第8章糖代谢

主讲：刘建新教授1.糖的分解代谢2.糖的异生作用3.乳糖的分解和合成4.糖原的分解和合成糖分解代谢的主要途径1.糖的无氧分解糖酵解生醇发酵2.糖的有氧氧化3.乙醛酸循环4.磷酸戊糖途径一、糖的无氧分解(一)概念：糖的无氧分解是指：体内组织在无氧或缺氧情况下，葡萄糖或糖原在胞浆中分解产生乳酸或乙醇及少量ATP的过程。葡萄糖丙酮酸，称为糖酵解作用（glycolysis)，也称为EMP途径。E：Embden；M:Meyerhof；P:Parnas丙酮酸葡萄糖乙醇：酵母菌、植物EMP途径乳酸：动物肌肉、乳酸菌无氧有氧CO2+H2O己糖激酶无氧分解的生化过程：（二）无氧分解过程11个酶催化的12步反应第一阶段：磷酸己糖的生成(活化)四个阶段第二阶段：磷酸丙糖的生成(裂解)第三阶段：3-磷酸甘油醛转变为丙酮酸并释放能量（氧化、转能）第四阶段：丙酮酸还原为乳酸或乙醇(还原)（1）葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖ATPglucose(G)HCCCCCCH2OHOHOHOHHHOHHOHglucose-6-phosphate(G-6-P）HCCCCCCH2OHOHOHOHHHOHHOH己糖激酶Mg2+这是酵解过程中的第一个调节酶O-POOHOHADP己糖激酶有4种同功酶，即Ⅰ~Ⅳ型已糖激酶的分型Ⅰ～III型Ⅳ型中文名称已糖激酶(HK)葡萄糖激酶(GK)英文hexokinaseglucokinase存在范围在组织细胞中仅在肝脏和胰腺广泛存在β细胞存在与葡萄糖亲和力高低Km:0.01mmol/LKm:10～100mmol/L产物反馈抑制有无激素调控受激素(如胰岛素)调控ATP与Mg2+的相互作用：ATP(三磷酸腺苷)HK与G结合的诱导契合作用：Theconformationofhexokinasechangesmarkedlyonbindingglucose(showninred).Thetwolobesoftheenzymecometogetherandsurroundthesubstrate.葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖的意义：1.葡萄糖磷酸化后容易参与反应。2.磷酸化后的葡萄糖带负电荷，不能透过细胞质膜。因此是细胞的一种保糖机制。（2）6-磷酸葡萄糖异构化转变为6-磷酸果糖fructose-6-phosphate(F-6-P）OHCH2CCCCCH2OOOHHHOHHOHPOOHOH磷酸葡萄糖异构酶glucose-6phosphate(G-6-P）HCCCCCCH2OOHOHOHHHOHHOHPOOHOH（3）6-磷酸果糖再磷酸化生成1,6-二磷酸果糖1,6-二磷酸果糖(fructose-1,6-diph-osphate)O-CH2CCCCCH2OOOHHHOHHOHPOOHOHATPO-POOHOH磷酸果糖激酶-1（PK-1）Mg2+(F-6-P）OHCH2CCCCCH2OOOHHHOHHOHPOOHOH糖酵解过程的第二个调节酶也是酵解中的限速酶ADP乙醇酸磷酸乙醇酸（4）磷酸丙糖的生成3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮OHCH2COCH2OPOOHOHOHHOCCHCH2OPOOHOHfructose-1,6-diphosphate(F-1,6-2P）CCCCCH2OOOHHHOHHOHCH2OPOOHOHPOOHOH醛缩酶醛缩酶活性中心基团有Lys、Cys、His。醛缩酶有两种不同的类型：I型：存在于动、植物中，由4个亚基组成，有A、B、C三种同工酶。II型：存在于微生物及藻类中，含有Zn2+、Ca2+、Fe2+或K+。（5）磷酸丙糖的互换磷酸二羟丙酮(dihydroxyacetonephosphate)OHCH2COCH2OPOOHOHOHHOCCHCH2OPOOHOH3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde3-phosphate)磷酸丙糖异构酶1,6-二磷酸果糖2×3-磷酸甘油醛丙糖磷酸异构酶为四聚体（6）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3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde3-phosphate)OHHOCCHCH2OPOOHOH糖酵解中唯一的脱氢反应OHO-OCCHCH2OPOOHOH1,3-二磷酸甘油酸1,3-diphospholycerae(1,3-DPG)～PNAD＋＋H3PO4NADH+H+3-磷酸甘油醛脱氢酶作用机理：OHCHOCHCH2OPO3H2NAD+酶Cys149SHNAD+酶S-OHCHOHCHCH2OPO3H2NADH+H+酶S～OHC=OCHCH2OPO3H2NAD+酶S～OHC=OCHCH2OPO3H2NADH+H+O～PO3H2OOHCCHCH2OPO3H2Pi+此酶含巯基，碘乙酸可强烈抑制其活性NAD+砷酸盐可解耦联高能化合物1，3-二磷酸甘油酸的形成。砷酸盐起着解耦联的作用，从而破坏了1，3-二磷酸甘油酸的生成，但并不妨碍酵解作用的持续进行。（7）1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶HOHOOCCHCH2OPOOHOH3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate)这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应ADPATPOHO-OCCHCH2OPOOHOH1,3-二磷酸甘油酸(1,3-diphosphoglycerate)(1,3-DPG)～PMg2+（8）3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate)HOHOOCCHCH2OPOOHOH磷酸甘油酸变位酶2-磷酸甘油酸(2-phosphoglycerate)OHHO-OOCCHCH2O-POOHOH未磷酸化的具有His残基的磷酸甘油酸变位酶磷酸甘油酸变位酶机理3-磷酸甘油酸HOHOOCCHCH2OPOOHOH（9）2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate)P+OOHOH2-磷酸甘油酸(2-phosphoglycerate)HOHHOOOCCCH2POOHOH烯醇化酶Mg2+或Mn2+氟化物能与Mg2+络合而抑制此酶活性PH2OO-HOOCCCH2～PEPADPATP丙酮酸激酶PK磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvate)O-HOOCCCH2P+OOHOH烯醇式丙酮酸(enolpyruvate)COOHOHCH2C糖酵解过程的第三个调节酶，为4聚体，也是第二次底物水平磷酸化反应。Mg2+或Mn2+～P（10）磷酸烯醇式丙酮酸转变为烯醇式丙酮酸（11）烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸ATP磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ADP丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸(enolpyruvate)OHCH2CCOOH丙酮酸(pyruvate)自发进行CH3OCCOOH（12）丙酮酸还原为乳酸丙酮酸(pyruvate)OCH3COOHCNADH+H+乳酸(lactate)HHOCH3COOHC乳酸脱氢酶NAD+骨骼肌、乳酸菌乙醇发酵（植物、酵母菌）丙酮酸脱羧酶乙醇脱氢酶C6H12O62×CH3COCOOH葡萄糖丙酮酸2×NAD+2×(NADH+H+)2×(NADH+H+)2×NAD+2×CH3CH(OH)COOH(乳酸)人、动物、乳酸菌2×CH3CH2OH（乙醇）2×CO22×CH3CHO（乙醛）植物与酵母糖酵解与发酵的比较糖酵解过程中ATP的生成：2×葡萄糖→6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖→1,6-二磷酸果糖1,3-二磷酸甘油酸→3-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸→丙酮酸-11反应ATP-12×11mol葡萄糖→2mol乳酸+？molATP糖原中的1mol葡萄糖→2mol乳酸+？