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1、Chapter 6 Metabolism of Carbohydrate,*概述（Generalization),Carbohydrates 是四大类生物分子之一。它们是多羟基的醛或多羟基的酮。,*糖的生理功能(The Functions of Carbohydrates),1.大多数机体的能源物质，彻底氧化：Go=2840 kJ/mole 2.产生NADPH 和 ribose-5-P。3.可以以多糖(glycogen or starch)或转化为fat 进行长期储存。4.合成其他生物分子（amino acids,nucleotides,fatty acids,coenzymes and ot
2、her metabolic intermediates.）,*Overview of Carbohydrate Metabolism,1.糖的无氧酵解（Glycolysis）2.糖的有氧氧化（Aerobic oxidation）3.磷酸戊糖途径（Pentose Phosphate Pathway）4.糖原的合成与分解（Glycogen Anabolism and Breakdown）5.糖异生(Gluconeogenesis）,第一节 糖的无氧分解（Glycolysis）,Glycolysis 是指葡萄糖在无氧条件下分解生成2分子丙酮酸并释放出能量的过程。,一、糖酵解（EMP）的反应过程,糖的
3、无氧酵解（glycolysis)是指葡萄糖在无氧条件下分解生成2分子丙酮酸并释放出能量的过程。,Reaction place:胞液(cytoplasm);Final product:丙酮酸(pyruvate)无氧酵解的反应过程可分为:准备阶段(preparatory phase)（前5步）产能阶段(payoff phase)（后5步）。,Preparatory phase,1.Phosphorylation of Glc-by hexokinase-First ATP consumed-activates Glc for subsequent reactions,2.Conversion of
4、 Glc-6-P to Fructose-6-P-by phosphohexose isomerase=reversible isomerization of aldose to ketose,3.Phosphorylation of Fructose-6-P to Fructose-1,6-bisphosphate-by phosphofructokinase-Second ATP consumed,Preparatory phase,4.Cleavage of Fructose-1,6-bisphosphate-by aldolase=reversible aldol condensati
5、on-C-3-C-4 bond cleaved,Preparatory phase,5.Interconversion of the triose phosphates-by triose phosphate isomerase-only glyceraldehyde-3-P is on the direct pathway of glycolysis,Payoff phase,Payoff phase,6.Oxidation of glyceraldehyde 3-P to 1,3-bisphosphoglycerate-by glyceraldehyde 3-phosphate dehyd
6、rogenase-first of the two energy-conserving reactions of glycolysis,-acyl phosphate has a very high,-ve DG of-11.8 Kcal/mol,Payoff phase,7.Phosphoryl transfer from 1,3-bisphosphoglycerate to ADP-by phosphoglycerate kinase,-Steps 6&7=energy-coupling process in which 1,3-bisphosphoglycerate is the com
7、mon intermediate-Glyceraldehyde-3-P(=aldehyde)oxidized to 3-phosphoglycerate(carboxylic acid)-NAD+reduced to NADH-ATP formed from Pi and ADPGlyceraldehyde-3-P+ADP+Pi+NAD+3-phosphoglycerate+ATP+NADH+H+DG=-3 Kcal/mol,Payoff phase,8.Conversion of 3 phosphoglycerate to 2-phosphoglycerate-by phosphoglyce
