生物化学第十一章糖代谢

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1、第十章 糖代谢,第一节 概论 第二节 糖的无氧分解 第三节 糖的有氧分解 第四节 单糖的其它代谢支路 第五节 糖原的代谢,第一节 概 述,生物所需的能量，主要由糖的分解代谢所供给，成人每天所需的热能60%70%来自糖类，植物能将二氧化碳及水合成糖类，人类和动物则利用植物所造的糖类以供给热能。 人类和动物利用糖类作能源，糖类主要是淀粉和糖原，经酶解作用变成单糖才能被吸收，进行代谢。,一、多糖及寡糖的降解,1、 淀粉酶（ amylase)：主要存在于动物体内，水解淀粉及糖原任何部位的 1，4G糖苷键。产物是G、麦芽糖、糊精。 2、 淀粉酶( amylase) ：主要存在于植物的种子和块根内，只能催

2、化从淀粉及糖原非还原端， 1、4-葡萄糖苷键依次切下两个G单位，产物为麦芽糖和糊精混合物。, 、淀粉酶对 1、6葡萄糖苷键皆无作用。 -淀粉酶-淀粉酶只表示两种淀粉酶，不表示任何构型关系。 3、 1、6葡萄糖苷酶:水解淀粉的 1、6糖苷键 ，把支链淀粉的分支切下。又称淀粉酶（ amylase),4、纤维素酶（cellulase)：水解(14)糖苷键.只存在于微生物中，某些微生物所含的水解纤维素的酶实际是多种酶组合成的酶体系。反刍动物可消化纤维素是因为其肠道细菌具有纤维素酶。 5、磷酸化酶（phosphorylase)及脱支酶(debranching enzyme)：降解糖原的酶。前者降解(14

3、)糖苷键，后者降解(16)糖苷键。糖原磷酸化酶降解糖原的产物是1磷酸葡萄糖。,磷酸解作用沿一个糖原分支进行到靠近距分支点4到5个残基，剩下一个“有限支”后糖原脱支酶将有限支连接到另一个分支的非还原端。,二、糖的吸收与转运,1.糖的吸收：食物中的糖被消化后以D-葡萄糖，D-果糖，D-半乳糖等单糖形式被小肠黏膜细胞吸收进入血液，葡萄糖等单糖被小肠黏膜细胞吸收是单糖同钠离子的同向协同运输过程，即葡萄糖和钠离子都是由细胞外向细胞内转运，葡萄糖跨膜运输所需要的能量来自细胞膜两侧的钠离子浓度梯度。各种单糖的吸收速率不同：D-半乳糖(110)D-葡萄糖(100)D-果糖(43)D-甘露糖(19)L-木酮糖(

4、15)L-阿拉伯糖(9),2.单糖的吸收：单糖吸收后进入血液，主要是葡萄糖，称血糖,正常指标范围为:4.46.7mmol/L。,三、糖的中间代谢概况,由于葡萄糖是大多数有机体生命活动的主要能源，了解葡萄糖所含的化学能如何转化成可以被细胞利用的能量形式是十分重要的。 糖分解代谢分需氧分解和无氧分解，主要途径包括：糖酵解（EMP）,三羧酸循环（TCA）,磷酸戊糖途径。,第二节 糖的无氧分解,无氧的条件下，葡萄糖进行分解，形成两分子丙酮酸并提供能量，这一过程称为糖酵解途径。是葡萄糖分解代谢所经历的共同途径。糖酵解过程被认为是生物最古老、最原始获取能量的一种形式。 这一途径是最早阐明的酶促反应系统，研

5、究得非常透彻的一个过程，因为这一过程的反应原则及调节机制，在所有细胞代谢中具有普遍意义。,一、糖酵解研究简史,发酵研究始于19世纪后半叶。 Paster L.1875年酵母菌将葡萄糖无氧氧化生成酒精。 Buchner 1897年 酵母提取液中葡萄糖也可发酵。 Harden A. Young W. 1905年 无机磷酸参与酵解并分离出1，6二磷酸果糖；酵母发酵需要“酒化酶”和“辅化酶”，获得NAD+。 Robison 分离出G-6-P和F-6-P平衡混合物。,Embodan 肌肉中存在类似途径乳酸发酵，F-1,6-2P裂解及随后步骤，Meyehof进行了合理修正并研究了能力学，葡萄糖酵解为丙酮酸

