《糖代谢医学》PPT课件.ppt

Metabolism of Carbohydrates,第 四 章,糖 代 谢,目的与要求学时：5掌握：糖的无氧酵解、有氧氧化、磷酸无糖途径的部位、原料、限速酶、能量生成与消耗、终产物、生理意义及主要调节方式理解：糖原的分类及合成与分解掌握：糖异生的概念、部位、原料、限速酶及生理意义掌握：血糖的来源与去路及主要调节方式,物质代谢途径中的要点,部位初始反应物（原料）终产物重要的中间产物限速酶（关键酶）、限速步骤能量的生成、消耗代谢途径的生理意义,代谢途径中的重要步骤,限速步骤加氢、脱氢步骤能量的生成和消耗步骤生成CO2的步骤,概述,一、糖的生理功能,1.氧化供能,为肿瘤，爱滋病，及其他疾病的治疗开辟了新的方向.,2.糖类具有结构功能作为机体组织细胞的组成成分,这是糖的主要功能。,3.糖具有复杂的多方面的生物活性与功能,如糖是糖蛋白、蛋白聚糖、糖脂等的组成成分。,二、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,1.单糖 不能再水解的糖。,半乳糖(galactose)已醛糖,核糖(ribose)戊醛糖,2.寡糖,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,各单糖之间借脱水缩合的糖苷键相连而成的短链结构，能水解生成几分子单糖的糖。,3.多糖 由许多单糖分子缩合而成的长链结构，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,直链淀粉 由a-1,4糖苷键相连而成的直链结构。支链淀粉 由多个较短的a-1，4糖苷键直链结合而成。每两个短直链之间的连接为a-1,6糖苷键。,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,糖代谢的概况,葡萄糖,丙酮酸,H2O及CO2,乳酸,乳酸、氨基酸、甘油,糖原,核糖+NADPH+H+,淀粉,ATP(adenosine triphosphate，腺嘌呤核苷三磷酸),腺苷三磷酸,AMP,ATPADP+Pi energyATPAMP+PPi energy Pi Pi,+,第 二 节糖的无氧氧化-糖酵解（Glycolysis）,一、糖酵解,第一阶段,第二阶段,*糖酵解(glycolysis)的定义,*糖酵解分为两个阶段,*糖酵解的反应部位：胞浆,在缺氧情况下，葡萄糖生成乳酸(lactate)的过程称之为糖酵解。,由葡萄糖分解成丙酮酸(pyruvate)，称之为糖酵解途径(glycolytic pathway)。,丙酮酸在无氧条件下加氢还原为乳酸。,1、葡萄糖磷酸化为6-磷酸葡萄糖,（一）葡萄糖经糖酵解途径分解为两分子丙酮酸,特点：消耗1分子ATP，反应不可逆。,葡萄糖激酶（肝）,葡萄糖,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,糖原分解生成6-磷酸葡萄糖,2、6-磷酸葡萄糖异构为6-磷酸果糖（F-6-P）,1,6-二磷酸果糖,(F-6-P）,3、6-磷酸果糖生成1,6-二磷酸果糖(F-1,6-BP),第二个限速酶，也是最重要的限速酶,1，6-二磷酸果糖,醛缩酶,4、磷酸己糖裂解成2分子磷酸丙糖,(5)磷酸二羟丙酮转变为3-磷酸甘油醛,3-磷酸甘油醛,磷酸二羟丙酮,1,3-二磷酸甘油酸(1,3-BPG),3-磷酸甘油醛脱氢酶,3-磷酸甘油醛,糖酵解中唯一的脱氢反应,6、3-磷酸甘油醛氧化生成1,3-二磷酸甘油酸,3-磷酸甘油酸激酶,ADP,ATP,7、1,3-磷酸甘油酸的磷酸转移,底物水平磷酸化(substrate level phosphorylation),由于脱氢或脱水的作用，底物分子内部能量重新分布，生成高能键（高能磷脂键或高能硫脂键），使ADP/GDP磷酸化生成ATP/GTP的过程。