生物化学与分子生物学第六章糖代谢

1、糖 代 谢,Metabolism of Carbohydrates,第 六 章,糖的化学,糖(carbohydrates)即碳水化合物，其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。,糖的概念,糖的主要生理功能,1. 为生命活动提供能源和碳源,如糖可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质的原料。,3. 作为机体组织细胞的组成成分,这是糖的主要生理功能。,2. 提供合成体内其他物质的原料,如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成成分。,糖代谢的概况分解、储存、合成,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,第一节 糖的消化吸收与转运,Digestion, absorption and transportation of Carbohydrates,一、糖消化后以单体形式吸收,糖的消化,人类食物中的糖主要有植物淀粉、动物糖原以及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等，其中以淀粉为主。,消化部位： 主要在小肠，少量在口腔。,食物中含有的大量纤维素，因人体内无-糖苷酶而不能对其分解利用，但却具有刺激肠蠕动等作用，也是维持健康所必需。,淀粉,麦芽

2、糖+麦芽三糖 （40%） （25%）,-临界糊精+异麦芽糖 （30%） （5%）,葡萄糖,唾液中的-淀粉酶,-葡萄糖苷酶,-临界糊精酶,消化过程：,肠粘膜上皮细胞刷状缘,口腔,肠腔,胰液中的-淀粉酶,乳糖,蔗糖,葡萄糖,果糖,半乳糖,乳糖酶,蔗糖酶,糖的吸收,吸收部位：小肠上段,吸收形式：单糖,ADP+Pi,ATP,G,Na+,K+,小肠粘膜细胞,肠腔,门静脉,吸收机制：,Na+依赖型葡萄糖转运体 (Na+-dependent glucose transporter, SGLT),刷状缘,细胞内膜,葡萄糖被小肠黏膜细胞吸收后经门静脉进入血循环，供身体各组织利用。肝对于维持血糖稳定发挥关键作用。当血糖较高时，肝通过糖原合成和分解葡萄糖来降低血糖；当血糖较低时，肝通过糖原分解和糖异生来升高血糖。,葡萄糖转运进入细胞,这一过程依赖于葡萄糖转运体(glucose transporter，GLUT)。,二、细胞摄取葡萄糖需要转运体,第二节 糖的无氧分解,Glycolysis,一分子葡萄糖在胞液中可裂解为两分子丙酮酸，是葡萄糖无氧氧化和有氧氧化的共同起始途径，称为糖酵解（glycolysis）。

3、在不能利用氧或氧供应不足时，人体将丙酮酸在胞液中还原生成乳酸，称为乳酸发酵（lactic acid fermentation）。 在某些植物和微生物中，丙酮酸可转变为乙醇和二氧化碳，称为乙醇发酵（ethanol fermentation）。,一、糖无氧氧化反应过程分为糖酵解和乳酸生成两个阶段,第一阶段：糖酵解 第二阶段：乳酸生成 糖无氧氧化的反应部位：胞液。,葡萄糖不利用氧的分解过程分为两个阶段：,葡萄糖磷酸化为葡糖-6-磷酸,葡萄糖,葡糖-6-磷酸 (glucose-6-phosphate, G-6-P),（一）葡萄糖经糖酵解分解为两分子丙酮酸,哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶，分别称为至型。肝细胞中存在的是型，称为葡萄糖激酶(glucokinase)。 它的特点是：对葡萄糖的亲和力很低；受激素调控，对葡糖-6-磷酸的反馈抑制并不敏感。 它这些特性使葡萄糖激酶对于肝维持血糖稳定至关重要，只有当血糖显著升高时，肝才会加快对葡萄糖的利用，起到缓冲血糖水平的调节作用。,葡糖-6-磷酸转变为 果糖-6-磷酸,葡糖-6-磷酸,果糖-6-磷酸 (fructose-6-phosphate,

4、 F-6-P),果糖-6-磷酸转变为果糖-1,6-二磷酸,磷酸果糖激酶-1(phosphfructokinase-1),果糖-6-磷酸,果糖-1,6-二磷酸(1, 6-fructose-biphosphate, F-1,6-2P),果糖-1,6-二磷酸,果糖-1,6-二磷酸裂解成2分子磷酸丙糖,磷酸二羟丙酮转变为3-磷酸甘油醛,3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸 甘油酸,1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,这种ADP或其他核苷二磷酸的磷酸化作用与底物的脱氢作用直接相偶联的反应过程，称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 。,1,3-二磷酸 甘油酸,3-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸,磷酸烯醇式丙酮酸将高能磷酸基转移给ADP生成ATP和丙酮酸,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,在糖酵解产能阶段的5步反应中，2分子磷酸丙糖经两次底物水平磷酸化转变成2分子丙酮酸，总共生成4分子ATP。,（二）丙酮酸被还原为乳酸,反应中的NADH+H+ 来自