8、rate mutase-reversible shift of phosphoryl group between C3&C2,Payoff phase,9.Dehydration of 2-phosphoglycerate to phosphoenolpyruvate-by enolase-dehydration of 2-phosphoglycerate redistributes energy within moleculelarge difference in DG of hydrolysis of 2-phosphoglycerate:-4.2 Kcal/mol-14.8 Kcal/m
9、ol,Payoff phase,10.Transfer of phosphoryl group from PEP to ATP-by pyruvate kinase,Glucose+2ADP+2Pi+2NAD+2pyruvates+2ATP+2NADH+2H+2H2O,二、糖酵解的小结（brief summary),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（hexokinase)2.磷酸果糖激酶(phosphofructokinase)3.丙酮酸激酶(pyruvate kinase),Fates of pyruvate,1.Need to regenera
10、te NAD+from NADH produced in glycolysis2.Under aerobic conditions,NADH reoxidized by passage of its e-to O2 pyruvate oxidized further-CO2+H2O3.Under anaerobic conditions,NADH used to reduce pyruvate.,THIAMINEPYROPHOSPHATE=COFACTOR,to lactate(eg.in muscle),to ethanol(alcoholic fermentation in yeast),
11、三、糖酵解的生理意义,1.在无氧和缺氧条件下，作为糖分解供能的补充途径。2.在有氧条件下，作为某些组织细胞主要的供能途径。,第二节 糖的有氧氧化（Aerobic oxidation),葡萄糖在有氧条件下彻底氧化分解生成CO2和H2O，并释放出大量能量的过程称为糖的有氧氧化（aerobic oxidation)。,Aerobic oxidation includs three reaction courses:1.葡萄糖酵解(glycolysis)2.丙酮酸氧化脱羧（oxidative decarboxylation）-bridging step3.三羧酸循环(tricarboxylic aci
12、d cycle TAC cycle),绝大多数组织细胞通过糖的有氧氧化(aerobic oxidation)途径获得能量。此代谢过程在细胞胞液和线粒体(cytoplasm and mitochondrion)内进行。,cytoplasm|mitochondrionG G-6-P Py PyAcetyl-CoA CO2|,1.Oxidation of pyruvate to acetyl CoA(乙酰-CoA),The oxidative decarboxylation of pyruvate is catalyzed bya multienzyme complex:pyruvate dehyd
13、rogenase complex.,It contains three enzymes:Pyruvate dehydrogenase(E1),Dihydrolipoyl transacetylase 二氢硫辛酸转乙酰基酶(E2),Dihydrolipoyl dehydrogenase二氢硫辛酸脱氢酶(E3),还含有六种辅助因子：TPP，硫辛酸，NAD+，FAD，HSCoA和Mg2+。,2.Tricarboxylic acid cycle,*Definition of tricarboxylic acid cycle:The citric acid cycle（柠檬酸循环）,also know