molATP2molATP3molATP(三)糖酵解和乙醇发酵能量的利用效率糖酵解中能量利用的效率：从葡萄糖开始：2×30.5/196=61/196=31(%)从糖原开始：3×30.5/183=91.5/183=49.7(%)1mol葡萄糖2mol乳酸△G0’=-196kJATP储存能量:△G0’=-30.5kJ/mol(体外标准状态下)△G0’=-51.6kJ/mol(体内生理状态下)糖酵解中能量的利用率：1mol糖原2乳酸ΔG0’=-183KJ乙醇发酵中能量利用的效率：2×30.5/217.6=28(%)1mol葡萄糖2mol乙醇+能量△G0’=-217.6kJ/molATP储存能量:△G0’=-30.5kJ/mol乙醇发酵中能量的利用率：磷酸果糖激酶1果糖-1,6-二磷酸果糖-6-磷酸葡萄糖-6-磷酸葡萄糖合成糖原磷酸戊糖途径己糖激酶葡萄糖激酶丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶（1）己糖激酶对糖酵解的调节作用己糖激酶受葡萄糖-6-磷酸的抑制。当磷酸果糖激酶受抑制时，F-6-P积累，使得G-6-P也积累，从而抑制己糖激酶的活性。但也不完全是这样，因为G-6-P还可以转变成糖原，或经磷酸戊糖途径氧化。当磷酸果糖激酶受抑制时，G-6-P不一定积累，己糖激酶也就不一定受抑制，所以己糖激酶不是糖酵解途径的限制酶。磷酸果糖激酶1果糖-1,6-二磷酸果糖-6-磷酸葡萄糖-6-磷酸葡萄糖合成糖原HMP途径己糖激酶葡萄糖激酶丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸激酶（2）磷酸果糖激酶1是关键酶磷酸果糖激酶1：受高浓度ATP和柠檬酸的抑制，ATP和柠檬酸是别构抑制剂。糖酵解除了为生命活动提供能量外，还有为合成各种物质提供碳骨架。柠檬酸含量高时，意味着有丰富的生物合成前体存在。柠檬酸通过加强ATP的抑制效应来抑制磷酸果糖激酶的活性，从而使糖酵解过程减慢。果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶的变构激活剂。在肝脏中，它提高磷酸果糖激酶与果糖-6-磷酸的亲和力，并降低ATP的抑制效应。（2）磷酸果糖激酶是关键酶6-磷酸果糖果糖-1,6-二磷酸2,6-二磷酸果糖激活磷酸果糖激酶1柠檬酸ATP抑制6-磷酸果糖磷酸果糖激酶2P果糖二磷酸酶2磷酸果糖激酶2和果糖二磷酸酶2这2种酶是同一个单链蛋白的2个双功能酶。当此蛋白被磷酸化后，果糖二磷酸酶2活性激活，而磷酸果糖激酶2活性受到抑制；脱磷酸后相反。当G缺乏时，血液中的胰高血糖素启动cAMP的级联效应，使此蛋白磷酸化，F-2,6-二磷酸减少，导致糖酵解减慢。（3）丙酮酸激酶对糖酵解的调节作用（五）糖酵解的意义1.在无氧条件下能迅速提供能量，供机体需要。2.是某些细胞在不缺氧条件下的能量来源。3.是某些病理情况下机体获得能量的方式。4.是糖的有氧氧化的前过程，亦是糖异生作用大部分逆过程。6.若糖酵解过度，可因乳酸生成过多而导致乳酸酸中毒。5.糖酵解是糖、脂肪和氨基酸代谢相联系的途径。结论：糖酵解为肌肉收缩迅速提供能量背景：剧烈运动时：①肌肉局部血流不足，处于相对缺氧状态。②即使氧不缺乏，葡萄糖进行有氧氧化的过程比糖酵解长得多,来不及满足需要。初到高原与糖酵解供能：人初到高原，高原大气压低，易缺氧。机体加强糖酵解以适应高原缺氧环境。海拔5000米背景：结论：某些组织细胞与糖酵解供能：代谢极为活跃，即使不缺氧，也常由糖酵解提供部分能量。成熟红细胞：视网膜、神经、白细胞、骨髓、肿瘤细胞等:无线粒体，无法通过氧化磷酸化获得能量，只能通过糖酵解获得能量。某些病理状态与糖酵解供能：某些病理情况下机体主要通过糖酵解获得能量。严重贫血大量失血呼吸障碍肺及心血管等疾病1.具有普遍性，是被保留下来的“古老”的代谢方式。2.是生物适应特殊情况的需要。（六）其他六碳糖进入糖酵解途径D-葡萄糖D-甘露糖D-半乳糖D-果糖四种六碳糖构型比较（1）果糖代谢概况：来源：食物中的蔗糖。代谢部位：肝脏、肌肉和脂肪组织。代谢概况：转换成糖酵解的中间产物。（1）氧化供能（2）糖原合成的原料1.果糖(fructose)代谢果糖蔗糖HHHOHOHCH2CH2OHOHOHCOCCCOOHHHHOHOOHOHOHHHCCHHOHOCHHOHOHHHOHHH（2）果糖的代谢3-磷酸甘油醛6-磷酸果糖醛缩酶醇脱氢酶甘油ADPATP甘油醛激酶ADPATP果糖6-磷酸葡萄糖1，6-二磷酸果糖甘油醛磷酸二羟丙酮1-磷酸葡萄糖糖原糖的分解代谢果糖激酶(肝)己糖激酶(肌肉/脂肪)1-磷酸果糖