,3-磷酸甘油,磷酸甘油酸变位酶,8、3-磷酸甘油酸转变为2-磷酸甘油酸,2-磷酸甘油酸,9、2-磷酸甘油酸脱水成为磷酸烯醇式丙酮酸,形成一个高能化合物,丙酮酸激酶(PK),糖酵解过程的第三个限速酶,也是第二次底物水平磷酸化反应,Mg2+,K+,10、磷酸烯醇式丙酮酸转变为丙酮酸,（二）丙酮酸还原为乳酸（缺氧）,糖原(Gn),6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,糖酵解过程,反应部位：胞液,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,糖酵解小结,产能的方式和数量方式：底物水平磷酸化净生成ATP数量：从葡萄糖开始 22-2=2ATP从糖原开始 22-1=3ATP 终产物：乳酸、ATP,二、糖酵解的调节,关键酶,调节方式,1、6-磷酸果糖激酶-1(PFK-1),*别构调节,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）,F-2,6-2P 是该酶最强的变构激活剂,F-6-P,F-1,6-2P,ATP,ADP,PFK-1,磷蛋白磷酸酶,PKA,2、丙酮酸激酶,1)别构调节,别构抑制剂：ATP,丙氨酸,别构激活剂：1,6-双磷酸果糖,2)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）糖酵解的生理意义,1.迅速供能：是机体在缺氧情况下获取能量的有效方式。,2.生理供能：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、骨髓细胞,3.病理供能：严重贫血、呼吸功能障碍和循环功 能障碍。,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、有氧氧化的反应过程,第一阶段：酵解途径,第二阶段：丙酮酸的氧化脱羧（线粒体）,第三阶段：三羧酸循环及 氧化磷酸化（线粒体）,G（Gn）,丙酮酸,乙酰CoA,H2O,O,ATP,ADP,TAC循环,胞液,线粒体,C,H,3,COSCoA,丙酮酸脱氢酶复合体,（一）丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA,限速酶,丙酮酸脱氢酶复合体,3 种 酶：E1:丙酮酸脱氢酶(TPP、Mg2+)E2:二氢硫辛酰酰胺转乙酰酶(硫辛酸、辅酶A)E3:二氢硫辛酰酰胺脱氢酶(FAD、NAD+)6种辅助因子：TPP、Mg2+、硫辛酸、辅酶A、FAD、NAD+（含B1、硫辛酸、泛酸、B2、PP五种维生素）,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。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。,所有的反应均在线粒体中进行。,二、三羧酸循环,*概述,*反应部位,1900-1981，德籍英国生物化学家因发现三羧酸循环而获得1953年诺贝尔生理和医学奖。,1932年发现尿素循环1937年发现三羧酸循环,柠檬酸合酶,草酰乙酸,+H2O,1、乙酰CoA与草酰乙酸缩合形成柠檬酸,柠檬酸,2、柠檬酸转变成异柠檬酸,异柠檬酸,异柠檬酸脱氢酶,3、异柠檬酸氧化脱羧转变为-酮戊二酸,三羧酸循环中第二个限速酶,-酮戊二酸脱氢酶系,4、-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰辅酶A,三羧酸循环中第三个限速酶,琥珀酰CoA合成酶,琥珀酰CoA,底物水平磷酸化,5、琥珀酰CoA转变为琥珀酸（底物水平磷酸化）,琥珀酸,琥珀酸脱氢酶,6、琥珀酸氧化脱氢生成延胡索酸,延胡索酸,延胡索酸酶,7、延胡索酸水化生成苹果酸,8、苹果酸脱氢生成草酰乙酸,苹果酸脱氢酶,苹果酸,NAD+,NADH+H+,草酰乙酸,CH2COSoA(乙酰辅酶A),三羧酸循环,（TCA）,小 结,1、TAC过程的反应部位是线粒体。,2、三羧酸循环是能量产生的主要环节。经过一次三羧酸循环，经一次底物水平磷酸化、二次脱羧、三个限速酶、四次脱氢。共产生10个ATP,3、整个循环反应为不可逆反应,4、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。,三羧酸循环的生理意义,是糖、脂肪、氨基酸三大营养素的最终代谢通路是糖、脂肪、氨基酸代谢联系的枢纽在提供生物合成的前体中起重要作用为呼吸链提供H+e。,H+e 进入呼吸链彻底氧化生成H2O 的同时ADP偶联磷酸化生成ATP。,三、糖有氧氧化的生理意义,1.