1、糖原的合成與分解Glycogenesis and Glycogenolysis,糖 原 (glycogen)是動物體內(nèi)糖的儲存形式之一，是機(jī)體能迅速動用的能量儲備。,糖原的定義：,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(jié)構(gòu)特點及其意義：,一、糖原的合成代謝主要在肝和肌組織中進(jìn)行,合成部位：,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

2、細(xì)胞定位：胞漿,1.葡萄糖磷酸化生成葡萄糖-6-磷酸,葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸,糖原合成途徑：,2.葡萄糖-6-磷酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖-1-磷酸,UDPG可看作“活性葡萄糖”，在體內(nèi)充作葡萄糖供體。,3.葡萄糖-1-磷酸轉(zhuǎn)變成尿苷二磷酸葡萄糖,4.-1,4-糖苷鍵式結(jié)合,糖原n 為原有的細(xì)胞內(nèi)的較小糖原分子，稱為糖原引物(primer)， 作為UDPG 上葡萄糖基的接受體。,.糖原分枝的形成,近來人們在糖原分子的核心發(fā)現(xiàn)了一種名為glycogenin的蛋白質(zhì)。Glycogenin可對其自身進(jìn)行共價修飾，將UDP-葡萄糖分子的C1結(jié)合到其酶分子的酪氨酸殘基上，從而使它糖基化。這個結(jié)合上去的葡萄糖分子即

3、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？,二、肝糖原分解產(chǎn)物葡萄糖可補(bǔ)充血糖,亞細(xì)胞定位：胞漿,肝糖元的分解過程：,1.糖原的磷酸解,糖原分解 (glycogenolysis )習(xí)慣上指肝糖原分解成為葡萄糖的過程。,2.脫枝酶的作用,轉(zhuǎn)移葡萄糖殘基 水解-1,6-糖苷鍵,脫枝酶,(debranching enzyme),磷酸化酶,轉(zhuǎn)移酶活性,-1,6糖苷酶活性,在幾個酶的共同作用下，最終產(chǎn)物中約85%為1-磷酸葡萄糖，15%為游離葡萄糖。,3.葡萄糖-1-磷酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖-6-磷酸,4.葡萄糖-6-磷酸 水解生成葡萄糖,葡萄糖-6-磷酸酶只存在于肝、腎中，而不存

4、在于肌中。所以只有肝和腎可補(bǔ)充血糖；而肌糖原不能分解成葡萄糖，只能進(jìn)行糖酵解或有氧氧化。,肌糖原的分解,肌糖原分解的前三步反應(yīng)與肝糖原分解過程相同，但是生成6-磷酸葡萄糖之后，由于肌肉組織中不存在葡萄糖-6-磷酸酶，所以生成的6-磷酸葡萄糖不能轉(zhuǎn)變成葡萄糖釋放入血，提供血糖，而只能進(jìn)入酵解途徑進(jìn)一步代謝。 肌糖原的分解與合成與乳酸循環(huán)有關(guān)。,G-6-P的代謝去路：,G（補(bǔ)充血糖）,G-6-P,F-6-P （進(jìn)入酵解途徑）,G-1-P,Gn（合成糖原）,UDPG,6-磷酸葡萄糖內(nèi)酯 （進(jìn)入磷酸戊糖途徑）,葡萄糖醛酸 （進(jìn)入葡萄糖醛酸途徑）,小結(jié),反應(yīng)部位：胞漿,糖原的合成與分解總圖,糖原的合成與

5、分解是分別通過兩條不同途徑進(jìn)行的。這種合成與分解循兩條不同途徑進(jìn)行的現(xiàn)象，是生物體內(nèi)的普遍規(guī)律。這樣才能進(jìn)行精細(xì)的調(diào)節(jié)。 當(dāng)糖原合成途徑活躍時，分解途徑則被抑制，才能有效地合成糖原；反之亦然。,三、糖原合成與分解受到彼此相反的調(diào)節(jié),它們的快速調(diào)節(jié)有共價修飾和變構(gòu)調(diào)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(zhuǎn)變。,這兩種關(guān)鍵酶的重要特點：,（一）糖原磷酸化酶是糖原分解的關(guān)鍵酶,糖原磷酸化酶的共價修飾調(diào)節(jié),（二）糖原合酶是糖原合成的關(guān)鍵酶,糖原合酶的共價修飾調(diào)節(jié),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

