生物化學(xué)-05糖代謝

1、第 5 章 糖 代 謝,1. 新陳代謝的概念和特點(diǎn), 代謝總論,新陳代謝（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換和能量交換的過程。生物一方面不斷地從周圍環(huán)境中攝取能量和物質(zhì)，通過一系列生物反應(yīng)轉(zhuǎn)變成自身組織成分，即所謂同化作用（assimilation）；另一方面，將原有的組成成份經(jīng)過一系列的生化反應(yīng)，分解為簡單成分重新利用或排出體外，即所謂異化作用（dissimilation ），通過上述過程不斷地進(jìn)行自我更新。,(1) 概念,(2) 特點(diǎn),a. 代謝反應(yīng)絕大多數(shù)都由酶催化，條件溫和。,b. 代謝中的化學(xué)反應(yīng)都是通過一系列中間過程，有序進(jìn)行的。,c. 代

2、謝反應(yīng)往往表現(xiàn)出靈敏的自我調(diào)節(jié)特性，各個反應(yīng)間都是相互協(xié)調(diào)，相互聯(lián)系，有條不紊地進(jìn)行。,d. 同一物質(zhì)，其分解代謝和合成代謝途徑一般是不同的。,e. 分解代謝和合成代謝可共同利用某些特殊的代謝環(huán)節(jié)，這種特殊的代謝環(huán)節(jié)稱為兩用代謝。,2. 中間代謝和代謝途徑,中間代謝：物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞后，在細(xì)胞內(nèi)的合成和分解過程。,代謝途徑：中間代謝中按嚴(yán)格順序進(jìn)行的一系列反應(yīng)即構(gòu)成了某物質(zhì)的代謝途徑。,f. 糖類、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)都有其特定的代謝途徑，但也有某些共同的代謝途徑。,g. 通常分解代謝是收斂的，合成代謝是發(fā)散的。,3. 糖代謝的概念,糖代謝包括分解代謝和合成代謝。 動物和大多數(shù)微生物所需的能量，主要是由糖

3、的分解代謝提供的。另方面，糖分解的中間產(chǎn)物，又為生物體合成其它類型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳鏈骨架。 植物和某些藻類能夠利用太陽能，將二氧化碳和水合成糖類化合物，即光合作用。光合作用將太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能（主要是糖類化合物），是自然界規(guī)模最大的一種能量轉(zhuǎn)換過程。,一、糖的生物學(xué)功能,第一節(jié) 生物體內(nèi)的糖類,1. 氧化供能,如糖可提供合成某些氨基酸、脂肪、膽固醇、核苷等物質(zhì)的原料。,3. 作為機(jī)體組織細(xì)胞的組成成分,這是糖的主要功能。,2. 提供合成體內(nèi)其他物質(zhì)的原料,如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的組成成分。,4. 作為機(jī)體組織的結(jié)構(gòu)物質(zhì),如纖維素,1. 概念及分類,糖

4、類物質(zhì)是一類多羥基醛或多羥基酮類化合物或聚合物； 糖類物質(zhì)可以根據(jù)其水解情況分為：單糖、寡糖和多糖； 在生物體內(nèi)，糖類物質(zhì)主要以均一多糖、雜多糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。,二、糖的分類及結(jié)構(gòu),1）單糖 不能再水解的糖。,（1）單糖的D-及L-構(gòu)型,D型：結(jié)構(gòu)式中,位號最大的手性碳原子的構(gòu)型與D-(+)-甘油醛中C-2構(gòu)型一致。,L型：結(jié)構(gòu)式中,位號最大的手性碳原子的構(gòu)型與L-(-)-甘油醛中C-2構(gòu)型一致。,D系醛糖的立體結(jié)構(gòu),D系酮糖的立體結(jié)構(gòu),D(-)-赤蘚酮糖,(erythrulose),D(-)-核酮糖,(ribulose),D(+)-木酮糖,(xylulose),D(+)-阿洛酮糖

