生化-糖代谢

第五章糖代谢Chapter5Metabolismofcarbohydrate糖的无氧分解---糖酵解糖的有氧氧化---三羧酸循环磷酸戊糖途径糖原的合成与分解糖异生教学目的:1.掌握糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径的反应过程及生理意义2.了解糖原的合成与分解代谢3.掌握糖异生的概念及途径教学重点难点：糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径的反应过程及生理意义;糖异生教学课时:10糖类是指多羟基醛或酮及其衍生物一.糖类在生物体的生理功能主要有：①氧化供能：糖类占人体全部供能量的70%。②构成组织细胞的基本成分：*核糖:构成核酸*糖蛋白:凝血因子、免疫球蛋白等*糖脂:生物膜成分③转变为体内的其它成分*转变为脂肪*转变为非必需氨基酸二.糖代谢的概况血中葡萄糖食物主糖异生糖酵解有氧氧化（CO2、H2O、ATP)磷酸戊糖途径（5-磷酸核糖、NADPH）糖原缺氧供氧充足合成分解葡萄糖丙酮酸乳酸乙醇乙酰CoA6-磷酸葡萄糖磷酸戊糖途径糖酵解（有氧）（无氧）三羧酸循环(TCA)（有氧或无氧）三.葡萄糖的分解代谢途径及定位1、分解代谢途径呼吸链氧化磷酸化NADHFADH2细胞膜细胞质线粒体高尔基体细胞核内质网溶酶体细胞壁叶绿体有色体白色体液体晶体分泌物吞噬中心体胞饮细胞膜丙酮酸氧化三羧酸循环氧化磷酸化磷酸戊糖途径糖酵解2、分解代谢途径及定位动物细胞植物细胞Section1糖酵解（glycolysis)糖酵解:是葡萄糖在无氧条件下在组织细胞中降解成丙酮酸,并释放出能量生成ATP的过程。它是葡萄糖最初经历的酶促分解过程,也是葡萄糖分解代谢所经历的共同途径。无氧酵解的全部反应过程在细胞溶胶(cytoplasm)中进行。从葡萄糖到丙酮酸的反应过程包括两个部分，可分为活化、裂解、放能三个阶段，十步反应。一、糖酵解的反应过程(一)准备1.葡萄糖的活化(activation)——己糖磷酸酯的生成：活化阶段是指葡萄糖经磷酸化和异构反应生成1,6-二磷酸果糖(FBP，FDP)的反应过程。该过程共由三步化学反应组成。己糖激酶/葡萄糖激酶磷酸己糖异构酶磷酸果糖激酶-1ATPADPATPADP**(1)(2)(3)Mg2+Mg2+激酶：催化ATP分子与底物之间的磷酸基转移的酶称激酶，激酶一般需要Mg2+或Mn2+作为辅因子。Mg2+可以掩盖ATP/ADP分子中磷酸基氧原子的负电荷，使葡萄糖C-6/C-1位的羟基易于对ATP的γ–位磷原子进行亲核攻击.机理：葡萄糖C-6/C-1位的羟基对ATP的γ–位磷原子的亲核进攻击⑴葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖ATPADPglucoseHCCCCCCH2OHOHOHOHHHOHHOHglucose-6-phosphate(G-6-P）HCCCCCCH2OHOHOHOHHHOHHOHOHO-OHOP已糖激酶Mg2+特点：①此反应不可逆，消耗1个ATP.②催化此反应的激酶有已糖激酶和葡萄糖激酶。糖酵解过程的第一个限速酶⑵6-磷酸葡萄糖异构化转变为6-磷酸果糖OHCH2CCCCCH2OOOHHHOHHOHPOOHOH磷酸Glc异构酶HCCCCCCH2OOHOHOHHHOHHOHPOOHOH特点：①反应的△Go′变化很小，反应可逆。②磷酸葡萄糖异构酶将葡萄糖的羰基C由C1移至C2，为C1位磷酸化作准备，同时保证C2上有羰基存在，这对分子的β断裂，形成三碳物是必需的fructose-6-phosphate,F-6-P⑶6-磷酸果糖再磷酸化生成1,6-二磷酸果糖O-CH2CCCCCH2OOOHHHOHHOHPOOHOHATPADPO-POOHOH磷酸果糖激酶-1Mg2+OHCH2CCCCCH2OOOHHHOHHOHPOOHOH特点：①此反应在体内不可逆，消耗1个ATP。②反应由磷酸果糖激酶1催化，是主要的调节位点糖酵解过程的第二个限速酶fructose-1,6-biphosphate,F-1,6-BP2.