生物化学与分子生物学课件：糖代谢3-2016秋.pptx

1、Metabolism of Carbohydrates内容提纲u概述u糖的分解代谢l糖的无氧氧化l糖的有氧氧化l磷酸戊糖途径u 糖原的合成与分解u 糖异生作用u 血糖及其调节201糖的无氧氧化02糖的有氧氧化03磷酸戊糖途径04糖醛酸途径Contents糖的分解代谢3第四节 磷酸戊糖途径pentose phosphate pathway4磷酸戊糖途径u 概念概念u 反应过程反应过程u 调节调节关键关键酶酶u 生理意义生理意义5磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径指指由葡萄糖生成由葡萄糖生成磷酸戊糖磷酸戊糖及及NADPH+H+，前者再前者再进一步转变成进一步转变成3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛和和6-磷磷酸果糖酸

2、果糖的反应过程。的反应过程。概念6磷酸戊糖旁路、葡糖酸磷酸支路7磷磷酸酸戊戊糖糖途途径径磷酸戊糖反应部位：细胞质反应部位：细胞质l 第一阶段：氧化反应第一阶段：氧化反应 生成生成磷酸戊糖，磷酸戊糖，NADPH+H+及及CO2u反应过程可分为二个阶段反应过程可分为二个阶段 l 第二阶段则是非氧化反应第二阶段则是非氧化反应 包括一系列基团转移。包括一系列基团转移。 一、磷酸戊糖途径的反应过程8CCCCCOOCH2OHOHOHOHHHHOHP P6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸 CH2OHC=OCCCH2OOHOHHHP P5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖 NADPH+H+ NADP+ H2O NADP+ CO

3、2 NADPH+H+ 6-磷酸葡萄糖脱氢酶 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶 CH2OH C O 6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 CCCCCCH2OHOHOHOHHHHOHHOP P6-磷酸葡萄糖酸内酯磷酸葡萄糖酸内酯 CCCCC=OCH2OHOHOHHHHOHOP P5-磷酸核糖磷酸核糖 1. 磷酸戊糖和NADPH+H+生成 9l催化第一步脱氢反应的6-磷酸葡萄糖脱氢酶是此代谢途径的关键酶。l两次脱氢脱下的氢均由NADP+接受生成NADPH + H+。l反应生成的磷酸核糖是一个非常重要的中间产物。G-6-P 5-磷酸核糖磷酸核糖 NADP+ NADPH+H+ NADP+ NADPH+H+ CO2 10每3分

4、子6-磷酸葡萄糖同时参与反应，在一系列反应中，通过3C、4C、5C、6C、7C等演变阶段，最终生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛和和6-磷酸果糖磷酸果糖，可，可进入糖酵解。进入糖酵解。因此，因此，磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径也称也称磷酸戊糖旁路磷酸戊糖旁路(pentose phosphate shunt)。2. 基团转移反应 11这些基团转移反应可分为两类：这些基团转移反应可分为两类： 一类是一类是转酮醇酶（转酮醇酶（transketolasetransketolase）反应）反应，转，转移含移含1 1个酮基、个酮基、1 1个醇基的个醇基的2 2碳基团；接受体都碳基团；接受

5、体都是醛糖。是醛糖。另一类是另一类是转醛醇酶（转醛醇酶（transaldolasetransaldolase）反应）反应，转移转移3 3碳单位；接受体也是醛糖。碳单位；接受体也是醛糖。 125-磷酸核酮糖磷酸核酮糖(C5) 3 5-磷酸核糖磷酸核糖 C55-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 C55-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 C57-磷酸景天糖磷酸景天糖 C73-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 C34-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖 C46-磷酸果糖磷酸果糖 C66-磷酸果糖磷酸果糖 C63-磷酸磷酸甘油醛甘油醛 C313磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径第一阶段第一阶段 第第二二阶阶段段 5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖 C55-磷酸木酮糖磷酸木

6、酮糖 C57-磷酸景天糖磷酸景天糖 C73-磷酸甘油醛磷酸甘油醛 C34-磷酸赤藓糖磷酸赤藓糖 C46-磷酸果糖磷酸果糖 C66-磷酸果糖磷酸果糖 C63-磷酸磷酸甘油醛甘油醛 C35-磷酸核糖磷酸核糖 C56-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖(C6)3 6-磷酸葡萄糖酸内酯磷酸葡萄糖酸内酯(C6)3 6-磷酸葡萄糖酸磷酸葡萄糖酸(C6)3 5-磷酸核酮糖磷酸核酮糖(C5) 3 3NADP+ 3NADPH+3H+ 6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶 3NADP+ 3NADPH+3H+ 6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶磷酸葡萄糖酸脱氢酶 CO214总反应式总反应式 36-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖 + 6 NADP+ 2

