第四章糖类代谢.pptx

第四章第四章 糖代谢糖代谢生物化学生物化学糖在动物体的一般概况糖在动物体的一般概况糖的分解供能糖的分解供能磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径葡萄糖的异生作用葡萄糖的异生作用糖原糖原糖代谢各途径之间的联系糖代谢各途径之间的联系教教学学内内容容第一节第一节 糖在动物体内的糖在动物体内的一般概况一般概况糖的生理功能糖的生理功能糖代谢概况糖代谢概况教教学学内内容容一、糖类的重要的生物学功能一、糖类的重要的生物学功能 供给能量：供给能量：糖的主要功能是供给能量，人体所需能量的70%以上是由糖氧化分解供应的。1克葡萄糖在体内完全氧化分解，可释放能量1.67104焦耳。供给碳源：供给碳源：糖分解过程中形成的中间产物可以提供合成脂类和蛋白质等物质所需要的碳架。构成组织细胞的重要组成成分：构成组织细胞的重要组成成分：如核糖和脱氧核糖是细胞中核酸的成分；糖与脂类形成的糖脂是组成神经组织与细胞膜的重要成分；糖与蛋白质结合的糖蛋白，具有多种复杂的功能。二、糖代谢概况二、糖代谢概况 动物体内糖的来源：动物体内糖的来源：动物体内糖的主要代谢途径：动物体内糖的主要代谢途径：由消化道吸收：主要是饲料中的淀粉及少量蔗糖、乳糖和麦芽糖等。在消化道转化为葡萄糖等单糖被吸收。由非糖物质转化而来：动物体可以由非糖物质合成糖，称为糖的异生作用。消化管中的葡萄糖由小肠吸收，首先经门静脉进入肝脏，再通过肝静脉进入血液循环，将糖送到各组织细胞，供全身利用。葡萄糖在细胞内主要分解供能，多余的葡萄糖在肝脏和肌肉合成糖原暂时贮存；或转变成脂肪、某些氨基酸等物质。过多的葡萄糖当超过肾糖阂值时，则由尿排除。血糖：血糖：血液中所含的糖，除微量半乳糖、果糖及其磷酸酯外，几乎全部是葡萄糖及少量葡萄糖磷酸酯。因此，血糖主要是指血液中所含的葡萄糖，分布于红细胞和血浆中。每种动物的血糖含量各不相同，如正常人空腹血浆葡萄糖糖浓度为100120mg%或 3.96.1mmolL(葡萄糖氧化酶法)。但对每种动物而言血糖浓度是恒定的。血糖浓度的相对恒定，是在神经、激素和肝脏组织器官的调节下，使其糖的来源和去路互相平衡而达到的。第二节第二节 糖的分解供能糖的分解供能糖酵解糖酵解丙酮酸形成乙酰辅酶丙酮酸形成乙酰辅酶A柠檬酸循环柠檬酸循环葡萄糖完全氧化产生的葡萄糖完全氧化产生的ATP教教学学内内容容 糖酵解即糖的发酵分解，是指糖原或葡萄糖在无氧条件下被分解生成乳酸并产生ATP的一系列反应。一、一、糖酵解糖酵解L.Pasteu E.BuchnerA.Harden 酵解的化学过程酵解的化学过程 酵解是一个复杂的反应过程，这个过程从糖原或葡萄糖开始，分别包括1213步化学反应，每一步反应都有相应的酶来催化，有些反应还需要相应的辅助因子。为了叙述方便，划分成四个阶段：已糖磷酸酯生成已糖磷酸酯生成丙糖磷酸生成丙糖磷酸生成丙酮酸生成丙酮酸生成丙酮酸还原成乳酸丙酮酸还原成乳酸第一阶段：已糖磷酸酯生成第一阶段：已糖磷酸酯生成(活化活化):在这个阶段，葡萄糖或糖原经磷酸化转化成果糖1，6-二磷酸，为分解成两分子的丙糖作准备。(1)葡萄糖磷酸化形成6-磷酸葡萄糖。催化反应的酶是已糖激酶。已糖激酶催化葡萄糖生成6-P-葡萄糖，是一个释放大量自由能的不可逆反应，葡萄糖激酶是酵解过程中第一个调节酶。糖糖 原原 (Gn)H3PO4磷酸化酶磷酸化酶 糖糖 原原(Gn-1)1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖(glucose-1-phosphate)磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖(glucose-6-phosphate)(1)糖原分解生成6-磷酸葡萄糖(2)6-磷酸葡萄糖转化成6-磷酸果糖(6-P-F)。这是一个同分异构化反应，由磷酸葡萄糖异构酶所催化。这一步酶促反应将羰基键C1移至C2，为C1磷酸化作了准备。反应中间物是酶结合的烯醇化合物。(3)F-6-P磷酸化生成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-2P)，催化此反应的酶为果糖激酶。磷酸果糖激酶是一个典型的别构酶。此酶所催化的反应是一个不可逆的放能反应。这一步反应是酵解中的关键反应步骤，糖酵解的整修过程进行的速度受到此酶的限制。