生物化学简明教程-第9章-糖代谢

第九章糖代谢糖代谢•包括糖的分解代谢与合成代谢•分解代谢主要指大分子糖经酶促降解成单糖后，进一步降解，氧化成CO2和H2O，并释放能量的过程•合成代谢指绿色植物和光合微生物利用日光为碳源，与水合成葡萄糖，并释放氧气的过程，糖的生理功能（1）供给能量:55-60%（动物、植物）（2）机体的重要碳源（3）机体结构的重要组分（4）细胞间的信息传递（5）特殊生理功能的物质（6）保护与润滑：蛋白聚糖（粘膜与分泌物）9.1多糖和低聚糖的酶促降解•糖类中多糖和低聚糖，由于分子大，不能透过细胞膜，所以在被生物体利用乏前必须水解成单糖，其水解均依靠酶的催化淀粉的酶促水解纤维素的酶促水解9.1.1淀粉的酶促水解•α-淀粉酶：水解淀粉分子内部任意部位的α-1,4糖苷键（内切酶）•β-淀粉酶：从非还原端开始水解α-1,4糖苷键，依次水解下一个β-麦芽糖单位（外切酶）•脱支酶：α-1,6-糖苷键酶，水解支链淀粉（或糖原）中的1,6-糖苷键，如植物中的R酶，小肠粘膜的α-糊精酶。糖原葡萄糖单元以α-1,4-糖苷键形成长链。约10个葡萄糖单元处形成分枝，分枝处葡萄糖以α-1,6-糖苷键连接，分支增加，溶解度增加。每条链都终止于一个非还原端，非还原端增多，以利于其被酶分解。淀粉或糖原的磷酸解磷酸化酶（催化1,4-糖苷键断裂）两种酶协同作用脱支酶（催化1,6-糖苷键断裂）在脱支酶的肽链上，有2个起不同催化作用的活性部位，即同一个肽链上有2种酶存在，故人们往往将脱支酶笼统地看作是1种双功能酶。磷酸化酶脱枝酶α-1,6糖苷酶活性转移酶活性①转移葡萄糖残基②水解-1,6-糖苷键非还原端还原端9.1.2纤维素的酶促水解•人的消化道中没有水解纤维素的酶•很多微生物如细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶，它们能催化纤维素完全水解成葡萄糖。纤维二糖（-型）纤维素纤维素酶纤维二糖酶葡萄糖血糖食物糖消化，吸收肝糖原分解非糖物质糖异生氧化分解CO2+H2O糖原合成肝（肌）糖原磷酸戊糖途径等其它糖脂类、氨基酸合成代谢脂肪、氨基酸血糖的来源和去路葡萄糖代谢概况葡萄糖丙酮酸有氧氧化无氧氧化H2O+CO2乳酸糖原糖原合成磷酸戊糖途径核糖+NADPH+H+乳酸、氨基酸、甘油糖异生作用9.2糖分解代谢•葡萄糖（糖原）的分解主要有三条途径（1）酵解（有氧或无氧）：葡萄糖（Glucose）→丙酮酸（Pyr）（2）三羧酸循环（有氧）:Glucose→CO2+H2O（3）戊糖磷酸途径：Glucose→核糖+NADPH+H•乳酸发酵、乙醇发酵及乙醛酸循环9.2.1糖酵解•葡萄糖经酶促作用降解成丙酮酸，并伴随生成ATP的过程称为糖酵解•也称作Embden-Meyerhof-Parnas途径，简称EMP途径•此过程在细胞胞液中进行，是动物、植物和微生物细胞中葡萄糖分解的共同代谢途径。酵解与发酵发酵作用（fermentation）是指葡萄糖或其他有机营养物通过厌氧呼吸降解获得能量，贮存ATP的过程。根据产物不同，有乳酸发酵、乙醇发酵之分。酵解与发酵均不需氧的参加，故统称为糖的无氧分解；只是二者的最终产物不同。酒精发酵是酵母菌在无氧条件下分解葡萄糖取得生物能量的代谢方式，释放的化学能总共为234.3kJ／mol，净生成2molATP，能量利用率为28.6％。其余的能量以热能形式散发到发酵罐中，使发酵罐温度升高，必要时需采取降温措施。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21，3-二磷酸甘油酸23-磷酸甘油酸22-磷酸甘油酸2磷酸烯醇丙酮酸2丙酮酸第一阶段第二阶段第三阶段葡萄糖己糖磷酸酯的生成丙糖磷酸的生成丙酮酸与ATP的合成糖酵解过程从葡萄糖或糖原开始至生成丙酮酸,分别包括10或11步连续的酶促步骤4个阶段己糖磷酸酯的生成丙糖磷酸的生成丙酮酸和ATP的生成丙酮酸继续氧化（1）己糖磷酸酯的生成从葡萄糖开始经过三步--消耗2个ATP，有2个不可逆反应ATPADP葡萄糖激酶ATPADP果糖磷酸激酶ATPADP异构酶①葡萄糖磷酸化己糖激酶（肝为葡萄糖激酶）（注：ATP的磷酸基团转移给接受体的反应都由激酶催化，并需Mg2+）己糖激酶（肝为葡萄糖激酶）葡糖为何要磷酸化？