戊糖磷酸途径异生糖原合成与分解课件

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1、戊糖磷酸途径和糖的其他代谢途径,1. 是糖代谢的第二条重要途径2. 在细胞浆中进行3. 广泛存在于动植物细胞内,第一节 戊糖磷酸途径(pentose phosphate pathway, PPP),一、 概念,磷酸戊糖途径是指由葡萄糖生成磷酸戊糖及NADPH+H+,前者再进一步转变成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反应过程。,磷酸戊糖途径又称戊糖支路(pentose shunt)、己糖单磷酸途径(hexose monophosphate pathway)、磷酸葡糖酸氧化途径(phosphogluconate oxidative pathway)、戊糖磷酸循环(pentose phosphate

2、cycle)。这些名称均强调从磷酸化的六碳糖形成磷酸化的五碳糖。,二、磷酸戊糖途径的反应过程,磷酸戊糖途径的核心反应式: G-6-P + 2NADP+ + H2O R-5-P + 2NADPH + 2H+ +CO2,全部代谢过程可分为两个阶段:,氧化脱羧阶段:生成NADPH及CO2 非氧化分子重排阶段:一系列基团的转移,1. 磷酸戊糖途径的氧化脱羧阶段,G-6-P,6-P-葡萄糖酸,5-P-核酮糖,6-P-葡萄糖酸脱氢酶,2.磷酸戊糖途径的非氧化分子重排阶段,6 核酮糖-5-磷酸,转醛酶,异构酶,转酮酶,转酮酶,醛缩酶,异构酶,果糖-1, 6-二磷酸酶,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之一(核酮糖-5

3、-磷酸异构化),差向异构酶,异构酶,木酮糖-5-磷酸,核糖-5-磷酸,核酮糖-5-磷酸,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之二(基团转移),转醛酶,转酮酶,基团转移(续前),转酮酶,果糖-1,6-二磷酸,醛缩酶,果糖-1,6-二磷酸酯酶,磷酸戊糖途径的非氧化阶段之三 (甘油醛-3-磷酸异构、缩合与水解),异构酶,磷酸葡萄糖异构酶,磷酸戊糖途径的总反应式,产生大量NADPH,主要用于还原(加氢)反应,为细胞提供还原力,三、磷酸戊糖途径的生理意义,产生大量的磷酸核糖和其它重要中间产物,与光合作用联系,实现某些单糖间的转变,第二节 糖的异生(Gluconeogenesis),一、糖异生的概念,由丙酮酸、草酰乙

4、酸、乳酸、丙酸、甘油、氨基酸等非糖物质转变成葡萄糖的过程称为糖异生。,糖异生研究中最直接的证据来自动物实验:大鼠禁食24小时,肝中糖原从7% 1%,若喂乳酸、丙酮酸等肝糖原的量会增加。,葡萄糖的来源饮食摄入,体内糖原分解,糖异生。,二、糖异生途径,酵解途径中有3个由关键酶催化的不可逆反应在糖异生时,须由另外的反应和酶代替。,糖异生途径与酵解途径大多数反应是共有、可逆的;基本上是糖酵解的逆过程,但必须克服三个“能障” 。,场所:主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体,三、糖 酵 解 过 程,三个不可逆过程,1、丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸,PEP羧激酶 (线粒体/胞液),丙酮酸羧化酶 (线粒体),丙酮酸

5、,线粒体中 草酰乙酸的转运,2、1,6-二磷酸果糖的水解,底物循环,作用物的互变反应分别由不同的酶催化其单向反应,这种互变循环就称为底物循环。,3、6-磷酸葡萄糖的水解,底物循环,4、糖酵解和葡萄糖异生途径中酶的差异,葡萄糖-6-磷酸酶,第1步,第2步,第3步,草酰乙酸,丙酮酸羧化酶,磷酸烯醇式丙酮酸 羧激酶,果糖二磷酸酶,ATP,GTP,ATP,四、由丙酮酸到葡萄糖的能量消耗,2Pyr+4ATP+2GTP2NADH+6H2O,G+4ADP+2GDP2NAD+2H,1. 异生途径:,2. EMP逆过程:,2Pyr+2ATP+2NADH+2H2O,G+2ADP+2Pi2NAD,G2Pyr:可产生

6、2ATP 异生消耗:4ATP2GTP,五、葡萄糖异生作用的调节,1、磷酸果糖激酶(PFK)和果糖-1、6-二磷酸酶的调节,当AMP水平高时,表明需要ATP, PFK激活,增加糖酵解,由于果糖-1、6-二磷酸酶受抑制,则糖异生关闭。当ATP和柠檬酸水平高时, PFK受抑制,降低糖酵解的速率,柠檬酸增加果糖-1、6-二磷酸酶活性,从而增加糖异生速率。,当饥饿时,由于血糖水平低,激素胰高血糖素释放,引起cAMP的级联作用, 使酶蛋白磷酸化(FBPase2活化),降低F-2、6-BP;当进食时,血糖水平较高,激素胰岛素释放,使F-2、6-BP增加,激活PFK,加速酵解;同时F-2、6-BP的增加抑制果

7、糖-1、6-二磷酸酶活性,使糖异生作用受抑制。,高水平的ATP和Ala抑制丙酮酸激酶,从而抑制糖酵解;由于该情况下乙酰CoA亦是充裕的,则活化丙酮酸羧化酶,有助于糖异生的进行。反之,在细胞供能状态较低时,ADP水平较高,则抑制丙酮酸羧化酶和PEP羧激酶,关闭糖异生作用。,2、丙酮酸激酶、丙酮酸羧化酶和PEP羧激酶的调节:,丙酮酸激酶被F-1、6BP活化(前馈激活),即需要糖酵解加速时该酶的活性被提高。,当饥饿时,由于血糖水平低,激素胰高血糖素释放,引起cAMP的级联作用,使丙酮酸激酶发生磷酸化,从而失去活性,抑制糖酵解。,六、糖异生作用的意义,在饥饿情况下保证血糖浓度的相对恒定 补充糖原贮备

