导图社区 生物化学 糖代谢
这是一篇关于生物化学 糖代谢的思维导图,糖代谢可分为分解代谢和合成代谢两个方面,生物体内的糖代谢基本过程相类似。
编辑于2022-01-14 17:55:05糖代谢
糖的无氧氧化
糖酵解
1||| 葡萄糖--->葡糖-6-磷酸(G-6-P)
己糖激酶
需Mg2+,ATP×1
2||| 葡糖-6-磷酸(G-6-P)--->果糖-6-磷酸(F-6-P)
磷酸己糖异构酶
需Mg2+
3||| 果糖-6-磷酸--->果糖-1,6-二磷酸(F-1,6-BP)
磷酸果糖激酶-1(PFK-1)
需Mg2+,ATP×1
4||| 果糖-1,6-二磷酸--->磷酸二羟丙酮+3-磷酸甘油醛(互变异构)
醛缩酶
5||| 磷酸二羟丙酮--->3-磷酸甘油醛
磷酸丙糖异构酶
磷酸二羟丙酮可转变为α-磷酸甘油,联系葡萄糖代谢和脂肪代谢
糖酵解耗能阶段 1分子葡萄糖,两次磷酸化,消耗2分子ATP,产生2分子3-磷酸甘油醛
6||| 3-磷酸甘油醛--->1,3-二磷酸甘油酸(自此以后,自动×2)
3-磷酸甘油醛脱氢酶,NAD+
产生NADH+H+×2
7||| 1,3-二磷酸甘油酸--->3-磷酸甘油酸
磷酸甘油酸激酶
需Mg2+
产生ATP×2
8||| 3-磷酸甘油酸--->2-磷酸甘油酸
磷酸甘油酸变位酶
需Mg2+
9||| 2-磷酸甘油酸--->磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)
烯醇化酶
10||| 磷酸烯醇式丙酮酸--->丙酮酸
丙酮酸激酶
需K+,Mg2+
产生ATP×2
糖酵解产能阶段 2分子磷酸丙糖,2次底物水平磷酸化,产生2分子丙酮酸,生成4分子ATP
净生成2个ATP
乳酸生成
丙酮酸被还原为乳酸
乳酸脱氢酶LDH
需糖酵解第6步产生的NADH+H+
糖的有氧氧化
葡萄糖经糖酵解生成丙酮酸
丙酮酸进入线粒体氧化脱羧生成乙酰CoA
丙酮酸脱氢酶复合体
乙酰辅酶α经三羧酸循环
1||| 乙酰CoA+草酰乙酸--->柠檬酸+CoA
柠檬酸合酶
2||| 柠檬酸--->顺乌头酸--->异柠檬酸
顺乌头酸酶(与顺乌头酸形成复合物)
3||| 异柠檬酸--->α-酮戊二酸
异柠檬酸脱氢酶,NAD+
需Mg2+
产生NADH+H+×1,ATP×2.5,CO2×1
4||| α-酮戊二酸--->琥珀酰CoA
α-酮戊二酸脱氢酶复合体,NAD+
产生NADH+H+×1,ATP×2.5,CO2×1
5||| 琥珀酰CoA--->琥珀酸
琥珀酰CoA合成酶
产生GTP(ATP)×1
6||| 琥珀酸--->延胡索酸
琥珀酸脱氢酶(TCA循环中唯一与内膜结合的酶),FAD
产生FADH2×1,ATP×1.5
7||| 延胡索酸--->苹果酸
延胡索酸酶
8||| 苹果酸--->草酰乙酸
苹果酸脱氢酶,NAD+
产生NADH+H+×1,ATP×2.5
1分子乙酰CoA共产生10个ATP,4分子还原当量 4次脱氢--->NADH+H+×3,FADH2×1 2次脱羧--->CO2×2 1次底物水平磷酸化--->GTP(ATP)×1
氧化磷酸化
最终获得30或32个ATP
磷酸戊糖途径
1||| 氧化阶段生成NADPH和磷酸核糖
G-6-P×1--->核糖-5-磷酸+NADPH×2+CO2×1