7、6-磷酸果糖磷酸果糖+3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛+6(NADPH+H+)+3CO2 15磷酸戊糖途径的特点 16 脱氢反应以脱氢反应以NADP+为受氢体，生成为受氢体，生成NADPH+H+。 反应过程中进行了一系列酮基和醛基转移反应，反应过程中进行了一系列酮基和醛基转移反应，经过了经过了3、4、5、6、7碳糖的演变过程。碳糖的演变过程。 反应中生成了重要的中间代谢物反应中生成了重要的中间代谢物5-磷酸核糖磷酸核糖 一分子一分子G-6-P经过反应，只能发生经过反应，只能发生一次脱羧一次脱羧和和二次二次脱氢脱氢反应，生成一分子反应，生成一分子CO2和和2分子分子NADPH+H+二、磷酸戊糖途径的调节

8、17关键酶关键酶：6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶 其活性的高低决定其活性的高低决定G-6-P进入磷酸戊糖进入磷酸戊糖途径的流量。途径的流量。NADPH+H+对该酶有强烈抑制作用。对该酶有强烈抑制作用。NADPH+H+/NADP+比值比值，则酶活，则酶活性性；比值比值，则酶激活则酶激活。三、磷酸戊糖途径的生理意义181. 为为核酸的生物合成提供核酸的生物合成提供核糖核糖 2. 提供提供NADPH+H+作为作为供氢体参与供氢体参与多种代谢反应多种代谢反应 （1）NADPH是体内许多是体内许多合成代谢的供氢体合成代谢的供氢体 （2）NADPH参与体内的参与体内的羟化反应羟化反应，与生物，与生物

9、合成或生物转化有关合成或生物转化有关（3）NADPH+H+可可维持维持GSH的还原性的还原性 2G-SH G-S-S-GNADP+ NADPH+H+A AH2 谷胱甘肽还原酶谷胱甘肽还原酶19还原型谷胱甘肽还原型谷胱甘肽能保护许多蛋白质和酶等分子中的巯能保护许多蛋白质和酶等分子中的巯基免受氧化剂损害，保护红细胞膜的完整性。基免受氧化剂损害，保护红细胞膜的完整性。蚕豆病l病因： 6-磷酸葡萄糖脱氢酶缺乏；l症状：急性血管内溶血(溶血性黄疸)；l诱因：食用新鲜蚕豆或接触蚕豆花粉，服用或接触某些药物、感染等。6-6-磷酸葡萄糖脱氢酶磷酸葡萄糖脱氢酶NADPH+HNADPH+H+ +GSHGSH GS

10、H过低，过低，红细胞易于破红细胞易于破裂裂而而发生溶血性贫血发生溶血性贫血20磷酸戊糖途径 要求21磷酸戊糖途径磷酸戊糖途径的关键酶的关键酶和生理意义及和生理意义及NADPH+H+的的作用；作用；【掌握掌握】磷酸戊糖途径的反应过程；磷酸戊糖途径的反应过程；【熟悉熟悉】01糖的无氧氧化02糖的有氧氧化03磷酸戊糖途径04糖醛酸途径Contents糖的分解代谢22磷酸戊糖途径糖醛酸途径u反应过程：5-磷酸木酮糖磷酸木酮糖D-木酮糖木酮糖木糖醇木糖醇L-木酮糖木酮糖维生素C非灵长类L-L-古洛糖酸古洛糖酸23主要在肝中进行主要在肝中进行6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖UDPGUDPG

11、A1-磷酸磷酸葡糖醛酸葡糖醛酸葡糖醛酸葡糖醛酸NAD+NADH+H+ 生成活化的葡糖醛酸，即UDPGA。 UDPGAUDPGA是葡糖醛酸的供体，参与蛋白聚糖（如透是葡糖醛酸的供体，参与蛋白聚糖（如透明质酸、硫酸软骨素、肝素等）的生物合成过程。明质酸、硫酸软骨素、肝素等）的生物合成过程。 UDPGAUDPGA是生物转化中最重要的结合剂，可与许多是生物转化中最重要的结合剂，可与许多代谢产物、药物和毒物等结合，促其排泄。代谢产物、药物和毒物等结合，促其排泄。u 生理意义：24多元醇途径l葡萄糖代谢过程中可生成一些多元醇，如木葡萄糖代谢过程中可生成一些多元醇，如木糖醇糖醇(xylitol)、山梨醇、山