5、,(psicose,allulose),D(-)-果糖,(fructose),D(+)-山梨糖,(sorbose),D(-)-塔格糖,(tagalose),二羥丙酮,(dihytroasetone),（2）環(huán)狀結(jié)構(gòu),糖在絕大多數(shù)情況下是以環(huán)狀結(jié)構(gòu)存在的,吡喃型和呋喃型的D-葡萄糖和D-果糖（Haworth式）,吡喃,呋喃,-D-吡喃葡萄糖（主要）,-D-吡喃果糖,-D-呋喃葡萄糖,-D-呋喃果糖（主要）,（2）重要的單糖,戊糖：,-D-呋喃核糖,2-脫氧-D-呋喃核糖,己糖：,D-吡喃葡萄糖,D-吡喃半乳糖,D-吡喃甘露糖,D-呋喃果糖,重要的二糖,蔗糖,D-麥芽糖（ -型）,乳糖（ -型 ）

6、,纖維二糖（ -型）,2）雙糖 2分子單糖以苷鍵結(jié)合,3）多糖,多糖通常難溶于水，沒有還原性，沒有甜味，性質(zhì)較穩(wěn)定。,（1）淀粉和糖原,直鏈淀粉,非還原端,還原端,-1,4-苷鍵,a. 淀粉,直鏈淀粉的螺旋結(jié)構(gòu),0.8nm,1.4nm,6個殘基,支鏈淀粉或糖原分支點(diǎn)的結(jié)構(gòu),-1,6-苷鍵,b. 糖原 是動物體內(nèi)葡萄糖的儲存形式,支鏈淀粉或糖原分子示意圖,（2）纖維素 作為植物的骨架,纖維素一級結(jié)構(gòu),-1,4-苷鍵,纖維素片層結(jié)構(gòu),(3) 瓊膠 水溶性高分子，膠凝劑,(4) 果膠 水溶性高分子,L-半乳糖,D-半乳糖,第二節(jié) 雙塘和多糖的酶促降解,一、雙糖的酶促降解,1. 蔗糖的降解,多糖和寡聚

7、糖只有分解成小分子后才能被吸收利用，生產(chǎn)中常稱為糖化。,2. 麥芽糖的降解,二、多糖的酶促降解,1. 淀粉的酶促降解,淀粉 糊精 寡糖 麥芽糖 葡萄糖, 淀粉的水解酶： 淀粉酶：在淀粉分子內(nèi)部任意水解-1,4糖苷鍵。（內(nèi)切酶） 淀粉酶：從非還原端開始，水解-,4糖苷鍵，依次水解下一個-麥芽糖單位（外切酶） 脫支酶（R酶）：水解-淀粉酶和-淀粉酶作用后留下的極限糊精中的1,6 糖苷鍵。,2. 糖原的分解,糖原 是動物體內(nèi)葡萄糖的儲存形式,1. 葡萄糖單元以-1,4-糖苷 鍵形成長鏈。 2. 約10個葡萄糖單元處形成分枝，分枝處葡萄糖以-1,6-糖苷鍵連接，分支增加，溶解度增加。 3. 每條鏈都終

8、止于一個非還原端。非還原端增多，以利于其被酶分解。,磷酸化酶（催化1.4-糖苷鍵斷裂） 三種酶協(xié)同作用： 轉(zhuǎn)移酶（催化寡聚葡萄糖片段轉(zhuǎn)移） 脫枝酶（催化1.6-糖苷鍵斷裂）, 糖原的磷酸解,糖原磷酸解的步驟,非還原端,磷酸化酶（釋放8個1-P-G）,轉(zhuǎn)移酶,脫支酶（釋放1個葡萄糖）,糖代謝的概況：,葡萄糖,丙酮酸,H2O及CO2,乳酸,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,核糖 + NADPH+H+,淀粉,一. 糖酵解的概念,糖酵解是將葡萄糖降解為丙酮酸并伴隨著ATP生成的一系列反應(yīng)，是生物體內(nèi)普遍存在的葡萄糖降解的途徑。該途徑也稱作Embden-Meyethof-Parnas途徑，簡稱EMP途徑。,第三