关键酶、限速酶
葡糖-6-磷酸脱氢酶
2||| 基团转移阶段生成磷酸己糖和磷酸丙糖
磷酸戊糖×3--->果糖-6-磷酸×2+3-磷酸甘油醛×1
一阶段多余戊糖参与反应,需要3分子磷酸戊糖
转酮醇酶反应、转醛醇酶反应
细胞质中进行,均为可逆反应
糖原的合成与分解
糖原合成是将葡萄糖连接成多聚体
1||| 葡萄糖活化为尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)
1||| 葡萄糖--->葡糖-6-磷酸--->葡糖-1-磷酸(糖酵解、变位)
2||| 葡糖-1-磷酸+尿苷三磷酸(UTP)--->尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)+焦磷酸(迅速被焦磷酸酶水解)
UDPG焦磷酸化酶催化
UDPG:体内充当葡萄糖供体
2||| 糖原合成的起始需要引物
以糖原蛋白(一种蛋白酪氨酸-葡糖基转移酶,可自身糖基化修饰)作为葡萄糖基受体(引物)
将UDPG分子葡糖基连接到自身Tyr残基上
3||| UDPG中的葡萄糖基连接形成直链和支链
直链形成
糖原合酶催化,UDPG葡糖基转移到糖原引物非还原性末端,形成α-1, 4-糖苷键
支链形成
当长度达到11个葡萄糖基时,分支酶从非还原性末端将约6~7个葡萄糖基转到邻近糖链上,以α-1, 6-糖苷键相连
形成支链,增加水溶性,增加还原性末端数量,有利于迅速分解
每延长一个葡糖基,消耗2分子ATP (G-6-P生成、焦磷酸水解)
糖原的分解是从非还原性末端进行磷酸解
糖原磷酸化酶分解α-1,4-糖苷键释出葡糖-1-磷酸
非还原性末端开始,只能作用于α-1,4-糖苷键,对分支的α-1, 6-糖苷键无作用
脱支酶分解α-1,6-糖苷键释出游离葡萄糖
糖链缩短至距离分支点约4个GLU基时,糖原磷酸化酶因空间位阻无法作用
葡聚糖转移酶转移3个GLU基至邻近糖链末端
α-1,6-葡糖苷酶水解余下一个糖基的α-1,6-糖苷键
脱支酶:葡聚糖转移酶、α-1,6-葡糖苷酶两种活性
肝利用葡糖-6-磷酸生成葡萄糖而肌不能
分解初始阶段,G-1-P--->G-6-P
肝中有G-6-P酶,可水解G-6-P--->GLU入血,饥饿时补充血糖,维持血糖稳定
肌组织中缺乏G-6-P酶,故G-6-P进行糖酵解,故肌糖原只为肌收缩提供能量(故肌内糖酵解绕过第1步,净生成3分子ATP,葡糖激酶也就不是其关键酶)
糖异生
1||| 丙酮酸--->PEP
丙酮酸羧化支路
1||| 丙酮酸--->草酰乙酸
丙酮酸羧化酶,生物素
需CO2×1,ATP×1
生物素先结合并活化CO2(消耗ATP),然后活化的CO2转移给丙酮酸生成产物
酶只存在于线粒体 丙酮酸进入线粒体后发生此反应
2||| 草酰乙酸--->PEP
PEP羧激酶
需GTP×1
酶在胞质/线粒体都存在 可在得到产物后进入胞质,也可进入胞质后反应得到产物
将草酰乙酸运出线粒体
1. 草酰乙酸<--->苹果酸
丙酮酸或生糖氨基酸为原料
苹果酸脱氢酶(先是线粒体内的,后是胞质内的)
此过程伴随NADH从线粒体到细胞质的转运
2. 草酰乙酸<--->天冬氨酸
乳酸为原料
谷草转氨酶(先是线粒体内的,后是胞质内的)
无NADH的转运
采用何种方式取决于不同糖异生原料对供氢体需求
