第6章糖代谢2006.11-生物化学-教学课件.ppt
第六章糖类的分解代谢一、糖生理学作用及主要代谢概述主要生理作用：1.提供能量，人体所需要能量的50%70%来自糖代谢；2.转变为氨基酸、脂肪酸、核苷等其他含氮化合物；3.以蛋白聚糖、糖蛋白、糖脂形式参与人体组织结构组成，如结缔组织、软骨和软骨基质、生物膜等；4.糖的磷酸衍生物可形成许多重要生物活性物质，如ATP、DNA、RNA、NAD+、FAD等；5.特殊功能:某些糖蛋白参与细胞信号转导、细胞免疫、识别等。蔗糖淀粉细胞壁(多聚糖)己糖G6PGDH6GPGDHPFKFBPasePFP磷酸己糖库磷酸丙糖/磷酸戊糖库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乙酰CoATCA磷酸甘油芳香族氨基酸氨基酸三酰甘油氨基酸卟啉木质素多酚类核酸嘌呤生物碱嘧啶乳酸乙醇氨基酸氨基酸脂肪酸萜烯1、多糖水解、磷酸解区别；-淀粉酶、与-淀粉酶的区别；二、本章学习基本要求2、糖分解代谢EMP、EMP-TCA、HMS三条途径的基本特点：3、糖异生作用概念、过程特点及意义；多糖生物合成途径；4、糖代谢调节：血糖浓度调节、糖酵解调节、三羧酸循环调 节、EMS调节。碳骨架裂解方式、重要中间产物；能量产生方式及计算；重要生物学意义；1.蔗糖合成酶途径 在蔗糖合成酶催化下，蔗糖和核苷二磷酸(NDP：ADP、GDP、CDP、GDP、UDP、TDP)反应，生成果糖和核苷酸葡萄糖(NDPG)一、双糖的酶促降解第一节 双糖与多糖的酶促降解 蔗糖HOOHCH2OHOHOOHOOHCH2OHO UDPOHOOHO-P-O-P-O-CH2U=OO-=OO-蔗糖合成酶果糖 OHOOHCH2OHHOUDPGHOOHCH2OHOHOOHOOHO-P-O-CH2U=OO-(一)蔗糖降解(二)麦芽糖水解(三)乳糖降解：在乳糖酶的催化下乳糖水解为葡萄糖和半乳糖麦芽糖HOOOHCH2OHOHOOHOHCH2OHOHO2葡萄糖HOOHOHCH2OHOHOHOOHOHCH2OHOHOH2O乳糖酶乳糖植物体内麦芽糖的主要来源是淀粉的水解，麦芽糖一旦生成，就在-葡萄糖苷酶作用下水解为两分子葡萄糖。HOOOHCH2OHOHOOHOHCH2OHOHO葡萄糖半乳糖HOOHOHCH2OHOHOOHOHCH2OHOHOHO-葡萄糖苷酶HOHH2O二、淀粉的酶促降解过程有两种方式:1.水解直链淀粉葡萄糖麦芽糖H2OH2O直链(14)-糊精-淀粉酶-葡萄糖苷酶-淀粉酶H2OH2OH2O-葡萄糖苷酶-淀粉酶-淀粉酶2.磷酸解主要发生在禾谷类种子萌芽过程中。四种酶共同作用可使淀粉完全水解。支链淀粉-淀粉酶-淀粉酶分枝的(14),(16)-糊精直链(14)-糊精脱枝酶麦芽糖H2OH2OH2O-淀粉酶葡萄糖-葡萄糖苷酶H2O-淀粉酶-葡萄糖苷酶H2OH2O 极限糊精糊精R-酶脱支酶淀粉酶的性质比较酶类最适温度(C)pH敏感性作用机理14苷键水解产物最终产物-淀粉酶-淀粉酶70保持15min70快速失活R-酶3.3失活3.3保持活性随机非还原端每次1麦芽糖葡萄糖麦芽糖少量麦芽三糖葡萄糖麦芽糖少量麦芽三糖和糊精麦芽糖麦芽糖极限糊精仅仅水解16苷键去除分支寡聚糖继-淀粉酶与-淀粉酶之后去分支支链淀粉高度分枝的支链淀粉1-磷酸葡萄糖磷酸己糖库直链淀粉短链直链淀粉葡萄糖淀粉磷酸化酶脱枝酶(R酶)葡萄糖基转移酶淀粉磷酸化酶己糖激酶ADP ATP6-磷酸葡萄糖PiPi1-磷酸葡萄糖淀粉酶2.转移酶、脱支酶转移酶又称1,41,4葡聚糖转移酶，能将分支点上4个葡萄糖基的葡聚三糖转移至同一个分支点的另一个葡聚四糖链的末端，使分支点留下一个(16)糖苷键链接的葡萄糖残基。糖原磷酸化酶PiG-1-P转移酶脱支酶G-1-P糖原磷酸化酶一、糖酵解的概念第三节 糖酵解 葡萄糖(1分子)细胞质中转变为丙酮酸(2分子)，并能产生少量ATP的过程。(glycolysis)G-6-P+2ADP+2Pi+2NAD+2CH3CO-COOH+2NADH+2H+2ATP由于德国生物化学家G.Embden和O.Meyerhof等发现肌肉组织提取液实验条件下也能完成和酵母发酵十分相似的代谢过程。