生物化学第四章.ppt

第四章 糖代谢,主要内容和要求：建立起物质代谢和能量代谢的整体概念，进而讨论糖的分解与合成，重点掌握以葡萄糖为代表的单糖的分解与合成的主要途径。,目 录,第一节 新陈代谢概述第二节 生物体内的主要糖类第三节 双糖和多糖的酶促降解第四节 单糖的分解代谢第五节 糖的生物合成,第一节 新陈代谢概述,新陈代谢的概念,新陈代谢指生物与周围环境进行物质和能量交换的过程。包括同化和异化作用。,合成代谢 物质上-小分子-大分子（同化作用）能量上-积能过程生物体新陈代谢 分解代谢 物质上-大分子-小分子（异化作用）能量上-放能过程,合成和分解过程中主次关系互相转化。若合成大于分解，生命体旺盛；反之，则衰老。,新陈代谢与糖类的分解有密切的联系，因为糖类的分解对生物体来讲，具重要的意义。,1.糖类作为能源物质ATP是糖类降解时通过氧化磷酸化作用而形成的最重要的能量载体物质。生物细胞只能利用高能化合物（主要是ATP）水解时释放的化学能来做功，以满足生长发育等所需要的能量消耗。,2.作为合成生物体内重要代谢物质的碳架和前体 葡萄糖、果糖等在降解过程中除了能提供大量能量外，其分解过程中还能形成许多中间产物或前体，生物细胞通过这些前体产物再去合成一系列其它重要的物质，包括：(1)乙酰辅酶A、氨基酸、核苷酸等，它们分别是合成脂肪、蛋白质和核酸等大分子物质的前体。(2)生物体内许多重要的次生代谢物、抗性物质，如生物碱、黄酮类等物质，它们对提高植物的抗逆性起着重要的作用。,3.细胞中结构物质 细胞中的结构物质如植物细胞壁等是由纤维素、半纤维素、果胶质等物质组成；甲壳质或几丁质为N-乙酰葡萄糖胺的同聚物，是组成虾、蟹、昆虫等外骨骼的结构物质。这些物质都是由糖类转化物聚合而成,4.参与分子和细胞特异性识别 由寡糖或多糖组成的糖链常存在于细胞表面，形成糖脂和糖蛋白，参与分子或细胞间的特异性识别和结合，如抗体和抗原、激素和受体、病原体和宿主细胞、蛋白质和抑制剂等常通过糖链识别后再进行结合。,第二节 生物体内的主要糖类,1 单糖,单糖（monosaccharide）是指最简单的糖，即在温和条件下不能再分解成更小的糖单位，如葡萄糖、果糖等。按碳原子的数目单糖又可分为三碳（丙）糖、四碳（丁）糖、五碳（戊）糖、六碳（己）糖、七碳（庚）糖等。,D系醛糖的立体结构,D(+)-阿洛糖,D(+)-阿桌糖,D(+)-葡萄糖,D(+)-甘露糖,D(+)-古洛糖,D(-)-艾杜糖,D(+)-半乳糖,D(+)-塔罗糖,(allose),(altrose),(glucose),(mannose),(gulose),(idose),(galactose),(talose),D(-)-赤鲜糖,(erythrose),D(-)-苏糖,(threose),D(+)-甘油醛,(allose),D(-)-核糖,(ribose),D(-)-阿拉伯糖,(arabinose),D(+)-木糖,(xylose),D(-)-米苏糖,(lysose),D系酮糖的立体结构,D(-)-赤藓酮糖,(erythrulose),D(-)-核酮糖,(ribulose),D(+)-核酮糖,(xylulose),D(+)-阿洛酮糖,(psicose,allulose),D(-)-果糖,(fructose),D(+)-山梨糖,(sorbose),D(-)-洛格酮糖,(tagalose),二羟丙酮,(dihytroasetone),D-吡喃葡萄糖-D-吡喃葡萄糖(开链式)(环式),-D-呋喃果糖(开环式),-D-呋喃果糖(环式),吡喃型和呋喃型的D-葡萄糖和D-果糖（Haworth式）,吡喃,呋喃,-D-吡喃葡萄糖,-D-吡喃果糖,-D-呋喃葡萄糖,-D-呋喃果糖,麦芽糖,2、一些重要双糖的结构,-葡萄糖（14）葡萄糖苷,蔗 糖,-葡萄糖（12）-果糖苷,乳 糖,乳糖（半乳糖-1,4-葡萄糖）,3、一些重要多糖的结构,淀 粉,直链淀粉,直链淀粉大约由200300 个葡萄糖以-1,4-糖苷键连接组成。括号中的二糖基是一个相当于麦芽糖的基本结构单位，直链淀粉可以看成是这个基本单位的延伸。