2||| 果糖-1,6-二磷酸--->果糖-6-磷酸
果糖二磷酸酶-1
磷酸酯水解反应(放能),不生成ATP,反应易于进行
3||| 葡糖-6-磷酸--->葡萄糖
葡糖-6-磷酸酶
磷酸酯水解反应
无氧氧化
过程
糖酵解
限速步骤、关键反应、不可逆反应
1
3
10
脱氢反应
6
底物水平磷酸化
7
10
ATP产生方式
底物水平磷酸化
氧化磷酸化(主要)
关键酶
1
葡糖激酶
肝内,需Mg2+,IV型己糖激酶同工酶(I~IV)
特点
对GLU亲和力低,特异性高
受胰岛素调控,对产物反馈抑制不敏感(无结合位点)
3(最重要)
磷酸果糖激酶-1(PFK-1)
结构
四聚体
别构调节
激活剂:1,6-二磷酸果糖(正反馈)、2,6-二磷酸果糖(最强激活剂)、ADP/AMP
2,6-二磷酸果糖
产生
磷酸果糖激酶-2催化果糖-6-磷酸C2磷酸化
水解
果糖二磷酸酶-2水解C2位磷酸
磷酸果糖激酶-2/果糖二磷酸酶-2
两种酶活性共存于同一酶蛋白,具2个催化中心,双功能酶
可在激素作用下,化学修饰调节活性
抑制剂:ATP、柠檬酸(乙酰CoA不是)
10
丙酮酸激酶
别构调节
激活剂:1,6-二磷酸果糖
抑制剂:ATP、Ala
化学修饰
蛋白激酶A,依赖Ca2+、钙调蛋白的蛋白激酶可使其磷酸化失活 胰高血糖素可激活蛋白激酶A而抑制活性
调节
对于骨骼肌
ATP/AMP比值增加抑制产能过程中的一些关键酶(如PFK-1,丙酮酸激酶,除己糖激酶)
对于肝
正常进食主要通过分解脂肪酸获能
进食后,胰高血糖素↓,胰岛素↑,2,6-二磷酸果糖↑,加速糖酵解,产生更多乙酰CoA生成脂肪酸
饥饿时,胰高血糖素↑,2,6-二磷酸果糖↓,丙酮酸激酶活性↓,抑制糖酵解,促进糖异生
乳酸去路
释放入血,进入肝脏进一步代谢
分解利用
糖异生
生理意义
不利用氧为机体快速供能
机体缺氧时主要供能方式
肌收缩
快速,机体缺氧或剧烈运动肌局部血流不足时,能量主要来源
某些厌氧生物或机体供氧充足的情况下少数组织的能量来源
成熟红细胞、视网膜、神经、肾髓质、胃肠道、皮肤等,不缺氧亦常通过无氧氧化供能
肝脏的糖酵解途径主要功能是为其他代谢提供合成原料
感染性休克、肿瘤恶病质等病理情况下,无氧氧化活跃,产生的乳酸被肝利用(糖异生)
其他单糖转变为糖酵解中间产物
果糖被磷酸化后进入糖酵解
肝内代谢(主要)
果糖激酶:果糖--->果糖-1-磷酸
果糖-1-磷酸醛缩酶:果糖-1-磷酸--->二羟丙酮+甘油醛
丙糖激酶:甘油醛--->3-磷酸甘油醛
周围组织代谢
己糖激酶:果糖--->果糖-6-磷酸
果糖不耐受
缺乏果糖-1-磷酸醛缩酶,引起果糖-1-磷酸堆积
半乳糖转变为葡糖-1-磷酸进入糖酵解
半乳糖--->尿嘧啶核苷二磷酸半乳糖(UDPGal)--->葡萄糖
半乳糖血症
半乳糖不能转变为GLU
甘露糖转变为果糖-6-磷酸进入糖酵解
有氧氧化
过程
乙酰CoA生成
不可逆反应,反馈抑制,无中间产物,无副反应
丙酮酸可自由进出线粒体,乙酰CoA不可,故此为乙酰CoA固定反应
关键酶
丙酮酸脱氢酶复合体
结构
60个E2组成复合体,周围排列6个E3,20或30个E1
调节
别构调节
激活剂
AMP/ADP、底物(CoA、NAD+)、Ca2+(增加丙酮酸经有氧氧化代谢的流量,调节TCA循环)
抑制剂
ATP、产物(乙酰CoA、NADH)、脂肪酸
