糖代谢

糖代谢MetabolismofCarbohydrates第四章授课教师陈希宏糖的化学糖(carbohydrates)即碳水化合物，是指多羟基醛或多羟基酮及其衍生物或多聚物。根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类。①单糖(monosacchride)②寡糖(oligosacchride)③多糖(polysacchride)④结合糖(glycoconjugate)糖的概念糖(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。OOHHHHOHOHHOHHOHOOHHHOHHOHHOHHOH-D-吡喃葡萄糖-D-吡喃半乳糖1.单糖的结构OOHOHHHOHOHHHHOHOOHHOHOHHHOHOH-D-吡喃甘露糖-D-呋喃果糖葡萄糖（glucose）结构CHOOHHOHHOHHOHHHOCHOCOHCHHOCOHHCOHHCH2OHHOHOHHOHHOHHOHCH2HHO123456123456123456开链型环型开链型OHOHHOHHOHHOHCH2HHOOHCH2OHHCH2OHHHOHOHO葡萄糖（glucose）果糖（fructose）123456123456蔗糖2.寡糖（二糖）OOOCH2OHCH2OHHOCH212324OCH2OHOHOHOHCH2OHOHOHCH2OH•葡萄糖-，（12）果糖苷葡萄糖-（14）半乳糖苷•乳糖CH2OHOHOHOOHOHOHCH2OHOH14OCH2OHOCH2OHOHO14123•麦芽糖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)(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（14）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（14）糖苷键构成糖链以外，在支点处存在（16）糖苷键，分子量较高。遇碘显紫红色。3.多糖淀粉的分子结构-1,4-糖苷键-1,6-糖苷键淀粉颗粒(2).纤维素由葡萄糖以（14）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（14）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β-1,4-糖苷键纤维素的分子结构-1,4-糖苷键-1,6-糖苷键糖原的分子结构糖原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。常见的结合糖有第一节概述Introduction一、糖的生理功能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.作为机体组织细胞的组成成分是糖的主要功能。2.提供合成体内其他物质的原料如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成成分。二、糖的消化与吸收（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%）α-临界糊精+异麦芽糖（30%）（5%）葡萄糖唾液中的α-淀粉酶α-葡萄糖苷酶α-临界糊精酶消化过程肠粘膜上皮细胞刷状缘胃口腔肠腔胰液中的α-淀粉酶（二）糖的吸收1.吸收部位小肠上段2.吸收形式单糖ADP+PiATPGNa+K+Na+泵小肠粘膜细胞肠腔门静脉3.吸收机制Na+依赖型葡萄糖转运体(Na+-dependentglucosetransporter,SGLT)刷状缘细胞内膜主动转运小肠中葡萄糖吸收示意图被动转运•载体蛋白运转方向：高糖浓度→低糖浓度•不需耗能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各种组织细胞GLUTGLUT：葡萄糖转运体(glucosetransporter)，已发现有5种葡萄糖转运体(GLUT1～5)。三、糖代谢的概况葡萄糖酵解途径丙酮酸有氧无氧H2O及CO2乳酸糖异生途径乳酸、氨基酸、甘油糖原肝糖原分解糖原合成磷酸戊糖途径核糖+NADPH+H+淀粉消化与吸收ATP7.3糖的分解代谢三羧酸循环磷酸戊糖旁路糖的无氧酵解糖类物质是人类、动物和大多数微生物在生活及活动过程中的主要能源和碳源糖酵解，三羧酸循环以及磷酸戊糖旁路是生物体内非常重要的分解代谢途径糖原的分解第二节糖的无氧分解Glycolysis糖酵解途径发现历史•1875年法国科学家巴斯德(L.Pasteur)就发现葡萄糖在无氧条件下被酵母菌分解生成乙醇的现象•1897年德国的巴克纳兄弟(HansBuchner和EdwardBuchner)发现发酵作用可以在不含细胞的酵母抽提液中进行•1905年哈登(ArthurHarden)和扬(WilliamYoung)实验中证明了无机磷酸的作用•1940年前德国的生物化学家恩伯顿(GustarEmbden)和迈耶霍夫(OttoMeyerhof)等人的努力完全阐明了糖酵解的整个途径，揭示了生物化学的普遍性。因此糖酵解途径又称Embden-MeyerhofPathway(简称EMP)糖酵解途径实验依据（1）酵母抽提液的发酵速度比完整酵母慢，且逐渐缓慢直至停顿如果加入无机磷酸盐，可以恢复发酵速度，但不久又会再次缓慢，同时加入的磷酸盐浓度逐渐下降上述现象说明在发酵过程中需要磷酸，可能磷酸与葡萄糖代谢中间产物生成了糖磷酸酯。完整细胞可通过ATP水解提供磷酸糖酵解途径实验依据（2）碘乙酸对酵母生长有抑制作用将葡萄糖、酵母抽提液及碘乙酸一起保温，可以分离出少量的磷酸丙糖（主要是3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮的平衡混合物）因此推断磷酸己糖可能裂解为两分子三碳糖，而碘乙酸对三碳糖进一步分解的酶有抑制作用糖酵解途径实验依据（4）将酵母液透析后就会失去发酵能力将酵母液加热到50℃也会失去发酵能力将经过透析失活的酵母液混合在一起后又恢复发酵能力由此推断发酵需要两类物质：一是热不稳定的，不可透析的组分即酶；二是热稳定的可透析的组分，如辅酶、ATP、金属离子等糖酵解途径实验依据（3）氟化钠对酵母生长也有抑制作用将1,6-二磷酸果糖或磷酸丙糖、酵母抽提液以及氟化钠一起保温有磷酸甘油酸积累（3-和2-磷酸甘油酸的平衡混合物）由此推断3-磷酸甘油酸是3-磷酸甘油醛的氧化产物，2-磷酸甘油酸又是前者变位后的产物，氟化钠对2-磷酸甘油酸进一步反应的酶有抑制作用一、糖酵解的反应过程第一阶段第二阶段*糖酵解(glycolysis)的定义*糖酵解分为两个阶段*糖酵解的反应部位：胞浆在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的过程称之为糖酵解。