12、梨醇(sorbitol)等，所以被等，所以被称为多元醇途径称为多元醇途径(polyol pathway)。 l但这些代谢过程局限于某些组织，对整个葡但这些代谢过程局限于某些组织，对整个葡萄糖代谢所占比重极少。萄糖代谢所占比重极少。25糖的分解代谢 小结26 葡萄糖葡萄糖 糖酵解糖酵解 丙酮酸丙酮酸 无氧无氧 H2O及及CO2 乳酸乳酸 ATP 有氧有氧 磷酸戊糖磷酸戊糖途径途径 核糖和核糖和NADPH+H+糖醛酸糖醛酸途径途径 UDPGA第五节 糖原的合成与分解Glycogenesis and Glycogenolysis2701糖原的合成02糖原的分解03糖原合成与分解的调节04糖原累积症C

13、ontents糖原的合成与分解28是动物体内糖的储存形式之一，是机体是动物体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储备。能迅速动用的能量储备。肌肉：肌糖原肌肉：肌糖原，180 300g，主要供肌肉收缩所需主要供肌肉收缩所需肝脏：肝糖原，肝脏：肝糖原，70 100g，维持空腹血糖维持空腹血糖浓度浓度肾脏：肾糖原，极少，主要参与调节肾的酸碱平衡肾脏：肾糖原，极少，主要参与调节肾的酸碱平衡u糖 原 (glycogen) u糖原储存的主要器官及其生理意义 291. 葡萄糖单元以葡萄糖单元以-1,4-糖苷糖苷 键键形成长链。形成长链。2. 约约10个葡萄糖单元处形个葡萄糖单元处形成分支，分支处葡萄糖

14、以成分支，分支处葡萄糖以-1,6-糖苷键糖苷键连接，分支连接，分支增加，溶解度增加。增加，溶解度增加。3. 每条链都终止于一个非每条链都终止于一个非还原端，非还原端增多，还原端，非还原端增多，以利于其被酶分解。以利于其被酶分解。u糖原的结构特点及其意义 还原端还原端非还原端非还原端非还原端非还原端非还原端非还原端非还原端非还原端非还原端非还原端-1,4-糖苷糖苷 键键30一、糖原的合成u合成部位合成部位u定义定义糖原的合成糖原的合成(glycogenesis) 指由葡萄指由葡萄糖合成糖原的过程。糖合成糖原的过程。组织定位：主要在肝脏、肌肉组织定位：主要在肝脏、肌肉细胞定位细胞定位：细胞质：细胞

15、质31u糖原的合成途径糖原的合成途径葡萄糖（葡萄糖（G）1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖己糖（葡萄糖）激酶ATPADPUDPG糖原引物糖原引物（Gn）糖原糖原（Gn+1）糖原合酶糖原合酶( glycogen synthase )UDP32还还原原端端UTPPPiUDPG焦磷酸化酶变位酶 糖原分支的形成糖原分支的形成 分分 支支 酶酶 (branching enzyme) -1,6-糖苷键糖苷键 -1,4-糖苷键糖苷键 33糖原合成反应的特点l糖原合酶糖原合酶为过程的关键酶为过程的关键酶l糖原合酶只能延长糖链，不能形成分支。分支糖原合酶只能延长糖链，不能形成分支。分支时需要时需要

16、分支酶分支酶的作用。的作用。l合成时不能从头开始，需要至少合成时不能从头开始，需要至少4 4个葡萄糖残基个葡萄糖残基作为作为引物引物l UDPGUDPG是活性葡萄糖基的供体是活性葡萄糖基的供体，其生成过程消，其生成过程消耗耗ATPATP和和UTPUTP，因此，糖原引物上每加上一个因此，糖原引物上每加上一个葡萄糖，需要葡萄糖，需要消耗两个高能磷酸键消耗两个高能磷酸键。34近来人们在糖原分子的核心发现了一种名为近来人们在糖原分子的核心发现了一种名为glycogenin的蛋白质。的蛋白质。Glycogenin可对其自身进行可对其自身进行共价修饰，将共价修饰，将UDPG分子分子的的C1结合到其酶分子的

