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生化-糖代谢


第六章 糖 代 谢
Chapter 6 Metabolism of carbohydrate 糖的无氧分解---糖酵解 糖的有氧氧化---三羧酸循环 磷酸戊糖途径 糖原的合成与分解 糖异生

教学目的: 1.掌握糖酵解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径 的反应过程及生理意义 2.了解糖原的合成与分解代谢 3.掌握糖异生的概念及途径 ? 教学重点难点: 糖酵

解、三羧酸循环、磷酸戊糖途径的反应 过程及生理意义;糖异生 教学课时:10
?

?

糖类是指多羟基醛或酮及其衍生物

一.糖类在生物体的生理功能主要有: ① 氧化供能:糖类占人体全部供能量的70%。 ②构成组织细胞的基本成分: ? *核糖: 构成核酸 ? *糖蛋白: 凝血因子、免疫球蛋白等 ? *糖脂: 生物膜成分 ? ③转变为体内的其它成分 ? *转变为脂肪 ? *转变为非必需氨基酸

二.糖代谢的概况


缺氧 供氧充足

食物

糖酵解 有氧氧化 (CO2、H2O、ATP)
磷酸戊糖途径
(5-磷酸核糖、NADPH)

糖异生

血 中 葡 萄 糖

合成 分解

糖原

三.葡萄糖的分解代谢途径及定位
1、分解代谢途径
葡萄糖 糖酵解 丙酮酸
(有氧或无氧)

(无氧)

乳酸 乙醇

(有氧)
6-磷酸葡萄糖 乙酰 CoA

磷酸戊糖 途径

三羧酸循环 (TCA)

NADH FADH2

呼吸链氧化 磷酸化

2、分解代谢途径及定位
?磷酸戊糖途径 ?糖酵解
胞饮 ?丙酮酸氧化 ?三羧酸循环 ?氧化磷酸化 细胞膜 细胞壁

细胞质
中心体 线粒体 高尔基体 细胞核 内质网 吞噬 溶酶体

叶绿体

有色体

白色体
液体 晶体

分泌物

细胞膜

动物细胞

植物细胞

Section 1 糖酵解(glycolysis)
? 糖酵解:是葡萄糖在无氧条件下在组织细

胞中降解成丙酮酸,并释放出能量生成ATP 的过程。
? 它是葡萄糖最初经历的酶促分解过程,也

是葡萄糖分解代谢所经历的共同途径。

一、糖酵解的反应过程
? 无氧酵解的全部反应过程在细胞溶胶

(cytoplasm)中进行。 ? 从葡萄糖到丙酮酸的反应过程 包括两个 部分,可分为活化、裂解、放能三个阶 段,十步反应。

(一)准备
1.葡萄糖的活化(activation)——己糖磷酸酯 的生成: 活化阶段是指葡萄糖经磷酸化和异构反应 生成1,6-二磷酸果糖(FBP,FDP)的反应过程。 该过程共由三步化学反应组成。

ATP
Mg2+ (1)

己糖激酶/葡萄糖激酶

*

ADP

(2)

磷酸己糖异构酶

* 磷酸果糖激酶-1
(3) ATP
Mg2+

ADP

激酶:催化ATP分子与底物之间的磷酸基转移的酶称激酶, 激酶一般需要Mg2+或Mn2+作为辅因子。Mg2+可以掩盖ATP/ADP 分子中磷酸基氧原子的负电荷,使葡萄糖C-6/C-1位的羟基 易于对ATP的γ –位磷原子进行亲核攻击. 机理:葡萄糖C-6/C-1位的羟基对ATP的γ–位磷原子的亲核 进攻击

⑴ 葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖
O C H HO H H C C C C OH H OH OH

O
H

H C

H

C C C C

OH H OH OH

ATP

Mg

ADP 2+

HO H H

H2C OH

已糖激酶
糖酵解过程的第一 个限速酶

O P O
-

H2C OH

HO

glucose

HO

glucose-6phosphate (G-6-P)

