第4章 糖代谢

nullnull糖 代 谢 Metabolism of CarbohydratesThe biochemistry and molecular biology department of CMU第 四 章糖的概念糖的概念　　　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。葡萄糖（glucose）结构葡萄糖（glucose）结构　　醛糖酮糖互变异构醛糖酮糖互变异构第 一 节 概 述第 一 节 概 述Introductionnull 一、糖的生理功能1. 提供能源3. 构成细胞的成分2. 提供碳源4. 构成某些生物活性物质二、糖代谢的概况二、糖代谢的概况葡萄糖转运体 　（Glucose transporters，GLUT） 　　　有GLUT1~5五种。 GLUT1: 主要存在于RBC GLUT4: 主要存在于脂肪组织和肌肉null糖代谢的概况 葡萄糖 丙酮酸 乳酸 乳酸、氨基酸、甘油 糖原 磷酸核糖 + NADPH+H+淀粉第 二 节 糖的无氧分解第 二 节 糖的无氧分解Glycolysis 　* 糖酵解(glycolysis)的定义在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的过程称之为糖酵解。 葡萄糖乳酸无氧null一、糖酵解的反应过程葡萄糖丙酮酸乳酸酵解途径反应部位：胞浆第一阶段第二阶段大体过程：null（一）葡萄糖分解成丙酮酸1. 葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖（glucose-6-phosphate, G-6-P)磷酸化使葡萄糖不能自由逸出细胞； 己糖激酶 (hexokinase, HK) 分四型，肝中为葡萄糖激酶 (glucokinase, GK)； 反应不可逆。null 　 己糖激酶 　 葡萄糖激酶 存在部位 　　肝外组织 　　　　肝 Km 值 　 0.1mmol/L 　 10mmol/L 底物 　　G, 果糖, 甘露糖 　 G 调节 　 G-6-P反馈抑制 　 胰岛素诱导己糖激酶和葡萄糖激酶的比较 2. 6-磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖 (fructose-6-phosphate, F-6-P)2. 6-磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖 (fructose-6-phosphate, F-6-P)3. 6-磷酸果糖转变成1,6-二磷酸果糖 (1,6-fructose-biphosphate, F-1,6-BP)3. 6-磷酸果糖转变成1,6-二磷酸果糖 (1,6-fructose-biphosphate, F-1,6-BP)是第二个磷酸化反应，反应不可逆。 磷酸果糖激酶-1 (phosphofructo-kinase-1, PFK-1)是糖酵解的限速酶。4. 磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖4. 磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖反应可逆, 由醛缩酶(aldolase)催化5. 磷酸丙糖同分异构化5. 磷酸丙糖同分异构化磷酸丙糖异构酶（triose phosphate isomerase) G→2分子3-磷酸甘油醛，消耗2分子ATP。6. 3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸6. 3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸 醛基氧化成羧基，并加入一分子磷酸，形成混合酸酐。脱下的氢由NAD+接受。7. 1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸7. 1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸此步为底物水平磷酸化 反应可逆8. 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸8. 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸9. 2-磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)9. 2-磷酸甘油酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸(PEP) 反应引起分子内能量重新分布，形成高能磷酸键。