17、酪结合到其酶分子的酪氨酸残基上，从而使它糖基化。这个结合上去的葡氨酸残基上，从而使它糖基化。这个结合上去的葡萄糖分子即成为糖原合成时的引物。萄糖分子即成为糖原合成时的引物。糖原合成过程中 作为引物的第一个糖原分子从何而来？3536糖原引物的第一个糖原引物的第一个糖原分子的来源糖原分子的来源 二、糖原的分解u定义定义u细胞细胞定位定位：细胞质：细胞质 糖原分解糖原分解 (glycogenolysis )是指糖原是指糖原分解为分解为6-磷酸葡萄糖或葡萄糖的过程磷酸葡萄糖或葡萄糖的过程 。习惯习惯上指肝糖原分解成为葡萄糖的过程。上指肝糖原分解成为葡萄糖的过程。37糖糖原原的的分分解解代代谢谢葡萄糖葡

18、萄糖（肝、肾）（肝、肾）1-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖糖原（糖原（Gn）糖无氧氧化或糖无氧氧化或有氧氧化有氧氧化（肌肉）（肌肉）葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸酶磷酸酶PiPi糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶非还原端非还原端38脱支酶脱支酶 (debranching enzyme)脱支酶的作用 转移葡萄糖残基转移葡萄糖残基水解水解 -1,6-糖苷键糖苷键 磷磷 酸酸 化化 酶酶 转移酶活性转移酶活性 -1,6糖苷酶活性糖苷酶活性 39UDPG焦磷酸化酶焦磷酸化酶 G-1-P UTP UDPG PPi 糖原糖原n+1 UDP G-6-P G 糖原合酶分支酶磷酸葡萄糖变位酶磷酸葡萄糖变位酶 己

19、糖己糖(葡萄糖葡萄糖)激酶激酶 糖原糖原n Pi 磷酸化酶脱支酶葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶（肝）磷酸酶（肝） 糖原糖原n 糖原的合成与分解总图40 三、糖原合成与分解的调节 关键酶关键酶 糖原合成：糖原合成：糖原合酶糖原合酶 糖原分解：糖原分解：糖原磷酸化酶糖原磷酸化酶 这这两种关键酶两种关键酶的重要特点：的重要特点：l有有共价修饰共价修饰和和别构调节别构调节两种两种方式。方式。l以以有活性有活性、无（低）、无（低）活性两种活性两种形式存在形式存在，通，通过过磷酸化和去磷酸化而相互转变磷酸化和去磷酸化而相互转变。41（一）共价修饰调节调节有调节有级联放大级联放大作用，效率高；作用，效率高； 两种

20、酶磷酸化或去磷酸化后活性变化相反；两种酶磷酸化或去磷酸化后活性变化相反； 此调节为酶促反应，调节速度快；此调节为酶促反应，调节速度快； 受激素调节。受激素调节。 42l糖原磷酸化酶的共价修饰调节糖原磷酸化酶的共价修饰调节l糖原合酶的共价修饰调节糖原合酶的共价修饰调节PKA43磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶磷酸化酶磷酸化酶b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶-磷酸化酶磷酸化酶a-（有活性）（有活性）PP糖原合酶糖原合酶-（无活性）（无活性）糖原合酶糖原合酶（有活性）（有活性）PKAP腺苷环化酶腺苷环化酶 （无活性）（无活性）腺苷环化酶（有活性）腺苷环化酶（有活性） 激素（胰高血糖素、肾上

21、腺素）ATP cAMP PKA(无活性无活性) 磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶 糖原合酶糖原合酶a 糖原合酶糖原合酶b- PKA(有活性有活性) 磷酸化酶磷酸化酶b 磷酸化酶磷酸化酶a- Pi 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶-1 Pi Pi 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶-1 磷蛋白磷酸酶磷蛋白磷酸酶-1 磷蛋白磷酸酶抑制剂磷蛋白磷酸酶抑制剂 PKA（有活性）有活性） 44PP磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶- P磷蛋白磷酸酶抑制剂磷蛋白磷酸酶抑制剂- P级联反应45在一个连锁反应中，一个酶被磷酸化或去磷酸化在一个连锁反应中，一个酶被磷酸化或去磷酸化激活后，激活后，后续的其他酶可同样的依次被其上游的酶共后续的其他酶

22、可同样的依次被其上游的酶共价修饰而激活，价修饰而激活，引起原始信号的放大，这种多重共价引起原始信号的放大，这种多重共价修饰的连锁反应称为修饰的连锁反应称为级联反应级联反应（cascade reaction）。）。 主要作用：产生快速、高效的主要作用：产生快速、高效的放大效应放大效应。 磷酸化酶二种构象磷酸化酶二种构象疏松型疏松型(R)和和紧密型紧密型(T)，其中其中T型的型的14位位Ser暴露，便于被磷蛋白磷暴露，便于被磷蛋白磷酸酶酸酶-1去磷酸化去磷酸化而失活。而失活。l葡萄糖是磷酸化酶葡萄糖是磷酸化酶的别构的别构抑制剂。抑制剂。 磷酸化酶磷酸化酶 a (R) 疏松型疏松型磷酸化酶磷酸化酶