特点:①此反应不可逆,消耗1个ATP. ②催化此反应的激酶有已糖激酶和葡萄糖激酶。

? 6-磷酸葡萄糖异构化转变为6-磷酸果糖
O C H HO H H C C C C H2C H

H2C C HO H C C C H2C O

OH O H OH OH HO P O OH

OH H OH OH OH O P OH O

磷酸Glc异构酶

H

fructose-6-phosphate,F-6-P 特点: ①反应的△Go′变化很小,反应可逆。 ②磷酸葡萄糖异构酶将葡萄糖的羰基C由C1移至C2 ,为C1位磷 酸化作准备,同时保证C2上有羰基存在,这对分子的β 断裂, 形成三碳物是必需的

? 6-磷酸果糖再磷酸化生成1,6-二磷酸果糖
OH
H2C C HO H H C C C H2C O OH O H OH OH HO P O OH
H2C C

O

-

-

P O OH

O H OH OH HO

ATP

Mg2+

ADP

HO H

C C C H2C O

磷酸果糖激酶-1

H

糖酵解过程的第二个限 速酶 fructose-1,6-biphosphate,F-1,6-BP

P O OH

特点: ①此反应在体内不可逆,消耗1个ATP。 ②反应由磷酸果糖激酶1催化,是主要的调节位点

2.裂解(lysis)——磷酸丙糖的生成:

?

一分子F-1,6-BP裂解为两分子可以互 变的磷酸丙糖(triose phosphate),

(4)

醛缩酶

(5)
磷酸丙糖异构酶

? 3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮的生成
1 2 3 4 5 6
HO H H H2C C C C C H2C O H OH OH O HO P OH O O HO P HO O

1 H2C

HO O P O HO O OH

H

4

C HC H2C

O

醛缩酶

2 3

C CH2

+5
6

OH O

HO P OH O

磷酸二羟丙酮

fructose-1,6-diphosphate (F-1,6-2P)

3-磷酸甘油醛

机理:由于C-2的羰基及C-4的羟基存在,1,6-二磷酸果糖分子发生β 断裂,形成等长的三碳化合物 特征: ①该反应△Go′= 23.97kJ/mol,在热力学上不利,但是,由于F-1.62P的形成是放能的及甘油醛-3-磷酸后续氧化的放能性质,促使反应正 向进行。 ②在生理环境中,3-磷酸甘油醛不断转化成丙酮酸,驱动反应向右进行

? 磷酸丙糖的互换
HO O P O HO O OH
H C HC O

H2C C CH2

OH O

HO P OH O

磷酸丙糖异构酶

H2C

dihydroxyacetone phosphate)

glyceraldehyde 3-phosphate

1,6-二磷酸果糖

2× 3-磷酸甘油醛

(二)贮能
3.放能(releasing energy)—丙酮酸的生成:
3-磷酸甘油醛经脱氢、磷酸化、脱水及放能 等反应生成丙酮酸和ATP. 包括五步反应:

NAD++Pi
(6)

NADH+H+

3-磷酸甘油醛 脱氢酶
ADP 磷酸甘油酸 激酶

(7)
ATP (8) 磷酸甘油酸变位酶



H2 O

烯醇化酶

ADP (10) ATP

丙酮酸激酶

*

自发

? 3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸
O C HC H2C H OH O

HPO4 2+ NAD+ NADH+H+
HO P OH O

O C HC O- OPO 3 2OH O HO P OH O

3-磷酸甘油醛脱氢酶
糖酵解中唯一的 脱氢反应

H2C

glyceraldehyde 3-phosphate

1,3-diphosphoglycerate

特征: ①由3-磷酸甘油醛脱氢酶催化,在无机磷酸的参与下以NAD+作 为电子受体,3-磷酸甘油醛氧化脱氢生成1,3-二磷酸甘油酸和 NADH+H+ 。 ②醛基转变成超高能量的酰基磷酸

? 1,3-二磷酸甘油酸转变为3-磷酸甘油酸
O C HC H2C O-OPO OH O HO P OH O
3 2-

O

ADP

ATP

C HC

OH OH O

HO P OH O

3-磷酸甘油酸激酶
这是糖酵解中第一 次底物水平磷酸化 反应

H2C

1,3diphosphoglycerate

3-phosphoglycerate)

特征: ① 在磷酸甘油酸激酶的作用下,将高能磷酰基转给 ADP形成ATP 。 ②这是酵解中第一次产生ATP的反应,反应是可逆的

? 3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸
O C HC H2C OH OH O
O C OH HO

HO P OH O

磷酸甘油酸变位酶

HC H2C

O- - P O O OH OH

3-phosphoglycerate

2-phosphoglycerate

特征: ①变位酶是一种催化分子内化学基团移位的酶. ②磷酸甘油酸变位酶催化3-磷酸甘油酸和2-磷酸甘油酸之间的磷 酸基团位置的移动,分子内重排.

