《糖的有氧氧化》PPT課件VIP

第三節(jié)糖的有氧氧化AerobicOxidationofCarbohydrate,葡萄糖在有氧條件下徹底氧化成水和CO2的反應過程稱為有氧氧化(aerobicoxidation)。,*部位：胞液及線粒體,*概念,一、糖的有氧氧化反應分為3個階段,第一階段：酵解途徑,第二階段：丙酮酸的氧化脫羧,第三階段：三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化,G,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TCA循環(huán),胞液,線粒體,（一）葡萄糖循酵解途徑分解為丙酮酸,（二）丙酮酸進入線粒體氧化脫羧生成乙酰CoA,總反應式:,丙酮酸脫氫酶復合體的組成,酶E1：丙酮酸脫氫酶E2：二氫硫辛酰胺轉乙酰酶E3：二氫硫辛酰胺脫氫酶,丙酮酸脫氫酶復合體催化的反應過程：,1.丙酮酸脫羧形成羥乙基-TPP。2.由二氫硫辛酰胺轉乙酰酶(E2)催化形成乙酰硫辛酰胺-E2。3.二氫硫辛酰胺轉乙酰酶(E2)催化生成乙酰CoA,同時使硫辛酰胺上的二硫鍵還原為2個巰基。4.二氫硫辛酰胺脫氫酶(E3)使還原的二氫硫辛酰胺脫氫，同時將氫傳遞給FAD。5.在二氫硫辛酰胺脫氫酶(E3)催化下，將FADH2上的H轉移給NAD+，形成NADH+H+。,CO2,CoASH,NAD+,NADH+H+,5.NADH+H+的生成,1.-羥乙基-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,目錄,（三）乙酰CoA進入三羧酸循環(huán)以及氧化磷酸化生成ATP,三羧酸循環(huán)的第一步是乙酰CoA與草酰乙酸縮合成6個碳原子的檸檬酸，然后檸檬酸經(jīng)過一系列反應重新生成草酰乙酸，完成一輪循環(huán)。經(jīng)過一輪循環(huán)，乙酰CoA的2個碳原子被氧化成CO2；在循環(huán)中有1次底物水平磷酸化，可生成1分子ATP；更為重要的是有4次脫氫反應，氫的接受體分別為NAD+或FAD，生成3分子NADH+H+和1分子FADH2。,在H+/電子沿電子傳遞鏈傳遞過程中能量逐步釋放，同時伴有ADP磷酸化成ATP，吸收這些能量儲存于ATP中，即氧化與磷酸化反應是偶聯(lián)在一起的，稱為氧化磷酸化。三羧酸循環(huán)中脫下的氫進入呼吸鏈氧化磷酸化，生成水和ATP。,二、糖有氧氧化是機體獲得ATP的主要方式,三羧酸循環(huán)一次最終共生成10個ATP。1mol葡萄糖徹底氧化生成CO2和H2O，可凈生成30或32molATP。,*獲得ATP的數(shù)量取決于還原當量進入線粒體的穿梭機制。,有氧氧化的生理意義,糖的有氧氧化是機體產(chǎn)能最主要的途徑。它不僅產(chǎn)能效率高，而且由于產(chǎn)生的能量逐步分次釋放，相當一部分形成ATP，所以能量的利用率也高。,簡言之，即“供能”,三、糖有氧氧化的調節(jié)是基于能量的需求,此處主要敘述丙酮酸脫氫酶復合體的調節(jié)。,別構調節(jié),共價修飾調節(jié),目錄,ATP/ADP或ATP/AMP比值升高抑制有氧氧化，降低則促進有氧氧化。ATP/AMP效果更顯著。,有氧氧化的調節(jié)是為了適應機體或器官對能量的需要，有氧氧化全過程中許多酶的活性都受細胞內(nèi)ATP/ADP或ATP/AMP比例的影響。