生物化学生物化学第七章第七章 糖代谢糖代谢华东理工大学生物化学精品课程组上海市精品课程第七章 糖代谢糖的消化、吸收、运输、贮存糖的合成代谢利用代谢调节生产发酵产品糖的分解代谢7.1 绪论 糖类为生物体基本营养物质 1. 一切生物都有使糖类化合物在体内分解为二氧 化碳和水，放出能量的共同的代谢的化学途径2. 糖类代谢的中间产物可转化或合成其他化合物 (提供碳源和碳链骨架)，以构成组织细胞 能源和碳源 1. 物质代谢是生物体的基本特征2. 异养生物和自养生物利用什么样的物质(有机物或无机含碳化合物)作为能源和碳源7.2 糖的消化、吸收、运输和贮存l糖类的消化 淀粉在口腔和小肠内转变为葡萄糖 双糖的水解肠粘膜消化 纤维素的水解l糖类的吸收 1. 主动转运 2. 被动转运主动转运小肠中葡萄糖吸收示意图被动转运 载体蛋白运转方向：高糖浓度低糖浓度 不需耗能7.2 糖的消化、吸收、运输和贮存l糖类的运输和血糖 1. 运输 2. 血糖的来源与去路l糖类的贮存 1. 糖原 2. 脂肪7.3 糖的分解代谢三羧酸循环磷酸己糖旁路 糖的无氧酵解糖类物质是人类、动物和大多数微生物在生活及活动过程中的主要能源和碳源糖酵解，三羧酸循环以及磷酸己糖旁路是生物体内非常重要的分解代谢途径糖原的分解糖酵解途径发现历史 1875年法国科学家巴斯德(L. Pasteur)就发现葡萄糖在无氧条件下被酵母菌分解生成乙醇的现象1897年德国的巴克纳兄弟(Hans Buchner和Edward Buchner)发现发酵作用可以在不含细胞的酵母抽提液中进行1905年哈登(Arthur Harden)和扬(William Young)实验中证明了无机磷酸的作用1940年前德国的生物化学家恩伯顿(Gustar Embden)和迈耶霍夫(Otto Meyerhof)等人的努力完全阐明了糖酵解的整个途径，揭示了生物化学的普遍性。因此糖酵解途径又称Embden-Meyerhof Pathway (简称EMP)糖酵解途径实验依据（1）l酵母抽提液的发酵速度比完整酵母慢，且逐渐缓慢直至停顿l如果加入无机磷酸盐，可以恢复发酵速度，但不久又会再次缓慢，同时加入的磷酸盐浓度逐渐下降 上述现象说明在发酵过程中需要磷酸，可能磷酸与葡萄糖代谢中间产物生成了糖磷酸酯。完整细胞可通过ATP水解提供磷酸糖酵解途径实验依据（2）l碘乙酸对酵母生长有抑制作用l将葡萄糖、酵母抽提液及碘乙酸一起保温，可以分离出少量的磷酸丙糖（主要是3-磷酸甘油醛和磷酸二羟丙酮的平衡混合物） 因此推断磷酸己糖可能裂解为两分子三碳糖，而碘乙酸对三碳糖进一步分解的酶有抑制作用糖酵解途径实验依据（3）l氟化钠对酵母生长也有抑制作用l将1,6-二磷酸果糖或磷酸丙糖、酵母抽提液以及氟化钠一起保温有磷酸甘油酸积累（3-和2-磷酸甘油酸的平衡混合物） 由此推断3-磷酸甘油酸是3-磷酸甘油醛的氧化产物，2-磷酸甘油酸又是前者变位后的产物，氟化钠对2-磷酸甘油酸进一步反应的酶有抑制作用糖酵解途径实验依据（4）l将酵母液透析后就会失去发酵能力l将酵母液加热到50也会失去发酵能力l将经过透析失活的酵母液混合在一起后又恢复发酵能力 由此推断发酵需要两类物质：一是热不稳定的，不可透析的组分即酶；二是热稳定的可透析的组分，如辅酶、ATP、金属离子等糖酵解糖的共同分解途径 酵解（Glycolysis) 酶将葡萄糖降解成丙酮酸并伴随着生成ATP的反应序列 氧化磷酸化和三羧酸循环的前奏场所:细胞质中 氧气:不需要葡萄糖酵解的总反应式：Glc+2Pi+2ADP+2NAD+ 2丙酮酸2ATP+2NADH+H+2H2O糖酵解途径糖酵解途径糖酵解途径（1）Phophorylation of Glucose糖酵解途径（2）Conversion of Glucose 6-Phosphate to Fructose 6-Phosphate 糖酵解途径（3）Phosphorylation of Fructose 6-Phosphate to Fructose 1,6-Bisphosphate糖酵解途径（4）Cleavage of Fructose 