? 2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸
O C H OH OH O P O O

H2O
烯醇化酶 (Mg2+/Mn2+ )
氟化物能与Mg2+络 合而抑制此酶活性

C C CH2

OH O
-

OH P
+

a

C

O

β
OH

OH

H2C

OH

2-phosphoglycerate

phosphoenolpyruvate

特征: ①烯醇化酶(需要Mg2+ 的活化)催化2-磷酸甘油酸中 的a、 β 位脱去水形成磷酸烯醇式丙酮酸。 ②烯醇磷酯键具有很高的磷酸基转移潜能。

(10) 磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸
O C C CH2 OH O-

O

OH P
+

ADP
O

ATP

C C CH2

OH OH

Mg2+, K+

OH

丙酮酸激酶 (PK )
糖酵解过程的 第三个限速酶

phosphoenolpyruvate

enolpyruvate

特征: ①丙酮酸激酶催化磷酸基从磷酸烯醇式丙酮酸转移给 ADP,生成烯醇式丙酮酸和ATP ,反应是不可逆的 ②这是酵解中第二个底物水平磷酸化反应.

COOH C OH CH2
enolpyruvate

自发进行

COOH C O CH3
pyruvate

ADP

ATP

磷酸烯醇式丙酮酸

(10)
丙酮酸激酶

丙酮酸

一、糖酵解过程
葡萄糖的活化
第 一 部 分

葡萄糖

第 一 阶 段 第 二 阶 段


6-磷酸葡萄糖

--1ATP


6-磷酸果糖


1,6-二磷酸果糖

--1ATP

磷酸己糖的裂解
(六碳糖→三碳糖)

3-磷酸甘油醛?磷酸二羟丙酮






2-磷酸甘油酸和 ATP生成
第 二 部 分 第 三 阶 段

2? 1NADH 2? 1ATP

2?1,3-二磷酸甘油酸


2?3-磷酸甘油酸


2?2-磷酸甘油酸


2?磷酸烯醇丙酮酸

丙酮酸和ATP的生 成


2?丙酮酸

2? 1ATP

二 、 E M P 途 径 化 学 计 量 和 生 物 学 意 义

?

糖酵解代谢途径可将一分子葡萄糖分解为两 分子丙酮酸,净生成两分子ATP。

?

总反应式:
+2H++2ATP+2H2O

C6H12O6+2NAD++2ADP+2Pi?2C3H4O3+2NADH

?

糖酵解代谢途径有三个关键酶,即己糖激酶 (葡萄糖激酶)、磷酸果糖激酶-1、丙酮酸 激酶。

二、糖酵解的调节
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. 己糖激酶或葡萄糖激酶: ? 已糖激酶:专一性不强,在组织细胞中广泛存在,可 催化Glc、Man(甘露糖)磷酸化。被产物G-6-P强烈 地别构抑制 ? 葡萄糖激酶:只能催化Glc磷酸化,仅在肝脏和胰腺β 细胞存在,维持血糖平衡,不被G-6-P抑制。是诱导 酶,胰岛素可诱导其基因转录,促进酶的合成。当肝 细胞中Glc浓度﹥5mmol/L,肝中的Glc激酶被激活, Glc激酶将Glc转化成G-6-P,进一步转化成糖元,贮 存于肝细胞,是肝脏调节葡萄糖吸收的主要的关键酶。 无产物反馈抑制

己糖激酶及葡萄糖激酶的变构剂
G-6-P 己糖激酶 hexokinase 长链脂酰CoA

葡萄糖激酶 glucokinase

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。 ADP、AMP ATP 1,6-双磷酸果糖 柠檬酸 2,6-双磷酸果糖

