生物化学课件7糖代谢

第7章糖代谢CarbohydrateMetabolism吴健代谢概论与糖代谢概况葡萄糖的分解代谢糖异生作用糖原的分解和合成本章主要内容重点：糖酵解；三羧酸循环；磷酸戊糖途径；糖原的合成与分解；糖异生途径及生理意义难点：糖的分解代谢各代谢途径之间的关系第1节代谢概论与糖代谢概况1.代谢的概念指生物活体与外界环境不断进行的物质（包括气体、液体和固体）和能量的交换过程。其本质是活细胞中发生一系列化学变化，每一变化均由酶催化。包括:分解代谢、合成代谢生物体内新陈代谢合成代谢（同化作用）分解代谢（异化作用）小分子合成大分子需要能量释放能量大分子分解成小分子能量代谢物质代谢2.分解代谢和合成代谢TAC循环G丙酮酸乙酰CoACO2NADH+H+FADH2H2O[O]ATPADPGn分解代谢(catabolism)合成代谢(anabolism)合成代谢：合成代谢是一个集合过程(convergentprocess)。由小分子(如氨基酸等)生成大分子(如蛋白质)的过程合成代谢一般不是分解代谢简单的逆向反应，而是由不同酶催化的，通常需要消耗ATP，还原供氢体多为NADPH3.代谢途径机体内的化学反应是在酶的催化下完成的，在细胞内这些反应不是相互独立的，而是相互联系的，一个反应的产物可能就是下一个反应的底物，这样构成一连串的反应，称之为代谢途径。由依次连接的反应步骤组成,从某些关键中间产物开始,一直到产生特定的终产物。三个共同点：代谢途径是不可逆的；分解代谢释放能量，合成代谢消耗能量；代谢途径受多种因素调控。代谢途径的分区：代谢产物、酶、分子或代谢系统在细胞内的不均一分布。多酶体系的区域化分布多酶体系分布多酶体系分布糖酵解胞液胆固醇合成胞液和内质网磷酸戊糖途径胞液磷脂合成内质网糖原合成胞液尿素合成线粒体和胞液脂肪酸合成胞液蛋白质合成胞液和内质网糖异生胞液核酸合成细胞核β氧化线粒体多种水解酶溶酶体三羧酸循环线粒体呼吸链线粒体酮体生成肝细胞线粒体动物机体主要的能源和碳源提供70%的能量，神经系统、胎儿和乳的合成消耗更多的葡萄糖，还为氨基酸和脂肪合成提供C的来源构成组织细胞的成分核酸中的核糖，结缔组织中的蛋白多糖，细胞膜上的糖脂和糖蛋白等其他方面如细胞通讯与信号传导，免疫调节4.糖代谢概况糖的生理功能:葡萄糖消化吸收饲料与食物淀粉异生作用非糖物质的转变糖原分解肝糖原氧化供能ATP、CO2和H2O贮存肝糖原、肌糖原转变成其他物质脂类、氨基酸等糖的来源和去路: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ATP糖代谢:生物体内糖类的合成、分解和转变过程。动物体内糖代谢分为消化、转运、储存、分解和合成五个部分。血糖（bloodsugar）血糖:血液中所含的葡萄糖，反映机体的能量水平，糖的分解和利用的动态平衡。对大脑、胎儿尤为重要。血糖食物糖消化葡萄糖吸收肝糖原合成分解乳酸(血液)肌糖原合成有氧氧化CO2+H2O+ATP糖酵解乳酸+ATP血乳酸葡萄糖葡萄糖(肝脏)(肌肉)转变为其他物质(大量)(少量)正常血糖浓度：65%~100%调节血糖浓度的激素有：胰岛素下调，肾上腺素、胰高血糖素和糖皮质激素上调。糖尿病——血糖水平相对恒定，超过肾糖阈值，葡萄糖随尿排出,糖尿病存在胰岛素依赖型(Ⅰ型)和非胰岛素依赖型(Ⅱ型)。血糖的调节及糖尿病糖酵解糖的有氧氧化磷酸戊糖途径第2节葡萄糖的分解代谢在无氧情况下，细胞液中葡萄糖降解为乳酸并伴随着少量ATP生成的一系列反应称为糖的无氧分解。因与酵母菌使糖生醇发酵（脱羧还原）的过程相似，因而又称为糖酵解。由葡萄糖分解成丙酮酸，称之为糖酵解途径(glycolyticpathway)，又称为Embden-Meyerhof-Pathway途径（EMP途径）。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。一糖酵解（glycolysis）2个阶段(10步反应)1葡萄糖(6个C)2分子3-磷酸甘油醛(3个C)3-磷酸甘油醛丙酮酸（3个C）糖酵解途径分为2个阶段：2ATP2ADP耗能2ADP2ATP产能1.