餐后糖分解过盛(防止产能过多造成浪费) 饥饿状态下大量脂肪酸氧化(节约GLU保证对脑等重要组织的糖供给)
化学修饰
丙酮酸脱氢酶激酶
磷酸化,使失活
产物(乙酰CoA、NADH)可激活此激酶来间接抑制丙酮酸脱氢酶
丙酮酸脱氢酶磷酸酶
去磷酸化,使激活
三羧酸循环/柠檬酸循环/Krebs循环/TCA循环
过程
限速步骤、关键反应、不可逆反应
1
3
4
脱羧反应
3
4
脱氢反应
3
4
6
8
底物水平磷酸化
5
关键酶
1
柠檬酸合酶
对草酰乙酸亲和力很高,即使线粒体内草酰乙酸浓度很低也可催化反应进行
激活剂
ADP/AMP、底物(乙酰CoA、草酰乙酸)
抑制剂
ATP、直接产物(柠檬酸)、远端产物(琥珀酰CoA、NADH)
3
异柠檬酸脱氢酶
激活剂
ADP/AMP、Ca2+
抑制剂
ATP
4
α-酮戊二酸脱氢酶复合体
类似于丙酮酸脱氢酶复合体,使α-酮戊二酸脱羧、脱氢、形成高能硫酯键等反应可迅速完成
激活剂
Ca2+
抑制剂
直接产物(琥珀酰CoA、NADH)
生理意义
三大营养物质代谢中占核心地位
三大营养物质分解产能的共同通路
糖、氨基酸、脂肪--->乙酰CoA,参与TCA循环--->产生足够还原当量,进入氧化磷酸化
三大营养物质代谢联系的枢纽
举例:饱腹时,糖--->脂肪;氨基酸<--->糖
氧化磷酸化
生理意义
有氧氧化是糖分解供能的主要方式
调节
丙酮酸脱氢酶复合体调节乙酰CoA生成速率
三羧酸循环的关键酶调节乙酰CoA氧化速率
有氧氧化各阶段相互协调
共同的代谢物别构调节
柠檬酸别构剂
别构抑制 PFK-1、柠檬酸合酶
NADH别构剂
别构抑制 丙酮酸脱氢酶复合体、异柠檬酸脱氢酶、α-酮戊二酸脱氢酶复合体
能量状态协同调节糖有氧氧化各阶段的关键酶
ATP别构激活除葡糖激酶外的无氧/有氧氧化关键酶
ADP/AMP反之
柠檬酸生成量和亚细胞分布(也可调节脂质合成速率)
糖分解不足,柠檬酸留在线粒体中
糖分解产能过多,柠檬酸通过柠檬酸-丙酮酸循环转移到细胞质,裂解释放乙酰CoA作为合成原料
柠檬酸可激活脂肪酸合成的关键酶,促进脂质合成
柠檬酸是协同调节糖代谢、脂质代谢的枢纽物质
组织偏好
巴斯德效应
肌组织中,糖酵解产生的NADH去路,决定产物丙酮酸去路,即有氧氧化抑制无氧氧化
瓦伯格效应
增值活跃的组织(如肿瘤),即使在有氧时,葡萄糖也不被彻底氧化,而是被分解产生乳酸(无氧氧化)
一分子乙酰CoA——8次脱氢、4次脱羧
与ATP/ADP相比,ATP/AMP对有氧氧化调节作用更明显:因ATP水解生成ADP后ADP也被消耗(2ADP--->ATP+AMP),故ATP和ADP同时消耗,比值变化相对较小;细胞内ATP浓度约为AMP50倍,故AMP增加比值变动更大
磷酸戊糖途径
磷酸戊糖途径活跃的细胞
脂质合成
肝、脂肪组织、哺乳期乳腺
增殖活跃
骨髓、肿瘤
红细胞
受NADPH/NADP+比值的调节
酶含量调节
脂肪酸合成需NADPH,葡糖-6-磷酸脱氢酶含量上升
酶活性调节
葡糖-6-磷酸脱氢酶活性受NADPH/NADH+比值调节,比值升高,磷酸戊糖途径被抑制,比值降低则被激活
是NADPH和磷酸核糖的主要来源
提供磷酸核糖参与核酸的合成
一阶段,G-6-P脱羧氧化产生
二阶段,果糖-6-磷酸和3-磷酸甘油醛通过基团转移生成
提供NADPH作为供氢体参与代谢