-

+

6-磷酸果糖激酶-1 6-phosphofructokinase-1

3. 丙酮酸激酶:
ATP 丙氨酸(肝) 1,6-双磷酸果糖

丙酮酸激酶

+

pyruvate kinase

三、糖酵解的生理意义
1.是葡萄糖在生物体内进行有氧或无氧分解的共同途径 ★在无氧和缺氧条件下,作为糖分解供能的补充途 径,生物体获得生命活动所需要的能量。 ★ 在有氧条件下,作为某些组织细胞主要的供能途 径。 2.形成多种重要的中间产物,为氨基酸、脂类合成提 供碳骨架; 3.为肌肉收缩迅速提供能量
剧烈运动时: 肌肉内ATP含量很低,即使氧不缺乏,葡萄 糖进行有氧氧化的过程比糖酵解长得多, 来不及满足需要,糖酵解为肌肉 收缩迅速提供能量

四、丙酮酸的去路
糖酵解途径

葡萄糖 葡萄糖

(有氧或无氧)

丙酮酸

(无氧)

乳酸 乙醇

丙酮酸有3种主要的去 路: 1、在大多数情况下, 丙酮酸可以通过氧化脱 羧形成乙酰CoA,然后 乙酰CoA进入柠檬酸循 环;

(有氧) 2、在某些微生物 乙酰 CoA

三羧酸 循环

中,丙酮酸可以转 化为乙醇,这一过 程称之酒精发酵; 3、在某些环境条 件下(如缺氧), 它可以还原为乳酸。

1、丙酮酸 ?? 乳酸(乳酸发酵)
?

在无氧条件下,利用丙酮酸接受酵解代谢 过 程 中 产 生 的 NADH , 使 NADH 重 新 氧 化 为 NAD+,以确保反应的继续进行。
NADH+H+ ⑿ NAD+

乳酸脱氢酶

乳酸可以通过血液进入肝、肾等组织内,重新转 变成丙酮酸,再合成葡萄糖和肝糖元,或进入三 羧酸循环氧化。

2、丙酮酸 ? 乙醇(酒精发酵)
? 酵母在无氧的条件下,将葡萄糖转变成乙醇,这是酿酒 和发酵法生产乙醇的基本过程,称为生醇发酵。 ? 酵母中含有多种酶系,其中丙酮酸脱羧酶(不存在于动 物细胞中)催化丙酮酸脱羧产生乙醛,乙醛在醇脱氢酶 催化下被NADH还原成乙醇。
COOH CHO
丙酮酸脱羧酶

葡萄糖

EMP

醇脱氢酶

CH2OH CH3

C==O

CH3

丙酮酸

CH3

CO2

乙醛
NADH+H+ NAD+

乙醇

3、丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解
O
CH3-C-SCoA
CoASH CO2

葡萄糖

(EPM)

COOH
C==O

丙酮酸脱氢酶系

丙酮酸
NAD+ NADH+H+

CH3

乙酰CoA

三羧酸 循环

葡萄糖的有氧分解

Section 2 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 为葡萄糖的有氧氧化。

? 绝大多数组织细胞通过葡萄糖的有氧氧

化途径获得能量。此代谢过程在细胞胞 液 和 线 粒 体 (cytoplasm and mitochondrion)内进行。 ? 一分子葡萄糖(glucose)彻底氧化分解 可产生30/32分子ATP。

一、有氧氧化的反应过程
葡萄糖的有氧氧化代谢途径可分为四个阶段: ①糖酵解产生丙酮酸(2丙酮酸、 2ATP、 2NADH) ②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA ③三羧酸循环(CO2、H2O、ATP、NADH) ④呼吸链氧化磷酸化(NADH-----ATP) ? 原核生物:①~④阶段在胞质中 ? 真核生物:①在胞质中,②~④在线粒体中
?

(一)葡萄糖经酵解途径生成丙酮酸:
此阶段在细胞胞液(cytoplasm)中进行,一分 子葡萄糖(glucose)分解后净生成2分子丙酮 酸(pyruvate),2分子ATP,和2分子(NADH +H+)。 ? 两分子(NADH+H+)在有氧条件下可进入线粒 体(mitochondrion)进行氧化磷酸化,共可得 到2×1.5或者2×2.5分子ATP。故第一阶段可 净生成5或7分子ATP。
?

(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 dehydrogenase complex) 的 催 化 下 氧 化 脱 羧 生 成 乙 酰 CoA(acetyl CoA)。 丙酮酸脱氢酶系

*

NAD+ +HSCoA

NADH+H+ +CO2

? 一分子葡萄糖经糖酵解产生两分子丙

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2×2.5分 子ATP 。 ?反应为不可逆;丙酮酸脱氢酶系 (pyruvate dehydrogenase complex) 是葡萄糖有氧氧化途径的关键酶之一。

?