5、于上述第6步反应中的 3-磷酸甘油醛脱氢反应。,糖的无氧氧化,E2,E1,E3,图6-1 糖的无氧氧化,糖酵解小结,反应部位：胞浆； 糖酵解是一个不需氧的产能过程； 反应全过程中有三步不可逆的反应：,产能的方式和数量 方式：底物水平磷酸化 净生成ATP数量：从G开始 22-2= 2ATP 从Gn开始 22-1= 3ATP 终产物乳酸的去路 释放入血，进入肝脏再进一步代谢： 分解利用 乳酸循环（糖异生）,二、糖酵解的调控是对3个关键酶活性的调节,关键酶,调节方式,（一）磷酸果糖激酶-1对调节糖酵解速率最重要,别构调节,别构激活剂：AMP; ADP; F-1,6-2P; F-2,6-2P 别构抑制剂：柠檬酸; ATP（高浓度）,ATP对磷酸果糖激酶-1的调节：,果糖-2,6-二磷酸是磷酸果糖激酶-1最强的别构激活剂； 其作用是与AMP一起取消ATP、柠檬酸对磷酸果糖激酶-1的变构抑制作用。,果糖-2,6-二磷酸对磷酸果糖激酶-1的调节：,F-6-P,F-1,6-2P,ATP,ADP,PFK-1,磷蛋白磷酸酶,PKA,（二）丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点,别构调节,别构抑制剂：ATP

6、, 丙氨酸,别构激活剂：1,6-双磷酸果糖,共价修饰调节,丙酮酸激酶,丙酮酸激酶,ATP,ADP,Pi,磷蛋白磷酸酶,（无活性）,（有活性）,PKA：蛋白激酶A (protein kinase A),CaM：钙调蛋白,（三）己糖激酶受到反馈抑制调节,葡糖-6-磷酸可反馈抑制己糖激酶，但肝葡萄糖激酶不受其抑制。 长链脂肪酰CoA可别构抑制肝葡萄糖激酶。 胰岛素可诱导葡萄糖激酶基因的转录，促进酶的合成。,三、糖无氧氧化的主要生理意义是机体不利用氧快速供能,糖无氧氧化最主要的生理意义在于迅速提供能量，这对肌收缩更为重要。 是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径。, 无线粒体的细胞，如：红细胞, 代谢活跃的细胞，如：白细胞、骨髓细胞,乳酸酵解时，1mol葡萄糖可经底物水平磷酸化生成4molATP，在葡萄糖和果糖-6-磷酸磷酸化时消耗2molATP，故净生成2molATP。,问题：,2.糖酵解时生成ATP的方式？ p113-倒数第54行,3.1分子葡萄糖通过糖酵解分解为2分子乳酸，净生成 多少分子ATP ？ p116,4.糖的无氧氧化得以不断进行的动力（原因）是什么？ 或: 无氧状态下NAD

7、+是如何再生的？这对糖的无氧氧化的 进行有什么影响？p114-图6-1上面一段所描述,1.糖酵解概念、反应部位、关键酶、生理意义？ p113-116,5.p141 思考题2,四、其他单糖可转变成糖酵解的中间产物,除葡萄糖外，其他己糖如果糖、半乳糖和甘露糖也都是重要的能源物质，它们可转变成糖酵解的中间产物磷酸己糖而进入糖酵解提供能量,除葡萄糖外，其它己糖也可转变成磷酸己糖而进入酵解途径。,半乳糖血症,（一）果糖被磷酸化后进入糖酵解,果糖是膳食中一个重要的燃料来源。 果糖的代谢一部分在肝，一部分被周围组织主要为肌和脂肪组织摄取。但这两部分代谢的途径不同。,果糖在肌和脂肪组织中的代谢,果糖,果糖-6-磷酸,己糖激酶,循糖酵解途径分解,合成糖原（肌）,果糖在肝中的代谢,果糖,1-磷酸果糖,果糖激酶,1-磷酸果糖醛缩酶,磷酸二羟丙酮,甘油醛,丙糖激酶,3-磷酸甘油醛,循糖酵解途径分解或合成糖原,果糖不耐症（fructose intolerance）是一种遗传病。其病因为缺乏B型醛缩酶，进食果糖会引起1-磷酸果糖堆积，大量消耗肝中磷酸的储备，进而使ATP浓度下降，从而加速糖无氧氧化，导致乳酸酸中毒

