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炊拐明
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glycerol phosphate shuttle 4ATP 2007/11/12 楊素卿 1 由

1 五醣解作用中 ATP 之生成由 glucose 開始 ( 有氧 ) glucose 2pyruvate+6 分子 ATP 或 8 分子 ATP malate-aspartate shuttle 6ATP glycerol phosphate shuttle 4ATP 2007/11/12 楊素卿 1 由 glucose 開始 ( 無氧 ) glucose 2 lactic acid+ 2 分子 ATP 2007/11/12 楊素卿 2 1

2 六綜合整理別名出發物質生成物質 ( 分子數 ) 生成 ATP 數反應式 EM(P)pathway Embden- Meyerhof- (Parnas) pathway Glucose(1 分子 ) 無氧 lactic acid (2 分子 ) 有氧 pyruvate (2 分子 ) 肌肉 :2 分子 ATP 肌肉腦 : 6 分子 ATP 肝心腎 : 8 分子 ATP C 6 H 12 O 6 2C 3 H 6 O 3 +2ATP C 6 H 12 O 6 +O 2 2C 3 H 6 O 3 +2H 2 O +6(8)ATP 2007/11/12 楊素卿 3 三羧酸循環 TCA cycle(tricarboxylic acid cycle) 一 TCA cycle 之意義 (1) 亦稱為克氏循環 (Krebs cycle) 或檸檬酸循環 (citric acid cycle), 為體內能量代謝的中心 (2) 可視為一般或最終的異化途徑, 因為醣類脂質及胺基酸的產物皆可進入此循環, 被完全氧化為二氧化碳和水, 並釋放能量 (3) 製造最多 ATP 之路徑 (4) 在粒線體之基質 (matrix) 進行 (5) 發生於循環中的氧化反應, 事實上是脫氫反應, 是由酵素催化將 2 個氫原子移至一個接受受質, 如 NAD + 或 FAD 因為循環的酵素, 和電子傳遞鏈的酵素和載體都被分隔於粒線體內, 所以還原受質 NADH 和 FADH 2 迅速地經由電子傳遞鏈被再氧化 2007/11/12 楊素卿 4 2

3 二詳細反應 (1) 丙酮酸連結細胞質的糖解作用和粒線體的克氏循環在細胞質的糖解作用中,1 分子葡萄糖形成 2 分子丙酮酸之後, 丙酮酸被運送至粒線體內, 經脫羧作用形成 2 個乙醯輔酶 A 和 2 分子二氧化碳另外, 乙醯輔酶 A 亦可由脂肪酸代謝或某些胺基酸而來 4I 表示丙酮酸脫氫酶 (pyruvate dehydrogenase) 反應這個反應是一種複合體 (complex), 需要一個多酵素系統和各式輔因子, 稱為丙酮酸脫氫酶複合體 (pyruvate dehydrogenase complex) 輔因子包括輔酶 A (CoA) TPP (thiamine pyrophosphate) Mg +2 NAD + FAD 及 lipoic aicd 因此這個複合體的活性需要四種維生素 : 泛酸 (CoA 的成份之一 ) 硫胺菸鹼素及核黃素酵素包括丙酮酸脫羧酶 (pyruvate decarboxylase), 雙羥類脂酸脫氫酶 (dihydrolipoyl dehydrogenase), 和雙羥類脂酸轉乙醯酶 (dihydrolipoyl transacetylase) 這個複合體以 NAD + 作為氫原子最終的接受者, 進行丙酮酸的脫羧基作用和脫氫反應因為經由電子傳遞鏈再氧化 NADH, 以氧化磷酸化產生 3 個 ATP 這個反應被乙醯輔酶 A 和 NADH 負向調節, 被 ADP 和 Ca +2 正向調節 2007/11/12 楊素卿 5 輔酶 A (CoA) TPP (thiamine pyrophosphate) Mg +2 NAD + FAD 及 lipoic aicd 丙酮酸脫羧酶 (pyruvate decarboxylase) 雙羥類脂酸脫氫酶 (dihydrolipoyl dehydrogenase) 雙羥類脂酸轉乙醯酶 (dihydrolipoyl transacetylase) 2007/11/12 楊素卿 6 3