9、節(jié) 糖酵解,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-磷酸甘油醛磷酸二羥丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,第一階段,第二階段,第三階段,葡萄糖,葡萄糖的磷酸化,磷酸己糖的裂解,甘油醛的氧化,丙酮酸的生成,第四階段,二. 糖酵解途徑的反應(yīng)歷程,1. 第一階段（葡萄糖的磷酸化）：葡萄糖 1, 6-二磷酸果糖,2. 第二階段（磷酸己糖的裂解）：1, 6-二磷酸果糖 3-磷酸甘油醛,3. 第三階段（甘油醛的氧化）： 3-磷酸甘油醛 2-磷酸甘油酸,在以上反應(yīng)中，底物分子內(nèi)部能量重新分布，生成高能鍵，

10、使ADP磷酸化生成ATP的過程，稱為底物水平磷酸化。,4. 第四階段（丙酮酸的生成）：2-二磷酸甘油酸 丙酮酸,糖酵解的代謝途徑,三. 糖酵解小結(jié),（1）反應(yīng)部位：胞漿 （2） 糖酵解是一個不需氧的產(chǎn)能過程 （3）反應(yīng)全過程中有三步不可逆的反應(yīng),（4）產(chǎn)能的方式和數(shù)量,方式：底物水平磷酸化,能量計(jì)算：氧化一分子葡萄糖凈生成 2ATP 2NADH 6ATP（有氧時）,（5）終產(chǎn)物乳酸的去路,釋放入血，進(jìn)入肝臟再進(jìn)一步代謝。 分解利用 乳酸循環(huán)（糖異生）,四. EMP途徑的生物學(xué)意義 是葡萄糖在生物體內(nèi)進(jìn)行有氧或無氧分解的共同途徑,通過糖酵解，生物體獲得生命活動所需要的能量； 形成多種重要的中間產(chǎn)

11、物，為氨基酸、脂類合成提供碳骨架； 亦是其他單糖的基本代謝途徑； 為糖異生提供基本途徑。,除葡萄糖外，其它己糖也可轉(zhuǎn)變成磷酸己糖而進(jìn)入酵解途徑。,五. 糖酵解的調(diào)節(jié),關(guān)鍵酶,1. 己糖激酶或葡萄糖激酶,* 6-磷酸葡萄糖可反饋抑制己糖激酶，但肝葡萄糖激酶不受其抑制。,2. 果糖磷酸激酶,別構(gòu)激活劑：AMP; ADP; F-1,6-2P; F-2,6-2P,別構(gòu)抑制劑： 檸檬酸; ATP（高濃度）,3. 丙酮酸激酶,別構(gòu)抑制劑：ATP, 丙氨酸，乙酰CoA,別構(gòu)激活劑：1,6-二磷酸果糖,六. 丙酮酸的去路,（有氧）,（無氧）,糖的有氧氧化：,糖的有氧氧化(aerobic oxidation)指

12、在機(jī)體氧供充足時，葡萄糖徹底氧化成H2O和CO2，并釋放出能量的過程。是機(jī)體主要供能方式。,* 部位：胞液及線粒體,第四節(jié) 三羧酸循環(huán),一、丙酮酸的有氧氧化,（EPM）,葡萄糖,丙酮酸脫氫酶系,丙酮酸脫氫酶系的組成,酶 E1：丙酮酸脫氫酶 E2：二氫硫辛酰胺轉(zhuǎn)乙酰酶 E3：二氫硫辛酰胺脫氫酶,1. 丙酮酸脫氫酶系,CO2,CoASH,NAD+,NADH+H+,5. NADH+H+的生成,1. -羥乙基-TPP的生成,2.乙酰硫辛酰胺的生成,3.乙酰CoA的生成,4. 硫辛酰胺的再生,2. 丙酮酸氧化脫羧,二、乙酰輔酶A的徹底氧化分解 三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic acid Cycle

13、, TCA Cycle),三羧酸循環(huán)(Tricarboxylic acid Cycle, TCA循環(huán))是乙酰CoA與草酰乙酸結(jié)合進(jìn)入循環(huán)經(jīng)一系列反應(yīng)再回到草酰乙酸的過程。也稱為檸檬酸循環(huán)，這是因?yàn)檠h(huán)反應(yīng)中的第一個中間產(chǎn)物是一個含三個羧基的檸檬酸。由于Krebs正式提出了三羧酸循環(huán)的學(xué)說，故此循環(huán)又稱為Krebs循環(huán)，它由一連串反應(yīng)組成。,* 反應(yīng)部位線粒體,CoASH,+CO2,+CO2,三羧酸循環(huán)（TCA）,草酰乙酸 再生階段,檸檬酸的生成階段,氧化脫 羧階段,檸檬酸,異檸檬酸,順烏頭酸,- 酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,蘋果酸,草酰乙酸,NAD+,NAD+,FAD,NAD+,

