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1、糖 代 谢,Metabolism of Carbohydrates,第 4 章,糖的化学,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。,糖的概念,糖的分类及其结构,根据其水解产物的情况，糖主要可分为以下四大类:,单糖 (monosacchride) 寡糖 (oligosacchride) 多糖 (polysacchride) 结合糖 (glycoconjugate),葡萄糖(glucose) （已醛糖）,果糖(fructose) （已酮糖）,单糖不能再水解的糖。,半乳糖(galactose) （已醛糖）,核糖(ribose) （戊醛糖）,寡糖,
2、常见的几种二糖有：,麦芽糖 (maltose)：葡萄糖 葡萄糖,蔗 糖 (sucrose)：葡萄糖 果糖,乳 糖 (lactose)：葡萄糖 半乳糖,能水解生成几分子单糖的糖，各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连。,多糖能水解生成多个分子单糖的糖。,常见的多糖有：,淀粉 (starch),糖原 (glycogen),纤维素 (cellulose),淀粉是植物中养分的储存形式。,淀粉颗粒,糖原是动物体内葡萄糖的储存形式。,纤维素作为植物的骨架。,-1,4-糖苷键,结合糖糖与非糖物质的结合物。,糖脂 (glycolipid)：是糖与脂类的结合物。 糖蛋白 (glycoprotein)：是糖与蛋白质的结
3、合物。,常见的结合糖有：,第一节 概 述,Introduction,一、糖的主要生理功能是氧化供能,糖在生命活动中的主要作用是提供碳源和能源。,如糖可提供合成某些氨基酸、脂肪、胆固醇、核苷等物质的原料。,作为机体组织细胞的组成成分。,提供合成体内其他物质的原料。,如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成成分。,二、糖的消化吸收主要是在小肠进行,糖的消化,人类食物中的糖主要有植物淀粉、动物糖原以及麦芽糖、蔗糖、乳糖、葡萄糖等，其中以淀粉为主。,消化部位： 主要在小肠，少量在口腔。,淀粉,麦芽糖+麦芽三糖 （40%） （25%）,-临界糊精+异麦芽糖 （30%） （5%）,葡萄糖,唾液中的-淀粉酶,-
4、葡萄糖苷酶,-临界糊精酶,消化过程：,肠粘膜上皮细胞刷状缘,口腔,肠腔,胰液中的-淀粉酶,食物中含有的大量纤维素，因人体内无-糖苷酶而不能对其分解利用，但却具有刺激肠蠕动等作用，也是维持健康所必需。,糖的吸收,吸收部位：小肠上段,吸收形式：单糖,ADP+Pi,ATP,G,Na+,K+,小肠粘膜细胞,肠腔,门静脉,吸收机制：,Na+依赖型葡萄糖转运体 (Na+-dependent glucose transporter, SGLT),刷状缘,细胞内膜,葡萄糖转运进入细胞,这一过程依赖于葡萄糖转运体(glucose transporter，GLUT)。,三、糖代谢的概况,葡萄糖,酵解途径,丙酮酸,
5、有氧,无氧,H2O及CO2,乳酸,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,磷酸戊糖途径,核糖 + NADPH+H+,淀粉,第二节 糖的无氧分解,Glycolysis,在机体缺氧条件下，葡萄糖经一系列酶促反应生成丙酮酸进而还原生成乳酸的过程称为糖酵解(glycolysis)，亦称糖的无氧氧化(anaerobic oxidation)。 糖酵解的反应部位：胞浆。,一、糖无氧氧化反应过程分为酵解途径和乳酸生成两个阶段,第一阶段：由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称之为糖酵解途径(glycolytic pathway)。 第二阶段：由丙酮酸转变成乳酸。,糖酵解分为两个阶段：,葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,葡
