生物化学07第七章糖代谢.ppt

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1、第七章 糖代谢,(Metabolism of Carbohydrates),糖是一大类有机化合物，其化学本质为多羟醛或多羟酮类及其衍生物或多聚物。,一、什么是糖,二、糖的分类,按其水解产物可分为四类。,(四)结合糖(glycoconjugate),(一)单糖(monosacchride),(二)寡糖(oligosacchride),(三)多糖(polysacchride),葡萄糖(glucose)果糖(fructose)半乳糖(galactose)核糖(ribose),糖脂(glycolipid)糖蛋白(glycoprotein),第一节 概 述,(outline),一、糖的功能,(一)氧化供

2、能 糖提供人体所需5070的能 量，1mol葡萄糖可氧化产生2840 kJ的能量。,(二)维持血糖 糖原储存能量，维持血糖恒定。,(四)构成组织细胞 糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等是组织细胞的重要成分。,(三)提供合成原料 可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质的原料。,(五)其他功能 构成免疫球蛋白、血型物质、凝血因子等。,二、糖代谢的概况,磷酸戊糖 NADPH,葡萄糖,丙酮酸,有氧氧化,无氧氧化,乳酸,糖异生,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,磷酸戊糖途径,食物,消化吸收,大量ATP,少量ATP,乙酰CoA,H2O及CO2,糖原(glycogen)是体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储

3、备。,糖原储存,第二节 糖原的合成与分解,(Glycogenesis and Glycogenolysis),1.葡萄糖残基以-1,4-糖苷键形成长链。2.约10个葡萄糖残基处形成分枝，分枝处葡萄糖以-1,6-糖苷键连接，分支增加，溶解度增加。3.每条链都终止于一个非还原端。非还原端增多，以利于其被酶分解。,糖原的结构特点及其意义,一、糖原合成,(一)合成部位,1.组织定位 主要在肝、肌肉2.细胞定位 胞浆,(二)糖原合成过程,6-磷酸葡萄糖,2.6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖,由于糖原分子延长需形成-1,4-糖苷键，故葡萄糖分子C1上的羟基须活化，有利于与糖原末端葡萄糖残基的游离C4羟基

4、缩合。,UDPG可看作“活性葡萄糖”，在体内充作葡萄糖供体。,3.1-磷酸葡萄糖转变成尿苷二磷酸葡萄糖,4.糖原分子的延长,1.糖原n 为原有的细胞内的较小糖原分子，称为糖原引物(primer)，作为UDPG 上葡萄糖基的接受体。2.糖原合酶(glycogen synthase)是糖原合成过程的关键酶。3.糖原合成是消耗能量的过程 需要消耗2个高能磷酸键的能量。,(三)糖原合成反应的特点,O,4.糖原分枝的形成,-1,4-糖苷键,-1,6-糖苷键,二、糖原分解,(一)反应过程,4.脱枝酶的作用,转移葡萄糖残基水解-1,6-糖苷键,转移酶活性,-1,6糖苷酶活性,磷酸化酶,在几个酶的共同作用下，

5、最终产物中的85为1-磷酸葡萄糖，15为游离葡萄糖。,糖原的合成与分解总图,三、糖原合成与分解的意义,(一)糖原是葡萄糖的一种储存形式。当糖供应丰富及能量充足时，一部分糖可合成糖原储存。当糖的供应不足或能量需求增加时，储存的糖原可分解为6-磷酸葡萄糖，为机体氧化供能。(二)因肝、肾有葡萄糖-6-磷酸酶，故肝糖原可分解为葡萄糖，释放入血，维持血糖浓度。(三)肌肉组织无葡萄糖-6-磷酸酶，所生成的6-磷酸葡萄糖不能转变成葡萄糖释放入血，只能氧化供能。,四、糖原合成与分解的调节,(一)共价修饰调节,磷酸化酶b激酶,糖原合酶,糖原合酶-P,磷酸化酶b,磷酸化酶a-P,Pi,PKA：蛋白激酶A,抑制糖原

6、合成,增强糖原分解,1.糖原合酶与糖原磷酸化酶都是变构酶，可受代谢物的变构调节。2.6-磷酸葡萄糖可激活糖原合酶b，使之转变为活性的糖原合酶a，加速糖原合成。3.AMP浓度升高时，可使糖原磷酸化酶b变构而易形成有活性的糖原磷酸化酶a，加速糖原分解。4.ATP是糖原磷酸化酶a的变构抑制剂，抑制糖原分解。,(二)变构调节,第三节 糖的分解代谢,一、糖的无氧氧化(Glycolysis),(Catabolism of Carbohydrates),在不需氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的过程称之为糖的无氧氧化，又称为糖酵解。其反应部位在胞浆。可分为三个阶段：,第二阶段:由磷酸丙糖分解成丙酮酸