14、1. TCA第一階段：檸檬酸生成,草酰乙酸,檸檬酸合成酶,順烏頭酸酶,順烏頭酸酶,2. TCA第二階段：氧化脫羧,異檸檬酸脫氫酶,-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物,琥珀酰CoA合成酶,3. TCA第三階段：草酰乙酸再生,草酰乙酸,琥珀酸脫氫酶,延胡索酸水合酶,蘋果酸脫氫酶,三、小 結(jié),1. 三羧酸循環(huán)的概念：指乙酰CoA和草酰乙酸縮合生成含三個羧基的檸檬酸，反復(fù)的進(jìn)行脫氫脫羧，又生成草酰乙酸，再重復(fù)循環(huán)反應(yīng)的過程。 2. TCA過程的反應(yīng)部位是線粒體。,3. 三羧酸循環(huán)的要點(diǎn) 經(jīng)過一次三羧酸循環(huán)， 消耗一分子乙酰CoA， 經(jīng)四次脫氫，二次脫羧，一次底物水平磷酸化。 生成1分子FADH2，3分子NADH+

15、H+，2分子CO2， 1分子GTP。 關(guān)鍵酶有：檸檬酸合酶 異檸檬酸脫氫酶 -酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物,4. 整個循環(huán)反應(yīng)為不可逆反應(yīng),5. 三羧循環(huán)的化學(xué)計(jì)量和能量計(jì)量,（1）總反應(yīng)式： CH3COSCoA+3NAD+FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+CoASH+3NADH+3H+ +FADH2+GTP,葡萄糖完全氧化產(chǎn)生的ATP：,總計(jì)：38 ATP,四、三羧循環(huán)的生物學(xué)意義,是有機(jī)體獲得生命活動所需能量的主要途徑,是機(jī)體中其它有機(jī)物碳鏈分解代謝的共同途徑,循環(huán)的中間產(chǎn)物為機(jī)體合成其它有機(jī)物提供碳源,表面上看來，三羧酸循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)必不可少的草酰乙酸在三羧酸循環(huán)中是不會消耗的，它可被反復(fù)利用

16、。但是，,例如：, 機(jī)體內(nèi)各種物質(zhì)代謝之間是彼此聯(lián)系、相互配合的，TCA中的某些中間代謝物能夠轉(zhuǎn)變合成其他物質(zhì)，借以溝通糖和其他物質(zhì)代謝之間的聯(lián)系。,五、三羧循環(huán)中間產(chǎn)物的回補(bǔ), 機(jī)體糖供不足時，可能引起TCA運(yùn)轉(zhuǎn)障礙，這時蘋果酸、草酰乙酸可脫羧生成丙酮酸，再進(jìn)一步生成乙酰CoA進(jìn)入TCA氧化分解。,* 所以，草酰乙酸必須不斷被更新補(bǔ)充。,草酰乙酸,其來源如下：,六、有氧氧化的調(diào)節(jié),關(guān)鍵酶, 酵解途徑：己糖激酶, 丙酮酸的氧化脫羧：丙酮酸脫氫酶復(fù)合物, 三羧酸循環(huán)：檸檬酸合酶,丙酮酸激酶 6-磷酸果糖激酶-1,-酮戊二酸脫氫酶復(fù)合物 異檸檬酸脫氫酶,1. 丙酮酸的氧化脫羧：丙酮酸脫氫酶復(fù)合物,