,四、糖有氧氧化可抑制乳酸酵解,*概念,巴斯德效應(Pastuereffect)指有氧氧化抑制糖酵解的現(xiàn)象。,第四節(jié)葡萄糖的其他代謝途徑OtherMetabolicPathwaysofGlucose,一、磷酸戊糖途徑生成NADPH和磷酸戊糖,磷酸戊糖途徑是指由葡萄糖生成磷酸戊糖及NADPH+H+，前者再進一步轉變成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖的反應過程。,*細胞定位：胞液,第一階段：氧化反應生成磷酸戊糖、NADPH+H+及CO2,（一）磷酸戊糖途徑的反應過程可分為兩個階段,*反應過程可分為二個階段,第二階段則：非氧化反應包括一系列基團轉移。,6-磷酸葡糖酸,5-磷酸核酮糖,6-磷酸葡糖脫氫酶,6-磷酸葡糖酸脫氫酶,6-磷酸葡糖,6-磷酸葡糖酸內(nèi)酯,1.6-磷酸葡糖在氧化階段生成磷酸戊糖和NADPH,5-磷酸核糖,催化第一步脫氫反應的6-磷酸葡糖脫氫酶是此代謝途徑的關鍵酶。兩次脫氫脫下的氫均由NADP+接受生成NADPH+H+。反應生成的磷酸核糖是一個非常重要的中間產(chǎn)物。,G-6-P,5-磷酸核糖,NADP+,NADPH+H+,NADP+,NADPH+H+,CO2,每3分子6-磷酸葡萄糖同時參與反應，在一系列反應中，通過3C、4C、6C、7C等演變階段，最終生成3-磷酸甘油醛和6-磷酸果糖。,2.經(jīng)過基團轉移反應進入糖酵解途徑,這些基團轉移反應可分為兩類：,一類是轉酮醇酶（transketolase）反應，轉移含1個酮基、1個醇基的2碳基團；接受體都是醛糖。另一類是轉醛醇酶（transaldolase）反應，轉移3碳單位；接受體也是醛糖。,5-磷酸核酮糖(C5)3,5-磷酸核糖C5,第二階段反應的意義就在于通過一系列基團轉移反應，將核糖轉變成6-磷酸果糖和3-磷酸甘油醛而進入酵解途徑。因此磷酸戊糖途徑也稱磷酸戊糖旁路（pentosephosphateshunt）。,磷酸戊糖途徑,第一階段,第二階段,磷酸戊糖途徑的總反應式：,36-磷酸葡糖+6NADP+,26-磷酸果糖+3-磷酸甘油醛+6NADPH+H+3CO2,磷酸戊糖途徑的特點,脫氫反應以NADP+為受氫體，生成NADPH+H+。反應過程中進行了一系列酮基和醛基轉移反應，經(jīng)過了3、4、5、6、7碳糖的演變過程。反應中生成了重要的中間代謝物5-磷酸核糖。一分子G-6-P經(jīng)過反應，只能發(fā)生一次脫羧和二次脫氫反應，生成一分子CO2和2分子NADPH+H+。,（二）磷酸戊糖途徑受NADPH/NADP+比值的調節(jié),*6-磷酸葡糖脫氫酶,此酶為磷酸戊糖途徑的關鍵酶，其活性的高低決定6-磷酸葡糖進入磷酸戊糖途徑的流量。,此酶活性主要受NADPH/NADP+比值的影響，比值升高則被抑制，降低則被激活。另外NADPH對該酶有強烈抑制作用。,（三）磷酸戊糖途徑的生理意義在于生成NADPH和5-磷酸核糖,1.磷酸戊糖途徑為核苷酸的生成提供核糖,2.提供NADPH作為供氫體參與多種代謝反應,（1）NADPH是體內(nèi)許多合成代謝的供氫體；（2）NADPH參與體內(nèi)羥化反應；（3）NADPH還用于維持谷胱甘肽（glutathione）的還原狀態(tài)。