糖的分解代谢

糖类及糖代谢第十五章生物体内的糖一.糖的概念二.糖的分布三.糖的生物学功能四.糖的种类一.糖的概念糖类是具有（CH2O)n实验式的，其化学本质为多羟醛、多羟酮及其衍生物的化合物。也称为碳水化合物，是糖类物质的总称。英文：sugarorsaccharidemonosaccharidepolysaccharide二.糖的分布广泛植物（85%--90%）、细菌（10%--30%）动物（﹤2%）糖类是地球上数量最多的一类有机化合物。三.糖的生物学功能作为生物体的结构成分作为生物体内的主要能源物质为其他化合物提供碳骨架作为细胞识别的信息分子四.糖的种类单糖还原糖寡糖还原糖，（低聚糖）其中蔗糖为非还原糖多糖非还原糖植物体内的单糖植物体内的单糖植物体内的单糖植物体内的单糖植物体内的单糖植物体内的单糖植物体内的双糖植物体内的双糖植物体内的双糖植物体内的双糖植物体内的寡糖植物体内的多糖植物体内的多糖植物体内的多糖植物体内的多糖植物体内的多糖糖的分解代谢(catabolismofcarbohydrate)第十六章人体组织均能对糖进行分解代谢，主要的分解途径有四条：(1)无氧条件下进行的糖酵解途径；(2)有氧条件下进行的有氧氧化；(3)生成磷酸戊糖的磷酸戊糖通路；(4)生成葡萄糖醛酸的糖醛酸代谢。己糖磷酸己糖丙酮酸乙酰CoANADH2、FADH2、CO2H2O乙醇（植物）乳酸（动物）6-P-GNADPH2、CO2RH2O2呼吸链PPP途径EMP途径丙酮酸氧化脱羧TCA环发酵RNADP+NAD+/FAD细胞质线粒体基质线粒体基质线粒体内膜细胞质糖的分解途径一、糖酵解途径(glycolyticpathway)糖酵解途径是指细胞在胞浆中分解葡萄糖生成丙酮酸(pyruvate)的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸(lactate)称为糖酵解。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)葡萄糖的转运(transportofglucose)葡萄糖不能直接扩散进入细胞内，其通过两种方式转运入细胞：一种是与Na+共转运方式，它是一个耗能逆浓度梯度转运，主要发生在小肠粘膜细胞、肾小管上皮细胞等部位；另一种方式是通过细胞膜上特定转运载体将葡萄糖转运入细胞内(图)，它是一个不耗能顺浓度梯度的转运过程。(二)糖酵解过程糖酵解分为两个阶段共10个反应，每个分子葡萄糖经第一阶段共5个反应，消耗2个分子ATP为耗能过程，第二阶段5个反应生成4个分子ATP为释能过程。糖酵解过程的能量变化1.第一阶段(1)葡萄糖的磷酸化(phosphorylationofglucose)催化此反应的酶是己糖激酶(hexokinase,HK)。进入细胞内的葡萄糖首先在第6位碳上被磷酸化生成6-磷酸葡萄糖(glucose6phophate,G－6－P)，磷酸根由ATP供给，这一过程不仅活化了葡萄糖，有利于它进一步参与合成与分解代谢，同时还能使进入细胞的葡萄糖不再逸出细胞。催化此反应的酶是己糖激酶(hexokinase,HK)。HKHK己糖激酶催化的反应不可逆，反应需要消耗能量ATP，Mg2+是反应的激活剂，它能催化葡萄糖、甘露糖、氨基葡萄糖、果糖进行不可逆的磷酸化反应，生成相应的6-磷酸酯，6－磷酸葡萄糖是HK的反馈抑制物，此酶是糖氧化反应过程的限速酶(rate-limitingenzyme)或称关键酶(keyenzyme)。(2)6-磷酸葡萄糖的异构反应(isomerizationofglucose-6-phosphate)这是由磷酸己糖异构酶(phosphohexoseisomerase)催化6-磷酸葡萄糖(醛糖aldosesugar)转变为6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate,F-6-P)的过程，此反应是可逆的。