14、as the tricarboxylic acid cycle(TCA)or Krebs cycle,is used to oxidize the pyruvate formed during the glycolysis into CO2 and H2O.,The citric acid cycle consists of eight successive reactions,(1),Synthases and Synthetases,Synthases合酶catalyze condensation reactions in which no ATP is required as an en
15、ergy source.Synthetases合成酶catalyze condensations that do use ATP as a source of energy for the synthetic reaction.,(2),(3),(4),(5),(6),(7),(8),Please calculate ATP number?,The-ketoglutarate dehydrogenase complexclosely resembles the pyruvate dehyrogenasecomplex in structure and function,Oxaloacetate
16、 is regenerated at the end,The cycle has eight stages:The cycle carries out the oxidation of acetyl groupfrom acetyl CoA to CO2 with the production of fourpairs of electrons，stored initially in the reducedelectron carriers NADH and FADH2.,（二）丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA：,丙酮酸进入线粒体(mitochondrion)，在丙酮酸脱氢酶系(pyruvate
17、dehydrogenase complex)的催化下氧化脱羧生成乙酰CoA(acetyl CoA)。,pyruvate dehydrogenase complex,NAD+HSCoA,NADH+H+CO2,*,由一分子葡萄糖氧化分解产生两分子丙酮酸(pyruvate)，故可生成两分子乙酰CoA(acetyl CoA)，两分子CO2和两分子（NADH+H+），可生成23分子ATP。反应为不可逆；丙酮酸脱氢酶系(pyruvate dehydrogenase complex)是糖有氧氧化途径的关键酶之一。,Mechanism of pyruvate dehydrogenase(1),2.E1 cat
18、alyzes oxidation ofhydroxyethyl-TPP by theS-S of E2s lipoic acid to anacetyl group.The 2 e-removed in theoxidation of HETTP reducelipoic acids S-S to 2-SHgroups.and the acetyl group isconcomitantly transferredto one of the lipoyl-SHgroups on E23.A transesterification iscarried out on E2 in whichthe
19、acetyl group istransferred from the lipoylgroup to CoA The energy of oxidationof active aldehyde to acetatedrives the formation of thehigh-energy thioester ofacetyl CoA,H+,+H+,ACTIVEALDEHYDE,Mechanism of pyruvate dehydrogenase(2),4.E3 transfers the 2 H atoms fromthe-SHs of reduced lipoic acid onE2 t
20、o the FAD prosthetic group of E3,reoxidizing lipoic acid to its S-S form,5.Reduced FAD of E3 transfersa hydride ion to NAD+,formingNADH.,（三）经三羧酸循环彻底氧化分解：,三羧酸循环（柠檬酸循环或Krebs循环）是指在线粒体中，乙酰CoA首先与草酰乙酸缩合生成柠檬酸，然后经过一系列的代谢反应，乙酰基被氧化分解，而草酰乙酸再生的循环反应过程。三羧酸循环在线粒体中进行。一分子乙酰CoA氧化分解后共可生成12分子ATP，故此阶段可生成212=24分子ATP。,柠檬酸
