糖代谢---生物化学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 糖代谢,一、代谢总论,Metabolism,二、多糖和寡聚糖的酶促降解,三、糖的无氧降解及厌氧发酵,四、葡萄糖的有氧分解代谢,五、戊糖磷酸途径,phosphopentose pathway PPP,六、糖的合成、糖异生,角度一,角度二,物质代谢,能量代谢,同化作用,吸收营养,合成自身,储存能量,异化作用,分解自身,排除废物,释放能量,新 陈 代 谢,角度一,角度二,物质代谢,能量代谢,同化作用,吸收营养,合成自身,储存能量,异化作用,分解自身,排除废物,释放能量,新 陈 代 谢,一、糖代谢总论,糖代谢包括,分解代谢,和,合成代谢,。,动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供的。另方面，糖分解的中间产物，又为生物体合成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。,糖与多糖,糖类物质,是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物；,糖类物质可以根据其水解情况分为：,单糖、寡糖和多糖；,在生物体内，糖类物质主要以均一多糖、杂多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。,重要的己糖包括：葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。,-,D-,吡喃葡萄糖,-,D-,吡喃半乳糖,1.,单糖的结构,-,D-,吡喃甘露糖,-,D-,呋喃果糖,蔗糖,2.,寡糖（二糖）,O,O,O,CH,2,OH,CH,2,OH,HOCH,2,1,2,3,2,4,葡萄糖,-,，（,12,）果糖苷,葡萄糖,-,（14,）半乳糖苷,乳 糖,1,4,O,CH,2,OH,O,CH,2,OH,OH,O,1,4,1,2,3,麦芽糖,(1).,淀粉（分为直链淀粉和支链淀粉）,直链淀粉,分子量约,1万-200,万，,250-260,个葡萄糖分子，以,（,14,）糖苷键,聚合而成。呈螺旋结构，遇碘显紫蓝色。,支链淀粉,中除了,（,14,）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（,16,）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。,3.,多糖,(2).,纤维素,由葡萄糖以,（,14,）糖苷键连接而成 的直链，不溶于水。,(3).,几丁质（壳多糖）,N-,乙酰,-,D-,葡萄糖胺，以,（,14,）糖苷键缩合而成的线性均一多糖。,(4).,杂多糖,糖胺聚糖（粘多糖、氨基多糖等）,透明质酸,硫酸软骨素,硫酸皮肤素,硫酸角质素,肝素,糖原,二、多糖和寡聚糖的酶促降解,概述,多糖和寡聚糖只有分解成小分子后才能被吸收利用，生产中常称为,糖化,。,2.,淀粉,3.,淀粉水解,淀粉 糊精 寡糖 麦芽糖,G,淀粉的酶促水解：,水解淀粉的淀粉酶有,与,淀粉酶,， 二者只能水解淀粉中的,-1，4,糖苷键，水解产物为麦芽糖。,-,淀粉酶,可以水解淀粉,(,或糖原,),中任何部位的,-1，4,糖键，,淀粉酶,只能从非还原端开始水解。,水解淀粉中的,-1，6,糖苷键的酶是,-1，6,糖苷键酶,淀粉水解的产物为,糊精,和,麦芽糖,的混合物。,还原末端,非还原末端,-1，4,糖苷键,-1，6,糖苷键,三、,糖的无氧降解及厌氧发酵,糖酵解途径,(,glycolysis,),（,Embden,Meyerhof,Parnas,EMP）,(1),EMP,途径的生化历程,1）第一阶段：葡萄糖,1, 6-,二磷酸果糖,2,）第二阶段：,1, 6-,二磷酸果糖,3-,磷酸甘油醛,3,）第三阶段：,3-,磷酸甘油醛,2-,磷酸甘油酸,4,）第四阶段：,2-,二磷酸甘油酸,丙酮酸,葡萄糖分解代谢过程中能量的产生,葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式：直接产生,ATP；,生成高能分子,NADH,或,FADH,2,，,后者在线粒体呼吸链氧化并产生,ATP。