6、劑,兩種酶磷酸化或去磷酸化后活性變化相反； 此調(diào)節(jié)為酶促反應(yīng)，調(diào)節(jié)速度快； 調(diào)節(jié)有級聯(lián)放大作用，效率高； 受激素調(diào)節(jié)。,糖原磷酸化酶合糖原合酶的共價修飾調(diào)節(jié)特點：,肌肉內(nèi)糖原代謝的二個關(guān)鍵酶的調(diào)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(diào)節(jié)，而肌肉主要受腎上腺素調(diào)節(jié)。 肌肉內(nèi)糖原合酶及磷酸化酶的變構(gòu)效應(yīng)物主要為AMP、ATP及6-磷酸葡萄糖。,調(diào)節(jié)小結(jié):,雙向調(diào)控：對合成酶系與分解酶系分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，如加強(qiáng)合成則減弱分解，或反之。,雙重調(diào)節(jié)：別構(gòu)調(diào)節(jié)和共價修飾調(diào)節(jié)。,肝糖原和肌糖原代謝調(diào)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(guān)鍵酶調(diào)節(jié)上存在

7、級聯(lián)效應(yīng)。,關(guān)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(zhuǎn)變。,糖原積累癥是由先天性酶缺陷所致,糖原累積癥(glycogen storage diseases)是一類遺傳性代謝病，其特點為體內(nèi)某些器官組織中有大量糖原堆積。引起糖原累積癥的原因是患者先天性缺乏與糖原代謝有關(guān)的酶類。,糖原積累癥分型,血糖及其調(diào)節(jié)The Definition, Level and Regulation of Blood Glucose,血糖，指血液中的葡萄糖。,血糖水平，即血糖濃度。,血糖及血糖水平的概念：,正常血糖濃度 ：3.896.11mmol/L,血糖水平恒定的生理意義：

8、,保證重要組織器官的能量供應(yīng)，特別是某些依賴葡萄糖供能的組織器官。,腦組織不能利用脂酸，正常情況下主要依賴葡萄糖供能； 紅細(xì)胞沒有線粒體，完全通過糖酵解獲能； 骨髓及神經(jīng)組織代謝活躍，經(jīng)常利用葡萄糖供能。,血糖,一、血糖的來源和去路是相對平衡的,二、血糖水平的平衡主要是受到激素調(diào)節(jié),血糖水平保持恒定是糖、脂肪、氨基酸代謝協(xié)調(diào)的結(jié)果，也是肝、肌、脂肪組織等各器官組織代謝協(xié)調(diào)的結(jié)果。 機(jī)體的各種代謝以及各器官之間能這樣精確協(xié)調(diào)，以適應(yīng)能量、燃料供求的變化，主要依靠激素的調(diào)節(jié)。 酶水平的調(diào)節(jié)是最基本的調(diào)節(jié)方式和基礎(chǔ)。,主要調(diào)節(jié)激素,降低血糖：胰島素(insulin),升高血糖：,胰高血糖素(gluc

9、agon) 糖皮質(zhì)激素 腎上腺素,胰島素(Insulin)是體內(nèi)唯一的降低血糖的激素，也是唯一同時促進(jìn)糖原、脂肪、蛋白質(zhì)合成的激素。 胰島素的分泌受血糖控制，血糖升高立即引起胰島素分泌；血糖降低，分泌即減少。,（一）胰島素是體內(nèi)唯一降低血糖的激素,促進(jìn)肌、脂肪組織等的細(xì)胞膜葡萄糖載體將葡萄糖轉(zhuǎn)運入細(xì)胞。 通過增強(qiáng)磷酸二酯酶活性，降低cAMP水平，從而使糖原合酶活性增強(qiáng)、磷酸化酶活性降低，加速糖原合成、抑制糖原分解。 通過激活丙酮酸脫氫酶磷酸酶而使丙酮酸脫氫酶激活，加速丙酮酸氧化為乙酰CoA，從而加快糖的有氧氧化。 抑制肝內(nèi)糖異生。這是通過抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的合成以及促進(jìn)氨基酸進(jìn)入肌組織