21、合酶,+,*,H2O,HSCoA,顺乌头酸酶,异柠檬酸脱氢酶,NAD+,NADH+H+CO2,*,-酮戊二酸脱氢酶系,NADH+H+CO2,*,NAD+HSCoA,琥珀酰CoA合成酶,GTP,GDP+Pi,FAD,FADH2,琥珀酸脱氢酶,H2O,NAD+,NADH+H+,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,NADH+H+,NAD+,NAD+,NADH+H+,GTP,GDP+Pi,FAD,FADH2,NADH+H+,NAD+,柠檬酸合酶,顺乌头酸梅,异柠檬酸脱氢酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体,琥珀酰CoA合成酶,琥珀酸脱氢酶,延胡索酸酶,苹果酸脱氢酶,目 录,三羧酸循环的特点：循环反应在线粒体(mitoch
22、ondrion)中进行，为不可逆反应。每完成一次循环，氧化分解掉一分子乙酰基，可生成12分子ATP。循环从草酰乙酸开始，又到草酰乙酸结束。,三羧酸循环中有两次脱羧反应，生成两分子CO2。循环中有四次脱氢反应，生成三分子NADH和一分子FADH2。循环中有一次底物水平磷酸化，生成一分子GTP。三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶系。,二、有氧氧化生成的ATP,三羧酸循环的生理意义：产能多。且是糖、脂、蛋白质三大物质分解供能的共同通路。是糖、脂、蛋白质三大物质互变的共同途径。三羧酸循环的中间产物可作为生物合成的前提。,表面上看来，三羧酸循环运转必不可少的草酰乙酸在三羧酸
23、循环中是不会消耗的，它可被反复利用。但是，,例如：,机体内各种物质代谢之间是彼此联系、相互配合的，TAC中的某些中间代谢物能够转变合成其他物质，借以沟通糖和其他物质代谢之间的联系。,机体糖供不足时，可能引起TAC运转障碍，这时苹果酸、草酰乙酸可脱羧生成丙酮酸，而异生为葡萄糖。,*所以，草酰乙酸必须不断被更新补充。,草酰乙酸,其来源如下：,三、有氧氧化的调节,丙酮酸脱氢酶系Pyruvate dehydrogenase complex,乙酰CoA、NADH、ATP、PDH激酶,AMP、ADPNAD+、Ca2+、胰岛素、磷酸酶,调节TAC循环的关键酶主要是柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-KG脱氢酶复合
24、体。AMP、ADP是其变构激活剂，ATP是其变构抑制剂。,柠檬酸合酶可受琥珀酰辅酶A以及NADH的调节。异柠檬酸脱氢酶和-KG脱氢酶复合体主要通过以下调节：（）：NADH/NAD+、ATP/ADP比率高（）：ADP、Ca2+,四、巴斯德效应,巴斯德效应是指糖的有氧氧化可以抑制糖的无氧酵解的现象。有氧时，由于酵解产生的NADH和丙酮酸进入线粒体而产能，故糖的无氧酵解代谢受抑制。,本小节的要求,掌握糖有氧氧化以及三羧酸循环的概念、反应的亚细胞部位、反应过程、限速酶、ATP生成、生理意义；了解糖有氧氧化的调节。,第三节 乙醛酸循环(p159)乙醛酸循环是通过一分子乙酰CoA和草酰乙酸缩合成柠檬酸，经
25、异柠檬酸，由异柠檬酸裂解酶裂解成乙醛酸和琥珀酸。琥珀酸经脱氢、水化、脱氢生成草酰乙酸，补偿开始消耗掉的草酰乙酸。乙醛酸又与另一分子乙酰CoA合成苹果酸，脱氢再生成草酰乙酸。过量的草酰乙酸可以糖异生成Glc，因此，乙醛酸循环可以使脂肪酸的降解产物乙酰CoA经草酰乙酸转化成Glc。,乙醛酸循环的生物学意义。植物和微生物可以通过乙醛酸循环将脂肪转化为糖（动物体内没有此循环）。补充草酰乙酸。,乙醛酸循环总反应式：,2CH3COSCoA+2H2O+NAD+,第四节 磷酸戊糖途径,磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway，HMS)是指从G-6-P脱氢反应开始，经一系列代谢反应生成磷
26、酸戊糖等中间代谢物，然后再重新进入糖氧化分解代谢途径的一条旁路代谢途径。,该旁路途径的起始物是G-6-P，返回的代谢产物是3-磷酸甘油醛(glyceraldehyde-3-phosphate)和6-磷酸果糖(fructose-6-phosphate)，其重要的中间代谢产物是5-磷酸核糖和NADPH。整个代谢途径在胞液(cytoplasm)中进行。关键酶是6-磷酸葡萄糖脱氢酶(glucose-6-phosphate dehydro-genase)。,一、磷酸戊糖途径的反应过程,磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway)的总反应式：G-6-P+12NADP+7H2O 6CO