10. PEP转变成丙酮酸（pyruvate)10. PEP转变成丙酮酸（pyruvate)第二个底物水平磷酸化，反应不可逆。 烯醇式立即自发转变为酮式。 （二）丙酮酸转变成乳酸(lactate)此为还原反应，NADH+H+来自于3-磷酸甘油醛脱氢。 乳酸是糖酵解的终产物。糖酵解的全过程糖酵解的全过程null总反应： C6H12O6 + 2ADP + 2Pi 2CH3CHOHCOOH + 2ATP + 2H2O ATP的生成： 糖酵解时，1mol葡萄糖共生成4molATP，净生成2molATP其它单糖的酵解其它单糖的酵解二、糖酵解的调节二、糖酵解的调节（一）6-磷酸果糖激酶-1（PFK-1）最重要nullF-2,6-BP的生成PFK-2是一种双功能酶，磷酸化后激酶活性下降，磷酸酶活性升高。（二）丙酮酸激酶（二）丙酮酸激酶变构调节：F-1,6-BP为变构激活剂； ATP和肝内Ala为变构抑制剂。 共价修饰调节：胰高血糖素通过cAMP和PKA使其磷酸化而抑制其活性。 （三）葡萄糖激酶及己糖激酶（三）葡萄糖激酶及己糖激酶G-6-P 可反馈抑制己糖激酶. 胰岛素可诱导葡萄糖激酶的合成.null（一）机体缺氧时的主要供能方式。 （二）机体供氧充足情况下少数组织的能量来源。如成熟红细胞、神经、白细胞、骨髓、肿瘤细胞等。 另外，肝脏酵解途径的主要功能是为其他代谢提供合成原料。三、糖酵解的生理意义Aerobic Oxidation of GlucoseAerobic Oxidation of Glucose第三节 糖的有氧氧化 葡萄糖在有氧条件下，彻底氧化成水和CO2的反应过程称为有氧氧化。这是糖氧化的主要方式。一、有氧氧化的反应过程一、有氧氧化的反应过程分为三个阶段： （一） 丙酮酸的氧化脱羧（一） 丙酮酸的氧化脱羧经脱氢、脱羧、酰化生成乙酰CoA，这是不可逆反应。在线粒体内进行。丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体 　二氢硫辛酰胺转乙酰酶 ※由三种酶组成 丙酮酸脱氢酶 　二氢硫辛酰胺脱氢酶 ※五种辅助因子：TPP（VB1）、NAD+（Vpp）、硫辛酸、FAD（VB2）、HSCoA（泛酸）nullHSCoANAD+丙酮酸脱氢酶复合体null辅酶A结构辅酶A结构nullnull由乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始，经反复脱氢、脱羧再生成草酰乙酸的循环反应过程。又称柠檬酸循环和Krebs循环。 部位：线粒体基质（二） 三羧酸循环 　　　(tricarboxylic acid cycle)null1. 三羧酸循环的反应过程nullnullnullnullCitrate cyclenull三羧酸循环小结：Reducing equivalents　　在TAC中，1分子乙酰CoA经2次脱羧，生成2个CO2，这是体内CO2的主要来源；4次脱氢，其中3次以NAD+为受氢体，1次以FAD为受氢体；1次底物水平磷酸化。 总反应式： 乙酰CoA+3NAD++FAD+GDP+Pi+2H2O 2CO2+3NADH+3H++FADH2+GTP+ HSCoA 三羧酸循环的特点三羧酸循环的特点①在有氧条件下进行，产生的还原当量经氧化磷酸化可产生ATP，是产生ATP的主要途径。 ②不可逆。 ③中间产物的回补： 主要是丙酮酸羧化成草酰乙酸； 其次为丙酮酸还原成苹果酸,再生成草酰乙酸。2. 三羧酸循环的生理意义2. 三羧酸循环的生理意义①三大营养物质的共同氧化途径。 null②三大物质代谢联系的枢纽。二、 有氧氧化生成的ATP二、 有氧氧化生成的ATPnullG → 2丙酮酸：净产生6或8个ATP。 丙酮酸→乙酰CoA：产生3个ATP。 TAC: 一分子乙酰CoA经TAC产生3 （NADH + H+）和1个FADH2，加上底物水平磷酸化生成1个高能磷酸键，共产生12个ATP。 结论：1molG彻底氧化成CO2和H2O，可净生成36或38mol ATP。 三 、有氧氧化的调节 三 、有氧氧化的调节 除对酵解途径三个关键酶的调节外，还对丙酮酸脱氢酶复合体、柠檬酸合酶、异柠檬酸脱氢酶和-酮戊二酸脱氢酶复合体四个关键酶存在调节。 1. 丙酮酸脱氢酶复合体1. 丙酮酸脱氢酶复合体变构调节： 共价修饰调节： 磷酸化失活；胰岛素和Ca2+促进其去磷酸化，使其活性增加。2. 柠檬酸合酶2. 柠檬酸合酶变构激活剂：ADP 变构抑制剂：NADH、琥珀酰CoA、柠檬酸、ATP 3. 异柠檬酸脱氢酶 变构激活剂：ADP、Ca2+ 变构抑制剂：ATP4. –酮戊二酸脱氢酶复合体4. –酮戊二酸脱氢酶复合体与丙酮酸脱氢酶复合体相似。 总体说， 氧化磷酸化促进TAC。 