磷酸酶-2,
13、F-6-P,F-2,6-2P,磷酸化,磷酸化,失活,激活,F-6-P,F-1,6-2P,ATP,ADP,PFK-1,磷蛋白磷酸酶,PKA,目 录,1.别构调节,别构抑制剂:ATP,丙氨酸,别构激活剂:1,6-双磷酸果糖,(二)丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点,2.共价修饰调节,丙酮酸激酶,丙酮酸激酶,ATP,ADP,Pi,磷蛋白磷酸酶,(无活性),(有活性),PKA:蛋白激酶A(protein kinase A),CaM:钙调蛋白,(三)己糖激酶或葡萄糖激酶,*6-磷酸葡萄糖可反馈抑制己糖激酶,但肝葡萄糖激酶不受其抑制。,*长链脂肪酰CoA可别构抑制肝葡萄糖激酶。*胰岛素可诱导葡萄糖激酶
14、基因转录,促进酶的合成,(四)ATP 和AMP含量的调节:当细胞内能量缺乏时,ATP/AMP比值降低,PFK-1和PK被激活,糖酵解加强,ATP生成增加;反之,当细胞内能量充足时,ATP/AMP比值升高,PFK-1和PK受抑制,ATP生成减少。,三、糖酵解的生理意义,2.是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。,3.是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径。,无线粒体的细胞,如:红细胞,代谢活跃的细胞,如:白细胞、骨髓细胞,在机体应激状态下,迅速提供能量:特别对于肌收缩,海拔 5000米,1、掌握糖酵解的概念、细胞定位、反应过程、关键酶或限速酶;2、熟悉糖酵解的ATP生成及生理意义;3、了解糖
15、酵解的调节。,本节:,第 三 节糖的有氧氧化 Aerobic Oxidation of Carbohydrate,*部位:胞液及线粒体,*概念,糖的有氧氧化(aerobic oxidation)指葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成H2O和CO2,并释放出能量的过程。是机体主要供能方式。,一、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,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TAC循环,胞液,线粒体,(一)葡萄糖循糖酵解途径分解为丙酮酸,总反应式:,(二)丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA,丙酮酸脱氢酶复合体
16、的组成,酶E1:丙酮酸脱氢酶(12个)E2:二氢硫辛酰胺转乙酰酶(60个-核心)E3:二氢硫辛酰胺脱氢酶(6个),CO2,CoASH,NAD+,NADH+H+,5.NADH+H+的生成,1.-羟乙基-TPP的生成,2.乙酰硫辛酰胺的生成,3.乙酰CoA的生成,4.硫辛酰胺的生成,*,焦磷酸硫胺素(TPP),目 录,噻唑环,丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应过程,1.丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP。2.由二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化形成乙酰硫辛酰胺-E2。3.二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化生成乙酰CoA,同时使硫辛酰胺上的二硫键还原为2个巯基。4.二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)使还原的二氢硫辛酰胺脱氢
17、,同时将氢传递给FAD。5.在二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)催化下,将FADH2上的H转移给NAD+,形成NADH+H+。,二、三羧酸循环是以形成柠檬酸为起始物的循环反应系统,三羧酸循环(Tricarboxylic acid Cycle,TAC)也称为柠檬酸循环,指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸,反复进行脱氢脱羧,又生成草酰乙酸的循环反应的过程。由于它是由(德国)正式提出的,所以又称Krebs循环。,1.乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸,CH2COOH O=C-COOH+H-CH2 HO-C-COOH CH2COOH CH2COOH 草酰乙酸 乙酰CoA 柠檬酸,O=CSCoA,H
18、OH CoASH,柠檬酸合酶,(关键酶),(一)TCA循环由8步代谢反应组成,高能硫酯键水解GO!-31.4KJ/mol,反应不可逆,柠檬酸合酶是三羧酸循环的第一个关键酶。,2.柠檬酸异构为异柠檬酸,COOH,CH2,HOOCCOH,CH2,COOH,COOH,COOH,COOH,COOH,HOOC,HOOC,CH,C,CH2,CH2,H-C-OH,CH,顺乌头酸酶,顺乌头酸酶,H2O,H2O,柠檬酸,酶-顺乌头酸复合物,异柠檬酸,第一次氧化脱羧反应不可逆,COOH,HCOH,HOOC-C-OH,CH2,COOH,+,COOH,COOH,C=O,CH2,CH2,异柠檬酸脱氢酶,NAD+,NAD