因此，称为限速酶。丙糖磷酸生成丙糖磷酸生成(裂解裂解):在此阶段，果糖-1,6-二磷酸裂解成两个分子的磷酸丙糖。果糖-1,6-二磷酸裂解成甘油醛-3-磷酸和二羟丙酮磷酸，催化此反应的酶为醛缩酶 醛缩酶催化的反应是可逆反应，在标准状态下，平衡倾向于醇醛缩合成果糖-1,6-二磷酸一侧。但在细胞内，由于正反应产物丙糖磷酸被移走，平衡可向正反应迅速进行二羟丙酮磷酸与甘油醛-3-磷酸的相互转化。在磷酸丙糖中,只有甘油醛-3-磷酸能继续进入酵解途径。二羟丙酮磷酸则不能，但是它可以在磷酸丙糖异构酶的催化下迅速转化成甘油醛-3-磷酸。这样，由一个分子的FDP便可形成2分子的甘油醛-3-P。丙酮酸生成丙酮酸生成(氧化，转能氧化，转能)此阶段是糖酵解中氧化并产生能量的阶段，有两步直接产生能量的反应，释放的能量可由ADP转变成ATP贮存。甘油醛-3-磷酸氧化成甘油酸-1,3-二磷酸，由甘油醛磷酸脱氢酶催化。甘油醛-3-磷酸的氧化是酵解过程中首次遇到的氧化作用，反应中同时进行脱氢和磷酸化反应，并引起分子内部能量重新分配，生成高能磷酸化合物甘油醛甘油醛-3-磷酸脱氢酶的作用机理：磷酸脱氢酶的作用机理：甘油醛-3-磷酸脱氢酶由4个相同亚基组成，每个亚基牢固地结合一个分子的NAD+，并能独立参与催化作用。亚基中第149位的半胱氨酸残基的-SH是活性基团，NAD+的吡啶环与活性-SH基很近，共同组成酶的活性部位。甘油酸-1,3-二磷酸将磷酰基转给ADP形成了磷酸甘油酸和ATP，催化这个反应的酶是磷酸甘油酸激酶。甘油醛-3-磷酸氧化产生的高能中间物最后转化成甘油酸-3-磷酸并产生ATP，这是酵解过程中第一次产生ATP的反应，也是底物水平的磷酸化反应。因为一分子葡萄糖产生2分子三碳糖，因此共产生2分子ATP。甘油酸-3-磷酸转变成甘油酸-2-磷酸，催化此反应的酶为磷酸甘油酸变位酶。甘油酸变位酶的催化机理与葡萄糖变位酶相似。甘油酸-2-磷酸脱水形成烯醇式丙酮酸磷酸。反应在有Mg2+或Mn2+存在下，经烯醇化酶催化。这是一个可逆反应，反应的自由能变化很小，但是分子内能重新分布的变化很大。甘油酸-2-磷酸中的磷酯键是一个低能键，其水解的标准自由能变化是17.6千焦耳/摩尔；磷酸烯醇式丙酮酸中的磷酰烯醇键是高能键，其水解的标准自由能的变化为62.1千焦耳/摩尔，因此这一步反应显著地提高了磷酰基的转移势能。磷酸烯醇式丙酮酸将磷酰基转移给ADP形成ATP和丙酮酸 这又是一个底物水平的磷酸化产生能量的反应，经丙酮酸激酶催化，将磷酸烯醇式丙酮酸上的高能磷酸键移到ADP上，从而形成ATP和烯醇式丙酮酸。反应基本上是不可逆，反应需K+，Mg2+或Mn2+参加。丙酮酸的去路丙酮酸的去路 从葡萄糖到丙酮酸的酵解过程，在生物界都是极其相似的。丙酮酸以后的途径却随着机体所处的条件和发生在什么样的生物体中各不相同。在有氧条件下丙酮酸的转变先不做讨论，此处仅讨论在无氧条件下，丙酮酸的去路。生成乳酸生成乙醇丙酮酸的去路丙酮酸的去路 从葡萄糖到丙酮酸的酵解过程，在生物界都是极其相似的。丙酮酸以后的途径却随着机体所处的条件和发生在什么样的生物体中各不相同。在有氧条件下丙酮酸的转变先不做讨论，此处仅讨论在无氧条件下，丙酮酸的去路。生成乳酸生成乳酸生成乙醇生成乙醇生成乳酸：生成乳酸：在厌氧酵解时，例如某些厌氧乳酸菌或肌肉由于剧烈运动而造成暂时缺氧状态，或由于呼吸、循环系统机能障碍暂时供氧不足时，丙酮酸接受3-磷酸甘油醛脱H酶形成的NADH上的氢，在乳酸脱氢酶催化下，形成乳酸。生成乙醇：生成乙醇：在酵母菌或其他微生物中，丙酮酸可经丙酮酸脱羧酶的催化，以焦磷酸硫胺素(TPP+)为辅酶，脱羧变成乙醛，继而在醇脱氢酶的催化下，由NADH还原形成乙醇。2丙酮酸丙酮酸2烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸2ADP2ATP2乳酸乳酸6-磷酸果糖磷酸果糖1,6-二二磷酸果糖磷酸果糖ADPATP21,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸 磷酸二羟丙酮磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛2Pi2NADH+2H+2NAD+2 3-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2ADP2ATP2 2-磷酸甘油酸磷酸甘油酸2磷酸烯醇式丙酮酸磷酸烯醇式丙酮酸2H2O糖原糖原(Gn)6-6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖PiGn-1葡萄糖葡萄糖糖糖酵酵解解总总反反应应酵解的能量计算酵解的能量计算 在糖酵解过程的起始阶段消耗2分子ATP，形成1,6-二磷酸果糖，以后在1,3-二磷酸甘油酸及磷酸烯醇式丙酮酸反应中各生成2分子ATP。