8、有利于乳酸的利用 植物油料种子萌发时,脂肪酸糖异生,第三节、乙醛酸循环 (Glyoxylate pathway or Cycle),由于循环中产物为乙醛酸而得名 只有一些植物和微生物兼具有这样的途 径,动物中不存在。 乙醛酸途径中的酶存在于线粒体和植物的乙醛酸循环体(Glyoxysome)中,乙醛酸循环反应历程,CoASH,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,草酰乙酸,苹果酸,延胡索酸,三羧酸循环,1,乙醛酸循环体,线粒体,乙醛酸循环体,胞液,乙醛酸循环总反应式,草酰乙酸+ 2CoASH+NADH+H+ +FADH2,2乙酰CoA+NAD+ FAD,糖异生,油类植物种子

9、中的油,脂代谢,糖,乙醛酸循环,草酰乙酸,乙酰CoA,乙醛酸的生物意义,种子萌发,第四节 糖原的分解与合成,糖原: 是由若干个葡萄糖单位组成的具有许多分支结构 的多糖,是动物体内糖的储存形式。,糖原以颗粒形式存在于细胞质中,颗粒中除含糖原外,还有催化其合成与降解的酶以及调节蛋白。糖原主要储存在肝和肌肉组织中,肝糖原分解主要是补充血糖,肌糖原分解主要是为 肌肉收缩提供能量。,一、糖原的分解 (Glycogen breakdown),肝糖原分解后绝大部分转化为葡萄糖释放入血。,糖原磷酸化酶 糖原脱枝酶 磷酸葡萄糖变位酶,糖原磷酸解的反应过程为:,糖原的降解需要三种酶:,糖原磷酸化酶 从糖原的非还原

10、端逐个断下葡萄糖分子,催化断裂的是末端葡萄糖残基C1与相邻葡萄糖残基C4之间的糖苷键(-1,4-糖苷键),断裂后氧原子留在C4上。只作用到糖原分支点前4个葡萄糖残基处即不能再继续催化。,糖原磷酸化酶b 糖原磷酸化酶a,无活性,磷酸化酶激酶,糖原糖原脱枝酶 具有糖基转移酶和a-(16)糖苷酶的活性,有活性,糖原磷酸解的步骤,糖原核心,磷酸化酶a,葡萄糖磷酸变位酶,葡萄糖-1-磷酸 葡萄糖-6-磷酸,磷酸葡萄糖变位酶,乳酸循环(可立氏循环,Cori 循环),乳酸循环的生理意义:促进乳酸再利用,更新肝糖原,防止酸中毒,+H+,Cori循环在激烈运动时,糖酵解作用产生的NADH的速度超出通过呼吸链再形

11、成NAD+的能力。这时肌肉中酵解过程形成的丙酮酸由乳酸脱氢酶转变为乳酸使NAD+再生,这样糖酵解作用才能继续提供ATP。肌肉细胞内的乳酸扩散到血液并随着血流进入肝脏细胞,在肝脏中通过糖异生途径转变为葡萄糖,又回到血液,随血流供应肌肉和脑对葡萄糖的需要。这个循环过程称Cori循环,二、糖原的生物合成,3. 糖原分枝酶(glycogen branching enzyme) 催化-1,6-糖苷键合成,糖原的生物合成通过三个步骤,包括三种酶。,1. UDP-葡萄糖焦磷酸化酶 (UDP-glucose pyrophosphorylase) 催化形成(尿苷二磷酸葡萄糖UDPG),2. 糖原合成酶(glyc

12、ogen synthase) 催化-1,4-糖苷键合成,尿苷二磷酸葡萄糖的生成,UDP-葡萄糖 焦磷酸化酶,+PPi,糖原合成酶反应,UDPG,UDP,糖原(n个G分子),糖原(n+1),糖原新分支的形成,糖原核心,糖原核心,糖原核心,糖原核心,非还原性末端,-1,4 糖苷键,-1,6 糖苷键,糖原分支酶,三、糖原分解和合成的调控,它们的快速调节有共价修饰和变构调节二种方式。 它们都以活性、无(低)活性二种形式存在,二种形式之间可通过磷酸化和去磷酸化而相互转变。,这两种关键酶的重要特点:, 调节有级联放大作用,效率高;, 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;, 受激素调节。,1. 共价修饰调节,磷酸化酶b激酶,糖原合酶-P,磷酸化酶b,磷蛋白磷酸酶抑制剂,AMP,磷酸二酯酶,胰岛素,(),2. 别构调节,磷酸化酶二种构像紧密型(T)和疏松型(R) ,其中T型的磷酸化的14位Ser暴露,在磷蛋白磷酸酶-1催化下去磷酸化糖原合成,葡萄糖是磷酸化酶的别构抑制剂。,3、肌肉内糖原代谢的二个关键酶 的调节与肝糖原不同,在糖原分解代谢时肝主要受胰高血糖素的调节,而肌肉主要受肾上腺素调节。 肌肉内糖原合酶及磷酸化酶的变构效应物主要为AMP、ATP及6-磷酸葡萄糖。 Ca2+升高,激活肌肉磷酸化酶b激酶,

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