1,6-Biophosphateand Interconversion of the Triose Phosphates糖酵解途径（5）Oxidation of Glyceraldehyde 3-phosphate to 1,3-Bisphosphoglycerate糖酵解途径（6）Phosphryl Transfer from 1,3-Bisphosphoglycerate to ADP糖酵解途径（7）Conversion of 3-Phosphoglycerate to 2-Phosphoglycerate糖酵解途径（8）Dehydration of 2-Phosphoglycerate to Phosphoenolpyruvate糖酵解途径（9）Transfer of the Phosphoryl Group from Phophoenolpyruvate to ADP v 无氧条件下，酵解产生2ATP；2NADH用于使2分子丙酮酸变成2分子乳酸，或使乙醛还原成为乙醇酵解过程中ATP的产生磷酸甘油穿梭系统苹果酸穿梭系统酵解过程中ATP的产生 2NADH经呼吸链氧化产生5ATP，即共产生7ATP 在某些组织，如某些神经和肌肉细胞中，NADH经磷酸甘油穿梭系统得FAD，产生1.5ATP，总计5ATP？v 有氧条件下：磷酸甘油穿梭系统图 苹果酸穿梭系统图糖酵解的意义1糖酵解途径是单糖分解代谢的一条最重要的基本途径2糖酵解途径能提供能量使机体或组织有效地适应缺氧情况3糖酵解途径是某些组织或细胞的主要获能方式4糖酵解途径是葡萄糖完全氧化分解成二氧化碳和水的必要准备阶段利用糖酵解途径进行甘油发酵酒精发酵之初： 即： -磷酸甘油脱氢酶 磷酸二羟丙酮+NADH+H+ -磷酸甘油+NAD+ 磷酯酶 -磷酸甘油+H2O 甘油+PiCNADH +H+-磷酸甘油当有了乙醛作为受氢体，代谢途径的流向就不再朝甘油方向了。将受氢体乙醛除去，则势必造成发酵液中甘油的积累。思考题：甘油高产发酵的代谢调控要点是什么？两种方法亚硫酸盐法:碱法甘油发酵:酵母酒精发酵的发酵液pH值调至碱性，保持在pH7.6以上，则2分子乙醛之间发生歧化反应，1分子被还原成乙醇，1分子被氧化成乙酸。乙醛失去了作为受氢体的作用，NADH+H+ 只好用于还原磷酸二羟丙酮，并生成甘油将亚硫酸氢钠(NaHSO3)加入发酵液中，能与乙醛发生加成反应，生成难溶的结晶状产物，使乙醛不能再作为受氢体，迫使NADH+H+ 用于磷酸二羟丙酮的还原，生成甘油糖酵解小结1. 糖酵解几乎是生物的公共途径，一分子葡萄糖氧化成两分子丙酮酸，并把能量以ATP和NADH形式贮存。2. 糖酵解过程有10个酶，全部在胞质中。有10个中间产物，都是磷酸化的六碳或三碳化合物。3. 糖酵解的准备阶段，用ATP把葡萄糖转化为1,6-二磷酸果糖，然后C3和C4间的键断裂生成二分子三糖磷酸。4. 在回报阶段，来自葡萄糖的3-磷酸甘油醛在C1上发生氧化，反应能量以一分子NADH和二分子ATP形式贮存。6. 糖酵解受到其他产能途径的调控，以保证ATP的不断供给。己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶都受到变构调控。控制通过这个途径的碳流量，维持代谢中间物的水平不变。5. 总反应式：Glc + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2Pyr + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O三羧酸循环糖的最后氧化途径 三羧酸循环 (Tricarboxylic acid circle)，又称柠檬酸循环，Krebs循环，简写为TCA循环 有氧条件下，将酵解产生的丙酮酸氧化脱羧成乙酰CoA，再经一系列氧化和脱羧，最终生成二氧化碳和水并产生能量三羧酸循环 三羧酸循环的发现历史及实验依据 丙酮酸(C3)氧化脱羧生成乙酰CoA(C2) 1. 场所及酶 2. 不可逆的关键步骤 三羧酸循环的过程 1. 生成六碳三羧酸阶段 2. 