1. 丙 酮 酸 脱 氢 酶 系 组 成 : 由 丙 酮 酸 脱 羧 酶 (E1),二氢硫辛酸乙酰基转移酶(E2),二氢 硫辛酸脱氢酶(E3 )三种酶单体构成。有六种 辅助因子:TPP,硫辛酸,NAD+,FAD,HSCoA和 Mg2+。

?

这些酶以非共价键结合在一起,碱性条件下, 复合体解离成相应的亚单位,中性时重组为复 合体。所有丙酮酸氧化脱羧的中间物均紧密结 合在复合体上,活性中间物可以从一个酶活性 位置转到另一个酶活性位置,多酶复合体有利 于高效催化反应及调节酶在反应中的活性。

?
?

2、反应步骤

(1)丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP ? (2)二氢硫辛酸乙酰转移酶(E2)使羟乙基氧化成乙酰基 ? (3)E2将乙酰基转给CoA,生成乙酰-CoA ? (4)E3氧化E2上的还原型二氢硫辛酸 ? (5)E3还原NAD+生成NADH

(1)丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP

(5)E3还原 NAD+生成 NADH

CO2
丙酮酸 脱羧酶 二氢硫辛 酸脱氢酶 硫辛酸

NAD+

E1

E3

TPP

FAD

NAD+ +H+ + NADH+H
(4)E3氧化E2 上的还原型二氢 硫辛酸

乙酰硫辛酸 硫辛酸乙 酰转移酶

二氢硫辛酸

(2)二氢硫辛 酸乙酰转移酶( E2)使羟乙基氧 化成乙酰基

E2

O CoASH CH3-C-SCoA

(3)E2将乙酰 基转给CoA,生 成乙酰-CoA

(三)三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)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,草酰乙酸再生,并释放出大量 能量的循环反应过程。 1、反应历程
? ?

三羧酸循环分为三个阶段

柠檬酸合酶
+
H2 O
?

*

HSCoA

顺乌头酸酶 第一阶段:柠檬酸生成

?

*

TCA第一阶段

⑴ 乙酰CoA与草酰乙酸
乙酰辅酶A (acetyl CoA)

缩合形成柠檬酸
关键酶 柠檬酸合酶

CH3CO~SCoA

H2C COOH HO C COOH H2C COOH

O C COOH H2C COOH
草酰乙酸 HSCoA

柠檬酸 (citrate)

⑵ 柠檬酸异构化生成异柠檬酸 TCA第一阶段
H2O

H2C COOH HO C COOH H CHCOOH

H2C COOH C COOH HC COOH

H2C COOH H C COOH HO CHCOOH

柠檬酸 (citrate)

顺乌头酸 乌头酸酶

异柠檬酸 (isocitrat e)

α-酮戊二酸脱氢酶系 ? NAD+ +HSCoA 脱异 氢柠 酶檬 酸 NADH+H+ +CO2

*

*

CO2

NADH+H++CO2 ? NAD
+

GDP+Pi ? CoA-SH, GTP

琥珀酰CoA 合成酶

第二阶段:氧化脱羧

⑶ 异柠檬酸氧化脱羧

生成α-酮戊二酸
H2C COOH HC COOH HO C COOH H
异柠檬酸 NAD+

TCA第二阶段

H2C COOH

H2C COOH HC COOH O C COOH

CH2 O C COOH
α-酮戊二酸

NADH+H+

CO2

草酰琥珀酸

关键酶

异柠檬酸脱氢酶

⑷ α-酮戊二酸氧化脱羧 生成琥珀酰辅酶A
H2C COOH CH2 O C COOH
关键酶
CO2

TCA第二阶段

HSCoA NAD+

H2C COOH CH2 O C SCoA

α-酮戊二酸(αketoglutarate)

NADH+H+

2

α-酮戊二酸脱氢酶系

琥珀酰CoA (succinyl CoA)



琥珀酰CoA转变为琥珀酸
HSCoA

TCA第二阶段

H2C COOH CH2 O C SCoA
GDP+Pi

H2C COOH H2C COOH
琥珀酸 (succinate)