,還原型谷胱甘肽是體內(nèi)重要的抗氧化劑，可以保護一些含-SH基的蛋白質或酶免受氧化劑，尤其是過氧化物的損害。在紅細胞中還原型谷胱甘肽更具有重要作用。它可以保護紅細胞膜蛋白的完整性。,二、糖醛酸途徑可生成活潑的葡糖醛酸,-磷酸葡糖,1-磷酸葡糖,UDPG,UDPGA,1-磷酸葡糖醛酸,葡糖醛酸,L-古洛糖酸,L-木酮糖,木糖醇,D-木酮糖,5-磷酸木酮糖,磷酸戊糖途徑,對人類而言，糖醛酸途徑的主要生理意義在于生成活化的葡糖醛酸，即UDPGA。葡糖醛酸是組成蛋白聚糖的糖胺聚糖，如透明質酸、硫酸軟骨素、肝素等的組成成分；葡糖醛酸在生物轉化過程中參與很多結合反應。,三、多元醇途徑可生成木糖醇、山梨醇等,葡萄糖代謝過程中可生成一些多元醇，如木糖醇（xylitol）、山梨醇（sorbitol）等，所以被稱為多元醇途徑（polyolpathway）。但這些代謝過程局限于某些組織，對整個葡萄糖代謝所占比重極少，無重要性。,第五節(jié)糖原的合成與分解GlycogenesisandGlycogenolysis,是動物體內(nèi)糖的儲存形式之一，是機體能迅速動用的能量儲備。,糖原(glycogen),糖原儲存的主要器官及其生理意義,1.葡萄糖單元以-1,4-糖苷鍵形成長鏈。2.約10個葡萄糖單元處形成分枝，分枝處葡萄糖以-1,6-糖苷鍵連接，分支增加，溶解度增加。3.每條鏈都終止于一個非還原端.非還原端增多，以利于其被酶分解。,糖原的結構特點,目錄,一、糖原合成的代謝反應主要發(fā)生在肝臟和肌肉,糖原的合成(glycogenesis)指由葡萄糖合成糖原的過程。,組織定位：主要在肝臟、肌肉細胞定位：胞漿,1.葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡糖,葡萄糖,6-磷酸葡糖,糖原合成途徑:,2.6-磷酸葡糖轉變成1-磷酸葡糖,這步反應中磷酸基團轉移的意義在于：由于延長形成-1,4-糖苷鍵，所以葡萄糖分子C1上的半縮醛羥基必須活化，才利于與原來的糖原分子末端葡萄糖的游離C4羥基縮合。,半縮醛羥基與磷酸基之間形成的O-P鍵具有較高的能量。,*UDPG可看作“活性葡萄糖”，在體內(nèi)充作葡萄糖供體。,+,3.1-磷酸葡糖轉變成尿苷二磷酸葡糖,1-磷酸葡糖,尿苷二磷酸葡糖(uridinediphosphateglucose,UDPG),4.-1,4-糖苷鍵式結合,*糖原n為原有的細胞內(nèi)的較小糖原分子，稱為糖原引物(primer)，作為UDPG上葡糖基的接受體。,糖原分枝的形成,目錄,分支的形成不僅可增加糖原的水溶性，更重要的是可增加非還原端數(shù)目，以便磷酸化酶能迅速分解糖原。從葡萄糖合成糖原是耗能的過程。,近來人們在糖原分子的核心發(fā)現(xiàn)了一種名為蛋白-酪氨酸-葡糖基轉移酶（glycogenin）的蛋白質。Glycogenin可對其自身進行共價修飾，將UDP-葡糖分子的C1結合到其酶分子的酪氨酸殘基上，從而使它糖基化。這個結合上去的葡萄糖分子即成為糖原合成時的引物。,糖原合成過程中作為引物的第一個糖原分子從何而來？,目錄,二、糖原分解不是糖原合成的逆反應,亞細胞定位：胞漿,肝糖原的分解過程:,1.糖原的磷酸解,糖原分解(glycogenolysis)習慣上指肝糖原分解成為葡萄糖的過程。,2.