7、。,第三阶段:由丙酮酸转变成乳酸。,第一阶段:由葡萄糖分解成磷酸丙糖。,1.葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,第一阶段：葡萄糖分解成磷酸丙糖,葡萄糖,CH,2,HO,H,HO,OH,H,OH,H,OH,H,H,6-磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate,G-6-P),O,CH,2,O,H,HO,OH,H,OH,H,OH,H,H,(一)反应过程,O,己糖激酶有至型同工酶，肝中为型，称葡萄糖激酶(glucokinase)。,6.3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase),3-磷酸甘油醛,

8、1,3-二磷酸甘油酸,第二阶段：磷酸丙糖分解成丙酮酸,10.磷酸烯醇式丙酮酸转变成丙酮酸，并通过底物水平磷酸化生成ATP,这是糖酵解途径中的第二次底物水平磷酸化。,磷酸烯醇式丙酮酸,11.乳酸生成,丙酮酸,乳酸,反应中的NADH+H+来自于上述第6步反应中的 3-磷酸甘油醛脱氢反应。,第三阶段：丙酮酸转变成乳酸,(二)糖酵解反应特点及意义,1.反应部位 胞浆。2.糖酵解是一个不需氧的产能过程。3.反应全过程中有三步不可逆的反应。,(2)净生成ATP数量：从G开始 22-2=2ATP 从Gn开始 22-1=3ATP,4.产能的方式和数量,(1)乳酸可进一步分解利用或进入肝进行糖异生。(2)在缺氧

9、等情况下乳酸生成增多，可导致代谢性 酸中毒。,5.乳酸的去路,(1)产能方式为底物水平磷酸化，是某些细胞在供氧正常时的重要供能途径，如红细胞。也是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。,6.某些组织细胞如视网膜、睾丸、白细胞、瘤细胞等即使在有氧条件下，仍以糖酵解为主要供能方式，此种现象称为反巴斯德效应。,7.2,3-二磷酸甘油酸(2,3-BPG)支路,红细胞中存在2,3-BPG支路。2,3-BPG与Hb结合，可降低Hb与氧的亲和力，促进氧的释放，以满足组织细胞对氧的需要。,(三)糖酵解的调节,主要是通过对己糖激酶、6-磷酸果糖激酶-1、丙酮酸激酶三个关键酶的活性的调节，分为激素调节和代谢物的变构

10、调节及共价修饰调节。,1.6-磷酸果糖激酶-1(PFK-1),3.己糖激酶或葡萄糖激酶,(1)6-磷酸葡萄糖可反馈抑制己糖激酶，但对葡萄糖激酶无影响。,(2)长链脂肪酰CoA为葡萄糖激酶变构抑制剂。在饥饿时可减少肝摄取葡萄糖。,2.丙酮酸激酶,(2)变构抑制剂：ATP,丙氨酸,(1)变构激活剂：1,6-二磷酸果糖,F-6-P,F-1,6-BP,ATP,ADP,PFK-1,PKA,+,AMP,柠檬酸、,PFK-2（有活性）,PFK-2（无活性）,PFK:磷酸果糖激酶,糖的有氧氧化指在机体氧供充足时，葡萄糖彻底氧化成H2O和CO2，并释放出能量的过程。是机体主要供能方式。在胞液及线粒体分四个阶段进

11、行。,二、糖的有氧氧化,2.丙酮酸的氧化脱羧,丙酮酸进入线粒体，氧化脱羧为乙酰CoA(acetyl CoA)。,(1)总反应式:,(一)反应过程,1.丙酮酸的生成(同无氧氧化),辅 酶 TPP 硫辛酸()HSCoA FAD,NAD+,(2)丙酮酸氧化脱氢酶系的组成,酶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,(3)丙酮酸氧化脱氢酶系催化的反应过程,所有的反应均在线粒体中进行。,3.三羧酸循环(Tricarboxylic acid Cycle,TCA cycle),(1)三羧酸循环因循环中的第一个中间产物是含三个羧基的柠檬酸，故也称为柠檬酸循环。由于Krebs正式提出