10、并合成蛋白質(zhì)，減少肝糖異生的原料。 通過抑制脂肪組織內(nèi)的激素敏感性脂肪酶，可減緩脂肪動員的速率。,胰島素的作用機(jī)制:,（二）機(jī)體在不同狀態(tài)下有相應(yīng)的升高血糖的激素,正常人體內(nèi)存在一套精細(xì)的調(diào)節(jié)糖代謝的機(jī)制，在一次性食入大量葡萄糖后，血糖水平不會出現(xiàn)大的波動和持續(xù)升高。,人體對攝入的葡萄糖具有很大的耐受能力的現(xiàn)象稱為葡萄糖耐量(glucose tolerence)。,三、血糖水平異常及糖尿病是最常見的糖代謝紊亂,臨床上因糖代謝障礙可發(fā)生血糖水平紊亂，常見有以下兩種類型：,低血糖 (hypoglycemia) 高血糖 (hyperglycemia),（一）低血糖是指血糖濃度低于3.0mmol/L,

11、低血糖影響腦的正常功能，因為腦細(xì)胞所需要的能量主要來自葡萄糖的氧化。當(dāng)血糖水平過低時，就會影響腦細(xì)胞的功能，從而出現(xiàn)頭暈、倦怠無力、心悸等，嚴(yán)重時出現(xiàn)昏迷，稱為低血糖休克。如不及時給病人靜脈補(bǔ)充葡萄糖，可導(dǎo)致死亡。,低血糖的危害：,胰性(胰島-細(xì)胞機(jī)能亢進(jìn)、胰島-細(xì)胞機(jī)能低下等)； 肝性（肝癌、糖原累積病等）； 內(nèi)分泌異常（垂體機(jī)能低下、腎上腺皮質(zhì)機(jī)能低下等）； 腫瘤（胃癌等）； 饑餓或不能進(jìn)食者等。,低血糖的原因：,（二）高血糖是指空腹血糖高于6.9mmol/L,臨床上將空腹血糖濃度高于5.66.9mmol/L 稱為高血糖(hyperglycemia)。 當(dāng)血糖濃度超過了腎小管的重吸收能力(

12、腎糖閾)，則可出現(xiàn)糖尿。 持續(xù)性高血糖和糖尿，特別是空腹血糖和糖耐量曲線高于正常范圍，主要見于糖尿病(diabetes mellitus)。,糖尿病； 遺傳性胰島素受體缺陷 某些慢性腎炎、腎病綜合癥等； 生理性高血糖和糖尿。,高血糖的原因：,（三）糖尿病是最常見的糖代謝紊亂疾病,糖尿病是一種因部分或完全胰島素缺失、或細(xì)胞胰島素受體減少、或受體敏感性降低導(dǎo)致的疾病，它是除了肥胖癥之外人類最常見的內(nèi)分泌紊亂性疾病。,型（胰島素依賴型） 型（非胰島素依賴型）,糖尿病可分為二型:,糖的合成代謝,1、葡糖糖合成（糖異生作用） 2、蔗糖的合成 3、糖原的合成 4、淀粉的合成,（1）糖異生作用的概念和場所

13、（2）糖異生的途徑 （3）糖異生的前體 （4）糖異生的意義 （5） Cori循環(huán) （6）糖異生和糖酵解的代謝協(xié)調(diào)控制,1、糖異生作用,（1）糖異生作用的概念和場所,葡萄糖的異生作用是指由非糖物質(zhì)轉(zhuǎn)變成葡萄糖的過程，是葡糖糖合成方式之一。 哺乳動物葡萄糖異生作用是在肝臟細(xì)胞中進(jìn)行的，高等植物主要是發(fā)生在油料作物種子萌發(fā)時，貯存的脂肪向糖轉(zhuǎn)變。 由異生的葡萄糖合成糖原的過程稱為糖原異生作用。,糖異生途徑：丙酮酸 葡萄糖，但不是酵解途徑的簡單逆轉(zhuǎn)。 在酵解中，己糖激酶，磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶所催化的反應(yīng)是不可逆的。在糖異生中，這三步反應(yīng)由不同的酶催化，由四步反應(yīng)實現(xiàn)克服，其余7步反應(yīng)就是是酵解的逆