为了纪念G.Embden、O.Meyerhof和荷兰科学家J.Parnas对此做出的贡献，糖酵解(glycolysis)过程常被称为Embden-Meyerhof途径，或称EMP途径。二、糖酵解的生物化学历程淀粉糖原G-1-P-ATP葡萄糖G-6-P-ATPF-1,6-2PF-6-P3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2NADH21,3-二磷酸甘油酸23-磷酸甘油酸2ATP22-磷酸甘油酸2PEP2烯醇式丙酮酸 2ATP2丙酮酸EMP途径特点：两个阶段，两步需能反应(己糖激酶、磷酸果糖激酶)，一步脱氢(磷酸甘油醛脱氢酶)；两步底物水平磷酸化(磷酸甘油酸激酶，磷酸烯醇式丙酮酸激酶)。己糖激酶(组织)(肝：葡萄糖激酶)ATP ADPMg2+葡萄糖OHOHOHCH2OHOHO1.己糖活化与磷酸丙糖生成阶段HOOHOHCH2O-OHPG-6-PO磷酸化的葡萄糖有利于进一步参加代谢，使进入细胞的葡萄糖不再渗出。HOOHOHCH2O-OHPG-6-PO磷酸葡萄糖异构酶HOOHCH2O-OHHOCH2OHPF-6-POATPADPMg2+HOOOHCH2O-OHHOCH2O-PF-1,6-2PP磷酸果糖激酶磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛CH2-OHCH2-O-C=OP_HC=OCH2-O-P_CH-OH+醛缩酶磷酸二羟丙酮CH2-OHCH2-O-C=OP_3-磷酸甘油醛HC=OCH2-O-P_CH-OH磷酸丙糖异构酶1，3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油醛脱氢酶NAD+PiNADH+H+2.产能阶段：两次底物水平磷酸化HCOOHCH2-O-P_CH-OH3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸激酶HC-O PCH2-O-P_CH-OHADPATPMg2+HCOOHCH2-O-P_CH-OH3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶HCOOHCH2-OH_CH-O-PADPATPMg2+磷酸烯醇式丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸HCOOHCH2_C-OH_HCOOHCH2_C-O P_磷酸烯醇式丙酮酸烯醇化酶Mg2+或 Mn2+H2O丙酮酸HCOOHCH2_C=O自发转变3.生成乳酸乳酸发酵 葡萄糖+2Pi+2ADP 2乳酸+2ATP+H2OCH3C=OCOOH_丙酮酸NAD+NADH+H+葡萄糖乳酸NADH+H+NAD+乳酸脱氢酶CH3C-OHCOOH_淀粉糖原G-1-P-ATP葡萄糖G-6-P-ATP三羧酸循环F-1,6-2PF-6-P3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2NADH21,3-二磷酸甘油酸23-磷酸甘油酸2ATP22-磷酸甘油酸2PEP2烯醇式丙酮酸 2ATP乳酸乙醛乙醇2丙酮酸产生ATP数目耗能产能步骤能量形式ATP数有氧无氧葡萄糖 G-6-P ATP-1F-6-P F-1,6-2PATP-1 丙酮酸乳酸（乙醇）-2NADH 乳酸丙酮酸+2NADH葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H+H2O四、化学计量及生物学意义1.化学计量+2NADH3-磷酸甘油醛1,3-二磷酸甘油酸1,3-二磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸PEP 烯醇式丙酮酸ATPATP+5(3)+2+2+5或+3生成ATP7分子生成ATP2分子 1.限速酶五、调控多酶体系中反应速度最慢的步骤，催化该步的酶称为限速酶。整个途径进行的快慢取决于最慢的一步，该步为限速步骤；E1或附近E；能耗较大，单向反应，便于调节。E1 E2 E3 E4 E5A B C D G P 限速酶催化特点：能量损耗大；变构酶；受调因子多。