(3)6-磷酸果糖的磷酸化(phosphorylationoffructose－6－phosphate)此反应是6磷酸果糖第一位上的C进一步磷酸化生成1,6－二磷酸果糖，磷酸根由ATP供给，催化此反应的酶是磷酸果糖激酶1(phosphofructokinasel,PFK1)。PFKPFK1催化的反应是不可逆反应，它是糖的有氧氧化过程中最重要的限速酶，它也是变构酶，柠檬酸、ATP等是变构抑制剂，ADP、AMP、Pi、1，6-二磷酸果糖等是变构激活剂，胰岛素可诱导它的生成。F6P+ATP=F1,6BP+ADP+H+(4)1.6(cleavageoffructose1,6di/bisphosphate)醛缩酶(aldolase)催化1.6-二磷酸果糖生成磷酸二羟丙酮和3-磷酸甘油醛，此反应是可逆的F1,6BP=DihydroxyacetonePhosphate+D-Glyceraldehyde-3-Phosphate(=+23.9kJ/mol)醛缩酶(aldolase)醛缩酶催化机制(5)磷酸二羟丙酮的异构反应(isomerizationofdihydroxyacetonephosphate)磷酸丙糖异构酶(triosephosphateisomerase)催化磷酸二羟丙酮转变为3－磷酸甘油醛，此反应也是可逆的。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-磷酸甘油醛氧化反应(oxidationofglyceraldehyde-3-phosphate3-磷酸甘油醛脱氢酶催化机制HCHCH2COPOOH磷酸甘油醛脱氢酶CHCH2COPOHOHHS酶NAD+NADH+H+CHCH2COPOOHS酶酶－SHCHCH2COPOOHOPPi此反应由3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde3－phosphatedehydrogenase)催化3-磷酸甘油醛氧化脱氢并磷酸化生成含有1个高能磷酸键的1，3－二磷酸甘油酸，本反应脱下的氢和电子转给脱氢酶的辅酶NAD+生成NADH+H+，磷酸根来自无机磷酸。(7)1.3－二磷酸甘油酸的高能磷酸键转移反应磷酸甘油酸激酶(phosphaglyceratekinase,PGK)底物水平磷酸化在磷酸甘油酸激酶(phosphaglyceratekinase,PGK)催化下，1.3－二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油酸，同时其C1上的高能磷酸根转移给ADP生成ATP，这种底物氧化过程中产生的能量直接将ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substratelevelphosphorylation)。此激酶催化的反应是可逆的。(8)3-磷酸甘油酸的变位反应在磷酸甘油酸变位酶(phosphoglyceratemutase)催化下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。此反应是可逆的。(9)2-磷酸甘油酸的脱水反应由烯醇化酶(enolase)催化，2-磷酸甘油酸脱水的同时，能量重新分配，生成含高能磷酸键的磷酸烯醇式丙酮酸(phosphoenolpyruvatePEP)。本反应也是可逆的。(10)磷酸烯醇式丙酮酸的磷酸转移在丙酮酸激酶(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上的磷酸化过程。但此反应是不可逆的。丙酮酸激酶CCCH2POOOHADPATPMg+,K+CCCH2OOHOH酵解过程的第三个限速步骤CCCH3OOOH丙酮酸激酶是糖的有氧氧化过程中的限速酶，具有变构酶性质，ATP是变构抑制剂，ADP是变构激活剂，Mg2+或K+可激活丙酮酸激酶的活性，胰岛素可诱导PK的生成，烯醇式丙酮酸又可自动转变成丙酮酸。