化学反应化学反应 ATP葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 -16-磷酸果糖 1,6-二磷酸果糖 -11,3-二磷酸甘油酸 3-磷酸甘油酸 +2磷酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸 +2糖酵解中糖酵解中ATP的消耗和产生的消耗和产生 糖酵解中能量利用的效率：糖酵解中能量利用的效率：1mol葡萄糖在体外分解生成2mol乳酸：葡萄糖 2乳酸 G0=-196kJ/mol糖原(葡萄糖)2乳酸 G0=-183kJ/mol 由于ATP水解为ADP与H3PO4时、G0=-30.514kJ/mol，生成2molATP相当于捕获61.028kJ。酵解的调控酵解的调控 在糖酵解酶系中，除了已糖激酶已糖激酶、6-磷酸果糖激酶磷酸果糖激酶和丙丙酮酸激酶酮酸激酶所催化的为不可逆的反应外，其余都是可逆的。故上述三个酶反应为影响酵解进行的关键反应。其中磷酸果糖磷酸果糖激酶激酶酵解过程最关键的限速酶限速酶。酶酶 的名称的名称 变构抑制剂变构抑制剂 变构激活剂变构激活剂 已糖激酶 G-6-P Mg2+,Mn2+磷酸果糖激酶 ATP,柠檬酸,H+Mg2+,AMP,ADP 丙酮酸激酶 ATP,丙氨酸,乙酰CoA Mg2+,F-1,6-2P糖酵解的意义糖酵解的意义糖酵解是存在一切生物体内糖分解代谢的普遍途径。通过糖酵解使葡萄糖降解生成ATP，为生命活动提供部分能量，尤其对厌氧生物是获得能量的主要方式。糖酵解途径的许多中间产物可作为合成其他物质的原料(提供碳骨架)，如磷酸二羟丙酮，甘油等。二、丙酮酸形成乙酰辅酶二、丙酮酸形成乙酰辅酶A有氧氧化与无氧酵解有氧氧化与无氧酵解化学过程化学过程 糖酵解过程中产生的丙酮酸在有O2的情况下，可线粒体膜上的有丙酮酸脱氢酶系的催化下，不可逆地氧化、脱羧，并与辅酶A结合生成乙酰CoA。E.coli丙酮酸脱氢酶：丙酮酸脱氢酶：E.coli丙酮酸脱氢酶是多酶复合体，由丙酮酸脱氢酶组分(E1)，二氢硫辛酸转乙酰酶(E2)和二氢硫辛酸脱氢酶(E3)组成，参与反应的辅酶有TPP+、硫辛酸、FAD、NAD+及CoA。丙酮酸脱氢酶多酶复合体中的三种酶以转乙酰酶的多肽链为核心形成一个有序的整体，这种在结构上的整体性使得一套复杂的反应在酶相互协调的催化下得以高效地进行。酶缩写辅基所催化的反应丙酮酸脱氢酶组分二氢硫辛酸转乙酰酶二氢硫辛酸脱氢酶A或E1B或E2C或E3TPP硫辛酸FAD丙酮酸脱羧C2单位的氧化并转移给CoA氧化型硫辛酰胺的再生E.coli丙酮酸脱氢酶复合体丙酮酸脱氢酶复合体丙丙酮酮酸酸脱脱氢氢酶酶复复合合体体 丙酮酸氧化脱羧所生成的乙酰辅酶A的乙酰基部分在线粒体中是通过一个循环，在有氧条件下被彻底氧化为CO2和H2O的。这个循环称为柠檬酸循环。它不仅是糖的有氧分解代谢的途径，也是机体内一切有机物的碳链骨架氧化成CO2的必经途径。柠檬酸循环反应开始于乙酰CoA与草酰乙酸缩合生成的含有三个羧基的柠檬酸，故称之为柠檬酸循环，也称为三羧酸循环。这一学说是在l937年由英国科学家 Krebs(克雷布斯)正式提出，故又称为Krebs循环。三、柠檬酸循环三、柠檬酸循环柠檬酸循环的化学过程柠檬酸循环的化学过程 柠檬酸循环是由乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸开始，经过一系列脱H、脱羧，又回到草酰乙酸的过程。乙酰辅酶乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸与草酰乙酸缩合成柠檬酸柠檬酸异构化生成异柠檬酸柠檬酸异构化生成异柠檬酸异柠檬酸氧化与脱羧生成异柠檬酸氧化与脱羧生成-酮戊二酸酮戊二酸-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA琥珀酰琥珀酰CoA转化成琥珀酸，并产生转化成琥珀酸，并产生ATP 琥珀酸被氧化成延胡索酸琥珀酸被氧化成延胡索酸延胡索酸水化生成苹果酸延胡索酸水化生成苹果酸草酰乙酸再生草酰乙酸再生乙酰辅酶乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合成柠檬酸与草酰乙酸缩合成柠檬酸 这是循环的起始步骤，由柠檬酸合成酶或称柠檬酸缩合酶催化乙酰CoA与草酰乙酸缩合，然后水解，生成柠檬酸。