葡萄糖G-6-P三羧酸循环F-1,6-2PF-6-P3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2NADH21,3-二磷酸甘油酸23-磷酸甘油酸2ATP22-磷酸甘油酸2PEP2烯醇式丙酮酸 2ATP乳酸乙醛乙醇2丙酮酸己糖激酶(组织)葡萄糖激酶(肝脏)当G-6-P累积时该酶受G-6-P反馈抑制，后续的葡萄糖磷酸化将被减弱，继发血糖升高。在肝脏G-6-P对于葡萄糖激酶无抑制作用，当血糖浓度较高时，肝外其它组织利用葡萄糖可能减弱，而肝脏仍能正常储备葡萄糖。例如饱餐之后。是变构酶、限速酶，高能荷时受ATP和NADH抑制；并受柠檬酸、长链脂肪酸抑制；低能荷时受ADP和AMP激活，对6-磷酸葡萄糖亲和力增大。2，6-二磷酸果糖是最有效的激活剂，2，6-二磷酸果糖浓度又受G-6-P诱导。G-6-P的这种作用称前馈激活。是变构酶，受F-1,6-2P和PEP激活，两种物质同时累积会大大提高该酶活性加速EMP进行。高能荷时ATP，柠檬酸，长链脂肪酸累积分别与该酶结合变构抑制该酶活性。2.糖酵解途径的调节位点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+)丙酮酸脱氢酶复合体一、丙酮酸氧化脱羧(发生于线粒体内部)HSHSL-E2CH3COSCoAHSCoAFADFADH2E3CH3COSHSL-E2SSL-E2CO2HCOOHCH3_C=OCH3_H-C-OHTPPTPPE1NAD+NADHE3丙酮酸脱氢酶复合体的总反应：丙酮酸+CoA+NAD+CH3CoA+NADH+H+CO2丙酮酸脱氢酶系的调控：该酶系催化丙酮酸转变为乙酰CoA，乙酰CoA进入三所酸循环的入口物质，能够通过三羧酸循环产生大量能量，乙酰CoA同时又是合成脂肪酸主要原料。该酶系的调控方式主要有两种：(1)别构调控产物NADH/NAD+、乙酰CoA/CoA比值较高时二氢硫辛酸脱氢酶活性和二氢硫辛酸乙酰基转移酶活性处于抑制状态。该酶系催化效率较低。(2)共价修饰调控丙酮酸脱氢酶磷酸化后可被激活，脱磷酸化后则失活。高浓度Ca2+离子激活该酶磷酸化，而Ca2+升高有赖于细胞对于ATP的需求。当细胞需要ATP时，诱发Ca2+浓度升高，此时就会促使丙酮酸脱氢酶磷酸化，进而被激活。1.概念 乙酰CoA在线粒体内彻底氧化分解并释放能量的过程。循环一周四次脱氢，两次脱羧，相当于乙酰基被氧化；三羧酸循环必须在有氧的条件下才能进行，如果没有氧或者缺氧，脱下的氢就无法进入呼吸链进行彻底氧化。三羧酸循环是不可逆的，因为第1，第3，第4步反应是不可逆的。特点：二、三羧酸循环2.反应历程3次脱氢进入NADH氧化呼吸链，一次进入FADH2呼吸链，一次底物磷酸化产生1分子GTP。三羧酸循环是在线粒体内进行的。CH3CO-CoA丙酮酸NADH+H+CO2柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸异柠檬酸草酰琥珀酸NADH+H+-酮戊二酸CO2琥珀酰-CoACO2NADH+H+HS-CoA延胡索酸FADH2NADH+H+苹果酸琥珀酸GTPGTP+Pi三羧酸循环呼吸链CH3CO-CoACOOHC=OCH2COOHHO-C-COOHCH2 COOHCH2 COOH柠檬酸草酰乙酸HSCoA+H2O-H2OC-COOHCH-COOHCH2 COOH顺乌头酸CH-COOHHO-CH-COOHCH2 COOH异柠檬酸NADHNADHCO2HSCoA草酰琥珀酸CH-COOHO=C-COOHCH2-COOHCH2O=C-COOHCH2-COOH-酮戊二酸CO2琥珀酰-CoACH2O=CS-CoACH2-COOHFADH2CH2-COOHCH2-COOH琥珀酸GTPGDP+Pi延胡索酸CH-COOHHOOCCHCOOHC-OHCH2COOH苹果酸+H2ONADHHOH途径步 骤能量物质底物水平磷酸化氧化磷酸化产生ATP数小计丙酮酸氧化丙酮酸乙酰CoA2NADH22.55三羧酸循环2三、三羧酸循环ATP生成量计算异柠檬酸草酰琥珀酸-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酰CoA 