裂解（lysis)——磷酸丙糖的生成：一分子F-1,6-BP裂解为两分子可以互变的磷酸丙糖（triosephosphate)，磷酸丙糖异构酶醛缩酶(4)(5)⑷3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮的生成3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮OHCH2COCH2OPOOHOHOHHOCCHCH2OPOOHOHfructose-1,6-diphosphate(F-1,6-2P）CCCCCH2OOOHHHOHHOHCH2OPOOHOHPOOHOH醛缩酶126543123456+机理：由于C-2的羰基及C-4的羟基存在，1,6-二磷酸果糖分子发生β断裂，形成等长的三碳化合物特征：①该反应△Go′=23.97kJ/mol,在热力学上不利，但是，由于F-1.6-2P的形成是放能的及甘油醛-3-磷酸后续氧化的放能性质，促使反应正向进行。②在生理环境中，3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸，驱动反应向右进行⑸磷酸丙糖的互换dihydroxyacetonephosphate)OHCH2COCH2OPOOHOHOHHOCCHCH2OPOOHOHglyceraldehyde3-phosphate磷酸丙糖异构酶1,6-二磷酸果糖2×3-磷酸甘油醛(二)贮能3.放能(releasingenergy)—丙酮酸的生成：3-磷酸甘油醛经脱氢、磷酸化、脱水及放能等反应生成丙酮酸和ATP.包括五步反应:(6)(7)(8)ATPADP磷酸甘油酸变位酶3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油酸激酶NAD++PiNADH+H+烯醇化酶丙酮酸激酶⑼*ATPADP自发H2O(10)⑹3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸OHO-OCCHCH2OPOOHOH1,3-diphosphoglycerate3-磷酸甘油醛脱氢酶glyceraldehyde3-phosphateOHHOCCHCH2OPOOHOHHPO42-+NADH+H+NAD+OPO32-糖酵解中唯一的脱氢反应特征：①由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化，在无机磷酸的参与下以NAD+作为电子受体，3-磷酸甘油醛氧化脱氢生成1,3-二磷酸甘油酸和NADH+H+。②醛基转变成超高能量的酰基磷酸⑺1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸3-磷酸甘油酸激酶HOHOOCCHCH2OPOOHOH3-phosphoglycerate)OHO-OCCHCH2OPOOHOH1,3diphosphoglycerateOPO32-ADPATP这是糖酵解中第一次底物水平磷酸化反应特征：①在磷酸甘油酸激酶的作用下，将高能磷酰基转给ADP形成ATP。②这是酵解中第一次产生ATP的反应，反应是可逆的⑻3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸3-phosphoglycerateHOHOOCCHCH2OPOOHOH磷酸甘油酸变位酶2-phosphoglycerateOHHO-OOCCHCH2O-POOHOH特征：①变位酶是一种催化分子内化学基团移位的酶.②磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸之间的磷酸基团位置的移动,分子内重排.⑼2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸phosphoenolpyruvateO-HOOCCCH2P+OOHOH2-phosphoglycerateHOHHOOOCCCH2POOHOH烯醇化酶(Mg2+/Mn2+)氟化物能与Mg2+络合而抑制此酶活性特征：①烯醇化酶（需要Mg2+的活化）催化2-磷酸甘油酸中的a、β位脱去水形成磷酸烯醇式丙酮酸。②烯醇磷酯键具有很高的磷酸基转移潜能。