23、a (T) 紧密型紧密型葡萄糖葡萄糖 （二）别构调节46肌肉内糖原代谢的二个关键酶的调节与肝糖原不同 u在在糖原分解代谢时糖原分解代谢时肝肝主要受主要受胰高血糖素胰高血糖素的调节，的调节，而而肌肉肌肉主要受主要受肾上腺素肾上腺素调节。调节。 u肌肉内糖原合酶及磷酸化酶肌肉内糖原合酶及磷酸化酶的别的别构效应构效应物：物： 糖原合酶糖原合酶磷酸化酶磷酸化酶a-P 磷酸化酶磷酸化酶bAMPATP、6-磷酸葡萄糖磷酸葡萄糖47Ca2+浓度的升高可引起肌糖原分解增加钙调蛋白钙调蛋白（磷酸化酶（磷酸化酶b激酶的激酶的d d亚基）亚基）Ca2+磷酸化酶磷酸化酶b激酶激酶磷酸化酶磷酸化酶b 激活激活肌糖原分解

24、肌糖原分解+48磷酸化酶磷酸化酶a- P 双向调控双向调控：对合成酶系与分解酶系分别进行：对合成酶系与分解酶系分别进行调节，如加强合成则减弱分解，或反之。调节，如加强合成则减弱分解，或反之。 双重调节双重调节：别构：别构调节和化学修饰调节。调节和化学修饰调节。 肝糖原和肌糖原代谢调节各有特点：肝糖原和肌糖原代谢调节各有特点： 如：分解如：分解肝糖原肝糖原的激素主要为的激素主要为胰高血糖素胰高血糖素， 分解分解肌糖原肌糖原的激素主要为的激素主要为肾上腺素肾上腺素。 关键酶调节作用存在关键酶调节作用存在级联效应级联效应。 关键酶关键酶都以都以活性、无（低）活性二种形式活性、无（低）活性二种形式存在

25、，二存在，二种形式之间可通过种形式之间可通过磷酸化和去磷酸化磷酸化和去磷酸化而相互转变而相互转变调节小结49 四、糖原累积症糖原累积糖原累积症症(glycogen storage diseases)是一类遗传性代谢病。是一类遗传性代谢病。特点：特点：体内某些器官组织中有大量糖体内某些器官组织中有大量糖原堆积。原堆积。原因：原因：先天性缺乏与糖原代谢有关的先天性缺乏与糖原代谢有关的酶类。酶类。 50型别缺陷的酶受害器官糖原结构葡萄糖葡萄糖-6-磷酸酶磷酸酶肝、肾肝、肾正常正常溶酶体溶酶体14和和16葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶所有组织所有组织正常正常脱支酶脱支酶肝、肌肉肝、肌肉分支多，外周分支多，外周糖

26、链短糖链短分支酶分支酶所有组织所有组织分支少，外周分支少，外周糖链特别长糖链特别长肌磷酸化酶肌磷酸化酶肌肉肌肉正常正常肝磷酸化酶肝磷酸化酶肝肝正常正常肌肉和红细胞磷酸果肌肉和红细胞磷酸果糖激酶糖激酶-1肌肉、红细肌肉、红细胞胞正常正常肝脏磷酸化酶激酶肝脏磷酸化酶激酶脑、肝脑、肝正常正常糖原累积症分型51糖原合成与分解的比较52糖原合成糖原分解反应部位胞质（肝脏、肌肉)胞质（肝脏、肌肉)关键酶糖原合酶磷酸化酶酶的活性形式糖原合酶a（去磷酸化）磷酶化酶a（磷酸化）底物类型-1,4-糖苷键-1,4-糖苷键需ATP每增加1分子G残基消耗2 ATP 共价调节磷酸化后活性降低磷酸化后活性增高别构调节血糖上升时,G别构抑制，酶活性下降激素调节胰岛素促进胰高血糖素、肾上腺素等促进生理意义贮备糖原维持血糖浓度稳定（肝糖原）为肌肉收缩供能（肌糖原）糖原的合成与分解 要求53糖原糖原合成与分解合成与分解的关键酶的关键酶及其催化的反应及其催化的反应【掌握掌握】 糖原糖原合成与分解的调节；合成与分解的调节；【熟悉熟悉】【了解了解】糖原累积症糖原累积症