柠檬酸异构化生成异柠檬酸柠檬酸异构化生成异柠檬酸 柠檬酸由顺乌头酸酶催化，脱水，然后加水，从而改变分子内-OH、-H的位置，生成异柠檬酸。催化这两步反应的是同一种酶，由于其中间产物是顺乌头酸，故此得名。由于异柠檬酸不断消失，推动反应进行。异柠檬酸氧化与脱羧生成异柠檬酸氧化与脱羧生成-酮戊二酸酮戊二酸 这是循环中的第一次氧化作用，被异柠檬酸脱氢酶的催化下。反应的中间产物是草酰琥珀酸，它是一个不稳定的-酮酸，当与酶结合则脱羧生成-酮戊二酸。异柠檬酸脱氢酶是柠檬酸循环中的第二个调节酶。-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA 这是三羧酸循环中第二个氧化脱羧反应，是由-酮戊二酸脱氢酶系所催化的。琥珀酰琥珀酰CoA转化成琥珀酸，并产生转化成琥珀酸，并产生ATP 在琥珀酸硫激酶的作用下，琥珀酰CoA的硫酯键水解，释放的自由能用于合成GTP，琥珀酰CoA生成琥珀酸和辅酶A。琥珀酸被氧化成延胡索酸琥珀酸被氧化成延胡索酸 这是三羧酸循环中第三步氧化还原反应，由琥珀酸脱H酶催化，氢的受体是酶的辅基FAD。延胡索酸水化生成苹果酸延胡索酸水化生成苹果酸 延胡索酸酶仅对延胡索酸的反式双键起作用，而对顺丁烯二酸(马来酸)则无催化作用，因而是高度立体特异性的。草酰乙酸再生草酰乙酸再生 在苹果酸脱氢酶作用下，苹果酸仲醇基脱氢氧化成羰基，生成草酰乙酸，NAD+是脱氢酶的辅酶，接受氢成为NADH+H+。至此，所生成的草酰乙酸为下一轮的三羧酸循环又准备了反应底物，可与另一分子的乙酰CoA反应而启动下一轮反应。三三羧羧酸酸循循环环的的全全过过程程 柠檬酸循环的特点：柠檬酸循环的特点：CO2的生成的生成，循环中有两次脱羧反应，两次都同时有脱氢作用，同属于氧化脱羧，但作用的机理不同，柠檬酸循环的柠檬酸循环的四次脱氢四次脱氢，其中三对氢原子以NAD+为受氢体，一对以FAD为受氢体。它们又经线粒体内递氢体系传递，最终与氧结合生成水，在此过程中释放出来的能量使ADP和Pi结合生成ATP。柠檬酸循环中消耗了两个水分子，一个用于柠檬酸的生成，另一个用于延胡索酸的水合作用。柠檬酸循环的中间产物柠檬酸循环的中间产物，从理论上讲，可以循环不消耗，但是由于循环中的某些组成成分还可参与合成其他物质，而其他物质也可不断通过多种途径而生成中间产物，所以说柠檬酸循环组成成分处于不断更新之中。三三羧羧酸酸循循环环中中的的两两次次脱脱羧羧反反应应三羧酸循环中的两次脱羧反应比较三羧酸循环中的两次脱羧反应比较三羧酸循环中的四次脱氢反应三羧酸循环中的四次脱氢反应柠檬酸循环的生物学意义：柠檬酸循环的生物学意义：柠檬酸循环途径是生物界中，包括动物、植物及微生物都普遍存在的代谢途径。柠檬酸循环是机体利用糖或其他物质氧化而获得能量的最有效方式。柠檬酸循环称为两用代谢途径，它是糖、脂和蛋白质三大类营养物质代谢与转化的枢纽。一方面此循环的中间产物如草酰乙酸、-酮戊二酸、丙酮酸、乙酰CoA等是合成糖、氨基酸、脂肪等的原料。另一方面该循环是糖、蛋白质和脂肪彻底氧化分解的共同途径。三三羧羧酸酸循循环环中中脱脱氢氢和和能能量量的的产产生生糖与氨基酸、糖与氨基酸、脂肪代谢的脂肪代谢的联系联系返回返回柠檬酸循环的调控：柠檬酸循环的调控：柠檬酸合酶柠檬酸合酶：是三羧酸循环途径的关键限速酶，该酶催化乙酰CoA和草酰乙酸生成柠檬酸，是三羧酸循环途径的第一步。其活性受ATP、NADH、琥珀酰-CoA抑制，草酰乙酸和乙酰-CoA能提高酶活性。异柠檬酸脱氢酶异柠檬酸脱氢酶：此酶催化异柠檬酸氧化成-酮戊二酸。ATP、琥珀酸-CoA和NADH抑制此酶的活性；而ADP是该酶的变构激活剂。-酮戊二酸脱氢酶系酮戊二酸脱氢酶系：该酶催化-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA。其活性受ATP及其琥珀酰-CoA、NADH的抑制。