aH2Oβ(10)磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸ADPATP丙酮酸激酶(PK)phosphoenolpyruvateO-HOOCCCH2P+OOHOHenolpyruvateCOOHOHCH2C糖酵解过程的第三个限速酶Mg2+,K+特征：①丙酮酸激酶催化磷酸基从磷酸烯醇式丙酮酸转移给ADP，生成烯醇式丙酮酸和ATP，反应是不可逆的②这是酵解中第二个底物水平磷酸化反应.ATP磷酸烯醇式丙酮酸丙酮酸ADP丙酮酸激酶enolpyruvateOHCH2CCOOHpyruvate自发进行CH3OCCOOH(10)6-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮21，3-二磷酸甘油酸23-磷酸甘油酸22-磷酸甘油酸2磷酸烯醇丙酮酸2丙酮酸第一阶段第二阶段第三阶段葡萄糖葡萄糖的活化磷酸己糖的裂解2-磷酸甘油酸和ATP生成丙酮酸和ATP的生成一、糖酵解过程第一部分(六碳糖→三碳糖)第二部分①②③④⑤⑩⑨⑧⑦⑥--1ATP--1ATP21NADH21ATP21ATP二、ＥＭＰ途径化学计量和生物学意义糖酵解代谢途径可将一分子葡萄糖分解为两分子丙酮酸，净生成两分子ATP。总反应式:C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi2C3H4O3+2NADH+2H++2ATP+2H2O糖酵解代谢途径有三个关键酶，即己糖激酶（葡萄糖激酶）、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶。二、糖酵解的调节糖酵解代谢途径的调节主要是通过各种变构剂对三个关键酶进行变构调节。1.己糖激酶或葡萄糖激酶：已糖激酶：专一性不强，在组织细胞中广泛存在，可催化Glc、Man（甘露糖）磷酸化。被产物G-6-P强烈地别构抑制葡萄糖激酶：只能催化Glc磷酸化，仅在肝脏和胰腺β细胞存在，维持血糖平衡，不被G-6-P抑制。是诱导酶，胰岛素可诱导其基因转录，促进酶的合成。当肝细胞中Glc浓度﹥5mmol/L，肝中的Glc激酶被激活，Glc激酶将Glc转化成G-6-P，进一步转化成糖元，贮存于肝细胞,是肝脏调节葡萄糖吸收的主要的关键酶。无产物反馈抑制己糖激酶及葡萄糖激酶的变构剂己糖激酶hexokinase葡萄糖激酶glucokinaseG-6-P长链脂酰CoA--2.6-磷酸果糖激酶-1：6-磷酸果糖激酶-1是调节糖酵解代谢途径流量的主要因素。6-磷酸果糖激酶-16-phosphofructokinase-1ATP柠檬酸ADP、AMP1,6-双磷酸果糖2,6-双磷酸果糖-+3.丙酮酸激酶：丙酮酸激酶pyruvatekinaseATP丙氨酸(肝)1,6-双磷酸果糖-+三、糖酵解的生理意义1.是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径★在无氧和缺氧条件下，作为糖分解供能的补充途径，生物体获得生命活动所需要的能量。★在有氧条件下，作为某些组织细胞主要的供能途径。2.形成多种重要的中间产物，为氨基酸、脂类合成提供碳骨架；3.为肌肉收缩迅速提供能量剧烈运动时：肌肉内ATP含量很低,即使氧不缺乏，葡萄糖进行有氧氧化的过程比糖酵解长得多,来不及满足需要,糖酵解为肌肉收缩迅速提供能量四、丙酮酸的去路（有氧）（无氧）葡萄糖葡萄糖丙酮酸乳酸乙醇乙酰CoA三羧酸循环（有氧或无氧）丙酮酸乳酸乙醇乙酰CoA糖酵解途径三羧酸循环（有氧或无氧）丙酮酸有3种主要的去路：1、在大多数情况下，丙酮酸可以通过氧化脱羧形成乙酰CoA，然后乙酰CoA进入柠檬酸循环；2、在某些微生物中，丙酮酸可以转化为乙醇，这一过程称之酒精发酵；3、在某些环境条件下（如缺氧），它可以还原为乳酸。1、丙酮酸乳酸（乳酸发酵）在无氧条件下，利用丙酮酸接受酵解代谢过程中产生的NADH，使NADH重新氧化为NAD+，以确保反应的继续进行。乳酸脱氢酶NAD+NADH+H+⑿乳酸可以通过血液进入肝、肾等组织内，重新转变成丙酮酸，再合成葡萄糖和肝糖元，或进入三羧酸循环氧化。葡萄糖EMPCH2OHCH3乙醇NADH+H+NAD+CO2乙醛CHOCH3COOHC==OCH3丙酮酸2、丙酮酸乙醇（酒精发酵）酵母在无氧的条件下，将葡萄糖转变成乙醇，这是酿酒和发酵法生产乙醇的基本过程，称为生醇发酵。酵母中含有多种酶系，其中丙酮酸脱羧酶(不存在于动物细胞中)催化丙酮酸脱羧产生乙醛，乙醛在醇脱氢酶催化下被NADH还原成乙醇。丙酮酸脱羧酶醇脱氢酶3、丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解（EPM）葡萄糖COOHC==OCH3丙酮酸CH3-C-SCoAO乙酰CoA三羧酸循环NAD+NADH+H+CO2CoASH葡萄糖的有氧分解丙酮酸脱氢酶系Section2糖的有氧氧