第六章糖代谢.

第六章糖代谢第一节糖代谢总论第二节葡萄糖的分解代谢第三节三羧酸循环第四节戊糖磷酸途径和乙醛酸循环第五节糖的合成、糖异生第一节糖代谢总论糖代谢总述糖与多糖多糖和寡聚糖的酶促降解一、糖代谢总述糖代谢包括分解代谢和合成代谢。动物和大多数微生物所需的能量，主要是由糖的分解代谢提供的；糖分解的中间产物，又为生物体合成其它类型的生物分子，如氨基酸、核苷酸和脂肪酸等，提供碳源或碳链骨架。植物和某些藻类能够利用太阳能，将二氧化碳和水合成糖类化合物，即光合作用。光合作用将太阳能转变成化学能（主要是糖类化合物），是自然界规模最大的一种能量转换过程。二、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（1）单糖一般分为醛糖和酮糖两类。（2）最简单的醛糖是甘油醛，最简单的酮糖是二羟基丙酮。其它所有单糖都可以看作是这两个单糖的碳链的加长。•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(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(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•肝素糖原三、多糖和寡聚糖的酶促降解1.概述多糖和寡聚糖只有分解成小分子后才能被吸收利用，生产中常称为糖化。2.淀粉水解淀粉糊精寡糖麦芽糖G淀粉的酶促水解•水解淀粉的淀粉酶有α淀粉酶和β淀粉酶，二者只能水解淀粉中的α-1,4糖苷键，水解产物为麦芽糖。•α淀粉酶可以水解淀粉(或糖原)中任何部位的α-1,4糖苷键。β淀粉酶只能从非还原端开始水解。•水解淀粉中的α-1,6糖苷键的酶是α-1,6糖苷键酶。•淀粉水解的产物为糊精和麦芽糖的混合物。还原末端非还原末端α-1,4糖苷键α-1,6糖苷键生物体内葡萄糖的分解主要有三条途径2.有O2情况下，G→CO2+H2O（经三羧酸循环）3.有O2情况下，G→CO2+H2O（经戊糖磷酸途径）第二节葡萄糖的分解代谢1.无O2情况下，葡萄糖（G）→丙酮酸（Pyr）→乳酸(Lac）一、糖的无氧酵解C6H12O6-2（2H）2CH3COCOOH2CH3CH(OH)COOH+2(2H)-2CO2糖酵解Glycolysis2CH3CHO2CH3CH2OH生醇发酵Fermentation乳酸发酵二、糖酵解途径1概念糖酵解(glycolysis)是指酶将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随生成ATP的过程。又称为Embden-Meyerhof-ParnasPathway，即EMP途径。糖酵解产生的丙酮酸，在有氧条件下可经三羧酸循环彻底氧化成二氧化碳，途径中生成的NADH经呼吸链氧化成ATP和水。糖酵解是氧化磷酸化和三羧酸循环的前奏。2EMP途径的生化历程（在胞液中进行）糖酵解过程a6-磷酸葡萄糖葡萄糖果糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油酸磷酸3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸b1234糖原1-磷酸葡萄糖（1）第一阶段：葡萄糖1,6-二磷酸果糖OCH2OHOHOHOHOHHHHHMgOCH2OPO3H2OHOHOHOHHHHH己糖磷酸激酶葡萄糖6－磷酸葡萄糖HOH磷酸己糖异构酶6-磷酸果糖H2O3POHOHOHCH2OHCH2OH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OOHHHOHOHCH2OHCH2OHOOHH磷酸果糖激酶己糖激酶ATPADPMgATPADPATPADPMg果糖1,6-二磷酸果糖(2)第一阶段：1,6