,糖酵解：,1,分子葡萄糖,2,分子丙酮酸，共消耗了,2个,ATP，,产生了,4 个,ATP，,实际上净生成了,2个,ATP，,同时产生,2个,NADH。（2）,有氧分解（丙酮酸生成乙酰,CoA,及三羧酸循环）产生的,ATP、NADH,和,FADH,2,丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸,乙酰,CoA,，,生成,1个,NADH。,三羧酸循环：乙酰,CoA,CO,2,和,H,2,O，,产生一个,GTP（,即,ATP）、3,个,NADH,和1个,FADH,2,。,葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量,糖酵解、丙酮酸氧化脱羧及三羧酸循环生成的,NADH,和,FADH,2,，,进入线粒体呼吸链氧化并生成,ATP。,线粒体呼吸链是葡萄糖分解代谢产生,ATP,的最主要途径。,葡萄糖分解代谢总反应式,C,6,H,6,O,6,+ 6 H,2,O + 10 NAD,+,+ 2 FAD + 4 ADP + 4Pi,6 CO,2,+ 10 NADH + 10 H,+,+ 2 FADH,2,+ 4 ATP,按照一个,NADH,能够产生,3个,ATP，1,个,FADH,2,能够产生,2个,ATP,计算，,1,分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生,38个,ATP：,4 ATP +（10,3）ATP + （2,2）ATP = 38 ATP,高能化合物与底物水平磷酸化（,substrate,phosphorglate,）,结果：脱氢 活化，产能,调节控制：磷酸果糖激酶（,phosphofructokinase,PFK）,（2,） 总 结,2.,丙酮酸的无氧降解,（酵解与厌氧发酵）,（1,） 乳酸发酵,（同型乳酸发酵）,lactic,fermation,动物,乳酸菌（乳杆菌、乳链球菌）,G +2ADP+ 2Pi 2,乳酸 ,2,ATP+2,水,（2,）酒精发酵（酵母的第,型发酵）,alcoholic,fermation,（3,）甘油发酵（酵母的第,型发酵）,四、葡萄糖的有氧分解代谢,有氧氧化： 大多数生物的主要代谢途径,EMP,pyr,TCA,可衍生许多其他物质,pyr,脱羧,TCA,1.,丙酮酸氧化脱羧,乙酰,CoA,的生成,基本反应：,糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入线粒体内室。在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶,A。,催化酶：,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（也叫丙酮酸脱氢酶）,E2-,二氢硫辛酸乙酰基转移酶,E3-,二氢硫锌酰胺脱氢酶。,焦磷酸硫胺素（,TPP)、,硫辛酸、,COASH、FAD、NAD+、Mg2+,2.,乙酰,CoA,的彻底氧化分解,Tricarboxylic,acid cycle TCA,化学反应历程（,10,步反应、,8,种酶）,糖酵解有二重作用：一是降解产生,ATP，,二是产生含碳的中间物为合成反应提供原料。,在酵解过程中有三个不可逆反应，也就是说有三个调控步骤，分别被三个酶多点调节：己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。己糖激酶可以控制葡萄糖的进入，丙酮酸激酶调节酵解的出口。