4 (2) 克氏循環開始於乙醯輔酶 A 和草醋酸鹽 (oxaloacetate) 的反應, 乙醯輔酶 A 和草醋酸鹽經檸檬酸合成酶 (citrate synthase) 催化, 產生檸檬酸 (citrate) ( ) (3) 檸檬酸同分異構化形成異檸檬酸 (isocitrate) 的過程中, 順 - 烏頭酸 (cisaconitate) 為中間產物此一反應由 aconitate hydratase(aconitase) 催化, 脫氫 ( 水 ) 後再進行立體位置相反的水合作用, 造成羥基移位至相臨的碳原子上 ( ) (hydratase 包括 dehydrase 和 hydrase) (4) 克氏循環中四個脫氫反應的第一個反應為異檸檬酸脫氫酶反應 ( ) (5) - 酮戊二酸 ( -ketoglutarate, -KG) 的脫羧基和脫氫反應, 完全相同於需要複合酵素和輔因子的丙酮酸脫氫酶複合物反應 -KG dehydrogenase 反應以 NAD + 作為氫原子接受者, 第二碳原子以二氧化碳的形式被移除 pyruvate dehydrogense isocitrate dehydrogenase 及 -KG dehydrogenase 反應以二氧化碳的形式, 將一個丙酮酸的三個碳原子移除 ( ) 2007/11/12 楊素卿 7 (6) 能量被保留於琥珀醯基輔酶 A (succinyl CoA) 的硫醯鍵 (thioester bond) 由琥珀酸硫激酶 (succinyl thiokinase, kinase or ligase) 水解此一鍵結, 所釋放出的能量, 可使鳥糞嘌呤核苷二磷鹽 (guanosine diphosphate, GDP) 以無機磷磷酸化產生的 GTP 是一個如 ATP 的高能量磷酸苷 (phosphate anhydride) 化合物 ( ) (7) 琥珀酸脫氫酶反應以 FAD 取代 NAD + 作為氫原子接受者 FADH 2 經電子傳遞鏈被再氧化 ( ) (8) 丁烯二酸酶 ( 延胡索酸酶,fumarase or hydratase) 將水分子加在丁烯二酸 (fumarate) 的雙鍵上, 以形成蘋果酸鹽 (malate) ( ) (9) 蘋果酸 (malate) 轉化為草醋酸鹽的反應結束了克氏循環由蘋果酸脫氫酶 (malate dehydrogenase) 催化的脫氫反應中,NAD + 作為氫原子的接受者這是循環中第四個產生還原受質和釋放能量的反應 ( ) (10) 葡萄糖完全氧化為二氧化碳和水, 其平衡式為 : C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 能量 2007/11/12 楊素卿 8 4

5 三 ATP 之產生 (1) 糖解作用, 葡萄糖 2 個丙酮酸的反應, 以受質磷酸化形成 2 個 ATP (2) 丙酮酸乙醯輔酶 A,pyruvate dehydrogenase complex 反應形成的 1 個 NADH, 可產生 2 個或 3 個 ATP 因為 malate-aspartate shuttle 活性較大, 所以一般形成 3 個 ATP (3) 粒線體內, 丙酮酸脫氫酶反應產生 1 個 NADH, 其一用以丙酮酸氧化, 以氧化磷酸化產生 3 個 ATP (4) 在克氏循環中, 氧化 1 莫耳乙醯輔酶 A, 總共產生 12 個 ATP 產生的反應以反應編號表示如下 : 3 個 ATP 3 個 ATP 1 個 ATP ( 以 GTP 形式 ) 2 個 ATP 3 個 ATP, 共 12 個 ATP 2 莫耳乙醯輔酶 A/ 莫耳葡萄糖 = 24 個 ATP 再加上 2 分子丙酮酸 2 分子乙醯輔酶 A 的 3 2=6 個 ATP, 總共 30 個 ATP (5) 因此, 糖解加上克氏循環, 1 莫耳葡萄糖完全氧化, 可形成 36 或 38 個 ATP 2007/11/12 楊素卿 9 四與其他營養素之關聯草醋酸鹽之生成 (1) 草醋酸鹽可以直接由丙酮酸形成這個反應由丙酮酸羧化酵素 (pyruvate carboxylase) 催化, 表示於 4J 此反應需要二氧化碳 ATP 以及生物素丙酮酸轉化為草醋酸鹽的反應稱為修復的過程, 因為要將草醋酸鹽儲存於循環中丙酮酸羧化酵素被乙醯輔酶 A 正向調節, 因此增加草醋酸鹽的形成以回應乙醯輔酶 A 數量的增加 biotin 2007/11/12 楊素卿 10 5