19、H+H+,CO2,Mg2+,异柠檬酸,-酮戊二酸,(关键酶),3.异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸,第二次氧化脱羧反应不可逆,COOH,C=O,CH2,CH2,COOH,+,HSCoA,O=CSCoA,CH2,CH2,COOH,-酮戊二酸脱氢酶复合体,NAD+,NADH+H+,CO2,-酮戊二酸,琥珀酰CoA,-酮戊二酸氧化释出能量形成一个高能硫酯键。,(关键酶),4.-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰 CoA,E1:-酮戊二酸脱氢酶E2:二氢硫辛酰胺转琥珀酰酶E3:二氢硫辛酰胺脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体,-酮戊二酸脱氢酶复合体的组成和催化反应过程与丙酮酸脱氢酶复合体相似。,5.底物水平磷酸化反
20、应,O=CSCoA,COOH,CH2,CH2,CH2,CH2,COOH,COOH,+HSCoA,GDP+Pi,GTP,琥珀酰CoA合成酶,琥珀酰CoA,琥珀酸,+HOH,这是三羧循环中唯一的一次底物水平磷酸化。,6.琥珀酸脱氢生成延胡索酸,COOH,COOH,C H,CH2,CH2,H CH,COOH,COOH,FAD,FADH2,琥珀酸脱氢酶,琥珀酸,延胡索酸,第三次脱氢,脱下的H,经FAD直接传给电子传递链,生成1.5分子ATP。,(7)延胡羧酸加水生成苹果酸,COOH,COOH,C-H,HO-C-H,H-C-H,COOH,H-C,COOH,+HOH,延胡索酸酶,苹果酸,延胡索酸,(8)苹
21、果酸脱氢生成草酰乙酸,第四次脱氢,NADH+H+,NAD+,NAD+,NADH+H+,GTP,GDP+Pi,FAD,FADH2,NADH+H+,NAD+,柠檬酸合酶,顺乌头酸酶,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体,琥珀酰CoA合成酶,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,目 录,小 结,三羧酸循环的概念:指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸,反复的进行脱氢脱羧,又生成草酰乙酸,再重复循环反应的过程。TAC过程的反应部位是线粒体。,三羧酸循环,三羧酸循环的特点(4321)三羧酸循环每循环一次,氧化一分子乙酰CoA。经历二次脱羧,使乙酰基氧化为2分子CO2。经四次脱氢,生成3分子
22、NADH+H+,1分子FADH2,一次底物水平磷酸化,生成 1分子GTP。三个关键酶有:柠檬酸合酶;异柠檬酸脱氢酶-酮戊二酸脱氢酶复合体*ATP生成:3分子NADH+H+2.5ATP3=7.5ATP 1分子FADH2 1.5ATP1=1.5ATP 底物水平磷酸化生成 1ATP 共计 10ATP,三羧酸循环的中间产物三羧酸循环中间产物起催化剂的作用,本身无量的变化(质发生了改变),不可能通过三羧酸循环直接从乙酰CoA合成草酰乙酸或三羧酸循环中其他产物,同样中间产物也不能直接在三羧酸循环中被氧化为CO2及H2O。,整个循环反应为不可逆反应,表面上看来,三羧酸循环运转必不可少的草酰乙酸在三羧酸循环中
23、是不会消耗的,它可被反复利用。但是,,例如:,机体内各种物质代谢之间是彼此联系、相互配合的,TAC中的某些中间代谢物能够转变合成其他物质,借以沟通糖和其他物质代谢之间的联系。,机体糖供不足时,可能引起TAC运转障碍,这时苹果酸、草酰乙酸可脱羧生成丙酮酸,再进一步生成乙酰CoA进入TAC氧化分解。,*所以,草酰乙酸必须不断被更新补充。,草酰乙酸,其来源如下:,2009年考研西医综合试题,29、草酰乙酸不能直接转变生成的物质是 AA 乙酰乙酸B 柠檬酸C 天冬氨酸D 苹果酸,(三)TCA循环在3大营养物质代谢中具有重要生理意义,TCA循环是3大营养素的最终代谢通路,其作用在于通过4次脱氢,为氧化磷
24、酸化反应生成ATP提供还原当量。TCA循环是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽。,糖有氧氧化生成的ATP主要是经氧化磷酸化方式,其次是底物水平磷酸化方式。三羧循环中4次脱氢生成的NADH+H+和FADH2 以及其它代谢途径中生成的 NADH+H+和FADH2 都要进入呼吸链彻底氧化生成H2O 的同时ADP偶联磷酸化生成ATP。,三、糖有氧氧化是机体获得ATP的主要方式,呼吸链,第三阶段(线粒体基质)2异柠檬酸2-酮戊二酸 2NADH 52-酮戊二酸2琥珀酰CoA 2NADH 52琥珀酰CoA2琥珀酸 22琥珀酸2延胡索酸 2FADH2 32苹果酸2草酰乙酸 2NADH 5,第二阶段(线粒体基质)2
25、丙酮酸2乙酰CoA 2NADH 5,第一阶段(胞浆)葡糖糖6-磷酸葡糖糖-16-磷酸果糖1,6-二磷酸果-1 23-磷酸甘油醛21,3-二磷酸甘油酸 2NADH 3或5*21,3-二磷酸甘油酸23-磷酸甘油酸 22磷酸烯醇式丙酮酸2丙酮酸 2,30或32,由一个葡糖糖彻底氧化分解净生成,最终获得ATP,辅 酶,反 应,三、葡萄糖有氧氧化生成的ATP,在细胞浆中产生的NADH+H+可经过两个穿梭系统进入线粒体,再经氧化磷酸化产生ATP:(1)-磷酸甘油穿梭系统:1.5个ATP(2)苹果酸穿梭系统:2.5个ATP,1分子葡萄糖彻底氧化分解通过底物水平磷酸化可以产生ATP通过氧化磷酸化可以产生-AT
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- 生物化学 04 代谢
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