反应阶段反应阶段反应过程反应过程ATPATP数数酵解葡萄糖6-P-葡萄糖6-P-葡萄糖1,6-BP-果糖3-P-甘油醛1,3-BP-甘油酸1,3-BP-甘油酸3-P-甘油酸P-烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸-1-122(3)2121丙酮酸氧化脱羧丙酮酸乙酰SCoA 23三羧酸循环异柠檬酸-酮戊二酸-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酰CoA琥珀酸琥珀酸延胡索酸苹果酸草酰乙酸2323212223四、葡萄糖完全氧化产生和四、葡萄糖完全氧化产生和ATP第三节、磷酸戊糖途径第三节、磷酸戊糖途径概述概述磷酸戊糖途径的化学过程磷酸戊糖途径的化学过程戊糖磷酸途径的特点戊糖磷酸途径的特点研究磷酸戊糖途径的意义研究磷酸戊糖途径的意义教教学学内内容容概述：概述：糖的无氧酵解及有氧氧化过程是生物体内糖分解代谢的主要途，但非唯一的途径。实验表明，细胞内还存在着其它代谢途径。磷酸戊糖途径是在1931年由Warburg(瓦博)等首先发现的，但由于战争和研究的极大困难，这一课题竟停顿了10年之久，直到1953年，Dickens(狄更斯)总结了前人的研究结果，并将之发表于英国医学公报上。磷酸戊糖途径也称为戊糖支路、已糖磷酸途径或磷酸葡萄糖氧化途径。反应完全在细胞液中进行。葡萄糖葡萄糖 6-P-A葡萄糖葡萄糖 3-P-甘油醛甘油醛 1,3二二P甘油酸甘油酸 2-P-甘油酸甘油酸 P烯醇式丙酮酸烯醇式丙酮酸 丙酮酸丙酮酸甘油醛甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶 碘乙酸碘乙酸 烯醇化酶烯醇化酶 氟化物氟化物 磷酸戊糖途径的过程磷酸戊糖途径的过程第一阶段第一阶段(氧化阶段氧化阶段)：氧化阶段从6-磷酸葡萄糖氧化开始，直接氧化脱氢脱羧形成5-磷酸核糖；第二阶段第二阶段(非氧化阶段非氧化阶段)：非氧化阶段是磷酸戊糖分子在转酮酶和转醛酶的催化下互变异构及重排，产生6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。此阶段产生中间产物：C3、C4、C5、C6和C7糖。6-磷酸葡萄糖的脱氢反应磷酸葡萄糖的脱氢反应 在6-磷酸葡萄糖脱氢酶作用下，以NADP+为辅酶，催化6-磷酸葡萄糖脱氢，生成6-磷酸葡萄糖内酯及NADPH。6-磷酸葡萄糖酸内酯的水解反应磷酸葡萄糖酸内酯的水解反应 在6-磷酸葡萄糖酸内酯酶催化下，6-磷酸葡萄糖内酯水解，生成6-磷酸葡萄糖酸。6-磷酸葡萄糖酸的脱氢脱羧反应磷酸葡萄糖酸的脱氢脱羧反应 在6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶作用下，以辅酶NADP+为氢受体，催化6-磷酸葡萄糖酸氧化脱羧，生成5-磷酸核酮糖和另一分子NADPH。磷酸戊糖磷酸戊糖的异构化的异构化反应反应 磷酸核糖异构酶催化5-磷酸核酮糖转变为5-磷酸核糖，而磷酸戊酮糖表异构酶催化5-磷酸核酮糖转变为5-磷酸木酮糖。转酮反应转酮反应 转酮醇酶催化5-磷酸木酮糖上的乙酮醇基(羟乙酰基)转移到5-磷酸核糖的第一个碳原子上，生成3-磷酸甘油醛和7-磷酸景天庚酮糖(C5C5 C3C7）。在此，转酮醇酶转移转酮醇酶转移一个二碳单位，二碳单位的供体是酮糖，而受体是醛糖。一个二碳单位，二碳单位的供体是酮糖，而受体是醛糖。转醛反应转醛反应 转醛醇酶催化7-磷酸景天庚酮糖上的二羟丙酮基转移给3-磷酸甘油醛，生成4-磷酸赤藓糖和6-磷酸果糖(C7C3 C4C6）。转醛醇转醛醇 酶转移一个三碳单位，三碳单位的供体也酶转移一个三碳单位，三碳单位的供体也是酮糖，而受体是也醛糖。是酮糖，而受体是也醛糖。转酮反应转酮反应 转酮醇酶催化5-磷酸木酮糖上的乙酮醇基(羟乙酰基)转移到4-磷酸赤藓糖的第一个碳原子上，生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖（C5+C4 C3+C6）。此步反应与第5步相似，转酮醇酶转移的二碳单位供体是酮糖，受体是醛糖。磷酸己糖的异构化反应磷酸己糖的异构化反应 6-磷酸果糖经异构化形成6-磷酸葡萄糖。磷磷酸酸戊戊糖糖途途径径总总反反应应磷酸戊糖途径的特点磷酸戊糖途径的特点 磷酸戊糖途径与糖酵解途径都是在细胞质中进行的，其底物都是6-磷酸-葡萄糖，但两个途径各有不同的特点。