12、了三羧酸循环的学说，故此循环又称为Krebs循环。,(2)反应过程,NADH+H+,NAD+,NAD+,NADH+H+,CO2,GTP,GDP+Pi,FAD,FADH2,NADH+H+,NAD+,柠檬酸合酶,顺乌头酸酶,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,(3)三羧酸循环的要点,整个循环反应为不可逆反应。一次循环，消耗一分子乙酰CoA。经四次脱氢，二次脱羧，一次底物水平磷酸化。生成1分子FADH2，3分子NADH+H+，2分子 CO2，1分子GTP。关键酶有：柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶、-酮戊二酸脱氢酶复合体。三羧酸循环的中间产物

13、，如草酰乙酸看似在循环中不消耗，其实不然，可转变成其他物质，故需不断补充。,1.5*,(二)有氧氧化的意义,1.是三大营养物质氧化分解的共同途径和联系的枢纽。,2.为其他物质代谢提供小分子前体；为呼吸链提供H+和 e。,4.氧、糖供应充足时，绝大部分的组织细胞表现出有氧氧化抑制无氧氧化的现象，称为巴斯德效应(Pastuer effect)。,3.有氧氧化是机体产能最主要的途径。它不仅产能效率高，而且由于产生的能量逐步分次释放，所以能量的利用率也高。,(三)有氧氧化的调节,主要是通过对七个关键酶活性的调节，分为别构调节和共价修饰调节。,1.丙酮酸脱氢酶复合体的调节,变构调节,变构抑制剂：乙酰Co

14、A;NADH;ATP,变构激活剂：AMP;ADP;NAD+,异柠檬酸 脱氢酶,柠檬酸合酶,-酮戊二酸脱氢酶复合体,柠檬酸,Ca2+,ATP、ADP的影响,产物堆积引起抑制,循环中后续反应中间产物别位反馈抑制前面反应中的酶,其他，如Ca2+可激活许多酶,2.三羧酸循环的调节,磷酸戊糖途径是指由葡萄糖生成磷酸戊糖及NADPH+H+，前者再进一步转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反应过程。,磷酸戊糖途径又称磷酸戊糖旁路代谢。,三、磷酸戊糖途径,(一)反应过程,1.细胞定位：胞液,2.反应过程可分为二个阶段,第一阶段：氧化反应。,第二阶段：非氧化基团转移反应。,总反应式,36-磷酸葡萄糖+6 NAD

15、P+,26-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛+6NADPH+H+3CO2,生成磷酸戊糖，NADPH+H+及CO2。关键酶：6-磷酸葡萄糖脱氢酶。磷酸核糖是一个非常重要的中间产物。,(1)磷酸戊糖生成,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸核酮糖,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶,NADPH+H+,NADP+,6-磷酸葡萄糖脱氢酶,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸内酯,5-磷酸核糖,每3分子6-磷酸葡萄糖同时参与反应，在一系列反应中，通过3C、4C、6C、7C等演变阶段，最终生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。,3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖，可进入酵解途径。因此，磷酸戊糖途径也称磷酸戊糖旁路(pentose phosphate

16、 shunt)。,(2)基团转移反应,磷酸戊糖途径,第一阶段,第二阶段,(二)磷酸戊糖途径的意义及调节,1.生成的5-磷酸核糖是核酸合成的重要原料。2.NADPH+H+是GSH还原酶的辅酶，具有保护细胞膜和清除自由基的作用。6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺陷者，不能维持GSH的还原状态，故红细胞膜易破裂而发生急性溶血。3.NADPH作为供氢体，是加单氧酶体系的组成成分，参与激素、药物、毒物的生物转化过程。,4.6-磷酸葡萄糖脱氢酶受NADPH/NADP+比值的调节。,四、其他单糖的分解代谢,果糖、甘露糖、半乳糖等单糖都是转变为葡萄糖代谢的中间产物而进行代谢。,第四节 糖 异 生(Gluconeogene

17、sis),(二)部位 主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体。,(三)原料 主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸。,一、什么是糖异生,(一)糖异生 是指从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。,生糖氨基酸,-酮酸,甘油,-磷酸甘油,磷酸二羟丙酮,乳酸,丙酮酸,二、糖异生途径,(一)反应过程,糖异生与糖酵解途径共有可逆反应，3个由关键酶催化的不可逆反应，由另外的反应和酶代替。,1.6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖,葡萄糖,G-6-P,Pi,葡萄糖-6-磷酸酶,果糖双磷酸酶,2.1,6-双磷酸果糖 转变为 6-磷酸果糖,F-1,6-BP,F-6-P,Pi,丙酮酸羧化酶(辅酶为生物素),丙酮酸,草酰乙酸,ATP+CO2,A