脫枝酶的作用,轉移葡萄糖殘基水解-1,6-糖苷鍵,轉移酶活性,目錄,3.1-磷酸葡糖轉變成6-磷酸葡糖,4.6-磷酸葡糖水解生成葡萄糖,*肌糖原的分解,肌糖原分解的前三步反應與肝糖原分解過程相同，但是生成6-磷酸葡糖之后，由于肌肉組織中不存在葡糖-6-磷酸酶，所以生成的6-磷酸葡糖不能轉變成葡萄糖釋放入血，提供血糖，而只能進入酵解途徑進一步代謝。肌糖原的分解與合成與乳酸循環(huán)有關。,G-6-P的代謝去路,G（補充血糖）,G-6-P,F-6-P（進入酵解途徑）,G-1-P,Gn（合成糖原）,UDPG,6-磷酸葡糖內(nèi)酯（進入磷酸戊糖途徑）,葡糖醛酸（進入葡糖醛酸途徑）,小結,反應部位：胞漿,(3)糖原的合成與分解總圖,三、糖原合成與分解受到彼此相反的調節(jié),這兩種關鍵酶的重要特點：它們的快速調節(jié)有共價修飾和別構調節(jié)二種方式。它們都以活性、無（低）活性二種形式存在，二種形式之間可通過磷酸化和去磷酸化而相互轉變。,（一）糖原磷酸化酶是糖原分解的關鍵酶,磷蛋白磷酸酶-1,磷蛋白磷酸酶-1,依賴cAMP的蛋白激酶,依賴cAMP的蛋白激酶（cAMP-dependentproteinkinase,簡稱蛋白激酶A），其活性受cAMP調節(jié)。這種通過一系列酶促反應將激素信號放大的連鎖反應稱為級聯(lián)放大系統(tǒng)（cascadesystem），與酶含量調節(jié)相比（一般以幾小時或天計），反應快，效率高。其意義有二：一是放大效應；二是級聯(lián)中各級反應都存在有可以被調節(jié)的方式。,糖原磷酸化酶還受變構調節(jié)，葡萄糖是其變構調節(jié)劑。,磷酸化酶二種構像緊密型(T)和疏松型(R)，其中T型的14位Ser暴露，便于接受前述的共價修飾調節(jié)。,（二）糖原合酶是糖原合成的關鍵酶,磷蛋白磷酸酶-1,依賴cAMP的蛋白激酶,糖原合酶a有活性，磷酸化成糖原合酶b后即失去活性。,磷酸化酶b激酶,糖原合酶,糖原合酶-P,磷酸化酶b,磷酸化酶a-P,磷蛋白磷酸酶抑制劑,糖原合成與分解的生理性調節(jié)主要靠胰島素和胰高血糖素。胰島素抑制糖原分解，促進糖原合成，但其機制還未肯定。胰高血糖素可誘導生成cAMP，促進糖原分解。腎上腺素也可通過cAMP促進糖原分解，但可能僅在應激狀態(tài)發(fā)揮作用。,肌肉內(nèi)糖原代謝的二個關鍵酶的調節(jié)與肝糖原不同:,在糖原分解代謝時肝主要受胰高血糖素的調節(jié)，而肌肉主要受腎上腺素調節(jié)。肌肉內(nèi)糖原合酶及磷酸化酶的變構效應物主要為AMP、ATP及6-磷酸葡糖。,Ca2+的升高可引起肌糖原分解增加。,調節(jié)小結,雙向調控：對合成酶系與分解酶系分別進行調節(jié)，如加強合成則減弱分解，或反之。,雙重調節(jié)：別構調節(jié)和共價修飾調節(jié)。,肝糖原和肌糖原代謝調節(jié)各有特點：如：分解肝糖原的激素主要為胰高血糖素，分解肌糖原的激素主要為腎上腺素。,關鍵酶調節(jié)上存在級聯(lián)效應。,關鍵酶都以活性、無（低）活性二種形式存在，二種形式之間可通過磷酸化和去磷酸化而相互轉變。,第六節(jié)糖異生Gluconeogenesis,糖異生(gluconeogenesis)是指從非糖化合物轉變?yōu)槠咸烟腔蛱窃倪^程。,*部位,*原料,*概念,主要在肝、腎細胞的胞漿及線粒體,主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸,一、糖異生途徑不完全是糖酵解的逆反應,*過程,酵解途徑中有3個由關鍵酶催化的不可逆反應。