GTP

琥珀酰CoA (succinyl CoA) ATP

ADP

琥珀酰CoA合成酶

延胡索酸酶
? H2 O 琥 珀 酸 脱 氢 酶 FADH NAD+

?
FAD

2

? 第三阶段:草酰 乙酸再生 NADH+H+

苹果酸 脱氢酶

⑹ 琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸
FAD H CH COOH FADH2

TCA第三阶段

HOOC CH HC COOH
延胡索酸 (fumarate)

H CH COOH
琥珀酸 (succinate)

琥珀酸脱氢酶

⑺ 延胡索酸水化生成苹果酸
H2O

TCA第三阶段

HOOC CH HC COOH
延胡索酸 (fumarate)

H2C COOH
延胡索酸酶

HO CH COOH
苹果酸 (malate)



苹果酸脱氢生成草酰乙酸
NAD+ NADH+H+

TCA第三阶段

H2C COOH HO C COOH H
苹果酸 (malate)

H2C COOH O C COOH
草酰乙酸
(oxaloacetate)

苹果酸脱氢酶

O

CoASH

三羧循环总观
柠檬酸

CH3-C-SCoA

NADH

草酰乙酸

NAD+

?柠檬酸的 生成阶段


顺乌头酸

苹果酸

异柠檬酸

NAD+
NADH +CO2

H2O

?草酰乙酸 再生阶段
延胡索酸

?氧化脱 羧阶段





?-酮戊二酸

FADH2

NAD+
NADH +CO2
琥珀酸

FAD
GTP
琥珀酰CoA

?

2.三羧酸循环的特点:

①循环反应在线粒体(mitochondrion)中进行,为不 可逆反应。 ②每完成一次循环,氧化分解掉一分子乙酰基,可 生 成 10 分 子 ATP, 故 此 阶 段 可 生 成 2×10=20 分 子 ATP 。 ③三羧酸循环中有两次脱羧反应,生成两分子CO2。 ④循环中有四次脱氢反应,生成三分子NADH和一分 子FADH2。

⑤循环中有一次底物水平磷酸化,生成一分子 GTP。 ⑥三羧酸循环的关键酶是柠檬酸合酶、异柠檬 酸脱氢酶和α -酮戊二酸脱氢酶系。

总反应式:
CH3COSCoA +3NAD+ +FAD +GDP +Pi +2H2O? 2CO2 +CoASH +3NADH +3H+ +FADH2 +GTP

?

3.三羧酸循环的生理意义:

①提供能量:是糖、脂、蛋白质三大物质分解供能 的共同通路。 线粒体外的NADH,可通过3-磷酸 甘油穿梭和苹果酸穿梭机制,运到线粒体内,经 呼吸链再氧化,这两种机制在不同组织的细胞中 起作用。 ②是糖、脂、蛋白质三大物质代谢的枢纽 ★ 一方面,TCA是糖、脂肪、氨基酸等彻底氧化分 解的共同途径 ★ 另一方面,循环中生成的草酰乙酸、α -酮戊 二酸、柠檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等又是合 成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等的原料。 ★ TCA是联系体内三大物质代谢的中心环节,为合 成其它物质提供C骨架。

二、葡萄糖有氧氧化生成的ATP
反 两次耗能反应 应 ATP -2 2×2 2×1.5 或 2×2.5 2×2.5 2×3×2.5 2×1.5

段酵解阶段

两次生成ATP的反应 一次脱氢(NADH+H+)

丙酮酸氧化

一次脱氢(NADH+H+) 三次脱氢(NADH+H+) 一次脱氢(FADH2)

三羧酸循环

一次生成GTP(ATP)的反应
净生成

2×1
30或32

三、有氧氧化的调节
? 第一阶段:前述。
? 第二阶段:

乙酰CoA、ATP NADH+H+

AMP、ADP NAD+

-

+

丙酮酸脱氢酶系 Pyruvate dehydrogenase complex

? 第三阶段:

调节有氧氧化第三阶段代谢流量 的关键酶主要是异柠檬酸脱氢酶。 AMP、ADP是其变构激活剂,ATP是其 变构抑制剂。

Section 3 磷酸戊糖途径(pentose phosphate pathway)
? 磷酸戊糖途径是指从G-6-P脱氢反应开

始,经一系列代谢反应生成磷酸戊糖等 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 dehydrogenase)。

一、磷酸戊糖途径的反应过程
全部代谢过程可分为两个阶段: 1、氧化脱羧过程 — G-6-P氧化分解生成5-磷 酸核酮糖: 2、非氧化分子重排过程 — 戊糖磷酸酯的相 互转变及C-C键的裂解与形成
?