27、2+12NADPH+12H+H3PO4 即六分子G-6-P可生成6分子CO2，4分子F-6-P，2分子3-磷酸甘油醛和12分子NADPH。,全部代谢过程可分为两个阶段：,氧化反应阶段：生成NADPH及CO2；非氧化反应阶段：一系列基团的转移。,氧化反应阶段,G-6-P,6-P-葡萄糖酸内酯,6-P-葡萄糖酸,6-P-葡萄糖脱氢酶,内酯酶,6-P-葡萄糖酸,5-P-核酮糖,6-P-葡萄糖酸脱氢酶,非氧化反应阶段,分步反应：,5-P-核酮糖,5-P-木酮糖,5-P-核糖,5-P-木酮糖,5-P-核糖,3-P-甘油醛,7-P-景天糖,3-P-甘油醛,7-P-景天糖,转醛醇酶,+,4-P-赤癣糖,6-
28、P-果糖,+,4-P-赤癣糖,5-P-木酮糖,转酮醇酶,TPP,+,6-P-果糖,3-P-甘油醛,全过程：,调 节,6-P-葡萄糖脱氢酶的活性决定G-6-P进入此途径的流量，为限速酶。该酶受NADPH/NADP+的调节。,二、磷酸戊糖途径的生理意义,1.是体内生成NADPH的主要代谢途径：NADPH在体内可用于：作为供氢体，参与体内的合成代谢：如参与合成脂肪酸、胆固醇，一些氨基酸。参与羟化反应：作为加单氧酶的辅酶，参与对代谢物的羟化。,使氧化型谷胱甘肽还原。维持巯基酶的活性。维持红细胞膜的完整性：由于6-磷酸葡萄糖脱氢酶遗传性缺陷可导致蚕豆病，表现为溶血性贫血。,2.是体内生成5-磷酸核糖的唯
29、一代谢途径：,体内合成核苷酸和核酸所需的核糖或脱氧核糖均以5-磷酸核糖的形式提供，这是体内唯一的一条能生成5-磷酸核糖的代谢途径。磷酸戊糖途径是体内糖代谢与核苷酸及核酸代谢的交汇途径。,第五节 糖 异 生,由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生(gluconeogenesis)。糖异生代谢途径主要存在于肝及肾中。,一、糖异生途径,糖异生主要沿酵解途径逆行，仅有三步反应为不可逆反应，故需经其他的代谢反应绕行。,丙酮酸,乳酸,氨基酸,草酰乙酸,磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸-甘油酸,3-磷酸-甘油酸,1，3-二磷酸-甘油酸,3-磷酸-甘油醛,磷酸二羟丙酮,甘油,1，6-二磷酸-果糖,6-磷酸-果
30、糖,6-磷酸-葡萄糖,葡萄糖,丙酮酸羧化酶,果糖-1，6二磷酸酶,葡萄糖-6-磷酸酶,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶,1G-6-P G：由葡萄糖-6-磷酸酶催化进行水解。该酶不存在于肌肉组织中，故肌肉组织不能生成自由葡萄糖。G-6-P+H2O G+Pi,葡萄糖-6-磷酸酶,*,2F-1,6-BP F-6-P：F-1,6-BP+H2O F-6-P+Pi3丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸：经由丙酮酸羧化支路完成。,果糖二磷酸酶-1,*,丙酮酸草酰乙酸：丙酮酸+ATP+C2O 草酰乙酸+ADP+Pi草酰乙酸磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)：草酰乙酸+GTP PEP+GDP+C2O,丙酮酸羧化酶(生物素),*,磷酸烯醇式丙
31、酮酸羧激酶,*,丙酮酸,PEP,丙酮酸,草酰乙酸,苹果酸,苹果酸,草酰乙酸,胞液,线粒体,乙酰CoA,G,PEP,三、糖异生的原料,1生糖氨基酸：Ala,Cys,Gly,Ser,Thr,Trp 丙酮酸Pro，His，Gln，Arg Glu-酮戊二酸Ile，Met，Ser，Thr，Val 琥珀酰CoAPhe，Tyr 延胡索酸Asn，Asp 草酰乙酸2甘油：甘油三酯甘油-磷酸甘油磷酸二羟丙酮。3乳酸：乳酸丙酮酸。,四、糖异生的生理意义,1在饥饿情况下维持血糖浓度的相对恒定。2回收乳酸分子中的能量：葡萄糖在肌肉组织中经糖的无氧酵解产生的乳酸，可经血循环转运至肝脏，再经糖的异生作用生成自由葡萄糖后转运
32、至肌肉组织加以利用，这一循环过程就称为乳酸循环（Cori循环）。3维持酸碱平衡。,乳酸循环（Cori循环）,肌肉,肝,G,丙酮酸,乳酸,糖酵解,NADH+H+,NAD+,乳酸,乳酸,丙酮酸,G,NAD+,NADH+H+,G,糖异生,血液,乳酸循环的形成是由于肝和肌肉组织中酶的特点所致。生理意义：避免损失乳酸；防止乳酸堆积造成酸中毒。乳酸循环是耗能的过程，2分子乳酸异生为葡萄糖需消耗6 分子ATP。,本小节的要求,掌握糖异生的概念、反应过程、限速酶、生理意义，了解糖异生的调节；掌握乳酸循环的概念及意义。,第六节 糖原的合成与分解,糖原（glycogen)是由许多葡萄糖分子聚合而成的带有分支的高分