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛1,6-二磷酸果糖HOHH2O3POHOHOHCH2OPO3H2CH2OCH2OPO3H2CCH2OHOCH2OPO3H2CHOHCHO磷酸二羟丙酮3－磷酸甘油醛磷酸丙糖异构酶96％4％醛缩酶(3)第二阶段：3-磷酸甘油醛丙酮酸3－磷酸甘油醛CH2OPO3H2CHOHCHOCH2OPO3H2CHOHCOPO3H2ONAD+NADH+H+1,3-二磷酸甘油酸CH2OPO3H2CHOHCOHOADPATPMg磷酸甘油酸激酶CH2OHCHOPO3H2COHO3-磷酸甘油酸2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸变位酶3-磷酸甘油醛脱氢酶2-磷酸甘油酸CH2OHCHOPO3H2COHOCH2COPO3H2COHO烯醇化酶Mg+2磷酸烯醇式丙酮酸COHOCHOHCH2COOHCCH3OADPATP2Mg+丙酮酸激酶烯醇式丙酮酸丙酮酸3糖酵解途径的化学计量葡萄糖经糖酵解途径的总反应式：葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O1分子葡萄糖生成2分子丙酮酸；共消耗了2个ATP，产生了4个ATP，实际上净生成了2个ATP；同时产生2个NADHPage3144糖酵解途径的调节酶三、丙酮酸的去路有氧条件下，丙酮酸被氧化生成乙酰CoA，进入柠檬酸循环。无氧条件下，丙酮酸被还原为乳酸或者转变为乙醇。COOHC=OCH3生成乳酸或乙醇+NADH+H+乳酸脱氢酶COOHCHOHCH3+NAD+PyrLacCOOHC=OCH3脱羧酶CHOCH3+CO2CH2OHCH3+NADH+H+乙醇脱氢酶CHOCH3+NAD+第三节三羧酸循环有氧氧化：大多数生物的主要代谢途径EMPpyrTCA（三羧酸循环）可衍生许多其他物质丙酮酸的氧化脱羧TCA丙酮酸乙酰CoA乙酰CoAH2O和CO2，释放出能量一、丙酮酸氧化脱羧—-乙酰CoA的生成基本反应糖酵解生成的丙酮酸可穿过线粒体膜进入线粒体内室，在丙酮酸脱氢酶系的催化下，生成乙酰辅酶A。丙酮酸脱氢酶系这一多酶复合体位于线粒体内膜上，原核细胞则在胞液中。丙酮酸脱氢酶系三种酶六种辅助因子E1-丙酮酸脱羧酶（也叫丙酮酸脱氢酶）E2-二氢硫辛酰转乙酰基酶E3-二氢硫辛酸脱氢酶焦磷酸硫胺素（TPP)、硫辛酰胺、FADCoA、NAD+、Mg2+二、乙酰CoA的彻底氧化分解——TricarboxylicacidcycleTCA概念：三羧酸循环简写为TCA循环,又称为柠檬酸循环。是乙酰CoA与草酰乙酸合成为柠檬酸，而后经过一系列氧化脱羧生成二氧化碳并再生草酰乙酸的循环反应过程。化学反应历程（8步反应）三羧酸循环草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸a-酮戊二酸琥珀酰辅酶A琥珀酸延胡索酸苹果酸乙酰辅酶A三羧酸循环过程总结(一次循环)8步反应8种酶催化反应类型缩合1、氧化4、底物水平磷酸化1、水化1生成3分子NADH生成1分子FADH2生成1分子GTP三羧酸循环总反应式GDPGTPTCA的生物学意义1）是生物利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。2）是三大有机物质（糖类、脂类、蛋白质）转化的枢纽。3）提供多种化合物的碳骨架。TCA的代谢调节柠檬酸合成酶异柠檬酸脱氢酶α-酮戊二酸脱氢酶系三、丙酮酸羧化支路（回补途径）三羧酸循环不仅是产生ATP的途径，它产生的中间产物也是生物合成的前体。例如卟啉的主要碳原子来自琥珀酰CoA，谷氨酸、天冬氨酸是从α-酮戊二酸、草酰乙酸衍生而成。一旦草酰乙酸浓度下降，势必影响三羧酸循环的进行。1.丙酮酸在丙酮酸羧化酶催化下形成草酰乙酸，以生物素为辅酶。2.丙酮酸在苹果酸酶催化下形成苹果酸，然后形成草酰乙酸。