1、氧化脱羧阶段( 6-磷酸葡萄糖的氧化)
NADP+ NADPH+H+

H2O 6-磷酸葡萄糖 脱酶

*
6-磷酸葡萄糖酸 内酯

内酯酶 6-磷酸葡萄糖 酸 NADP+

6-磷酸葡萄糖
6-磷酸葡萄 糖酸 脱氢酶

NADPH+H+ 5-磷酸核酮 糖

CO2

2. 5-磷酸核酮糖的基团转移反应过程:
?

5-磷酸核酮糖经一系列基团转移反应生

成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。在此阶
段中,经由5-磷酸核酮糖异构可生成5-

磷酸核糖。

2、非氧化分子重排阶段(戊糖磷酸酯的相互 转变及C-C键的裂解与形成) 戊糖
6 5-磷酸核酮糖 磷酸 酯的 异构酶 相互 2 5-磷酸核糖 转变 2 5-磷酸木酮糖
转酮酶 2 3-磷酸甘油醛 2 7-磷酸景天庚酮糖 转醛酶

C-C 键的 裂解 与形 成

2 6-磷酸果糖

2 4-磷酸赤藓丁糖

2 5-磷酸木酮糖
转酮酶

2 6-磷酸果糖

2 3-磷酸甘油醛
醛缩酶

1 6-磷酸果糖 Pi H2 O

1, 6-二磷酸果糖

?磷

酸 戊 糖 途 径 (pentose phosphate pathway)的总反应式:
6 G-6-P + 12NADP+ +7 H2O → 5 G-6-P + 6CO2 + 12NADPH +12H++H3PO4

?

?

即六分子G-6-P可生成6分子CO2,4分子F-6P,2分子3-磷酸甘油醛和12分子NADPH。

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。

Section 4

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子多 糖类化合物。 ? 糖原分子的直链部分借α -1,4-糖苷 键而将葡萄糖残基连接起来,其支 链部分则是借α -1,6-糖苷键而形成 分支。

非还原性末端

α-1,4-糖苷键

α-1,6-糖苷键

还原性末端

? 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:
己糖激酶(葡萄糖激酶)

G + ATP

G-6-P + ADP

⑵ 异构:G-6-P转变为G-1-P:
磷酸葡萄糖变位酶

G-6-P

G-1-P

⑶ 转 形 : G-1-P 转 变 为 尿 苷 二 磷 酸 葡 萄 糖 (UDPG):
UDPG焦磷酸化酶

G-1-P + UTP

UDPG + PPi

UDPG 是糖基转移的活泼形式

+
UTP UDPG +PPi

1-磷酸葡萄糖

2.缩合:糖原合成酶催化糖原的合成
UDPG + (G)n
糖原合酶

*

(G)n+1 + UDP

UDPG UDP

糖原(n个G分子)

糖原(n+1)

3.糖原分支的产生
?

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6~7个葡萄糖残基组成的寡糖链由 α -1,4-糖苷键转变为α -1,6-糖苷键,使 糖原出现分支。

α-1,4

α-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 (glycogen 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 α -1,4- 糖 苷 键 磷 酸解,生成G-1-P。
糖原磷酸化酶

*
(G)n-1 + G-1-P

(G)n + Pi

糖原磷酸化酶的作用位点及产物
断键部位

非还原性末端 磷酸化酶 a

磷酸

+
G-1-P

? 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α -1,6-葡萄糖苷酶催化。将 α -1,6-糖苷键水解,生成一分子自由葡 萄糖。
α-1,6-葡萄糖苷酶

(G)n + H2O

(G)n-1 + G

2.异构:
磷酸葡萄糖变位酶

G-1-P

G-6-P

3.脱磷酸: 由 葡 萄 糖 -6- 磷 酸 酶 (glucose-6phosphatase)催化,生成自由葡萄糖。该 酶只存在于肝及肾中。
葡萄糖-6-磷酸酶

G-6-P + H2O

G + Pi

(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, 其辅酶是磷酸吡哆醛。

糖 原 磷 酸 解 的 步 骤

非还原端
磷酸化酶a

糖原核心

G -1-P

G -6-P

转移酶(糖原脱枝酶)