磷酸戊糖途径的主要特点是葡萄糖直接磷酸戊糖途径的主要特点是葡萄糖直接脱脱H、脱羧，不必经过酵解途径，也不必经过、脱羧，不必经过酵解途径，也不必经过三羧酸循环。在整个反应过程中，脱三羧酸循环。在整个反应过程中，脱H酶的辅酶的辅酶为酶为NADP+，而不是，而不是NAD+。磷酸戊糖途径的生物学意义磷酸戊糖途径的生物学意义磷酸戊糖途径的重要重要产物是NADPH 和5-磷酸核糖。磷酸戊糖途径中分为氧化分枝和非氧化分枝途径。其非氧化分枝途径使磷酸戊糖途径与糖酵解途径相互连接，而且转酮醇酶、转醛醇酶的催化反应是可逆的，这样使机体可以根据体内NADPH、5-磷酸核糖和ATP之间的需要而进行调节。当NADPH的需要比5-磷酸核糖多得多时，非氧化分枝生成的6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛可经糖异生途径，再合成6-磷酸葡萄糖。也就是磷酸戊糖途径中生成的5-磷酸核糖通过转酮醇酶、转醛醇酶及葡糖异生途径而再循环至6-磷酸葡萄糖。当需要5-磷酸核糖比NADPH多得多时，6-磷酸葡萄糖不经磷酸戊糖途径的氧化分枝，而是先通过酵解途径转变成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛。然后经转醛醇酶和转酮醇酶逆转将两分子6-磷酸果糖和一分子3-磷酸甘油醛变为3分子5-磷酸核糖。当需要的NADPH和5-磷酸核糖平衡时，6-磷酸葡萄糖主要通过磷酸戊糖途径形成两个NADPH和一个5-磷酸核糖。第四节第四节 葡萄糖的异生作用葡萄糖的异生作用葡萄糖异生作用的反应途径葡萄糖异生作用的反应途径底物循环底物循环葡萄糖异生作用的原料葡萄糖异生作用的原料Cori循环葡萄糖异生作用的调控葡萄糖异生作用的调控教教学学内内容容 生物体内由非糖前体物质，如甘油、丙酮酸、乳酸以及某些氨基酸合成葡萄糖的过程称葡萄糖异生作用。在酵解途径中，从葡萄糖转变为丙酮酸过程中大多数酶所催化的反应都是可逆的，所以各类非糖物质转变为糖原的具体步骤基本上按酵解逆行过程进行。但已述及糖酵解过程中有三个激酶的催化反应是不可逆的，因此各类非糖物质需绕过这三个酶才能转变成葡萄糖。一、葡萄糖异生作用的反应途径一、葡萄糖异生作用的反应途径糖酵解途径糖酵解途径丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成丙酮酸丙酮酸激酶催化磷酸烯醇式丙酮酸转化成丙酮酸的反应的反应：丙酮酸转变为烯醇式丙酮酸磷酸反应是沿另一支路来完成的。即丙酮酸在丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶的催化下，固定CO2，由ATP供应能量，生成草酰乙酸；后者在烯醇丙酮酸磷酸羧激酶烯醇丙酮酸磷酸羧激酶的催化下由GTP提供磷酸基，脱羧生成烯醇式丙酮酸磷酸。丙酮酸羧丙酮酸羧化酶：化酶：丙酮酸羧化酶是在线粒体中发现的，它的辅基是生物素。生物素以它的羧基末端与酶蛋白赖氨酸残基-氨基形成酰胺基，成为一条很灵活的链连接于酶上，它起着活化的CO2载体的作用。丙酮酸的羧化分两步进行：草酰乙酸的运转：草酰乙酸的运转：丙酮酸羧化酶存在于线粒体内，葡萄糖异生的其它酶则存在于胞质中。由于草酰乙酸不能透过线粒体膜，因此生成的草酰乙酸被NADH-苹果酸脱氢酶还原为苹果酸。苹果酸被载体运过线粒体膜，在胞质中再被NAD+-苹果酸脱氢酶氧化为草酰乙酸。丙酮酸丙酮酸草酰乙酸丙酮酸羧化酶线粒体膜苹果酸NADH+H+NAD+苹果酸草酰乙酸NAD+NADH+H+烯醇丙酮酸磷酸羧激酶烯醇式丙酮酸磷酸内外磷酸果糖激酶所催化的磷酸果糖激酶所催化的6-磷酸磷酸-果糖转化成果糖转化成1，6-二二磷酸果糖的反应磷酸果糖的反应 在糖异生作用的过程中，果糖-1，6-二磷酸转变成果糖-6-磷酸的反应，需借果糖二磷酸酯酶的催化水解。已糖激酶催化葡萄糖转变成已糖激酶催化葡萄糖转变成6-磷酸葡萄糖的反应磷酸葡萄糖的反应 在糖异生中，葡萄糖6-磷酸转变为葡萄糖时，葡糖-6-磷酸酯酶催化6-磷酸葡萄糖水解生成葡萄糖。二、底物循环二、底物循环 在葡萄糖异生反应中，象6-磷酸果糖磷酸化为1,6-二磷酸果糖和后者又被水解为6-磷酸果糖这样一对由不同酶催化的正逆反应称为底物循环。在正常情况下，正逆反应不会同时活跃，如果正逆反应以同样速度进行，将会造成ATP的无效循环，使体温升高。现在认为，底物循环可能是放大代谢信号的一种调控手段。凡是能生成丙酮酸的物质均可以转变成葡萄糖。