3.磷酸烯醇式丙酮酸在磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶的催化下形成草酰乙酸。在大脑和心脏中存在这个反应。Mn2+4.天冬氨酸和谷氨酸的转氨作用可以形成草酰乙酸和α-酮戊二酸。异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸也会形成琥珀酰CoA。具体反应将在氨基酸代谢中详细讲述。四、葡萄糖分解代谢过程中产生的能量葡萄糖在分解代谢过程中产生的能量有两种形式：①直接产生ATP；②生成NADH或FADH2，然后通过呼吸链氧化并产生ATP。糖酵解：1分子葡萄糖2分子丙酮酸，共消耗了2个ATP，产生了4个ATP，实际上净生成了2个ATP，同时产生2个NADH。丙酮酸氧化脱羧：丙酮酸乙酰CoA，生成1个NADH。三羧酸循环：乙酰CoACO2和H2O，产生一个GTP（即ATP）、3个NADH和1个FADH2。葡萄糖分解代谢过程中产生的总能量葡萄糖分解代谢总反应式C6H6O6+6H2O+10NAD++2FAD+4ADP+4Pi6CO2+10NADH+10H++2FADH2+4ATP按照一个NADH能够产生3个ATP，1个FADH2能够产生2个ATP计算，1分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生38个ATP4ATP+（103）ATP+（22）ATP=38ATP按照一个NADH能够产生2.5个ATP，1个FADH2能够产生1.5个ATP计算，1分子葡萄糖在分解代谢过程中共产生32个ATP第四节戊糖磷酸途径和乙醛酸循环糖酵解和三羧酸循环是机体内糖分解代谢的主要途径，但不是唯一途径。实验研究表明，在组织中添加酵解抑制剂（如碘乙酸或氟化物），葡萄糖仍可以被消耗，说明葡萄糖还有其它代谢途径。许多组织细胞中都存在有另一种葡萄糖降解途径，即戊糖磷酸途径（pentosephosphatepathway,PPP），也称为磷酸己糖旁路（hexosemonophosphatepathway/shunt,HMP）。这条途径在细胞溶胶内进行，广泛存在于动植物细胞内，动物体中约有30%的葡萄糖通过此途径分解。分为两个阶段：氧化阶段和非氧化阶段氧化阶段：1分子的G-6-P在转化为核酮糖-5-磷酸和CO2的同时，生成2分子的NADPH。①是细胞产生还原力(NADPH)的主要途径；②产生的核酮糖-5-磷酸主要用于核酸的生物合成；③是细胞内不同结构糖分子的重要来源，并为各种单糖的相互转变提供条件。1.戊糖磷酸途径的反应过程2.生物学意义乙醛酸循环乙醛酸循环的意义某些植物和微生物可以利用乙酰CoA生成用于糖异生和其它生物合成途径中的四碳中间产物。在植物种子中有特别重要的意义，它使萌发的种子将贮存的甘油三脂通过乙酰CoA转变为葡萄糖。乙醛酸循环总反应式2CH3COSCoA+2H2O+NAD+CH2COOHCH2COOH+2CoASH+NADH+H+乙醛酸循环只存在于植物和微生物中。琥珀酸离开乙醛酸循环体进入线粒体，继续被氧化为苹果酸和草酰乙酸。第五节糖的合成、糖异生糖异生是指从非糖物质合成葡萄糖的过程。非糖物质包括丙酮酸、乳酸、生糖氨基酸、甘油等均可以在哺乳动物的肝脏中转变为葡萄糖或糖原。这一过程基本上是糖酵解途径的逆过程，但具体过程并不是完全相同，因为在糖酵解过程中有三步是不可逆的反应，而在糖异生中要通过其它的旁路途径来绕过这三步不可逆反应，完成糖的异生过程。一、糖异生的证据及其生理意义•用整体动物做实验，禁食24小时，大鼠肝脏中的糖原由7%降低到1%，饲喂乳酸、丙酮酸或三羧酸循环代谢的中间物后可以使大鼠肝糖原增加。•糖尿病人或切除胰岛的动物，当摄入生糖氨基酸时，尿中糖含量增加。1糖异生存在的证据•糖异生作用是一个十分重要的生物合成葡萄糖的途径。红细胞和脑是以葡萄糖为主要燃料的，成人每天约