G
G
脱枝酶(糖原脱枝酶) (释放1个葡萄糖)

三、糖原合成与分解的调节
糖原的分解和合成都是根据肌体的需要由一系列的调控机制进 行调控,其限速酶分别为磷酸化酶和糖原合成酶。它们的活性是 受磷酸化或去磷酸化的共价修饰的调节及变构效应的调节。二种 酶磷酸化及去磷酸化的方式相似,但其效果相反。
糖原合成酶 a ( 有活性)

OH OH ATP

Pi

糖原磷酸化酶 b ( 无活性)

H2O

糖原合成酶 b ( 无活性) 糖原磷酸化酶 a ( 有活性)

P P

ADP

激素通过cAMP-蛋白激酶调节代谢示意图
激素
受体 G蛋白 环化酶

细胞膜

ATP
R

cAMP+PPi
c
ATP

c
蛋白激酶 (无活性)

+

R

cAMP

蛋白激酶(有活性)

ADP
磷酸化蛋白激酶

非磷酸化蛋白激酶

内在蛋白质的磷酸化作用 改变细胞的生理过程
细胞膜

cAMP激活蛋白 激酶的作用机理

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。 3.利用乳酸:肝中可经糖异生途径利 用糖无氧酵解产生的乳酸来合成糖 原。这就是肝糖原合成的三碳途径 或间接途径。

Section 5

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。

糖原(或淀粉)

糖异生的关键反应

1-磷酸葡萄糖 6-磷酸葡萄糖 6-磷酸果糖 果糖 激酶


己糖激酶
葡萄糖

二磷酸果糖 磷酸酯酶

6-磷酸葡萄糖磷酸酯酶



1,6-二磷酸果糖

3-磷酸甘油醛?磷酸二羟丙酮

2?磷酸烯醇丙酮酸 丙酮酸 激酶 PEP羧激酶



2?草酰乙酸 丙酮酸羧化酶

2?丙酮酸

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。 1.G-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。
?
葡萄糖-6-磷酸酶

*
G + Pi

G-6-P + H2O

糖异生途径关键反应之一
P
6-磷酸葡萄糖 磷酸酯酶

H

+ H2O

+Pi

6-磷酸葡萄糖

葡萄糖

2.F-1,6-BP → F-6-P:
果糖双磷酸酶-1

*
F-6-P + Pi

F-1,6-BP + H2O

糖异生途径关键反应之二

H2CO P O H H H2CO P HO OH 二磷酸果糖 磷酸酯酶

H2CO P O H H OH H H2COH

+ H2O

HO
OH

+ Pi

H OH 1,6-二磷酸果糖

6-磷酸果糖

3.丙酮酸→ 磷酸烯醇式丙酮酸: 经由丙酮酸羧化支路完成。 ? 丙酮酸→草酰乙酸:

*
丙酮酸羧化酶 (生物素)

丙酮酸 + ATP + C2O
草酰乙酸 + ADP + Pi ?草酰乙酸→磷酸烯醇式丙酮酸(PEP):
磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶

*

草酰乙酸 + GTP PEP + GDP + C2O

糖异生途径关键反应之三
CO2 ATP+H2O ADP+Pi

丙酮酸羧化酶 丙酮酸 PEP羧激酶 草酰乙酸 GTP

P
磷酸烯醇丙酮酸 (PEP)

GDP

CO2

G

胞液

线粒体

乙酰CoA

PEP

丙酮酸

丙酮酸

草酰乙酸

草酰乙酸

苹果酸

苹果酸 PEP

二、糖异生的调节
AMP F-2,6-BP
ATP

-

+

果糖双磷酸酶-1 fructose biphosphatase-1

乙酰CoA

+
丙酮酸羧化酶 pyruvate carboxylase

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→ α -酮戊二酸 Ile,Met,Ser,Thr,Val→ 琥珀酰CoA Phe,Tyr→ 延胡索酸 Asn,Asp→ 草酰乙酸

2.甘油: 甘油三酯→甘油→α -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。

Section 6





? 血液中的葡萄糖含量称为血糖。

按真糖法测定,正常空腹血糖 浓度为3.89~6.11mmol/L (70~100mg%)。

一、血糖的来源与去路
消化吸收 肝糖异生 肝糖原分解 氧化供能

血糖

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。


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