33、子多糖类化合物。糖原分子的直链部分借-1,4-糖苷键而将葡萄糖残基连接起来，其支链部分则是借-1,6-糖苷键而形成分支。,-1,4-糖苷键,-1,6-糖苷键,糖原是一种无还原性的多糖。糖原合成或分解时，其葡萄糖残基的添加或去除，均在其非还原端进行。糖原的合成与分解代谢主要发生在肝、肾和肌肉组织细胞的胞液中。,一、糖原的合成代谢,（一）反应过程：糖原合成的反应过程可分为三个阶段：1活化：由葡萄糖生成UDPG(uridine diphosphate glucose)，是一耗能过程。磷酸化：G+ATP G-6-P+ADP,己糖激酶(葡萄糖激酶),异构：G-6-P转变为G-1-P：G-6-P G-1-
34、P 转形：G-1-P转变为尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）：G-1-P+UTP UDPG+PPi,UDPG焦磷酸化酶,磷酸葡萄糖变位酶,2缩合：UDPG+(G)n(G)n+1+UDP3分支：当直链长度达12个葡萄糖残基以上时，在分支酶(branching enzyme)的催化下，将距末端67个葡萄糖残基组成的寡糖链由-1,4-糖苷键转变为-1,6-糖苷键，使糖原出现分支。,糖原合酶,*,-1,4,-1,6,（二）糖原合成的特点：,1必须以原有糖原分子作为引物；2合成反应在糖原的非还原端进行；3合成为一耗能过程，每增加一个葡萄糖残基，需消耗2个高能磷酸键（2分子ATP）；4其关键酶是糖原合酶(gly
35、cogen synthase)，为一共价修饰酶；5需UTP参与（以UDP为载体）。,二、糖原的分解代谢,（一）反应过程：糖原的分解代谢可分为三个阶段：1水解：包括三步反应，循环交替进行。磷酸解：由糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)催化对-1,4-糖苷键磷酸解，生成G-1-P。(G)n+Pi(G)n-1+G-1-P,糖原磷酸化酶,*,转寡糖链：当糖原被水解到离分支点四个葡萄糖残基时，由葡聚糖转移酶催化，将分支链上的三个葡萄糖残基转移到直链的非还原端，使分支点暴露。脱支：由-1,6-葡萄糖苷酶催化。将-1,6-糖苷键水解，生成一分子自由葡萄糖。(G)n+H2O(G)n-1
36、+G,-1,6-葡萄糖苷酶,2异构：G-1-P G-6-P3脱磷酸：由葡萄糖-6-磷酸酶(glucose-6-phosphatase)催化，生成自由葡萄糖。该酶只存在于肝及肾中。G-6-P+H2O G+Pi,磷酸葡萄糖变位酶,葡萄糖-6-磷酸酶,（二）糖原分解的特点：,1水解反应在糖原的非还原端进行；2是一非耗能过程；3关键酶是糖原磷酸化酶(glycogen phosphorylase)，为一共价修饰酶。,1.糖原磷酸化酶,三、糖原合成与分解的调节,四、糖原合成与分解的生理意义,1贮存能量。2调节血糖浓度。,RETURN,第七节 血 糖,血液中的葡萄糖含量称为血糖。正常空腹血糖浓度为3.896
37、.11mmol/L（70100mg%）。,一、血糖的来源与去路,血糖,消化吸收,肝糖异生,肝糖原分解,氧化供能,合成糖原,转变为脂肪或氨基酸,转变为其他糖类物质,二、血糖水平的调节,（一）组织器官：1肝脏。2肌肉等外周组织。（二）激素：1降低血糖浓度的激素胰岛素。2升高血糖浓度的激素胰高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素、生长激素、甲状腺激素。（三）神经系统。,激素对血糖水平的调节,I：胰岛素 G：胰高血糖素 Ad：肾上腺素 C：皮质醇,糖代谢主要途径：,血糖水平异常,高血糖及糖尿症（hyperglycemia and glucosuria）空腹血糖浓度高于7.227.78mmol/L为高血糖。当血
38、糖浓度高于8.8910.00mmol/L,即超过了肾小管的重吸收能力,则出现糖尿,这一血糖水平称为肾糖阈。持续高血糖和糖尿，特别是空腹血糖和糖耐量曲线高于正常范围，为糖尿病（diabetes mellitus）,低血糖（hypoglycemia）：空腹血糖浓度低于低血糖休克,己糖激酶及葡萄糖激酶的变构剂,己糖激酶hexokinase,葡萄糖激酶glucokinase,G-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-1,ATP柠檬酸,ADP、AMP2,6-双磷酸果糖,3.丙酮酸激酶：,丙酮酸激酶pyruvate kinase,ATP丙氨酸(肝),1,6-双磷酸果糖,