NADPH是许多合成代谢的供氢体
脂质合成(肝、脂肪组织、哺乳期乳腺)
AA合成
NADPH参与羟化反应
生物合成相关羟化反应
生物转化相关羟化反应
NADPH用于维持谷胱甘肽GSH的还原状态(GSSG--->GSH)
蚕豆病
常在食用蚕豆(强氧化剂)后诱发
先天性G-6-P脱氢酶缺乏,故NADPH少,故GSH无法保持还原态保护红细胞膜完整性,导致红细胞破裂--->血红性黄疸
NADPH来源
主要
磷酸戊糖途径
次要
柠檬酸-丙酮酸循环
糖原代谢
部位
肝/肌细胞细胞质
关键酶
糖原合酶
a型,有活性,去磷酸化
磷蛋白磷酸酶-1催化
b型,无活性,磷酸化
蛋白激酶A、磷酸化酶b激酶、糖原合酶激酶等催化
糖原磷酸化酶
a型,有活性,磷酸化
蛋白激酶A、磷酸化酶b激酶催化
b型,无活性,去磷酸化
磷蛋白磷酸酶-1催化
调节
磷酸化修饰对两关键酶反向调节
别构调节肝糖原和肌糖原分解
肝糖原磷酸化酶主要受GLU别构抑制
也受果糖-1-磷酸、果糖-1, 6-二磷酸抑制
肌糖原分解主要受能量和Ca2+别构调节
糖原磷酸化酶
AMP/ADP激活
ATP、G-6-P抑制
磷酸化酶b激酶
Ca2+别构激活
激素反向调节糖原合成与分解
胰高血糖素--->肝糖原分解
活化磷酸化酶b激酶
糖原磷酸化酶↑
活化蛋白激酶A
糖原合酶↓
肾上腺素--->肌糖原分解
磷酸化修饰两关键酶,类似胰高血糖素
磷酸化修饰两酶
胰岛素--->糖原合成
激活磷蛋白磷酸酶-1
糖原合酶↑、糖原磷酸化酶↓
去磷酸化修饰两酶
糖原贮积病
定义
一类遗传性代谢病,因先天性缺乏糖原代谢的相关酶类,病人某些组织器官中出现大量糖原堆积的现象
糖异生
糖异生
定义
由非糖化合物转变为GLU/糖原的过程
位置
主要:肝
肾相对较弱,长期饥饿时增强
原料
丙酮酸、乳酸、甘油、生糖氨基酸(除Leu、Lys生酮,都生糖)等
关键酶
丙酮酸羧化酶
乙酰CoA别构激活
PEP羧激酶
胰岛素/胰高血糖素控制其mRNA水平
果糖二磷酸酶-1
F-2, 6-2BP别构抑制
G-6-P酶
底物循环
概念
底物循环
糖酵解和糖异生两途径中,3个限速步骤由不同的酶催化底物互变
无效循环
催化互变反应的酶活性相等时,代谢不向任何方向推进,结果是无谓的ATP消耗而释放热能,形成无效循环
过程
糖异生和糖酵解的反向调节主要针对两个底物循环
1. 果糖-6-磷酸<--->果糖-1, 6-二磷酸 (最为重要)
果糖-2,6-二磷酸和AMP反向调节第一个底物循环,别构激活PFK-1,别构抑制果糖二磷酸酶-1
果糖-2,6-二磷酸是肝内糖异生与糖酵解的主要调节信号
果糖-2,6-二磷酸
胰高血糖素通过cAMP和蛋白激酶A使其磷酸化失活
胰岛素升高其水平
2. PEP<--->丙酮酸
丙酮酸激酶
胰高血糖素使果糖-2,6-二磷酸失活--->果糖-1,6-二磷酸↓
Ala(糖异生原料)别构抑制丙酮酸激酶
胰高血糖素通过cAMP使丙酮酸激酶磷酸化失活
PEP羧激酶
胰高血糖素通过cAMP使PEP羧激酶mRNA水平↑
胰岛素使PEP激酶mRNA水平↓
丙酮酸羧化酶
丙酮酸羧化酶
受乙酰CoA别构激活
丙酮酸脱氢酶复合体
受乙酰CoA别构抑制
饥饿时,大量脂酰CoA在线粒体进行β-氧化--->乙酰CoA,可加速糖异生,抑制糖酵解
两底物循环的联系、协调