,支链淀粉中除有-1,4-糖苷键外，还有-1,6-糖苷键，大约每间隔30 个-1,4-糖苷键就有一个-1,6-糖苷键支链淀粉含有大约1 300 个葡萄糖基，有50 个以上支链，每一个支链由2430 个葡萄糖基通过-1,4-糖苷键连接起来。,淀 粉,纤维素,纤维素的基本结构单位是纤维二糖（cellobiose），可以将纤维素分子看成是几千个葡萄糖按照纤维二糖的结构特点，通过-1,4-糖苷键连接起来的。,纤维素片层结构,纤维素一级结构,细胞膜表面的糖链,蛋白聚糖,糖脂,糖蛋白,细胞膜,第三节 双糖和多糖的酶促降解,3.1 双糖的酶促降解,乳糖+H2O 葡萄糖+半乳糖,-半乳糖苷酶,3.2 多糖的酶促降解,1、糖原的分解 糖原的结构及其连接方式,磷酸化酶（催化1.4-糖苷键断裂）三种酶协同作用：转移酶（催化寡聚葡萄糖片段转移）脱枝酶（催化1.6-糖苷键断裂）,糖原的磷酸解,淀粉分解有两条途径：,2 淀粉的降解,水解 产生葡萄糖,磷酸解 产生磷酸葡萄糖,多糖在细胞内和细胞外的降解方式不同，细胞外的降解（如动物消化道的消化，微生物胞外酶作用）是一种水解作用；细胞内的降解则是磷酸解（加磷酸分解）。,3.2.1 淀粉的水解酶,参与淀粉水解的酶主要有三种：淀粉酶、脱支酶、麦芽糖酶,淀粉酶是指参与淀粉a-1,4-糖苷键水解的酶。有a-淀粉酶和b-淀粉酶两种。,(1)淀粉酶：,其产物为：若直链淀粉 葡萄糖+麦芽糖+麦芽三糖+低聚糖 若支链淀粉 葡萄糖+麦芽糖+麦芽三糖+极限糊精,a-淀粉酶：（a-1,4-葡聚糖水解酶）,可水解淀粉分子内部任何部位的a-1,4-糖苷键，所以又称为内切淀粉酶。,该酶对非还原末端的5个葡萄糖基不发生作用。Ca2+需要。,也水解a-1,4-糖苷键，但须从淀粉分子外围非还原末端开始切，每次切下两个葡萄糖基。又称为外切淀粉酶。,-淀粉酶：,其产物为：若直链淀粉 麦芽糖 若支链淀粉 麦芽糖+极限糊精,(2)脱支酶(R-酶)：（a-1,6-葡萄糖苷酶）,水解a-1,6-糖苷键，但只能作用于外围的这种键，而不能水解内部的分支。,植物体内的麦芽糖酶通常与淀粉酶同时存在，并配合使用，从而使淀粉彻底水解成葡萄糖。,(3)麦芽糖酶：,其中，淀粉磷酸化酶又叫P-酶。,3.2.2 淀粉的磷酸解,此反应为可逆反应，但在植物体内，由于（1）Pi很高（如施肥）（2）G-1-P低（因不断被利用）所以，反应向正方向进行。,淀粉磷酸化酶从淀粉的非还原端开始，一个一个地磷酸解a-1,4-糖苷键，直到距分支点4个葡萄糖基为止。所以，如果是支链淀粉，还需要另外两个酶的参与，即转移酶和脱支酶。,3.3糖原磷酸解的步骤,非还原端,磷酸化酶（释放8个1-P-G）,转移酶,脱枝酶（释放1个葡萄糖）,三.纤维素的酶促降解,人的消化道中没有水解纤维素的酶，但很多微生物如细菌、真菌、放线菌、原生动物等能产生纤维素酶及纤维二糖酶，它们能催化纤维素完全水解成葡萄糖。,第四节 单糖的分解代谢,糖氧化分解的主要途径：,一、在无氧条件下进行的无氧分解二、在有氧条件下进行的有氧氧化三、通过磷酸戊糖途径进行的分解代谢,葡萄糖的主要分解代谢途径,葡萄糖,丙酮酸,乳酸,乙醇,乙酰 CoA,6-磷酸葡萄糖,磷酸戊糖途径,糖酵解,（有氧）,（无氧）,（有氧或无氧）,一、糖酵解（glycolysis）,1、化学历程和催化酶类2、化学计量和生物学意义3、糖酵解的调控,糖酵解是将葡萄糖降解为丙酮酸并伴随着ATP生成的一系列反应，是生物体内普遍存在的葡萄糖降解的途径。该途径也称作Embden-Meyethof-Parnas途径，简称途径。,EMP的化学历程,糖原（或淀粉）,1-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸果糖,1，6-二磷酸果糖,3-磷酸甘油醛磷酸二羟丙酮,21，3-二磷酸甘油酸,23-磷酸甘油酸,22-磷酸甘油酸,2磷酸烯醇丙酮酸,2丙酮酸,第一阶段,第二阶段,第三阶段,葡萄糖,葡萄糖的磷酸化,磷酸己糖的裂解,丙酮酸和ATP的生成,二.