14、反應(yīng)。,（2）糖異生作用途徑,糖異生途徑：丙酮酸 葡萄糖，,（2）糖異生作用途徑,限速第一步：丙酮酸 磷酸烯醇式丙酮酸,草酰乙酸轉(zhuǎn)化為磷酸烯醇式丙酮酸 草酰乙酸經(jīng)磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶催化生成磷酸烯醇式丙酮酸。該脫羧反用GTP作為高能磷?；墓w，在體內(nèi)是不可逆的，但在體外，分離的磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶卻可以催化該反應(yīng)的逆反應(yīng)。, 注意：丙酮酸羧化酶存在于線粒體中,丙酮酸進(jìn)入線粒體后生成草酰乙酸； 在線粒體內(nèi)草酰乙酸轉(zhuǎn)變成蘋果酸后轉(zhuǎn)運到胞漿 細(xì)胞漿中的蘋果酸又被蘋果酸脫氫酶再氧化成草酰乙酸，然后再轉(zhuǎn)變成PEP。NAD+是氫受體。,線粒體中 NADH + H+ + 草酰乙酸-NAD+ + 蘋

15、果酸 G0= -29.7kJ/mol 胞漿中 蘋果酸 + NAD+ - 草酰乙酸 + NADH + H+ G0= +29.7 kJ/mol,果糖-1,6-二磷酸水解生成果糖-6-磷酸 酵解過程中的F-6-P生成F-1,6-2P反應(yīng)是不可逆反應(yīng)。所以，糖異生途徑使用F-1,6-2P酶催化F-1,6-2P水解生成F-6-P，反應(yīng)釋放出大量的自由能，反應(yīng)也是不可逆的。,限速第二步：果糖-1,6-二磷酸 果糖-6-磷酸,葡萄糖-6-磷酸水解生成葡萄糖 F-6-P沿酵解的逆反應(yīng)異構(gòu)化生成G-6-P，由葡G-6-P酶催化其水解為葡萄糖和無機(jī)磷酸，該水解反應(yīng)不可逆。,限速第三步：葡糖糖-6-磷酸 葡糖糖,從

16、以上過程可以看出，糖異生是個需能過程，由兩分子丙酮酸合成一分子葡萄糖需要4分子ATP和2 分子GTP，同時還需要兩分子NADH， 糖異生總反應(yīng)方程式為： 2丙酮酸4ATP2GTP2NADH2H+6H2O 葡萄糖4ADP2GDP6Pi2NAD+,糖異生等于用ATPGTP各2分子克服由兩分子丙酮酸形成兩分子高能磷酸烯醇式丙酮酸的能障，用2分子ATP進(jìn)行磷酸甘油激酶催化反應(yīng)的可逆反應(yīng)。 葡萄糖經(jīng)糖酵解轉(zhuǎn)化為兩分子丙酮酸凈生成2分子ATP，而由兩分子丙酮酸經(jīng)糖異生途徑合成一分子葡萄糖卻消耗了6個高能鍵，也就是說，糖異生比酵解凈生成的ATP多用了4分子ATP-儲存能量。,（3）糖異生的前體 凡是能生成丙

17、酮酸的物質(zhì)都可以變成葡萄糖 三羧酸循環(huán)的中間物，檸檬酸，異檸檬酸，-酮戊二酸，琥珀酸，延胡索酸和蘋果酸都可以轉(zhuǎn)變?yōu)椴蒗Ｒ宜岫M(jìn)入糖異生途徑。 乙酰CoA不能作為糖異生的前體，它不能轉(zhuǎn)化成丙酮酸，因為丙酮酸脫氫酶反應(yīng)是不可逆的,大多數(shù)氨基酸是生糖氨基酸，如丙氨酸，谷氨酸，天冬氨酸，絲氨酸，半胱氨酸，甘氨酸，精氨酸，組氨酸，蘇氨酸，脯氨酸，谷氨酰胺，天冬酰胺，甲硫氨酸，纈氨酸，它們可轉(zhuǎn)變成丙酮酸，以及-酮戊二酸，草酰乙酸等三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物參加糖異生途徑。,糖異生具有重要的生理意義，在饑餓、劇烈運動造成糖原下降后，血糖濃度降低，糖異生可使酵解產(chǎn)生的乳酸、脂肪分解的甘油以及大部分氨基酸等代謝中間物重