①有极性，不易透过脂膜，易捕获②对酶是信号③消耗能量和合成ATP都是通过磷酸化。在肝细胞中还有一个葡萄糖激酶也可使葡萄糖磷酸化己糖激酶Km值是0.1mmol/L葡萄糖激酶Km值是10mmol/LKm值越小，酶对底物的亲和力越大葡萄糖浓度很高时，葡萄糖激酶才起作用。己糖激酶底物除葡萄糖外，还有D-甘露糖、D-果糖、氨基葡萄糖。己糖激酶是糖酵解过程中第一个调节酶，也是一个别构酶②葡萄糖-6-磷酸生成果糖-6-磷酸可逆反应的方向是由底物与产物浓度含量水平来控制葡萄糖磷酸异构酶③果糖-6-磷酸生成果糖-1,6-二磷酸果糖磷酸激酶是EMP中最关键的限速酶果糖磷酸激酶如从糖原开始酵解糖原（或淀粉）H3PO4葡糖-1-磷酸葡糖磷酸变位酶葡糖-6-磷酸果糖-6-磷酸磷酸己糖异构酶磷酸化酶酶-P＋葡糖-1-磷酸酶＋葡糖-1,6-二磷酸酶-P＋葡糖-6-磷酸葡糖磷酸变位酶催化的变位机制（2）丙糖磷酸的生成第四、五步－－果糖-1,6-二磷酸分裂为两个丙糖磷酸丙糖磷酸异构酶醛缩酶④果糖-1,6-二磷酸裂解为磷酸二羟丙酮和3-磷酸-甘油醛醛缩酶醛缩酶⑤磷酸二羟丙酮异构化为3-磷酸-甘油醛磷酸二羟丙酮和3-磷酸-甘油醛都是磷酸三碳糖，只有3-磷酸-甘油醛能进入继续进入酵解途径1分子葡萄糖降解成2分子磷酸甘油醛丙糖磷酸异构酶（3）丙酮酸和ATP的生成磷酸化作用与甘油醛-3-磷酸氧化相耦联，生成2个NADH，4个ATPNAD+NADH+H+PiADPATPH2OMg或Mn烯醇化酶ATPADP丙酮酸PEP丙酮酸激酶脱氢酶激酶变位酶⑥甘油酸-1,3-二磷酸的生成（氧化作用）甘油醛-3-磷酸脱氢酶：分子量140000，四个亚基，各紧密结合1分子NAD+。碘乙酸可强烈抑制此酶活性；砷酸盐可以与磷酸竞争与酶结合，生成不稳定的1-砷-3-磷酸甘油酸，破坏甘油酸-1,3-二磷酸的形成。高能磷酸键甘油醛-3-磷酸脱氢酶⑦甘油酸-3-磷酸和第一个ATP生成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甘油酸磷酸激酶⑧甘油酸-2-磷酸的生成甘油酸磷酸变位酶⑨烯醇式丙酮酸磷酸的生成烯醇化酶高能磷酸键⑩丙酮酸和第二个ATP的生成丙酮酸激酶高能磷酸键底物水平磷酸化（4）丙酮酸的继续氧化①进入三羧酸循环彻底氧化②生成乙醇：葡萄糖+2Pi+2ADP→2乙醇+2CO2+2ATP+H2O③生成乳酸：葡萄糖+2Pi+2ADP→2乳酸+2ATP+H2O葡萄糖++NADNADH+H++NADCH3CHOCH3CH2OHCO2NADH+HCOCH3COOH丙酮酸乙醛乙醇丙酮酸脱羧酶醇脱氢酶葡萄糖++NADNADH+H丙酮酸乳酸乳酸脱氢酶++NADCH3CH2OHCOOHNADH+HCOCH3COOH葡萄糖G-6-PF-6-PF-1,6-2P3-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烯醇式丙酮酸磷酸2烯醇式丙酮酸2丙酮酸乳酸乙醛乙醇三羧酸循环淀粉、糖原G-1-PATPATP2NADH2ATP2ATP步骤能量产物ATP数葡萄糖→G-6-P-ATP-1F-6-P→F-1,6-2P-ATP-11,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸+2ATP+2PEP→烯醇式丙酮酸+2ATP+2合计ATP+2（葡糖糖）+3（糖原、淀粉）糖酵解产能效率葡萄糖酵解产能196kJ/mol，糖原、淀粉酵解产能183kJ/mol，1molATP捕获30.514kJ。葡萄糖酵解产能效率＝2×30.514／196＝31%糖原、淀粉酵解产能效率＝3×30.514／183＝49.7%糖酵解的调控有三种酶是限速酶，又是别构酶，同时是同工酶①己糖激酶：活性的调控G-6-P是该酶的别构抑制剂（反馈抑制）②果糖磷酸激酶：最关键的限速酶ADP、AMP、β-D-果糖-2,6-二磷酸是别构激活剂；ATP、H+是别构抑制剂ATP／AMP比值对该酶括性的调节对细胞有重要的生理意义H+可抑制果糖磷酸激酶活性，它可防止肌肉中形成过量乳酸而使血液酸中毒柠檬酸可增加ATP对酶的抑制作用β-D-果糖-2,6-二磷酸可消除ATP对酶的抑制效应，使酶活化③丙酮酸激酶：活性的调节果糖-1,6-二磷酸是该酶的激活剂（前馈激活）丙氨酸是该酶的别构抑制剂。