如乳酸、三羧酸循环的中间物(柠檬酸、-酮戊二酸、苹果酸等)。凡是能转变成丙酮酸、-酮戊二酸、乙酰乙酸的氨基酸(如丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等)均可转变成葡萄糖。脂肪水解产生的甘油转变为二羟丙酮磷酸后转变为葡萄糖，但动物体中脂肪酸氧化分解产生的乙酰CoA不能逆转为丙酮酸，因而不能异生成葡萄糖。反刍动物糖异生途径十分旺盛，牛胃细菌可将纤维素分解为乙酸、丙酸、丁酸等，奇数脂肪酸可转变为琥珀酰CoA，然后异生成葡萄糖。三、葡萄糖异生前体三、葡萄糖异生前体四、四、Cori循环循环 Cori(科里)循环，指的是骨骼肌细胞通过糖酵解分解葡萄糖或糖原获得能量，其产物丙酮酸经转化为乳酸，乳酸通过血液到肝，在那里经过糖异生，重新生成葡萄糖。而葡萄糖会再随血液到达骨骼肌。这一过程被称为科里循环。第五节第五节 糖原合成与分解糖原合成与分解糖原的合成糖原的合成糖原的分解糖原的分解糖原代谢的调节糖原代谢的调节教教学学内内容容一、糖原的生物合成一、糖原的生物合成 当细胞中能量充足时，进行糖原合成而贮存能量；当能量供应不足时糖原分解产生ATP，以保证不间断地供应生命活动所需的能量。糖原糖原又称动物淀粉，是动物体葡萄糖的贮存形式，它是由许多葡萄糖通过-1,4糖苷键和-1,6糖苷键连接而成的高分子糖类。动物体中的糖原有肝糖原和肌糖原两种。糖原合成过程：糖原合成过程：葡萄糖被ATP磷酸化为6-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖在葡萄糖变位酶催化下生成1-磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖在UDP-葡萄糖焦磷酸化酶的催化下与尿苷三磷酸(UTP)合成UDP-葡萄糖以UDP-葡萄糖为原料合成糖原葡萄糖被ATP磷酸化为6-磷酸葡萄糖 这个反应与葡萄糖分解时相同。在肌肉中此反应由己糖激酶催化，肝脏中由己糖激酶及葡萄糖激酶催化。己糖激酶的Km值为0.01mmol/L，葡萄糖激酶的Km值为10mmol/L6-磷酸葡萄糖在葡萄糖变位酶催化下生成磷酸葡萄糖在葡萄糖变位酶催化下生成1-磷酸磷酸葡萄糖葡萄糖1-磷酸葡萄糖在UDP-葡萄糖焦磷酸化酶的催化下与尿苷三磷酸(UTP)合成UDP-葡萄糖 反应生成的焦磷酸(PPi)，水解后成正磷酸，使整个反应不可逆。形成的UDP-葡萄糖是合成糖原的重要活性形式。合成糖原合成糖原 糖原的合成是以体内原有的小分子的糖原(4个以上残基)为引物，逐步加上葡萄糖残基，糖残基的供体是UDP-G(活性葡萄糖)。新加入的葡萄糖残基以-1,4糖苷键连于引物的非还原末端(C4)，催化此反应的酶是糖原合成酶。糖原合成是1个消耗ATP的反应，每增加1个分子的葡萄糖残基需要消耗1分子的ATP和1分子的UTP。当增加的糖链长度达到6个以上葡萄基时，分支酶可将一段糖链(67个葡萄糖基)转移到邻近的糖链上，以-1,6-糖苷键相接，从而形成分支。糖原增加分枝可以提高糖原的溶解度。同时分枝造成许多非还原性末端残基，它们是糖原磷酸化酶与合成酶的作用部位。所以，分枝增加了糖原合成与分解的速度。糖原合成酶的作用：糖原合成酶的作用：在糖原合成酶的催化下，UDP-葡萄糖被转移到细胞内原有的糖原(引物)末端C-4的羟基上，形成-1,4糖苷键，使原有的糖原增加一个葡萄糖残基。分支酶的作用：分支酶的作用：但当延长至6个葡萄糖残基以上时，在分枝酶的作用下，其所含部分葡萄糖(约7个)脱落，并以1,6糖苷键与原分子的另一葡朝糖残基相连，形成新的分枝。以此形成多分枝的高聚体。新分枝的点距离已存在的分校点必须至少有4个残获。二、糖原的酶促降解二、糖原的酶促降解 生物体系中合成与分解的途径几乎总是不同的。糖原分解的途径也不同于合成途径。糖原的分解需三种酶的共同作用。这三种酶是磷酸化酶、转移酶和-1,6-糖苷酶。首先，磷酸化酶从糖原的非还原性末端依次降解并释放出1分子1-磷酸葡萄糖，直到在分支点以前还剩4个葡萄糖残基为止。然后转移酶将一个分支上剩下的4个葡萄糖残基中的3个葡萄糖残基转移到另一个分支上，并形成一个新的-1,4-糖苷键。最后，-1,6-糖苷酶降解暴露在外的-1,6-糖苷键。这样，原来的分支结构就变成了直链结构，磷酸化酶可继续催化其磷酸解，生成1-磷酸葡萄糖。在磷酸化酶、转移酶和脱枝酶的配合作用下，糖原分子逐步缩小，分枝逐步减少。