第一阶段⑴葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖ATPADPMg2+己糖激酶(hexokinase)葡萄糖OCH2HOHHOOHHOHHOHHH6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P)PPOCH2OHHOOHHOHHOHHH消耗1分子ATP己糖激酶(hexokinase,HK)：能催化葡萄糖、甘露糖、氨基葡萄糖、果糖的磷酸化反应，是糖氧化反应过程的限速酶或称关键酶，它有同工酶Ⅰ-Ⅳ型，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型主要存在于肝外组织，Ⅳ型主要存在于肝脏，特称葡萄糖激酶(glucokinase,GK)。催化ATP上的磷酸基团向不同的己糖转移。己糖激酶(2)6-磷酸葡萄糖异构化为6-磷酸果糖磷酸葡萄糖异构酶(phosphohexoseisomerase)催化6-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸果糖(fructose6-phosphate,F-6-P)的过程，羰基C由C1移至C2，反应是可逆的。磷酸葡萄糖异构酶6-磷酸果糖（3）6-磷酸果糖磷酸化为1,6-二磷酸果糖ATPADPMg2+磷酸果糖激酶6-磷酸果糖1,6-二磷酸果糖(1,6-fructose-biphosphate,F-1,6-2P)消耗1分子ATP（4）1,6–二磷酸果糖裂解CH2OHOCCCCCH2OOHOHOHHHPPPP1,6-二磷酸果糖醛缩酶(aldolase)磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛+CHOCHOHCHOHOHCH2POCH2PPOCH2OHCOCH2POCH2PPO（5）磷酸二羟丙酮的同分异构化磷酸丙糖异构酶3-磷酸甘油醛CHOCHOHCHOHOHCH2POCH2PPO磷酸二羟丙酮CH2OHCOCH2POCH2PPO到此，1分子葡萄糖生成2分子3-磷酸甘油醛，通过两次磷酸化作用消耗2分子ATP。2.第二阶段（6）3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸Pi、NAD+NADH+H+3-磷酸甘油醛脱氢酶3-磷酸甘油醛CHOCHOHCHOHOHCH2POCH2PPO1,3-二磷酸甘油酸O=CCOHCH2POPPOPPO既是氧化反应又是磷酸化反应（7）1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸ADPATP磷酸甘油酸激酶1,3-二磷酸甘油酸O=CCOHCH2POPPOPPO3-磷酸甘油酸COOHCOHCH2POPPO代谢物在氧化分解过程中通过脱氢、脱水等作用使底物分子内部能量重新分布，能量集中生成高能键，然后使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化。生成2分子ATP（8）3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶3-磷酸甘油酸COOHCOHCH2POPPO2-磷酸甘油酸COOHCCH2POPPOOHOH磷酸甘油酸变位酶(phosphoglyceratemutase)催化3-磷酸甘油酸C3位上的磷酸基转变到C2位上生成2－磷酸甘油酸。此反应是可逆。（9）2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）丙酮酸激酶(pyruvatekinase,PK)催化下，磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸根转移至ADP生成ATP，这是又一次底物水平磷酸化过程。此反应是不可逆的。（10）磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移ADPATPK+Mg2+丙酮酸激酶(pyruvatekinase)磷酸烯醇式丙酮酸COOHCCH2PPO丙酮酸COOHC=OCH3葡萄糖6-磷酸果糖6-磷酸葡萄糖ATPADPEE1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟基丙酮1,3-二磷酸甘油酸ATPADPEEENADNADHPiE丙酮酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸烯醇式丙酮酸EH2OEATPADPE葡萄糖+2ADP+2Pi+2NAD+2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2OEATPADP无论是否存在氧，从葡萄糖到丙酮酸的过程都不会发生变化，但丙酮酸的去路却取决于机体组织是否有氧。