酵解产物丙酮酸为丙氨酸的生成提供了碳骨架。丙氨酸抑制丙酮酸激酶的活性，可避免丙酮酸的过剩（反馈抑制）ATP、乙酰CoA等也可抑制该酶活性，减弱酵解作用（反馈抑制）糖酵解的生物学意义提供能量，是在不需要氧供应的条件下，产生ATP的一种供能方式，其最主要的生理意义在于迅速提供能量（为厌氧微生物和缺氧下某些组织细胞正常活动提供能量，如机体缺氧、剧烈运动肌肉局部缺血等，能迅速获得能量）形成多种重要的中间产物，为其他生物合成（如氨基酸、脂类等）提供原料为葡萄糖的彻底氧化分解作准备9.2.2糖的有氧分解•葡萄糖在有氧条件下彻底氧化成水和CO2的反应过程称为有氧氧化（在细胞的线粒体中）•对于动物植物和大多数微生物来说，细胞是有氧呼吸，所以葡萄糖降解成丙酮酸不会停留，而在有氧条件下继续氧化，进入三羧酸循环•不仅是糖分解代谢的主要途径，也是脂肪、蛋白质分解代谢的共同途径，此循环的中间体作为许多生物合成的前体，是两用代谢途径。糖的有氧氧化反应分为3个阶段第一阶段：酵解途径第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧第三阶段：三羧酸循环和氧化磷酸化葡萄糖丙酮酸乙酰CoACO2NADH+H+FADH2H2O[O]ATPADPTCA循环胞液线粒体（1）丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA丙酮酸+CoA+NAD+→乙酰CoA+NADH+H++CO2此反应是在真核细胞的线粒体基质中进行的丙酮酸脱氢酶复合体E1：丙酮酸脱羧酶（TPP）E2：硫辛酸转乙酰酶（硫辛酸）E3：二氢硫辛酸脱氢酶（FAD、NAD+）CoA-SH、Mg2+HSCoANAD+SH2CCH2CHS(CH2)4COOH（2）三羧酸循环第一步是乙酰CoA与草酰乙酸缩合成6个碳原子的柠檬酸，然后柠檬酸经过一系列反应重新生成草酰乙酸，完成一轮循环。经过一轮循环，乙酰CoA的2个碳原子被氧化成CO2；在循环中有1次底物水平磷酸化，可生成1分子ATP；更为重要的是有4次脱氢反应，氢的接受体分别为NAD+或FAD，生成3分子NADH+H+和1分子FADH2。①乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸的合成乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸；反应由柠檬酸合酶（citratesynthase）催化。②柠檬酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸此反应是由顺乌头酸酶催化的异构化反应；由两步反应构成：（1）脱水反应；（2）水合反应。③异柠檬酸氧化脱羧转变为α-酮戊二酸羧异柠檬酸在异柠檬酸脱氢酶作用下，氧化脱羧而转变成α-酮戊二酸。④α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA在α-酮戊二酸脱氢酶复合体催化下α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA；该脱氢酶复合体的组成及催化机理与丙酮酸脱氢酶复合体类似。⑤琥珀酰CoA生成琥珀酸三羧酸循环中唯一直接生成高能磷酸键的反应。⑥琥珀酸脱氢生成延胡索酸此步反应由琥珀酸脱氢酶催化，其辅酶是FAD，是三羧酸循环中唯一与内膜结合的酶。⑦延胡索酸加水生成苹果酸苹果酸酶催化此步反应。⑧苹果酸脱氢生成草酰乙酸苹果酸脱氢酶催化此步反应，辅酶是NAD+。糖有氧氧化产能效率葡萄糖有氧氧化产能2867.48kJ/mol，1molATP捕获30.514kJ。葡萄糖有氧氧化产效率＝32×30.514／2867.48kJ＝33.8%C6H12O6+6CO2+32H3PO4→6CO2+6H2O+32ATP途径步骤消耗底物水平磷酸化氧化磷酸化小计糖酵解葡萄糖→葡萄糖-6-磷酸-17/5葡萄糖-6-磷酸→果糖-1,6