6、萄糖,6-磷酸葡萄糖 (glucose-6-phosphate, G-6-P),（一）葡萄糖经酵解途径分解为两分子丙酮酸,哺乳类动物体内已发现有4种己糖激酶同工酶，分别称为至型。肝细胞中存在的是型，称为葡萄糖激酶(glucokinase)。 它的特点是：对葡萄糖的亲和力很低；受激素调控。 这些特性使葡萄糖激酶在维持血糖水平和糖代谢中起着重要的生理作用。,6-磷酸葡萄糖转变为 6-磷酸果糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖 (fructose-6-phosphate, F-6-P),6-磷酸果糖转变为1,6-双磷酸果糖,6-磷酸果糖激酶-1(6-phosphfructokinase-1),6-磷酸果
7、糖,1,6-双磷酸果糖(1, 6-fructose-biphosphate, F-1,6-2P),1,6-双磷酸果糖,磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,磷酸丙糖的同分异构化,3-磷酸甘油醛氧化为1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油醛,1,3-二磷酸 甘油酸,1,3-二磷酸甘油酸转变成3-磷酸甘油酸,在以上反应中，底物分子内部能量重新分布，生成高能键，使ADP磷酸化生成ATP的过程，称为底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation) 。,1,3-二磷酸 甘油酸,3-磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸转变为磷酸烯醇式丙酮酸,2-磷酸甘油酸,磷
8、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,磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,（二）丙酮酸转变成乳酸,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。,糖酵解的代谢途径,E2,E1,E3,糖酵解小结,反应部位：胞浆； 糖酵解是一个不需氧的产能过程； 反应全过程中有三步不可逆的反应：,产能的方式和数量 方式：底物水平磷酸化 净生成ATP数量：从G开始 22-2= 2ATP 从Gn开始 22-1= 3ATP 终产物乳酸的去路 释放入血，进入肝脏再进一步代谢： 分解利用 乳酸循环（糖异生）,除葡萄糖外，其它己糖也可转变成磷酸己糖而进入酵解途径。,二、糖酵解的调控是
9、对3个关键酶活性的调节,关键酶,调节方式,（一）6-磷酸果糖激酶-1对调节酵解途径的流量最重要,变构调节,别构激活剂：AMP; ADP; F-1,6-2P; F-2,6-2P 别构抑制剂：柠檬酸; ATP（高浓度）,ATP对6-磷酸果糖激酶-1的调节：,2,6-双磷酸果糖是6-磷酸果糖激酶-1最强的变构激活剂； 其作用是与AMP一起取消ATP、柠檬酸对6-磷酸果糖激酶-1的变构抑制作用。,2,6-双磷酸果糖对6-磷酸果糖激酶-1的调节：,F-6-P,F-1,6-2P,ATP,ADP,PFK-1,磷蛋白磷酸酶,PKA,（二）丙酮酸激酶是糖酵解的第二个重要的调节点,别构调节,别构抑制剂：ATP,
10、丙氨酸,别构激活剂：1,6-双磷酸果糖,共价修饰调节,丙酮酸激酶,丙酮酸激酶,ATP,ADP,Pi,磷蛋白磷酸酶,（无活性）,（有活性）,PKA：蛋白激酶A (protein kinase A),CaM：钙调蛋白,（三）己糖激酶受到反馈抑制调节,6-磷酸葡萄糖可反馈抑制己糖激酶，但肝葡萄糖激酶不受其抑制。 长链脂肪酰CoA可别构抑制肝葡萄糖激酶。 胰岛素可诱导葡萄糖激酶基因的转录，促进酶的合成。,三、糖酵解的主要生理意义是在机体缺氧的情况下快速供能,是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。 是某些细胞在氧供应正常情况下的重要供能途径。, 无线粒体的细胞，如：红细胞, 代谢活跃的细胞，如：白细胞、
11、骨髓细胞,第三节 糖的有氧氧化 Aerobic Oxidation of Carbohydrate,糖的有氧氧化(aerobic oxidation)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。,部位：胞液及线粒体,概念,一、糖有氧氧化的反应过程包括糖酵解途径、丙酮酸氧化脱羧、三羧酸循环及氧化磷酸化,第一阶段：酵解途径,第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧,第三阶段：三羧酸循环,G（Gn）,第四阶段：氧化磷酸化,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TAC循环,胞液,线粒体,（一）葡萄糖循糖酵解途径分解为丙酮酸,总反应式:,（二）丙酮酸进入线粒体