ATP/ADP↑，抑制TAC，氧化磷酸化↓； ATP/ADP↓，促进TAC，氧化磷酸化↑。 四、巴斯德效应四、巴斯德效应有氧氧化抑制糖酵解。关键在NADH。 第 四 节 磷酸戊糖途径第 四 节 磷酸戊糖途径pentose phosphate pathway一、磷酸戊糖途径的反应过程一、磷酸戊糖途径的反应过程在胞浆中进行。 TPP是转酮醇酶的辅酶。 总反应式： 3G-6-P+6NADP+ 2F-6-P+3-磷酸甘油醛 + 6NADPH + 6H+ + 3CO2 null二、 磷酸戊糖途径的调节二、 磷酸戊糖途径的调节6-磷酸葡萄糖脱氢酶为限速酶。NADPH/NADP+↑，此途径抑制； NADPH/NADP+↓，此途径激活。 三、磷酸戊糖途径的生理意义三、磷酸戊糖途径的生理意义1．为核酸的生物合成提供核糖。 2．提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应。 NADPH是体内许多合成代谢的供氢体； NADPH参与体内羟化反应； NADPH用于维持谷胱甘肽的还原状态。第五节 糖原的合成与分解第五节 糖原的合成与分解Glycogen synthesis and catabolism　　糖原 (glycogen) 是糖的贮存形式。 糖原分子只有一个还原端。糖原的合成分解都是在非还原端上进行的。 null一、 糖原的合成代谢 (glycogenesis)一、 糖原的合成代谢 (glycogenesis) UDPG是G的活化形式，是G活性供体。 糖原合成中，每增加一个G单位消耗2个~P。 糖原合酶是关键酶。 nullUDPGnull糖原分支的形成：糖原分支的形成：二、糖原的分解代谢二、糖原的分解代谢糖原分解（glycogenolysis）习惯上指肝糖原分解成G。 磷酸化酶是糖原分解的关键酶。 肌肉中无葡萄糖-6-磷酸酶。 糖原的G单位酵解净产生3个ATP。null脱支酶的作用非还原端-1,6-糖苷键糖原磷酸化酶Glucose脱支酶的 转移酶活性脱支酶的作用脱支酶的 -1,6-糖苷酶活性 脱支酶含有葡聚糖转移酶和-1，6-葡萄糖苷酶两种活性。 在磷酸化酶和脱支酶共同作用下，糖原分解的终产物是G-1-P和葡萄糖。三、糖原合成与分解的调节三、糖原合成与分解的调节（一）共价修饰： 胰高血糖素和肾上腺素通过促进糖原分解和抑制糖原合成升高血糖。 （二）变构调节null 胰高血糖素和肾上腺素升高血糖的机制 四、糖原累积症四、糖原累积症由于先天缺乏糖原代谢的有关酶，造成某些组织器官糖原大量堆积。第六节 糖　异　生第六节 糖　异　生gluconeogenesis　　概念：由非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程称为糖异生。 原料：乳酸、甘油、丙酮酸和生糖氨基酸等。 部位：主要在肝脏，其次是肾脏。 一、糖异生途径一、糖异生途径从丙酮酸生成G的具体反应过程称为糖异生途径。基本上是糖酵解的逆过程，但是糖酵解途径的三个关键酶催化的反应是放能的不可逆反应，又叫能障。需要另外的酶催化绕过这三个能障。1. 丙酮酸羧化支路1. 丙酮酸羧化支路草酰乙酸出线粒体的方式：草酰乙酸出线粒体的方式：草酰乙酸→苹果酸 草酰乙酸→Asp2. F-1, 6-BP →F-6-P2. F-1, 6-BP →F-6-P3. G-6-P →G3. G-6-P →G 二、糖异生的调节二、糖异生的调节 胰高血糖素促进糖异生，抑制糖分解。 胰岛素则作用相反。三、糖异生的生理意义 三、糖异生的生理意义 （一）维持血糖浓度恒定 （二）补充肝糖原 （三）调节酸碱平衡各种物质的糖异生各种物质的糖异生乳酸→丙酮酸； Ala →丙酮酸； 生糖氨基酸→ TAC中的各种羧酸→草酰乙酸； 甘油→-磷酸甘油→磷酸二羟丙酮。四、乳酸循环 四、乳酸循环 当肌肉在缺氧或剧烈运动时，肌糖原经酵解产生大量乳酸，通过血液循环运到肝脏，在肝内异生为葡萄糖，葡萄糖可再经血液返回肌肉利用，这个循环称为乳酸循环，也叫Cori循环。 意义：防止酸中毒；利于乳酸再利用。 2分子乳酸异生成G共消耗6个ATP。null乳酸循环第七节 血糖及其调节第七节 血糖及其调节Blood Sugar and Its Regulation一、血糖的来源和去路一、血糖的来源和去路二、血糖水平的调节二、血糖水平的调节（一）胰岛素：是唯一降血糖的激素。 （二）胰高血糖素：是体内主要升高血糖的激素。 （三）糖皮质激素：升高血糖的激素。 （四）肾上腺素：是强有力的升高血糖激素。主要在应激状态下发挥作用。三、血糖水平异常三、血糖水平异常（一）高血糖及糖尿症 空腹血糖水平高于7.22~7.78mmol/L称为高血糖。 当血糖浓度高于 8.89~10.00 mmol/L时，可出现糖尿。此血糖值称为肾糖阈。 高血糖见于：糖尿病、肾脏疾病、情绪激动等。