糖酵解的过程,第一步：葡萄糖的磷酸化,激酶：催化将ATP上的磷酸基团转移到受体上的酶。激 酶都需要Mg2+作为辅助因子。,第一步：葡萄糖的磷酸化,第一阶段,己糖激酶是糖酵解途径的第一个限速酶,第二步：6-磷酸果糖的生成,第一阶段,第三步：1,6-二磷酸果糖的生成,第一阶段,磷酸果糖激酶(PFK)是EMP途径的关键酶，其活性大小控制着整个途径的进程。是糖酵解途径的最重要的限速酶,第一阶段,碳链不变，但两头接上了磷酸基团，为断裂作好准备。,消耗两个ATP。,第四步：1,6-二磷酸果糖的裂解,1个己糖分裂成2个丙糖 丙酮糖和丙醛糖，它们为同分异构体。,第二阶段：磷酸己糖的裂解,第二阶段,第五步：磷酸丙糖的同分异构化,1分子二磷酸己糖裂解成2分子3-磷酸甘油醛。,第六步：3-磷酸甘油醛氧化,糖酵解过程中第一次产生高能磷酸键，并且产生了还原剂 NADH。催化此反应的酶是巯基酶，所以它可被碘乙酸(ICH2COOH)不可逆地抑制。故碘乙酸能抑制糖酵解。,第三阶段：磷酸烯醇式丙酮酸、丙酮酸和ATP的生成,这是糖酵解过程中唯一一步脱氢反应,第三阶段,第七步：3-磷酸甘油酸和ATP的生成,糖酵解过程中第一次产生 ATP。,第八步：3-磷酸甘油酸异构,第九步：PEP的生成,这一步其实是分子内的氧化还原，使分子中的能量重新分布，使能量集中，第二次产生了高能磷酸键。,第十步：丙酮酸的生成,糖酵解过程中第二次产生 ATP。,糖酵解中第二次底物水平磷酸化，丙酮酸激酶是第三个限速酶1分子葡萄糖产生2分子ATP,三 糖酵解的能量计算,要点：,1.全过程：三个阶段，10步反应，需10种酶,2.三个关键酶？不可逆反应！,3.调节位点：已糖激酶 G-6-P；磷酸果糖激酶 ATP、柠檬酸、脂肪酸；ADP、AMP；丙酮酸激酶 乙酰CoA、ATP；ADP、AMP,要点：,4.定位：细胞质,5.意义：产生少许能量，产生一些中简产物如，丙酮酸 和甘油等,6.底物水平的磷酸化,途径化学计量和生物学意义,总反应式:C6H12O6+2NAD+2ADP+2Pi 2C3H4O3+2NADH+2H+2ATP+2H2O,1 丙酮酸的去路,（有氧）,（无氧）,四.糖酵解产物的去路,(1)在无氧或相对缺氧时 发酵 有两种发酵：酒精发酵、乳酸发酵,酒精发酵：由葡萄糖 乙醇的过程,丙酮酸脱羧酶需要TPP作为辅酶。,(1)在无氧或相对缺氧时 酒精发酵,(2)在无氧或相对缺氧时 乳酸发酵,乳酸发酵：由葡萄糖 乳酸的过程,乳酸脱氢酶在动物体内有5种同工酶：H4、H3M、H2M2、HM3、M4,(2)在无氧或相对缺氧时 乳酸发酵,许多微生物常进行这种过程。此外，高等动物在氧不充足时，也可进行这条途径，如肌肉强烈运动时即产生大量乳酸。,(3)在有氧条件下 丙酮酸有氧氧化 丙酮酸被彻底氧化成CO2。,这一过程在线粒体中进行。通过此过程可以使葡萄糖彻底降解、氧化成CO2。,2.NADH的去路,(1)在无氧或相对缺氧时,酒精发酵中：作为 乙醛 乙醇 的供氢体,乳酸发酵中：作为 丙酮酸 乳酸 的供氢体,1分子葡萄糖通过无氧酵解，只能生成 2 个ATP,(2)在有氧条件下,原核生物中：1分子的NADH通过呼吸链可产生3个ATP，,真核生物中：在植物细胞或动物的肌细胞中，1分子 的NADH通过呼吸链可产生2个ATP。,1分子葡萄糖通过有氧酵解，可生成 2+22=6 个ATP,1分子葡萄糖通过有氧酵解，可生成 2+32=8 个ATP,丙酮酸的无氧降解及葡萄糖的无氧分解,葡萄糖,EMP,丙酮酸的有氧氧化及葡萄糖的有氧分解,（EMP）,葡萄糖,丙酮酸脱氢酶系,五.糖酵解的生物学意义,1.为生物体提供一定的能量；,2.糖酵解的中间物为生物合成提供原料；如丙酮酸可转变为氨基酸，磷酸二羟丙酮可合成甘油。,3.为糖异生作用提供了基本途径。,六.糖酵解的调控,在代谢途径中，发生不可逆反应的地方常常是整个途径的调控部位，而催化这些反应的酶常常要受到调控，从而影响这些地方的反应速度，进而影响整个途径的进程。这些酶称该途径的关键酶。,在糖酵解中，有三种酶催化的不可逆反应 己糖激酶、PFK、丙酮酸激酶。所以它们是关键酶。,这三种酶都是变构酶。,