6、 亦称为EmbodanMeyerhof pathway(EMP)。,二.糖酵解的全过程,1、碳骨架6C 3C。 2、产生ATP和NADH。 3、中间代谢物以磷酸化合物的形式存在具有重要意义。 A、带负电磷酸基团具有极性，不易透过质膜而散失。 B、磷酸基团起到酶识别基团的作用。 C、形成高能磷酸键保存能量的作用。,三、糖酵解的反应机制,反应发生在细胞溶胶（胞质溶胶、细胞质基质、胞浆、胞液） 1葡萄糖的磷酸化：（己糖激酶、葡萄糖激酶） Go= -30.54 kJ/mol,己糖激酶：底物非专一，对D甘露糖、D果糖、氨基葡萄糖均有催化作用。两亚基，动物组织有四种同工酶：I 脑和肾脏中，II 骨骼肌和心

7、脏；III 肝脏和肺脏中；IV 肝脏。 I、 II、 III型酶大都存在于基本不能合成糖原的组织中。无机磷酸有解除G-6-P和ADP对I、 II、 III抑制的作用。 I型对无机磷酸最敏感。 葡萄糖激酶：Km值高，与糖原合成有关，胰岛素可诱导该酶的生成,与血糖调节有关。 机体酶的区域化分布，满足机体不同需要，利于机体调节。 第一个调控酶。 激酶：能在ATP和任意底物之间起催化作用，转移磷酸基团的一类酶。,反应机理：,激酶催化的磷酸化机理，消耗一分子ATP，形成GMgATP三元复合物。,己糖激酶与葡萄糖结合时的构象变化,2. G-6-P异构化形成F-6-P： （磷酸葡糖异构酶） Go= 1.67

8、kJ/mol,磷酸葡萄糖异构酶；酶活性部位可能有Lys和His残基,酸碱催化机制，具有底物专一性和立体专一性。 反应机理：异构化反应。,3. F-6-P形成F-1,6-2P:,（磷酸果糖激酶） Go= -14.23 kJ/mol,磷酸果糖激酶: 变构酶,四亚基，四聚体,肝脏中340 000,兔组织3种同工酶,A型：心肌和骨骼肌,对磷酸肌酸、柠檬酸和Pi抑制作用最敏感;B型：肝和红细胞，对2,3-（BPG）二磷酸甘油酸抑制作用最敏感;C型：脑,对ATP抑制作用敏感。 受变构调节;限速酶。,反应机理：,激酶催化的磷酸化机理，消耗一分子ATP 。,4、 F-1,6-2P（FBP）转变为甘油醛-3-P

9、(GAP)和二羟丙酮磷酸(DHAP).,作用机理,注意6碳变 为3碳的编号,醛缩酶的名称来自于该酶所催化的逆反应。 Go = 23.97kJ/mol 标准状况下，反应向缩合方向进行，但在细胞条件下，向裂解方向进行，若细胞F-1，6-2P 浓度为0.1mmol/L，计算有53.9%FBP即被醛缩酶裂解。,醛缩酶：四亚基,活性中心有数个游离的 -SH及组氨酸和赖氨酸残基。 I 高等动植物：3种同工酶。 A ：存在肌肉，分子量为 160 000。 B ：存在肝脏。 ;C ：存在脑组织。 II 细菌,酵母,真菌和藻类： 含二价金属离子, 锌、钙、铁，也需钾离子，分子量65 000。 反应机理：醛缩机理

10、。,5、二羟丙酮磷酸转变为甘油醛3磷酸,Go= 7.7kJ/mol K = 4.73 10-2 甘油醛3磷酸（GAP）的浓度 二羟丙酮磷酸（DHAP）的浓度 但GAP在糖酵解途径中被消耗，所以DHAP不断转变成GAP。,丙糖磷酸异构酶：活性部位谷氨酸残基游离羧基,反应速度快，只要酶与底物一旦相互碰撞，反应即刻完成。相对分子质量56 000, 8股平行的折叠环抱成中心核;外面围绕着相对应的链,二者之间以无规卷曲肽链相连接。 反应机理：异构化反应。,8股 折叠链构成中间的中心核，8股 螺旋链与 折叠链相对应环绕在外 折叠链周围，两种不同形式的链条以无规肽链相连。,丙糖磷酸异构酶的结构图,6. 甘油

11、醛3磷酸（GAP)氧化为1，3二磷酸甘油酸(1,3BPG),Go= 6.276kJ/mol 标准状况吸能，但下一步反应是放能反应，使该反应可以顺利进行。,反应机理,甘油醛-3-磷酸脱氢酶：兔肌肉中 14 000, 4个相同亚基(330AA);重金属离子和烷化剂(碘乙酸)抑制酶活性,活性部位有巯基，酵解中唯一的一次脱氢反应，并形成一分子高能磷酸键。,砷酸盐破坏1，3BPG的形成,以NAD+为辅酶的脱氢酶的共同性 与NAD+结合的结构域相似,7. 1,3二磷酸甘油酸（1，3 BPG）转移高能磷酸基团形成ATP 底物水平磷酸化,o18.9kJ/mol (4.5kcal/mol),Go= -18.83