12、氧化脱羧生成乙酰CoA,丙酮酸脱氢酶复合体的组成,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,TPP 硫辛酸（ ) HSCoA FAD, NAD+,酶,辅酶,丙酮酸脱氢酶复合体催化的反应过程：,1. 丙酮酸脱羧形成羟乙基-TPP，由丙酮酸脱氢酶催化(E1)。 2. 由二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化形成乙酰硫辛酰胺-E2。 3. 二氢硫辛酰胺转乙酰酶(E2)催化生成乙酰CoA, 同时使硫辛酰胺上的二硫键还原为2个巯基。 4. 二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)使还原的二氢硫辛酰胺脱氢，同时将氢传递给FAD。 5. 在二氢硫辛酰胺脱氢酶(E3)催化下，将FADH2上的H转移
13、给NAD+，形成NADH+H+。,CO2,CoASH,NAD+,NADH+H+,5. NADH+H+的生成,1. -羟乙基-TPP的生成,2.乙酰硫辛酰胺的生成,3.乙酰CoA的生成,4. 硫辛酰胺的生成,三羧酸循环(Tricarboxylic Acid Cycle, TAC)也称为柠檬酸循环，这是因为循环反应中的第一个中间产物是一个含三个羧基的柠檬酸。由于Krebs正式提出了三羧酸循环的学说，故此循环又称为Krebs循环，它由一连串反应组成。,二、三羧酸循环是以形成柠檬酸为起始物的循环反应系统,概述,反应部位：线粒体,（一）TCA循环由8步代谢反应组成,乙酰CoA与草酰乙酸缩合成柠檬酸 柠檬
14、酸经顺乌头酸转变为异柠檬酸 异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸 -酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA 琥珀酰CoA合成酶催化底物水平磷酸化反应 琥珀酸脱氢生成延胡索酸 延胡索酸加水生成苹果酸 苹果酸脱氢生成草酰乙酸,NADH+H+,NAD+,NAD+,NADH+H+,GTP,GDP+Pi,FAD,FADH2,NADH+H+,NAD+,柠檬酸合酶,顺乌头酸梅,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,小结：,三羧酸循环的概念：指乙酰CoA和草酰乙酸缩合生成含三个羧基的柠檬酸，反复的进行脱氢脱羧，又生成草酰乙酸，再重复循环反应的过程。 TAC过
15、程的反应部位是线粒体。,经过一次三羧酸循环， 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，-酮戊二酸脱氢酶复合体， 异柠檬酸脱氢酶。,整个循环反应为不可逆反应。,三羧酸循环的要点：,三羧酸循环中间产物起催化剂的作用，本身无量的变化，不可能通过三羧酸循环直接从乙酰CoA合成草酰乙酸或三羧酸循环中其他产物，同样中间产物也不能直接在三羧酸循环中被氧化为CO2及H2O。,三羧酸循环的中间产物：,表面上看来，三羧酸循环运转必不可少的草酰乙酸在三羧酸循环中是不会消耗的，它可被反复利用。
16、实际上：,例如：,.机体内各种物质代谢之间是彼此联系、相互配合的，TAC中的某些中间代谢物能够转变合成其他物质，借以沟通糖和其他物质代谢之间的联系。,.机体糖供不足时，可能引起TAC运转障碍，这时苹果酸、草酰乙酸可脱羧生成丙酮酸，再进一步生成乙酰CoA进入TAC氧化分解。,所以，草酰乙酸必须不断被更新补充。,草酰乙酸的来源如下：,（二）TCA循环受底物、产物和关键酶活性的调节,TCA循环主要受其底物、产物、关键酶活性3种因素的调控。 TCA循环的速率和流量主要受3种因素的调控：底物的供应量，催化循环最初几步反应酶的反馈别构抑制，产物堆积的抑制作用。,1TCA循环中有3个关键酶,柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶 -酮戊二酸脱氢酶