在糖異生時，須由另外的反應和酶代替。,糖異生途徑與酵解途徑大多數(shù)反應是共有的、可逆的；,糖異生途徑(gluconeogenicpathway)指從丙酮酸生成葡萄糖的具體反應過程。,（一）丙酮酸經(jīng)丙酮酸羧化支路轉變成磷酸烯醇式丙酮酸,丙酮酸,草酰乙酸,PEP,丙酮酸羧化酶(pyruvatecarboxylase)，輔酶為生物素（反應在線粒體）,磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（反應在線粒體、胞液）,目錄,草酰乙酸轉運出線粒體,丙酮酸,線粒體,胞液,糖異生途徑所需NADH+H+的來源,糖異生途徑中，1,3-二磷酸甘油酸生成3-磷酸甘油醛時，需要NADH+H+。,由氨基酸為原料進行糖異生時，NADH+H+則由線粒體內(nèi)NADH+H+提供，它們來自于脂酸的-氧化或三羧酸循環(huán)，NADH+H+轉運則通過草酰乙酸與蘋果酸相互轉變而轉運。,（二）1,6-雙磷酸果糖轉變?yōu)?-磷酸果糖,（三）6-磷酸葡糖水解為葡萄糖,非糖物質進入糖異生的途徑,糖異生的原料轉變成糖代謝的中間產(chǎn)物,上述糖代謝中間代謝產(chǎn)物進入糖異生途徑，異生為葡萄糖或糖原,目錄,在前面的三個反應過程中，作用物的互變分別由不同酶催化其單向反應，這種互變循環(huán)稱之為底物循環(huán)(substratecycle)。,因此，有必要通過調節(jié)使糖異生途徑與酵解途徑相互協(xié)調，主要是對前述底物循環(huán)中的后2個底物循環(huán)進行調節(jié)。,當兩種酶活性相等時，則不能將代謝向前推進，結果僅是ATP分解釋放出能量，因而稱之為無效循環(huán)(futilecycle)。,（一）第一個底物循環(huán)在6-磷酸果糖與1,6-雙磷酸果糖之間進行,二、糖異生的調節(jié)與糖酵解的調節(jié)彼此協(xié)調,（二）在磷酸烯醇式丙酮酸與丙酮酸之間進行第二個底物循環(huán),三、糖異生的主要生理意義是維持血糖濃度的恒定,（一）維持血糖濃度恒定是糖異生最重要的生理作用,空腹或饑餓時依賴氨基酸、甘油等異生成葡萄糖，以維持血糖水平恒定。,正常成人的腦組織不能利用脂酸，主要依賴氧化葡萄糖供給能量；紅細胞沒有線粒體，完全通過乳酸酵解獲得能量；骨髓、神經(jīng)等組織由于代謝活躍，經(jīng)常進行乳酸酵解。,（二）糖異生是補充或恢復肝糖原儲備的重要途徑,三碳途徑：指進食后，大部分葡萄糖先在肝外細胞中分解為乳酸或丙酮酸等三碳化合物，再進入肝細胞異生為糖原的過程。,糖異生是肝補充或恢復糖原儲備的重要途徑，這在饑餓后進食更為重要。,發(fā)生這一變化的原因可能是饑餓造成的代謝性酸中毒所致。,（三）腎糖異生增強有利于維持酸堿平衡,體液pH降低，促進腎小管中磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成，從而使糖異生作用增強。腎臟中-酮戊二酸因異生成糖而減少時，可促進谷氨酰胺脫氨生成谷氨酸以及谷氨酸的脫氨反應，腎小管細胞將NH3分泌入管腔中，與原尿中H+結合，降低原尿H+的濃度，有利于排氫保鈉作用的進行，對于防止酸中毒有重要作用。,肌肉收縮（尤其是氧供應不足時）通過乳酸酵解生成乳酸