8、和餐后低血糖。这种病症常表现为自我限制，强烈地厌恶甜食。,（二）半乳糖转变为葡萄-1-磷酸进入糖酵解,图6-3 半乳糖的代谢,半乳糖血症（galactosemia）是一种遗传性疾病，表现为半乳糖不能转变成葡萄糖。其原因是缺乏半乳糖-1-磷酸尿苷酰转移酶，使1-磷酸半乳糖生成UDP-半乳糖的过程受阻，导致有毒副产物的积累。例如，血液中高浓度的半乳糖使眼睛晶状体中半乳糖含量增加，并还原为半乳糖醇，晶状体中这种糖醇的存在最终导致白内障的形成（晶状体混浊）。,（三）甘露糖转变为果糖-6-磷酸进入糖酵解,图6-4 甘露糖的代谢,第三节 糖的有氧氧化 Aerobic Oxidation of Carbohydrate,机体利用氧将葡萄糖彻底氧化成H2O和CO2的反应过程，称为糖的有氧氧化(aerobic oxidation) 。是体内糖分解供能的主要方式。,部位：胞液及线粒体,概念,葡萄糖有氧氧化概况,一、糖的有氧氧化分为三个阶段,第一阶段：糖酵解,第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧,第三阶段：柠檬酸循环,G（Gn）,氧化磷酸化,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TAC循环,胞液,线粒体,（

9、一）葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸,总反应式:,（二）丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA,丙酮酸脱氢酶复合体的组成,E1：丙酮酸脱氢酶 E2：二氢硫辛酰胺转乙酰酶 E3：二氢硫辛酰胺脱氢酶,TPP 硫辛酸（ ) HSCoA FAD, NAD+,酶,辅酶,在哺乳类动物细胞中，丙酮酸脱氢酶复合体由60个转乙酰酶组成核心，周围排列着12个丙酮酸脱氢酶和6个二氢硫辛酰胺脱氢酶。 参与反应的辅酶有硫胺素焦磷酸酯（TPP）、硫辛酸、FAD、NAD+ 和CoA。 其中硫辛酸是带有二硫键的八碳羧酸，通过与转乙酰酶的赖氨酸残基的-氨基相连，形成与酶结合的硫辛酰胺而成为酶的柔性长臂，可将乙酰基从酶复合体的一个活性部位转到另一个活性部位。,丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应过程：,1. 丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP，由丙酮酸脱氢酶催化(E1)。 2. 由二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化形成乙酰硫辛酰胺-E2。 3. 二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化生成乙酰CoA, 同时使硫辛酰胺上的二硫键还原为2个巯基。 4. 二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)使还原的二氢硫辛酰胺脱氢，同时将氢传递给FAD。 5. 在二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)催化下，将FADH2上的H转移给NAD+，形成NADH+H+。,CO2,CoASH,NAD+,NADH+H+,5. NADH+H+的生成,1. -羟乙基-TPP的生成,2.乙酰硫辛酰胺的生成,3.乙酰CoA的生成,4. 硫辛酰胺的生成,（三）乙酰CoA进入柠檬酸循环以及氧化磷酸化生成ATP,柠檬酸循环的第一步是乙酰CoA与草酰乙酸缩合成6个碳原子的柠檬酸，然后柠檬酸经过一系列反应重新生成草酰乙酸，完成一轮循环。 经过一轮循环，乙酰CoA的2个碳原子被氧化成CO2；在循环中有1次底物水平磷酸化，可生成1分子ATP；有4次脱氢反应，氢的接受体分别为NAD+或FAD，生成3分子NADH+H+和1分子FADH2。,它们既是柠檬酸循环中的脱氢酶的辅酶，又是电子传递链的第一个环节。 电子传递链是由一系列氧化还原体系组成，它们的功能是将H+或电子依次传递至氧，生成水。

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