最后糖原分解为1-磷酸葡萄糖和少量的游离葡苗糖。三、糖原代谢调节三、糖原代谢调节 葡萄糖是机体主要的能量来源。糖原是两次进食期间葡萄糖暂时贮藏的形式，是保证血糖稳定及时供给葡萄糖，应激供能的重要物质。糖原的这种重要性使糖原的代谢受到了神经、体液及器官的调控。通过糖原代谢的调节可以看到机体一个整体调节的例子。磷酸化酶的特点磷酸化酶的特点 磷酸化酶是糖原分解的第一个酶。这个酶在骨骼肌中以两种可以互变的形式存在：一种是有活性的磷酸化酶a，另一种是无活性的磷酸化酶b。这种酶是个二聚体。在静止的肌肉中，几乎所有磷酸化酶都处于b型。但当肌肉运功，消耗ATP，生成AMP时，高浓度的AMP可以使磷酸化酶b具有活性。相反ATP和6-磷酸葡萄糖抑制磷酸化酶b的活性。磷酸化酶b变a型需要磷酸化酶激酶的催化，使磷酸化酶b每个亚基的一个丝氨酸残基发生磷酸化。生成的磷酸化酶a活性不受AMP、ATP及6-磷酸葡萄糖水平的影响。级联方式控制磷酸化酶活性级联方式控制磷酸化酶活性 磷酸化酶激酶催化磷酸化酶b变为a。然而，发现细胞内磷酸化酶激酶自身也是由一种蛋白激酶催化，磷酸化后才从无活性变为有活性。不仅如此，蛋白激酶又只有在环腺苷酸(cAMP)与之结合才会引起变构从无活性变为有活件。cAMP则由与细胞质膜相结合的一种腺苷酸环化酶催化ATP生成。而腺苷酸环化酶只有在激素的作用下才能活化。已经证明有些激素并不进人它们的靶细胞，而是结合在质膜上并促进腺苷酸环化酶活性升高。由以上可见，在这里形成了一个酶促酶的级联式机制。这种连续用一个酶活化下一个酶的酶级联机制，是细胞调节中一种非常迅速地放大调节物浓度的效应机制。在这种情况下，只要cAMP的浓度发生很小的变化即可使大量的磷酸化酶活化或灭活。在瞬间内使糖原分解或停止分解转向合成。以适应动物在应激状态下能量的需求。肾上腺素腺苷酸环化酶腺苷酸环化酶ATP环cAMP蛋白质激酶蛋白质激酶磷酸化酶激酶磷酸化酶激酶磷酸化酶b磷酸化酶a神经Ca2+调节糖原代谢的激素调节糖原代谢的激素 糖原的合成与分解有不同的途径。这表明它们必定受到严格的控制。体内调控这两条途径的激素主要有胰岛素。它是一种多肽激素，其功能是促进肝脏糖原的合成及细胞内葡萄糖的分解供能。另外是肾上腺素和胰高血糖素，它们的效应和胰岛素相反。它们都促进糖原分解。肾上腺素显著地促进肌肉中糖原分解；胰高血糖素则促进肝脏糖原的分解，从而提高血糖的水平。肾上腺素和胰高血糖素并不进入靶细胞，而是与细胞质膜结合使腺苷酸环化酶话化，进而引起细胞内酶的级联反应，迅速动员糖原，保证机体及时得到能量。钙离子钙离子(Ca2+)调节调节 已经证明，催化磷酸化酶b磷酸化为磷酸化酶a的磷酸化酶激酶，不仅受上述酶的级联机制调节，还可以被10-6mol/L左右的Ca2+活化，促进形成磷酸化酶a，促进糖原分解。这种活化方式在生物学上具有重要的意义，因为10-6mol/L左右的Ca2+浓度不仅可激活磷酸化酶激酶，而且恰好是引起肌肉收缩的浓度，这样通过Ca2+浓度就把肌肉收缩运动与糖原分解供能联系起来了，使得肌肉的收缩能及时得到能量的供应。而Ca2+浓度的改变是由神经冲动引起的，这样Ca2+就建立了磷酸化酶活性与神经调节的桥梁。糖原代谢的整体调节糖原代谢的整体调节 由以上可以看出：主管分解糖原的磷酸化酶是受到多个因素的调节，而这些调节保证了机体在各种状态下能量的供应。正常情况下，能量供应充足ATP、6-磷酸葡萄糖浓度高抑制了磷酸化酶的活性，因此糖原不分解。但如果肌肉运动加强，消耗能量多，AMP浓度升高，于是AMP促进磷酸化酶活性升高，糖原分解，促进能量产生。但在动物遇到危险信号或激怒等应激条件时，此时不能因为能量供应缓慢而受到限制。因此，此时既使细胞内的能量(ATP)和6-磷酸葡萄糖的浓度处在已够高的情况下，仍需加快糖原的分解。动物此时处于应激状态，则通过大脑皮层促使肾上腺髓质分泌肾上腺素，肾上腺素即引起了细胞内酶的级联机制，以最快的速度使磷酸化酶b转化为活性的a，促进糖原分解。但当动物真的要战斗和逃跑时还需要肌肉的运动，单是激素的调控仍不能满足要求，因为此时需要同时调控供能代谢及肌肉收缩，并使二者协调。在这种情况下、动物采取了神经调控的机制。神经冲动使肌浆中Ca2+浓度迅速增至10-6mol/L，于是肌肉收缩与糖原分解同步进行。保证动物战胜敌人或逃离危险保存了生命。从磷酸化酶的调节中可见体内所有代谢都受到机体多层次的严格调控，正是这种调控使动物体与环境得到了协调统一。