6 (2) 糖尿病病人因為醣類代謝不良, 使得丙酮酸轉變成草醋酸鹽之反應降低, 因而造成草醋酸鹽不足, 無法進入克氏循環而且乙醯輔酶 A 之合成也不足, 因而加速脂肪酸的氧化, 增加乙醯輔酶 A 之生成而在草醋酸鹽不足的情況之下, 無法進入克氏循環, 而造成乙醯輔酶 A 堆積乙醯輔酶 A 無法進入克氏循環之結果, 會引起乙醯輔酶 A 進入酮體合成路徑, 而使得糖尿病人的血液中酮體濃度上升, 嚴重時會造成酮酸中毒 2007/11/12 楊素卿 11 與脂肪酸代謝之關聯 (1) 脂肪酸分解後產生 acetyl CoA, 由此進入醣類之代謝 1 分子 acetyl CoA 可產生 12 個 ATP (2) 由醣類合成脂質時, 以 acetyl CoA 為原料 2007/11/12 楊素卿 12 6

7 與胺基酸代謝之關聯 (1) 胺基酸要產生熱量時, 經轉胺作用及脫胺作用後會形成 keto acid, 進入醣類代謝路徑 (2) 因為胺基酸構造不同, 進入醣類之接點亦不相同, 如 : -ketoglutaric acid succinyl CoA fumaric acid 及 oxaloacetic acid 等 2007/11/12 楊素卿 13 五綜合整理別名出發物質生成物質 ( 分子數 ) 生成 ATP 數 Citric acid cycle Krebs cycle *pyruvate 分解成 CO 2 及 H 2 O 的過程 pyruvate (1 分子 ) 有氧 3CO 2 +5[H 2 ] 5[H 2 ] 包括 : NADH 2.4 FADH 分子 pyruvate 產生 15 個 ATP ( 其中 12 個 ATP 為電子傳遞鏈產生 ) NADH FADH GTP /11/12 楊素卿 14 7

反應式細胞內部位必要之輔酶 C 3 H 4 O 3 +3H 2 O+5[O] 3CO 2 +5H 2 +15ATP ATP 為 NADH 或 FADH 2 在電子傳遞鏈內氧化所產生, 加上自身反應中所產生的 1 分子 GTP 粒線體之基質 (matrix) NAD FAD CoASH TDP(TPP) lipoic acid 2007/11/12 楊素卿 15

8 反應式細胞內部位必要之輔酶 C 3 H 4 O 3 +3H 2 O+5[O] 3CO 2 +5H 2 +15ATP ATP 為 NADH 或 FADH 2 在電子傳遞鏈內氧化所產生, 加上自身反應中所產生的 1 分子 GTP 粒線體之基質 (matrix) NAD FAD CoASH TDP(TPP) lipoic acid 2007/11/12 楊素卿 15 肝醣之合成與分解一肝醣之合成 (glycogenesis)(glucose glycogen) (1) 肝醣合成作用在肝臟或肌肉組織進行 (2) 其合成步驟如下 : glucose glycogen glycogen synthase glucose 6-phosphate glucose 1-phosphate UDP-glucose 2007/11/12 楊素卿 16 8