17、（1）別構(gòu)調(diào)節(jié),（2）共價修飾調(diào)節(jié),2. 三羧酸循環(huán),異檸檬酸 脫氫酶,檸檬酸合酶,-酮戊二酸 脫氫酶復(fù)合體,檸檬酸,Ca2+,a. ATP、ADP的影響,b. 產(chǎn)物堆積引起抑制,c.循環(huán)中后續(xù)反應(yīng)中間產(chǎn)物別位反饋抑制前面反應(yīng)中的酶,d. 其他，如Ca2+可激活許多酶,有氧氧化的調(diào)節(jié)特點(diǎn),（1）有氧氧化的調(diào)節(jié)通過對其關(guān)鍵酶的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。 （2）ATP/ADP或ATP/AMP比值全程調(diào)節(jié)。該比值升高，所有關(guān)鍵酶均被抑制。 （3）氧化磷酸化速率影響三羧酸循環(huán)。前者速率降低，則后者速率也減慢。 （4）三羧酸循環(huán)與酵解途徑互相協(xié)調(diào)。三羧酸循環(huán)需要多少乙酰CoA，則酵解途徑相應(yīng)產(chǎn)生多少丙酮酸以生成乙酰Co

18、A。,琥珀酰CoA,延胡索酸,草酰乙酸,-酮戊二酸,檸檬酸,乙酰CoA,丙酮酸,PEP,磷酸丙糖,葡萄糖或糖原,糖,-磷酸甘油,脂肪酸,脂肪,甘油三酯,乙酰乙酰CoA,酮體,CO2,CO2,氨基酸、糖及脂肪代謝的聯(lián)系,T C A,第五節(jié) 磷酸戊糖途徑,磷酸戊糖途徑是指由葡萄糖生成磷酸戊糖及NADPH+H+，前者再進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反應(yīng)過程，亦稱為磷酸己糖支路。,* 概念,第一階段：氧化反應(yīng) 生成磷酸戊糖，NADPH+H+及CO2,一、磷酸戊糖途徑的反應(yīng)歷程,第二階段則是非氧化反應(yīng)，包括一系列基團(tuán)轉(zhuǎn)移。,1. 磷酸戊糖途徑的氧化脫羧階段,NADPH+H+,5-磷酸核酮糖,

19、6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸內(nèi)酯,6-磷酸葡萄糖酸,CO2,6-磷酸葡萄糖 脫氫酶,內(nèi)酯酶,6-磷酸葡萄糖酸 脫氫酶,2. 磷酸戊糖途徑的非氧化分子重排階段,異構(gòu)酶,轉(zhuǎn)酮酶,轉(zhuǎn)酮酶,醛縮酶,階段之一,階段之二,階段之三,磷酸戊糖途徑的非氧化階段之一（5-磷酸核酮糖異構(gòu)化）,差向異構(gòu)酶,異構(gòu)酶,5-磷酸木酮糖,5-磷酸核糖,5-磷酸核酮糖,磷酸戊糖途徑的非氧化階段之二（基團(tuán)轉(zhuǎn)移）,+,2,4-磷酸赤蘚糖,+,2,5-磷酸核糖,2,3-磷酸甘油醛,轉(zhuǎn)酮酶,轉(zhuǎn)醛酶,2,6-磷酸果糖,+,7-磷酸景天庚酮糖,2,5-磷酸木酮糖,基團(tuán)轉(zhuǎn)移（續(xù)前）,+,轉(zhuǎn)酮酶,1,6-二 磷酸果糖,6-磷酸果糖,醛縮酶,二磷酸果糖酯酶,磷酸戊糖途徑的非氧化階段之三 （3-磷酸甘油醛異構(gòu)、縮合與水解）,異構(gòu)酶,二、磷酸戊糖途徑的特點(diǎn),（1） 脫氫反應(yīng)以NADP+為受氫體，生成NADPH+H+。 （2）反應(yīng)過程中進(jìn)行了一系列酮基和醛基轉(zhuǎn)移反應(yīng)，經(jīng)過了3、4、5、6、7碳糖的演變過程。 （3）反應(yīng)中生成了重要的中間代謝物5-磷酸核糖。 （4）一分子G-6-P經(jīng)過反應(yīng)，只能發(fā)生一次脫羧和二次脫氫反應(yīng)，生成一分子CO2和2分子NADPH+H+。,磷酸戊糖途徑的總反應(yīng)式,三、磷酸戊糖途