18、DP+Pi,苹果酸,天冬氨酸,天冬氨酸,苹果酸,线粒体,胞液,丙酮酸羧化为草酰乙酸，再脱羧生成PEP的过程称丙酮酸羧化支路。,3.丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP),三、糖异生的意义,(一)维持血糖浓度恒定,(二)调节酸碱平衡,1.饥饿早期肝每天可异生葡萄糖1015g。2.长期饥饿时肾糖异生的能力增强，可占糖异生总量的45%。,长期饥饿，组织蛋白分解增强，血中氨基酸含量升高，为糖异生提供原料。,1.长期饥饿可造成代谢性酸中毒，促进肾小管上皮细胞中PEP羧激酶的合成，使糖异生增强。2.肾中-酮戊二酸消耗，促进谷氨酰胺脱氨生成-酮戊二酸，肾小管上皮细胞氨钠交换增强。,(三)协助氨基酸代谢,肌肉

19、中乳酸经血循环进入肝异生为葡萄糖，再经血循环到达肌肉中氧化的过程，成为乳酸循环。2.乳酸的再利用可防止代谢性酸中毒。,(四)乳酸循环(lactose cycle)（Cori 循环）,四、糖异生的调节,(一)代谢物的调节,1细胞内ATP含量较高时，促进糖异生而抑制糖的氧化。AMP、ADP可抑制糖异生作用，促进糖的氧化分解。2乙酰辅酶A一方面可抑制丙酮酸脱氢酶系的活性，使丙酮酸大量堆积，为糖异生提供原料；另一方面又可激活丙酮酸羧化酶，加速丙酮酸生成草酰乙酸，促进糖异生。,(二)激素的调节,升高血糖的激素促进糖异生；降低血糖的激素抑制糖异生。,血糖是血液中单糖的总称，临床称血中葡萄糖为血糖。正常成人

20、血糖浓度 为3.896.11mmol/L。,血糖水平恒定可保证依赖葡萄糖供能的脑组织、红细胞、骨髓及神经组织等重要组织器官的能量供应。,(The Regulation of Blood Glucose),第五节 血糖及其调节,血糖,转变为其他物质,一、血糖来源和去路,尿糖,(8.8910.00mmol/L),肾糖阈,二、血糖水平的调节,(一)胰岛素,1.促进葡萄糖转运进入肝外细胞。,2.加速糖原合成，抑制糖原分解。,3.加快糖的有氧氧化。,4.抑制肝内糖异生。,5.减少脂肪动员。,(二)胰高血糖素,1.促进肝糖原分解，抑制糖原合成；,2.抑制酵解途径，促进糖异生；,3.促进脂肪动员;,4.糖皮

21、质激素和肾上腺素也可升高血糖，肾上腺素主要在应急状态下发挥作用。,(三)肾上腺素,1.通过肝和肌肉的细胞膜受体、cAMP、蛋白激酶级联激活磷酸化酶，加速糖原分解。主要在应激状态下发挥调节作用。,(四)糖皮质激素,1.促进肌肉蛋白质分解，分解产生的氨基酸转移到肝进行糖异生。2.抑制肝外组织摄取和利用葡萄糖，抑制点为丙酮酸的氧化脱羧。,3.在糖皮质激素存在时，其他促进脂肪动员的激素才能发挥最大的效果，间接抑制周围组织摄取葡萄糖。,三、糖代谢异常,(一)高血糖及糖尿症,1.高血糖(hyperglycemia),2.肾糖阈,临床上将空腹血糖浓度高于6.9mmol/L称为高血糖。,当血糖浓度高于8.89

22、mmol/L时，超过了肾小管的重吸收能力，则可出现糖尿。这一血糖水平称为肾糖阈。,3.高血糖及糖尿的原因,(1)持续性高血糖和糖尿，主要见于糖尿病。,型（胰岛素依赖型）型（非胰岛素依赖型）,(2)血糖正常而出现糖尿，见于慢性肾炎、肾病综合征等引起肾对糖的吸收障碍。,(3)情绪激动或应激反应时可出现糖尿。,糖尿病可分为二型:,(4)少数孕妇亦可出现糖尿。,(5)一次性口服大量糖时可出现糖尿。,(二)低血糖(hypoglycemia),1.低血糖 空腹血糖浓度低于3.0mmol/L时称为低血糖。,2.低血糖的影响 血糖过低，可影响脑细胞功能，出现头晕、倦怠无力、心悸等症状，严重时出现昏迷，称为低血糖休克。,3.低血糖的原因,(1)胰岛肿瘤、胰岛素分泌增加。(2)严重肝病时，肝糖原分解、糖异生障碍。(3)垂体功能低下、肾上腺皮质功能低下等。(4)饥饿或不能进食。(5)空腹饮酒。,