有氧氧化是机体获得ATP的主要方式,胞浆中NADH的氧化,胞浆中NADH必须经一定转运机制进入线粒体，再经呼吸链进行氧化磷酸化。转运机制主要有：-磷酸甘油穿梭（脑、骨骼肌，36分子ATP）苹果酸-天冬氨酸穿梭（肝、心肌，38分子ATP）,关键酶：丙酮酸脱氢酶复合体 柠檬酸合酶 异柠檬酸脱氢酶、a-酮戊二酸脱氢酶复合体 己糖激酶 6-磷酸果糖激酶-1 丙酮酸激酶,四、糖有氧氧化的调节,1.丙酮酸脱氢酶复合体,别构调节,共价修饰调节,2、TCA的调节,主要调节位点：异柠檬酸脱氢酶、a-酮戊二酸脱氢酶复合体 影响二者活性的因素：NADH/NAD+、ATP/ADP比值；氧化磷酸化速率；Ca2+浓度；,第四节 磷酸戊糖途径Pentose Phosphate Pathway,*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。部位：胞液关键酶：6-磷酸葡萄糖脱氢酶,第一阶段：氧化反应 生成磷酸戊糖，NADPH+H+及CO2,（一）磷酸戊糖途径的反应过程,*反应过程可分为二个阶段,第二阶段则是非氧化反应 包括一系列基团转移。,NADP+,NADPH+H+,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸内酯,6-磷酸葡萄糖脱氢酶(G6PD),限速酶，对NADP+有高度特异性,（1）6-磷酸葡萄糖酸内酯的生成,1、磷酸戊糖和NADPH的生成,6-磷酸葡萄糖酸内酯,6-磷酸葡萄糖酸,H2O,内酯酶,（2）6-磷酸葡萄糖酸的生成,CO2,6-磷酸葡萄糖酸,NADP+,NADPH+H+,5-磷酸核酮糖,6-磷酸葡萄糖酸脱氢酶,（3）6-磷酸葡萄糖酸转变为5-磷酸核酮糖,5-磷酸核酮糖,5-磷酸核糖,异构酶,2、磷酸戊糖的相互转变,糖酵解途径,3、基团移换,磷酸戊糖途径,第一阶段,第二阶段,（二）磷酸戊糖途径的生理意义,1.为核酸的生成提供核糖,2.提供NADPH作为供氢体参与多种代谢反应,(1)NADPH是体内许多合成代谢的供氢体,(2)NADPH参与体内的羟化反应，与生物合成或生物转化有关,(3)NADPH可维持GSH的还原状态,2G-SH G-S-S-G,NADP+NADPH+H+,A AH2,hemolysis溶血hemolytic anemia溶血性贫血,谷胱甘肽过氧化物酶,谷胱甘肽还原酶,Favism(蚕豆病),Oxidative damage to lipids,protein,enzymes,intact of RBC membrane,Hb,DNA,defect,海因茨小体（Heinz Body），是红细胞内变性珠蛋白的包涵体，由德国物理学家Robert Heinz(1865-1924)于1890年发现并命名。,第 五 节 糖原的合成与分解 Glycogenesis and Glycogenolysis,是动物体内糖的储存形式之一，是机体能迅速动用的能量储备。,糖 原(glycogen),糖原储存的主要器官及其生理意义,葡萄糖单元以-1,4-糖苷 键形成长链。2.-1,6-糖苷键连接为分支结构3.每条链都终止于一个非还原端.非还原端增多，以利于其被酶分解。,糖原的结构特点及其意义,一、糖原的合成作用,合成部位,定义,糖原的合成(glycogenesis)指由葡萄糖合成糖原的过程。,组织定位：主要在肝脏、肌肉细胞定位：胞浆,1、葡萄糖磷酸化生成6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,1-磷酸葡萄糖,磷酸葡萄糖变位酶,6-磷酸葡萄糖,2、6-磷酸葡萄糖转变成1-磷酸葡萄糖,UDPG焦磷酸化酶,H2O,2Pi,3、尿苷二磷酸葡萄糖（UDPG）的生成,*UDPG是葡萄糖的活化形式，在体内充作葡萄糖供体。,尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG),糖原引物(Gn),糖原合酶,糖原(Gn+1),UDP,4.-1,4-糖苷 键的形成,5.糖原分枝的形成,二、糖原的分解代谢,*定义,*亚细胞定位：胞 浆,*肝糖元的分解,1.糖原的磷酸解,糖原分解(glycogenolysis)习惯上指肝糖原分解成为葡萄糖的过程。