,三羧酸循环,草酰乙酸,柠檬酸,异柠檬酸,a-,酮戊二酸,琥珀酸辅酶,A,琥珀酸,延胡索酸,苹果酸,乙酰辅酶,A,三羧酸循环过程总结,(,一次循环,),10,步反应,8,种酶催化,反应类型,缩合,1,、脱水,1,、氧化,4,、底物水平磷酸化,1,、水化,1,生成,3,分子还原型,Co,生成,1,分子,FADH,2,生成,1,分子,ATP,三羧酸循环总反应式,三羧酸循环的生物学意义,1.,普遍存在,2.,生物体获得能量的最有效方式,3.,是糖类、蛋白质、脂肪三大物质转化的枢纽,4.,获得微生物发酵产品的途径,柠檬酸、谷氨酸,3.,丙酮酸羧化支路（回补途径）,三羧酸循环不仅是产生,ATP,的途径，它产生的中间产物也是生物合成的前体。例如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰,CoA,，,谷氨酸、天冬氨酸是从,-,酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响三羧酸循环的进行。,1.,丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，需要生物素为辅酶。,2,、磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。,3.,天冬氨酸及谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和,-,酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰,CoA,。,其反应将在氨基酸代谢中讲述。,基本生化途径：,关键：,柠檬酸进一步降解,合成前体原料保证,4.,柠檬酸发酵,五、戊糖磷酸途径,phosphopentose pathway PPP,糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要径，但不是唯一途径。实验研究也表明：在组织中添加酵解抑制剂如碘乙酸或氟化物等，葡萄糖仍可以被消耗，这说明葡萄糖还有其它的代谢途径。许多组织细胞中都存在有另一种葡萄糖降解途径，即磷酸戊糖途径（,pentose phosphate pathway, PPP），,也称为磷酸己糖旁路（,hexose monophosphate,pathway/shunt,HMP）。,参与磷酸戊糖途径的酶类都分布在动物细胞浆中，动物体中约有,30%,的葡萄糖通过此途径分解。,1.,磷酸戊糖途径的反应过程,（1）,G-6-P,脱氢脱羧转化成,5-,磷酸核酮糖。,（2,）磷酸戊糖的异构化,（,3,）磷酸戊糖通过转酮及转醛反应生成酵解途径的中间产物,6-,磷酸果糖和,3-,磷酸甘油醛。,2.,磷酸戊糖途径的调节,肝脏中的各种戊糖途径的酶中以,6-,磷酸葡萄糖脱氢酶的活性最低，所以它是戊糖途径的限速酶，催化不可逆反应步骤。其活性受,NADP+/NADPH,比值的调节，,NADPH,竞争性抑制,6-,磷酸葡萄糖脱氢酶和,6-,磷酸葡萄糖酸脱氢酶的活性。机体内,NAD+/NADH,比,NADP+/NADPH,的比值要高几个数量级，前者为,700,，后者为,0.014,，这使,NADHP,可以进行有效的反馈抑制调控。只有,NADPH,在脂肪的生物合成中被消耗时才能解除抑制，再通过,6-,磷酸葡萄糖脱氢酶产生出,NADPH。,非氧化阶段戊糖的转变主要受控于底物浓度。,5-,磷酸核糖过多时，可转化成,6-,磷酸果糖和,3-,磷酸甘油醇进行酵解。,六、糖的合成、糖异生,糖异生是指从非糖物质合成葡萄糖的过程。非糖物质包括丙酮酸、乳酸、生糖氨基酸、甘油等均可以在哺乳动物的肝脏中转变为葡萄糖或糖原。这一过程基本上是糖酵解途径的逆过程，但具体过程并不是完全相同，因为在酵解过程中有三步是不可逆的反应，而在糖异生中要通过其它的旁路途径来绕过这三步不可逆反应，完成糖的异生过程。