能量--ATP收获阶段糖的无氧酵解的总结在细胞液阶段的过程中，一个分子的葡萄糖或糖原中的一个葡萄糖单位，可氧化分解产生2个分子的丙酮酸，丙酮酸将进入线粒体继续氧化分解，此过程中产生的两对NADH+H+，由递氢体α-磷酸甘油(肌肉和神经组织细胞)或苹果酸(心肌或肝脏细胞)传递进入线粒体，再经线粒体内氧化呼吸链的传递，最后氢与氧结合生成水，在氢的传递过程释放能量，其中一部分以ATP形式贮存。在整个细胞液阶段中的10或11步酶促反应中，在生理条件下有三步是不可逆的单向反应，催化这三步反应的酶活性较低，是整个糖的有氧氧化过程的关键酶，其活性大小，对糖的氧化分解速度起决定性作用，在此阶段经底物水平磷酸化产生四个分子ATP。总而言之，经过糖酵解途径，一个分子葡萄糖可氧化分解产生2个分子丙酮酸。在此过程中，经底物水平磷酸化可产生4个分子ATP，如与第一阶段葡萄糖磷酸化和磷酸果糖的磷酸化消耗二分子ATP相互抵消，每分子葡萄糖降解至丙酮酸净产生2分子ATP，如从糖原开始，因开始阶段仅消耗1分子ATP，所以每个葡萄糖单位可净生成3分子ATP(图)。糖酵解途径总反应葡萄糖+2Pi+2NAD++2ADP→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2O(三)丙酮酸在无氧条件下生成乳酸1、氧供应不足时从糖酵解途径生成的丙酮酸转变为乳酸。缺氧时葡萄糖分解为乳酸称为糖酵解(glycolysis)，因它和酵母菌生醇发酵非常相似。丙酮酸转变成乳酸由乳酸脱氢酶(lactatedehydrogenase)催化丙酮酸乳酸脱氢酶乳酸在这个反应中丙酮酸起了氢接受体的作用。由3-磷酸甘油醛脱氢酶反应生成的NADH+H+，缺氧时不能经电子传递链氧化。正是通过将丙酮酸还原成乳酸，使NADH转变成NAD+，糖酵解才能继续进行。细胞中NAD+的浓度一般都很底，通常仅1mM左右。70kg的成年男子组织湿重：25kg(含水70%），水重：17.5kgNAD+的量：17.5mmol全部还原所接受的葡萄糖的量：9mmol1mmol葡萄糖丙酮酸仅释放50cal能量9x50=450cal中等体力运动消耗：10000cal/min(167/sec)储备的NAD+不足三秒就消耗殆尽NAD+循环使用Pyruvate+NADH+H+=Lactate+NAD+2、无氧时，酵母糖酵解称为生醇发酵生醇发酵与酵解仅最后两步不同(四)糖酵解的生理意义糖酵解是生物界普遍存在的供能途径，但其释放的能量不多，而且在一般生理情况下，大多数组织有足够的氧以供有氧氧化之需，很少进行糖酵解，因此这一代谢途径供能意义不大，但少数组织，如视网膜、睾丸、肾髓质和红细胞等组织细胞，即使在有氧条件下，仍需从糖酵解获得能量。在某些情况下，糖酵解有特殊的生理意义。例如剧烈运动时，能量需求增加，糖分解加速，此时即使呼吸和循环加快以增加氧的供应量，仍不能满足体内糖完全氧化所需要的能量，这时肌肉处于相对缺氧状态，必须通过糖酵解过程，以补充所需的能量。在剧烈运动后，可见血中乳酸浓度成倍地升高，这是糖酵解加强的结果。又如人们从平原地区进入高原的初期，由于缺氧，组织细胞也往往通过增强糖酵解获得能量。在某些病理情况下，如严重贫血、大量失血、呼吸障碍、肿瘤组织等，组织细胞也需通过糖酵解来获取能量。倘若糖酵解过度，可因乳酸产生过多，而导致酸中毒。(五)糖酵解的调节正常生理条件下，人体内的各种代谢受到严格而精确的调节，以满足机体的需要，保持内环境的稳定。这种控制主要是通过调节酶的活性来实现的。在一个代谢过程中往往催化不可逆反应的酶限制代谢反应速度，这种酶称为限速酶。糖酵解途径中主要限速酶是己糖激酶(HK)，磷酸果糖激酶(PFK)，丙酮酸激酶(PK)。1.激素的调节胰岛素能诱导体内葡萄糖激酶、磷酸果糖激酶、丙酮酸激酶的合成，因而促进这些酶的活性，一般来说，这种促进作用比对限速酶的变构或修饰调节慢，但作用比较持久。2.代谢物对限速酶的变构调节上述三个限速酶中，起决定作用的是催化效率最低的酶PFK。其分子是一个四聚体形式，不仅具有对反应底物6-磷酸果糖和ATP的结合部位，而且尚有几个与别位激活剂和抑制剂结合的部位，6-磷酸果糖、2，6二磷酸果糖、ADP和AMP是其激活剂，而ATP、柠檬酸等是其抑制剂，ATP既可作为反