中间代谢物协调
果糖-1,6-二磷酸同时使两底物循环向糖酵解方向进行
激素协调
生理意义
肝糖异生维持血糖恒定(最重要)
脑对GLU依赖度大,红细胞、神经、视网膜、骨髓等组织或细胞只能通过无氧氧化供能,所需GLU来自糖异生
饥饿时,肝通过糖异生维持血糖水平恒定(蛋白质分解成生糖AA、脂肪分解成甘油增多) 剧烈运动时肌糖原分解成乳酸,可用于糖异生
补充或恢复肝糖原储备
肝内糖原合成不完全利用直接摄入的GLU(肝内葡糖激酶Km大),通过丙酮酸生成G-6-P进入糖原合成途径,绕开葡糖激酶催化的瓶颈反应
肾糖异生增强有利于维持酸碱平衡
长期禁食--->酮体代谢旺盛--->体液pH↓--->肾PEP羧激酶合成↑--->糖异生↑--->α-酮戊二酸↓--->谷氨酰胺脱氨↑--->谷氨酸脱氨↑--->肾小管细胞将脱下的NH3分泌入管腔,与原尿中H+结合,降低H+浓度,排氢保钠,防止酸中毒
乳酸循环/Cori循环
过程
肌收缩(尤其是缺氧状态)--->糖无氧氧化--->乳酸,经细胞膜弥散入血--->乳酸入肝,糖异生--->GLU
每2分子乳酸异生成GLU,消耗6分子ATP
形成因素
肝内G-6-P酶活性高,肌内反之
生理意义
回收乳酸中能量
避免乳酸堆积引起酸中毒
肌组织糖酵解关键酶不含葡糖激酶
胰岛素
使果糖2,6-二磷酸↑--->PFK-1活性↑--->果糖-1,6-二磷酸↑
PEP羧激酶mRNA↓--->酶蛋白↓
胰高血糖素
cAMP和蛋白激酶A--->磷酸化果糖2,6-二磷酸--->抑制PFK-1--->果糖1,6-二磷酸水平↓
通过cAMP
PEP羧激酶mRNA↑--->酶蛋白↑
抑制丙酮酸激酶活性
血糖
来源、去路
来源
肠道吸收
肝糖原分解
糖异生
去路
氧化供能
合成糖原
转变为其他糖和脂肪或AA
血糖水平保持恒定
维持在3.9~6.0mmol/L
餐后
食物消化吸收--->血糖↑,所有去路均活跃
短期饥饿
肝糖原分解
长期饥饿
糖异生,大多数组织改用脂质能源
激素调节
降糖激素
胰岛素
1. 活化磷蛋白磷酸酶-1
活化糖原合酶,抑制磷酸化酶,加速糖原合成,抑制糖原分解
2. F-2, 6-2BP ↑
抑制肝内糖异生
促进肌、脂肪组织摄取GLU
3. 活化丙酮酸脱氢酶复合体,加速糖有氧氧化
4. 抑制PEP羧激酶合成,抑制糖异生
5. 抑制脂肪动员,合成脂肪酸
升糖激素
胰高血糖素(主要)
1. 活化磷酸化酶b激酶、PKA
抑制糖原合酶,活化磷酸化酶,加速糖原分解
2. F-2, 6-2BP ↓
抑制磷酸果糖激酶-2,F-2,6-BP↓,促进糖异生,抑制糖酵解
3. 活化PKA
抑制丙酮酸激酶,抑制糖酵解,促进糖异生
4. 促进PEP羧激酶合成,促进糖异生
5. 激活脂肪酶活性,促进脂肪酸分解
糖皮质激素
1. 促进肌蛋白质分解,加强PEP羧激酶合成,促进糖异生
2. 抑制丙酮酸氧化脱羧,抑制GLU分解
3. 增强脂肪动员,促进脂肪酸分解
肾上腺素(最强)
引发肝和肌细胞内依赖cAMP的磷酸化级联反应,加速糖原分解(肌糖原直接分解,肝糖原利用乳酸异生)
只在应急状态下起作用
糖代谢障碍
糖耐量试验
测量空腹静脉血糖,饮用75g无水GLU,分别于30min、1h、2h测量静脉血糖
肾糖阈
10mmol/L
低血糖——<2.8mmol/L
高血糖——>7mmol/L