9 (3) 詳細反應 : 當葡萄糖進入細胞後, 首先被 hexokinase 磷酸化, 在葡萄糖第六個碳原子上, 形成磷酸鹽酯 (phosphate ester) 肌肉細胞中, hexokinase 催化磷酸根轉移, 此異位酵素受到反應產物 glucose 6-phosphate 的負向調節在肝臟, 葡萄糖磷酸化作用 (phosphorylation) 主要受 glucokinase ( 有時被稱為六碳醣激酶 D (hexokinase D)) 催化雖然反應產物皆為 6- 磷酸葡萄糖, 但葡萄糖激酶和六碳醣激酶仍有不同例如, hexokinase 受到 6- 磷酸葡萄糖負向調節, 但 glucokinase 則否另外, 葡萄糖激酶的 K m 值高於六碳醣激酶, 這表示當細胞內葡萄糖濃度明顯增加時 ( 如在一頓富含碳水化合物的飲食後 ), 能以較快的速率將葡萄糖形成磷酸鹽的形式六碳醣激酶較低的 K m 值, 即使在一般的葡萄糖濃度下, 仍以最大值的速率進行催化因此, 當血糖升高時, 肝臟具有降低血糖濃度的能力再者, 血糖升高刺激胰島素的活性, 而 glucokinase 是由胰島素所誘發的第一型糖尿病患者由於體內缺乏胰島素, 所以葡萄糖激酶的活性低於正常值這導致細胞無法攝入及代謝葡萄糖因為活化葡萄糖 ( 磷酸化 ) 需要 ATP, 所以六碳醣激酶 / 葡萄糖激酶反應是耗能的 2007/11/12 楊素卿 17 在磷酸葡萄糖變位酶 (phosphoglucomutase) 催化下, 磷酸根由葡萄糖第 6 個碳原子轉移至第一個碳原子上在代謝中, 有時核苷三磷酸 (nucleoside triphosphates) 具有活化物質 (activating substance) 的功能水解尿核苷三磷酸鹽 (uridine triphosphate) 的 - - 磷酸酐鍵 ( - -phosphate anhydride bond) 所產生的能量, 使尿核苷三磷酸鹽 (uridine triphosphate) 和 1- 磷酸葡萄糖 (glucose 1-phosphate ) 形成尿苷雙磷酸葡萄糖 (uridine diphosphate glucose, UDPglucose) 2007/11/12 楊素卿 18 9

10 葡萄糖以尿苷雙磷酸葡萄糖的型式併入肝醣這個反應由肝醣合成酶 (glycogen synthase) 催化, 並且需要一些已組成的肝醣先趨物 (glycogen primer), 使葡萄糖連接其上肝醣先趨物是一個稱為肝醣原 (glycogenin) 的蛋白質 Glycogenin 除當成前驅物, 其第一個葡萄糖殘基以共價鍵和其連接, 也催化其他葡萄糖殘基的連接, 形成由 8 個單位構成的長鏈當肝醣合成酶繼續作用, 則延長肝醣鏈 Glycogenin 在肝醣合成中的角色如圖 4.6b 肝醣合成酶具有活性形式 ( 去磷酸化 (dephosphorylated)), 和另一活性較低的形式 ( 磷酸化 phosphorylated) 胰島素藉刺激肝醣合成酶去磷酸化, 以促進肝醣合成反應肝醣合成酶的反應, 是胰島素促進肝醣合成的主要影響目標 2007/11/12 楊素卿 19 消耗 2 分子 ATP 2007/11/12 楊素卿 20 10

11 肝醣分子中, 支鏈結構很重要, 因為支鏈增加肝醣的溶解性和密實度支鏈也提供許多非還原性的末端, 使葡萄糖殘基可被切斷後, 做為能量肝醣合成酶無法形成支點的 -1,6 鍵結, 因此需要分支酵素 (branching enzyme) 將主要肝醣鏈末端的寡醣片段, 移到鏈上第六碳原子的羥基上肝醣合成的整個路徑, 和大部分的合成反應一樣, 消耗能量, 因為每一分子葡萄糖耗用一個 ATP ( 反應 1) 和一個尿苷三磷酸 (UTP) ( 反應 2) 1 分子 glucose 要合成 glycogen 時, 需要 2 分子 ATP(UTP 之熱量與 ATP 相同 ) 2007/11/12 楊素卿 21 消耗 2 分子 ATP 2007/11/12 楊素卿 22 11

12 二肝醣之分解 (glycogenolysis)(glycogen glucose) (1) glycogen 分解成 glucose 之反應在肝臟進行 (2) glycogen 分離出 1 分子 glucose 不需要消耗 ATP 2007/11/12 楊素卿 23 (3) 詳細反應 :(Fig 4.8) 肝醣可以依身體的能量需求, 有系統地由肝醣支鏈的末端一次切斷一個殘基, 進入能量釋放反應途徑分解肝醣為一個 1- 磷酸葡萄糖的葡萄糖單位稱為肝醣分解連續地由肝醣釋放個別的葡萄糖單位是磷酸分解 (phosphorolysis) 的過程, 藉加入磷酸根而切斷配糖鍵 (glycosidic bond) 一次這種斷鍵的反應, 產生 1- 磷酸葡萄糖和剩餘一條少一個葡萄糖殘基的肝醣鏈此一反應由肝醣磷酸化酶 (phosphorylase) 催化, 是荷爾蒙和異位酵素調節代謝的重要位置肝醣磷酸化酶具有磷酸化活性形式, 磷酸化酶 a (phosphorylase a), 和磷酸化非活性形式, 磷酸化酶 b (phosphorylase b) 這兩種形式的轉換, 由其他能使磷酸化酶連接和移除磷酸根的酵素所調控催化磷酸化酶 b 磷酸化, 使成為磷酸化酶 a 活性形式的酵素為磷酸化酶 b 激酶 (phosphorylase b kinase) 自活化型磷酸化酶 a 移除磷酸根, 產生不活化型磷酸化酶 b 的酵素, 稱為磷酸化酶 a 磷酸酶 (phosphorylase a phosphatase) 所以, 肝醣分解為 1- 磷酸葡萄糖的速率決定於這些酵素的相對活性 2007/11/12 楊素卿 24 12