18、新生成糖。這對于維持血糖濃度，滿足組織（特別是腦和紅細(xì)胞）對糖的需要是十分重要的。,（4）糖異生作用意義,（5）Cori循環(huán) 當(dāng)骨骼肌劇烈運動時，呼吸不能向組織中運送足夠的氧使葡萄糖完全氧化。6-P-G轉(zhuǎn)換成丙酮酸的速度大于丙酮酸進(jìn)一步由三羧酸循環(huán)完全氧化的速度。這時丙酮酸傾向于還原成乳酸。乳酸釋放進(jìn)入血液，再迅速進(jìn)入肝。 進(jìn)入肝臟的乳酸再氧化成丙酮酸。丙酮酸通過糖異生再生成葡萄糖。葡萄糖再回到血液。骨骼肌又將葡萄糖攝入，再產(chǎn)生糖原儲備。,Cori 循環(huán) 可立氏循環(huán),這條途徑在肌肉劇烈運動后的恢復(fù)過程中特別活躍，是為了重建糖原儲備。,（6）糖異生和糖酵解作用的代謝協(xié)調(diào)控制 糖酵解和糖異生都是在

19、胞漿中進(jìn)行但是方向相反，它們的控制必須是交互或是往復(fù)式的。換句話說，細(xì)胞激活其中一條途徑必定抑制另一條途徑。,糖酵解的控制主要是通過調(diào)節(jié)三個強(qiáng)放能反應(yīng)進(jìn)行的。這三個強(qiáng)放能反應(yīng)由己糖激酶，磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶控制。 在糖異生中，這三個反應(yīng)的相反反應(yīng)也是強(qiáng)放能的，由葡萄糖-6-磷酸酶，果糖1，6-二磷酸酶，以及丙酮酸羧化酶和磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶控制,糖異生和糖酵解作用的代謝協(xié)調(diào)控制的調(diào)節(jié)方式有： 別構(gòu)調(diào)節(jié) 無效循環(huán) 激素調(diào)節(jié),別構(gòu)調(diào)節(jié)：別構(gòu)酶效應(yīng)物在協(xié)調(diào)控制中的作用 高濃度6-P-G抑制己糖激酶，而激活葡萄糖6-磷酸酶，從而抑制酵解，促進(jìn)糖異生。 糖酵解和糖異生共同關(guān)鍵控制點是6-P-F與1

20、，6-2P-F的轉(zhuǎn)化。其中酵解過程的關(guān)鍵調(diào)控酶是磷酸果糖激酶，糖異生的關(guān)鍵調(diào)控酶是果糖二磷酸酶。 2,6二磷酸果糖對這兩個酶的作用相反。,乙酰輔酶A是丙酮酸羧化酶的激活劑，是丙酮酸激酶和丙酮酸脫氫酶的抑制劑。 丙氨酸是糖異生的前體，但對丙酮酸激酶有抑制作用，是該酶的負(fù)效應(yīng)物。 ATP抑制磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶的活力，抑制酵解，其后果是同時激活糖異生. 細(xì)胞中能荷減少，則酵解加速，糖異生作用減慢.,無效循環(huán) 由于酵解與糖異生途徑是由不同酶催化的兩個相反代謝反應(yīng)，其條件不一樣，一個方向需要ATP參加使底物磷酸化，另一個方向使磷酸化的底物自動水解。結(jié)果ATP水解消耗了能量，底物沒有變化。這種循環(huán)稱無效循環(huán)。 酵解和糖異生有3個點可能產(chǎn)生無效循環(huán)。,激素對糖異生及酵解途徑的調(diào)控作用 腎上腺素，高血糖素，糖皮質(zhì)激素可增加磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶及葡萄糖6-磷酸酶的合成，從而促使糖異生作用。 這些激素也可通過cAMP激活特定蛋白激酶，使丙酮酸激酶磷酸化，抑制酶的活性，使酵解受到抑制。 胰島素可以使磷酸果糖激酶，丙酮酸激酶活性升高，增強(qiáng)酵解。并可使果糖1，6-二磷酸酶活性下降，對抗高血糖素，腎上腺素對糖異生的效應(yīng)，使糖異生減弱。糖尿病動物的糖異生加強(qiáng)。,2 蔗糖的合成,蔗糖在植物界分布最廣，特別是在甘蔗、甜菜、菠蘿的汁液中很多。蔗糖不僅是重要的光合作用和高等植物的主要成分，而且是