,脱枝酶,脱枝酶,2、脱枝酶的作用,1-磷酸葡萄糖,3、1-磷酸葡萄糖转变为6-磷酸葡萄糖,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸酶（肝、肾）,4、6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,肌肉组织细胞缺乏此酶，因此肌糖原无法补充血糖,G（补充血糖）,G-6-P,F-6-P（进入酵解和有氧氧化途径）,G-1-P,Gn（合成糖原）,UDPG,6-磷酸葡萄糖酸内酯（进入磷酸戊糖途径）,小 结,三、糖原合成与分解的调节,这两种关键酶的重要特点：*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。,磷酸化酶b激酶,糖原合酶(a),糖原合酶-P(b),磷酸化酶b,磷酸化酶a-P,第六节 糖 异 生Gluconeogenesis,糖异生(gluconeogenesis)是指从非糖化合物转变为葡萄糖或糖原的过程。,*部位,*原料,*概念,主要在肝、肾细胞的胞浆及线粒体,主要有乳酸、甘油、生糖氨基酸,糖异生作用的部位,生理条件下,饥饿期间,空腹及长期饥饿时葡萄糖的异生作用,空 腹 100300 90%10%,一、糖异生途径,基本上是糖酵解的逆过程 跨越三个能障 一个膜障（以丙酮酸为代表的物质）,6-磷酸葡萄糖水解为葡萄糖,糖的异生作用,果糖二磷酸酶-1,1,6-二磷酸果糖转变为6-磷酸果糖,丙酮酸转变成磷酸烯醇式丙酮酸-丙酮酸羧化支路,葡萄糖-6-磷酸酶 果糖-1，6-二磷酸酶 丙酮酸羧化酶 磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶,胞浆胞浆线粒体胞浆、线粒体,糖异生作用的酶,存在部位,线粒体内膜不允许草酰乙酸自由透过，故此草酰乙酸在线粒体与胞浆之间的交换受阻从而构成“膜障”。,糖异生作用与膜障,丙酮酸,线粒体,胞液,二、糖异生的生理意义,1.维持血糖浓度恒定,2.补充肝糖原,3.调节酸碱平衡（乳酸异生为糖）,第 八 节 血糖及其调节,*血糖，指血液中的葡萄糖。,*血糖水平，即血糖浓度。正常血糖浓度：3.896.11mmol/L,血糖及血糖水平的概念,血糖,一、血糖来源和去路,二、血糖水平的调节,*主要依靠激素的调节,*葡萄糖耐量(glucose tolerence),正常人体内存在一套精细的调节糖代谢的机制，在一次性食入大量葡萄糖后，血糖水平不会出现大的波动和持续升高。,指人体对摄入的葡萄糖具有很大的耐受能力的现象。,糖耐量试验(glucose tolerance test,GTT),目的：临床上用来诊断病人有无糖代谢异常。,口服糖耐量试验的方法,被试者清晨空腹静脉采血测定血糖浓度，然后一次服用100g葡萄糖，服糖后的1/2、1、2h（必要时可在3h）各测血糖一次。以测定血糖的时间为横坐标（空腹时为0h），血糖浓度为纵坐标，绘制糖耐量曲线。,糖耐量曲线,正常人：服糖后1/21h达到高峰，然后逐渐降低，一般2h左右恢复正常值。,糖尿病患者：空腹血糖高于正常值，服糖后血糖浓度急剧升高，2h后仍可高于正常。,三、血糖水平异常,（一）高血糖及糖尿症,1.高血糖(hyperglycemia)的定义,2.肾糖阈的定义,临床上将空腹血糖浓度高于7.227.78mmol/L称为高血糖。,当血糖浓度高于8.8910.00mmol/L时，超过了肾小管的重吸收能力，则可出现糖尿。这一血糖水平称为肾糖阈。,3.高血糖及糖尿的病理和生理原因,持续性高血糖和糖尿，主要见于糖尿病(diabetes mellitus,DM)。,型（胰岛素依赖型）型（非胰岛素依赖型）,b.血糖正常而出现糖尿，见于慢性肾炎、肾病综合征等引起肾对糖的吸收障碍。,c.生理性高血糖和糖尿可因情绪激动而出现。,糖尿病可分为二型:,(二）低血糖,1.低血糖(hypoglycemia)的定义,2.低血糖的影响,空腹血糖浓度低于3.333.89mmol/L时称为低血糖。,血糖水平过低，会影响脑细胞的功能，从而出现 头晕、倦怠无力、心悸等症状，严重时出现昏迷，称为低血糖休克。,思考题,1、名词：糖酵解、有氧氧化、巴斯德效应、糖异生、血糖2、列表比较各种糖代谢途径的异同（部位、原料、限速酶、ATP的生成或消耗、终产物、生理意义）3、血糖的来源和去路及调节4、糖异生是否为糖酵解的逆反应，为什么？,