13 2007/11/12 楊素卿 25 雖然肝醣磷酸化酶 (glycogen phosphorlyase) 可切斷 -1.4 醣苷鍵, 但無法水解 -1.6 的鍵結所以這個酵素沿著肝醣分子直鏈的部分, 反覆作用, 直到作用於形成 -1.6 支點的葡萄糖殘基的位置 in liver and muscle cells Only in liver, because muscle cells lack glucose 6-phosphatase 2007/11/12 楊素卿 26 13

14 (4) 肌肉組織中, 因缺乏 glucose 6-phosphotase(glucose 6-phosphate glucose), 肌肉中 glycogen 並不會轉變成 glucose 所以, 肌肉組織不可以調節血糖 (5) 磷酸化酶活性的調節和共價調節 (covalent regulation) 有關, 即磷酸化 - 去磷酸化調節, 也和異位調節 (allosteric regulation) 有關肝醣分解受到荷爾蒙的調節, 稱為共價調節 (covalent regulation), 其中最重要的是由胰臟分泌的升糖激素 (glucagons), 和腎上腺髓質的一種兒茶酚胺荷爾蒙 (catecholamine hormone), 即腎上腺素 (adrenaline, epinephrine) 可促進 glycogen 分解這二種荷爾蒙皆經由提高 camp 後, 促進 (phosphorylase b kinase) 活性, 使 phosphorylase b(inactive) 轉成 phosphorylase a (active), 進而刺激肝醣分解這些荷爾蒙在調節葡萄糖的釋放和儲存的功能, 和胰島素是相反的 2007/11/12 楊素卿 27 AMP, ATP Glucagon, epinephrine camp 2007/11/12 楊素卿 28 14

15 異位調節 (allosteric regulation) 則受 AMP 及 ATP 的影響, 兩者競爭異位結合位置 (allosteric site), 可以維持不活化的磷酸化酶 b 和活化的磷酸化酶 b 間的平衡狀態 AMP 可使活化型磷酸化酶 b 增加, 而 ATP 則是有利於不活化型磷酸化酶 b 的合成 2007/11/12 楊素卿 29 AMP, ATP Glucagon, epinephrine camp 2007/11/12 楊素卿 30 15

16 p10 glycogen 2pyruvate+ 7 分子 ATP 或 9 分子 ATP 2007/11/12 楊素卿 31 p10 glycogen 2 lactic acid+ 3 分子 ATP 2007/11/12 楊素卿 32 16

17 p11 Glycogen ( 構成 glycogen 之 1 分子 glucose) 無氧 lactic acid (2 分子 ) 有氧 pyruvate (2 分子 ) 肌肉 : 3 個 ATP 肌肉腦 : 7 個 ATP 肝心腎 : 9 個 ATP C 6 H 12 O 6 2C 3 H 6 O 3 +3ATP C 6 H 12 O 6 +O 2 2C 3 H 6 O 3 +2H 2 O+7(9)ATP 2007/11/12 楊素卿 33 17

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??5.6?g [???e????] Title page 營養生化學 (Nutrition biochemistry) 醣類之消化吸收及代謝楊素卿 (Suh-Ching, Yang) 臺北醫學大學保健營養學系教師連絡方式 : 分機 6553;sokei@tmu.edu.tw 2010/4/1 楊素卿 1 學習目標了解醣類的消化與吸收了解並熟記醣類的代謝 ; 包括 (1) 醣解作用 (2) 三羧酸循環 (3) 肝醣之合成與分解