琥珀酸琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸2NADH2NADH2GTP2FADH22NADH22.522.521.522.520有氧氧化中CO2和H2O生成量计算：丙酮酸 2CO2异柠檬酸 2CO2-酮戊二酸 2CO2氧化脱羧CO2供体 产生数量总反应：C6H12O6+6O2 6CO2+6H2O分解过程供氢物质H2O产生消耗方式数量EMP3-磷酸甘油醛2NADH+H+呼吸链2H2O丙酮酸 丙酮酸 2NADH+H+呼吸链 2H2O脱氢酶系 (二氢硫辛酸)TCA 草酰琥珀酸 NADH+H+呼吸链 2H2O -酮戊二酸 NADH+H+呼吸链 2H2O 苹果酸 NADH+H+呼吸链 2H2O 琥珀酸 FADH2 呼吸链 2H2OTCA 柠檬酸合成 -2H2OEMP 2-磷酸甘油烯醇化 -2H2OEMP GG1-6 G-1,6-2P -1H2OEMP 3-磷酸甘油醛 -1H2O 1,3-二磷酸甘油酸 三羧酸循环CH3CO-CoA丙酮酸NADH+H+CO2柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸异柠檬酸草酰琥珀酸NADH+H+-酮戊二酸CO2CO2琥珀酰-CoANADH+H+HS-CoA延胡索酸FADH2NADH+H+苹果酸琥珀酸GTPGTP+Pi四、三羧酸循环调控柠檬酸合酶：该酶催化过程由硫脂键水解提供能量，属于不可逆反应。第一受底物量的控制(乙酰CoA，草酰乙酸)，同时受NADH/NAD+比例影响，也受琥珀酰CoA的竞争性抑制。是变构酶，TCA限速酶，高能荷时受ATP和NADH抑制；低能荷时受ADP和NAD+激活。是多酶复合体受产物NADH和琥珀酸抑制；高能荷时受NADH抑制。受草酰乙酸和丙二酸反馈抑制。五、TCA生物学意义1.TCA是生命活动最重要的代谢途径TCA不仅是糖代谢必须经历的重要代谢途径，也是脂质、蛋白质、核酸等物质代谢所经历的共同途径。2.TCA必需不断为机体提供大量能量。TCA产生的能量物质ATP和还原力NADH是生物细胞能量利用最有效和直接的方式。如TCA可以为脂肪酸合成提供乙酰-CoA和NADH，为谷氨酸合成提供-酮戊二酸，为天门冬氨酸合成提供草酰乙酸。同样，脂肪、蛋白质代谢的产物，如乙酰CoA、氨基酸要彻底氧化都必须经过TCA，生物体约有2/3的有机物质通过TCA而被彻底氧化。因此TCA是四大类物质(糖、脂、蛋白质、核酸)代谢的枢纽。三羧酸循环天冬氨酸谷氨酸六、草酰乙酸的回补CH3CO-CoA丙酮酸NADH+H+CO2柠檬酸草酰乙酸顺乌头酸异柠檬酸草酰琥珀酸NADH+H+-酮戊二酸CO2琥珀酰-CoACO2NADH+H+HS-CoA延胡索酸FADH2苹果酸NADH+H+琥珀酸GTPGTP+Pi在中间物质不断输出情况下又能维持正常运转需要回补回补何种关键物质才能有效保证TCA正常运转？1.丙酮酸羧化2.磷酸烯醇式丙酮酸羧化3.天冬氨酸转氨基草酰乙酸的回补途径1.丙酮酸羧化酶途径丙酮酸HCOOHCH3_C=OCOOHC=OCH2COOH草酰乙酸丙酮酸羧化酶生物素CO2ATPADP+PiMg2+2.磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶途径HCOOHCH2_C-O P_磷酸烯醇式丙酮酸COOHC=OCH2COOH草酰乙酸柠檬酸CH3-C-SCoAO=HSCoAPEP羧化酶Mg2+柠檬酸CH3-C-SCoAO=HSCoACO2Pi3.苹果酸酶途径(胞液内)丙酮酸HCOOHCH3_C=OCOOHC-OHCH2COOH萍果酸+CO2+NADH+H+苹果酸酶线粒体内脱氢变成草酰乙酸第五节 磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway,PPP)又称磷酸己糖支路(hexose monophosphate shunt,HMP)糖酵解和三羧酸循环是生物机体内葡萄糖分解的主要途径但不是唯一途径。当加入碘乙酸或氟化物后，糖酵解和三羧酸循环被抑制，但葡萄糖仍能够继续被氧化分解，说明还存在糖的其他分解途径。