由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称之为糖酵解途径(glycolyticpathway)。由丙酮酸转变成乳酸。无氧酵解的反应过程可分为活化、裂解、放能和还原四个阶段。其中，活化、裂解、放能三个阶段又可合称为糖酵解途径（glycolyticpathway)。（一）葡萄糖分解成丙酮酸1.葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate,G-6-P)OHOHHOHHOHHOHCH2HHOOHOHHOHHOHHOHCH2HOPATPADP己糖激酶Mg2+GG-6-P•磷酸化使葡萄糖不能自由逸出细胞；•己糖激酶(hexokinase,HK)分四型，肝中为葡萄糖激酶(glucokinase,GK)；•反应不可逆。己糖激酶葡萄糖激酶存在部位肝外组织肝Km值0.1mmol/L10mmol/L底物G,果糖,甘露糖G调节G-6-P反馈抑制胰岛素诱导己糖激酶和葡萄糖激酶的比较2.6-磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)OHOHHOHHOHHOHCH2HOPG-6-PF-6-P磷酸己糖异构酶OHCH2OHHCH2OHHHOHOOP3.6-磷酸果糖转变成1,6-二磷酸果糖(1,6-fructose-biphosphate,F-1,6-BP)是第二个磷酸化反应，反应不可逆。磷酸果糖激酶-1(phosphofructo-kinase-1,PFK-1)是糖酵解的限速酶。F-6-POHCH2OHHCH2OHHHOHOOPF-1,6-BPOHCH2HCH2OHHHOHOOPOPATPADPMg2+磷酸果糖激酶4.磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖反应可逆,由醛缩酶(aldolase)催化F-1,6-BPCH2COCHHOCOHHCOHHCH2OPOPCH2COOPCHOCHOHCH2OPCH2OH+醛缩酶磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛5.磷酸丙糖同分异构化磷酸丙糖异构酶（triosephosphateisomerase)至此G→2分子3-磷酸甘油醛，消耗2分子ATP。CH2COOPCHOCHOHCH2OPCH2OH磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶6.3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸CHOCHOHCH2OP3-磷酸甘油醛NAD+NADH+H+Pi3-磷酸甘油醛脱氢酶CCHOHCH2OPOO~P1，3-二磷酸甘油酸醛基氧化成羧基，并加入一分子磷酸，形成混合酸酐。脱下的氢由NAD+接受。7.1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸此步为底物水平磷酸化反应可逆COO-CHOHCH2OP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶CCHOHCH2OPOO~P1，3-二磷酸甘油酸ADPATP8.3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸COO-CHOHCH2OP3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶COO-CHCH2OHOP2-磷酸甘油酸9.2-磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)COO-CHCH2OHOP2-磷酸甘油酸COO-CCH2O磷酸烯醇式丙酮酸~P+H2O烯醇化酶反应引起分子内能量重新分布，形成高能磷酸键。10.PEP转变成丙酮酸（pyruvate)第二个底物水平磷酸化，反应不可逆。烯醇式立即自发转变为酮式。COO-CCH3ADPATPCOO-CCH2OPEP~P丙酮酸激酶O丙酮酸4．还原(reduction)——乳酸的生成：利用丙酮酸接受酵解代谢过程中产生的NADH，使NADH重新氧化为NAD+，以确保反应的继续进行。（二）丙酮酸转变成乳酸(lactate)COO-CCH3NAD+NADH+H+O丙酮酸COO-CHOHCH3乳酸脱氢酶乳酸•此为还原反应，NADH+H+来自于3-磷酸甘油醛脱氢。•乳酸是糖酵解的终产物。糖酵解的全过程GG-6-PF-6-PF-1,6-BP磷酸二羟丙酮1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸PEP丙酮酸乳酸ATPADPATPADPNADH+H+NAD+H2O醛缩酶Pi异构酶PFK-13-磷酸甘油醛脱氢酶ATPADP磷酸甘油酸激酶变位酶烯醇化酶ADPATP丙酮酸激酶LDH己糖激酶异构酶3-磷酸甘油醛糖酵解小结⑴反应部位：胞浆⑵糖酵解是一个不需氧的产能过程⑶反应全过程中有三步不可逆的反应GG-6-PATPADP己糖激酶ATPADPF-6-PF-1,6-2P磷酸果糖激酶-1ADPATPPEP丙酮酸丙酮酸激酶⑷产能的方式和数量方式：底物水平磷酸化净生成ATP数量：从G开始2×2-2=2ATP从Gn开始2×2-1=3ATP⑸终产物乳酸的去路释放入血，进入肝脏再进一步代谢。分解利用乳酸循环（糖异生）总反应：C6H12O6+2ADP+2Pi2CH3CHOHCOOH+2ATP+2H2OATP的生成：糖酵解时，1mol葡萄糖共生成4molATP，净生成2molATP二、糖酵解的调节关键酶①己糖激酶②6-磷酸果糖激酶-1③丙酮酸激酶调节方式①别构调节②共价修饰调节二、糖酵解的调节（一）6-磷酸果糖激酶-1（PFK-