有氧条件下，丙酮酸脱氢酶复合体系催化丙酮酸生成乙酰辅酶A，然后进入三羧酸循环。电子传递体系通过氧来完成对NADH的氧化。3.糖酵解—终产物、产能和调控（1）无氧状态与有氧状态无氧环境下，丙酮酸转变成乳酸丙酮酸乳酸乳酸脱氢酶(LDH)NADH+H+NAD+COOHCHOHCH3COOHC=OCH3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。骨骼肌血液肝脏肌糖原6-磷酸葡萄糖肌乳酸糖酵解葡萄糖肝糖原6-磷酸葡萄糖丙酮酸乳酸血糖血乳酸（2）科里循环（CoriCycle）糖异生（3）丙酮酸的去路乙醇发酵TPPH+CO2NADH+H+NAD+乙醇乙酸O2丙酮酸乙醛厌氧有机体（如酵母或其他微生物）把酵解生成的NADH中的氢交给丙酮酸脱羧生成的乙醛，使之形成乙醇——酒精发酵。(4)糖酵解能量的生成葡萄糖6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸磷酸二羟丙酮乙醛乳酸乙醇己糖激酶磷酸葡萄糖异构酶磷酸果糖激酶醛缩酶脱氢酶磷酸甘油酸激酶变位酶烯醇化酶丙酮酸激酶乳酸脱氢酶-ATP-ATP+ATP+ATP糖原1-P-G糖酵解途径汇总由1分子G在无氧条件下氧化分解，最终产生2分子ATP。如果从糖原开始，则可得到3分子ATP注意酵解途径中的3个关键酶催化的不可逆反应.1.己糖激酶2.磷酸果糖激酶3.丙酮酸激酶（5）巴斯德效应和克雷布特里效应巴斯德效应：氧抑制糖酵解的现象。酵母细胞暴露在有氧环境时，葡萄糖的消耗量和乙醇的生产量就会急剧减少，氧越多抑制作用就越强。克雷布特里效应:增加葡萄糖的浓度会抑制氧的消耗。TAC循环G丙酮酸乙酰CoACO2NADH+H+FADH2H2O[O]ATPADPGn葡萄糖的分解代谢产生少量ATP无氧环境有氧环境①巴斯德效应：氧抑制酵解，氧越多，抑制作用越强，分子基础是ATP抑制磷酸果糖激酶。②克雷布特里效应：葡萄糖的浓度越高，三羧酸循环／电子传递体系的活性就越低,对氧消耗的抑制作用就越强。（6）糖酵解的调节糖酵解途径有双重作用：一是使葡萄糖降解产生ATP，二是为合成反应提供碳单元；为适应细胞的代谢需求，葡萄糖转化为乳酸的速率是受到严格调节的；关键酶①己糖激酶②6-磷酸果糖激酶③丙酮酸激酶调节方式①别构调节②共价修饰调节6-磷酸果糖激酶(PFK)*别构调节别构激活剂：AMP;ADP;F-2,6-2P;别构抑制剂：柠檬酸;ATP（高浓度）；NADH•此酶有二个结合ATP的部位：①活性中心底物结合部位（ATP低浓度时）②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丙酮酸激酶别构调节别构激活剂：1,6-二磷酸果糖别构抑制剂：ATP,丙氨酸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。GG-6-PATPADP己糖激酶ATPADPF-6-PF-1,6-2P磷酸果糖激酶ADPATPPEP丙酮酸丙酮酸激酶糖酵解是一个不需氧的产能过程，整个糖酵解过程在胞液中进行。反应全过程中有三步不可逆的反应，为关键步骤：（7）糖酵解小结1克分子葡萄糖经第一阶段共5步反应，生成3-磷酸甘油醛，消耗2分子ATP，为耗能过程。第二阶段6步反应生成4分子ATP，为释能过程。1分子葡萄糖至乳酸的全过程净生成2分子ATP，产能的方式为底物水平磷酸化。整个途径的关键酶是己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶。关键酶抑制剂激活剂磷酸果糖激酶ATP、柠檬酸脂肪酸、NADHADP、AMP、磷酸、2,6-二磷酸果糖己糖激酶葡萄糖-6-磷酸丙酮酸激酶乙酰CoAATP、脂肪酸1,6－二磷酸果糖E1:己糖激酶E2:6-磷酸果糖激酶E3:丙酮酸激酶NAD+乳酸糖酵解的代谢途径GluG-6-PF-6-PF-