由于发现一种重要中间代谢物5-磷酸核酮糖、5-磷酸核糖等，因此而得名。HMP-ATP葡萄糖G-6-P-ATP三羧酸循环F-1,6-2PF-6-P3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮2NADH21,3-二磷酸甘油酸23-磷酸甘油酸2ATP22-磷酸甘油酸2PEP2烯醇式丙酮酸 2ATP乳酸乙醛乙醇2丙酮酸6-磷酸葡糖酸5-磷酸核糖F-6-P6-磷酸葡萄糖CO2磷酸戊糖途径一、磷酸戊糖途径历程HOOHOHCH2O-OHPG-6-POG-6-P脱氢酶HMP途径分两个阶段1.氧化阶段G-6-P生成5-磷酸戊糖包括5步反应6-磷酸葡萄糖酸内酯HO=OOHCH2O-OHPOCOOHHC-OHHC-OHCH2O-PHC-OHHO-CH5-磷酸核酮糖6-磷酸葡萄糖酸HC-OHHC-OHCH2O-PHC-OHCHOHC-OHHC-OHCH2O-PCH2OHC=O脱氢酶NADP+NADPH+H+6-磷酸葡萄糖酸内酯酶+H2ONADP+NADPH+H+HO-CHHC-OHCH2O-PCH2OHC=O5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖磷酸戊糖异构酶差向异构酶CO22.基团转移与磷酸己糖再生HC-OHHC-OHCH2O-PHC-OHCHO5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖C=OCH2OHHCH2O-PO-CHHC-OH+转酮酶TPP,Mg2+HC-OHHC-OHCH2O-PHC-OHHO-CHC=OCH2OHCH2O-PCHOHC-OHCH2O-PCHOHC-OH转酮酶是转移一个二碳单位的酶转醛酶是转移一个三碳单位的酶7-磷酸庚酮糖3-磷酸甘油醛+7-磷酸庚酮糖3-磷酸甘油醛转酮酶TPP,Mg2+HC-OHHC-OHCH2O-PHC-OHHO-CHC=OCH2OHHCH2OHHC-OHHC-OHCH2O-PC=OHO-CH+6-磷酸果糖4-磷酸赤鲜糖HC-OHCH2O-PCHOHC-OH+4-磷酸赤鲜糖HC-OHCH2O-PCHOHC-OHHO-CHHC-OHCH2O-PCH2OHC=O5-磷酸木酮糖转酮酶TPP,Mg2+CH2OHHC-OHHC-OHCH2O-PC=OHO-CH6-磷酸果糖CH2O-PCHOHC-OH3-磷酸甘油醛+6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖酸内酯+H2O6-磷酸葡糖酸5-磷酸核酮糖5-磷酸核糖5-磷酸木酮糖7-磷酸庚酮糖3-磷酸甘油醛6-磷酸果糖4-磷酸赤鲜糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮1,6-磷酸果糖NADP+NADPH+H+NADP+NADPH+H+CO26666656666+H2O6-磷酸葡萄糖+12NADP+7H2O6CO2+12NADPH+12H+H2PO4二、磷酸戊糖途径生物学意义1.HMP中间产物G-6-P是合成各种辅酶、核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸的重要原料。此外HMP中间产物C3，C4，C5，C6，C7糖可供各种合成之用。2.HMP途径生成的NADPH是各种生物合成的主要供氢体，可为脂肪酸、胆固醇、氨基酸等重要物质合成代谢提供还原力。凡是脂肪酸、胆固醇合成比较旺盛的组织中，HMP途径进行的比较旺盛。3.HMP途径参与生物体各种生理活动及机体对生物和非生物胁迫反应。因为NADPH可以保正谷胱甘肽处于还原型还原型谷胱甘肽能阻止红细胞膜氧化，来维护膜的完整性；NADPH不仅能保证HS-蛋白分子中巯基的还原态，还能维持红细胞血红蛋白分子中Fe()处于+2价，以保证血红蛋白运输氧功能。线粒体内细胞质2CO22乙酰CoA2ATPTCA4CO22丙酮酸葡萄糖2ATP糖酵解12ATPH2OO23NADHFADH22NADH2NADH线粒体内膜电子传递链G-6-P葡糖酸-6-p核糖-5-p2NADPH