12、k J/mol（测的数值有所不同） 高效放能反应，起到推动前一步反应顺利进行的作用。 磷酸甘油酸激酶：磷酸甘油酸激酶分子外观和己糖激酶相似，但它们的蛋白质组成是完全不同的。 酵解过程中第一次生成ATP的反应。,8. 3磷酸甘油酸（3PG）转变为2磷酸甘油酸（2PG）：,磷酸甘油酸变位酶(phosphoglycerate mutase)催化机制:活性部位的His残基上结合一个磷酸基团，3PG结合到酶活性部位后, His残基上的磷酸基团转移到3PG的2位生成2,3-BPG，2,3-BPG的3位磷酸基团使His残基再次磷酸化,生成2PG， 2,3-BPG, His残基上的磷酸基团和3PG间磷酸基团相

13、互转移的动态平衡 。,反应机制,2,3-BPG的合成与降解是糖酵解途径中的一个短支路,2,3-BPG支路：起催化作用的酶为二磷酸甘油酸变位酶(biphosphoglycerate mutase)和2,3-二磷酸甘油酸磷酸酶；2,3-BPG在红细胞内对氧的转运起重要的作用，使脱氧血红蛋白稳定,降低对氧的亲和力,血红蛋白在通过毛细血管时易脱下氧，只是可以利用酵解过程中间物进行物质形成，不是一定发生的过程。,反应式,9. 2磷酸甘油酸（ 2PG）脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸（PEG)：,o+1.84kJ/mol (+0.44kcal/mol),2PG脱水生成PEG，形成一个高能键. 烯醇化酶：先与二价阳

14、离子Mg2+ 或Mn2+结合才有活性，相对分子量85 000，氟化物是酶强烈抑制剂。 原因：氟与镁和无机磷酸形成复合物，取代酶分子上镁离子的位置，使酶失活.,10. 磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）转变为丙酮酸,PEP水解 ： Go = -61.92kJ/mol ATP生成： Go = 30.54kJ/mol 该反应 ： Go = -31.38kJ/mol PEP生成丙酮酸：生成一分子ATP。 丙酮酸激酶：需二价阳离子如：M g2+、Mn2+。四聚体 250 000，每个亚基 55 000；动物组织三种同工酶，L 肝脏；M 肌肉和脑中；A 其他组织。 调控酶。 同工酶结构相似，调控机制不同。,四、糖

15、酵解全过程总结,十步反应；十种酶催化； 前五步反应为准备阶段，消耗2分子ATP; 后五步为放能阶段，产生4分子ATP和两分子NADH。,五、糖酵解的生理作用,1、降解产生ATP和NADH，提供能量 。 2、产生含碳的中间物为合成反应提供原料 。,六、糖酵解作用的调节,不可逆反应步骤：，己糖激酶；磷酸果糖激酶；丙酮酸激酶。 1、己糖激酶对酵解的调节作用 G-6-P积累抑制该酶活性，磷酸果糖激酶（PFK）活性低，导致F-6-P和G-6-P的积累。 调控酶，非关键的限速酶。,2、磷酸果糖激酶是关键的限速酶,（1）该酶受高浓度ATP抑制，ATP结合到酶的调控部位，降低与F-6-P的亲和，抑制反应。,图

16、示:,（2）柠檬酸加强ATP的抑制作用.。 （3）H+可抑制该酶活性,防止肌肉中过量乳酸而酸中毒。 （4）F-2,6-2P与酶调控部位结合，提高与F-6-P的亲合，降低ATP的抑制作用 。,F-2,6-2P对酵解作用的调节机理：1980 年发现的酵解过程调节物。 F6P 磷酸果糖激酶2 F2,62P F2,62P 果糖二磷酸酶2 F6P 两种酶为一种蛋白处于不同修饰化状态，双功能酶。,血糖浓度可通过激素级联反应，引起该双功能酶的磷酸化或去磷酸化（调节果糖激酶2或果糖二磷酸酶2的活性），通过F-2,6-2P量变化，调节果糖激酶1活性。 当葡萄糖缺乏时，双功能酶磷酸化，果糖磷酸酶2激活，果糖激酶2受到抑制，F2,62p量减少，当葡萄糖过剩时，磷酸基团从酶分子上脱落，F2,62p量上