生成四碳二羧酸阶段 3. 草酰乙酸的再生阶段 丙酮酸经三羧酸循环化学物质变化的结算 葡萄糖完全氧化时能量变化的结算 三羧酸循环的生理意义三羧酸循环的发现历史 (1) Albert Szent Gyorgyi观察用丙酮酸与肌肉组织一起在有氧条件下保温，丙酮酸可以被彻底氧化，生成二氧化碳和水。因此认为葡萄糖或糖原的有氧分解也循着糖酵解途径，有氧分解可以说是无氧分解的继续 (2) H. Krebs通过总结大量的实验结果，认为糖的氧化过程不是直线进行的，而是以循环方式进行。于是他于1937年提出了三羧酸循环假设并用实验证明了三羧酸循环的存在三羧酸循环的实验依据（1）l Krebs首先证实六碳三羧酸(柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸)和-酮戊二酸，以及四碳二羧酸(琥珀酸、延胡索酸、苹果酸、草酰乙酸)都能强烈刺激肌肉中丙酮酸氧化的活性，氧的消耗。说明这些化合物都是丙酮酸氧化途径中的中间产物l Krebs还发现在肌肉糜悬浮液加入丙二酸，有抑制丙酮酸氧化的作用，而且在肌肉糜悬浮液有琥珀酸的积累。说明丙二酸是琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂三羧酸循环的实验依据（2）l 在被丙二酸抑制的肌肉糜悬浮液中直接加入六碳三羧酸或-酮戊二酸等有机酸，同样有琥珀酸的积累。说明在丙酮酸氧化途径中，上述物质都可转化成琥珀酸l 在被丙二酸抑制的肌肉糜悬浮液中直接加入琥珀酸脱氢酶催化反应的产物如延胡索酸、苹果酸、草酰乙酸等有机酸，也可以引起琥珀酸的积累。说明另有一条途径氧化生成琥珀酸，因此Krebs提出了环状氧化的概念糖的有氧氧化酵解偶联三羧酸循环丙酮酸脱氢酶系:场所: 真核细胞的线粒体基质丙酮酸脱羧酶E1二氢硫辛酸乙酰转移酶E2二氢硫辛酸脱氢酶E3Pyr + CoA-SH + NAD+ Acetyl-CoA + CO2 + NADH + H+丙酮酸脱氢酶系催化的反应乙酰SCoA结构示意图丙酮酸脱氢酶系催化的反应三羧酸循环过程三羧酸循环过程三羧酸循环的各步反应（1）三羧酸循环的各步反应（2）三羧酸循环的各步反应（3）三羧酸循环的各步反应（4）三羧酸循环的各步反应（5）三羧酸循环的各步反应（6）三羧酸循环的各步反应（7）三羧酸循环的各步反应（8）三羧酸循环的各步反应物质变化氧原子氧原子碳原子水分子GDP+Pi(即在第五五步发生底物水平磷酸化底物水平磷酸化反应)氢原子氢原子丙酮酸CO2总的反应式为：Pyr + 2H2O + 4NAD+ + FAD + GDP + Pi3CO2 + 4NADH + 4H+ + FADH2 + GTP碳原子的去向l 形成乙酰CoA时生成一个CO2释放l 乙酰CoA 进入三羧酸循环释放两个CO2，分别在三羧酸循第三步和第四步反应 但经同位素标记实验发现，三羧酸循环中释放的两个CO2中的碳原子并不是直接来自进入循环的乙酰基，而是原先草酰乙酸中的两个碳原子。这是由于酶与底物以特殊方式结合，经酶催化进行了不对称反应。碳原子的去向氧原子的来源丙酮酸中的三个氧原子三羧酸循环中消耗两个水分子中的两个氧原子在GDP+PiGTP+H2O时产生的一个水分子中的一个氧原子释放出的三个CO2的六个氧原子来自:氢原子的来源与去向来源:丙酮酸中的两对氢原子、消耗两个水分子中的两对氢原子、GDP+PiGTP+ H2O时产生的一个水分子中的一对氢原子去向: 形成乙酰CoA时，一对氢原子给了受氢体NAD+ 在三羧酸循环第三步、第四步和第八步反应中有三对氢原子分别给了受氢体NAD+ 在三羧酸循环第六步反应中有一对氢原子给了受氢体FAD水分子的产生和消耗 第一一步反应中，乙酰CoA的高能硫酯键水解水解 第五五步反应中，琥珀酰CoA的高能硫酯键水解水解 第七七步反应中，延胡索酸的水合水合反应产生: GDP+PiGTP+ H2O反应产生一个水分子消耗 (每步均需要一个水分子)能量变化 经氧化磷酸化过程后葡萄糖完全氧化的能量变化 三羧酸循环是葡萄糖完全氧化的前奏能量变化(1) 葡萄糖2丙酮