,一、糖异生的证据及其生理意义,用整体动物做实验，禁食,24,小时，大鼠肝脏中的糖原由,7%,降低到,1%,，饲喂乳酸、丙酮酸或三羧酸循环代谢的中间物后可以使大鼠肝糖原增加。,根皮苷是一种从梨树茎皮中提取的有毒的糖苷，它能抑制肾小管将葡萄糖重吸收进入血液中，这样血液中的葡萄糖就不断的由尿中排出。当给用根皮苷处理过的动物饲喂三羧酸循环中间代谢物或生糖氨基酸后，这些动物尿中的糖含量增加。,糖尿病人或切除胰岛的动物，他们从氨基酸转化成糖的过程十分活跃。当摄入生糖氨基酸时，尿中糖含量增加。,1.,糖异生的证据如下：,糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料的，成人每天约需要,160,克葡萄糖，其中,120,克用于脑代谢，而糖原的贮存量是很有限的，所以需要糖异生来补充糖的不足。,在饥饿或剧烈运动造成糖原下降后，糖异生能使酵解产生的乳酸、脂肪分解产生的甘油以及生糖氨基酸等中间产物重新生成糖。这对维持血糖浓度，满足组织对糖的需要是十分重要的。,糖异生可以促进脂肪氧化分解供应能量，当体内糖供应不足时，机体会大量动员脂肪分解，此时会产生过多的酮体（乙酰乙酸、,-,羟丁酸、丙酮），而酮体则必须经过三羧酸循环才能彻底氧化，此时糖异生对维持三羧酸循环的正常进行起主要作用。,2,、糖异生的生理意义,糖异生作用的总反应式如下：,2,丙酮酸,+4,ATP+2GTP+2NADH+2H+4H2O ,葡萄糖,+2,NAD+ +4ADP +2GDP +6Pi,二、糖异生的途径,1,、丙酮酸羧化生成磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,+,ATP + GTP ,磷酸烯醇式丙酮酸,+,ADP + GDP + CO2,2,、磷酸烯醇式丙酮酸沿酵解途径逆向反应生成,1,6-,二磷酸果糖。这个过程也要逾越一个能障，即从,3-,磷酸甘油酸转变成,1,3-,二磷酸甘油酸的过程中需要消耗一个,ATP。,3、1,6-,二磷酸果糖转化成,6-,磷酸果糖。这是糖异生作用中的关键反应，由果糖二磷酸酶催化。该酶是一个别构酶，被其负效应物,AMP、2,6-,二磷酸果糖强烈抑制，但,ATP、,柠檬酸和,3-,磷酸甘油酸可激活此酶的活性。,4、6-,磷酸果糖转化为葡萄糖，由葡萄糖,-6-,磷酸酶催化。该酶只在肝脏中存在，在肌肉或脑组织中没有此酶存在，因此糖异生作用只能在肝脏中进行。,三、糖异生途径的前体,1,、凡是能生成丙酮酸的物质都可以变成葡萄糖。例如三羧酸循环的中间物，柠檬酸、异柠檬酸、,-,酮戊二酸、琥珀酸、延胡索酸和苹果酸都可以转变成草酰乙酸而进入糖异生途径。,2,、大多数氨基酸是生糖氨基酸如丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、甘氨酸、精氨酸、组氨酸、苏氨酸、脯氨酸、谷胺酰胺、天冬酰胺、甲硫氨酸、缬氨酸等，它们可转化成丙酮酸、,-,酮戊二酸、草酰乙酸等三羧酸循环中间物参加糖异生途径。,3、,Cori,循环：剧烈运动时产生的大量乳酸会迅速扩散到血液，随血流流至肝脏，先氧化成丙酮酸，再经过糖异生作用转变为葡萄糖，进而补充血糖，也可重新合成肌糖原被贮存起来。这一乳酸,葡萄糖的循环过程称为,Cori,循环。,4,、反刍动物糖异生途径十分活跃，牛胃中的细菌分解纤维素成为乙酸、丙酸、丁酸等奇数脂肪酸可转变成为琥珀酰,CoA,参加糖异生途径合成葡萄糖。,本章小结,糖类的概念,淀粉及其酶解（淀粉糊化，酶促水解）,单糖：,G、F、,半乳糖,双糖：蔗糖，麦芽糖，乳糖,多糖：淀粉（直链 支链），糖原,淀粉酶、,淀粉酶、葡萄糖淀粉酶,3.,葡萄糖酵解及厌氧发酵,4.,葡萄糖的有氧代谢,5.,戊糖途径（,G-1-P,脱氢，,NADPH）,6.,糖异生,EMP、,乳酸发酵、酒精发酵,丙酮酸脱羧、,TCA、,四碳回补、柠檬酸与,Glu,发酵,糖分解综合图解,